耐咖啡着色的纤维素结构及相关容器和方法与流程

耐咖啡着色的纤维素结构及相关容器和方法
1.优先权本技术要求在2020年3月4号提交的u.s. ser. no. 62/984,872的优先权。
2.领域本技术涉及纤维素结构，并且更具体地讲，涉及耐咖啡着色的纤维素结构。
3.背景纤维素结构用于各种包装应用。例如，将涂布的未漂白纸板用于包装饮料容器、冷冻食品、谷物和广泛种类的其它食品和非食品消费品。其它形式的涂布纤维素结构用于食品服务和消费品中的各种包装选择。
4.可持续性是开发用于食品或食品服务应用的新包装的关键驱动力之一。具有低密度聚乙烯(ldpe)挤出涂层的纤维素结构是用于食品服务包装，尤其是纸杯的主要材料之一，然而，其在使用后不容易再回收，从而引起越来越多的对环境影响的关注。涂布有水性涂料的纤维素结构通常被认为是可再制浆的和可再回收的，并且因此更可持续。然而，由水溶液涂布的纤维素结构制成的纸杯并未与由ldpe涂布的杯所制成的杯表现在相同水平。一个技术挑战是水溶液涂布的杯底通常显示开裂、咖啡着色，并且在最坏的情况下甚至沿着杯底的折叠边缘泄漏。
5.因此，本领域技术人员继续在纤维素结构领域进行研究和开发工作。
6.概述公开了具有水阻隔层和油阻隔层的纤维素结构。
7.在一个实例中，所公开的纤维素结构包括具有第一主要面和与第一主要面相对的第二主要面的纤维素基材、在纤维素基材的第二主要面上的油阻隔层和在纤维素基材的第二主要面上的水阻隔层，其中油阻隔层位于纤维素基材和水阻隔层之间。
8.还公开了由所公开的纤维素结构制造的容器，例如杯。
9.在一个实例中，所公开的容器包括具有上端部和下端部的侧壁，以及连接到侧壁的下端部的底壁，其中至少底壁包括纤维素结构，该纤维素结构包括纤维素基材、纤维素基材上的油阻隔层、以及位于油阻隔层上的水阻隔层。
10.还公开了用于制造具有对油和水二者的阻隔性质的纤维素结构的方法。
11.在一个实例中，所公开的用于制造纤维素结构的方法包括步骤：(1)将油阻隔涂料配制物施加到纤维素基材以形成油阻隔层，油阻隔涂料配制物包含聚乙烯醇、羧甲基纤维素、藻酸盐和微纤化纤维素中的至少一种，和(2)将水阻隔涂料配制物施加到油阻隔层上以形成水阻隔层，其中油阻隔层位于水阻隔层和纤维素基材之间。
12.从以下详细描述、附图和所附权利要求书中，所公开的耐咖啡着色纤维素结构及相关容器和方法的其它实例将变得显而易见。
13.附图简述图1是可以使用所公开的纤维素结构制造的容器(例如，杯)的一个实例的截面正视图；图2是图1的容器的俯视图；
图3是模切坯料（die-cut blank）的平面图，该模切坯料可围绕心轴卷绕以形成图1的容器的侧壁；图4是所公开的纤维素结构的一个实例的示意性剖视图；图5是所公开的纤维素结构的另一个实例的示意性剖视图；图6是所公开的纤维素结构的另一个实例的示意性剖视图；图7是具有包括水阻隔(2层)涂布的纸板的杯底的两个对照杯的照片；图8是具有包括水阻隔(1层)和油阻隔层涂布的纸板的杯底的两个示例性杯的照片；图9是具有包括水阻隔(2层)和油阻隔层涂布的纸板的杯底的两个示例性杯的照片；图10包括具有包括水阻隔(2层)涂布纸板的杯底的若干对照杯的照片；以及图11包括具有包括水阻隔(2层)和油阻隔层涂布的纸板的杯底的几个示例性杯的照片。
14.详细描述公开了纤维素结构和相关容器，与传统的水溶液涂布的纤维素结构和相关容器相比，所述纤维素结构和相关容器在与食品和饮料、特别是咖啡和茶接触时显著地较不易于着色。
15.所公开的纤维素结构可以通过以下来制造：令油阻隔层位于纤维素基材的主要面上(例如，直接相邻)，并且然后将水阻隔层施加在油阻隔层上(例如，直接相邻)，使得油阻隔层位于纤维素基材和水阻隔层之间。阻隔层的这种组合可起到使由水溶液涂布的纤维素材料制成的杯的杯底折叠边缘开裂、着色、或甚至泄漏最小化的作用。因此，由所公开的纤维素结构制造的容器可特别好地适合于容纳热饮料(例如咖啡)、热食物(例如汤)、束状包裹物(bundle wrap)和柔性型包装。
