ES2948042T3

ES2948042T3 - Adhesivos a base de agua para sustratos multicapa de peso base reducido y uso de los mismos

Info

Publication number: ES2948042T3
Application number: ES13841918T
Authority: ES
Inventors: Tianjian Huang; Kristina Thompson; Daniel Waski; John Meccia
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2023-08-30
Anticipated expiration: 2033-08-16
Also published as: US9657200B2; US11459490B2; US20240228835A1; BR112015006619A2; EP2900871A1; HUE062329T2; US20140087177A1; AU2013324229A1; US11193048B2; JP2016500585A; EP3575490A1; CN104685125A; US20210002520A1; WO2014051876A1; EP2900871A4; US11970634B2; JP6420765B2; US20170204302A1; CN104685125B; US20190218429A1

Abstract

Se proporciona la composición adhesiva que comprende polímeros en emulsión y microesferas y artículos fabricados a partir de los mismos. El adhesivo es particularmente adecuado para envases de productos de consumo que proporcionan suficiente resistencia y aislamiento térmico al mismo tiempo que reducen el peso base total de los sustratos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Adhesivos a base de agua para sustratos multicapa de peso base reducido y uso de los mismos

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un artículo que comprende un adhesivo a base de agua interpuesto entre sustratos multicapa y un método para fabricar un artículo con una integridad estructural mejorada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los artículos de láminas multicapa comprenden sustratos individuales unidos entre sí con adhesivos. El documento US 2007/02244395 A1 (Rowitsch et al.) describe un conjunto que comprende un primer y un segundo sustrato unidos por una capa adhesiva; la capa adhesiva se obtiene a partir de una composición adhesiva a base de agua que incorpora microesferas poliméricas huecas recubiertas.

El documento Patente de US n.° 5.264.467 (Distefano) describe un laminado de dos sustratos unidos por una capa adhesiva obtenida por secado de una composición acuosa de adhesivo de contacto sobre una superficie de cada sustrato; la composición adhesiva consta de a) una emulsión de copolímero de etileno-acetato de vinilo estabilizado, b) 15-50 % en peso de plastificante, c) 0,5-4,5 % en peso de microesferas huecas termoplásticas, y d) 0-4,5 % en peso de polietilenimina, basándose dicho % en peso en el polímero adhesivo de contacto.

El documento US 2002/0094403 A1 (Ishikawa et al.) describe un laminado que comprende un sustrato tal como un tablero poroso, una capa superior de plástico o una placa de metal decorada y una capa de unión interpuesta; la capa de unión se deriva de una composición que comprende (A) una dispersión acuosa que contiene un polímero formador de película y (B) una composición adhesiva a base de agua que contiene microesferas térmicamente expandibles compuestas por una cubierta de polímero que encapsula un gas.

Típicamente, la lámina celulósica, por ejemplo, cartulina, cartón, papel, papel revestido, películas, se unen con adhesivos a base de agua para formar recipientes para productos de consumo tales como vasos, recipientes para alimentos, estuches, cartones, bolsas, cajas, sobres, envoltorios, cubiertas abatibles, y similares.

Los sustratos de peso base más pesado proporcionan mejor resistencia y aislamiento térmico al artículo que los sustratos de peso base más bajo. Sin embargo, existe un esfuerzo por disminuir el peso base de los sustratos para que sean más seguros desde el punto de vista ambiental y económico.

Reducir el peso base impacta negativamente en el aislamiento térmico y la resistencia del artículo. Si bien se sabe que las microesferas mejoran las propiedades de aislamiento térmico, el grosor del sustrato es la fuente principal para el aislamiento térmico del artículo.

También se han agregado microesferas a la pulpa de papel para fabricar papel de peso reducido y cartones delgados, como se describe en el documento WO 2008/084372. Sin embargo, los papeles resultantes son propensos a pandearse fuera del plano cuando se someten a esfuerzos verticales.

Para mejorar la resistencia de los sustratos de bajo peso base, Adhesive Level Effect on Corrugated Board Strength-Experiment and FE Modeling enseña a aumentar la cantidad de adhesivos interpuestos entre los sustratos. Sin embargo, el aumento de la cantidad de adhesivo en el artículo prolonga el tiempo de secado y, por lo tanto, reduce la velocidad de fabricación. Se deben utilizar largos tiempos de secado o calentadores para expulsar el agua de los sustratos, lo que aumenta el consumo de energía.

La presente invención mejora las deficiencias de los envases con peso base reducido, mediante el uso de una composición adhesiva a base de agua con microesferas expandidas. La presente invención proporciona un envase respetuoso con el medio ambiente que proporciona suficiente resistencia y aislamiento térmico a los sustratos de peso base reducido sobre los que se aplica.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un artículo de sustrato multicapa que comprende el adhesivo a base de agua interpuesto entre sustratos de menor peso base. El artículo según la presente invención comprende un primer sustrato, un segundo sustrato y un adhesivo interpuesto entre los dos sustratos, comprendiendo dicho adhesivo: (a) un polímero a base de emulsión seleccionado del grupo que consiste en dispersión de etileno de acetato de vinilo, acetato de polivinilo, acetato de polivinilo, alcohol polivinílico, acetato de polivinilo estabilizado con dextrina, copolímeros de acetato de polivinilo, copolímeros de acetato de vinilo-etileno, vinilo acrílico, estireno acrílico, acrílico, estireno caucho de butilo, poliuretano y mezclas de los mismos; (b) una pluralidad de microesferas, en el que las microesferas tienen un volumen de 10 a 50 % V/V en el adhesivo; y (c) opcionalmente, agua, plastificante, conservante; en el que el artículo tiene una pérdida de aislamiento térmico sustancialmente similar con una disminución del 26 % en el peso base del sustrato en comparación con un artículo sin microesferas, y en el que el término pérdida de aislamiento térmico sustancialmente similar se define como una separación de temperatura de la superficie de menos de 2 °C después de la exposición a una fuente de calor a 1,9 cm (3/4 de pulgada) de distancia durante 30 segundos, y en el que el artículo es una taza, un recipiente para alimentos, un estuche, una caja de cartón, una bolsa, una caja, un sobre, una envoltura o una cubierta abatible, y en el que las microesferas son expandibles microesferas poliméricas, en las que el diámetro de las microesferas expandibles puede expandirse desde el 300 % del diámetro inicial hasta el 1.000 % del diámetro inicial. Además, el adhesivo y el artículo requieren menos huella de carbono, por ejemplo, calor y árboles, que los adhesivos a base de agua convencionales y los sustratos multicapa con sustratos de mayor peso base.

