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MINNESOTA AND ONTARIO PAPER COMPANY
La présente invention concerne un procédé pour enduire OU, coucher le papier de manière à produire une couche ayant une surface de qualité supérieure au point de vue du caractère lisse et plat, de l'absence d'imper- fe'ctions, etc. La matière de papier brute, sous forme de nappe peut être de'n'importe quel genre approprié et les ingrédients contenus dans la couche appliquée à celle-ci peuvent être choisis parmi un certain nombre de matières différentes.
Le mélange de couchage peut comprendre par exemple un pigment minéral tel que de l'argile, du carbo- nate de calcium, du blanc fixe, du sulfure de zinc, du bioxyde de titane et des substances analogues et un liant formé d'amidon, de protéine, de caséine, de colle ou d'autres matières convenables, toutes contenues dans une dispersion aqueuse.
Dans la fabrication de papier employé comme papier d'impression de qualité supérieure, un pro.cé,dé habituel consiste à appliquer à une nappe de papier (matière de base) une ou des couches des suspensions aqueuses de pig- ment minéral et d'une matière adhésive, généralement une
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matière adhésive organique ; nappe est alors séchée et parachevée dé la manière quelconque désirée. Du papier ainsi préparé est généralement appelé papier à couche minérale.
Le couchage du papier par des suspensions de pig- ments minéraux a présenté de sérieux problèmes pour les raisons que ces suspensions habituellement utilisées dans l'industrie du papier ne se lissent pas d'elles- mêmes lorsqu'elles sont appliquées avec des irrégularités même légères. Jusqu'à présent, lorsque le papier était couché par une application directe de liquide de revête- ment, il se formait, si on ne prenait pas de précautions spéciales des rides ou des irrégularités de la matière de couchage sur'le papier, qui lorsqu'il est couché pro- duisent des raies. Pour.cette raison dans la plupart des pratiques antérieures de l'industrie, on Drend des mesu- res pour lisser les rides ou les autres irrégularités formées lors de l'application, par l'emploi de brosses, de racloirs ou de rouleaux de lissage en circulation.
Ces expédients ont cependant le désavantage d'être encombrants et d'être la cause d'une vitesse de production comparati- vement basse.
Pour tenir compte de ces difficultés, le présent procédé propose d'appliquer une quantité déterminée à l'avance ou mesurée de matière de revêtement sur la nappe de papier en circulation à enduire de façon à produire un revêtement égal dès le premier abord et supprimer ainsi l'emploi de dispositifs de lissage ultérieurs.
Un des principaux buts de la présente invention consiste à fournir une méthode qui produira un couchage de-pigments minéraux et autres ayant, à un haut degré,
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les qualités lisseset uniformes et de plus ayant les avantages de rendement élevé et de sécurité de fonction- nement.
Un autre but de l'invention concerne l'emploi d'une couleur de couchage ayant de hautes teneurs en matières solides, sur une nappe de papier à mouvement rapide. En général, plus fine est la dimension de parti- cules de pigment minéral, meilleurs sont les qualités de coloration et de parachèvement. Des argiles par exemple de différentes sources, même dans un groupe à même dimen- sion de particules, varient en degrés d'activité superfi- cielle. Cela est important au point de vue des opérations de couchage rapide parce que cela affecte le degré d'hydra- tation de la happe dans l'eau, l'amidon et les boues ana- logues et parce que cela est un facteur contrôlé des propriétés d'écoulement qu'aura une composition donnée de couchage.
Toutes les colorations de couchage minéral-amidon, montrent des propriétés thixotropiques. Avec n'importe , quelle composition de couchage minérale donnée, ces propriétés deviennent plus prononcées avec l'augmentation des teneurs en matières solides. Pour éviter la confusion des termes utilisés dans la description des colorations de couchage décrites les propriétés d'écoulement sont dé- finies ci-après. La thixotropie est une structure sol-gel réversible présentée par beaucoup de suspensions colloï- dales à haute teneur en matières solides. Lorsqu'une so- lution thixotropique est agitée, la viscosité absolue devient plus faible lorsque la vitesse d'agitation aug- mente. Lorsque l'agitation ces'se la solution fera prise de nouveau graduellement en une gelée solide ferme.
La
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dilatance est l'inverse de la thixotropie. Lorsque la vitesse d'agitation augmente, la viscosité absolue aug- mente. Contrairement à la thixotropie, aucun facteur de temps n'est impliqué dans la dilatance.
La viscosité est la résistance interne d'un fluide à l'écoulement. L'unité absolue de viscosité est la poise.
La fluidité est l'inverse de la viscosité.
La plasticité est la vitesse de diminution de la viscosité avec des vitesses croissantes d'écoulement. Une matière plastique vraie présente un point défini où elle cède, ce qui n'est pas le cas avec la plupart des matières enduites. Le terme "pseudo-plastique" est parfois employé.
Un autre phénomène important des solutions thixo- tropiques est que lorsque la viscosité de la solution diminue par agitation, la vitesse à laquelle la solution abandonnera son eau à une substance absorbante telle qu'une nappe de papier, augmente. Ceci est un facteur très important dans le couchage du papier, car il détermine la vitesse à laquelle la solution de couchage mouillera le papier au moment du contact et cela à son tour influence le caractère de la pellicule de couchage. On a trouvé par exemple que dans le présent procédé de couchage, si le couchage abandonne de l'eau au papier avec une rapidité suffisante pour qu'il fasse prise ( c'est-à-dire qu'il ne soit plus une pellicule fluide) avant d'abandonner le point de serrage du rouleau d'application, la pellicule de couchage sera plus rude que si elle est encore fluide.
