CN117062953A - 纸或纸板的防渗处理和由此获得的防渗纸或纸板 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种处理纸或纸板表面的方法，该方法使纸或纸板表面防渗水、油和大气气体，特别是氧气。本发明还涉及由此获得的防渗纸或纸板，其特别适用于生产食品包装或餐具。

Description

纸或纸板的防渗处理和由此获得的防渗纸或纸板
技术领域
本发明描述了一种处理纸或纸板表面的方法，该方法使纸或纸板表面防渗水、油和大气气体，特别是氧气。本发明还涉及由此获得的防渗纸或纸板，其分别特别适于生产食品包装或餐具。
背景技术
大部分食品工业产品以装入容器或包装的形式运输和销售，这些容器或包装必须防渗水(或水基液相，如盐水)、含酒精成分的液体(例如，鸡尾酒)、油或气体。这些特性对于避免液体或气体从包装中泄漏是必要的，例如在碳酸饮料的情况下防止它们脱气，或者在即用食品容器的情况下防止调味品泄漏；并且在一些情况下防止物质从外部进入，通常是气体，例如可能引起食物变质和降解的湿气或氧气；最后，要求不渗透性(特别是对气体的不渗透性)以防止内部和外部之间的交叉交换，在包装的产品处于改性气氛(例如，在氮气下)中的情况下时，需要防止这种产品由于包装气体的泄漏和大气气体的同时进入而改性。防渗材料的典型应用是用于生产饮料的杯和吸管、蔬菜的袋、冷链的袋、用于长期食品的包装、用于新鲜食品的包装、用于长期和短期液体的容器；还有一些与食品工业无关的应用，例如生产花卉栽培用盆。
另一类与食品和食品工业相关使用的产品代表为一次性餐具(碟、刀具、玻璃杯和类似物品)；在这种情况下，液体的不渗透性仍然是必需的，而气体的不渗透性不是严格必需的。
目前，大部分食品包装或用于食品的一次性产品是用各种塑料生产的，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，主要用于生产饮料瓶)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)；在一些情况下，这些塑料与薄金属层(通常为铝)结合以获得气密性，或者与Tetra包装中(具有相同名称的公司的注册商标)的纸板结合。
然而，众所周知，每年生产的大量塑料和没有正确处置的塑料出现了极其严重的环境问题。特别地，当释放到河流、湖泊和海洋中时，它们形成浮岛，所述浮岛可以困住和杀死鱼类动物群，释放具有污染作用的次要成分(例如，在它们的生产中使用的增塑剂)，并且产生可以被动物群摄取的微塑料(小于5mm的材料碎片)，最终进入人类的食物链。这些问题因这些材料的降解所需的非常长的时间，甚至数百年而加剧。
尽管存在这些问题，塑料包裹和包装，或塑料餐具，如今仍被广泛使用，因为在食品工业中使用的其它材料中，玻璃和金属具有高得多的重量和成本(除了关于玻璃破裂的风险)，而除非与不同材料的层结合，纸不具有合适的不渗透性的特性。
将纸与聚合物层结合没有克服塑料的缺点，并且即使是可能，也使纸成分的回收变得麻烦。
专利申请JP 2008-50380A描述了一种赋予玻璃或纸制品超疏水性的方法。该方法在于用含有醇、四烷氧基硅烷、疏水性二氧化硅细粒、盐酸和水的溶液在待处理制品的表面上沉积，并且使组合物在环境温度下于所述表面上干燥30分钟。该文件还描述了，为了增加超疏水层的耐久性，可以在形成超疏水层之前在玻璃或纸制品的表面上制备缓冲层；通过在制品的裸露表面上沉积含有烷基三烷氧基硅烷或烷基三烷氧基硅烷和四烷氧基硅烷混合物的溶液，并干燥所述溶液，获得缓冲层；然后在该缓冲层上制备上述超疏水层。尽管它们具有超疏水性质，但是该文件的涂层不具有如本说明书的实验部分中所证明的良好的液体不渗透性，特别是水不渗透性的特性。此外，在待涂布的表面上干燥起始液体组合物所需的时间非常长，因此在该文件中描述的方法本身不适于工业规模的应用。
