CN101578182B - 阳离子转化纳米研磨的碳酸钙的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成印刷介质的方法，其包括用阴离子性带电的纳米研磨的碳酸钙来涂覆(240)基底(110)的至少一侧，该阴离子性带电的纳米研磨的碳酸钙已经与阳离子转化剂(280)进行了混合(220)来将所述的涂层(120)转化为阳离子性带电的涂层，其中所述的纳米研磨的碳酸钙的初级粒径是10-20nm或者更低。

Description

阳离子转化纳米研磨的碳酸钙的方法
发明背景
个人电脑和打印机的广泛应用导致了对于高质量印刷介质需求的增加。此外，数码相机产生了能够由普通消费者打印的图像，而不要求专业的显影服务，并且其同样也产生了对于便利的、高质量印刷性能的另外的需求。虽然印刷工艺已经取得了许多的进展，但是一直存在着对于更佳的解析度、成色性、图像稳定性等等的需要。
印刷介质通常是纸基的，但是也可以包括塑料、金属、复合材料、织物等。已经发展了用于许多不同用途的专业印刷介质，包括照相高级纸、高光和柔光纸、无光纸、影印纸、彩色相纸等等。这些印刷介质充当了用印刷装置所产生的图像的图像接收体。在喷墨打印机的情况中，印刷介质接收来自墨盒的油墨滴，这产生了期望的图像。
印刷文件的质量传统上受限于印刷介质的特性。因此，为了提高图像质量，印刷介质经常包括在印刷介质表面上的涂层。传统上，印刷介质是用聚合物或者颜料组合物和其他配置来促进油墨转移和/或图像形成的功能材料来涂覆的。此外，使用常规的印刷介质涂层和方法来提高未涂覆的印刷介质的光泽度和表面光滑度。不同的印刷介质特性之间的区别通常是由于所用的涂层的类型的差异而引起的。
附图说明
附图说明了本发明的系统和方法的不同的实施方案，并且其是说明书的一部分。附图与下面的描述一起举例说明和解释了本发明系统和方法的原理。所说明的实施方案是本发明系统和方法的例子，并且不限制其范围。
图1是根据一种示例性实施方案的印刷介质的横截面图。
图2是根据一种示例性实施方案的流程图，说明了形成阳离子接收层的方法。
图3是一幅图，其显示了根据此处所述的原理，使用不同的阳离子转化剂对纳米研磨的碳酸钙进行阳离子转化。
图4是一幅图，其显示了根据此处所述的原理，使用不同的阳离子转化剂对纳米研磨的碳酸钙进行阳离子转化。
在整个附图中，同样的附图标记表示了类似的、但是不必相同的元件。
发明详述
如上所述，为了提高印刷图像的质量，印刷介质经常包括在印刷介质表面上的涂层。一些这样的涂层混入有碳酸钙，并且是专门制造来接收来自打印机或者其他印刷装置的油墨。
但是，当阴离子性带电的碳酸钙用于这些油墨接收性涂层中时，其经常阻碍阴离子油墨恰当地附着(affix)到涂层上。为此原因，这些涂层被转化为带有阳离子电荷，这有助于油墨恰当地粘附(adhere)或附着(affix)到涂层上。
本说明书描述了涂层和在期望的基底上形成涂层的方法的例子，该涂层将充当具有提高的表面光洁度(finish)，例如提高的光泽度的印刷介质。此处所述的涂层包括例如纳米研磨的碳酸钙粒子并且表现出较低的絮凝和/或团聚倾向。因此，此处所述涂层的例子提供了一种透明的/半透明的光泽的涂层，该涂层与传统的高不透明性的碳酸钙应用相反，该传统的碳酸钙应用需要流延或者压延来获得光泽度。
根据此处公开的一种示例性的实施方案，低吸收性/非吸收性纸浆基介质是在具有至少一层的含有纳米研磨的碳酸钙的图像接收涂层的至少一侧上进行涂覆的。该涂层表现出相对低的絮凝倾向，同时提供了光泽的表面光洁度。本发明的配方和另外的示例性的实施方案的进一步细节将在下面进行更详细的描述。
在公开和描述本发明的系统和方法的具体的实施方案之前，应当理解本发明的系统和方法不限于此处公开的具体的方法和材料。还应当理解此处所用的术语仅仅被用于描述具体的实施方案的目的，而非意图是限制性的。本发明的系统和方法的范围仅仅通过附加的权利要求及其等价物进行限定。