Una realización proporciona un artículo de fabricación, que es un contenedor de sustrato multicapa que comprende una pluralidad de sustratos de peso base reducido y una composición adhesiva a base de agua interpuesta entre los sustratos. La composición adhesiva comprende (a) un polímero a base de emulsión seleccionado del grupo que consiste en dispersión de etileno de acetato de vinilo, acetato de polivinilo, alcohol polivinílico de acetato de polivinilo, acetato de polivinilo estabilizado con dextrina, copolímeros de acetato de polivinilo, copolímeros de acetato de viniloetileno, vinilo acrílico, acrílico de estireno , acrílico, caucho de estireno butilo, poliuretano y mezclas de los mismos; (b) una pluralidad de microesferas, en el que las microesferas tienen un volumen de 10 a 50 % V/V del adhesivo; y opcionalmente (c) agua, plastificante, conservante. El artículo tiene un aislamiento térmico sustancialmente similar y una resistencia adecuada incluso con sustratos que tienen aproximadamente un 26 % menos de peso base en comparación con un adhesivo sin las microesferas sobre un sustrato que no tiene una reducción de peso base.

Otra realización más proporciona un método para fabricar un artículo con una integridad estructural mejorada, que comprende las etapas de: (a) proporcionar un primer sustrato que tiene un primer y un segundo lado; (b) preparar una composición adhesiva combinando (i) un polímero a base de emulsión seleccionado del grupo que consiste en dispersión de etileno acetato de vinilo, acetato de polivinilo, alcohol polivinílico de acetato de polivinilo, acetato de polivinilo estabilizado con dextrina, copolímeros de acetato de polivinilo, copolímeros de acetato de vinilo-etileno, vinilo acrílico, estireno acrílico, acrílico, caucho estireno butilo, poliuretano y mezclas de los mismos; (ii) 0,5 % a 5 %, basado en el peso total del adhesivo, de una pluralidad de microesferas; (c) aplicar el adhesivo sobre el primer lado del primer sustrato; (d) proporcionar un segundo sustrato que tiene un primer y un segundo lado; (e) poner en contacto el primer lado del segundo sustrato directamente sobre el adhesivo para formar el artículo; (f) aplicar calor o radiación para expandir las microesferas expandibles; y (g) secar el adhesivo para formar una unión que adhiere el primer y el segundo sustrato; en el que el artículo tiene una pérdida de aislamiento térmico sustancialmente similar con una disminución de hasta el 26 % en el peso base del sustrato en comparación con un artículo sin las microesferas; y, en el que el término pérdida de aislamiento térmico sustancialmente similar se define como una separación de la temperatura de la superficie de menos de 2 °C después de la exposición a una fuente de calor a 1,9 cm (3/4 de pulgada) de distancia durante 30 segundos, y en el que el artículo es una taza, recipiente para alimentos, estuche, caja de cartón, bolsa, caja, sobre, envoltorio o cubierta abatible, y en el que las microesferas son microesferas poliméricas expandibles, en el que el diámetro de las microesferas expandibles puede expandirse desde el 300 % del diámetro inicial hasta el 1.000 % del diámetro inicial.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 es una curva de módulo-temperatura de muestras de adhesivo.

La figura 2 es una curva de deformación-temperatura con tensión constante de muestras de cizallamiento por solape.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un artículo que comprende una composición adhesiva a base de agua para mantener sustancialmente el mismo aislamiento térmico y una resistencia adecuada mientras se reduce el peso base de los sustratos hasta aproximadamente un 26 %, en el que el artículo es una taza, un recipiente para alimentos, una caja, una caja de cartón, bolsa, caja, sobre, envoltorio o cubierta abatible. Se puede lograr un aislamiento térmico sustancialmente similar y una resistencia adecuada para el paquete de sustrato multicapa incluso con sustratos de peso base reducido. El resultado final es un producto económico y más respetuoso con el medio ambiente.

La presente invención se basa en el descubrimiento de que una composición adhesiva a base de agua con una pluralidad de microesferas expandibles proporciona suficiente aislamiento térmico y resistencia para sustratos de menor peso base que los sustratos de peso base tradicionales. Por ejemplo, el adhesivo con las microesferas proporciona un aislamiento térmico sustancialmente similar y una resistencia adecuada incluso cuando el peso base del sustrato se reduce en aproximadamente un 8 %, aproximadamente un 17 % e incluso hasta aproximadamente un 26 %.

Los sustratos pueden estar hechos de cualquier tipo de papel y/o material plástico. Deseablemente, los productos de papel usados son materiales reciclables.

La composición adhesiva puede estar hecha de cualquier número de materiales. La composición adhesiva incluye un componente de polímero en emulsión, una pluralidad de microesferas y, opcionalmente, plastificante y agua. La composición adhesiva puede incluir además uno o más conservantes, agentes de pegajosidad o rellenos. Si se desea, se pueden utilizar otros materiales que no afecten negativamente a las propiedades adhesivas y aislantes de la composición adhesiva.