本发明的目的是提供一种材料，其具有类似于那些塑料的液体和气体不渗透性的特性，因此可以在包装应用中取代塑料，而且它容易回收并且不会出现与使用塑料有关的污染问题。本发明的另一个目的是提供一种生产所述材料的方法。
发明内容
根据本发明实现了这些目的，本发明的第一方面涉及一种处理纸或纸板的方法，该方法使纸或纸板防渗液体和气体，该方法包括：
A)将处理溶液施加到纸或纸板表面，所述处理溶液包含：
a.1)35wt％-100wt％的水溶液，其含有5wt％-20wt％的微米二氧化硅，15wt％-40wt％的水解的四烷氧基硅烷，和25wt％-40wt％的水解的烷基-三烷氧基硅烷；
和可选地一种或多种选自以下的其它组分：
a.2)10wt％-50wt％的C1-C6醇或其混合物；
a.3)选自NaOH和KOH的碱，其用量使得pH控制在2.3-4.5的范围内；以及
a.4)2wt％-15wt％的用批准用于食品的着色剂染色的甘油；
B)在100-250℃的温度下将使用步骤A)的处理溶液处理过的纸或纸板进行热处理。
在其第二方面，本发明涉及通过上述方法获得的防渗纸或纸板。
附图说明
图1示意性地示出了用于进行本发明方法的步骤B)的热处理的烘箱；
图2示出了用本发明的方法获得的纸样品的扫描电子显微镜照片；
图3示出了用本发明的方法获得的纸样品在大于图1的放大倍数下的两张扫描电子显微镜照片；
图4示出了纸和根据本发明的涂布处理后的相同纸的FTIR光谱的相关部分的放大图；
图5再现了用本发明的方法处理的纸样品在不同角度获得的两张照片，其突出了样品的拒水特性和拒油性质；
图6再现了根据本发明(右)和根据现有技术(左)获得的疏水纸样品的照片；
图7再现了示出根据现有技术获得的疏水纸样品在与水滴接触10分钟之后的疏水纸样品的照片；
图8再现了根据现有技术(图片的上部)和根据本发明(图片的下部)获得的纸板搅拌棒与热咖啡接触30秒后的照片；
图9和图10再现了示出用根据本发明不同的溶液处理的纸板表面上的水滴的照片(在不同的角度)。
具体实施方式
在以下描述中，除非另外指明，所有百分比均按重量计。
在本发明的第一步骤中，A)用处理溶液处理要制成防渗纸或纸板的表面。
用于制备下述所有溶液的水是去矿化水；离子种类的存在实际上可改变溶液中所用成分的反应性，使得方法控制不可再现。
处理溶液可以仅由a.1的水溶液组成，或者可以通过添加a.2-a.4的一种或多种成分由其制备。
a.1的溶液是含有5wt％-20wt％的微米二氧化硅、15wt％-40wt％的水解的四烷氧基硅烷和25wt％-40wt％的水解的烷基-三烷氧基硅烷的水溶液。优选地，水溶液中的烷基-三烷氧基硅烷的量高于四烷氧基硅烷的量，在该优选条件下，四烷氧基硅烷在溶液中的含量在15wt％和25wt％之间。
该溶液通过以合适的比例混合所述三种成分的三种单独的溶液来制备，为了清楚起见，其在下文定义为初级溶液。
这些初级溶液中的第一种是含有微米二氧化硅的悬浮液。微米二氧化硅是粉末形式的无定形二氧化硅；该粉末由纳米尺寸的二氧化硅(即，小于1微米(μm)，通常为5-100nm)的初级颗粒聚集形成微米尺寸的次级颗粒而制成，大小在约1μm和100μm之间。这种材料可以通过在特殊的室中燃烧四氯化硅(SiCl4)的蒸气和氧气来产生；在这种情况下，该材料在本领域中也称为“热解二氧化硅”或“气相二氧化硅”。可替代地，二氧化硅粉末可通过用稀酸(例如，硫酸或盐酸)从碱金属硅酸盐的稀水溶液(例如，水玻璃溶液，即通式Na2O.xSiO2的硅酸钠溶液，其中x＝2-4)沉淀获得；在这种情况下，所获得的无定形二氧化硅在本领域中称为“沉淀二氧化硅”。考虑到本发明产品的预期用途(与食品接触)，微米二氧化硅的纯度应不低于99.5％；该特性可以通过化学分析来确认，并且通过上述燃烧得到的气相二氧化硅，本质上得到了保证。