CN105102714A - 施胶组合物 - Google Patents

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Abstract

施胶组合物包含大约3千克/吨至大约15千克/吨的丙酸钙、添加剂和余量的水。该添加剂选自淀粉、荧光增白剂、杀生物剂、消泡剂、表面施胶剂、湿强度添加剂及其组合。该施胶组合物具有7至8的pH。

Description

施胶组合物
发明背景
在造纸过程中，通常添加施胶组合物以合意地影响纸张的性质。例如，该施胶组合物可以改善表面对要印刷在该纸张上的墨水或调色剂的吸收能力，可以改善拒水性，并可以降低表面粘性。一些施胶组合物包含氯化钙，其特别适于喷墨印刷中使用的纸张。特别地，可溶性钙离子在接触时溶解到墨水中，并促进了墨水颜料的快速絮凝，这又减轻了颜色之间的渗色并强化了黑色的光密度和颜色的饱和度。
附图概述
本公开的实例的特征与优点将参照以下详述和附图变得显而易见。
图1是例示减少造纸过程中腐蚀的方法的一个实例的流程图；
图2是例示包含不同盐的各种施胶组合物的黑色光学密度（KOD）结果的图；
图3是例示包含不同盐的各种施胶组合物的色域结果的图；
图4是例示具有不同浓度的丙酸钙施胶组合物与氯化钙施胶组合物的腐蚀速率的图；
图5是例示pH对丙酸钙施胶组合物和氯化钙施胶组合物在碳钢上的腐蚀速率的作用的图；
图6是例示pH对丙酸钙施胶组合物和氯化钙施胶组合物在不锈钢上的腐蚀速率的作用的图；和
图7是例示具有不同百分比的丙酸钙和氯化钙的施胶组合物的腐蚀速率的图。
发明详述
虽然氯化钙改善了纸张用于喷墨印刷的特性，但已经偶尔发现会导致造纸中使用的部件的腐蚀。当不能很好地控制氯离子含量时，氯化钙常常会引起腐蚀。本发明人已经预料不到地发现，并非所有钙盐在改善纸张特性并同时还降低部件腐蚀方面均是等效的。事实上，本发明人已经发现，单独使用或与特定量的氯化钙组合使用的丙酸钙（也称为丙酸钙盐）提供可溶性钙离子的有益效果，同时还具有较低的腐蚀性（例如当与其它钙盐相比时）。
已经提出，任何水溶性钙盐可用在纸张施胶组合物中以增强印刷效果并减少对造纸机部件的腐蚀。基于此，可以预期的是，钙盐如乙酸钙、乙二胺四乙酸钙（EDTA）、乳酸钙（其可以缓慢溶解）、硝酸钙、酒石酸钙（其略微可溶）和硬脂酸钙（其略微可溶）可用于纸张施胶组合物以增强印刷效果并减少腐蚀。本文中公开的（一个或多个）实施例的测试结果表明并非这种情况。事实上，结果表明，一些水溶性盐，包括乙酸钙和硝酸钙，不会如丙酸钙那样多地减少不锈钢或碳钢的腐蚀，并且乳酸钙不会如丙酸钙那样多地减少碳钢的腐蚀。其它盐（例如酒石酸钙和硬脂酸钙）据信不适于该施胶组合物，至少部分因其在水溶液中的溶解度较低。低溶解度会阻止使用高到足以改善印刷品质的载量并会导致其它问题，如形成沉淀物。
此外，不被任何理论束缚，据信氯化钙与丙酸钙的共混物产生了使氯化钙的腐蚀效应最小化的协同结果（至少在碳钢上）。例如，单独使用的氯化物可以通过在点缺陷处削弱氧化铁钝化膜（这又形成了点蚀）从而在施胶机中造成腐蚀。点蚀通常在其中具有低pH，丙酸盐可能具有导致腐蚀速率降低的缓冲效果。如本文中公开的（一个或多个）实施例中所示，包含25:75至75:25的丙酸钙对氯化钙的施胶组合物与具有更高氯化钙量的溶液相比显著降低了对碳钢的腐蚀。
本文中公开的施胶组合物的一些实例包括单一钙盐，即丙酸钙，不含任何其它盐。本文中公开的施胶组合物的其它实例包括两种钙盐，即丙酸钙和氯化钙，不含任何其它盐。无论单独使用丙酸钙还是与氯化钙组合使用丙酸钙，盐的总量为大约3千克/吨纸至大约15千克/吨纸。在一些实例中，盐的总量为大约5千克/吨纸至大约9千克/吨纸。丙酸钙对氯化钙的比为100:0（即，无氯化钙）至50:50中的任何值。
该组合物还可以包含一种或多种选自淀粉、荧光增白剂、杀生物剂、消泡剂、表面施胶剂、湿强度添加剂和颜料填料的添加剂。要理解的是，可以使用这些添加剂中的一种，或可以使用这些添加剂的任意组合。