16.参照图1和2，所公开的基于纤维素的容器的一个实例（整体标记为10）可包括具有上端部14和下端部16的侧壁12，以及连接(例如，热密封)至侧壁12的下端部16的底壁18，从而在容器10内限定内部容积20。侧壁12的上端部14可限定进入内部容积20的开口22。任选地，侧壁12的上端部14可另外包括凸缘24(例如，卷起的凸缘)，例如用于将盖子(未示出)等固定到容器10。
17.虽然容器10在图1中被示出为具有截头圆锥形侧壁12的高杯（tall cup）(例如，12盎司、16盎司、21盎司或24盎司的一次性外卖杯，take-out cup)，但是本领域技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，所公开的容器10可以以各种形状、尺寸和构造来制造，并且可采用比上述侧壁12和底壁18更少或更多的壁来制造。
18.如图2所示，容器10的侧壁12可由坯料30(图3)组装，该坯料30已被切割成所需的轮廓，并且然后围绕心轴(未示出)卷绕。当坯料30围绕心轴卷绕时，坯料30的第一端32与坯料30的第二端34重叠，并且重叠的端32、34可连接(例如，通过热密封)，从而限定从侧壁12的上端部14延伸到下端部16的接缝36。一旦侧壁12已经被组装，底壁18可被连接(例如，热密封)到侧壁12的下端部16，产生折叠边缘19，从而产生容器10。
19.参照图4，容器10的底壁18可由具有第一主要表面42和第二主要表面44的纤维素结构40制造。纤维素结构40的第一主要表面42可对应于容器10的外表面26。纤维素结构40
的第二主要表面44可对应于容器10的内表面28。
20.纤维素结构40可以是层状结构，其包括具有第一主要面48和第二主要面50的纤维素基材46。可将水阻隔层52和油阻隔层54施加到纤维素基材46的主要面(例如，第二主要面50)，使得油阻隔层54可位于水阻隔层52和纤维素基材46之间。水阻隔层52可限定纤维素结构40的主要表面(例如，第二主要表面44)，并因此限定容器10的内表面28。
21.在这一点上，本领域技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，各种（阻隔或非阻隔的）附加涂层可在纤维素基材46和油阻隔层54之间的第二主要面50上、油阻隔层54和水阻隔层52之间、或纤维素基材46的第一主要面48上结合到纤维素结构40中。在一个变型中，如图5所示，纤维素结构40'可包括在水阻隔层52'和油阻隔层54'之间的底涂层45。在另一个变型中，如图5所示，纤维素结构40'可包括在油阻隔层54'和纤维素基材46'之间的底涂层47。在另一个变型中，如图5所示，纤维素结构40'可包括在纤维素基材46'的第一主要面48'上的底涂层49(阻隔或非阻隔的，一个或多个层)。在又一变型中，如图5所示，纤维素结构40'可包括在水阻隔层52'和油阻隔层54'之间的第一底涂层45，和在油阻隔层54'和纤维素基材46'之间的第二底涂层47。在另一变型中，如图5所示，纤维素结构40'可包括在水阻隔层52'和油阻隔层54'之间的第一底涂层45、在油阻隔层54'和纤维素基材46'之间的第二底涂层47、以及在纤维素基材46'的第一主要面48'上的第三底涂层49。在不背离本发明范围的情况下，考虑其它组合、组成变化和另外的底涂层。
22.参照图6，纤维素结构40在容器10的形成过程中可在水阻隔层52中形成微裂纹58。虽然微裂纹58可向下形成到油阻隔层54，但是油阻隔层54可保持完整。水阻隔层52中的微裂纹58既不可导致水阻隔层52的功能损失，也不会导致油阻隔层54的功能损失。换句话说，水阻隔层52中的微裂纹58可足够小以仍抵抗水；然而，更侵蚀性的分子如咖啡油和/或添加剂可渗透微裂纹，然后油阻隔层54可防止咖啡油和/或添加剂着色纤维基材。
