专利名称：由绝热纸板制成的热杯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热杯，并且更特别地涉及一种由含有处理过的纤维的绝热纸板制成的热杯。
背景技术：
热的食物，特别是热的液体，一般用一次性过的容器盛装并销售。这些容器由包括纸板和发泡聚合片材的各种材料制成。纸板材料最便宜的就是纤维素纤维。纤维素纤维用于生产优质纸板并制造热杯、模压的纸盘、以及其他食物和饮料的容器。然而，传统的由纤维素纤维制成的纸板是密实的，并因此比例如发泡聚合片材更容易传热。所以，热的液体就典型的用双杯或带套筒的杯子来盛装。
这就需要一种由纤维素材料制成的绝热纸板，其具有很好的绝热特点，可以让使用者感觉到容器里的食物是温的或热的，并同时让容器里的食物或饮料的消费者在不感觉过高温度的情况下拿住容器很长时间。这也更需要提供一种绝热纸板，其可被裁剪以提供各种绝热特性，从而针对特定的最终应用可以调整通过纸板的温差。
参照下述详细说明以及附图，将更加容易地领会和理解本申请，其中图1是根据本申请制成的双层纸板的横截面示意图；图2是由类似于图1的纸板制成的热杯的等立体图，其一部分被切除；以及图3是用于制造图2所示的热杯的纸板的一部分的放大横截面图。
具体实施例方式
参照图1，本发明绝热纸板12的底层10用传统的方法由很容易得到的纤维如纤维素纤维制成。本发明的纸板可根据需要制成单层、双层、或多层结构。
本发明的突出特点在于绝热纸板的至少一层14，不论是单层或多层结构，除化学纸浆外还包括处理过的纤维素纤维。处理过的纤维素增强了板材的绝热性能。正如在此定义的可用于本申请的化学纸浆纤维最先由木浆获得并提纯。用于本申请合适的木浆纤维可从众所周知的化学处理如牛皮纸和亚硫酸盐处理，并经过或不经过漂白处理获得。软木和硬木都可使用。木浆纤维的选择细节对于本领域的技术人员来说是公知的。例如，可用于本申请的由美国长叶松生产的适合的纤维素纤维(化学纸浆纤维)可从很多公司获得，包括Weyerhaeuser公司，名称为CF416，PL416，FR416以及NB416。漂白牛皮纸湿纸浆，KKT，艾伯特王子城软木(Prince Albert Softwood)以及大草原城软木(GrandePrairie Softwood)，所有的由Weyerhaeuser制成的产品都是可以使用的北方软木的例子。正如其所用的，处理过的纤维素纤维包括下述纤维1)化学处理从纤维素I改变到纤维素II，如丝光处理的和丝光闪干处理的纤维，其中丝光处理作为漂白过程中的一个阶段。利用橡树工艺制造的丝光处理纤维如HPZ以及丝光闪干纤维如HPZIII、MemphisTN、以及可从Rayonier Performance Fibers Division，Jessup，GA获得的Porosinier-J-HP都可适用于本申请。这些丝光软木纸浆具有95％或更大的α纤维素纯度并且是硬纤维。处理过的纤维也包括2)机械和化学机械处理的纤维，如化学热机械处理的纸浆纤维(CTMP)，漂白化学热机械处理的纸浆纤维(BCTMP)，热机械处理的纸浆纤维(TMP)，提纯的磨木浆纤维以及磨木浆纤维。回收的或二次利用的木浆纤维也适用。
这些纸浆的例子是，由Bowater，Greenville，S.C.制造的TMP(热机械处理纸浆)，由Weyerhaeuser，Columbus，MI通过将木屑经过双提纯机的三个阶段并随后还原漂白到68光亮度而制造的TMP(热机械处理纸浆)，以及从NORPAC，Longview，WA获得的作为CTMPNORPAC新闻纸等级销售的CTMP(化学热机械处理纸浆)；光亮度从53到75。其他处理过的纤维包括由Weyerhaeuser公司利用2004年8月20日提交的美国申请No.10/923,447所公开的方法制造的喷干纤维素纤维和处理的喷干纤维素纤维。在此方法中纸浆纤维连续脱水约34％，然后通过喷干机，其具有大约190℃到400℃的入口温度和50℃到205℃的出口温度以及大约1082kpa(157psig)的蒸汽压力。这些纤维被扭绞和卷曲。其他的处理纤维包括如US6,837,970所述的闪干纤维和处理过的闪干纤维。也可以使用处理过的纤维的混合物。