微米二氧化硅可广泛商购获得，并且例如由德国埃森赢创资源效率有限公司(Evonik Resource Efficiency GmbH，Essen(Germany))以商品名(例如，产品OX 50)出售，或由美国马萨诸塞州波士顿的卡博特公司(CabotCorporation，Boston，Massachusetts(USA))以商品名Cab-O-出售。水-二氧化硅悬浮液中的微米二氧化硅的浓度可以在10wt％和70wt％之间变化，优选地，在10wt％和65wt％之间变化，甚至更优选地，在20wt％和40wt％之间变化。为了获得均匀的悬浮液，在机械搅拌下，例如用Ultra-系列混合器(由德国施陶芬的-Werke GmbH&Co.KG制造和销售)或类似装置将微米二氧化硅加入水中。
第二种初级溶液是水解的四烷氧基硅烷的水溶液。四烷氧基硅烷是通式Si(OR)4的化合物，其中R是烷基。对于本发明的目的，R是C1-C4烷基，优选为甲基，以及甚至更优选为乙基；对应于这些烷基的四烷氧基硅烷分别是四甲氧基硅烷(也以缩写TMOS为人所知)，和四乙氧基硅烷(也以缩写TEOS为人所知)。四烷氧基硅烷在该溶液中的浓度为10mol％-20mol％；在使用TEOS的优选情况下，这些摩尔浓度相当于56wt％-74wt％的浓度。在将其与其它两种初级溶液混合之前，通过使溶液达到9-14(优选9-10)的碱性pH，水解四烷氧基硅烷；优选地，通过向溶液中加入NaOH或KOH获得该pH值。
最后，第三种初级溶液是水解的烷基-三烷氧基硅烷的水溶液。烷基-三烷氧基硅烷是通式R'-Si(OR")3的化合物，其中R'和R"是彼此相同或不同的C1-C4烷基；优选R'是C1-C3基团，以及甚至更优选是甲基(C1)。用于本发明目的优选化合物是烷基-三烷氧基硅烷，其中R'＝甲基和R"＝乙基，即本领域已知的缩写为MTES的甲基三乙氧基硅烷化合物。该溶液中烷基-三烷氧基硅烷的浓度为30mol％-50mol％；在使用MTES的优选情况下，这些摩尔浓度相当于80wt％至90wt％的浓度。在与其它两种初级溶液混合之前，通过加入无机酸，例如HCl或HNO3，通过使该溶液达到1-3的酸性pH，水解烷基-三烷氧基硅烷。
一旦制备，将三种初级溶液以适于获得上述范围内的所需组合物的比例混合，即，5wt％-20wt％的微米二氧化硅，15wt％-25wt％的水解的四烷氧基硅烷，和25wt％-40wt％的水解的烷基-三烷氧基硅烷。优选地，在如此制备的溶液中获得以下摩尔比：
(四烷氧基硅烷+烷基-三烷氧基硅烷)/SiO2：比率在1和2之间，甚至更优选在1.5和1.7之间；
(四烷氧基硅烷+烷基-三烷氧基硅烷)/H2O：比率在0.05和0.1之间。
向如上所述制备的a.1的溶液中，可以可选地加入成分a.2-a.4中的一种或多种。
成分a.2是碳原子数为1-6的醇，或这些醇的混合物。当使用时，该成分可以以处理溶液总重量的10％-50％，优选15％-30％的量加入。成分a.2的添加允许加速处理溶液在纸或纸板载体上的干燥。此外，该成分允许干预处理溶液的粘度，其随着醇成分的量增加而降低；这允许操作者具有额外的控制参数，以根据在纸或纸板上的分配方法或纸或纸板的类型(具有或多或少的“封闭”纹理，即，具有或多或少的封闭纤维)来优化产品的特性。
成分a.3是选自NaOH和KOH的碱。当存在该成分时，将其加入处理溶液中以增加其初始pH，通常为2.3-2.5，最大值为5.5，优选为4.5。重要的是不超过5.5的pH值，因为这将加速处理溶液转化成凝胶的现象，从而影响将其分布在纸表面上的可能性。如果碱以1M溶液的形式使用，则通过加入相对于处理溶液的重量的0.20％-0.50％，优选0.30％-0.45％的碱溶液，将pH值控制在该范围内。成分a.3减少了将处理溶液分配到纸或纸板载体上时干燥处理溶液所需的时间。