La composición adhesiva incluye un componente de polímero en emulsión. El polímero en emulsión puede estar presente en la composición adhesiva en cualquier cantidad, y deseablemente está presente en una cantidad de aproximadamente 50 % a aproximadamente 99,5 % en peso de la composición adhesiva antes del fraguado de la composición. Dependiendo del polímero en emulsión, los niveles de sólidos varían desde alrededor del 40 % en peso hasta alrededor del 60 % en peso, basado en el polímero en emulsión. El componente polimérico en emulsión puede incluir cualquier componente polimérico deseado, seleccionado del grupo que consiste en dispersión de etileno acetato de vinilo, acetato de polivinilo, alcohol polivinílico de acetato de polivinilo, acetato de polivinilo estabilizado con dextrina, copolímeros de acetato de polivinilo, copolímeros de etileno de acetato de vinilo, vinilo acrílico, estireno acrílico, acrílico, caucho de estireno butilo, poliuretano y mezclas de los mismos. Los componentes poliméricos en emulsión particularmente preferidos son la dispersión de etileno de acetato de vinilo y el acetato de polivinilo.

La composición adhesiva incluye una pluralidad de microesferas expandibles o preexpandidas. Las microesferas preexpandidas están completamente expandidas y no es necesario que experimenten una mayor expansión. Las microesferas expandibles útiles en la presente invención deberían poder expandirse en tamaño en presencia de calor y/o energía de radiación (incluyendo, por ejemplo, microondas, infrarrojos, radiofrecuencia y/o energía ultrasónica). Las microesferas útiles en la presente invención incluyen, por ejemplo, microesferas poliméricas termoexpansibles, incluidas las que tienen un núcleo de hidrocarburo y una cubierta de poliacrilonitrilo (como las vendidas con el nombre comercial Dualite®) y otras microesferas similares (como las comercializadas con el nombre comercial Expancel®). Las microesferas expansibles pueden tener cualquier tamaño no expandido, incluyendo desde aproximadamente 12 micrómetros hasta aproximadamente 30 micrómetros de diámetro. En presencia de calor, las microesferas expandibles de la presente invención pueden ser capaces de aumentar su diámetro de aproximadamente 3 veces a aproximadamente 10 veces. Es decir, el diámetro de las microesferas expandibles puede expandirse desde aproximadamente el 300 % del diámetro inicial hasta aproximadamente el 1.000 % del diámetro inicial y, lo más deseable, el diámetro de las microesferas expandibles puede expandirse desde aproximadamente el 350 % hasta aproximadamente el 600 % del diámetro inicial. Tras la expansión de las microesferas en la composición adhesiva, la composición adhesiva se convierte en un material similar a una espuma, que tiene propiedades aislantes mejoradas. Puede desearse, como se explicará más adelante, que la expansión de las microesferas tenga lugar en una composición adhesiva parcialmente fraguada.

Las microesferas expandibles tienen una temperatura particular a la que comienzan a expandirse y una segunda temperatura a la que alcanzan la máxima expansión. Los diferentes grados de microesferas tienen diferente temperatura de expansión (Texp) y temperatura máxima de expansión (Tmáx). Por ejemplo, una microesfera particularmente útil tiene una Texp de aproximadamente 80 °C y una Tmáx de aproximadamente 120 °C, mientras que otra microesfera útil tiene una Texp de aproximadamente 135 °C y una Tmáx de aproximadamente 200°C. Si bien en la presente invención se puede usar cualquier grado particular de microesferas, la Texp y la Tmáx de las microesferas deben tenerse en cuenta al formular y procesar. Deseablemente, la temperatura a la que estas microesferas comienzan a expandirse (Texp) es de aproximadamente 80 °C a aproximadamente 135 °C. La temperatura a la que las microesferas han alcanzado la máxima expansión (Tmáx) es deseablemente de aproximadamente 120 °C a aproximadamente 200 °C.

Aunque la elección de las microesferas particulares y sus respectivas Texp y Tmáx no es crítica para la invención, las temperaturas de procesamiento pueden modificarse dependiendo de estas temperaturas. Antes de que la composición adhesiva se seque por completo, estas microesferas pueden moverse dentro de la composición y pueden expandirse. Sin embargo, una vez que la composición adhesiva está completamente seca, las microesferas se bloquean sustancialmente en su lugar, lo que dificulta, si no imposibilita, la expansión de las mismas.

Dependiendo de las microesferas expandibles particulares utilizadas en la composición, se puede modificar la cantidad deseada de microesferas en la composición. Se ha descubierto que, si la composición adhesiva incluye una concentración demasiado alta de microesferas expansibles, habrá una adhesión y resistencia insuficientes tras la expansión de las microesferas. Sin embargo, si hay una concentración demasiado baja de microesferas expandibles, habrá una expansión insuficiente del adhesivo resultante y, por lo tanto, un aislamiento térmico insuficiente. Por lo tanto, se debe tener en cuenta la consideración del nivel de carga y la relación de expansión, así como la relación de expansión y la temperatura en el nivel de carga, al determinar la concentración óptima de microesferas expandibles en la composición. Si la relación de expansión de las microesferas es más baja, puede haber una concentración más alta en la composición adhesiva y, por el contrario, si la relación de expansión de las microesferas es más alta, puede haber una concentración más baja en la composición adhesiva.

En realizaciones preferidas, es deseable que las microesferas estén presentes en la composición adhesiva en un volumen de aproximadamente 10 V/V % a aproximadamente 50 V/V %, preferiblemente de aproximadamente 20 V/V % a aproximadamente 40 V/V %, del adhesivo después del secado completo (fraguado). Dependiendo del tamaño completamente expandido de las microesferas, se puede ajustar la cantidad de microesferas expandibles en el adhesivo. Para una realización que incluye microesferas expandibles que tienen una relación de expansión del diámetro de aproximadamente 370 % a Tmáx, las microesferas pueden estar presentes en una cantidad de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 5 % en peso de la composición adhesiva antes del fraguado de la composición. Para una realización que incluye microesferas expandibles que tienen una relación de expansión del diámetro de aproximadamente 470 % a Tmáx, las microesferas pueden estar presentes en una cantidad de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 3 % en peso de la composición adhesiva antes del fraguado de la composición. En sistemas donde hay capacidades de calentamiento más bajas, puede ser deseable incluir una concentración más alta de microesferas expandibles, como hasta un 8 % en peso de la composición adhesiva antes del fraguado de la composición. La relación de expansión de las microesferas expandibles y el nivel de carga de las microesferas estarán relacionados entre sí. Deseablemente, la concentración de las microesferas en la composición adhesiva debería estar entre estas dos zonas. Esto equilibra la expansión, el aislamiento y la resistencia, con la adhesión del adhesivo similar a la espuma resultante.