本申请的纸板可具有一系列的特性。比如，在一个实施例中其基重可从200gsm到500gsm，在另一个实施例中其基重从250gsm到400gsm。在又一个实施例中纸板的基重等于或大于250gsm。在一个实施例中绝热纸板的密度小于0.5g/cc，在另一个实施例中该密度从0.1g/cc到0.45g/cc，并且在又一个实施例中密度从0.35g/cc到0.40g/cc。
当纸板的至少一层包括根据本申请处理过的纤维素纤维时，有利的温差特性就可以获得。这些温差特性可通过改变纸板内处理过纤维的数量、通过改变纸板的基重、通过在生产比如在通过夹辊后改变纸板的厚度、以及通过改变纸板结构中附加层的数量和厚度来获得。在一个实施例中纸板的厚度大于或等于0.4mm，基重等于或大于230gsm，并且密度小于0.5g/cc。绝热纸板的特性在下述表1中示出。
表1绝热纸板特性
1.NORPAC CTMP；2.Ponderay TMP；3.Weyerhaeuser，FederalWay，WA在另一个实施例中本申请的纸板在0.5mm的厚度时具有至少4.4℃的热水ΔT以及在至少1mm的厚度时具有8.65℃的热水ΔT。热水ΔT(在下面定义)与厚度的关系在0.4mm厚与1mm厚之间是线性的并且在0.4mm以下的部分线性减小或在1mm以上的部分线性增大。换种说法，根据本发明制造的具有0.4mm或更厚的纸板可以具有每0.1mm厚大约0.8℃的热水ΔT。这些温度值是基于厚度与ΔT之间的线性回归方程式。可以从以下表2给出的数据计算出回归线上各点的上和下置信限度。统计参数在表2中给出。
表2回归统计值倍数R0.88R平方0.78观测值 13
*置信限度使用上述表2建立的系数，可以建立在不同厚度水平上ΔT的以下关系。
表3基于回归线的在不同厚度水平上的ΔT
LCL，低于95％系数水平UCL，高于95％系数水平本发明的纸板可以是单层产品。当用于单层产品时，本发明纸板的低密度特点使得厚纸板可以制造成具有合理的基重。为了获得和普通纸板相同的绝热特点，普通纸板厚度将不得不被制成两倍于本发明的纸板。使用本申请中处理过的纤维素纤维，就可以生产具有与普通纸板相同基重的绝热纸板了。这就可以有效地在生产中用现有的纸板制造机器通过少量的修改以及少量的损失进行绝热纸板的制造。此外，单层纸板的优点是整个结构是低密度的。另一方面，本发明的纸板可以为多层产品，包括两、三或更多层。包括多于一层的纸板可以通过在干燥之前或之后将各层压合而制成。多层纸板可以通过在潮湿成型过程中连续使用多个压头箱制造，或者通过使用具有接纳能力的带有障板的压头箱并放置在多个纸浆装置中制造。多层产品的每一层可以是相同的，也可以是不同的。
本申请的纸板可以通过使用传统的制纸机器成型，例如包括真空圆网抄纸机、长网造纸机、斜线Delta成型机以及双线成型机。
在本申请的一个实施例中当单层纸板按照本申请使用时，在组成上是相同的。然而，此单层可根据成分不同分层并有充满处理过的纤维素纤维的层以及充满纤维素纤维的层，以提供一种平滑、密实和发泡少的表面。
最经济的是生产一种成分均匀的纸板，其中处理过的纤维素纤维均匀地与纤维素纤维混合。在一个实施例中，处理过的纤维素纤维以25％到70％的量存在于绝热层中，而在另一个实施例中，它们以30％到60％的量存在。比如在双层结构中，第一层可含有100％的纤维素纤维，而第二层可含有25％到70％的处理过的纤维素纤维。在另一个实施例中，第二层可含有35％到60％的处理过的纤维素纤维。在一个实施例中，在三层结构中，底层和顶层可含有100％的纤维素纤维，而中间层含有25％到70％的处理过的纤维素纤维。在另一个实施例中，在三层结构中，中间层可含有35％到约60％的处理过的纤维素纤维。
本申请的纸板具有一系列广泛的强度特性。例如，在一个实施例中，Taber硬度可在大约125g-cm到大约1100g-cm的范围内。在另一个实施例中，Taber硬度在大约400g-cm到大约800g-cm的范围内，并在另外一个实施例中Taber硬度在大约500g-cm到大约650g-cm的范围内。Taber硬度根据ISO 2431992E确定，除了记载的章节外。TAPPI的副本是489 OM-92。
纸板也具有抗拉特性，这使其可被裁剪。在一个实施例中，抗拉指数的范围从大约20Nm/g到大约70Nm/g。在另一个实施例中，抗拉指数的范围从大约30Nm/g到大约50Nm/g，并在另外一个实施例中范围从35Nm/g到45Nm/g。抗拉指数由TAPPI 494确定。