Cela est dû au fait que lorsque la pellicule se détache du rouleau d'application, elle est attirée en gouttelettes sphériques à cause des forces de tension superficielle et
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de cohésion. Si la pellicule est encore fluide lorsqu'elle 'quitte 'cette zone, ces sphères coulent ensemble en une surface lisse. Si la pellicule n'est plus fluide, les petites sphères sont permanentes et une pellicule @@ @ rude en résulte et également un mauvais revêtement de ' fibres.
On a trouvé que lorsque la densité de la coloration augmente, l'éclat de la surface augmente également et un meilleur revêtement de la fibre en résulte. Il est haute- ment désirable que la densité de coloration soit comman- dée de manière à obtenir le couchage désiré.
Les compositions de couchage adhésives minérales sont thixotropiques jusqu'à un certain degré et cette propriété est entièrement significative dans la présente méthode de couchage. Des avantages sont obtenus par appli- cation de couchage à hautes teneurs en solides. Cela amène la question de savoir jusqu'à quelle haute teneur en matières solides, on.peut aller avec une combinaison donnée minérale adhésive. La réponse paraît être que la teneur en matières solides ne doit pas dépasser le point , où le couchage commence à montrer un degré prononcé de dilatance à de hautes vitesses d'écoulement. Ce point peut être déterminé pour n'importe quelle composition donnée en reportant des vitesses d'écoulement par rapport à la force ou des viscosités par rapport à des vitesses d'écoulement.
Le racloir est conduit par un moyen approprié tel qu'une commande de Reeves à vitesse variable, de façon que le rapport de vitesse entre oelui-ci et le rouleau d'application puisse être modifié. La vitesse variable donne une grande flexibilité dans le contrôle du poids de
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couchage. Avec un couchage à argile etamidon par exemple, de 65% de matières solides totales, et avec une pression constante sur le racloir, on a obtenu une varia- tion du poids du revêtement de 12 livres avec un rapport de vitesse de 1:11,2, à 4 livres pour 1:792, à une vitesse de machine constante.
On a trouvé que lorsque les colorations de matières solides élevées sont utilisées, une pellicule très fine de revêtement passe sous le racloir et sèche avant de venir en contact avec le rouleau d'application. Cela produit des marques dans la pellicule de couchage sur le rouleau d'application, qui seront transmises au papier.
Cette difficulté peut être surmontée par le fait qu'on place le rouleau de raclage aussi près que possible de l'intervalle étranglé du rouleau d'application et qu'on maintient le rouleau de raclage humide.
On a trouvé que pour obtenir la pellicule de couchage plus lisse, il est nécessaire de maintenir l'intervalle étranglé entre le racloir et le rouleau d'application noyé par un grand excès de matière colorée.
Un certain nombre de moyens peuvent être utilisés pour réaliser ceci et une manière est exposée dans les dessins annexés. Les bulles d'air peuvent s'accumuler dans la fontaine de coloration entre le rouleau de raclage et le rouleau d'application. Ces bulles peuvent passer à travers l'intervalle étranglé et provoquer une surface boursoufflée dans le couchage et l'élimination de ces bulles est essentielle pour un couchage satisfaisant..
Si on laisse se produire des rides de séchage, il apparaîtra, dans la feuille parachevée, des lignes paral- lèles à absorption d'encre variable. Cette difficulté
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peut être surmontée par l'emploi d'un feutre qui vient en contact avec la surface revêtue de la nappe de papier aussi vite que possible après que le couchage a été appli- qué, sans endommager la surface revêtue. La nappe de papier couché fait des plis sur la surface du sécheur à cause d'un séchage inégal et l'emploi d'un feutre qui main- tient la nappe couchée en contact direct avec la surface du tambour de séchage, produit une redistribution et une égalisation de l'humidité dans la nappe couchée enfrain de sécher et un séchage sensiblement uniforme et cela a pour résultat l'élimination des rides du séchage.
L'emploi d'un feutre permet également de plus grandes vitesses de séchage avec une température de séchage réduite.
Aux dessins:
La fige 1 est une vue schématique d'un appareil convenant pour la réalisation de-l'invention.
La fig.2 est une vue d'une unité de couchage simple montrant la disposition des rouleaux et de la fontaine.
La fig. 3 est une vue partnelle du papier voyageant sur un feutre de support et,
La fig. 4 est une vue latérale en détail d'une des unités de couchage.
Si on se reporte en détail.aux dessins, 10 désigne un rouleau de matière en nappe telle que du-papier qui doit recevoir la matière de couchage. Lorsque le procédé et l'appareil permettent au'papier d'être couché à une vitesse supérieure à deux mille pieds par minute, il est hautement désirable que l'appareil pour l'alimentation en papier aux unités de revêtement soit de construction telle qu'une nappe continue de papier soit fournie. Si l'unité
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ou les unités de couchage sont vidées dans la machine à papier, un dispositif de fourniture automatique doit être employé de façon que le papier du nouveau rouleau puisse être relié à la nouvelle nappe tandis que l'unité de couchage circule à une vitesse sensiblement normale.