23.再参考图4，纤维素结构40的纤维素基材46可以是(或可包括)能够用水阻隔层52和油阻隔层54涂布的任何纤维素材料。本领域技术人员将理解，纤维素基材46可以是漂白的或未漂白的。在一个非限制性实例中，纤维素基材可以是纸板。在另一个非限制性实例中，纤维素基质可以是固体漂白硫酸盐(sbs)。合适的纤维素基材的实例包括纸、瓦楞芯纸（corrugating medium）、挂面纸板（linerboard）和未漂白牛皮纸（unbleached kraft）。
24.纤维素基材46可具有至少约25磅/3000 ft2的未涂布基重。在一种表现中，纤维素基材46可具有约40磅/3000 ft2至约400磅/3000 ft2的未涂布基重。在另一种表现中，纤维素基材46可具有约60磅/3000 ft2至约400磅/3000 ft2的未涂布基重。在另一种表现中，纤维素基材46可具有约80磅/3000 ft2至约300磅/3000 ft2的未涂布基重。在另一种表现中，纤维素基材46可具有约90磅/3000 ft2至约250磅/3000 ft2的未涂布基重。在又一种表现中，纤维素基材46可具有约100磅/3000 ft2至约200磅/3000 ft2的未涂布基重。
25.此外，纤维素基材46可具有例如约2点至约30点(0.002英寸至0.030英寸)的纸张厚度(厚度)。在一种表现中，纸张厚度范围为约8点至约24点。在另一种表现中，纸张厚度范围为约12点至约20点。
26.合适的纤维素基材46的一个具体的非限制性实例是13点，150磅/3000 ft
2 sbs truserv
tm
杯纸料，由westrock company of atlanta, georgia制造。合适的纤维素基材46的另一个具体的非限制性实例是18点、185磅/3000 ft
2 sbs truserv
tm 杯纸料
（cupstock），由westrock company制造。
27.再参考图4，水阻隔层52位于油阻隔层54上。可使用各种技术在油阻隔层54上形成水阻隔层52，例如在造纸机上的一个或多个涂布机或作为一个或多个机外涂布机（off-machine coater(s)）的一个或多个涂布机。当加热时，热封涂层提供了对与其接触的产品的其它区域的粘附。合适方法的一个具体的非限制性实例是使用刮刀涂布机来施加水阻隔层52。
28.水阻隔层52可以以各种涂层重量(基于干重)施加到纤维素基材46。在一种表现中，水阻隔层52可以以干燥时至少约4磅/3,000 ft2的涂层重量施加。在另一种表现中，水阻隔层52可以以干燥时约4磅/3,000 ft2至约20磅/3,000 ft2的涂层重量施加。在另一种表现中，水阻隔层52可以以干燥时约6磅/3,000 ft2至约16磅/3,000 ft2的涂层重量施加。在另一种表现中，水阻隔层52可以以干燥时约8磅/3,000 ft2至约12磅/3,000 ft2的涂层重量施加。
29.水阻隔层52可包含粘合剂和颜料。水阻隔层52可包括单层或者可包括至少两层而不背离本发明的范围。在一种表现中，颜料与粘合剂的比可以是每1(重量)份粘合剂至多1(重量)份颜料。在另一种表现中，颜料与粘合剂的重量比可以是约1:1至约1:9。在另一种表现中，颜料与粘合剂的重量比可以是约1:1.5至约1:6。在另一种表现中，颜料与粘合剂的重量比可以是约1:2至约1:4。
30.在一个特定实施方案中，水阻隔层52的粘合剂可以是水性粘合剂。作为一个一般的非限制性实例，粘合剂可以是胶乳。作为另一个一般的非限制性实例，粘合剂可以是玻璃化转变温度为约25℃至约50℃(例如，约28℃至约32℃)的基于水的丙烯酸类聚合物乳液。合适的粘合剂的具体的非限制性实例示于表2中。也考虑其它水性粘合剂，例如苯乙烯-丁二烯橡胶(sbr)、乙烯丙烯酸(eaa)、聚乙酸乙烯酯(pvac)、聚乙烯基丙烯酸类、聚酯分散体及其组合。