最后，当希望赋予处理溶液颜色(并因此赋予在该方法结束时获得的处理过的纸或纸板颜色)时，加入成分a.4。该成分由用适合食品用途的适当着色剂染色的甘油组成；在欧洲，允许用于食品的着色剂用首字母E#表示，其中#是102和143之间的数字。所用甘油的纯度应不低于99.5％。当存在该成分时，可以根据在纸或纸板载体上获得的颜色强度将其以2％-15％，优选4％-10％的量加入处理溶液中。
染色的甘油可以按照两种操作模式加入到产品中。根据第一种方法，将甘油加入到用于制备溶液a.1的四烷氧基硅烷和烷基-三烷氧基硅烷的初级溶液中；在进行它们的水解之前，将甘油加入到这些溶液中；该方法允许甘油更均匀地分散在整个处理溶液中。第二种方法在于作为处理溶液制备的最后一步添加甘油；在这种情况下，应该将获得的混合物搅拌至少20分钟，以便允许甘油在溶液中完全分散；该第二种方法适于制备含有低百分比甘油的处理溶液。
可以通过印刷领域中已知的各种工业技术将由此制备的处理溶液分布在纸或纸板的表面上以使其防渗；例如，可以用诸如例如轮转凹版印刷、柔性版印刷、胶版印刷、气刀印刷、倒置印刷(后者更通常称为反转印刷)或喷涂技术的技术进行处理溶液在纸或纸板表面上的分布。
根据特定预期用途的需要，溶液可以分布在纸或纸板表面的一面或两面上；例如，在用于生产碟或玻璃的纸板的情况下，可能涂布内表面就足够(即，将与食物接触的表面)，而在刀具的情况下，纸板必须被完全涂布，也必须在其侧表面上涂布。在两个表面上的施加也增加了产品的气体屏障特性。
用上述溶液涂布的纸或纸板的厚度没有特别限制，并且取决于预期用途。
在纸的情况下，其厚度可在0.03mm和0.6mm之间变化，重量可在20g/m2和400g/m2之间变化。
在用于生产餐具的纸板的情况下，其厚度可为1mm-3mm，面积重量通常为约400g/m2-1400 g/m2。
可以在本发明的方法中处理的纸可以是牛皮纸(如普通白纸)、绵纸(tissuepaper)、羊皮纸、涂布纸或结合在一起以形成所需厚度的纸。基于所要获得的产品的类型，可以评估具有或多或少紧密地布置在一起的纤维的纸的使用；该特征确定了纸的“封闭”，是操作者用于检查最终产品的不渗透性特性的另一参数。
本发明的处理通常应用于空白纸，并且主要应用于食品纸，但是使用非食品或再生纸也已经获得了优异的结果。再生纸含有来源于印刷油墨的油/脂肪，其几乎从不用于食品用途；本发明人已经观察到，通过在本发明的方法中使用这些纸，除了获得对水和油的不渗透性的所需结果之外，还可能阻止这些包含在纸本身中的油和脂肪向与其直接接触的食品的泄漏。
根据不同的技术，使用印刷机进行分配或铺展，使得在纸载体上均匀地施加2.5g/m2-30g/m2量的溶液，这已证明可用于实现本发明的所需目的。
在本发明方法的步骤B)中，在100-250℃的温度下，将使用步骤A)的溶液处理的纸或纸板在一个或多个烘箱中进行热处理，优选地，在约120-180℃的温度下进行热处理。即使纸的引燃温度约为235℃，如果其持续时间短(例如，不超过10秒)，可以在高达250℃的温度下进行热处理，这是由于传递到涂布纸的热量最初消耗在涂层的液体成分的蒸发中。
一个或多个烘箱可以是任何类型的，例如封闭式和静态烘箱，其中几片经处理的纸或纸板放置在优选由金属网制成的特殊托盘上，以将纸或纸板的两个表面暴露于热空气。
然而，优选地，为了提高该方法的生产率，在纸的情况下，烘箱是隧道式烘箱，并且引导纸从一端到另一端横跨其长度。
