CN1529780A - 生产涂层纸幅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生产压光、涂层纸幅的方法，按照该方法，纸幅涂以一种含有涂布颜料的涂料，并进行压光。按照本发明，颜料的至少1％，优选10～100wt％含有草酸钙，以及涂层纸幅通过在线压光完成压光。草酸钙颜料的性能对压光如此有利，以致依靠联机压光机(在线压光)就可获得合理高的光泽，这将省去无光表面纸生产线对单独离线压光机的需要。本发明还涉及草酸钙作为丝光纸中的颜料的应用。
Description
技术领域
本发明涉及生产压光、涂层纸幅(fibrous web)的按照权利要求1的前序部分的方法。
按照该方法，纸幅涂以含涂布颜料的涂料，然后，该涂层纸幅进行压光。
一直存在着对表面性能改进的印刷纸的需要。特别是，印刷用涂层纸，例如，高级纸，应具有粗糙度很小的非常平滑的表面。传统上，此种表面是通过涂层纸卷材的强力压光制取的。遗憾的是，压光同时也降低机械性能并损害不透明度；即，压光纸往往较脆和不如未经压光的纸那样不透明。再者，现代广告用印刷品中，印刷特征常常是通过印刷内容与纸之间在光泽上的鲜明差异(称作“光泽差”)来显著区别于纸背景的。差异越大，印刷内容的效果就越醒目。一般而言，光泽和光泽差都取决于压光程度。
高品质纸涂有含无机颜料如碳酸钙(研磨或沉淀的)和高岭土的彩色涂料。为获得光亮的表面，也采用合成聚合物颜料。
在我们早期的专利申请(公开的EP专利申请号0 942 099)中，我们已展示，草酸钙可用作颜料和填料用于制造具有高亮度和良好不透明度的纸幅。草酸钙实际上不溶于水。它具有优异光学性能，且对造纸网的磨损比其他常用的颜料小。再者，草酸钙在燃烧后产生的灰分比其它颜料少。这使废纸得以利用，例如用在能源生产中。
压光纸的生产在我们以前的专利申请中并未研究过。本发明的目的是为生产同时具有高平滑度、良好不透明度和亮度以及优异光泽差的纸提供一种技术解决方案。
联系到本发明我们发现，压光纸的表面性质借助草酸钙涂层可取得相当程度的改进。令人惊奇的是发现，即便在轧光前以含至少一部分草酸钙颜料涂布的纸的粗糙度已经很小，光泽很高，在压光期间草酸钙涂层纸的粗糙度仍能降低到1.4～1.5这样低的值，而以高岭土涂布的纸的粗糙度几乎高出1倍(2.2～2.7μm)。再有，非常重要和同样令人惊奇的发现显示，截止到某一压光程度，草酸钙涂层纸一直可通过压光提高不透明度。根据所有此前有关颜料和压光的经验，该发现全然出乎意料：正如上面所提到的，已知压光能降低不透明度，这也正是压光的主要缺点之一。现在，在适度压光程度范围之内通过采用草酸钙已经可以改善不透明度。
草酸钙颜料的性质对压光如此有利，以致采用纸机压光(在线压光)就已能达到相当高的光泽，这在某些情况下，在某些纸品质如无光表面纸(丝光品质)的生产线中可不再需要单独的离线压光机。
根据上面的发现，本发明涉及一种使用涂布颜料制备压光纸或卡板纸的概念，颜料的一部分，具体地说至少1％，由草酸钙组成，以及通过在线压光对涂层纸幅实施压光。任选地，在线压光的纸幅可进一步通过离线涂布再进行压光，例如，在超级压光机中。
更具体地说，本发明的主要特征在于权利要求1的特征部分所表述的内容。
本发明提供相当大的优点，其中一部分已如上面所述。我们的试验表明，未压光纸幅的平滑度在2.8～2.9μm的数量级，而涂以GCC(研磨碳酸钙)涂料的未压光样品的粗糙度大致在4.4～4.8μm之间。如此相当大的差异提供一种无需如上面提到的那样深度压光，仅凭在线纸机压光就生产出可立即使用的表面的可能性。这将导致在压光机投资成本上的潜在节省。另外，避免有损不透明度的深度压光现在也可以成为现实了。