在传统纸板变为杯子的操作中，估计275kPa的最小Z方向张力(ZDT)对于适合的边缘或顶部的卷曲外形是必需的，使得在此过程中不发生分层。可以相信的是，利用本发明的纸板，较低范围可延伸到接近100kPa。在一个实施例中，ZDT(Z方向张力)的范围从大约250kPa到650kPa，在另一个实施例中，ZDT的范围从大约300kPa到大约500kPa。ZDT由TAPPI 541确定。
片材的体积由TAPPI 411确定并且片材的密度根据片材的体积相互计算出。
本申请的纸板可用于生产多层结构，特别是需要具有绝热性能的容器。参看图2，这些容器的共同点是都是用于盛装热饮如咖啡、茶以及类似物的普通热杯。其他绝热容器，例如普通纸盘，也可以包含本申请的纸板。同样，传统的由纸板或发泡材料制成的外卖容器也可以使用本发明的纸板。如图2和3所示，按照本发明制成的热杯型容器可包含有一层或多层22和24，其中之一，在该例中24，包括处理过的纤维素纤维。在这个实施例中处理过的纤维素纤维在内层24内。不透水背衬26优选的层压到内层上。此背衬可含有，比如各种热塑材料，如聚乙烯。更适宜的是用在杯底的纸板不包含纤维素纤维。
除了纤维材料外，本申请的纸板可包括粘合剂。合适的粘合剂溶解在、分散在水里，或在水里形成悬浮。合适的粘合剂包括那些通常用在造纸业中的粘合剂以为这些产品提供湿张力和干张力以及抗撕裂强度。合适的湿强力剂包括具有含氮的基团(比如氨基)的阳离子改良浆粉，例如来自于National Starch and Chemical Corp.，Bridgewater，NJ；橡胶；湿强力树脂，比如聚酰胺表氯醇树脂(比如，KYMENE 557LX，Hercules Inc.，Wilmington，DE)，以及聚丙烯酰胺树脂(比如参见美国专利3,556,932以及由American Cyanamid Co.，Standford，CT生产的商品名为PAREZ 631 NC的商业用途的聚丙烯酰胺树脂)；尿素甲醛和三聚氰胺甲醛树脂；以及聚氮丙啶树脂。有关在纸领域中使用的通常可用于本申请的湿强力树脂的全面论述可参见TAPPI专论系列29号的“纸和纸板内的湿强度”，纸浆和纸工业的技术协会(纽约，1965)。
其他合适的粘合剂包括淀粉，改良淀粉，聚乙烯醇，聚醋酸乙烯酯，聚乙烯/丙烯酸共聚物，丙烯酸聚合物，聚丙烯酸脂，聚丙烯酰胺，聚胺，瓜尔豆胶，氧化聚乙烯，氯化乙烯，氯化乙烯/丙稀酸共聚物，丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物，以及聚丙烯腈。其中很多可以形成橡胶聚合物用于溶解或悬浮在水中。
热水ΔT试验过程在下述例子中将使用各种试验方法。热水ΔT由模拟热量传递经过纸杯的模拟试验机确定。尺寸为12.1cm×12.1cm×12.1cm的树脂玻璃盒具有8.9cm×8.9cm的样品开口。该盒子用2.54cm厚的聚苯乙烯泡沫绝热。纸板的样品用3M(圣保罗，MN)的TartanTM标签保护透明带(Label Protection Tape Clear)3765层叠到一个表面上。另一方面，聚苯乙烯可被挤压到板的表面上。将87.8℃的热水倒入盒子中，插入小搅动棒，然后将涂覆有聚苯乙烯的样品放入仪器内。然后该盒子转动90度到水平面以使水充分接触样品并被放置在搅动盘上以在测量过程中搅动。五个热电偶微探针用传导带附着于纸板表面的外面。数据记录器记录内部的水温和外表面的温度，由此可以计算出温差(热水ΔT)。换种说法，ΔT是内部水温和外表面温度之间的差值。当水温达到82.2℃时，具有0.93发射率的红外照相机放在样品的外面29.7cm远处，同时检测红外辐射。这种红外辐射与热电偶的精确性相关。
在表1中示出的片材样品根据下述实例介绍的方法制备。
实例1该方法典型地制造具有60％CTMP的300gsm板。通过调整纤维和其他添加剂的合适数量和重量可以制造表1示出的其他具有各种基重以及处理过的纤维水平的纸板。在表1中示出的所有样品中漂白的道格拉斯杉木组分被提纯到510CSF；磨浆过程产生的粉状纤维(提纯到50CSF的漂白的道格拉斯杉木)以干纤维总重的5％添加到所有样品中。