这种优选的配置在图1中以极其示意性的方式示出。在步骤A)中沉积的溶液的干燥系统10中，纸张11最初被卷绕到辊12上，并且必要长度的纸从辊上展开以将其端部钩到第二辊15上。在该系统中，纸张11沿箭头方向被传送：纸张11从辊12上展开，并在旋转导向件13、13'、...上移动，其通过隧道式烘箱14，并在其下游重新卷绕到辊15上干燥。隧道式烘箱14中的加热装置(图中未示出)可以是电阻器、红外灯或任何其它有用的加热装置。纸张11在系统10中的移动可以仅由于辊15施加的牵引力；然而，优选地，为了避免使纸张破裂的风险，辊12和15都通过机械装置围绕它们的轴线旋转，并且在差动系统的控制下，在系统中的纸移动期间，两个辊的旋转速度变化，以确保纸张11从辊12的线性退绕速度总是与纸张到辊15上的重绕速度相同；然而，该速度在整个过程中不必是恒定的，并且可以在相同的过程中根据在烘箱出口处观察到的干燥程度进行调节。
烘箱内的温度不一定是恒定的，优选采用烘箱内渐增的热分布，例如烘箱入口处的温度为120℃，出口处的温度为180℃。对于导致可持续产品成本的工业生产，系统中的纸的传送速度应为至少100m/分钟；本发明人已经观察到，在这些优选的条件下，使用如上定义的从入口到出口具有120℃至180℃的热分布的隧道式烘箱，烘箱的长度应当为至少15m。
在其第二方面，本发明涉及通过上述方法获得的防渗纸或纸板。
经处理的纸或纸板在其表面上具有纳米厚的硅质材料薄层，其不改变纸或纸板的外观，但使其抵抗液体、油脂和气体的通过。
对液体(水(和水基液相)和油)通过的阻力的测量由处理过的纸或纸板的疏水性和疏油性给出，其可以通过接触角测量来评估。用符号θc表示的接触角是由液滴表面在与待评估表面接触的点处的切线限定的角；该角度是在所述切线和固体表面与液体接触的部分中的固体表面之间测量的。在水的情况下，当表面上的液滴形成大于90°的接触角θc时，该表面被称为疏水性表面，或者甚至是拒水表面；如果该角度大于150°，则该表面是超疏水的。类似地，其上的油性液体形成大于90°的接触角的表面被定义为疏油的。本发明人已经观察到，用本发明的方法处理的纸或纸板样品既是疏水的又是疏油的；这些特性防止液体(水、油或带有醇的成分)通过纸或纸板纤维之间的吸液作用而被吸收，并因此开始穿过纸或纸板的过程。
因此，用本发明的方法获得的纸或纸板能够耐水和耐油，并且已经观察到，其还改善了对氧气和水蒸气的阻隔作用，对于特定类型的纸，其达到与塑料的那些非常相似的值。
通过以下实施例进一步说明上述本发明。
方法、仪器和材料
通过以下分析表征获得的产品：
-用扫描电子显微镜(SEM)进行显微观察，以视觉评估用本发明的方法处理后获得的纸；所用的仪器是LEO 1525Zeiss SEM；
-傅里叶变换红外光谱(FT-IR)，用于研究起始产品和本发明处理后获得的那些产品的组成；所用仪器为Varian 640-IR FT-IR分光光度计；
-气体渗透测试，用于评估气体穿过处理过的纸的转移；所用的仪器是由意大利皮耶韦福夏纳(卢卡)的Permtech Srl,Pieve Fosciana销售的MULTIPERM O2/H2O。
实施例1
该实施例涉及根据本发明的方法处理的纸板样品的制备。
分别制备微米二氧化硅、四烷氧基硅烷和烷基-三烷氧基硅烷的三种初级溶液。
第一初级溶液是30wt％的微米二氧化硅水溶液，其通过将300gEvonik ResourceEfficiencyOX 50二氧化硅加入到700ml蒸馏水中，并使用Ultra-混合器将所得悬浮液均质化而获得。
第二种初级溶液是通过混合670g四乙氧基硅烷(TEOS)和330ml蒸馏水，用机械搅拌器搅拌该溶液使其均匀，加入NaOH使pH为10，并使该体系反应8小时而获得的。
第三种初级溶液通过将870g甲基三乙氧基硅烷(MTES)加入到130g蒸馏水中，用机械搅拌器搅拌该溶液以使其均匀，通过加入HCl使pH为1，并使该体系反应8小时来制备。
将由此获得的三种初级溶液混合，获得处理溶液，其含有：
-SiO2：10％；
-TEOS：22.3％；
-MTES：29％；
-水：38.7％。
为了进行本实施例的测试的目的，使用厚度为2.55mm和重量为970g/m2的纸板。