La composición adhesiva incluye opcionalmente un plastificante. Los plastificantes ejemplares son los dibenzoatos disponibles como Benzoflex®, tales como dibenzoato de dietilenglicol, dibenzoato de dipropilenglicol y similares.

La composición adhesiva puede incluir opcionalmente cualquier disolvente polar, particularmente agua, en la formulación.

La composición adhesiva opcionalmente incluye además cualquier agente de pegajosidad, humectante, conservante, por ejemplo, antioxidante, biocida; carga, pigmento, colorante, estabilizador, modificador de reología, alcohol polivinílico y mezclas de los mismos. Estos componentes se pueden incluir en una cantidad de aproximadamente 0,05 % a aproximadamente 15 % en peso de la composición adhesiva antes del fraguado de la composición. Los conservantes ejemplares incluyen 1,2-bencisotiazolin-3-ona, 5-cloro-2-metil-4-isotiazolin-3-ona y 2-metil-4-isotiazolin-3-ona. Típicamente, los conservantes pueden usarse en una cantidad de aproximadamente 0,05 % a aproximadamente 0,5 % en peso de la composición adhesiva antes del fraguado de la composición.

Aunque el adhesivo puede empezar a coalescer a temperatura ambiente, la composición adhesiva puede tener todavía un alto contenido de humedad y será sustancialmente fluida. Para adhesivos con microesferas expandibles, se introduce una forma de energía en el adhesivo para expandir las microesferas antes de que el adhesivo se seque por completo. La forma de energía es típicamente calor o radiación. Para los adhesivos que contienen microesferas preexpandidas, no es necesaria ninguna forma de energía adicional.

Tanto para adhesivos que contienen microesferas expandibles como preexpandidas, se puede usar un calentador y un ventilador para expulsar el exceso de agua para ayudar a secar los adhesivos. En una realización particularmente deseable de productos de fabricación, la composición adhesiva puede aplicarse a la superficie (o superficies) de un sustrato y someterse a calor suficiente para coalescer el adhesivo. Al comienzo de la coalescencia del adhesivo y mientras el adhesivo es todavía sustancialmente fluido, el adhesivo puede ayudar a mantener el adhesivo y las microesferas en su lugar, pero permitirá que las microesferas se expandan libremente. A continuación, el calor puede elevarse hasta una temperatura suficiente para expandir las microesferas. Es preferible que el calentador se ajuste a un rango de temperatura entre Texp y Tmáx de las microesferas. Finalmente, el calor se puede elevar de nuevo a una temperatura suficiente para expulsar completamente el agua de la composición adhesiva. El calor se puede aplicar por cualquier método deseado, incluso en un horno o mediante el uso de rodillos calientes. Cabe señalar que las diversas etapas (inicio del fraguado, expansión de las microesferas y secado completo del adhesivo) pueden lograrse mediante energía de radiación, ya sea como reemplazo del calor directo o además del mismo. Es decir, por ejemplo, los diversos pasos pueden lograrse mediante el uso de microondas o radiación de radiofrecuencia. Además, el proceso puede incluir cualquier combinación de aplicación de calor y aplicación de radiación. Por ejemplo, la coalescencia inicial del adhesivo se puede lograr mediante calor directo, mientras que la expansión de las microesferas se puede lograr mediante la aplicación de energía de radiación.

Se pueden incluir otros aditivos en la composición para aumentar la coalescencia del adhesivo, si se desea.

El adhesivo inventivo con las microesferas tiene mayor resistencia que el adhesivo sin las microesferas a temperaturas elevadas. Los expertos en la técnica esperan que la resistencia del adhesivo disminuya con la adición de microesferas a temperatura elevada. Sorprendentemente, el adhesivo de la invención tiene un módulo más alto con cargas más altas de microesferas que los adhesivos sin microesferas a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 180 °C, como se muestra en la figura 1. El adhesivo inventivo es particularmente adecuado para paquetes aislantes que normalmente están destinados para uso a temperaturas elevadas y requieren aislamiento térmico.

Un método para preparar una composición adhesiva que tenga un aislamiento mejorado y una resistencia adecuada para sustratos de bajo peso base incluye combinar un componente de polímero en emulsión, una pluralidad de microesferas expandibles y plastificantes opcionales y solventes polares, agentes de pegajosidad, humectantes, conservantes o rellenos para formar un mezcla. Otro método incluye combinar primero un componente de polímero en emulsión y plastificantes, disolventes polares, agentes de pegajosidad, humectantes, conservantes o rellenos opcionales para formar una mezcla, y luego agregar una pluralidad de microesferas preexpandidas a la mezcla. Ambos adhesivos pueden formarse inmediatamente antes de aplicarlos sobre un sustrato o pueden prepararse previamente y almacenarse hasta que se necesiten.

Otra realización está dirigida a envases aislados y un método para formar envases aislados, en particular, con sustratos de bajo peso base. Los envases incluyen vasos, recipientes para alimentos, estuches, cajas de cartón, bolsas, cajas, sobres, envoltorios, cubiertas abatibles y similares. Se prefiere particularmente que los sustratos de los paquetes tengan un peso base, calibre y contenido de fibra reducidos en comparación con los sustratos tradicionales usados para los mismos paquetes. Se espera que los paquetes fabricados con sustratos de menor peso base y contenido de fibra carezcan de importantes características de rendimiento, como resistencia y aislamiento térmico. Mediante el uso del adhesivo de la invención, incluido el polímero en emulsión, una pluralidad de microesferas expandibles o preexpandidas y un disolvente polar, plastificante, conservantes, agentes de pegajosidad o rellenos opcionales, los envases tienen un aislamiento térmico y una resistencia adecuados incluso con la reducción de aproximadamente 8 %, aproximadamente 17 % o incluso hasta aproximadamente 26 % del peso base del sustrato.

