Un papel o cartón que tiene un índice de volumen y una rigidez mejorados que comprende:

una estructura de tres capas de un pliego con perfil en doble T que posee una capa superior (14), una capa central (12) y una capa inferior (14), en el que la capa central (12) es una capa con núcleo celulósico y las capas superior e inferior (14) se basan en almidón, caracterizado porque las capas superior e inferior (14) son capas de revestimiento aplicadas mediante una prensa encoladora que cubren una superficie superior e inferior de la capa central con mínima penetración hacia la capa central, de manera que el almidón está sustancialmente ausente de la capa central, donde la relación entre el espesor de película de las capas de revestimiento de almidón y el papel como un todo está entre 1:50 y 1:1,1, y un agente expansor de volumen compenetrado dentro de la capa central (12)

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención se relaciona con las técnicas de fabricación de papel y, en particular, con la fabricación de sustratos de papel. Esta invención también se relaciona con los artículos fabricados a partir de los sustratos de esta invención, tales como papel para imprimir y artículos de cartón.

SOLICITUD RELACIONADA

Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos No. de Serie 60/410.666, presentada el 13 de septiembre de 2002.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las oficinas de trabajo y del hogar modernas utilizan un sinnúmero de productos de papel, los que incluyen, sin limitación, grados de papel reprográfico y cartón, tales como papeles para escritura, papel para imprimir, papel para copiado, y papel para formularios. Desafortunadamente, dichos productos de papel y cartón presentan una o más desventajas. Por ejemplo, algunos de estos productos tienen un gramaje relativamente bajo o no son suficientemente rígidos al doblado o durables para soportar un recorrido completo en una máquina copiadora. Así, dentro de la industria hay un objetivo constante de producir papeles reprográficos de menores gramajes, pero con iguales propiedades de rigidez, con el fin de ahorrar materias primas y de poder aumentar la productividad. Otras propiedades importantes de los papeles reprográficos son la flexión, es decir, movimiento fuera del plano, y la higroexpansividad, es decir, la expansión y la contracción del papel con las variaciones de la humedad relativa. Se requiere una baja flexión durante el apilado del papel en las máquinas copiadoras y para la correcta alimentación. Se requiere una baja higroexpansividad porque la flexión es función de la higroexpansividad y de la distribución del material en la hoja (véase, por ejemplo, Carlsson, L.: A Study of the Bending Properties of Paper and their Relation to the Layered Structure, Doctoral thesis, Chalmers University of Technology, Department of Polymeric Materials, Gothenburg, Sweden, 1980, ISBN 91-7032-003-9). La higroexpansividad y la flexión son también función del proceso de fabricación del papel, especialmente durante el secado de un tejido fibroso (ver ejemplo Handbook of Physical Testing of Paper, 2nd Edition, Vol. 1, Chapter 3, page 115-117, ISBN 0-8247-0498-3 by T. Uesaka: Dimensional Stability and Environmental Effects on Paper Properties). La resistencia a la flexión Sb del papel es función del módulo elástico E y del espesor t, de tal forma que Sb es proporcional a Et3. Esto significa que el medio más efectivo para incrementar la resistencia a la flexión es aumentar el espesor del papel. Sin embargo, normalmente, el espesor debe mantenerse dentro de especificaciones. Una forma aún más eficiente de incrementar la resistencia a la flexión es crear un efecto de perfil en doble T, es decir, capas externas densas y un núcleo de menor densidad. Las expresiones matemáticas de una estructura de tres capas muestran que el efecto de perfil en doble T crea una resistencia a la flexión considerablemente mayor en comparación con una estructura homogénea si todos los otros parámetros se mantienen constantes (véase, por ej., Handbook of Physical Testing of Paper, 2nd Edition, Vol. 1, Chapter 5, page 233-256, ISBN 0-8247-0498-3 by C. Fellers y L.A. Carlsson: Bending Stiffness, with Special Reference to Paperboard). Este conocimiento ha sido reducido a la práctica en el cartón multipliego y también en papeles para imprimir de bajo gramaje, tales como papeles reprográficos (véase, por ej., Häggblom-Ahnger, U., 1998, Three-ply office paper, Doctoral thesis, Abo Akademi University, Turku, Finland, 1998).

Las unidades de prensa encoladora de las máquinas para papel modernas producen grados de papel reprográfico que frecuentemente tienen prensas encoladoras con dosificador. Estas unidades permiten la aplicación de almidón con prensa encoladora (y/u otros componentes reforzadores) a otras capas de la hoja. Esta tecnología ha sido demostrada en la bibliografía publicada (véase, por ej., Lipponen, J. et al.: Surface Sizing with Starch Solutions at High Solids Contents, 2002 Tappi Metered Size Press Forum, Orlando, FL, May 1-4, 2002, Tappi Press 2002, ISBN 1-930657-91-9). Los autores llegaron a una mejora significativa en la resistencia a la flexión corriendo la solución de almidón en la prensa encoladora con un 18% de sólidos en comparación con sólidos más bajos (8, 12 y 15%).