用辊系统将如上所述制备的处理溶液的一部分分布在具有18×20cm尺寸的上述纸板样品的两侧。获得5g/m2的干燥产品(即，在干燥处理后蒸发TEOS和MTES水解期间形成的水和醇之后)的涂层。
在静态烘箱(实验室烘箱)中于160℃下热处理3分钟，干燥处理过的纸板样品。
对这样得到的纸板样品进行形态、IR、拒水特性以及拒油特性表征。
通过SEM分析进行形态表征。获得了在较低放大倍数下图2中报告的显微照片，以及在较高放大倍数下再现相同样品的两个显微照片的图3中报告的显微照片。显微照片显示，尺寸为数十微米的纸板的纤维素纤维之间的开口没有被硅质涂层完全堵塞，这证实了硅质涂层具有微米尺寸。
在处理前和处理后，对实施例1中使用的纸板进行FT-IR分析。在图4中，再现了这些光谱在约720cm-1和1440cm-1之间的相关部分的放大图；虚线表示未处理的纸板，实线表示经处理的纸板。在根据本发明处理的样品上获得的光谱中，观察到在759.005cm-1处的峰和在1269.590cm-1处的峰(这两个值由仪器的内置软件确定)，在未涂布的纸板中不存在，从文件数据中，这两个值分别归因于Si-CH3基团中的CH3摇摆和CH3对称弯曲，而在文件中归因于Si-O键的1000-1100cm-1范围内的峰与下面的纸板的条带重叠。
图5再现了在实施例1的处理之后获得的纸板样品的在不同角度获得的两张照片；特别地，图的上部图片是从更接近垂直于纸板的表面的角度获得的，而图的下部图片是用更倾斜的角度获得的；在两张图片中，左边的液滴是水，而右边的液滴是食用油。两个照片显示水和油不润湿样品，证实了后者的疏水特性和疏油特性。
实施例2(比较)
本实施例涉及根据专利申请JP 2008-50380A的方法处理的纸样品的制备。
制备根据JP 2008-50380A的[0021]段中所述实施例的溶胶，以给定的重量百分比混合以下成分：
-乙醇：96.26％；
-SiO2：3％；
-TEOS：0.54％；
-H2O：0.16％；
-HCl：0.04％。
根据日本申请的说明，所用的二氧化硅是RX 300，一种通过用HMDS(六甲基二硅氮烷)处理而变得疏水的微米气相二氧化硅。
将乙醇和二氧化硅混合30分钟，然后再用超声波处理30分钟。然后，向由此获得的悬浮液中加入上述量的TEOS、H2O和HCl，将混合物搅拌2.5小时，随后再用超声波处理30分钟。
使用手动涂布辊，将所得溶胶用于涂布面积重量为90g/m2的绵纸。在室温下干燥该溶胶30分钟。
实施例3
在使用如实施例1中所述制备的本发明溶胶，并在空气中于165℃下干燥涂布纸2分钟的情况下，重复实施例3。
实施例4(比较)
该实施例是关于重复专利申请JP 2008-50380A中作为第二实施方案描述的过程。
JP 2008-50380A也描述了在基材上施加二氧化硅基材料的第一(缓冲)层，接着是对比实验例2中所述的层的可能性。尽管这种可能性仅在所述文件的第[0030]段中以玻璃作为基材进行了举例说明，但是已经重复了所描述的过程，并将其施加于从厚度为1.3mm的纸板获得的棒上。
缓冲层从具有以下重量百分比组成的溶胶开始获得：
乙醇：60％；
H2O：20％；
TEOS：10.5％：
MTES：9％：
1N HCl：0.5％。
首先将乙醇、TEOS和MTES在搅拌下混合30分钟，然后加入水和HCl，继续搅拌3小时，制备溶胶。
用该溶胶浸涂如上所述的纸棒，并在105℃下干燥20分钟。
然后通过浸涂实施例2的溶胶来涂布由此获得的预处理的棒，并使其在室温下干燥30分钟。
实施例5
在使用如实施例1中所述制备的本发明溶胶，不施加缓冲层，并在空气中于165℃下干燥涂层的纸棒2分钟的情况下，重复对比实施例4的制备。
实施例6
通过在样品表面上沉积一滴水，测试实施例2和3中制备的涂布纸样品的疏水性。