CTMP，44.44g纤维(浓度40.83％)、37.4g提纯到510CSF的道格拉斯杉木(浓度29.1％)、60.5g提纯到50CSF的道格拉斯杉木(浓度2.5％)，(磨浆过程产生的粉状纤维)、以及3.02g聚乙烯醇(165SFPVOH，来自Celanese，Dallas TX)，100％固体，在英式粉碎机内粉碎5分钟。该混合物被稀释到4L除离子水中并用NaHCO3调成pH值为7.2-7.4。从1％的溶液加入1g/kg(2Lb/T)当量的聚酰胺3，3-环氧丁腈树脂和0.13g/kg(0.26Lb/T)当量的Perform-PC8138(两者都可从Hercules，Wilmington，DE得到)，并混合2分钟。加入2g/kg(4lb/T)的AKD(从Hercules Inc.，Wilmington，DE可获得的烷基烯酮二聚体)和4.25g/kg(8.5lb/Ton)的淀粉(Sta-Lok 300，从Tate-Lyle，Decatur IL可得到)并混合搅动两分钟。将31.75cm×31.75cm成型线(155网目)放置在Noble&Wood12″×12″片材成型模的底部上，将浆液倒入片材成型模，用除离子水稀释成35升并用柱塞混合。随后将浆液排出，利用吸墨纸通过均匀的手压进行脱水直至片材达到大约20％的密度。该片材从滤网移开并被吸干进一步达到大约30％的固化度。吸墨纸放置在样品的每一个面上，样品放在潮湿毛布之间然后通过137.8kPa(20psi)的压力以进一步对样品进行脱水。此刻固体组分大约为40％。得到的片材放在转鼓式干燥器(表面温度为121℃)上，位于两个干燥的吸墨纸之间干燥10分钟。随后将样品颠倒并再干燥10分钟。在测试前将样品在50％相对湿度的房间内晾干4小时。
已经结合优选实施例及其各种变更和改变描述了前述申请。本领域技术人员可以使用等同物替换所公开的申请而不脱离本申请的宽泛概念。因此本申请仅由所附的权利要求书限定。
权利要求
1.一种由绝热纸板制成的容器，包括侧壁和底壁，所述侧壁包括绝热纸板，该绝热纸板具有至少一层纤维素纤维，至少一些纤维素纤维包括处理过的纤维素纤维，在所述至少一层中含有25％至70％的所述处理过的纤维素纤维，所述纸板充分绝热以提供每0.1mm厚度至少0.8℃的通过所述纸板的热水ΔT。
2.根据权利要求1所述的容器，其中所述处理过的纤维选自化学处理的纤维、机械处理的纤维、化学机械处理的纤维、喷干纤维、闪干纤维及其混合物。
3.根据权利要求2所述的容器，其中处理过的纤维是丝光处理的纤维。
4.根据权利要求2所述的容器，其中处理过的纤维是CTMP纤维。
5.根据权利要求2所述的容器，其中处理过的纤维是BCTMP纤维。
6.根据权利要求2所述的容器，其中处理过的纤维是TMP纤维。
7.根据权利要求2所述的容器，其中处理过的纤维是喷干纤维。
8.根据权利要求2所述的容器，其中处理过的纤维是闪干纤维。
9.根据权利要求1所述的容器纸板，其中所述纸板具有小于0.5g/cc的密度。
10.根据权利要求9所述的容器，其中所述纸板具有250gsm至400gsm的基重。
11.根据权利要求9所述的容器，其中所述纸板具有大于或等于250gsm的基重。
12.根据权利要求9所述的容器，其中所述纸板的厚度大于或等于0.5mm。
13.根据权利要求1所述的容器，其中所述纸板具有在0.6mm厚度时至少5.3℃的热水ΔT以及在1.25mm厚度时10.8℃的热水ΔT，所述热水ΔT在4℃以下到10.3℃以上的温度范围内相对于厚度基本上是线性级数。
14.根据权利要求13所述的容器，其中所述线性级数从4℃的ΔT到10.3℃的ΔT扩大。
15.根据权利要求1所述的容器，其中所述纸板至少是双层板，所述至少一层含有处理过的纤维素纤维。
16.根据权利要求1所述的容器，包括热杯。
全文摘要
一种绝热纸板，包括至少一层纤维素纤维。该层至少部分由处理过的纤维素纤维组成。该纸板提供了充分的绝热以提供每0.1mm厚度至少0.8℃的通过纸板的热水ΔT。可由该绝热纸板生产热杯。
文档编号D21H27/30GK1891580SQ200610095
公开日2007年1月10日 申请日期2006年6月28日 优先权日2005年6月30日
发明者丹尼尔·T·邦克, 沙赫罗赫·A·纳耶尼, 理查德·A·埃德马克, 马里奥·F·维拉 申请人:韦尔豪泽公司