浓度、数量和其他的数值数据可以在此以范围的形式来表示。应当理解的是这样的范围形式仅仅是用于方便和简洁的目的，并且应当被灵活解释为包括不仅如该范围的界限明确所述的数值，而且还包括包含于该范围内的全部的单个的数值或者子范围，好像每个数值和子范围被明确表述一样。例如，大约1wt％-大约20wt％的重量范围应当被解释为包括不仅1wt％-大约20wt％的明确所示的浓度界限，而且还包括单个的浓度例如2wt％，3wt％，4wt％，以及子范围例如5wt％-15wt％，10wt％-20wt％，等等。
在下面的说明书中，出于解释的目的，阐述了许多具体的详细内容，目的是提供对于本发明的系统和方法(用于形成包含阳离子性带电的、纳米研磨的碳酸钙的可印刷的涂层，其表现出通常低的絮凝倾向)的彻底的理解。但是，对于本领域技术人员而言显而易见的是本发明的方法可以在没有这些具体的细节的情况下而付诸实践。在本说明书中提及的“一种实施方案”或者“一个实施方案”意思是与该实施方案相关的所述的具体的特征、结构或者特性被包括在至少一种的实施方案中。在说明书的不同地方出现的短语“在一种实施方案中”不必全部指的是相同的实施方案。
示例性的整体结构
虽然本发明的系统和方法可以通过许多的方法，在许多表面上付诸实施，但是本发明的系统和方法仅仅是为了便于解释而在基底上形成可印刷的涂层的上下文中进行描述。图1举例说明了根据此处所述的原理的一种示例性的实施方案的印刷介质(100)的一部分的横截面图。如图1所示，该示例性的印刷介质(100)包括至少两个部件：基底(110)和布置在该基底(110)上的可印刷的涂层(120)。
在图1所示的例子中，印刷介质(100)包括布置在基底(110)两侧上的可印刷的涂层(120)。但是，根据另外一种示例性的实施方案，该可印刷的涂层(120)可以仅仅在基底(110)的一侧上形成。根据本发明的示例性的实施方案，印刷介质(100)的抗团聚性能至少部分地归因于可印刷的涂层(120)的组成。现在将在下面对基底(110)和可印刷的涂层(120)进行进一步详细的描述。
基础介质
如图1所示，基底(110)形成了印刷介质的基础。本发明的示例性的印刷介质，仅仅是为了便于解释，此处将在造纸原料基(paperstock based)介质，例如低吸收性/非吸收性的纸浆基介质的上下文中进行描述。但是，本领域技术人员将理解本发明的系统和方法可使用许多的基础介质材料，包括但绝不限于纸基材、着色的(pigmented)纸基材、流延涂覆的(cast-coated)纸基材、箔片、聚乙烯挤出的基材和薄膜。另外的示例性的基础介质可以包括胶印涂层(offset coating)或者树脂涂层。备选地，该示例性的基础介质还可以是非纸基的基底例如薄膜、箔片、纺织品等等。
可印刷的涂层
根据一种示例性的实施方案，布置在基底(110)上的可印刷的涂层(120)配方包括大约80-100份的阳离子转化的、纳米研磨的碳酸钙(带有或者不带有另外的阴离子分散剂)和至多20份的基料(binder)，其中基料与碳酸钙和分散剂(如果存在的话)是相容的。
分散剂的作用是降低混合物和/或溶液中的物质的表面能或者化学势(chemical potential)。较低的化学势或者表面能典型地增加了物质保持分布在混合物和/或溶液中的倾向。许多相容的阴离子或者非离子分散剂可以用于本发明的示例性的系统和方法。例如，分散剂可以是但不限于市售可得的阴离子分散剂Darvan7、Darvan C或者Acumer 9300。当任何的这样的阴离子或者非离子分散剂存在于所述的系统中时，小的纳米研磨的碳酸钙粒子具有提高的保持为小的、分散的粒子的倾向。
基于碳酸钙化学的涂层作为可印刷的涂层是特别有用的，这是因为与其他的传统的无机颜料相比成本低。碳酸钙能够以许多的方式制备来用于可印刷的涂层中。
本发明的示例性的实施方案使用纳米研磨的碳酸钙。纳米研磨的碳酸钙具有比传统的获自天然研磨的碳酸钙(GCC)和化学沉淀的碳酸钙(PCC)更小的初级粒度(primary particle sizes)。
