Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftpapier, ein Verpackungsmaterial sowie ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.

In unterschiedlichen Bereichen der modernen Industrie werden Verpackungsmaterialien eingesetzt. Beispielsweise bei stoßempfindlichen Produkten ist es erforderlich, diese mit einem Polstermittel zu versehen, um für ihren Transport einen erhöhten Produktschutz zu ermöglichen. Im Stand der Technik wird zu diesem Zweck oft Luftpolsterfolie aus Kunststoff eingesetzt. Es handelt sich hierbei um eine zumindest zweilagige Kunststofffolie, wobei zwischen den Schichten gasgefüllte Noppen gebildet sind, die eine Polsterwirkung ermöglichen.

Insbesondere aufgrund ökologischer und regulatorischer Aspekte sind Alternativen für Verpackungsmaterialien aus Kunststoff erforderlich. Eine Möglichkeit hierfür sind papierbasierte Verpackungsmaterialien. Im Stand der Technik ist jedoch kein papierbasiertes Verpackungsmaterial bekannt, das der Struktur und der Funktionalität von Kunststoff-Luftpolsterfolie zumindest ähnlich ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann daher gegebenenfalls darin gesehen werden, ein Papiermaterial bereitzustellen, das zur Herstellung eines polsternden Verpackungsmaterials geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann gegebenenfalls darin gesehen werden, ein Papiermaterial bereitzustellen, das einem Umformvorgang unterworfen werden kann, um eine dreidimensionale Struktur, insbesondere Bläschen, Noppen und/oder Hohlkörper, zu erzeugen.

Eine noch weitere Aufgabe kann gegebenenfalls darin gesehen werden, ein Papiermaterial bereitzustellen, dass einem Umformvorgang unterworfen werden kann, um eine Struktur zu erzielen, die in ihrer Polsterwirkung herkömmlicher Luftpolsterfolie zumindest ähnlich ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass zumindest eine dieser Aufgaben gegebenenfalls durch ein Kraftpapier mit bestimmten Eigenschaften gelöst werden können.

Ein Kraftpapier im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet insbesondere eine Papiersorte mit einer besonders hohen Festigkeit. Gegebenenfalls ist der für die Herstellung des Kraftpapiers verwendete Zellstoff ein Kraftzellstoff, der, insbesondere mittels Sulfatverfahren, aus Holz hergestellt wurde. Ein bevorzugter Rohstoff für die Herstellung von Kraftzellstoff zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist Weichholz, insbesondere Nadelholz, beispielsweise Kiefer, Fichte, Tanne, Lärche, aber auch andere bekannte Nadelhölzer. Auch eine Mischung einer oder mehrerer Nadelholzarten ist verwendbar.

Insbesondere ist der für die Herstellung des Kraftpapiers eingesetzte Kraftzellstoff ungebleicht bzw. naturbraun. Gegebenenfalls kann der Kraftzellstoff aber auch teilweise oder vollständig gebleicht sein.

Gegebenenfalls kann der verwendete Zellstoff auch einen Anteil an Kurzfaserzellstoff aufweisen, der insbesondere aus Hartholz gewonnen wurde. Gegebenenfalls können bis zu 15 Gew.-%, insbesondere bis zu 10 Gew.-%, in Bezug auf die Gesamtmenge des Zellstoffs, an Kurzfaserzellstoff enthalten sein. Das Kraftpapier der vorliegenden Erfindung kann ein isotropes Dehnungsverhalten in Kombination mit einer hohen Steifigkeit aufweisen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass ein derartiges Kraftpapier besonders vorteilhafte Eigenschaften für die Verwendung als Verpackungsmaterial bzw. als Ersatz für Kunststoff-Luftpolsterfolie aufweist.

Insbesondere kann das isotrope Dehnungsverhalten dazu beitragen, dass beim Umformen des Kraftpapiers die Ausbildung besonders gleichmäßiger Noppen bzw. Strukturen ermöglicht wird. Die hohe Steifigkeit kann dazu beitragen, die Integrität der gebildeten Noppen bzw. Strukturen zu erhalten und dennoch eine ausreichende Polsterwirkung zu ermöglichen.