Un tel dispositif est indiqué au d.essin par 11, 12, 13, 14, 15 et 16.
Lorsque la nappe se déplace vers l'avant, elle passe au-dessus des rouleaux 17,18 et 10 et ensuiteau- dessus du rouleau à pincement 20 qui maintient la tension sur les rouleaux entre les rouleaux de pincement et le rouleau d'application 23. La matière de couchage est cueillie par un rouleau d'application 23. Le rouleau 24 élimine l'excès de matière de 'couchage du rouleau d'appli- cation et le rouleau 22 lisse ensuite la matière de couchage sur la surface du rouleau d'application. Le rouleau d'application applique ensuite la matière de couchage à la nappe de papier supportée par le rouleau d'appui 21. La nappe de papier passe ensuite autour de l'organe 33 et ensuite en contact avec les moyens de séchage pour sécher le couchage appliqué au papier.
Les moyens de séchage peuvent consister en une série de sé- cheurs mais il est préférable que les moyens de séchage consistent en un seul grand sécheur 39. Après que le papier a reçu une prise préliminaire, un feutre vient en contact avec le côté de couchage du papier et maintient la feuille de revêtement en contact intime avec la sur- face du sécheur. Cela empêche la formation de rides de séchage dans la feuille couchée du papier.
Le feutre et le papier abandonnent la surface du sécheur sur le rouleau 40 et ensuite voyagent ensemble
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sur les rouleaux 41 et 42. Le feutre passe ensuite sur les rouleaux 43, 45 et 47 et ensuite en arrière en contact avec le papier sur la surface de séchage. Le papier couché continue et passe sur des rouleaux 48 et 49 et jusqu'à une unité de couchage pour l'application de la seconde couche sur le même côté de la nappe. Le papier passe ensuite sur un sécheur 52 et un feutre 53 vient en contact avec une feuille couverte en séchage.
Le papier abandonne ensuite la surface du sécheur et voyage sur le feutre de support 54 sur les- rouleaux 55,56, 58 et 59, et ensuite une matière de couchage est appliquée au côté opposé du papier, après quoi le couchage est séché et pendant le séchage le feutre 61 vient .en contact avec la surface de séchage du papier. Le papier vient alors en contact avec une autre unité pour appliquer un second couchage au même côté de la nappe. La nappe couchée est alors envoyée sur un sécheur approprié où un feutre en circulation 63 vient en contact avec la surface du sécheur. La nappe continue ensuite jusqu'à un appareil d'enroulement quelconque ap- proprié (non représenté).
L'appareil d'enroulement sera construit de façon qu'il reçoive un mandrin tandis que le papier couché est enroulé sur un second mandrin qui est automatiquement déchargé lorsque l'enroulement est terminé, ce qui permet ainsi l'enlèvement du mandrin enroulé de l'appareil d'enroulement de façon qu'une série de rouleaux puissent être formés successivement sans influencer la marche de l'appareil de couchage à une vitesse normale.
L'application d'une pellicule de couchage qui est lisse, unie et sensiblement sans défaut est une opération de précision et requiert un appareil de précision pour sa réalisation.
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L'invention est susceptible de nombreux change- ments et variantes sans qu'on s'écarte des caractéristiques essentielles décrites ci-après. On a par conséquent l'in- tention et le désir que la forme de réalisation représentée ici soit considérée comme illustrative seulement et non comme restrictive et que le brevet couvre toutes les carac- téristiques de nouveauté brevetables existant dans l'in- vention exposée ici. On se reportera aux revendications plutôt qu'à la description particulière pour indiquer la portée de l'invention.
On comprendra que si on désire appliquer un cou- chage allant jusqu'à environ 10 livres ou moins par côté, que cela peut être réalisé avec l'appareil représenté à la fig.4 avec une seule application 8 un côté. On a trouvé que des poids plus élevés, plus lisses,de couchage peuvent être appliqués avec succès si la matière de couchage est appliquée en deux ou plusieurs applications au même côté de la feuille. La matière de revêtement peut avoir une teneur en matières solides variant dans des limites con- sidérables, mais d'excellents' résultats ont été obtenus lorsqu'unè boue d'argile adhésive ayant une teneur en matières solides de plus de 60% est employée.
La matière de couchage est fournie à un récipient 50 et une pompe 51 entraînant la matière de couchage de ce récipient et le refoulant dans une fontaine 25. Tout excès de matière de couchage fournià la fontaine est renvoyé au récipient 50 par la conduite 31. La matière de couchage est refoulée dans la fontaine sous pression de façon que la matière soit maintenue entre l'intervalle formé par le rouleau d'application et le rouleau de raclage, et que cet inter- valle soit toujours noyé par un excès de matière de couchage.
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Le rouleau d'application et le rouleau de raclage ont de préférence une construction d'extrémité qui est réglable, appropriée mais n'importe quelle construction d'extrémité/peut être employée.
Un racloir convenable est fixé à la-fontaine 25 en 26 et est en contact avec la surface du rouleau d'appli- cation 23, en fermant ainsi le récipient de couchage et en empêchant les fuites de la matière de couchage entre le rouleau d'application et la fontaine. Un moyen de raclage approprié 27 est prévu et ce racloir possède, ponté à l'intérieur, un organe 28 rotatif en forme de tige. Cet organe en forme de tige est disposé contre la surface du racloir 24. Cette tige peut tourner dans l'une ou l'autre direction désirée et elle peut être actionnée ou peut être mise en rotation seulement par contact du rouleau 24 ; fontaine 25, les rouleaux 23 et 24 forment donc un réci- pient de couchage.