También existen unidades de estucadora de inundación entre rodillos (también denominadas de estanque o charco) de uso común. En este caso, el potencial para la aplicación de soluciones de almidón a las capas externas no es el mismo que para las unidades de prensa encoladora con dosificador debido a la inherente penetración más profunda en la hoja en la estucadora de inundación entre rodillos. Sin embargo, los resultados de la bibliografía sugieren que un aumento en los sólidos del almidón también pueden causar menor penetración con potencial para una resistencia a la flexión mejorada (véase, por ej., Bergh, N. O.: Surface Treatment on Paper with Starch from the Viewpoint of Production Increase, XXI EUCEPA International Conference, Vol. 2, Conferencias nos. 23 a 43, Torremolinos, España, página 547, 1984). Sin embargo, hay posibilidades de mejorar considerablemente la resistencia a la flexión con respecto a los resultados reportados en la bibliografía y de recibir otros beneficios tal como se mencionó anteriormente.

Por consiguiente, existe una necesidad de mejores productos de papel y de cartón que reduzcan o eliminen una o más de estas desventajas y que puedan producir cartón y grados de papel reprográfico de gramajes considerablemente menores, con mayor productividad, y, por lo tanto, a menores costos de fabricación. Dicha mejora se beneficiaría con el aumento del cuerpo de la banda de papel antes de la aplicación en la prensa encoladora (debe tenerse en cuenta la gran influencia del espesor del papel sobre la resistencia a la flexión) en combinación con soluciones de almidón con sólidos elevados que incluyen modificadores y/o agentes reticulantes para aumentar la resistencia del revestimiento de la prensa encoladora y para incrementar la adhesión de la superficie a la capa aplicada. Además, es el objetivo de esta invención brindar estos beneficios dentro de un papel de un pliego, eliminando de ese modo los costos asociados con la maquinaria adicional necesaria para fabricar papel con múltiples capas de celulosa.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN

Por lo tanto, es un objetivo de esta invención proporcionar un papel o cartón que tenga un cuerpo y una rigidez mejorados que posea una estructura con perfil en doble T de un pliego de tres capas con una capa superior, una capa central y una capa inferior, en la que la capa central es una capa nuclear celulósica, y las capas superior e inferior son capas de revestimiento basadas en almidón aplicadas mediante una prensa encoladora que cubren una superficie superior e inferior de la capa central con mínima penetración hacia la capa central, y un agente expansor de volumen compenetrado dentro de la capa nuclear celulósica.

Otro objetivo de esta invención es proporcionar un papel o cartón que tenga un cuerpo y una rigidez mejorados que posea una estructura con perfil en doble T de un pliego de tres capas con una capa superior, una capa central y una capa inferior, en la que la capa central es una capa nuclear celulósica, y las capas superior e inferior son capas de revestimiento basadas en almidón aplicadas mediante una prensa encoladora que cubren una superficie superior e inferior de la capa central, los pesos de revestimiento de almidón de cada una de las capas de revestimiento superior e inferior están entre 2 y 10 g/m2, y un agente expansor de volumen compenetrado dentro de la capa nuclear celulósica.

Otro objetivo adicional de la invención es brindar un método para fabricar un papel o cartón que comprende las etapas de proporcionar una composición de fabricación que incluye fibras celulósicas y un agente expansor de volumen, formar una banda fibrosa a partir de la composición de fabricación para elaboración de papel, secar la banda fibrosa para formar una banda seca, tratar mediante una prensa encoladora la banda seca con una solución de prensa encoladora de alta concentración de almidón para formar las capas superior e inferior sobre una cara superior e inferior de la banda fibrosa y secar la banda fibrosa después del tratamiento con prensa encoladora para formar un único pliego de tres capas con una estructura con perfil en doble T....

Reivindicaciones

1. Un papel o cartón que tiene un índice de volumen y una rigidez mejorados que comprende: una estructura de tres capas de un pliego con perfil en doble T que posee una capa superior (14), una capa central (12) y una capa inferior (14), en el que la capa central (12) es una capa con núcleo celulósico y las capas superior e inferior

(14) se basan en almidón, caracterizado porque las capas superior e inferior (14) son capas de revestimiento aplicadas mediante una prensa encoladora que cubren una superficie superior e inferior de la capa central con mínima penetración hacia la capa central, de manera que el almidón está sustancialmente ausente de la capa central, donde la relación entre el espesor de película de las capas de revestimiento de almidón y el papel como un todo está entre 1:50 y 1:1,1, y un agente expansor de volumen compenetrado dentro de la capa central (12).