图6是水滴沉积后不久的两个样品的照片，左侧显示了现有技术的样品，右侧显示了本发明的样品。
最初，两个样品都显示出疏水性，尽管现有技术样品上的液滴似乎显示出在表面上扩散的趋势增加。
然而，10分钟后，根据本发明处理的纸样品看起来未改变，而根据JP 2008-50380A处理的样品显示了对应于水滴的波纹，如图7所示，这表明水已经穿过二氧化硅基涂层，润湿了纸。
实施例7
测试实施例2和3中制备的涂布纸样品的氧渗透性，这是与食品包装相关的特性。
表1显示了在对上述两个样品进行的试验中获得的数据，并且为了比较，还列出了在实施例2和3中使用的起始纸的样品上获得的数据。在23℃下进行测试，通过仪器的恒温系统，使温度在整个试验过程中保持恒定。
表1
表1中报告的结果表明JP 2008-50380A的处理不赋予纸气体不渗透性，而使用本发明的处理获得了良好的气体不渗透性，与起始纸相比降低了约5个数量级，并且达到了与目前市场上可获得的一些纸/塑料双层相当的值。
实施例8
测试实施例4和5中制备的涂布纸的样品以检查它们的对液体吸收的阻力。
这种相对较厚的纸板制备的纸棒通常用于搅拌饮料(例如，来自自动售货机的咖啡或茶)，因此它们必须能够至少耐浸泡几分钟。
称量三个本发明的样品和三个现有技术的样品，在热咖啡(65℃)中浸泡30秒，然后取出并再次称量。
从热咖啡中取出的六个样品示于图8中：实施例4(现有技术)中获得样品A-C，实施例5(本发明)中获得样品D-F。
从图中可以看出，现有技术的样品A-C在浸入咖啡的下部显示出明显的变色，而本发明的样品D-F的变色的强度低得多(在图中几乎不可见)。
在表2中报告了六个样品的初始(P0)和最终(P1)重量和重量变化(ΔP)；最后一列报告了现有技术和本发明样品的平均ΔP。
表2
从上表中的数据明显看出，根据JP 2008-50380A处理的纸比根据本发明处理的纸吸收更多的液体。
实施例9
制备并混合如实施例1中所述制备的三种初级溶液，获得第一混合物，其含有：
-SiO2：5％；
-TEOS：35％；
-MTES：35％；
-水：25％。
将乙醇加入到由此获得的第一混合物中，第一混合物：EtOH的重量比为6:4。
用喷枪将6g/m2如此获得的处理溶液施加在面积重量为210g/m2的纸板表面上。
将处理过的纸板在封闭的烘箱中于165℃干燥1分钟。
将水沉积到由此获得的涂布纸板上，在处理过的表面上形成液滴；图9以类似于图5的两个视图(俯视角和倾斜角)显示了水滴的两张图片。从图片中可以明显看出处理过的纸板的疏水特性。
实施例10
如实施例1所述制备两种微米二氧化硅和TEOS的初级溶液。将725g甲基-三乙氧基硅烷(MTES)加入130g蒸馏水中，用机械搅拌器搅拌该溶液使其均匀，加入HCl使pH为1，然后加入145g染成浅蓝色的甘油，使体系反应8小时，制备第三种初级溶液。
将三种初级溶液混合，获得第一混合物，其含有：
-SiO2：18％；
-TEOS：15％；
-MTES：35％；
-水：25％；
-甘油：7％。
通过柔性版印刷机将该溶液施加到面积重量为60g/m2的绵纸上。
将处理过的纸在封闭的烘箱中于165℃干燥1分钟。
将水沉积在由此获得的涂布纸上，在处理过的表面上形成液滴；图10以与图5中的视图类似的两个视图(俯视角和倾斜角)示出了水滴的两个图片。从该图片中可以明显看出处理过的纸板的疏水特性。

Claims (11)

1.一种用于处理纸或纸板以使所述纸或纸板防渗液体和气体的方法，包括：
A)将处理溶液施加到所述纸或纸板的表面，所述处理溶液包含：
a.1)35wt％-100wt％的水溶液，其含有5wt％-20wt％的微米二氧化硅，15wt％-40wt％的水解的四烷氧基硅烷，和25wt％-40wt％的水解的烷基-三烷氧基硅烷；
和可选地一种或多种选自以下项的其它成分：
a.2)10wt％-50wt％的C1-C6醇或其混合物；