Los sustratos incluyen tableros de fibra de peso base reducido, tableros de partículas, tableros ondulados, medios corrugados, tableros blanqueados sólidos (SBB), tableros de sulfito blanqueados sólidos (SBS), tableros sólidos sin blanquear (SLB), tableros de partículas con revestimiento blanco (WLC), papeles para bolsas, cartones para bolsas, papeles estucados, cartulinas y películas de polipropileno orientado. Dependiendo del sustrato, el peso base difiere.

Se ha descubierto que, mediante el uso de la presente composición adhesiva, el peso base de los sustratos se puede reducir hasta en un 7 %, un 18 % e incluso hasta un 26 % sin sacrificar las propiedades de resistencia y aislamiento térmico en comparación con sustratos tradicionales sin ninguna reducción en el peso base. Por lo tanto, los paquetes se pueden formar con sustratos de menor peso base, calibre más delgado y menor contenido de fibra, lo que da como resultado un coste reducido y también un desperdicio reducido.

Un paquete de consumo ejemplar es un paquete de caja corrugada formado con un revestimiento y un medio de menor peso base. Para un cartón ondulado de una sola cara, el paquete comprende un sustrato medio acanalado y un sustrato de cartón de revestimiento adherido junto con el adhesivo de la invención, que comprende un polímero en emulsión, una pluralidad de microesferas expandibles y, opcionalmente, un solvente polar, plastificantes, conservantes y rellenos, donde se ha expandido una pluralidad de microesferas expansibles y se ha fraguado o curado la composición adhesiva. Los sustratos están hechos de papel que tiene un peso base reducido en comparación con los cartones corrugados aislantes tradicionales. Se puede usar cualquier tipo de papel en la invención, por ejemplo, el papel puede tener un peso base que oscila entre 0,01 y 0,17 kg/m2 (alrededor de 2 a alrededor de 35 libras por 1000 pies2). Además, es deseable utilizar papel de menor gramaje que el que se utiliza tradicionalmente en los productos aislantes.

Para un cartón ondulado de una sola cara, la composición adhesiva se aplica a las puntas de las ondas de sólo un lado del medio de peso base más bajo, y se aplica sobre él el primer lado de un papel de peso base más bajo o un revestimiento de película. Después de que la composición adhesiva se haya aplicado a las puntas de las ondas del primer lado del medio, las puntas de las ondas se ponen en contacto con la primera cara del primer revestimiento de papel o película. Es deseable que el contacto se realice bajo una ligera presión, para unir eficazmente el medio y el papel o la película de soporte, pero se debe evitar una presión excesiva (para evitar que el adhesivo se salga del punto de contacto). Un experto en la técnica puede determinar esta cantidad de presión sin una experimentación indebida. En este punto, se forma un producto corrugado sin fraguar, en el que el revestimiento de papel o película y el medio se aseguran entre sí a través del adhesivo, pero el adhesivo no se ha fraguado. Si se desea, el producto ondulado no fraguado puede exponerse a calor y/o energía de radiación suficiente para comenzar a coalescer el adhesivo, pero insuficiente para expandir la pluralidad de microesferas expandibles. La fusión del adhesivo es útil para mantener los diversos componentes del producto en su lugar hasta que el adhesivo se seque (fije) por completo.

Luego, el producto corrugado se expone al calor (por ejemplo, en un horno o por contacto con rodillos calientes) y/o energía de radiación (por ejemplo, microondas, infrarrojos, radiofrecuencia o energía ultrasónica) para expandir la pluralidad de microesferas. En una realización, el producto corrugado se expone al calor a una temperatura suficiente para expandir al menos la mayoría de las microesferas en la punta de un canal, pero la temperatura es insuficiente para fraguar completamente la composición adhesiva. Típicamente, dicha temperatura oscila entre Texp y Tmáx. En otra realización, el producto corrugado sin fraguar se expone a energía de microondas o infrarroja suficiente para expandir al menos la mayoría de las microesferas expandibles, pero a un nivel de energía que no fraguará completamente la composición adhesiva. El producto resultante es un producto ondulado sin curar que tiene microesferas expandidas.

Como puede entenderse, en este punto del proceso, las microesferas en cualquier punta del corrugado se han expandido para formar una composición adhesiva similar a una espuma, generando un mayor espacio entre la punta del corrugado y el revestimiento de papel o película. Así, durante el proceso de fabricación, es importante que se permita que la composición adhesiva se expanda. Es decir, cualquier presión que sujete el primer revestimiento de papel o película y el medio no debe ser tan grande como para impedir la expansión del adhesivo y, por lo tanto, la separación del revestimiento de papel o película y el medio. Si la presión es tan grande, el adhesivo puede expandirse hacia un lado, es decir, hacia el espacio de aire entre el medio y el papel o el revestimiento de película. Un experto en la técnica puede determinar esta cantidad de presión sin una experimentación indebida. Además, cualquier calor y/o energía de radiación aplicada al producto no debe ser tan grande como para fraguar completamente la composición adhesiva, permitiendo que las microesferas se expandan. Es deseable que la composición adhesiva expandida esté ubicada en cada una de las puntas de las ondas en el punto de contacto con el revestimiento, proporcionando así un espacio de aislamiento entre el primer revestimiento de papel o película y el medio en el sitio de contacto.

Después de la expansión de las microesferas, el producto corrugado que tiene microesferas expandidas puede exponerse a más calor y/o energía de radiación (incluyendo energía de microondas o infrarroja) suficiente para secar completamente la composición adhesiva. El resultado es un papel ondulado que tiene un aislamiento térmico mejorado y una resistencia adecuada con una reducción de hasta un 7 %, un 18 % e incluso hasta un 26 % en el peso base de los sustratos.