2. El papel o cartón de la reivindicación 1, en el que la relación entre el espesor de la capa central comparado con el espesor del papel o cartón está entre

1:50 y 1:1,1, o donde el gramaje del papel está entre 59 g/m2 y 410 g/m2 y el gramaje de cada una de las capas superior e inferior está entre 2 y 10 g/m2, o donde las capas superior e inferior tienen la aplicación del almidón controlada con una prensa encoladora con dosificador, o se forman a partir de una solución de almidón para revestimiento que tiene sólidos de almidón entre 6% y 20% en peso, o donde el agente expansor de volumen es un producto a base de una sal de diamida.

3. El papel o cartón de la reivindicación 1, en el que el agente expansor de volumen está compuesto por un material polimérico en forma de microesferas seleccionado del grupo que consiste en metacrilato de metilo, orto-cloroestireno, poli-orto-cloroestireno, poli-cloruro de vinilbencilo, acrilonitrilo, cloruro de vinilideno, para-terc-butilestireno, acetato de vinilo, acrilato de butilo, estireno, ácido metacrílico, cloruro de vinilbencilo y combinaciones de dos o más de los anteriores, donde la capa central comprende además opcionalmente un agente de retención.

4. El papel o cartón de la reivindicación 1, en el que la capa central comprende además un aditivo seleccionado del grupo que consiste en cargas, tensioactivos, agentes de encolado o una combinación de los mismos, o en el que el almidón se selecciona del grupo que consiste en hidroxietil-almidón, almidón oxidado, almidón modificado en forma catiónica o convertido enzimáticamente a partir de cualquier fuente de almidón comúnmente utilizada, tal como patata, maíz, trigo, arroz o tapioca.

5. El papel o cartón de la reivindicación 1, en el que las capas superior e inferior comprenden además un agente reticulante o un modificador de la viscosidad o un pigmento, o en el que están comprendidos también aditivos seleccionados del grupo que consiste en alcoholes polivinílicos, carbonato de zirconio y amonio, productos químicos a base de boratos, glioxal, melamina-formaldehído, carbonatos de calcio molidos y precipitados, arcillas, talco, TiO2 y sílice, o una combinación de los mismos.

6. El papel o cartón que tiene un índice de volumen y una rigidez mejorados de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los pesos de revestimiento de almidón de cada una de las capas de revestimiento superior e inferior están entre 2 y 10 g/m2.

7. Un método para fabricar un papel o cartón que comprende las etapas de: a) proporcionar un suministro que incluye fibras celulósicas y un agente

expansor de volumen,

b) formar un tejido fibroso a partir del suministro para fabricación de papel,

c) secar el tejido fibroso para formar un tejido seco (12), caracterizado por

d) tratar mediante una prensa encoladora el tejido seco (12) con una solución de prensa encoladora de alta concentración de almidón para formar las capas superior e inferior (14) sobre una cara superior e inferior del tejido fibroso con mínima penetración hacia el tejido fibroso de manera que el almidón esté sustancialmente ausente de la capa central, donde la relación entre el espesor de película de las capas de revestimiento de almidón y el papel como un todo está entre 1:50 y 1:1,1 y

e) secar el tejido fibroso después del tratamiento con prensa encoladora para formar un único pliego de tres capas con una estructura con perfil en doble T.

8. El método de la reivindicación 7, en el que la relación entre el espesor del tejido fibroso comparado con el espesor del papel o cartón está entre 1:50 y 1:1,1.

9. El método de la reivindicación 7, en el que el gramaje del papel está entre 59 g/m2 y 410 g/m2 y el gramaje de cada una de las capas de revestimiento superior e inferior está entre 2 y 10 g/m2, o donde no existen niveles sustanciales de almidón de las capas de revestimiento superior e inferior en el tejido fibroso, o donde las capas de revestimiento superior e inferior tienen sólidos de almidón menores que 20% en peso,

o donde el tratamiento con prensa encoladora utiliza una prensa encoladora con dosificador, o donde el agente expansor de volumen es un producto a base de una sal de diamida, o donde el suministro contiene además un aditivo seleccionado del grupo que consiste en: cargas, tensioactivos o una combinación de los mismos, o donde la solución de la prensa encoladora contiene además un aditivo seleccionado del grupo que consiste en: alcoholes polivinílicos, carbonato de zirconio y amonio, productos químicos a base de boratos, glioxal, melamina-formaldehído, carbonatos de calcio molidos y precipitados, arcillas, talco, TiO2 y sílice, o una combinación de los mismos.

10. El método de la reivindicación 8, en el que el almidón se selecciona de un grupo que comprende: hidroxietil-almidón, almidón oxidado, almidón modificado en forma catiónica o convertido enzimáticamente a partir de cualquier fuente de almidón comúnmente utilizada, tal como patata, maíz, trigo, arroz o tapioca, o donde una solución de almidón de la solución de prensa encoladora de alta concentración de almidón se pre-cuece con un producto químico a base de borato antes del tratamiento

10 con prensa encoladora.