可以以大约15千克/吨纸至大约50千克/吨纸的量包含淀粉。该淀粉可以是玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉等等。可以使用改性或未改性淀粉。改性淀粉的实例包括氧化淀粉、乙基化淀粉、阳离子淀粉、酯化淀粉、酶变性淀粉等等。淀粉添加剂的一个具体实例是2-羟乙基淀粉醚，其可以以商标PENFORD® Gum 270购得（Penford Products, Co.）。
荧光增白剂（即光学增白剂或OBA）的实例包括三嗪-芪类（二-、四-或六-磺化的）、香豆素类、咪唑啉类、二唑类、三唑类、苯并噁唑啉类、吡唑啉类和联苯-芪类。许多市售荧光增白剂基于芪、香豆素和吡唑啉化学。一些实例包括4,4'-双-(三嗪基氨基)-芪-2,2'-二磺酸、4,4'-双-(三唑-2-基)芪-2,2'-二磺酸、4,4'-二苯并呋喃基-联苯、4,4'-(联苯)-芪、4,4'-联苯乙烯-联苯、4-苯基-4'-苯并噁唑基-芪、芪基-萘三唑、4-苯乙烯基-芪、双-(苯并噁唑-2-基)衍生物、双-(苯并咪唑-2-基)衍生物、萘酰亚胺、三嗪基-芘、2-苯乙烯基-苯并噁唑、2-苯乙烯基-萘噁唑、苯并咪唑-苯并呋喃或苯并咪唑-草酰替苯胺。可以以大约1千克/吨纸至大约10千克/吨纸的量包含任选的荧光增白剂。
当包含杀生物剂时，该杀生物剂可以以大约0.01千克/吨纸至大约0.5千克/吨纸的量存在。适于该施胶组合物的杀生物剂包括例如PROXEL®GXL（Lonza）、KORDEK™ MLX（Rohm and Haas）和/或BIOBAN™ CS-1246（The Dow Chemical Co.）。
该消泡剂可以以大约0.01千克/吨至大约0.5千克/吨的量包含在该施胶组合物中。合适的消泡剂基于二氧化硅、硅油、聚二醇或亚乙基双-硬脂酰胺化学。消泡剂的实例包括FOAMASTER® 1410、1420、1430，其均可获自BASF Corp., Florham Park, NJ。
如上所述，该施胶组合物还可以包含表面施胶剂。可以以大约0.5千克/吨纸至大约5千克/吨纸的量包含这种添加剂。合适的施胶剂的实例包括丙烯酸乳液制品、聚氨酯、苯乙烯丙烯酸溶液、苯乙烯丙烯酸酯乳液、乙烯丙烯酸和苯乙烯马来酸酐。
该施胶组合物还可以以大约0.01千克/吨纸至大约0.5千克/吨纸的量包含湿强度添加剂。湿强度添加剂的合适实例包括双醛淀粉和聚胺-聚酰胺-表氯醇树脂（例如聚酰胺-胺-表氯醇，PEA）。
在一个实例中，该施胶组合物还包含颜料填料。合适的颜料填料的实例包括碳酸钙（例如沉淀碳酸钙(PCC)或重质碳酸钙(GCC)）、硫酸钡、粘土或二氧化钛。当包含在该施胶组合物中时，该颜料填料可以以该组合物干重量的最高大约60%的任意量存在。
该组合物的余量为水。要理解的是，水的用量足以令该施胶组合物具有大约8%至大约15%的总固含量。
合意的是，该施胶组合物的pH为7至8。在一个实例中，该pH为7.2至7.5。如果该组合物酸性过高，可以添加碱性pH缓冲剂（例如三(羟甲基)氨基甲烷(TRIS)）；且如果该组合物碱性过高，可以添加酸性pH缓冲剂。中性至略微碱性的pH对造纸过程是合意的。酸性pH会不利地导致更高的腐蚀速率。要理解的是，可以添加足够的pH缓冲剂以实现合意的pH。
本文中公开的施胶组合物的一些实例除了所列举的（一种或多种）盐、所列举的（一种或多种）添加剂和水之外不包含任何其它组分。
本文中公开的施胶组合物可用于产生适用于喷墨印刷或激光印刷的纸张。据信，该施胶组合物对于喷墨印刷有助于提高印刷性能（例如黑色光学密度和色域），对于激光印刷有助于提高墨粉转印。
在造纸过程中，该施胶组合物可用于减少腐蚀。该方法100的一个实例显示在图1中。如附图标记102所示，该方法包括选择本文中公开的施胶组合物。