Toute matière de couchage restant sur la surface du rouleau de raclage 24 après qu'elle a quitté la fon- taine est éliminée par un racloir 29 approprié. Le cou-, chage ainsi enlevé est renvoyé au récipient 50. Le racloir 24 peut être en métal, recouvert de caoutchouc ou d'une substance analogue ; on considère généralement comme nécessaire que le rouleau 24 ait une surface plus dure que la surface du rouleau d'application 23. Il est préférable que le rouleau d'application 23 ait une surface ayant des propriétés élastiques, qu'il soit par exemple un rouleau recouvert de caoutchouc.
Lorsque le racloir 24 commande la quantité de matière de couchage portée par le rouleau 23 une quantité déterminée à }l'avance et contrôlée de man. tière de couchage peut être appliquée à la nanpe de papier
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par le rouleau 23. Pour assurer que la matière de couchage portée par le rouleau d'application est lisse et unie, un rouleau de lissage 22 est en contact avec la surface de la matière de couchage sur le rouleau d'application.
Le papier passe entre le rouleau de pincement 20 et le rouleau d'appui 21; le papier est ainsi toujours lisse et serré sur le rouleau d'appui au moment où la matière de couchage est appliquée à la nappe. Le plus souvent, le couchage qui est appliqué mouille la nappe de papier et cela provoque une tendance à ce que le papier s'étire et ensuite se contracte lorsque il est séché. Cette action tend à provoquer du lâche sur la feuille entre l'enduiseur et le sécheur. Pour éviter que cela se produise, des moyens sont utilisés pour régler la vitesse des sécheurs.
L'organe 33 vient en contact avec la surface du papier. Cet organe pivote en 32 et, fixée au bras 32, se trouve une main conductrice électrique qui vient en con- tact avec l'unité de résistance 35 et ainsi commande la vitesse du moteur actionnant chaque sécheur. Un organe semblable à celui décrit est disposé entre chaque rouleau d'appui et les moyens de séchage dans le trajet de cir- culation du papier, ce qui empêche donc le lâche dans la nappe de papier. Cela assure un meilleur couchage et dimi- nue les difficultés de fonctionnement.
A la fig.4 on a montré en détail la construction d'une seule unité de couchage. Comme on l'a indiqué précé- demment, l'unité de couchage comprend un rouleau de raclage, un rouleau d'application et un rouleau d'appui montés sensiblement dans le même plan horizontal. Un récipient'de couchage est formé par la fontaine 25 et le rouleau de raclage 24 et le rouleau d'application 23.
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Comme on l'a représenté à la fig.4, chaque unité de couchage est montée dans un chassis approprié comprenant des montants 64 et 66 et des organes horizontaux 65. Il y a, montés sur les organes horizontaux 65, des dispositifs de pression 68 qui agissent par les organes 69 et 72 de façon à appliquer une pression entre le rouleau d.e lissage et le rouleau d'application. L'organe 69 est relié à la charnière en 71 à l'organe 72. L'organe 72 est relié à charnière au montant 66. L'organe 72 a un prolongement 74 à l'intérieur duquel est montée une tige 77. Le rouleau 22 peut être soulevé contre la pression appliquée par l'organe 68 au moyen de l'organe de force 78, de la tige 76 et de l'organe 75. L'organe 75 a une fente allongée à travers laquelle passe la tige 77.
Lorsqu'on désire sou- lever le rouleau 22 de la surface du rouleau d'application 23, l'organe de force 78 amène la tige 76 à voyager vers la gauche, ce qui soulève le rouleau 22. On comprendra que les mêmes moyens de soulèvement sont placés aux'deux extrémités des rouleaux 22, de même que des moyens doubles d'application de pression sont attachés aux deux extrémi- tés du rouleau 22. Toute matière de couchage recueillie par le rouleau 22 est éliminée par un racloir approprié 79 et la matière de couchage ainsi enlevée est renvoyée au récipient de couchage pour le réemploi, par des moyens quelconques appropriés non représentés. La lame de racloir 79 est montée sur l'organe 80 qui est pourvu de moyens appropriés pour faire varier la pression qui est appliquée à la lame de racloir.
On peut faire varier la pression entre le rouleau de pince?sent 22 et le rouleau d'appui par l'intermédiaire du bras 81 relié par pivot à l'or- gane cylindrique 83 en 82. Le cylindre 83 est relié à
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l'organe 86 par l'intermédiaire de la tige 84 pivotant en 85. Les moyens d'application de pression analogues sont attachés aux extrémités opposées des rouleaux 21; On fait généralement en sorte que la pleir,e largeur du papier soit couchée et que toute matière de couchage cueillie par le rouleau d'appui 21 soit enlevée de facon appropriée de celui-ci par exemple par une lame de raclage 36 qui vient en contact avec la surface du rouleau 21.
La pres- sion appliquée la lame de raclage @6 est réglée par un levier de fonctionnement 87. La pression entre le rou- leau d'appui 21 et le rouleau d'application 23 est réglée au moyen d'un appareillage approprié 88. 'Lorsqu'on dé- sire nettoyer le rouleau de couchage, la pression est supprimée entre les rouleaux 21 et 23, ce qui permet la séparation des rouleaux. La matière de couchage enlevée par le racloir 58 du rouleau 21 passe dans un réservoir 89 et revient de le au réservoir de matière de couchage.