作为此处和附加的权利要求中使用的，用于粒度的术语“初级”指的是单个粒子的尺寸。因此，“初级粒子”是单个的粒子。相反，术语“团聚粒度”将指的是许多已经团聚成为更大的结构的单个或者初级粒子的粒度，该结构也可以称为“粒子”。
碳酸钙初级粒度和团聚粒度有助于控制所得的可印刷涂层的功能特征例如亮度(brightness)、透明度(clarity)和光泽度(gloss)。具体地说，越小的粒度通常涉及到提高的亮度、色度(shade)、透明度和光泽度。在此处所述的方法中所产生的和在此处所述的产品中的纳米研磨的碳酸钙粒子可以是球形、近似球形或者可以具有其他的形状。这些纳米研磨的碳酸钙粒子在初级形式的长度或者直径典型的是10-20纳米或者更小，并且团聚成为长度或者直径是大约70-200纳米的形成物(formations)。
如上所述，使用小的碳酸钙粒子的缺陷是过多的絮凝或者团聚。当进行配制时，小的碳酸钙粒子倾向于絮凝，并形成更大的聚集体粒子。碳酸钙粒子的过多絮凝对于其中使用碳酸钙粒子的可印刷涂层的亮度、色度、透明度、光泽度和其他特性产生了不利的影响。
使得碳酸钙粒子带电限制了这种不期望的絮凝。典型地，该碳酸钙是阴离子性带电的。但是，阴离子电荷同样会阻止阴离子油墨恰当地附着(affix)到涂层上。这产生了差的成像或者定影(fixation)。
因此，将阴离子性带电的碳酸钙进一步与阳离子转化剂结合，然后沉积到基底(110)上。该阳离子转化剂从以前是阴离子性带电的涂层产生了阳离子性带电的涂层。
许多相容的阳离子转化剂可以用于本发明的示例性的方法中。例如，该阳离子转化剂可以是但不限于Silquest 1110，Silquest1120，Glascol F-111(多胺)，Glascol F-207(有机聚合物电解质)，或者Glascol F-211(DADMAC)。
但是，在碳酸钙涂料的电荷转化过程中存在着某些絮凝问题。为了解决这样的问题，本发明的示例性的系统和方法可以进一步引入混合器例如高剪切混合器，其中该碳酸钙涂料从阴离子性(带电的)转化为阳离子性带电的。混合器的作用限制了在电荷转化过程中的絮凝。
如图1所示，可印刷的涂层(120)粘附(adhere)到基底(110)上。基料可以用来保持可印刷的涂层的凝聚(cohesion)，即将粒子保持在一起，并且还可以帮助涂层(120)粘附(adhesion)到基底(110)上。根据一种示例性的实施方案，该可印刷的涂层(120)配方包含至多20％的基料。
将该基料保持在碱性pH来与碳酸钙和分散剂相容。碱性pH通过阻止碳酸钙溶解来影响粒度，以及对印刷介质的性能例如光泽度、表面电荷和容量(capacity)产生积极的影响。基料应当与分散剂和碳酸钙相容，目的是保持分散剂和纳米研磨的碳酸钙粒子二者的功能性。
用于本发明的示例性配方的一些合适的基料的例子包括但绝不限于基于下面的基料：聚氨酯，阴离子或者非离子晶格(lattices)，以及可溶胀的聚合物例如聚乙烯吡咯烷酮/聚乙烯基咪唑共聚物，聚乙烯醇，聚乙酸乙烯酯和纤维素。
当形成并施用到期望的基底上时，前述的涂层配方表现出有限的纳米研磨的碳酸钙的絮凝或者团聚。该结果是涂层的提高的亮度、透明度和光泽度。
示例性的实施和操作
图2举例说明了根据一种示例性的实施方案的形成印刷介质(例如图1的100)的方法。如图2所示，该示例性的方法首先通过提供阴离子性带电的碳酸钙(步骤200)而开始。能够用于本发明示例性方法的可能的PCC和/或GCC的例子包括但绝不限于市售可得的Hydrocarb 60，Multiflex MM或者Opacarb A 40。
碳酸钙(250)可以带有一些阴离子电荷。备选或者另外地，碳酸钙可以混合有阴离子分散剂来增加材料的总阴离子电荷。
接下来，将碳酸钙(和如果存在的话，分散剂)在合适的纳米磨(260)中进行纳米研磨(步骤210)。如下面将更详细描述的，进行该研磨来产生碳酸钙初级或者单个粒子，该粒子的长度或者直径测量为10-20nm或者更低。在印刷介质中使用碳酸钙的传统方法已经局限于并且依赖于大得多的碳酸钙粒子。
