DE1904813A1

DE1904813A1 - Satinweiss-Tonzusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE1904813A1
Application number: DE19691904813
Authority: DE
Inventors: Conley Robert Francis; Lloyd Mary Kate; Catherwood Billy Reid
Original assignee: Georgia Kaolin Co
Current assignee: Georgia Kaolin Co
Priority date: 1968-04-17
Filing date: 1969-01-31
Publication date: 1969-10-30
Also published as: FR2006331A1; GB1252622A; US3854971A; NL6902872A

Description

Satimvöiß-Ton-Zusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung derselben

Die Erfindung bezieht sich auf Öatinweiß-Ton-Zusammensetzünden und auf Verbesserungen der optischen Eigenschaften von beschichteten Papieren durch Aufbringung von speziellen Datinweiß-Ton«Zusammensetzungen, Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Verarbeitung von verbesserten üatinweiß-'i'on-Pigmenten bei der Beschichtung von Papier und auf ein verbessertesBeschichtungspigtaent»

Bei der technischen Beschichtung von Papier werden Dispersionen aus Kaolinit und einem Klebstoff gemeinsam mit weiteren Pigmentens die gewöhnlich einen hohen Brechungsindex aufweisen, auf eine laufende Papierbahn mit Hilfe einer Rolle oder eines Streichmessers aufgebracht und darauf getrocknet. Es wurde beobachtet, daß die Anwesenheit von Mikroporen in dem getrockneten Belag gewisse optische Eigenschaften verbessert, und zwar insbesondere die Opazität und den Glanz und in geringerem Ausmaß die Helligkeit und Veißheito Bei einem Verfahren zur kontrollierten Einführung von Poren

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BAD ORIGINAL

werden gewisse nadeiförmige Pigmente in kleinen Konzentrationen verwendet. Einer Theorie gemäß sollen solche Pigmente sich bürstenförmig anordnen und während des Trocknungsverfahrens langsam Wasser abgeben, wodurch Poren mit einer Größe, die von der Teilchenlänge abhängt, entstehen»

Ein solches Material ißt im Handel als "Satinweiß¹¹ bekannt. Hierbei handelt es sich um ein Kalzium-sulfo-aluminat mit einer etwas Undefinierten Zusammensetzung, aber es wird angenommen, daß die Zusammensetzung hauptsächlich 5 CaO₀Al^O,e 3CaS0₄o32 H₂O ist. Satinweiß, wie es im Handel bekannt ist, wird dadurch hergestellt; daß eine Lösung von Kalziumhydroxyd mit einer Lösung von Aluminiumsulfat in stöchiometrischen Verhältnissen gemischt wird. Das Hauptproblem bei der Herstellung von Satinweiß ist die Stabilität, Es muß in einer Wassersuspension verbleiben» die gewöhnlich einen Feststoffgehalt von ungefähr 20 - 25 ft aufweist ο Es ist allgemein bekannt, daß durch Trocknen von Satinweiß diese Suspension zer= stört wird, wobei auch die durch sie hervorgerufenen optischen Eigenschaften verlorengehen. Es kann beobachtet werden, daß die Suspension sogar bei Temperaturen oberhalb 75°C abgebaut wird. 75 bis 80 £ Wasser sind zwar mehr als für die Stabilität der Suspension nötig sind, aber die extrem tixotrope Viskosität von Satinweiß in Wasser macht eine Handhabung bei höheren Feststoff gehalten als 25 %> sehr unpraktische Der hohe Wassergehalt bringt verschiedene kommerzielle Probleme mit sich. Die Frachtkosten sind außergewöhnlich hoch, und außerdem ist ein Verfrachten unmöglich, wenn die Fracht einem kalten Wetter ausgesetzt werden muß_o Das letztere Problem ergibt sich daraus, daß das Gefrieren des Wassers im Satinweiß die Pigmenteigenschaften zerstört. Das überschüssige Wasser in Satinweiß kann die Belagzusammensetzung verdünnen und erfordert eine zusätzliche Trockenzeit und Kosten für seine Entfernung»