Die vorteilhaften Eigenschaften können insbesondere durch Wahl bestimmter Parameter bei der Herstellung des Papiers erzielt werden. Gegebenenfalls führt eine geringere Hochkonsistenzmahlung zu einer höheren Steifigkeit des Kraftpapiers in Querrichtung. Gegebenenfalls führt eine geringere Differenzgeschwindigkeit zwischen Vor- und Nachtrockenpartie zu einer höheren Steifigkeit des Kraftpapiers in Maschinenrichtung.

Ein erfindungsgemäßes Papier kann hergestellt werden, indem Kraftzellstoff einem Mahlschritt unterworfen wird. Der Mahlschritt umfasst eine Hochkonsistenzmahlung und gegebenenfalls eine Niederkonsistenzmahlung. Gegebenenfalls verbessert die Hochkonsistenzmahlung die Dehnbarkeit in Querrichtung. Gegebenenfalls beeinflusst die Hochkonsistenzmahlung auch die Steifigkeit des Papiers.

Dem gemahlenen Kraftzellstoff können Hilfsstoffe beigemengt werden, beispielsweise Stärke, Leimungsmittel, und/oder pH-Regulatoren. Insbesondere wird dem Kraftzellstoff kein Füllstoff zugegeben.

Der Kraftzellstoff kann dann in an sich bekannter Weise in einer Papiermaschine zu einer Papierbahn verarbeitet werden. Die erhaltene Papierbahn kann in einem Vortrocknungsschritt vorgetrocknet werden. Anschließend kann die Papierbahn einer Kreppung, insbesondere einer Mikrokreppung, unterzogen werden, was die Dehnungseigenschaften gegebenenfalls verbessert. Das Kreppen kann in einer Clupak-Einheit erfolgen, in der die Papierbahn in bekannter Weise zwischen einem Elastomertuch und einer Walze geführt wird.

Die so gekreppte, insbesondere mikrogekreppte, Papierbahn kann anschließend einem Nachtrocknungsschritt unterworfen werden.

Gegebenenfalls wird die Papierbahn im Nachtrocknungsschritt mit einer geringeren Geschwindigkeit geführt als im Vortrocknungsschritt. Durch diese Differenzgeschwindigkeit können die Dehnungseigenschaften des Kraftpapiers, insbesondere in dessen Maschinenrichtung, erhöht werden.

Gegebenenfalls beträgt die Grammatur des Kraftpapiers zumindest 90 g/m ² , insbesondere zwischen 95 und 140 g/m ² , bevorzugt etwa 100 g/m ² oder etwa 130 g/m ² . Gegebenenfalls beträgt die Zugfestigkeit des Kraftpapiers in Maschinenrichtung zwischen 6 und 9 kN/m. Gegebenenfalls beträgt die Zugfestigkeit des Kraftpapiers in Querrichtung zwischen 5 und 8 kN/m. Gegebenenfalls ist der Zugfestigkeitsindex des Kraftpapiers in Maschinenrichtung zwischen 60 und 90 Nm/g. Gegebenenfalls ist der Zugfestigkeitsindex des Kraftpapiers in Querrichtung zwischen 50 und 80 Nm/g.

Gegebenenfalls beträgt die Zugbrucharbeit des Kraftpapiers in Maschinenrichtung zwischen 370 und 430 J/m ² Gegebenenfalls beträgt die Zugbrucharbeit des Kraftpapiers in Querrichtung zwischen 370 und 430 J/m ² .

Gegebenenfalls beträgt der Luftwiderstand des Kraftpapiers mehr als 16 s Gurley, insbesondere mehr als 18 s Gurley, im Speziellen mehr als 20 s Gurley.

Gegebenenfalls beträgt der Weiterreißwiderstandsindex des Kraftpapiers in Maschinenrichtung zwischen 13 und 15 mN. g/m ² . Gegebenenfalls beträgt der Weiterreißwiderstandsindex des Kraftpapiers in Querrichtung zwischen 16 und 20 mN. g/m ² . Gegebenenfalls beträgt der Biegesteifigkeitsindex des Kraftpapiers in Maschinenrichtung zwischen 60 und 90 Nm ⁶ kg’ ³ , insbesondere zwischen 65 und 85 Nm ⁶ kg’ ³ . Gegebenenfalls beträgt der Biegesteifigkeitsindex des Kraftpapiers in Querrichtung zwischen 50 und 80 Nm ⁶ kg’ ³ , insbesondere zwischen 55 und 75 Nm ⁶ kg ^-3 . Es wurde festgestellt, dass eine gewisse Steifigkeit vorteilhaft ist, um eine gute Polsterwirkung von Hohlraumstrukturen zu erhalten.