在随后的加工过程中碳酸钙粒子团聚成更大的结构，例如70-200nm。但是，在可能的情况下，采取措施将团聚限制到那个范围内。
如上所述，碳酸钙的阴离子性带电在限制团聚或者絮凝中是有用的。但是，因为该碳酸钙是阴离子性带电的，因此它会阻止或者防止在介质上的最佳油墨定影(fixation)。
因此，将碳酸钙进行阳离子性转化来更好地允许油墨定影(fixation)。将阳离子转化剂加入到该阴离子性带电的碳酸钙(步骤220)。阳离子转化剂(280)可以在纳米研磨的碳酸钙在例如高剪切混合器(270)中进行搅拌或者混合的同时加入。通过混合器(270)赋予到纳米研磨的碳酸钙上的运动和动能有助于限制在电荷转化过程中的团聚。
在阳离子转化后，将碳酸钙混合物与基料混合(步骤230)来完成可印刷的涂层配方。如上所述，基料促进了所形成的涂层的凝聚(cohesion)以及涂层粘附(adhere)到印刷介质的基底的能力。
然后使用涂覆器(290)将所得的可印刷涂层配方沉积到基底的至少一个表面(步骤240)来产生所期望的印刷介质。前述方法的不同步骤现在将在下面进一步详细描述。
如图2所示，本发明示例性方法的第一步是制备阴离子性带电的碳酸钙(步骤200)。在本发明的实例中，这种带电的碳酸钙是作为浆体来制备的。
如上所述，在一些实施方案中，碳酸钙浆体可以包括阴离子分散剂来增加浆体的阴离子电荷。用于本发明示例性方法中的合适的分散剂包括但绝不限于Darvan 7，Darvan C和/或Acumer 9300。根据一种示例性的实施方案，示例性的浆体包含在水中大约40％的固体和至多2.5％的分散剂。
接下来，将该碳酸钙和分散剂(如果存在的话)进行纳米研磨(步骤210)。根据一种示例性的实施方案，将该示例性的浆体加载到再循环槽中，并泵送通过加载有钇稳定的锆(YTZ，Yttrium StabilizedZirconium)珠的研磨室。适用于本发明示例性的实施方案的YTZ珠典型的直径范围是0.1-0.3mm。该纳米研磨方法能够，但是不必，产生小到70nm或者更低的碳酸钙粒子。
表1列出了由类似于此处所述那些的几种纳米研磨方法所产生的碳酸钙粒子的性能。表1
  材料   表面活性剂   最终固体％   最终表面活性剂％   珠(mm)  最终粒度(体积中值微米)   最终粒度(数值中值)
  Hydrocarb 60   Darvan 7   73   2.50   0.2   0.193   0.107
  Hydrocarb 60   Darvan 7   24.3   1.20   0.1   0.142   0.0907
Hydrocarb 60   Acumer9300 12.5 0.3 0.193 0.093
MultiflexMM   Acumer9300 12.5 0.3 0.126 0.08
  MultiflexMM   Darvan 7   40   2.80   0.2   0.138   0.073
  MultiflexMM   Darvan 7   27   1.10   0.1   0.128   0.0776
MultiflexMM   Acumer9300 26.4 3.00 0.1 0.082 0.071
  OpcarbA40   Darvan 7   43   1.60   0.2   0.174   0.076
OpcarbA40   Acumer9300 25 1.30 0.1 0.1576 0.11
在将该示例性的浆体通过纳米研磨方法进行纳米研磨(步骤210)之后，将阳离子转化剂加入到该阴离子性带电的碳酸钙浆体中(步骤220)。如上所述，这些阳离子转化剂可以包括但不限于Silquest1110，Silquest 1120，Glascol F-111(多胺)，Glascol F-207(有机聚合物电解质)，或者Glascol F-211(DADMAC)。该转化剂将与所述的浆体反应来将电荷从阴离子性改变为阳离子性。
