DE2711910C2 - Weiße Pigmentzusammensetzung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Weiße Pigmentzusammensetzung und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine weiße Pigmentzusammensetzung
aus einer Tonkernkomponente mit Plättchenstruktur mit einem darauf abgeschiedenen Erdalkalioder
Zinksilikatniederschlag, der etwa 10 bis 90 Gew.-% der gesamten Pigmeptzusammensetzung ausmacht.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer weißen Pigmentzusammensetzung aus
einer Tonkernkomponente mit Plättchenstruktur, wobei auf den Ton-Teilchen In wäßriger Suspension unter
Zugabe eines wasserlöslichen Alkalisilikats und eines wasserlöslichen Erdalkali- oder Zinksalzes ein wasserhaltiger
Silikatniederschlag abgeschieden wird, der etwa 10 bis 90 Gew.-% der gesamten Pigmentzusammensetzung
beträgt. Das erhaltene Produkt wird von der Suspension abfiltriert, gewaschen und gegebenenfalls getrocknet.
Aus der US-PS 29 13 419 sind Teilchen mit einer Tonkernkomponente
und einer diese vollständig umgebenden Beschichtung aus Zink- oder Erdalkalimetallsilikat
bekannt, zu deren Herstellung gleichzeitig aktive Kieselsäure und eine die Metalllonen enthaltene Lösung einer
die Tonkernkomponenten aufweisende Suspension zugegeben werden. Wird dagegen die aktive Kieselsäure
zuerst zugegeben, ergibt sich nicht das gewünschte Erzeugnis, sondern es erfolgt ein Niederschlag des SiO2
ohne das Metall. Im übrigen olliiwt der Niederschlag bei
dieser bekannten Arbeltswelse eine einheitlich dichte Umhüllung für die Tonkernkomponente, während In der
vorliegenden Erfindung der Niederschlag in regelloser Verteilung der kugelförmigen Teilchen auf Kernkomponente
abgeschieden wird.
Die US-PS 28 85 366 beschreibt Teilchen mit einer Tonkernkomponente und einer diese vollständig umgebenden
Slllkatbeschlchtung. Das in dieser Patentschrift angegebene Verfahren zur Herstellu-g uerartlger Teilchen
kann zur Erzeugung »aktiver« Kieselsäure, d. h. von nur geringfügig polymerlsiertem SIO2, die gleichzeitige
Zugabe einer Alkalimetallsilikatlösung und einer Säure zur Tonaufschlämmung umfassen. Falls nicht
genügend »aktive« Kieselsäure zugegeben wird oder Alkallmetallsilikat und Säure zu schnell reagieren, entsteht
nicht die erwünschte kontinuierliche Beschichtung, sondern ein unregelmäßiger KJeselsäureniederschlag,
während bei der vorliegenden Erfindung dieser Niederschlag aus Erdalkali- oder Zinksilikat besteht.
In der US-PS 22 59 481 ist ein Verfahren zur Behandlung von Pigmenten beschrieben, deren Neigung zum
Absetzen verringert und deren Verfärbung verzögert werden soll, bei dem ein gemahlenes Pulver hergestellt wird.
Hierzu wird einer Pigmentaufschlämmung eine Alkalimetallsillkatlösung
und darauf ein Erdalkallsalz unter Rühren zugegeben. Das Pigment wird nachfolgend gefiltert,
gewaschen, kalziniert und gemahlen. Die verbesserten Eigenschaften des Produkts werden einer Behandlung
mit CO2 während des Kalzinierens zugeschrieben.
Die US-PS 22 96 637 beschreibt ein Verfahren zum Ansäuern einer Ton-Natriumsllikatmischung, mit dem
der Ton in seiner optischen Wirksamkeit als Pigment verbessert werden soll. Ein anderes Tonpigment mit verbesserten
optischen Eigenschaften ist in der US-PS 36 90 907 dargestellt und besteht aus einer Mischung von
Ton mit Erdalkalihydroxid.
Aus der US-PS 25 99 094 ist ein Verfahren bekannt, bei
dem KaiZiumsllikat auf Zellstoffasern niedergeschlagen
wird, nach dem die Zellulosepulpe mit einer Chloridlösung behandelt wurde.
Die angegebenen Pigmentzusammensetzungen finden u. a. In der Papierindustrie Verwendung, um Papieren
beigemischt zu werden.
Die Erfindung steht unter der Aufgabe, eine weiße Pigmentzusammensetzung und ein Verfahren zu deren
Herstellung kostengünstig verfügbar zu machen und wobei Pigmentzusammensetzungen dennoch eine
erhöhte Lichtstreukraft aufweist. Zur Verbilligung soll to der Anteil der Metailsilikatkcmponente verringert werden.