Gegebenenfalls ist die Grammatur des Kraftpapiers gemäß der Norm ISO 536:2019 bestimmt. Gegebenenfalls ist die Zugfestigkeit des Kraftpapiers gemäß der Norm ISO 1924-3:2005 bestimmt. Gegebenenfalls ist der Zugfestigkeitsindex des Kraftpapiers gemäß der Norm ISO 1924-3:2005 bestimmt. Gegebenenfalls ist die Bruchdehnung des Kraftpapiers gemäß der Norm ISO 1924-3:2005 bestimmt. Gegebenenfalls ist die Zugbrucharbeit des Kraftpapiers gemäß der Norm ISO 1924-3:2005 bestimmt.

Gegebenenfalls ist die Biegesteifigkeit des Kraftpapiers gemäß der Norm ISO 2493- 1 :2010 bestimmt. Gegebenenfalls ist der Luftwiderstand des Kraftpapiers gemäß der Norm ISO 5636-5:2013 bestimmt. Gegebenenfalls ist der Weiterreißwiderstandsindex des Kraftpapiers gemäß der Norm ISO 1974:2012 bestimmt.

Das erhaltene Kraftpapier kann einem Umformschritt unterworfen werden, um ein Verpackungsmaterial zu erhalten. Insbesondere weist das Kraftpapier nach dem Umformen bzw. das Verpackungsmaterial eine Noppenstruktur auf. Der Begriff „Noppenstruktur“ bezeichnet in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Abfolge höckerförmiger Erhebungen. Gegebenenfalls sind die einzelnen Noppen der Noppenstruktur einseitig offene Hohlkörper, beispielsweise offene Kugelsegmente oder einseitig offene Zylinder, wobei auch andere geometrische Formen möglich sind.

Insbesondere führt das Umformen des Kraftpapiers zu keiner Wesentlichen Änderung der Dicke des Kraftpapiers.

Gegebenenfalls betrifft die Erfindung ein Kraftpapier mit einer Bruchdehnung in Maschinenrichtung von mindestens 7,5% und mit einer Bruchdehnung in Querrichtung von mindestens 7,5%, wobei sich die Bruchdehnung in Maschinenrichtung und die Bruchdehnung in Querrichtung um weniger als 2,5%, insbesondere um weniger als 1 ,5%, unterscheiden, und wobei die Biegesteifigkeit in Maschinenrichtung und die Biegesteifigkeit in Querrichtung mindestens 50 mN betragen.

In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezeichnen angegebene Unterschiede in der Bruchdehnung insbesondere Absolutwerte. Wenn beispielsweise ein Papier eine Bruchdehnung in Querrichtung von 8% und eine Bruchdehnung in Maschinenrichtung von 9% aufweist, beträgt der Unterschied zwischen Bruchdehnung in Querrichtung und der Bruchdehnung in Maschinenrichtung 1 %.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Biegesteifigkeitsindex in Maschinenrichtung zwischen 60 und 90 Nm ⁶ kg ^-3 beträgt. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Biegesteifigkeitsindex in Querrichtung zumindest 50 und 80 Nm ⁶ kg ^-3 beträgt.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Bruchdehnung in Maschinenrichtung und/oder die Bruchdehnung in Querrichtung zwischen 7,5% und 13%, bevorzugt zwischen 8% und 12%, weiter bevorzugt zwischen 9% und 11 % liegt.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass es eine Grammatur von wenigstens 90 g/m ² , insbesondere zwischen 95 g/m ² und 140 g/m ² , aufweist.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass es einen Luftwiderstand von wenigstens 16 s Gurley aufweist.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Kraftpapier Kraftzellstoff enthält, der vollständig aus Frischfaser, insbesondere vollständig aus Frischfaser aus Weichholz, gebildet ist.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Kraftpapier Kraftzellstoff enthält, der eine Kappa-Zahl nach ISO 302:2015 zwischen 30 und 50, insbesondere zwischen 38 und 47, aufweist. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Kraftpapier kationische Massestärke in einem Gehalt zwischen 1 ,2 Gew.-% und 1 ,6 Gew.-% bezogen auf das Trockengewicht des Kraftpapiers enthält.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Kraftpapier ein Leimungsmittel, insbesondere wenigstens ein Alkenylbernsteinsäureanhydrid, in einem Gehalt zwischen 0,06 Gew.-% und 0,09 Gew.-% bezogen auf das Trockengewicht des Kraftpapiers enthält.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Kraftpapier füllstofffrei ist.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Kraftpapier einen Restfeuchtegehalt zwischen 6 Gew.-% und 11 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht Kraftpapiers, aufweist.