如附图标记104所示，所选择的施胶组合物用于生成记录片材（例如喷墨打印纸、激光打印纸等）。在造纸过程中，该施胶组合物通常在施胶机处添加，该施胶机可以是例如池式施胶机（puddle size press）或计量施胶机。如附图标记106所示，该施胶组合物将与该施胶机的一个或多个部件连续接触。当造纸机以高吞吐速率运行时，该施胶组合物还可能飞溅在施胶机外部。至少一部分接触施胶机溶液的部件可以由不锈钢或碳钢构成，其易受腐蚀。如实施例中例示的那样，本文中公开的施胶组合物对于施胶机部件的腐蚀表现出特别合意的结果。
除了该施胶组合物之外，所形成的该记录片材/纸张可以包含纤维（例如化学或热机械制浆的硬木和/或软木纤维）和填料（例如二氧化钛(TiO2)、沉淀碳酸钙、重质碳酸钙、滑石、粘土(例如煅烧粘土、高岭土或其它页硅酸盐)、硫酸钙或其组合）。
为了进一步例示本公开，在本文中给出了实施例。要理解的是，为了说明目的而提供这些实施例，并且这些实施例不应解释为限制本公开的范围。
实施例
实施例 1
使用钙盐或硫酸镁制造各种施胶组合物。以相当于1重量%的CaCl2溶液的摩尔浓度用水制备该钙盐溶液和该硫酸镁溶液。该钙盐包括丙酸钙作为样品，并包括氯化钙、乙酸钙、乳酸钙和硝酸钙作为对比样品。各溶液包含0.1%的PROXEL® GXL（Lonza）和0.1%的TRIS缓冲剂，并且各溶液的pH为7.2至7.5。
测量各溶液的电化学腐蚀速率。该实验涉及跨越开路电位（OCP，测得的系统电位和零施加电压）的线性扫描电位扫描。该电压跨越该电位区域从-250 mV扫描至+250 mV，并对所得电流绘图（以塔菲尔曲线）。在该OCP（作为该曲线的阳极和阴极线（leg）的交点获得）处，该电流量Icorr用于计算腐蚀速率。该腐蚀速率在表1中以毫英寸/年（mpy）为单位报道。所有溶液在抛光金属测试电极的新鲜区域上进行测试。
表1
合意的是，该施胶组合物在不锈钢和碳钢上均能提供合适的腐蚀速率结果。如表1中所示，丙酸钙是仅有的提供这些结果的盐。氯化钙、硫酸镁、乳酸钙和硝酸钙的性能在碳钢上不佳，而硫酸镁、乙酸钙和硝酸钙的性能在不锈钢上不佳。
各溶液用于处理纸张。该施胶溶液施加到原纸的两侧上以便在每一侧上形成涂层。通过在平板涂布工作站中用迈耶棒以少量通过手工下压来实施该过程。涂层重量为每侧总计2 gsm至4 gsm。处理过的纸张和一张未处理的纸张在其上印刷图像。测量各纸张的光学密度和色域。这些结果分别显示在图2和3中。如图2中所示，所有钙处理过的纸张的光学密度提高了0.05至0.10，硫酸镁处理过的纸张的光学密度并未提高。通过各种盐，色域提高了5%至10%。这些结果表明，当使用丙酸钙时可以获得合意的印刷性能。
实施例 2
使用丙酸钙制造各种施胶组合物，并使用氯化钙制造对比施胶组合物。用水制造丙酸钙溶液，并分别包含0.5%的丙酸钙（pH 7.53）、1.0%的丙酸钙（pH 7.53）、1.5%的丙酸钙（pH 7.68）、2.0%的丙酸钙（pH 7.50）和2.5%的丙酸钙（pH 7.70）。该氯化钙溶液为1重量%的CaCl2溶液，具有7.43的pH。
测量各溶液的电化学腐蚀速率。该实验涉及跨越开路电位（OCP，测得的系统电位和零施加电压）的线性扫描电位扫描。该电压跨越该电位区域从-200 mV扫描至+200 mV，并对所得电流绘图（以塔菲尔曲线）。在该OCP（作为该曲线的阳极和阴极线的交点获得）处，该电流量Icorr用于计算腐蚀速率。该腐蚀速率在表2中以毫英寸/年（mpy）为单位报道。该数据还图示在图4中。所有溶液在抛光金属测试电极的新鲜区域上一式二份进行测试。基于该重复试验，标准偏差为大约0.015 mpy。
表2
表2和图4中的结果表明，在与氯化钙相比时，丙酸钙在碳钢上显著降低了腐蚀速率，并在不锈钢上略微降低了腐蚀速率。这些结果还表明在腐蚀速率与丙酸钙浓度之间缺乏关联。
实施例 3