Die Aufgabe wird durch die Im kennzeichne,1 Jen feil
der Ansprüche 1 und 2 dargelegten Merkmale gelöst.
Wird die erhaltene Pigmentzusamniensetzung in ein
Papierblatt eingebracht, so hat dieses einen Lichtstreukoeffizienten,
der erheblich höher ist als der einer einfachen Mischung aus Tonkomponente und Metallsilikat.
Dennoch Ist der Metallsilikatanteil bis auf 10%, verglichen
mit einer physikalischen Mischung, abgesenkt und hierdurch eine erhebliche Verbilligung eingetreten. Dieses
vorteilhafte Ergebnis wird darauf zurückgeführt, daß die kugelförmigen Silikatteilchen beim Einbringen in das
Papier als Abstandshalter zwischen den Tonkernkomponenten wirken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
wird der pH-Wert zwischen 4 und 9 eingestellt. Hierdurch wird die Welterverarbeitung am nassen Ende einer
Papiermaschine erleichtert.
Als Tonkemkomponente wird vorzugsweise einer der
bei der Papierherstellung üblichen Tone wie Kaolin verwendet und als Alkallmetallslllkat beispielsweise Natriumsilikat.
Als wasserlösliches Erdalkall- oder Zinksalz wird aus Kostengründen ein Kalziumsalz verwendet,
bevorzugt Kalziumchlorid, obwohl auch Kalziumnitrat oder -azetat Verwendung finden können. Natriumsilikat
mit 2 bis 5 Mol, vorzugsweise 3 bis 4 Mol, SiO2 pro Mol
Na;O, wird bevorzugt, da es Im Handel erhältlich und im
allgemeinen das billigste Alkallmetallslllkat Ist.
Die Reaktionstemperatur ist nicht kritisch und kann zwischen 20 und 850C liegen. Die Konzentration der
Silikatlösung wird im Zusammenhang mit den übrigen Variablen so eingestellt, daß das Verfahrer.sprodukt 10
bis 905b der kugelförmigen Teilchen, auf den Tonteilchen
niedergeschlagen, aufweist.
Ohne Einstellung des pH-Wertes findet die Reaktion bei etwa pH gleich 9 bis 10 statt. Sowohl die optische
Wirksamkeit des Produkts als auch die Reaktionyausbeute
wird jedoch durch Einstellung des pH-Wertes auf geringere Werte, nicht geringer als 4, vergrößert. Für
Verwendung des Pigmentes bei Beschichtungen oder bei Kalibrierpressen ist ein derart niedriger Wert nicht erforderlich,
sondern pH gleich 7 oder darüber, um befriedigende Ergebnisse zu erzielen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen
Flußdiagramms zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine Elektronenmikroskopaufnahme, welche die Plättchenstruktur eines typischen Kaolin-Tones zeigt;
Fig. 3 eine Elektronenmikroskopaufnahme, welche die Struktur einer Pigmentzusammensetzung zeigt, die aus
80% Ton der Fig. 2 und 20% Kalziumsilikat besteht;
F i g. 4 eine Elektronenmikroskopaufnahme, welche den Ton von Fig. 2 zeigt, der in ein Handblatt eingebracht
wurde, und
Fig. 5 eine Elektronenmikroskopaufnahme mit dem Pigment aus Fig. 3, das in ein Blatt eingearbeitet ist.
Die Pigmentzusammensetzung wird vorzugsweise kontinuierlich hergestellt, entsprechend dem in Fig. 1
gezeigten Verfahren. Zu diesem Zweck ist ein Zufuhrtank 1 vorgesehen. In welchem der Ton und ein mehr- J5
wertiges Metallsalz unter konstantem Umrühren vorgemischt werden. Diese Mischung wird durch eine Pumpe
2 zu einem oder mehreren in Reihe geschalteten Mischern 4,4' gepumpt, wo der Ton/Salz-Brei mit der
Alkalimetallsilikatkomponente gemischt wird, welche dem Tank 6 über eine Pumpe 7 zugeführt wird. Die Ausfällungs-Reaktion
In den hintereinander angeordneten Mischern 4,4' muß unter hoher Schubkraft erfolgen, um
ein promptes, durch das Salz induziertes Ausfällen des Siliziummaterials auf dem Ton zu erreichen. Danach
kann der pH-Wert des ausgefällten bzw. niedergeschlagenen Pigmentbreies auf einen Wert nicht unter 4 eingestellt
werden, Indem man beispielsweise Alaun oder ähnliches
von einem Tank 8 über eine Pumpe 9 zu dem in Reihe angeordneten Mischer 4' zuführt. Nach der pH-Wert-Einstellung
wird die Pigmentzusammensetzung gewaschen, um irgendwelche löslichen Salze zu entfernen,
und für die endgültige Verwendung gefiltert.
Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.
Für die Verwendung mehrerer Pigmentzusammensetzungen
als Papier-Füllmaterial wurden In jedem Falle 160 g Wasser mit 10 bis 40 g Ton unter geringer Schub- to
kraft in einem Becher zu einem Brei verrührt. Dann wurde eine Menge von CaCl2 · 2H2O dem Tonbrei in
trockener Form beigegeben und für 15 min gemischt. Der
Ton-/CaCl2-Brei wurde dann in einen Warlng-Mischer gegeben. Unter holler Schubkraft wurde dem Ton-/CaCh-Brei
langsam eine 10%ige Natriumsilikatlösung (Feststoffanteile) zugefügt, um das Ausfällen von Kalziumsilikat
auf dem Ton einzuleiten, und anschließend ließ man die Mischung sich für insgssamt 2 min
mischen. Darauf wurde genügend Papiermacher-Alaun der Mischung beigefügt, um den pH-Wert auf etwa 4 bis
4,5 einzustellen. Das Mischen wurde für weitere 2 min fortgesetzt. Das Reaktionsprodukt des Tones mit dem
darauf niedergeschlagenen CaSiI wurde dann in einem Buchner-Trichter gewaschen, um lösliche Salz-Nebenprodukte
zu entfernen, und damit stand die Pigmentzusammensetzung für die Auswertung In Handblättern zur
Verfügung.
Es wurden mehrere Natriumsilikatanteile ausgewertet, deren Mol-Verhältnisse SiO2: Na2O von 2,50 bis 3,75 : 1
reichten. Jedoch wurde für das oben beschriebene Experiment ein »O«-G:rad-Natriumsilikat mit einem Mol-Verhältnis
zwischen SlO2: Na2O von 3,22 : 1 ausgewählt, um
eine optimale optische Wirksamkeit des Endproduktes und einen niedrigen Preis zu erzielen. Es wurden fünf
verschiedene im Handel erhältliche Kaolin-Tone aus Georgia (Georgia-Kaolin) verwendet, deren Teilchengröße
von einem dem WP-Füller mit großer Teilchengröße (60% der Teilchen kleiner als 2 μΐπ) bis zu dem
Hydragloss 90-Beschichtungston reichte (97% der Teilchen kleiner als 2μΐη). Zusätzlich war bei den Experimenten
ein gespaltener Ton, Nuclay, enthalten. In jedem Fall wurde das Verhältnis von Ton zu Natriumsilikat in
der Pigmentzusammensetzung zwischen 0 und 100% mit Abständen von 20% variiert. Das Verhältnis von Natriumsilikat
zu CaCU · 2H2O wurde bei einem Wert von 2,8 zu 1 konstant gehalten. Tabelle I zeigt typische Zusatz-Konzentrationen
für die Ton-/Kalziumsilikat-Produkte der Pigmentzusammensetzung.
Konzentration der Zusätze des Pigments
Pigment- Wasser Ton CaCl2 ■ 2H2O Natrium- Alaun
zusammen- silikat
Setzung
80 Ton 20 CaSiI |
160 | 40 | 3,57 | 10 | 8 |
60 Ton 40 CaSiI |
160 | 30 | 7,14 | 20 | 12 |
40 Ton 60 CaSiI |
160 | 20 | 10,71 | 30 | 18,5 |
20 Ton 80 CaSiI |
160 | 10 | 14,28 | 40 | 26,0 |
100 CaSiI | 160 | 0 | 17,85 | 50 | 27,7 |
Die Tabellen II bis VI fassen die optische Wirksamkeit der Pigmentzusammensetzungen zusammen, welche mit
verschiedenen Basis-Tonen hergestellt wurden. Die optischen Eigenschaften wurden aus Handblättern bestimmt,
welche etwa 5 Gew.-% der Pigmentzusammensetzung enthielten. Zum Vergleich mit den optischen Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen wurden ebenfalls Handblätter mit physikalischen
Mischungen von Ton und TiO2 hergestellt. In jedem Falle wurde für den Faser-Eintrag eine Standard-Pulpe-Mischung
verwendet und die Handblätter wurden nach Standard-TAPPI-Verfahrensvorschriften hereestellt.