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Es wurde nunmehr gefunden, daß durch ein Mischen von Satiiiwaiß und Kaolin und anschließendes Trocknen ein handhabbares pulverförmiges Material erhalten werden kann, dessen Eigenschaften nicht nur erhalten bleiben, sondern tatsächlich gegenüber frisch angesetzten Komponenten verbessert sind _o

Gemäß der Erfindung wird also ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Belagpigments vorgeschlagen, welches dadurch ausgeführt wird_r daß man eine Satinweißzusammensetzung \n wässriger Suspension herstellt, einen Kaolinit zu der wässrigen Suspension von Satinweiß zusetzt, und den Hauptteil des Wassers von der wässrigen Suspension abtrennt, wodurch ein freifließendes Pulver erhalten wird*

Gemäß der Erfindung wird auch eine Papierbeschichtungszusammensetaung vorgeschlagen, die aus einem gemeinsam getrockneten Gemisch von Satinweiß und Kaolinit mit nicht mehr als ungefähr 5 iS tfeuehti.gkeitsgehalt besteht „

Die Ex'findung wird in den folgenden Beispielen näher erläuterte

BeispJLelji

Eine Satinweißzusammensetzung wird durch Aufschlämmen von 5 Teilen eines hochreinen Kalks in 75 Teilen Wasser bei Raumtemperatur und sorgfältiges Mischen angesetzte Eine zweite 25 i',~ige Aluminiumsulfatlösung wird hergestellt, und zwar in einem Volumen, das ungefähr einem Gewichtsverhältnis von 1,50 für Al₂(SO₄^.I8H2O / Ca(0H)2 entspricht. Die Aluminiumsulfatlösung wird langsam zu der Kalklösung zugegeben, so daß die Temperatur des Gemischs nicht über ungefähr 32°C steigt (ungefähr 30 Minuten insgesamt). Die Ausfällung wird fortgesetzt, bis ein pH von 11,9 erreicht ist ο Hierauf wird eine Stärkesuspension in einer Menge ent-

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sprechend 10 Gew_o-fr des ausgefallenen Kalsittm-alumino-Sulfate oder in einer Menge von ungefähr 1,35 Teilen Stärke, bezogen auf den Kalkansatz, zugegeben* Stärke dient ale Bindemittel im fertigen Belagansatz; ihr Zusatz zu Satinweiß verbessert die Rheologie etwas₀ Me Ausfällung wird unter Druck abfiltriert, so daß ungefähr 20 biß 25 $ Feststoffe erzielt werden.

Beispiel 2

Ein handelsüblicher, für Beschichtung geeigneter Kaolinit, der vorher durch Säure ausgeflockt, filtriert und getrocknet worden war (mittlere Teilchengröße 0,7 fi, 85 #< 2μ) wurde in einer solchen Menge in Wasser, das kein Dispergiermittel enthielt, eingebracht, dass ein Feststoffgehait von 50 % erzielt wurde„

Beispiel 3

Zu der Tonsuspension von Beispiel 2 wurde dad Satinweiß von Beispiel 1 in einem Verhältnis von 70 Teilen trockene^! Kaolinit zu 30 Teilen trockenem Satinweiß zugegeben» Das zusammengesetzte Material enthielt ungefähr 30 fr iteststoffe0 Die Aufschlämmung wurde in 3 Teile geteilt»

Teil A wurde nach der Herstellung in eine« Ofen bei

über Nacht getrocknet.