31.水阻隔层52的颜料组分可以是(或可包含)各种材料。表1中示出了合适的无机颜料的两个非限制性实例。在不背离本公开范围的情况下，可使用其它颜料，例如塑料颜料、二氧化钛颜料、滑石颜料等。
32.在一个变型中，水阻隔层52的颜料组分可以是粘土颜料。作为一个实例，粘土颜料可以是片状粘土，例如高纵横比的片状粘土(例如至少40:1的平均纵横比，例如至少60:1的平均纵横比)。作为另一个实例，粘土颜料可以是片状粘土，例如高纵横比的片状粘土(例如至少30:1的平均纵横比，例如至少50:1的平均纵横比)。作为又一个实例，粘土颜料可以是片状粘土，例如高纵横比的片状粘土(例如至少20:1的平均纵横比，例如至少25:1的平均纵横比)。
33.在另一种变型中，水阻隔层52的颜料组分可以是碳酸钙(caco3)颜料。作为一个实例，caco3颜料可以是粗研磨碳酸钙，具有其中约60%的颗粒小于2微米的粒度分布。
34.在又一种变型中，水阻隔层52的颜料组分可以是包含碳酸钙颜料和粘土颜料二者的颜料共混物。
35.再参考图4，油阻隔层54可施加到纤维素基材46上，例如施加到纤维素基材46的第二主要面50。油阻隔层54可使用任何合适的方法施加到纤维素基材46的第二主要面50上，例如在造纸机上的一个或多个涂布机或作为一个或多个机外涂布机的一个或多个涂布机。
合适方法的一个具体的非限制性实例是使用棒式涂布机来施加油阻隔层54，所述棒式涂布机使用棒#040。
36.油阻隔层54可以是亲水性的或水溶性的，并且可包含一种或多种聚合物。在一种表现中，油阻隔层54可包含聚乙烯醇(pvoh)。合适的pvoh的一个具体的非限制性实例是exceval
tm hr-3010，改性的pvoh树脂，由kuraray america incorporated of houston，texas提供。在另一种表现中，油阻隔层54可包括羧甲基纤维素(cmc)。在另一种表现中，油阻隔层54可包括羧甲基纤维素钠(na)。羧甲基纤维素钠的一个具体的非限制性实例是finnfix
® bbp h15s，一种纯化的低粘度羧甲基纤维素钠，由cp kelco u.s. incorporated of atlanta，georgia提供。在另一种表现中，油阻隔层54可包含藻酸盐。在又一种表现中，油阻隔层54可包含微纤化纤维素(mfc)。也考虑其它水溶性聚合物，例如蛋白质、羟丙基甲基纤维素(hpmc)、羟乙基纤维素(hec)、聚丙烯酸(paa)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚乙二醇(peg)及其组合。
37.油阻隔层54可以以各种涂层重量(基于干重)施加到纤维素基材46上。在一种表现中，油阻隔层54可以以干燥时至少约0.5磅/3,000 ft2的涂层重量施加。在另一种表现中，油阻隔层54可以以干燥时约0.5磅/3,000 ft2至约4.0磅/3,000 ft2的涂层重量施加。在另一种表现中，油阻隔层54可以以干燥时约1.0磅/3,000 ft2至约3.0磅/3,000 ft2的涂层重量施加。在另一种表现中，油阻隔层54可以以干燥时约1.5磅/3,000 ft2至约2.5磅/3,000 ft2的涂层重量施加。在另一种表现中，油阻隔层54可以以干燥时约0.5磅/3,000 ft2至约2.0磅/3,000 ft2的涂层重量施加。
38.油阻隔层54可进一步包含颜料。油阻隔层54的颜料组分可以是(或可包含)各种材料。表1中示出了合适的无机颜料的两个非限制性实例。在不背离本公开范围的情况下，可使用其它颜料，例如塑料颜料、二氧化钛颜料、滑石颜料等。