El método descrito anteriormente proporciona un cartón ondulado de una sola cara. Sin embargo, el método anterior puede utilizarse además para proporcionar un cartón ondulado de doble cara. La presente invención se puede utilizar en varias aplicaciones diferentes al cartón ondulado de una o dos caras. Otras aplicaciones en las que la invención es útil incluyen onduladoras de doble cara con mayor viscosidad, aplicaciones de revestimiento con menor viscosidad y similares. Además de las etapas anteriores, se puede proporcionar un segundo revestimiento de papel o película sustancialmente plano. El segundo revestimiento se puede aplicar al segundo lado del medio al mismo tiempo que se aplica el primer revestimiento al primer lado del medio, o el segundo revestimiento se puede aplicar al segundo lado del medio después de que el primer revestimiento. se haya adherido al medio. Puede ser deseable que el segundo revestimiento se aplique al segundo lado del medio después de que el primer revestimiento se haya adherido completamente al medio. Las etapas de procesamiento y fraguado descritos anteriormente pueden repetirse con el segundo revestimiento para proporcionar un cartón ondulado de doble cara.

En una realización alternativa, se proporciona un paquete de sustrato multicapa que no tiene medio, y un método para formar un producto de papel aislante que no tiene medio. La eliminación del medio da como resultado un producto que utiliza menos de la mitad del papel que tradicionalmente se requiere, lo que reduciría significativamente el costo asociado al producto y también reduciría los desechos generados a más de la mitad. Hasta ahora, ha sido difícil lograr un producto que tenga el aislamiento térmico y la resistencia necesarios sin incluir la capa media.

En una realización, se proporciona una lámina aislante que incluye un revestimiento de película o papel sustancialmente plano que tiene un primer lado y un segundo lado. El primer lado del revestimiento de papel o película incluye una pluralidad de microesferas expandibles aseguradas al mismo en una composición adhesiva, donde la pluralidad de microesferas expandibles se ha expandido y la composición adhesiva se ha secado. Por lo tanto, el producto incluye un revestimiento de papel o película que tiene una composición similar a una espuma adherida en el primer lado del mismo. Las microesferas expandibles incluyen las descritas anteriormente, y la composición adhesiva incluye los componentes descritos anteriormente, incluido el polímero en emulsión y el disolvente polar, plastificante, humectantes, conservantes o rellenos opcionales.

La composición adhesiva se puede aplicar a la primera superficie del revestimiento de papel o película en cualquier configuración deseada, incluso en una serie de puntos, rayas, ondas, patrones de tablero de ajedrez, cualquier forma general de poliedro que tenga bases sustancialmente planas y combinaciones de las mismas. La aplicación de estos patrones disminuye la cantidad de adhesivo en los paquetes. Además, la composición adhesiva se puede aplicar a la primera superficie en una serie de cilindros. Además, si se desea, la composición adhesiva se puede aplicar a la primera superficie como una lámina sustancialmente plana de adhesivo que cubre toda la primera superficie (laminación completa) o cubre una porción de la primera superficie. La composición adhesiva se puede aplicar en presencia de calor si se desea; sin embargo, es importante que el calor en la aplicación no sea tan alto como para fraguar completamente la composición adhesiva antes de expandir las microesferas expandibles. Un experto en la técnica puede determinar esta cantidad de presión sin una experimentación indebida. Opcionalmente, se puede aplicar un segundo revestimiento de papel o película a la superficie superior de la composición adhesiva, formando una configuración intercalada de: primer revestimiento de papel o película - adhesivo con microesferas expandidas -segundo revestimiento de papel o película.

Después de aplicar la composición adhesiva al primer lado del revestimiento de papel o película, en una alternativa, el revestimiento de papel o película con adhesivo húmedo puede exponerse a calor y/o energía de radiación para comenzar a coalescer la composición adhesiva. Por lo tanto, la composición adhesiva bloquea los componentes, incluida la pluralidad de microesferas, en su lugar y los adhiere a la superficie del papel o del revestimiento de película. Puede desearse secar sólo parcialmente la composición adhesiva, hasta el punto de que la composición fije los componentes y los mantenga adheridos a la superficie del papel o revestimiento de película, pero no esté completamente seco. Un experto en la técnica puede determinar el estado sin experimentación indebida. Como se explicó anteriormente, solo secar parcialmente la composición adhesiva (es decir, dejar una mayor cantidad de humedad en el adhesivo, como al menos un 10 % de contenido de humedad) permite que las microesferas expandibles se expandan.

Después de que el adhesivo comienza a fusionarse, el revestimiento de papel o película se expone al calor y/o energía de radiación suficiente para expandir la pluralidad de microesferas. En una realización, el revestimiento de papel o película con adhesivo húmedo sobre el mismo se expone al calor a una temperatura suficiente para expandir al menos la mayoría de las microesferas, entre los rangos de Texp y Tmáx. En otra realización, el revestimiento de papel o película con adhesivo húmedo sobre el mismo se expone a energía de microondas o infrarroja suficiente para expandir al menos la mayoría de las microesferas expandibles. El producto resultante es un revestimiento de papel o película que tiene un adhesivo que tiene microesferas expandidas en su interior. A continuación, la composición adhesiva puede exponerse a calor y/o energía de radiación suficiente para fraguar completamente la composición adhesiva.

Si se desea, después de la aplicación de la composición adhesiva al primer lado del revestimiento de papel o película, se puede proporcionar un segundo revestimiento de papel o película que tenga un primer lado y un segundo lado y el primer lado del segundo revestimiento de papel o película puede aplicarse a la superficie de la composición adhesiva aplicada, formando una configuración de sándwich. Posteriormente, puede tener lugar la expansión de las microesferas y el fraguado del adhesivo como se explicó anteriormente.