Tabelle II Optischer Vergleich
WP-Füllton
Optischer Vergleich - Ultraweiß-90-Τοη
Pigment | Hellig | Hellig | Deck | Füll | Füll | Streu | 5 | Pigment | Hellig | 83,3 | Deck | keit | Deck | Füll | Streu |
zusammen | keit | keit | kraft | material | material | koeffizient | zusammen | keit | 82,4 | kraft | kraft | material | koeffizient | ||
setzung | (%) | (%) | S' | setzung | 80,9 | (%) | S' | ||||||||
Vergleich | 78,4 | 72,5 | _ | _ | 10 | Kontrolle | 78,4 | 71,8 | _ | . | |||||
100 WP Ton | ι 79,3 | 75,9 | 4,93 | 0,158 | lOOUW-90-Τοη 79,0 | 81,7 | 75,1 | 5,36 | 0,13 | ||||||
80 Ton | 80,5 | 77,7 | 4,75 | 0,241 | 100 TiO2 | 81,3 | 84,0 | 4,45 | 0,66 | ||||||
20 CaSiI | 100 CaSiI | 79,0 | 4,15 | 0,37 | |||||||||||
60 Ton | 81,1 | 78,5 | 4,79 | 0,273 | 15 | 80 Ton | 81,8 | 77,2 | 4,28 | 0,26 | |||||
40 CaSiI | 20 CaSiI | ||||||||||||||
40 Ton 60 CaSiI |
82,1 | 78,9 | 4,71 | 0,304 | 60 Ton 40 CaSiI |
78,9 | 78,9 | 4,44 | 0,37 | ||||||
20 Ton | 82,4 | 78,4 | 4,45 | 0,317 | 20 | 40 Ton | 78,6 | 3,74 | 0,37 | ||||||
80 CaSiI | 60 CaSiI | 81,6 | |||||||||||||
80 Ton | 81,1 | 79,3 | 5,23 | 0,293 | 20 Ton | 78,6 | 4,13 | 0,34 | |||||||
20 TiO2 | 80 CaSiI | 82,7 | |||||||||||||
60 Ton | 82,3 | 80,9 | 5,04 | 0,405 | 25 | 80 Ton | 78,5 | 4,53 | 0,27 | ||||||
40 TiO2 | 20 TiO2 | 83,0 | |||||||||||||
40 Ton | 83,0 | 82,0 | 4,99 | 0,465 | 60 Ton | 79,8 | 4,84 | 0,34 | |||||||
60 TiO2 | 40 TiO2 | ||||||||||||||
20 Ton | 83,3 | 82,8 | 5,01 | 0,521 | 30 | 40 Ton | 82,0 | 5,05 | 0,46 | ||||||
80 TiO2 | 60 TiO2 | ||||||||||||||
20 Ton | 83,6 | 5,13 | 0,55 | ||||||||||||
35 | 80 TiO2 | ||||||||||||||
Tabelle V | |||||||||||||||
Tabelle III | |||||||||||||||
Optischer Vergleich - Hydrogloss | 90-Ton | ||||||||||||||
Optischer Vergieicn - | PDM-Fuliion | ||||||||||||||
40 | Pigment zusammen |
Füll | Streu | ||||||||||||
Pigment | Deck | Streu | setzung | material | koeffizient | ||||||||||
zusammen | kraft | koeffizient | (V) | S' | |||||||||||
setzung | S' | ||||||||||||||
Kontrolle 78,9 100 PDM Ton 78,7 80 Ton 20 CaSiI 60 Ton
40 CaSiI 40 Ton 60 CaSiI 20 Ton 80 CaSiI
80 Ton 20 TiO2 60 Ton 40 TiO2 40 Ton
60 TiO2 20 Ton 80 TiO2
81,1 81,5 82,1 82,3 80,8 82,2 83,0 83,3
71,5 74,9 78,7
78,7 79,6 79,5 79,0 81,0 82,9 83,2
4,08 5,01
4,36 4,64 4,30 5,05 5,02 5,25 4,44
0,156 0,300
0,330 0,380 0,400 0,300 0,410 0,500 0,620
Kontrolle 100 Hydragloss
80 Ton 20 CaSiI 60 Ton 40 CaSiI 40 Ton
60 CaSiI 20 Ton 80 CaSiI 80 Ton 20 TiO2
60 Ton 40 TiO2 40 Ton 60 TiO2 20 Ton
80 TiO2
77,6 | 71,7 | - | - |
78,2 | 73,7 | 5,49 | 0,100 |
81,2 | 78,7 | 5,11 | 0,291 |
81,6 | 79,4 | 5,06 | 0,327 |
82,2 | 80,1 | 5,06 | 0,327 |
82,5 | 79,3 | 4,88 | 0,357 |
80,6 | 77,4 | 5,42 | 0,220 |
82,1 | 80,1 | 5,32 | 0,365 |
83,3 | 82,5 | 5,39 | 0,471 |
83,9 | 83,5 | 5,41 | 0,552 |
Optischer Vergleich - Nuclay Ton
Pigmentzusammen
setzung
setzung
Hellig- Deckkeit kraft