39.在一个变型中，油阻隔层54的颜料组分可以是粘土颜料。作为一个实例，粘土颜料可以是片状粘土，例如高纵横比的片状粘土(例如至少40:1的平均纵横比，例如至少60:1的平均纵横比)。作为另一个实例，粘土颜料可以是片状粘土，例如高纵横比的片状粘土(例如至少30:1的平均纵横比，例如至少50:1的平均纵横比)。作为又一个实例，粘土颜料可以是片状粘土，例如高纵横比的片状粘土(例如至少20:1的平均纵横比，例如至少25:1的平均纵横比)。其它合适的粘土包括但不限于高岭土、膨润土、煅烧粘土等。
40.在另一个变型中，油阻隔层54的颜料组分可以是碳酸钙(caco3)颜料。作为一个实例，caco3颜料可以是粗研磨caco3，具有其中约60%的颗粒小于2微米的粒度分布。
41.在又一种变型中，油阻隔层54的颜料组分可以是包含碳酸钙颜料和粘土颜料二者的颜料共混物。
42.再参考图1，容器10的侧壁12也可由纤维素结构制造，例如图4所示的纤维素结构40或图5所示的纤维素结构40'。然而，各种其它纤维素结构可用于形成侧壁12，例如当侧壁12的可印刷性较不重要或不重要时。
实施例
43.进行实验以评价在与纸板结构有关的油阻隔层上使用水阻隔层。制备一种水阻隔涂料配制物(bc-1)和两种油阻隔涂料配制物(pvoh和cmc)并将其用于实验。表1中列出了用
于水阻隔层的颜料。表2中列出了用于水阻隔层的粘合剂。表3中列出了水阻隔涂料配制物(bc-1)。表4中列出了用于油阻隔涂料配制物的聚合物。 。
44.通过标准混合方法制备水阻隔涂料配制物，其中首先混合颜料浆料(例如cc-1、cl-1)，同时对其搅拌以形成均匀混合物。然后也通过搅拌将粘合剂(例如sa-1)加入到颜料浆料中，得到水阻隔涂料配制物。
45.通过首先在搅拌下将树脂粉末在室温下分散到水中来制备pvoh溶液。然后，通过蒸汽将混合物的温度升至90-95℃，并在混合下保持约30分钟。然后将溶液冷却至室温，并除去漂浮至溶液顶部的任何泡沫。用cem smart 6湿度分析仪测量出溶液的固含量为10.1%，并且用brookfield dv2t粘度计，在100 rpm下，使用#2转子，测量出溶液的粘度为318.8 cp(厘泊)。
46.通过将na cmc粉末缓慢加入调节至140
°
f的水中制备na cmc溶液。混合30分钟后，溶液准备好。用cem smart 6湿度分析仪测量出溶液固含量为13.1%，并且用brookfield dv2t粘度计，在100rpm下，使用#2转子，测量出溶液粘度为1250 cp。
47.将pvoh和na cmc溶液以各种涂层重量施加到基重为150磅/3000 ft2的13点sbs truserv
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杯纸料上，形成油阻隔层。使用棒式涂布机（其使用棒#040）将油阻隔涂料配制物施加到纸板基材的毛毯面(felt side)。然后使用刮刀涂布机将水阻隔(1层或2层)配制物
施加在油阻隔层上以形成水阻隔层，从而产生样品杯底。对照杯仅具有通过刮刀涂布机以各种涂层重量施加到基重为150磅/3000 ft2的13点sbs truserv
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杯纸料上的水阻隔(1层或2层)。通过使用杯的侧壁，在pmc(paper machinery corporation)杯机（cup machine）(pmc-1250型)上制造杯。实验中使用的杯的所有侧壁是基重为150磅/3000 ft2的18点sbs truserv
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杯纸料。侧壁用水阻隔(2层)涂布。实施例和实验结果(水cobb和咖啡cobb)示于表5中。 。