该阳离子转化可以在高剪切混合器中进行，这限制了在转化到阳离子电荷过程中的混合物的团聚。如果不限制该团聚，则所形成的印刷介质涂层将倾向于是不透明的(opaque)和非常粘的，这导致其不太适于高质量的印刷介质产品。
然后加入基料(步骤230)来产生凝聚性(cohesive)的可印刷涂层配方。根据一种示例性的实施方案，该可印刷的涂层配方的配制包括将至多20份的基料与80-100份的分散剂-碳酸钙混合物进行混合。当结合时，基料用来将分散剂-碳酸钙混合物保持在一起。另外，该基料还可以将所述的配方粘附(adhere)到基础介质上。在本发明的示例性的实施方案中的合适的基料的例子包括但绝不限于基于下面的基料：聚氨酯，阴离子或者非离子晶格，以及可溶胀的聚合物例如聚乙烯吡咯烷酮/聚乙烯基咪唑共聚物，聚乙烯醇，聚乙酸乙烯酯和纤维素。
除了上述的成分之外，本发明的示例性的涂层配方还可以包括许多的添加剂例如媒染剂(mordents)，表面活性剂，粘度改性剂，表面张力调节剂，流变调节剂，pH调节剂，干燥剂，着色剂等等，这些都是本领域公知的。
当该可印刷的涂层配方形成时，可以在基底的一侧或者两侧上施涂一层或者多层(步骤240)。所述的(一或多)层可以使用机器(on-machine)或者非机器(off-machine)涂覆器来施涂到基底上。合适的涂覆技术的例子包括但不限于狭缝模口涂覆器，辊涂器，帘涂器，刮板涂覆器，棒涂器，气刀涂覆器，凹版印刷施涂，气刷施涂和本领域技术人员已知的其他技术和设备。
根据一种示例性的实施方案，可以在基底(110)上形成单层的颜料涂层(120)。备选地，可以在基底(110)上形成包括颜料涂层(120)的底层和面层的多个层，来实现期望的印刷介质或者印刷介质性能。
图3是一幅图，其显示了根据此处所述的原理，使用不同的阳离子转化剂对纳米研磨的碳酸钙的阳离子转化。
图4是一幅图，其显示了根据此处所述的原理，使用不同的阳离子转化剂对纳米研磨的碳酸钙的阳离子转化。
总之，本发明的将碳酸钙阳离子转化来形成可印刷的涂层的示例性的方法包括：将阳离子转化剂加入到纳米研磨的、阴离子性带电的碳酸钙中，由此与相容的基料和任何其他必需的添加剂来形成可印刷的涂层。
已经展示了前述的说明仅仅是用来说明和描述本发明的方法和系统。意图并非是排他的或者是将本发明的系统和方法限制到任何所公开的精确形式。按照上述的教导许多的改进和变化是可能的。对前述的实施方案进行选择和描述来说明所述系统和方法的原理以及一些实践应用。前述的说明使得本领域技术人员能够在不同的实施方案中利用所述的方法和系统，并且进行适于所期望的具体用途的不同的改进。意图是通过下面的权利要求来限定所述方法和系统的范围。

Claims (7)

1.一种形成印刷介质的方法，其包括用阴离子性带电的纳米研磨的碳酸钙来涂覆(240)基底(110)的至少一侧，该阴离子性带电的纳米研磨的碳酸钙已经与阳离子转化剂(280)进行了混合(220)来将所述的涂层(120)转化为阳离子性带电的涂层，其中所述的纳米研磨的碳酸钙的初级粒径是10-20nm或者更低，在高剪切混合器(270)中将所述的阳离子转化剂(220)加入到所述的纳米研磨的碳酸钙中，该操作限制了在阳离子转化过程中的团聚。
2.权利要求1的方法，其进一步包括将基料(230)加入到所述的涂层(120)中。
3.权利要求1的方法，其中所述的纳米研磨的碳酸钙团聚成70-200纳米的结构。
4.权利要求1的方法，其进一步包括将所述的碳酸钙纳米研磨(210)到10-20nm或者更低的初级粒度。
5.权利要求1的方法，其进一步包括通过将碳酸钙浆体循环通过加载有珠的研磨室(260)来纳米研磨(210)所述的碳酸钙。
6.权利要求5的方法，其中所述的珠是钇稳定的锆珠。
7.权利要求5的方法，其中所述的珠的直径是0.1-0.3mm。
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