涂以草酸钙的纸的光泽明显好于涂GCC的纸。压光将进一步加大值：压光的草酸盐涂层纸的光泽比GCC涂层纸最高高出2倍。该光泽基本上不受涂布量的影响。譬如，略微压光的草酸钙样品的光泽为约25％，而对应GCC样品的光泽仅为约8。
印刷试验表明，草酸钙涂层能提供表现出高光泽印刷图案的表面。草酸钙涂层与GCC涂层相比的光泽优势从以下印刷光泽的对比可以清楚地看出：采用草酸钙在印刷密度D1.6时所获得的印刷光泽，在我们的试验中超过60％，而GCC则为略小于35％。
在上面，已就草酸钙与研磨碳酸钙做了比较。然而，应当指出，草酸钙也可替代粘土用于在典型情况下以粘土与PCC配合的涂料中：PCC与草酸钙的涂布混合物所提供的纸具有比PCC和粘土的混合物好的不透明度、亮度和散射系数值。这两种混合物的纸光泽数值相近。同样，在印刷试验中，草酸钙产生最佳光泽差数值。PCC和草酸钙涂层纸的光泽差比PCC和粘土混合物的涂层纸好2～3倍。
下面，将通过以下具体实施例和附图的详细描述更详细地说明本发明。
图1显示涂有9种不同涂料的纸样品，包括含草酸钙作为唯一颜料以及传统颜料与草酸钙的混合物的涂料，在不同光泽度水平下粗糙度测定结果；涂以GCC、PCC和高岭土及其混合物的纸作为对照例；
图2显示同样这9种样品在不同光泽度水平下的不透明度；
图3显示这些样品在不同光泽度水平下的亮度；
图4显示不同光泽度水平下的L*-值；
图5显示不同光泽度水平下的散射系数；以及
图6显示沿纵向和横向的光泽差。
草酸钙的化学结构是
Ca(OOC)2 (I)
一般地，它以水合形式存在，具有经验(brutto)式
CaC2O4xnH2O (II)
其中n一般是1或2，通常为1(一水合物)。
在自然界中，它存在于多种植物细胞以及，特别是尿结石和肾结石中。作为纯物质，它一般被划归实验室化学品类并被用于测定钙的分析目的。
一般地，草酸钙在纸和浆泊工业中被视为问题。它导致结垢，特别是在牛皮和机械浆工厂以及亚磷酸盐制浆工厂的漂白装置中。草酸钙沉积妨碍正常的装置操作和通过提高尘埃度降低纸的品质。草酸钙来源于木材中存在的草酸或者在制浆或漂白期间通过氧化过程生成；而钙，也可存在于木材中或者随工艺水进入系统。
另一方面，木材中存在的草酸提供草酸钙工业生产的一种令人感兴趣的原料。因此，草酸可通过黑液与碱性试剂一起加热用以约16％的高收率从黑液中生产出来。草酸也可从亚磷酸盐法中生成并以浓缩液形式提供。这些草酸源的开发可通过提供草酸分离剂或通过草酸利用加石灰或石灰渣的沉淀，以及草酸的液化来实现。石灰可从石灰渣的再焙烧窑中取得。
草酸钙也作为实验室化学品市售供应。
按照本发明，包含纤维素材料的纸幅被涂以至少部分地含有草酸钙作为颜料的涂料，然后该涂层纸幅接受在线压光。
术语“纤维素材料”代表纸或卡板纸或相应含纤维素的材料，它们由木质纤维原料，特别是由木材或由一年生或多年生植物衍生而来。所述材料是含木或非木材来源的(LWC、SC、涂层印刷纸和高级纸)，并且它可由机械、半机械(化学-机械)或化学浆生产。纸浆可以是漂白或未漂白的。该材料还可含有循环再利用的纤维，特别是回收的纸或回收的卡板纸。就典型而言，材料纸幅的克重介于35～500g/m2。
草酸钙可配制成适当涂料并以此形式用于涂布纸幅。在本发明中，“涂料”是指旨在用于涂布或表面处理纸或卡板纸的组合物，含有水和本身已知的化合物，例如，颜料、粘合剂和调节粘度的组分(增稠剂)。除了草酸钙之外，还可使用下列颜料：碳酸钙、硫酸钙、硅酸铝、高岭土(含有结晶水的硅酸铝)、氢氧化铝、硅酸镁、滑石粉(含有结晶水的硅酸镁)、二氧化钛和硫酸钡及其混合物。也可使用合成颜料。上面提到的那些当中主要颜料是草酸钙、高岭土和/或碳酸钙和/或石膏，通常占涂布组合物的干物质的50％以上。