Le rouleau 24, la fontaine 25 et le racloir 29 sont montés sur un organe 94. L'organe 94 est monté à charnière sur un organe 96 par l'intermédiaire d'organes 97 et 102. La lame de raclage 29 servant à enlever toute matière de couchage, est portée par le rouleau de raclage 24 après qu'elle a quitté la fontaine 25 est établie de façon à avoir sa pression réglée au moyen de la poignée 92 qui pivote en 93. La surface du rouleau de raclage 25 est placée une distance déterminée de la surface du rouleau d'application 23 et cette distance est réglée par l'organe 104 agissant au moyen de la tige 103. Un organe d'arrêt approprié 98 est mis en position de façon que la circulation de l'organe 94 et du rouleau 24 monté vers la surface du rouleau 23 puisse être réglée et déterminée
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d'avance.
L'organe 96 sur lequel les organes 97 et 102 articulés sont supportés par l'organe 96 est monté de façon à coulisser sur un chariot ou des rails 95. Lorsqu'on désire séparer les rouleaux 23 et 24, une'pression est appliquée à la main ou autrement sur la poignée 91. La poignée est reliée à 1''organe 90 et celui-ci fonctionne par l'intermédiaire de l'arbre transversal 108 ce qui oblige l'organe 107 à se mouvoir vers la gauche. Le pre- mier mouvement s'effectue par l'organe 84 qui bascule vers l'arrière sur une distance relativement limitée, commandée par des organes d'arrêt 99 et 100.
Ce mouvement. de l'organe 94 oblige la lame de racloir montée dans l'or- gane 26 articulé à circuler vers le bas et vers l'exté- rieur à partir de la surface du rouleau d'application, ce qui évite la détérioration de la surface de ce rouleau.
Le mouvement suivant de'l'organe 96 emporte la fontaine 25 et le rouleau 24 et en fait tout l'ensemble vers la gauche sur les rails 95. L'amplitude du mouvement de cette unité vers la gauche peut être commandée par la longueur de l'organe 107.
En fonctionnement, de la matière de couchage pré- parée convenablement, ayant une teneur en matières solides relativement élevée, par exemple environ soixante-cinq à septante pour cents de matières solides, est déversée dans le récipient 50. La pompe 51 fournit cette matière de couchage à la fontaine 25 sous pression et noie ainsi l'intervalle des rouleaux 23 et 24. Comme le rouleau 24 est placé à une distance déterminée du rouleau 23, une quantité donnée de matière de couchage est laissée sur la surface du rouleau d'application 23. Cette matière de couchage est alors lissée sur la surface du rouleau 23
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par le rouleau 22.
Si on désire fournir en excès de la quantité de matière désiréeappliquer sur le papier, cette matière peut être laissée sur la surface du rou- leau 23 par le rouleau de raclage 24 et ce surplus est enlevé par le rouleau de lissage 22 pendant qu'on lisse la surface de la matière sur le rouleau d'application.
Ce fonctionnement décrit est le fonctionnement préféré du procédé et un couchage plus lisse et plus uniforme peut être produit sur la surface du rouleau 23 par ce fonctionnement. La matière de couchage lissée emportée sur la surface du rouleau 23 est alors transférée sur la surface de la nappe de papier en mouvement. T:a nappe de papier au moment où le couchage est appliqué est tendue sur la surface du rouleau d'appui 21. La vitesse du pa- pier et la vitesse du rouleau 21 sont sensiblement les mêmes. La vitesse du rouleau 23 peut varier depuis une valeur moindre que la vitesse du papier jusqu'au delà de la vitesse du papier.
Après avoir reçu le couchage, le papier vient en contact avec l'organe 33 qui règle la vitesse du sécheur et élimine ainsi tout lâche dans la nappe de papier se mouvant rapidement.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates to a method for coating OR coating paper so as to produce a layer having a superior surface quality in terms of smoothness and flatness, absence of imperfections, etc. The raw paper material, in web form can be of any suitable kind and the ingredients contained in the layer applied thereto can be selected from a number of different materials.
The coating mixture can comprise, for example, an inorganic pigment such as clay, calcium carbonate, fixed white, zinc sulfide, titanium dioxide and the like and a binder formed from starch, protein, casein, glue or other suitable materials, all contained in an aqueous dispersion.
In the manufacture of paper used as a high quality printing paper, a usual procedure is to apply to a web of paper (base material) one or more layers of the aqueous suspensions of mineral pigment and an adhesive material, usually a
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organic adhesive material; web is then dried and finished in any manner desired. Paper thus prepared is generally referred to as mineral coated paper.
The coating of paper with suspensions of inorganic pigments has presented serious problems for the reasons that these suspensions usually used in the paper industry do not smooth on their own when applied with even slight irregularities. . Heretofore, when paper was coated by direct application of coating liquid, if special care was not taken, wrinkles or irregularities of the coating material on the paper formed, which when 'it is lying down producing streaks. For this reason, in most prior industry practices, measures are taken to smooth out wrinkles or other irregularities formed during application, by the use of brushes, scrapers or smoothing rollers. in circulation.