使用丙酸钙制造各种施胶组合物，并使用氯化钙制造对比施胶组合物。用水制造丙酸钙溶液，并用TRIS和/或乙酸盐（acetate）或乙酸钠作为pH缓冲剂来改变pH。各盐溶液是1%的丙酸钙，且各对比盐溶液是1%的氯化钙。一部分该溶液还包含PROXEL® GXL（Lonza，在表3中称为“GXL”）。表3列举了使用的缓冲剂和pH。
测量各溶液的电化学腐蚀速率。该实验涉及跨越开路电位（OCP，测得的系统电位和零施加电压）的线性扫描电位扫描。该电压跨越该电位区域从-200 mV（在一些情况下达到 -400 mV）扫描至+200 mV，并对所得电流绘图（以塔菲尔曲线）。在该OCP（作为该曲线的阳极和阴极线的交点获得）处，该电流量Icorr用于计算腐蚀速率。该腐蚀速率在表3中以毫英寸/年（mpy）为单位报道。该数据还图示在图5（对于碳钢）和图6（对于不锈钢）中。所有溶液在抛光金属测试电极的新鲜区域上一式二份进行测试。基于该重复试验，标准偏差为大约0.015 mpy。
表3
这些结果表明，随着酸度提高，腐蚀速率普遍提高。这些结果也表明在不锈钢上的腐蚀速率远低于在碳钢上的腐蚀速率。在图5和6中，对随着这些在大约0.02 mpy至大约400 mpy的宽范围内变化的腐蚀速率以对数标度将该结果绘图。
酸强化腐蚀发生在低于6的pH下，由此似乎在氯化钙与丙酸钙之间差别不大。但是，在单独地考虑更高的pH数据（即pH ≥ 6.5）时，数据表明，盐酸盐在碳钢上的腐蚀速率高于丙酸盐在碳钢上的腐蚀速率。在该实施例中，两种盐在不锈钢上均表现出合适的腐蚀速率。
实施例 4 ：共混物
使用丙酸钙和氯化钙的不同共混物制造各种施胶组合物。此外，用丙酸钙而不用氯化钙制造一种施胶组合物，并用氯化钙而不用丙酸钙制造另一种施胶组合物。以相当于1重量%的CaCl2溶液的摩尔浓度用水制备该溶液。使用的各自的盐的百分比和各组合物的pH显示在表4中。
测量各溶液的电化学腐蚀速率。该实验涉及跨越开路电位（OCP，测得的系统电位和零施加电压）的线性扫描电位扫描。该电压跨越该电位区域从-200 mV扫描至+200 mV，并对所得电流绘图（以塔菲尔曲线）。在该OCP（作为该曲线的阳极和阴极线的交点获得）处，该电流量Icorr用于计算腐蚀速率。该腐蚀速率在表4中以毫英寸/年（mpy）为单位报道。该数据还图示在图7中。
表4
样品 1020碳钢 316不锈钢 pH
100%氯化钙 3.53 0.16 7.05
75%氯化钙:25%丙酸钙 0.99 0.31 7.04
50%氯化钙:50%丙酸钙 0.81 0.22 7.27
25%氯化钙:75%丙酸钙 0.90 0.30 7.29
100%丙酸钙 0.32 0.28 7.24
对于丙酸钙与氯化钙的共混物，合意的是该施胶组合物在不锈钢和碳钢上均提供合适的腐蚀速率结果。如表4中所示，当与包含100%氯化钙的样品相比时，75%或更低的氯化钙与25%或更高的丙酸钙的共混物在碳钢上表现出低得多的腐蚀，而对不锈钢腐蚀的结果是可接受的。要理解的是，用于确定合适的腐蚀速率的阈值对共混物可能高于对单一盐，至少部分由于存在氯化钙，据信氯化钙比一些其它盐的腐蚀性更高。
要理解的是本文中提供的范围包括所述范围和所述范围中的任意值或子范围。例如，大约3千克/吨至大约15千克/吨的范围应当解释为不仅包括明确描述的大约3千克/吨至大约15千克/吨的界限，还包括个别的值，如4千克/吨、9千克/吨、13.5千克/吨等等，以及子范围，如大约5千克/吨至大约10千克/吨、大约6千克/吨至大约12千克/吨等等。此外，当使用“大约”描述一个值时，意味着包括由所述值的微小变化（最高+/- 10%）。
在描述和要求保护本文中公开的实施例时，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数对象，除非上下文另行明确说明。