煅烧高岭土、二氧化钛、沉淀碳酸盐、缎光白、氢氧化铝、硅铝酸钠和塑料颜料是附加颜料，其用量一般在混合物干物质含量的25％以下。要举出的具体颜料是特殊高岭土和碳酸钙以及硫酸钡和氧化锌。
涂料可含有1～100wt％草酸钙，特别是10～100wt％，优选20～99wt％，例如约25～95wt％(根据涂料中存在的颜料总重量计算)。在与其他主要颜料的混合物中，草酸钙占到1～90份，优选10～90份，且高岭土和/或碳酸钙(包括PCC)和/或石膏占到10～99份，优选10～90份，全部颜料算作100份。
任何造纸常用的本身已知的粘合剂皆可用作粘合剂。除了单一粘合剂之外，也可使用粘合剂的混合物。作为典型粘合剂的具体例子，可举出下列粘合剂：合成胶乳-型粘合剂，由烯属不饱和化合物的聚合物或共聚物，如丁二烯-苯乙烯型共聚物构成，其中可含有具有羧基基团的共聚单体如丙烯酸、衣康酸或马来酸，以及含有具有羧基基团的共聚单体的聚醋酸乙烯。与上面提到的物质相配合，例如，还可用水溶性聚合物、淀粉、CMC、羟乙基纤维素和聚乙烯醇作为粘合剂。
在这里的涂布混合物中，还可使用传统添加剂和助剂，例如，分散剂(例如，聚丙烯酸的钠盐)、调节混合物粘度和保水性用的物质(例如，CMC、羟乙基纤维素、聚丙烯酸盐、海藻酸盐、苯甲酸盐)，润滑剂、改进耐水性的硬化剂、增白剂(optical agent)、消泡剂以及用于调节pH值和防止产品降解的物质。润滑剂包括磺化油、酯、胺、硬脂酸钙和硬脂酸铵；改进耐水性的添加剂包括乙二醛；增白剂包括二氨基均二苯代乙烯及二磺酸衍生物；消泡剂包括磷酸酯、硅氧烷、醇、醚、植物油，pH-调节剂包括氢氧化钠和氨水；最后，抗降解剂，包括甲醛、酚和季铵盐。
本发明涂布组合物既可用作预涂布混合物也可用作表面涂料。每100重量份颜料，该涂料通常含有约0.1～20重量份增稠剂和1～20重量份粘合剂。
典型预涂布混合物的组成如下：
颜料/填料(草酸钙，任选地连同某种其他颜料) 100重量份
增稠剂 0.1～2.0重量份
粘合剂 1～20重量份
添加剂 0.1～10重量份
水 其余
本发明表面涂料的组成例如如下所示：
颜料/填料I(草酸钙) 30～90重量份
任选第二颜料/填料II(例如， 10～30重量份
细高岭土和/或碳酸盐和/或石膏)
总颜料 100重量份
增稠剂 0.1～2.0重量份
粘合剂 1～20重量份
添加剂 0.1～10重量份
水 其余
施涂到纸幅两面上的总涂布量一般为约2～100g/m2，优选约3～80，尤其约5～40g/m2每面。
涂料可按照本身已知的方式施涂到材料纸幅上。譬如，涂布可在线地实施或者采用传统涂布器离线地实施，即，采用刮刀涂布器，或者采用薄膜压涂或采用喷涂(表面喷洒)。通过首先采用薄膜压塑方法，然后采用刮刀涂布施涂其他涂层可以制备出双层涂布或三层涂布的纸幅。目标涂布量，例如在预涂布中介于1～15g/m2，在表面涂布中3～30g/m2每面。涂布重量是从涂布的干物质算出的。
正如下面的实例所示，特别令人感兴趣的结果是在采用这样的涂布组合物涂布纸幅时取得的：其颜料含有沉淀碳酸钙和草酸钙的混合物，其中沉淀碳酸钙构成颜料的主要部分。在草酸钙与PCC之间似乎存在某种协同作用，从而使形成的涂料具有相当好的亮度。优选的是，此种涂料的颜料含有55～80％沉淀碳酸钙和20～45％草酸钙，以颜料总重量为基准。
以上面描述的方式涂布的纸幅随后被导向在线压光。所谓在线压光，在此种情况下，是指紧接着造纸或卡板纸机，不立即卷取，接着实施压光。在线压光的纸幅可进一步接受离线压光。