Los paquetes de sustrato multicapa formados con los adhesivos de la invención que contienen microesferas mejoran la capacidad del paquete para resistir la tensión bajo una tensión constante a temperaturas elevadas. Los expertos en la técnica esperan que la tensión del adhesivo aumente con la adición de microesferas a temperatura elevada. Sorprendentemente, los sustratos multicapa con una mayor cantidad de microesferas tienen una tensión menor a temperatura elevada que los adhesivos sin microesferas a temperaturas que oscilan entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 110 °C, como se muestra en la figura 2. El adhesivo inventivo es particularmente adecuado para envases de consumo que normalmente están destinados a su uso a temperaturas elevadas.

La presente invención puede entenderse mejor a través del análisis de los siguientes ejemplos, que no son limitativos y están destinados únicamente a ayudar a explicar la invención.

EJEMPLOS

Ejemplo 1 - formación de un adhesivo

Cada adhesivo se preparó combinando los componentes de la Tabla 1 y luego agitando durante aproximadamente una hora o hasta que la mezcla se volvió homogénea.

Tabla 1

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Ejemplo 2 - formación de sustratos multicapa

Los sustratos multicapa se formaron con varios sustratos de peso base y los adhesivos enumerados en la Tabla 1. Los sustratos de cartón y su calibre (espesor medido con un micrómetro digital) y pesos base (obtenidos pesando un sustrato de 30,5 cm * 30,5 cm (12"X12")) se enumeran en la Tabla 2. La muestra de adhesivo designada se aplicó entre los sustratos superior e inferior con una laminación completa con una varilla Meyer n.° 15 (38 μm (1,5 mil)) o estarcida (estampada) con orificios de 0,2 cm (5/64 pulgadas) en una matriz de 0,6 cm (0,25 pulgadas) de tamaño de cuadrícula) y con los niveles adicionales especificados para formar el sustrato multicapa 1-9. También se formaron muestras comparativas, C1-C7, con adhesivos comparativos. Los sustratos, solos, también se ensayaron con fines comparativos.

Se midieron los calibres, los pesos base, las pruebas de aplastamiento de bordes (ECT) y las temperaturas superficiales para todas las estructuras, enumeradas en la Tabla 2. Los calibres y los pesos base se midieron como se describe anteriormente. Los ECT se midieron para determinar la resistencia de los sustratos multicapa siguiendo el método de prueba TAPPI T-839 μm95, en un Lorentzen & Wettre Tester (Modo n.° 5) con dispositivo de retención de ECT modelo 08-25-25. También se midieron las temperaturas superficiales para evaluar el aislamiento térmico de los sustratos multicapa. La temperatura de la superficie se midió con la cámara USB ICI-7320 de Infrared Cameras Inc. y el software IR Flash adjunto (versión 2.12.12.7). La cámara se colocó a 41,9 cm (16,5 pulgadas) de la superficie de la placa calefactora y las muestras de prueba (7,6 cm x 7,6 cm (3*3 pulgadas) de la estructura) se colocaron a 1,9 cm (3/4 pulgadas) de una placa calefactora de precisión a 55 °C en un accesorio de madera. Para completar, como se usa en la Tabla 2: 1 mil equivale a 25,4 μm y 1 lbs/msf equivale a 0,0049 kg/m2.

Tabla 2

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El adhesivo se aplicó en un patrón para las estructuras 1-9 y el adhesivo se laminó completamente para las muestras comparativas C1-C7. Incluso con el adhesivo estampado, las estructuras tenían propiedades térmicas sustancialmente similares.

El uso del adhesivo inventivo redujo el peso base total del sustrato multicapa. De hecho, el uso del adhesivo de la invención redujo el peso base del sustrato a alrededor del 7 % (comparación entre la Estructura 1 y C6), alrededor del 18 % (comparación entre la Estructura 1 y C7) e incluso hasta un 26 % (comparación entre la Estructura 1 y C3) con propiedades térmicas sustancialmente similares y resistencia aceptable.

Las muestras multicapa, las Estructuras 1-9 tenían temperaturas superficiales sustancialmente similares incluso con sustratos de menor calibre y menor peso base que las estructuras comparativas. Un aislamiento térmico sustancialmente similar se define como estar dentro de los 2 °C de la temperatura de la superficie a 30 segundos, 60 segundos y 90 segundos a 1,9 cm (%") de distancia de una fuente de calor. Las estructuras formadas con un peso base más bajo tenían una separación de menos de 2 °C que las estructuras comparativas hechas con sustratos de peso base más grueso sin microesferas en el adhesivo a los 30 segundos, 60 segundos y 90 segundos. De hecho, las estructuras multicapa con adhesivo estampado, sin laminación completa, tenían un aislamiento térmico similar al de las muestras con adhesivo totalmente laminado con sustratos de mucho mayor peso base. Además, los adhesivos con microesferas de 40 V/V % tenían mejor aislamiento térmico (temperatura más baja de la medición de la temperatura de la superficie) que las microesferas de 20 V/V %.

La prueba de aplastamiento de borde aceptable es superior a 133 N (30 libras) para la estructura. Los sustratos multicapa con adhesivo completamente laminado tuvieron valores de prueba de aplastamiento de borde más altos que aquellos sustratos de varias capas con patrones; sin embargo, ambas muestras laminadas tuvieron valores de prueba de aplastamiento de borde iguales o superiores a 133 N (30 libras). Además, un mayor volumen de microesferas en el adhesivo resultó en valores de prueba de aplastamiento de borde más bajos, pero nuevamente, las muestras con mayor volumen de microesferas tenían valores de prueba de aplastamiento de borde iguales o superiores a 133 N (30 libras).

Ejemplo 3 - módulo del adhesivo a temperaturas elevadas

El Adhesivo Comparativo A, el Adhesivo 1-20 y el Adhesivo 1-40 de la Tabla 1 se moldearon como películas de 127 |jm (5 mil) y se secaron. Las muestras de adhesivo se midieron con el analizador mecánico dinámico DMA Q-800 de TA Instruments y el módulo se midió entre -50 °C y 180 °C. La figura 1 muestra que los adhesivos con las microesferas tenían una mayor resistencia (módulo más alto) a temperaturas elevadas de alrededor de 5 °C a alrededor de 175 °C que el adhesivo sin microesferas. Además, el adhesivo con mayor volumen de microesferas tuvo la mayor resistencia.