a.3)选自NaOH和KOH的碱，其用量使得pH控制在2.3-4.5的范围内；以及
a.4)2wt％-15wt％的用批准用于食品的着色剂染色的甘油；
B)在100-250℃的温度下将使用步骤A)的处理溶液处理过的所述纸或纸板进行热处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中a.1)的水溶液含有15wt％-25wt％的所述水解的四烷氧基硅烷。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中a.1)的水溶液通过混合以下项获得：
-微米二氧化硅在水中的第一初级悬浮液，其浓度为10wt％-70wt％，其中二氧化硅的纯度不低于99.5％；
-水解的四烷氧基硅烷在水中的第二初级溶液，其浓度为10mol％-20mol％，其中水解前的四烷氧基硅烷的通式是Si(OR)4，其中R是C1-C4烷基，并且其中通过使溶液的pH值为9-14，进行四烷氧基硅烷的水解；
-水解的烷基-三烷氧基硅烷在水中的第三初级溶液，其浓度为30mol％-50mol％，其中水解前的烷基-三烷氧基硅烷的通式是R'-Si(OR")3，其中R'和R"是彼此相同或不同的C1-C4烷基，并且其中通过使溶液的pH值为1-3，进行烷基-三烷氧基硅烷的水解。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在a.1)的水溶液中，(四烷氧基硅烷+烷基-三烷氧基硅烷)/二氧化硅的摩尔比为1-2，并且(四烷氧基硅烷+烷基-三烷氧基硅烷)/水的摩尔比为0.05-0.1。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述四烷氧基硅烷选自四甲氧基硅烷(TMOS)和四乙氧基硅烷(TEOS)，并且所述烷基-三烷氧基硅烷是甲基三乙氧基硅烷(MTES)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将a.4)的染色的甘油加入到用于制备a.1)的水溶液的三种初级悬浮液或溶液之一中，或者在处理溶液制备结束时加入。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤A)中，使用所述处理溶液对所述纸或纸板表面的处理是使用选自轮转凹版印刷、柔性版印刷、胶版印刷、气刀印刷、倒置印刷和喷涂技术的技术进行的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中仅处理纸或纸板表面中的一面或两面，所述纸具有0.03-0.6mm的厚度和20-400g/m2的克重，所述纸板具有1-3mm的厚度和约400-1400g/m2的面积重量，并且将10-20g/m2的处理溶液的量施加至所述纸或纸板表面上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述方法的步骤B)中，在100℃-250℃的温度下，将使用步骤A)的溶液处理过的纸或纸板在一个或多个烘箱中进行热处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述热处理使用隧道式烘箱(14)进行，并且将使用步骤A)的溶液处理过的纸或纸板(11)从一端引导至另一端，穿过所述隧道式烘箱的长度，并且其中所述烘箱的入口部分的温度低于所述烘箱的出口部分的温度。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法获得的纸或纸板，所述纸或纸板防渗水、具有酒精成分和油的液体，并且对气体和蒸气具有阻隔作用。
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