按照优选的实施方案，纸幅以在线软压光机压光。所谓软压光机是指所使用的压光机中两个形成辊隙的辊筒至少之一具有软涂层。压光中的线压一般至少是200kN/m且压光速度至少是800m/min。
正如本领域已知的，纸或卡板纸产品的光泽受压光机的线压和温度的显著影响。如果纸的光泽超过约40～50％(Hunter光泽，75°)，它们将被称作有光纸。压光方法在此种情况下通常为所谓超级压光，尽管也存在其他、较不经常使用的选择，例如，用于卡板纸。如果纸的光泽低于40～50％，则它们叫做无光、丝光或缎光纸。按照目标是有光纸或无光纸，压光辊筒的表面材料和压光机工艺条件，特别是辊筒温度和线压，但也可能还有压光机速度和蒸汽加热，设定在不同的数值。一方面，在有光纸情况下，目标主要是获得尽可能高的光泽，而另一方面，无光纸首先是要求非常平滑，但还要求表面结构不像压光纸那样反射光。
一般而言，压光纸产品是在高线压和高温(例如，约120～170℃)实施压光时获得的。此种产品的光泽超过50％。纸幅在此种情况下的压光是在具有至少两个在硬辊与软辊之间构成的辊隙的在线压光机上压光的。纸在压光中的线压例如介于约250～450kN/m。
按照另一种优选的实施方案，纸幅以75～350kN/m的线压进行在线压光。纸幅压光后获得小于3.5μm的最终粗糙度。
为生产无光表面的纸，纸幅在线压光后获得30～40％的光泽。若生产有光表面，纸幅要接受离线压光，以获得至少60％的光泽。
涂层纸幅到达压光机处的温度，当造纸、压光和压光在同一生产线上时，纸幅的在线压光温度介于40～250℃，优选40～75℃。压光开始的温度例如可介于约50～60℃。按照另一种本发明实施方案，压光辊基本上不加热；在此实施方案中充分利用纸幅的初始温度。这一选择方案适合生产无光纸，在此种情况下，生产出光泽低于50％的压光纸幅。在此种情况下纸幅以例如，200～350kN/m的线压压光。
借助本发明可以生产出具有优异印刷性能、良好平滑度和高不透明度以及亮度的涂布并压光的材料纸幅。尤其优选的产品包括兼具有高光泽和高不透明度以及厚度的涂布印刷纸。压光纸幅的粗糙度一般低于3.5μm。材料纸幅的克重可介于50～450g/m2。一般而言，基本纸的克重介于30～250g/m2，优选30～80g/m2。此种类型基本纸，其克重介于约50～70g/m2，在每面涂以20g涂层/m2，并通过该产品的压光之后，获得一种产品，它具有70～110g/m2的克重，至少90％的亮度，至少90％的不透明度和最大1.3μm的表面粗糙度，作为有光纸；或者最大2.8μm，作为无光纸。(离线压光)有光纸达到的光泽超过50％，一般高达65％(Hunter75)。
按照优选的实施方案，草酸钙被用作丝光纸的颜料。它可以直接使用，或者与高岭土、PCC和石膏当中的一种或多种混合后使用，其中传统颜料占到整个颜料的最高80％，优选60％或更低。就此而论，丝光纸是光泽介于约30～50％(传统上最高40％)的纸。采用本发明，此种水平的光泽单靠在线压光就可获得。
以草酸钙涂布的纸的不透明度一般高于95％，并且能达到92％的ISO亮度水平。
下面的非限制性实施例用于说明本发明。光散射系数、光吸收系数和不透明度是按照标准SCAN 8：93确定的。ISO亮度(R457)是按照标准SCAN-P 3：93确定的。纸页的克重及其厚度是分别按照标准SCAN-P6：75和SCAN-P 7：75测定的。
实施例1
涂料的制备
关于所有颜料和颜料混合物的涂料配方都相同。这里使用的配方是：
-100份颜料
-12份胶乳(SB40)
-0.9份CMC(ff-10)
-1份Blancophor psf