Gegebenenfalls betrifft die Erfindung ein Verpackungsmaterial, umfassend oder bestehend aus einem erfindungsgemäßen Kraftpapier.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Kraftpapier eine durch Umformen, insbesondere Tiefziehen, Prägen oder Pressen, des Kraftpapiers hergestellte Noppenstruktur aufweist.

Gegebenenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verpackungsmaterials

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass im Kraftpapier durch Umformen, insbesondere Tiefziehen, Prägen oder Pressen, des Kraftpapiers eine Noppenstruktur hergestellt wird.

Gegebenenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Kraftpapier, insbesondere eines erfindungsgemäßen Kraftpapiers.

Gegebenenfalls umfasst das Verfahren den Schritt: Mahlen von Kraftzellstoff. Gegebenenfalls umfasst das Verfahren den Schritt: Vermischen des gemahlenen Kraftzellstoffs mit einem oder mehreren Hilfsstoffen

Gegebenenfalls umfasst das Verfahren den Schritt: Aufbringen des gemahlenen und gegebenenfalls mit einem oder mehreren Hilfsstoffen vermischten Kraftzellstoffs auf das Sieb einer Papiermaschine sowie Pressen zum Erhalten einer Papierbahn,

Gegebenenfalls umfasst das Verfahren den Schritt: Vortrocknen der erhaltenen Papierbahn.

Gegebenenfalls umfasst das Verfahren den Schritt: Kreppen der erhaltenen vorgetrockneten Papierbahn, insbesondere in einer Clupak-Einheit.

Gegebenenfalls umfasst das Verfahren den Schritt: Nachtrocknen der erhaltenen gekreppten Papierbahn.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Schritt des Mahlens eine Hochkonsistenzmahlung umfasst, bei der die Stoffdichte zwischen 30% und 35% beträgt.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Geschwindigkeit der Papierbahn beim Schritt des Vortrocknens zwischen 6% und 10%, insbesondere zwischen 7,5% und 8,5%, höher ist als beim Schritt des Nachtrocknens. Gegebenenfalls gibt es eine prozentuelle Geschwindigkeitsdifferenz der Papierbahn zwischen den Schritten des Vortrocknens und des Nachtrocknens, wobei die Geschwindigkeit der Papierbahn beim Schritt des Vortrocknens größer ist als beim Schritt des Nachtrocknens. Gegebenenfalls beträgt die prozentuelle Geschwindigkeitsdifferenz zwischen 6% und 10%, insbesondere zwischen 7,5% und 8,5%.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen Stoffdichte bei der Hochkonsistenzmahlung und prozentueller Geschwindigkeitsdifferenz derart eingestellt ist, dass sich die Bruchdehnung in Maschinenrichtung und die Bruchdehnung in Querrichtung des Kraftpapiers um weniger als 2,5%, insbesondere um weniger als 1 ,5%, unterscheiden.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Nachtrocknung mittels einer Konvektionstrocknung, insbesondere bei einer Temperatur von mindestens 170°C, erfolgt.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Mahlleistung bei der Hochkonsistenzmahlung zwischen 150 kWh/t und 320 kWh/t, insbesondere zwischen 220 kWh/t und 270 kWh/t, beträgt.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass beim Schritt des Mahlens im Anschluss an die Hochkonsistenzmahlung eine Niederkonsistenzmahlung vorgesehen ist, bei der die Stoffdichte zwischen 4% und 6% beträgt.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Mahlleistung bei der Niederkonsistenzmahlung zwischen 90 kWh/t und 160 kWh/t, insbesondere zwischen 110 kWh/t und 140 kWh/t, beträgt.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der pH-Wert beim Vermischen des Kraftzellstoffs mit einem oder mehreren Hilfsstoffen auf 6,2 bis 7,2, insbesondere 6,6 bis 7,0, eingestellt wird.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Schritt des Vortrocknens durch Kontrakttrocknung erfolgt.

Gegebenenfalls betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftpapier, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere nach einem Verfahren mit den oben genannten Merkmalen, erhalten wurde oder durch ein derartiges Verfahren erhältlich ist. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels im Detail erörtert.