48.因此，将水阻隔层放置在纸板基材上的油阻隔层上提供了如下阻隔层：其能够经受和抗拒与没有油阻隔层的杯底大约相同量的水和咖啡。实施例还表现出优异的阻隔性质，如根据tappi standard t441 om-04测量的30分钟-水-cobb结果所证明的。对于大多数情况，附加的油阻隔层改善或至少保持了纸板结构的水阻隔性质。所有实施例(除了na cmc实施例)具有30分钟-水-cobb等级小于10g/m2，其中一个低于4g/m2。
49.cobb试验的热咖啡变体也被用于评价表5所示的实施例的水阻隔。该试验通过用90℃咖啡代替23℃的水来进行，但除此之外则符合tappi标准t441 om-04。所用的咖啡通过以下获得：在12杯mr. coffee咖啡机中用1100ml蒸馏水来冲36g的starbucks 中度混合研磨咖啡（starbucks medium house blend ground coffee）。然后将咖啡倒入具有磁力搅拌棒的烧杯中，并加热至90℃，同时以55rpm搅拌。如果测试具有rich's奶精的咖啡，则将37ml的rich's奶精混合到咖啡中3分钟。然后将咖啡倒入杯中至低于杯缘5mm的水平。容纳30分钟后，从杯中取出咖啡，并用蒸馏水冲洗。然后立即评价空杯的泄漏、着色或损伤。表5中所示的所有实施例在30分钟后具有90℃咖啡cobb等级小于15g/m2，其中大多数在30分钟后小于10g/m2。
50.拍摄表5中所用实施例的照片，以评价在咖啡或具有奶精的咖啡的处理之后的即
刻着色量。底部纸料实施例是底部纸料对照(bs-对照)、包括一层pvoh和一层水阻隔涂层的底部纸料(bs-1)、包括一层pvoh和两层水阻隔涂层的底部纸料(bs-2)、或包括一层cmc和一层水阻隔涂层的底部纸料(bs-3)。杯的实例提供在表6。 。
51.参照图7，拍摄照片以显示两个bs-对照杯，其具有包括水阻隔(2层)涂布的纸板而没有油阻隔层的杯底。这些杯仅使用热咖啡进行测试。由于水阻隔层的微裂纹，若干咖啡着色点沿着杯底的折叠边缘，如箭头所示。大多数着色点在杯的外部是明显的(未示出)。
52.参照图8，拍摄照片以显示两个杯，所述杯具有bs-1杯底，所述杯底包括在纸板基材上的pvoh油阻隔层上的水阻隔(1层)。这些杯仅使用热咖啡进行测试。沿着杯底的折叠边缘存在零个咖啡着色点。
53.参照图9，拍摄照片以显示两个bs-2杯，其具有在pvoh油阻隔层涂布的纸板上包含水阻隔(2层)的杯底。这些杯仅使用热咖啡进行测试。沿着杯底的折叠边缘几乎没有(发现1处着色点，由黑色箭头指示)咖啡着色点。当不存在油阻隔层时，两个bs-对照杯(图7)显示出多处(约五处)咖啡着色，而含有pvoh油阻隔层的杯(图8和9)在四个杯的样品尺寸中仅显示出一处着色。图7、8和9一起表明，即使水阻隔层确实显示出微裂纹，油层阻隔仍然可以防止咖啡油和/或添加剂到达并因此着色纤维素纤维基材。
54.参照图10，拍摄照片以显示五个bs-对照杯，其具有包含水阻隔(2层)涂布的纸板而没有油阻隔层的杯底。这些杯经受具有额外奶精的热咖啡。图10底部的两个版面（panel）示出了来自两个顶部版面的一个杯的放大视图。所有测试的bs-对照杯显示沿杯底的折叠边缘的内部咖啡着色点和在杯底的严重外部着色。
55.参考图11，拍摄照片以显示五个杯，其具有在na cmc油阻隔层涂布的纸板上包含水阻隔(1层)的杯底。这些杯经受具有额外奶精的热咖啡。图10底部的两个版面示出了来自两个顶部版面的一个杯的放大视图。所有杯在底壁的内部折叠边缘上显示咖啡着色，但在杯底的外侧上显示非常少的着色点。图10和11一起表明，除了水阻隔层之外，na cmc油阻隔层可以显著减少杯底上的折叠边缘的外部着色量。
56.尽管已经示出和描述了所公开的耐咖啡着色纸板结构及相关容器和方法的各种实例，但是本领域技术人员在阅读说明书时可想到修改。本技术包括这些修改，并且仅由权利要求的范围来限定。