粘度测定结果载于表I。该结果显示，最低粘度是由PCC、CaOx/PCC、CaOx/粘土和CaOx涂料获得的。下表中给出缩略语的解释。
保水值最佳的是CaOx、CaOx/粘土、CaOx/石膏和PCC/粘土涂料。总体来看，粘度和保水值测试波动都不大，它们都在可接受水平。
表I.各种涂料的粘度测定结果
| 样品号 | 涂布颜料中的颜料 | 干含量 | pH | Brookfield50 | Brookfield100 | 保水(g/m2) |
| 1 | 100CaOx | 66.0 | 8.6 | 3200 | 1980 | 70-60 |
| 2 | 100HC90 | 65.7 | 8.6 | 4560 | 2740 | 100.6 |
| 3 | 100PCC | 65.8 | 8.5 | 2890 | 1690 | 122.9 |
| 4 | 100CC85 | 65.9 | 8.4 | 4060 | 2480 | 104.3 |
| 5 | 70CaOx/30粘土 | 64.7 | 8.6 | 3200 | 1960 | 73.9 |
| 6 | 70PCC/30粘土 | 66.0 | - | 4000 | 2320 | 81.2 |
| 7 | 70CaOx/30石膏 | 65.1 | 8.7 | 3920 | 2440 | 75.8 |
| 8 | 70PCC/30石膏 | - | - | - | - | - |
| 9 | 30CaOx/70PCC | 66.9 | 8.6 | 2960 | 1800 | 105.5 |
“PCC”代表沉淀碳酸钙，“CaOx”代表草酸钙，“CC”代表研磨碳酸钙，而“HC90”代表以水淤浆形式供应的研磨碳酸钙。
涂布和压光
涂布试验是在Helicoater中进行的。涂布试验中的基本纸来自Kangas厂，～56g/m2纸(配料：60％CTMP(预浸预热磨木浆)和40％软木浆)。涂料用量是13g/m2。涂布后，进行某些压光试验，以取得有关涂料的光泽能力的信息。样品的光泽分别在压光前以及每经过一次压光辊隙(6个辊隙)之后测定。这些压光试验分别在4种不同条件下进行：
1、辊隙压力100kN/m，温度25℃
2、辊隙压力100kN/m，温度60℃
3、辊隙压力300kN/m，温度25℃
4、辊隙压力300kN/m，温度60℃
光泽数值的总括在表II中。特别有意义的结果是在60℃获得的。草酸钙涂料在加热后变得有光泽，而经过在60℃下的6个辊隙(300kN/m)之后，总光泽水平是63％。在相同条件下，用CaOx/粘土涂料获得了最佳光泽(76％)，次好是用PCC/CaOx涂料(73％)，第三好是用PCC涂层(71％)。
表II.6辊隙后涂层纸光泽
| 压光 | CaOx(％) | HC90(％) | PCC(％) | CC85(％) | 70CaOx/30粘土(％) | 70PCC/30粘土(％) | 70CaOx/30粘土(％) | 30CaOx/70PCC(％) |
| 100kN/m，25℃ | 31 | 31 | 56 | 53 | 61 | 64 | 54 | 61 |
| 300kN/m，25℃ | 41 | 35 | 62 | 61 | 68 | 66 | 52 | 65 |
| 100kN/m，60℃ | 58 | 49 | 75 | 72 | 74 | 76 | 62 | 74 |
| 300kN/m，60℃ | 63 | 51 | 71 | 70 | 76 | 70 | 61 | 73 |
从样品测定的其他性能是粗糙度、不透明度、CIE L*、散射系数。从这些测定得到的结果被作为纸光泽的函数表示在图1～5中。