These expedients, however, have the disadvantage of being cumbersome and of being the cause of a comparatively low production speed.
To take account of these difficulties, the present method proposes to apply a predetermined or measured amount of coating material to the circulating paper web to be coated so as to produce an even coating at first and thereby eliminate the use of subsequent smoothing devices.
One of the main objects of the present invention is to provide a method which will produce a coating of inorganic and other pigments having, to a high degree,
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the smooth and uniform qualities and moreover having the advantages of high efficiency and operational safety.
Another object of the invention relates to the use of a coating color having high solids contents on a fast moving web of paper. In general, the finer the size of inorganic pigment particles, the better the coloring and finishing qualities. Clays, for example from different sources, even in a group with the same particle size, vary in degrees of surface activity. This is important from the point of view of rapid coating operations because it affects the degree of hydration of the trap in water, starch and the like sludge and because it is a controlled factor of the properties. flow rate that a given coating composition will have.
All mineral-starch coating colorations show thixotropic properties. With any given mineral coating composition, these properties become more pronounced with increasing solids contents. In order to avoid confusion of the terms used in the description of the coating colorations described the flow properties are defined below. Thixotropy is a reversible sol-gel structure exhibited by many high solids colloidal suspensions. When a thixotropic solution is stirred, the absolute viscosity becomes lower as the stirring speed increases. When agitation ceases the solution will gradually set again to a firm solid jelly.
The
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dilatancy is the reverse of thixotropy. As the stirring speed increases, the absolute viscosity increases. Unlike thixotropy, no time factor is involved in dilatancy.
Viscosity is the internal resistance of a fluid to flow. The absolute unit of viscosity is poise.
Fluidity is the reverse of viscosity.
Plasticity is the rate of decrease in viscosity with increasing flow rates. True plastic has a definite point where it gives way, which is not the case with most coated materials. The term "pseudo-plastic" is sometimes used.
Another important phenomenon of thixotropic solutions is that as the viscosity of the solution decreases by agitation, the rate at which the solution will give up its water to an absorbent substance such as a sheet of paper increases. This is a very important factor in the coating of the paper as it determines the rate at which the coating solution will wet the paper upon contact and this in turn influences the character of the coating film. It has been found, for example, that in the present coating process, if the coating gives up water to the paper with sufficient rapidity for it to set (i.e. it is no longer a fluid film ) before releasing the clamping point of the application roller, the coating film will be rougher than if it is still fluid.
This is due to the fact that when the film peels off from the application roller, it is attracted into spherical droplets due to surface tension forces and
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of cohesion. If the film is still fluid when it 'leaves' this area, these spheres flow together into a smooth surface. If the film is no longer fluid, the small spheres are permanent and a rough film results and also a poor coating of fibers.
It has been found that as the density of the coloring increases, the brightness of the surface also increases and better coating of the fiber results. It is highly desirable that the color density be controlled so as to achieve the desired coating.
The mineral adhesive coating compositions are thixotropic to a certain extent and this property is fully significant in the present coating method. Advantages are obtained by the application of high solids coating. This begs the question of how high a solids content one can go with a given adhesive mineral combination. The answer appears to be that the solids content should not exceed the point where the coating begins to show a pronounced degree of expansion at high flow velocities. This point can be determined for any given composition by plotting flow rates versus force or viscosities versus flow rates.
The squeegee is driven by suitable means, such as a variable speed Reeves drive, so that the speed ratio between it and the application roller can be changed. The variable speed gives great flexibility in controlling the weight of
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sleeping. With a clay starch coating, for example, of 65% total solids, and with constant pressure on the scraper, a variation in coating weight of 12 pounds was obtained with a speed ratio of 1:11, 2, at 4 pounds for 1: 792, at constant machine speed.
It has been found that when high solids colorations are used, a very thin film of coating passes under the squeegee and dries before contacting the application roll. This produces marks in the coating film on the application roller, which will be transmitted to the paper.
This difficulty can be overcome by placing the doctor roll as close as possible to the constricted gap of the application roll and keeping the doctor roll wet.
It has been found that in order to obtain the smoother coating film it is necessary to maintain the constricted gap between the scraper and the application roller flooded with a large excess of colored material.
A number of means can be used to accomplish this and one way is set out in the accompanying drawings. Air bubbles can collect in the color fountain between the scraping roller and the application roller. These bubbles can pass through the constricted gap and cause a puffy surface in the coating and the removal of these bubbles is essential for a satisfactory coating.
If drying wrinkles are allowed to occur, parallel lines of varying ink absorption will appear in the finished sheet. This difficulty
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can be overcome by the use of a felt which contacts the coated surface of the paper web as quickly as possible after the coating has been applied, without damaging the coated surface. The coated paper web creases on the surface of the dryer due to uneven drying and the use of a felt which keeps the coated web in direct contact with the surface of the drying drum produces redistribution and equalization of moisture in the coated web to dry out and substantially uniform drying and this results in the removal of wrinkles from the drying.
The use of a felt also allows faster drying speeds with a reduced drying temperature.
At drawings:
Fig. 1 is a schematic view of an apparatus suitable for carrying out the invention.
Fig. 2 is a view of a single sleeping unit showing the arrangement of the rollers and the fountain.
Fig. 3 is a partial view of the paper traveling on a support felt and,
Fig. 4 is a detailed side view of one of the sleeping units.