Ejemplo 4 - tensión de enlace (por ciento) a temperatura elevada, bajo estrés constante

Las uniones traslapadas se prepararon uniendo SBS de 12 puntos con una caída de media pulgada de 127 jm (5 mil) del Adhesivo Comparativo A, Adhesivo 1-20 y Adhesivo 1-40 de la Tabla 1. La deformación (alargamiento relativo) se midió entre -20 °C y 140 °C bajo una tensión constante de un kilogramo. Los enlaces traslapados secos se cortaron en tiras de 7 mm y se probaron en DMA Q-800. Como se demuestra en la figura 2, la deformación fue menor para los adhesivos con microesferas que para los que no tenían microesferas a temperaturas elevadas, en particular desde alrededor de 50 °C hasta alrededor de 110 °C.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un artículo que comprende un primer sustrato, un segundo sustrato y un adhesivo interpuesto entre los dos sustratos, comprendiendo dicho adhesivo:

(a) un polímero a base de emulsión seleccionado del grupo que consiste en dispersión de etileno de acetato de vinilo, acetato de polivinilo, acetato de polivinilo, alcohol polivinílico, acetato de polivinilo estabilizado con dextrina, copolímeros de acetato de polivinilo, copolímeros de acetato de vinilo-etileno, vinilo acrílico, estireno acrílico, acrílico, estireno caucho de butilo, poliuretano y mezclas de los mismos;

(b) una pluralidad de microesferas, en el que las microesferas tienen un volumen de 10 a 50 % V/V en el adhesivo; y

(c) opcionalmente, agua, plastificante, conservante;

en el que el artículo tiene una pérdida de aislamiento térmico sustancialmente similar con una disminución del 26 % en el peso base del sustrato en comparación con un artículo sin microesferas, y

en el que el término pérdida de aislamiento térmico sustancialmente similar se define como tener una separación de temperatura superficial de menos de 2 °C después de la exposición a una fuente de calor a 1,9 cm (3/4 de pulgada) de distancia durante 30 segundos, y

en el que el artículo es una taza, un recipiente para alimentos, un estuche, una caja de cartón, una bolsa, una caja, un sobre, un envoltorio o una cubierta abatible, y

en el que las microesferas son microesferas poliméricas expandibles, en el que el diámetro de las microesferas expandibles puede expandirse desde el 300 % del diámetro inicial hasta el 1.000 % del diámetro inicial.

2. El artículo de la reivindicación 1, en el que el primer y segundo sustratos se seleccionan del grupo que consiste en tableros de fibra, aglomerados, cartones corrugados, medios corrugados, cartones sólidos blanqueados (SBB), cartones sólidos blanqueados al sulfito (SBS), cartones sólidos sin blanquear (SLB), aglomerados con revestimiento blanco (WLC), papeles para bolsas, cartones para bolsas, papeles estucados, cartulinas y películas de polipropileno orientado.

3. El artículo de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el peso base de los sustratos oscila entre 0,01 y 0,17 kg/m2 (2 a 35 libras por 1000 pies2).

4. El artículo de la reivindicación 1, en el que el polímero a base de emulsión comprende una dispersión de etileno de acetato de vinilo y/o acetato de polivinilo.

5. El artículo de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de microesferas está presente en una cantidad de 0,5 % en peso a 5 % en peso, basado en el peso total del adhesivo.

6. El artículo de la reivindicación 1, en el que las microesferas tienen una temperatura de expansión (Texp) de 80 °C a 135 °C.

7. El artículo de la reivindicación 1, en el que las microesferas tienen una temperatura máxima de expansión (T máx) de 120 °C a 200 °C.

8. Un método para hacer un artículo con integridad estructural mejorada, que comprende las etapas de:

(a) proporcionar un primer sustrato que tiene un primer y un segundo lado;

(b) preparar una composición adhesiva combinando (i) un polímero a base de emulsión seleccionado del grupo que consiste en dispersión de etileno acetato de vinilo, acetato de polivinilo, alcohol polivinílico de acetato de polivinilo, acetato de polivinilo estabilizado con dextrina, copolímeros de acetato de polivinilo, copolímeros de acetato de vinilo-etileno , vinilo acrílico, estireno acrílico, acrílico, caucho estireno butilo, poliuretano y mezclas de los mismos; (ii) 0,5 % a 5 %, basado en el peso total del adhesivo, de una pluralidad de microesferas;

(c) aplicar el adhesivo sobre el primer lado del primer sustrato;

(d) proporcionar un segundo sustrato que tiene un primer y un segundo lado;

(e) poner en contacto el primer lado del segundo sustrato directamente sobre el adhesivo para formar el artículo; (f) aplicar calor o radiación para expandir las microesferas expandibles; y

(g) secar el adhesivo para formar una unión que adhiere el primer y el segundo sustrato;

en el que el artículo tiene una pérdida de aislamiento térmico sustancialmente similar con una disminución de hasta el 26 % en el peso base del sustrato en comparación con un artículo sin las microesferas; y,

9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que los primer y segundo sustrato se seleccionan del grupo que consiste en tableros de fibra, aglomerados, cartones ondulados, medios ondulados, cartones sólidos blanqueados (SBB), cartones sólidos blanqueados al sulfito (SBS), cartones sólidos sin blanquear (SLB ), tableros de partículas con revestimiento blanco (WLC), papeles para bolsas, cartones para bolsas, papeles estucados, cartulinas y películas de polipropileno orientado.

10. El método según la reivindicación 8 o la reivindicación 9, en el que el peso base de los sustratos oscila entre 0,01 y 0,17 kg/m2 (2 a 35 libras por 1000 pies2).