此外，在本说明书通篇中提到“一个实施例”、“另一个实施例”、“一实施例”等等指的是与该实施例结合描述的特定要素（例如特征、结构和/或特性）包括在本文中所述的至少一个实施例中，并且可以存在或可以不存在于其它实施例中。此外，要理解的是，对任意实施例描述的要素可以以任何合适的方式在各个实施例中结合，除非上下文另行明确说明。
虽然已经详细描述了几个实施例，对本领域技术人员显而易见的是，所公开的实施例可以进行修改。因此，前述描述应被认为是非限制性的。

Claims (16)

1.施胶组合物，包含：
大约3千克/吨至大约15千克/吨的丙酸钙；
选自由淀粉、荧光增白剂、杀生物剂、消泡剂、表面施胶剂、湿强度添加剂及其组合所组成的组的添加剂；和
余量的水；
所述施胶组合物具有7至8的pH。
2.如权利要求1中所限定的施胶组合物，进一步包含氯化钙，其中所述氯化钙对所述丙酸钙的比为大约大于0:100至50:50。
3.如权利要求2中所限定的施胶组合物，其中所述氯化钙和所述丙酸钙的总量为大约3千克/吨至大约15千克/吨。
4.如权利要求2中所限定的施胶组合物，不包含任何其它钙盐。
5.如权利要求1中所限定的施胶组合物，不包含任何其它钙盐。
6.如权利要求1中所限定的施胶组合物，其中所述组合物包含大约8%至大约15%的总固体。
7.如权利要求1中所限定的施胶组合物，其中任意的：
以大约15千克/吨至大约50千克/吨的量包含淀粉；
以大约1千克/吨至大约10千克/吨的量包含荧光增白剂；
以大约0.01千克/吨至大约0.5千克/吨的量包含杀生物剂；
以大约0.01千克/吨至大约0.5千克/吨的量包含消泡剂；
以大约0.5千克/吨至大约5千克/吨的量包含表面施胶剂；或
以大约0.01千克/吨至大约0.5千克/吨的量包含湿强度添加剂。
8.如权利要求1中所限定的施胶组合物，其中所述添加剂组进一步由颜料填料组成。
9.如权利要求8中所限定的施胶组合物，其中所述颜料填料以所述组合物干重量的最多大约60%的量包含在所述组合物中。
10.施胶组合物，由以下成分组成：
大约3千克/吨至大约15千克/吨的钙盐，所述钙盐是以100:0至50:50的比存在的丙酸钙和氯化钙；
选自由淀粉、荧光增白剂、杀生物剂、消泡剂、表面施胶剂、湿强度添加剂、颜料填料及其组合所组成的组的添加剂；和
余量的水；
所述施胶组合物具有7至8的pH。
11.如权利要求10中所限定的施胶组合物，其中所述氯化钙和所述丙酸钙的总量为大约5千克/吨至大约9千克/吨。
12.如权利要求10中所限定的施胶组合物，其中任意的：
以大约15千克/吨至大约50千克/吨的量包含淀粉；
以大约1千克/吨至大约10千克/吨的量包含荧光增白剂；
以大约0.01千克/吨至大约0.5千克/吨的量包含杀生物剂；
以大约0.01千克/吨至大约0.5千克/吨的量包含消泡剂；
以大约0.5千克/吨至大约5千克/吨的量包含表面施胶剂；
以大约0.01千克/吨至大约0.5千克/吨的量包含湿强度添加剂；或
以所述组合物干重量的最多大约60%的量包含所述颜料填料。
13.如权利要求10中所限定的施胶组合物，其中所述组合物包含大约8%至大约15%的总固体。
14.减少造纸过程中的腐蚀的方法，包括：
选择施胶组合物，包含：
大约3千克/吨至大约15千克/吨的丙酸钙；
选自由淀粉、荧光增白剂、杀生物剂、消泡剂、表面施胶剂、湿强度添加剂、颜料填料及其组合所组成的组的添加剂；和
余量的水；
所述施胶组合物具有7至8的pH；
使用所述施胶组合物生成记录片材；和
在所述生成过程中，使碳钢部件或不锈钢部件与所述施胶组合物接触。
15.如权利要求14中所限定的方法，其中所述选择施胶组合物包括选择所述施胶组合物以进一步包含氯化钙，其中所述氯化钙对所述丙酸钙的比为大约大于0:100至50:50。
16.如权利要求14中所限定的方法，其中所述氯化钙和所述丙酸钙的总量为大约5千克/吨至大约9千克/吨。
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