Referring in detail to the drawings, denotes a roll of web material such as paper which is to receive the coating material. When the method and apparatus allow the paper to be coated at a speed greater than two thousand feet per minute, it is highly desirable that the apparatus for feeding paper to the coating units be of such construction as. a continuous web of paper is provided. If the unit
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or the coating units are emptied into the paper machine, an automatic feed device must be employed so that the paper from the new roll can be connected to the new web while the coating unit is traveling at substantially normal speed.
Such a device is indicated in the drawing by 11, 12, 13, 14, 15 and 16.
As the web moves forward, it passes over rollers 17, 18 and 10 and then over pinch roller 20 which maintains tension on the rollers between pinch rollers and application roller 23 The coating material is picked up by an application roll 23. Roll 24 removes excess coating material from the application roll and roll 22 then smooths the coating material onto the surface of the application roll. 'application. The application roller then applies the coating material to the web of paper supported by the support roller 21. The web of paper then passes around the member 33 and then in contact with the drying means to dry the coating. applied to paper.
The drying means may consist of a series of dryers but it is preferred that the drying means consist of a single large dryer 39. After the paper has received a preliminary set, a felt comes into contact with the coating side. of the paper and keeps the coating sheet in intimate contact with the surface of the dryer. This prevents the formation of drying wrinkles in the coated sheet of paper.
The felt and paper leave the dryer surface on roll 40 and then travel together
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on rollers 41 and 42. The felt then passes over rollers 43, 45 and 47 and then back into contact with the paper on the drying surface. The coated paper continues and passes over rollers 48 and 49 and up to a coating unit for the application of the second layer on the same side of the web. The paper then passes through a dryer 52 and a felt 53 comes into contact with a covered sheet being dried.
The paper then leaves the surface of the dryer and travels over the backing felt 54 on the rollers 55,56, 58 and 59, and then a coating material is applied to the opposite side of the paper, after which the coating is dried and for on drying the felt 61 comes into contact with the drying surface of the paper. The paper then comes into contact with another unit to apply a second coating to the same side of the web. The coated web is then sent to a suitable dryer where a circulating felt 63 comes into contact with the surface of the dryer. The web then continues to any suitable winding apparatus (not shown).
The take-up apparatus shall be constructed so that it receives a core while the coated paper is wound onto a second core which is automatically discharged when the take-up is complete, thereby enabling removal of the wound core from the coil. Winding apparatus so that a series of rolls can be formed successively without influencing the running of the coating apparatus at normal speed.
Applying a coating film which is smooth, even and substantially flawless is a precision operation and requires precision apparatus to perform.
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The invention is susceptible of numerous changes and variations without departing from the essential characteristics described below. It is therefore the intention and desire that the embodiment shown herein be regarded as illustrative only and not as restrictive and that the patent covers all patentable novelty features existing in the invention disclosed herein. . Reference will be made to the claims rather than the particular description to indicate the scope of the invention.
It will be understood that if it is desired to apply a layer of up to about 10 pounds or less per side, that this can be achieved with the apparatus shown in Fig. 4 with only one application 8 on one side. It has been found that higher, smoother, coating weights can be applied successfully if the coating material is applied in two or more applications to the same side of the sheet. The coating material can have a solids content varying within wide limits, but excellent results have been obtained when an adhesive clay slurry having a solids content of more than 60% is employed.
The coating material is supplied to a container 50 and a pump 51 driving the coating material from this container and discharging it into a fountain 25. Any excess coating material supplied to the fountain is returned to the container 50 through line 31. The coating material is supplied to the fountain. coating material is forced into the fountain under pressure so that the material is held between the gap formed by the application roller and the scraping roller, and this gap is always flooded by excess coating material .
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The application roller and the doctor roller preferably have an end construction which is adjustable, suitable but any end construction can be employed.
A suitable scraper is attached to the fountain 25 at 26 and contacts the surface of the application roller 23, thereby closing the coating container and preventing leakage of coating material between the coating roll. application and fountain. A suitable scraper means 27 is provided and this scraper has, internally bridged, a rotary member 28 in the form of a rod. This rod-shaped member is disposed against the surface of the scraper 24. This rod can rotate in either direction desired and it can be actuated or can be rotated only by contact with the roller 24; fountain 25, the rollers 23 and 24 therefore form a sleeping container.
Any coating material remaining on the surface of the scraper roll 24 after it leaves the fountain is removed by a suitable scraper 29. The layer thus removed is returned to the container 50. The scraper 24 may be of metal, covered with rubber or the like; It is generally considered necessary that the roller 24 has a harder surface than the surface of the application roller 23. It is preferable that the application roller 23 has a surface having elastic properties, whether for example it is a roller. rubber covered.
When the scraper 24 controls the quantity of coating material carried by the roller 23 a quantity determined in advance and controlled by hand. Coating material can be applied to the paper nanpe
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by the roller 23. To ensure that the coating material carried by the application roller is smooth and even, a smoothing roller 22 contacts the surface of the coating material on the application roller.
The paper passes between the nip roller 20 and the support roller 21; the paper is thus always smooth and tight on the backing roll as the coating material is applied to the web. Most often the coating which is applied wets the paper web and this causes a tendency for the paper to stretch and then to contract when dried. This action tends to cause slack in the sheet between the coater and the dryer. To prevent this from happening, means are used to adjust the speed of the dryers.