Teil B wurde im Vakuum filtriert und im Ofen bei 5O⁰G über

Uacht getrocknete

Teil C wurde in einem Nichols Niro Utility-Spritztrockaei?, der eine Gaseinlaßtemperatur von 3öO°C und eine GasausXaßtemperatur von 135°G aufwies, spritzgetrocknet. Zwar ist diese Temperatur viel höher als die Ofentrocknungstempera«

tür, aber die Kontaktzeit beträgt nur wenige Sekunden„

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Die Eigenschaften der verschiedenen Gemische und Komponenten von Beispiel 3 sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Probe Feststoffe Brookfield Viskosität cd, $_mum 10 U/Min 100 U/Bin.

Satinweiß 23 (max.) 8 400 1 4O0 Kaolinitton 5^ (laax.) 288 67

(A) 70# K-3O#S.V.39 >10 000 + -+

CB) " 39 ^10 000+ -+

(c) "39 3 6Ü0 4?6

(D) . "frisch 40 11 200 2 140

+ Die im Ofen getrockneten Proben konnten nicht vollständig wieder dispergiert werden, und zwar aufgrund der Anwesenheit von verklebten Aggregaten.

Es ist offensichtlich, daß die Probe C in Hinblick auf die Rheologie besser als die Probe B oder A und sogar besser als eine frisch angesetzte Zusammensetzung ist· Die Probe C ist ein freifließendes, trocken erscheinendes Pulver mit einem Gehalt von 5,0 £ Feuchtigkeit. Alle spritzgetrockneten Materialien, von denen in der Folge gesprochen wird und die durch dieses allgemeine Verfahren hergestellt wurden, enthalten 5 % oder weniger Feuchtigkeit und sind auch freifließende Pulver, die auch bei einer mehrwöchigen Alterung keinen Abbau zeigen.

Die Proben in Tabelle 1_S mit Ausnahme der Proben A und B, w'urden in standardisierte Belagzusammensetzungen Überführt und auf ein Blatt eines standardisierten Rohpapiers aufgebracht. Die optischen Eigenschaften der fertigen Blätter sind in Tabelle 2 angegeben.

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Tabelle 2 (a)

Ogtlscne Eigenschaften	Probe	S, S.	Belaggewicht . lb/ream	von	unJcalandrierten Blättern	Helligkeit ® 457 mu %	Weieheits- index 4 1	Opazität % 2
	Satlnweiß¹ Kaolinltton (C) 70 #C-30# (D) 70 ^K«3OJ6		5 5 .W. 4,5 W Ji ^ frisch			71,7 73,2 75,3 72,8	26,7 26,9 22,3 26,8	93,3 93,7 95,5 94,0
	GIi	anz S 75°
	4 3 2	\i ,0 »o

Reflexionswertunterschied 700 mu — 400 mu '

Reflexionswertunterschied 530 mu über weifl/schwars

Tabelle 2 (b) Optische Eigenschaften von beschichteten Blättern nach dem Kalandrieren *

O\

Probe

GIi % <

Helligkeit ©457 mu, t

WeiSheitsindex %

Opazität %

Satinweiß 27,2

Kaolinitton 24,1

(O) 70 % K~30# S.W. 25,0

(D) 70 % K-30J* S.W.frisch 21,0

9, 72,0 72,9 71,2

30,ti 28,3 25,5 28,7

93,4 93,3 94,9 93,4

Zwei Spalte mit 0,35 atü.

Die optischen Eigenschaften der Probe G sind merklich besser als diejenigen eines frisch angesetzten äquivalenten Gemischen (Bemerke: Zwar ist eine Erhöhung des Werts in den meisten Spalten als Verbesserung zu verstehen, aber ein niedriger Wert für den Weißheitsindex zeigt eine hohe Qualität an.. Ein Unterschied von 1 ','<> in jeder der optischen Eigenschaften ist im Hinblick auf den optischen Charakter bedeutsame) Zwar ist der Glanz auf dem einfachen Satinweiß besser, aber* ein solcher Ansatz ist im Hinblick auf die Theologischenr Druck· ₉ Trocken- und anderen optischen Eigenschaften in der Praxis unerwünscht,