In diesem Ausführungsbeispiel wird ein ungebleichter Kraftzellstoff, bestehend zu 100 % aus Frischfaser aus Weichholz, nämlich einer Mischung aus Fichten- und Kiefernholz), mit einer Kappa-Zahl von etwa 42 als Ausgangsmaterial verwendet, der in einer Papiermaschine verarbeitet wird.

Der Zellstoff wird zuerst einer Hochkonsistenzmahlung mit einer Stoffdichte von etwa 32% und einer Mahlleistung von etwa 240 kWh/t behandelt. Anschließend wurde der hochkonsistenzgemahlene Zellstoff einer Niederkonsistenzmahlung, mit einer Stoffdichte zwischen etwa 4,0 und 6,0% und einer Mahlleistung von etwa 120 kWh/t unterworfen. Dadurch kann in diesem Ausführungsbeispiel ein Kraftpapier erhalten werden, das einen Luftwiderstand von etwa 22 s Gurley aufweist.

Im Konstantteil der Papiermaschine werden Hilfsstoffe zudosiert: Mit Schwefelsäure und Aluminiumsulfat wird ein pH-Wert von etwa 6,8 eingestellt. Kationische Massestärke wird in einer Menge von etwa 14 kg/t Papier (Trockengewicht) zudosiert. Als Leimungsmittel werden Alkenylbernsteinsäureanhydride in einer Menge von etwa 0,7 kg/t Kraftpapier (Trockengewicht) eingesetzt. Füllstoffe wurden nicht zugesetzt.

Zum Bedampfen des Papiers wird ein herkömmlicher Dampfblaskasten, der Wasserdampf mit Druck und Temperatur auf das Papier aufbringt, eingesetzt. Ebenso wurde eine Hochdruckhaube verwendet.

Die Papiermaschine ist mit einer Fourdrinier-Siebpartie als Langsieb sowie einer 3 Nip Pressenpartie versehen, womit aus dem Ausgangsmaterial eine Papierbahn erzeugt werden kann. Die Trocknung der erhaltenen Papierbahn erfolgt in einer Trockenpartie in mehreren Schritten.

Die noch feuchte Papierbahn wird nach dem Pressen in der Papiermaschine einem Vortrocknungsschritt unterworfen, der im Slalom bzw. in einer 2-reihigen Trockenpartie mittels Kontakttrocknung erfolgt.

Die vorgetrocknete Papierbahn wird in einer Clupak-Anlage gekreppt, mit einer Differenzgeschwindigkeit von etwa 8% behandelt und schließlich auf einen finalen Restfeuchtegehalt von etwa 9% getrocknet.

In der Nachtrockenpartie wird die Papierbahn zusätzlich einer Konventionstrocknung mit Heißlufteinsatz von >170°C unterworfen. Dadurch wird ein besonders gleichmäßiges Querdehnungsprofil über die gesamte Papierbahnbreite erreicht. Dies ist vorteilhaft um über die gesamte Papierbahnbreite eine möglichst isotrope Dehnungscharakteristik zu erreichen, was wiederum ein besonders gleichmäßiges Verformungsverhalten ermöglicht.

Das so hergestellte Kraftpapier weist die nachfolgend in Tabelle 1 aufgelisteten Papierparameter auf.

Tabelle 1

*MD = in Maschinenrichtung; CD = in Querrichtung

Aus dem erhaltenen Kraftpapier wird ein Verpackungsmaterial hergestellt. Dazu wird ein Stück des Kraftpapiers definierter Größe einem Tiefziehvorgang unterworfen, sodass eine Noppenstruktur erhalten wird. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Noppenstruktur aus gleichmäßig angeordneten halbkugelförmigen Ausbuchtungen des Kraftpapiers. Durch den Tiefziehvorgang ändert sich die Dicke des Papiers im Wesentlichen nicht. Dies ist in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von besonderer Bedeutung, da die Steifigkeit und die Dicke in einem kubischen Zusammenhang stehen, die Steifigkeit ist also eine Funktion der Dicke in dritter Potenz. Die hergestellten Noppen bieten eine Polsterwirkung bei mechanischer Beanspruchung, ähnlich einer Kunststoff-Luftpolsterfolie.

Durch die Kombination aus Biegesteifigkeit und isotropen Dehnungseigenschaften eignet sich das Kraftpapier besonders gut für die Herstellung eines derartigen Verpackungsmaterials.