图1显示从粗糙度测定得到的结果。可以看到，用PCC/石膏、CaOx/石膏和CaOx涂层获得40％光泽下最佳粗糙度数值。对应50％光泽下的良好涂层是CaOx/石膏、PCC/CaOx、PCC/石膏和CaOx/粘土。
图2给出不透明度测定结果。这些结果显示，所有草酸钙涂层都具有在压光后给纸提供一定水平的较好不透明度的趋势。由CaOx、CaOx/粘土、CaOx/石膏和PCC/CaOx涂层可以看到这种行为。
图3画出亮度测定结果。曲线显示，最高值用PCC/CaOx涂层取得。PCC和PCC/石膏涂层也得出高亮度数值。PCC/CaOx和PCC/粘土涂层之间的差值为约1单位。PCC/CaOx的亮度之所以令人感兴趣是因为，用纯草酸钙涂层，亮度相当低，但是与PCC一起，草酸钙就能给出好的亮度。造成这一特征的原因可能是，PCC和草酸钙的堆积趋势导致这两种颜料在一起时光散射比各自单独时都好，然而，这只是一种可能的解释。
在图4中，与图3类似种类的行为也可看到。
图5给出散射系数的测定结果。最高散射系数值用PCC涂层获得。在纸光泽超过45％的条件下，最高散射系数值用PCC/CaOx涂层获得。
实施例2
印刷试验/IGT：抗粘性、印刷和粘脏密度和印刷光泽
印刷试验的目的是比较不同颜料和颜料混合物的适印性。测定了印刷光泽并将不同涂层的光泽差数值(＝印刷光泽-纸光泽)载于图6。
结果显示，CaOx、HC90和CaOx/石膏涂层纸具有良好光泽差数值，大约20～30％。同样有趣的是，将PCC/粘土纸的数值与PCC/CaOx的数值做一比较，结果发现，PCC/CaOx涂层纸的光泽差数值要好2～3倍。
Claims (14)
1.一种生产压光、涂层纸幅的方法，按照该方法
●纸幅以含涂布颜料的涂料涂布，以及
●涂布的纸幅进行压光，
其特征在于，
●采用一种颜料，其至少1％由草酸钙组成，以及
●通过在线压光对涂层纸幅进行压光。
2.权利要求1的方法，其中颜料含有10～100wt％草酸钙。
3.权利要求1或2的方法，其中纸幅采用在线软压光机压光。
4.权利要求1～3中任一项的方法，其中纸幅以75～500kN/m，优选低于350kN/m的线压进行在线压光。
5.权利要求1～4中任一项的方法，其中纸幅在40～250℃，优选40～75℃的温度进行在线压光。
6.权利要求1～5中任一项的方法，其中纸幅压光后获得小于3.5μm的最终粗糙度。
7.权利要求6的方法，其中纸幅在线压光后获得30～50％的光泽。
8.权利要求6的方法，其中纸幅进行离线压光，从而获得超过50％的光泽。
9.以上权利要求中任一项的方法，其中纸幅用一种涂布组合物涂布，该组合物含有，作为颜料的草酸钙与至少一种选自沉淀碳酸钙、研磨碳酸钙、高岭土、石膏、白垩和滑石粉的颜料的混合物。
10.权利要求9的方法，其中涂布采用的涂布组合物含有，
草酸钙 1～90份以及
高岭土 10～99份或
沉淀碳酸钙 10～99份或
石膏 10～99份
以及
粘合剂 颜料的1～20％以及
增稠剂 颜料的0.1～20％。
11.权利要求9或10的方法，其中纸幅涂布采用的涂布组合物含有的颜料包含由沉淀碳酸钙和草酸钙组成的混合物，其中沉淀碳酸钙构成颜料的主要部分。
12.权利要求11的方法，其中颜料包含55～80％沉淀碳酸钙和20～45％草酸钙，以颜料总重量为基准。
13.以上权利要求中任一项的方法，其中在纸幅的至少一个表面，优选两个表面上形成一种具有2～30g/m2/每面的克重的涂层。
14.草酸钙作为丝光纸的颜料的应用。
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