Beispiel 4

»-Ί-ob-^i von 70/30-Geniischen (Kaolinit/Satinweiß) wurden in ;^;hiiJivier V,'e?.se wie in Beispiel 3 tait verschiedenen Dispergiermitteln angesetzte» Stabilitättests wurden ausgeführt} wobei ate Viskositätsniessungen als Kriterium genommen wurden - Die Resultate sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt,, in denen;

FIg ^Λ> eins graphische Darstellung der Alterungseigenschaften einer 25 % Feststoffe enthaltenden Suspension bsi Verwendung verschiedener Dispergiermittel ist; FIg ?. eine graphische Darstellung wie in Fig„ 1-iat, ^obei verschiedene Konzentrationen von Natriumhexaraetaphosphat verwendet wurden; turcd

Fig- -) eins graphische Darstellung wie Fig, 1 ist, *obei verschiedene Konzentrationen von Natriumhexametaphosphat und De quest verwendet wurden,.

Die mit Gemischen aus Katriumhexametaphosphat und organischen Phosphonatenj wie "Bequest" öispergierten Zusaramensetzviügen zeigen die geringste Anfangsviskosität und be-Halten während eines längeren Zeitraumes diase geringe Viskosität₀ Diese Eigenschafton sind für die technische Verwendung wesentlich,. Beim Sprit ζ trockne η wir-u eine Auf-

-8=

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⁶AD ORig,_Nal

Bchlämmung durch feine Düsen gepumpt und in einen heißen Luftstrom atomisiert. Eine niedrige Viskosität und ein hoher Feststoffgehalt sind absolut wesentlich für den wirtschaftlichen Betrieb solcher Trockner„ Auch im technischen Betrieb ist es nicht immer ratsam, eine Aufschlämmung unmittelbar nach der Herstellung zu spritztrocknen„ Es ist allgemein üblich, viele Produktionschargeη in einem Vorratstank zusammenzubringen, um üngleichmäßigkeiten gering zu halten, und um die Durchsatzgeschwindigkeit der Vorrichtung auszuballancieren₀ Aus diesem Grunde ist die rheologische Stabilität einer Aufschlämmung von beträchtlicher Wichtigkeit_β

Beispiel 5

Proben ähnlicher Zusammensetzung und Herstellungspreise, wie es in Beispiel 4 angegeben ißt, wurden auf einem handelsüblichen Spritztrockner getrocknet, um die Wirkung des anfänglich zugegebenen Dispergiermittels und der Spritz trocknung auf die Eigenschaften des fertigen Belages zu bestimmen. Die Herstellung war ähnlich wie bei Probe C, mit dem Unterschied, daß eine minimale Dispergienaitte!konzentration verwendet wurde, um die nötige Pumpfähigkeit für den Spritztrockner zu erzielen» Beschichtete Blätter wurden entsprechend Beispiel 3 einer leichten Modifizierung der Stärke hergestellt Die Resultate sind in Tabelle 3 angegeben»

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Tabelle 5 (a) Physikalische Eigenschaften von vordisperglerten und spritzgetrockneten Ansätzen

Probe

Dispergier mittel

Peststoffe+

pH+ Brookfieldviskosltät ep ^ U/Mln 100 ü/Min

cn υη CD

(E) 70% K-30^b S.W. (pj

(G)

LO,2* Dequest

I) 80* K-20* S.W. nichts J) " 0,25*(NaP0,)-.