The member 33 comes into contact with the surface of the paper. This member pivots at 32 and, attached to the arm 32, is an electrically conductive hand which contacts the resistance unit 35 and thus controls the speed of the motor operating each dryer. A member similar to that described is disposed between each backing roll and the drying means in the paper flow path, which therefore prevents slack in the paper web. This ensures a better bed and reduces operating difficulties.
In fig. 4 the construction of a single sleeping unit has been shown in detail. As indicated above, the coating unit comprises a scraper roll, an application roll and a backing roll mounted substantially in the same horizontal plane. A coating container is formed by the fountain 25 and the scraping roller 24 and the application roller 23.
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As shown in fig.4, each sleeping unit is mounted in a suitable frame comprising uprights 64 and 66 and horizontal members 65. There are, mounted on the horizontal members 65, pressure devices 68. which act by members 69 and 72 so as to apply pressure between the smoothing roller and the application roller. The member 69 is connected to the hinge at 71 to the member 72. The member 72 is hinged to the post 66. The member 72 has an extension 74 inside which is mounted a rod 77. The roller 22 can be lifted against the pressure applied by member 68 by means of force member 78, rod 76, and member 75. Member 75 has an elongated slot through which rod 77 passes.
When it is desired to lift the roller 22 from the surface of the applicator roller 23, the force member 78 causes the rod 76 to travel to the left, which lifts the roller 22. It will be understood that the same means of uplift are placed at both ends of rollers 22, just as dual pressure applying means are attached to both ends of roll 22. Any coating material collected by roll 22 is removed by a suitable scraper 79 and the coating material thus removed is returned to the coating container for reuse, by any suitable means not shown. The squeegee blade 79 is mounted on the member 80 which is provided with suitable means for varying the pressure which is applied to the squeegee blade.
The pressure between the nip roller 22 and the support roller can be varied by means of the arm 81 pivotally connected to the cylindrical member 83 at 82. The cylinder 83 is connected to the cylinder.
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the member 86 through the rod 84 pivoting at 85. The analogous pressure applying means are attached to the opposite ends of the rollers 21; It is generally ensured that the full, th width of the paper is coated and that any coating material picked up by the support roller 21 is appropriately removed therefrom for example by a scraper blade 36 which comes into contact. with the surface of the roller 21.
The pressure applied to the doctor blade @ 6 is regulated by an operating lever 87. The pressure between the backing roller 21 and the application roller 23 is regulated by means of suitable apparatus 88. ' When it is desired to clean the coating roll, the pressure is relieved between the rollers 21 and 23, which allows the separation of the rolls. The coating material removed by the scraper 58 of the roller 21 passes into a reservoir 89 and returns from it to the coating material reservoir.
The roller 24, the fountain 25 and the scraper 29 are mounted on a member 94. The member 94 is hinged on a member 96 by means of members 97 and 102. The scraper blade 29 serving to remove any coating material, is carried by the scraper roll 24 after it has left the fountain 25 is set so as to have its pressure adjusted by means of the handle 92 which pivots at 93. The surface of the scraper roll 25 is set. a determined distance from the surface of the application roller 23 and this distance is regulated by the member 104 acting by means of the rod 103. A suitable stop member 98 is positioned so that the circulation of the member 94 and from the roller 24 mounted to the surface of the roller 23 can be adjusted and determined
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in advance.
The member 96 on which the articulated members 97 and 102 are supported by the member 96 is slidably mounted on a carriage or rails 95. When it is desired to separate the rollers 23 and 24, pressure is applied to hand or otherwise on handle 91. The handle is connected to member 90 and this operates through cross shaft 108 which causes member 107 to move to the left. The first movement is effected by the member 84 which tilts backwards over a relatively limited distance, controlled by stop members 99 and 100.
This movement. of member 94 forces the scraper blade mounted in articulated member 26 to flow downward and outward from the surface of the application roller, thereby preventing surface damage of this roll.
The next movement of member 96 takes fountain 25 and roller 24 and makes them all together to the left on rails 95. The range of movement of this unit to the left can be controlled by the length of the unit. organ 107.
In operation, suitably prepared coating material having a relatively high solids content, for example about sixty-five to seventy percent solids, is discharged into vessel 50. Pump 51 supplies such coating material. fountain coating 25 under pressure and thus flooding the gap of the rollers 23 and 24. As the roll 24 is placed at a determined distance from the roll 23, a given amount of coating material is left on the surface of the application roll. 23. This coating material is then smoothed onto the surface of the roller 23
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by roller 22.
If it is desired to provide in excess of the amount of material desired to be applied to the paper, this material may be left on the surface of the roll 23 by the scraping roll 24 and this excess is removed by the smoothing roll 22 while smooths the surface of the material on the application roller.
This described operation is the preferred operation of the process and a smoother and more uniform coating can be produced on the surface of the roll 23 by this operation. The smoothed coating material carried over the surface of the roll 23 is then transferred to the surface of the moving paper web. T: The web of paper at the time the coating is applied is stretched over the surface of the backing roll 21. The speed of the paper and the speed of the roll 21 are substantially the same. The speed of the roller 23 can vary from a value less than the speed of the paper to beyond the speed of the paper.
After receiving the coating, the paper comes into contact with member 33 which adjusts the speed of the dryer and thereby removes any slack in the rapidly moving web of paper.
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