Γθ,2* ^

(K)

nichts	39	,7	9,6	41 bO	Ö4O
0,25*(NaP0₃)₆	39	,6	9,5	5200	848
*0,2 (NaPO₃J₆₊**	39	,2	9,5	4200	676
0,1* Na₂OO₃
*0,2 (NaPO₃J₆+**	40	,8	9,6	6320	1136

(L)

.0,1* Na CO

0,2 % Dequest

39,7 39,6

39,6

39,4

1920 2800

2400

2040

440 584

496

736

% der fertigen Belagzusammensetzung

OO CO ·

Tabelle 3(b) Optische Eigenschaften der besohlehteten B1ätter nach dem Kalandrieren»

Probe Belagge-

wicht lb/ream

Gl

75

nz

Helligkeit
bei 457nyu

Weißheits-Index %

Opazität

	(B)	5	11,6	73,3	36,4	90,0
	(P)	5	15,0	74,8	32,6	90,5
	(G)	4,5	12,2	73,9	34,9	89,9
	(H)	5,5	17,0	75,2	32,3	91,4
CO O	<*>	5	12,6	74,3	34,5	90,5
CO OO	(J)	5	14,2	74,8	33,5	90,6 £
	(K)	5	14,2	75,0	33,3	91,0 '
>v —α	(L)	5	13,5	75,8	32,4	90,4
556	JK Zwei I T	Spalte von O	,35 atü.

Ein Vergleich der physikalischen Eigenschaften in Tabelle 3 (a) zeigt, daß die Vordispergierung eine leichte Erhöhung der Viskosität im fertigen Ansatz (Beschichtungsfarbe) ergibt, aber die Viskosität für die Spritztrocknerzuführung (Figo 1) reduziert. Zwar ist jede Viskositätserhöhung entgegen eines guten Beschichtungsverhaltene gerichtet, aber dieser Betrag liegt nicht jenseits der Kompensationekapazitat von handelsüblichen Belagmaschineη„ Von noch größerer Wichtigkeit ist der Viskositätsvergleich der Proben F, G und H mit D, ein Ansatz, dessen Viskosität für praktische Zwecke zu hoch ist»

Die optischen Eigenschaften in Tabelle 3 (b) zeigen einen sogar noch größeren Vorteil der Vordispergierung bei der Spritztrocknungsarbeitsweise» Alle vordispergierten Proben sind besser als die einfach spritzgetrockneten Proben (in beiden ZusammeηsetzungsVerhältnissen), und zwar in Hinblick auf nahezu alle optischen Eigenschaften.

Beispiel 6

Belaßfarben wurden in ähnlicher Weise wie in vorhergehenden Beispielen angesetzt_s mit dem Unterschied, daß eine Menge Titandioxyd entsprechend 6 $ des Satinweiß zugesetzt -wurde α Titandioxyd ist ein allgemein übliches Pigment, das bei der Palerbeschichtung verwendet wird, und zwar wegen seines hohen Brechungsindex und weil es eine hohe Helligkeit und Opazität ergibt. Das TiOg wurde über das Satinweiß eingeführt und in situ spritzgetrocknet_o Die Belag» eigenschaften dieser Ansätze sind in Tabelle 4· angegeben«,

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CD O CO OO

Tabelle 4 (a) OptlscheEigensohaften von unkalandrlerten Blättern

Probe

Dispergiermittel 1

Belagge-

vicht

lb/ream

Helligkeit
@ 457 mu %

Welßheltsindex %

(M) Satlnvelß

(N) Kaolinit _Λ

(0) 70Ji K-30ji S.W.² nichts'

(P) 70Ji K-30ji S.W.² 0,2Ji Dequest

(Q) 70Ji K-30ji S.W. 0,3 % NH₄OH

S.W.² 0,3 Ji Na₄P₂O₇

(R)

(S) 80Ji K-20* S.W.** nichts-

(T) 80Ji K-2OJ{ S.W. 0,2Ji (NaP0,)₆

0_t\% Na₃CO^

(U) 80Ji K-20ji S.W.⁴ 0,2 % Dequest

0,2 % (NaPO₃J₆

6,3 75,9

76,6

29,9

27,8

Opazität

6 6 6	75,4 74,1 75,7	30,8 34,4 30,9	90,5 91,1 91,2	I ro 1
6	76,2	29,6	91,9
6	75,5	31,2	91,5
6	75,2	31,6	90,8
6	75,4	31,0	91,6

91,4

92,5

vor dem Spritztrocknen zugesetzt

tatsächliche Pigmentzusammensetzung: Kaolinit = 66,8$, Satinweiß = 28,6 Ji,

TiO = 1,7 Ji, oxydierte Stärke = 2,9 %

3

0,2 Ji Dequest + 0,2 Ji (NaPO)., den Belagsansatz nach dem Spritztrocknen zugesetzt.

4 3

Tatsächliche Pigment zusammensetzung: Kaolinit = 77,6 Ji, Satinweiß = 19,4 Ji

- 1,1 %_t Stärke = 1,9 Ji

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.Tabelle 4 (b) Optische Eigenschaften von beschichteten Blättern nach den

Kalandrieren+

Probe Glanz Helligkeit We iiJbe its index Opazität %® 75° *57 * %

(M)	29,0	74,9	31,4	90,1
(N)	13,0	73,9	34,3	91,3
(O)	14,0	75,0	32,0	91,0
(P)	18,3	75,1	31,5	91,2
(Q)	16,0	74,1	33,6	91,0
(R)	16,7	74,5	33,2	90,1
Φ\	16,8	74,1	33,3	91,0
(T)	16,4	74,7	32,0	91,8
(U)	19,6	75,0	31,0	91,9

+ 2 Spalte mit 0,35 atüo

Zwar ergibt die Dispergierung vor dem Spritztrocknen nit Tetranatriumpyrophosphat oder Natriumhexaraetaphosphat-Natriumcarbonat ein Material mit guten optischen Belageigenschaffen₅ aber die Überlegenheit der optischen Eigenschaften, die durch Vordispersion mit Gemischen aus Natriumhexaaetaphosphat und Dequest erhalten werden, ist eindeutige

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Claims

~ 14 -Patentansprüche

1» Papierbelagzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem gemeinsam getrockneten Gemisch aus Satinweiß und Kaolinit mit nicht mehr als ungefähr 5 ¹P Feuchtigkeitsgehalt besteht«

2ο Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Menge Stärke enthält, die ausreicht, eine klebende Eigenschaft hervorzurufen»

3» Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausreichende Menge eines Polyphosphate, von Natriumcarbonat oder eines organischen Phosphonats oder eines Gemische daraus zugesetzt ist, daß eine Dispersion der Feststoffe in der wässrigen Suspension erhalten wird_a

4, Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichne t, daß man eine Satinweißzusammensetzung in einer wässrigen

Suspension herstellt, einen Kaolinit zu der wässrigen Satinweißsuspension zugibt und den Hauptteil des Wassers von der Suspension entfernt, wodurch ein freifliebendes Pulver erhalten wird _c

5 c Verfahren nach Anspruch 4·,· dadurch gekennze i c hn e t, daß der Kaolinit als wässrige Suspension zugesetzt wird.

6, Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e k e η η -zeichnet, daß die Stärke dem Gemisch vor dem Trocknen zugesetzt wird.

7.Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ton mit Polyphosphaten in

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der genannten wässrigen Suspension vordispergiert wird_o

9ο Verfahren nach Anspruch 7₉ dadurch gekennzeichn e t, daß das Gemisch durch Zugabe von weniger als ungefähr 1 GeVn'$> eines Gemische aus Natriumhexametaphosphat und Natriumcarbonat in einem Verhältnis von ungefähr 2 : 1 bezogen auf die Feststoffe im Gemisch, vordispergiert wlrdo

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch Zusatz von weniger als ungefähr 1 Gew_n ~j6 eines Gemische aus Natriumhexametaphosphat ur eines organischen Phosphonatj bezogen auf die Feststoffe U. vordispergiert wird,

Verfahren nach einem der Ansprüche 4· bis 9, dadurch β e k e nnzeichnet) daß das Wasser durch Spritztrocknen auf einen Wert nicht höher als ungefähr 5 % entfernt wird«

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