Füll- Streumaterial koeffizient
Kontrolle | 79,0 | 71,7 | - | - |
100 Nuclay Ton | 79,8 | 75,7 | 5,03 | 0,164 |
80 Ton 20 CaSiI |
81,5 | 78,3 | 5,17 | 0,272 |
60 Ton 40 CaSiI |
82,3 | 79,2 | 4,77 | 0,346 |
40 Ton 60 CaSiI |
82,5 | 79,5 | 4,93 | 0,353 |
20 Ton 80 CaSiI |
82,0 | 77,7 | 3,74 | 0,344 |
80 Ton 20 TiO2 |
81,7 | 78,9 | 4,91 | 0,296 |
60 Ton 40 TiO2 |
82,8 | 80,8 | 4,93 | 0,397 |
40 Ton 60 TiO2 |
83,7 | 82,5 | 4,87 | 0,531 |
20 Ton 80 TiO2 |
84,2 | 83,6 | 5,07 | 0,586 |
Die Oberflächen der in Beispiel I verwendeten Tone reichten von 8 mVg für den Georgia-Kaolln-WP-Füllton
bis 22 m2/g für den Hydragloss 90-Beschichtungston der Huber Corporation. Tabelle II faßt die optischen Vergleiche
der Pigmentzusammensetzungen zusammen, die mit der Qualität des WP-Fülltons hergestellt wurden. Die
Pigmentzusammensetzung, die 80% WP-Ton enthielt, auf dem 20% CaSiI niedergeschlagen waren, hatte im
Vergleich mit WP-Ton allein eine unerwartete Verbesserung der optischen Wirksamkeit zur Folge. Das gleiche
Pigment war jedoch leicht schwächer in der Deckkraft als eine physikalische Mischung von 80% WP-Ton und 20%
TiO2. In ähnlicher Weise, wie in Tabelle III gezeigt, hatte
die Pigmentzusammensetzung mit 80% PDM-Ton, auf dem 20% CaSiI niedergeschlagen waren, ein deutliches
und unerwartetes Anwachsen der optischen Wirksamkeit im Vergleich mit PDM-Ton allein zur Folge. Darüber
hinaus war dieses Pigment bezüglich der Deckkraft einer physikalischen Mischung von 80% PDM-Ton und 20%
TiO2 gleichwertig. Ähnliche Ergebnisse fand man bei den
anderen Tonen, wie durch die Daten in Tabelle IV bis VI dargestellt. Zusätzlich zeigten die Daten, daß der Streukoeffizient
des Basistonmaterials in gleicher Weise anwächst wie der Anteil von darauf niedergeschlagenem
CaSiI.
Tabelle VII zeigt einige Beziehungen zwischen den Oberflächen des Basistonmaterials, den Oberflächen der
Pigmentzusammensetzungen, welche aus den Basistonen hergestellt wurden, und allgemeine Beziehungen zwischen
Verteilung der Teilchengröße der Tone und prozentualem Anwachsen des Streukoeffizienten der Pigmentzusammensetzungen.
In jedem Fall wurde gefunden, daß die Teilchengrößenverteilung der Pigmentzusammensetzungen
im wesentlichen die gleichen sind wie die in jedem der Fälle verwendeten Basistonmaterialien.
Wie in den Zeichnungen (Fig. 2 bis 5) gezeigt, ändern die relativ kleinen kugelförmigen Teilchen aus Kalzium-
silikat, die auf den Ton-Plättchen niedergeschlagen sind, die gesamte Teilchengrößenverteilung des Basismaterials
nicht wesentlich.
Streukoeffizient (S') gegenüber
Teilchengrößen-Verteilung
Teilchengrößen-Verteilung
Pigmentzusammen
setzung
setzung
Oberfläche
(mVg)
Streukoeffizienl
prozentuales
Anwachsen des Streukoeffizienten
Anwachsen des Streukoeffizienten
Uitraweiß 90-Ton - 90 % feiner als 2 μπα
100 Ton 12,6 0,13
80 Ton 16,4 0,26 100
20 CaSiI
60 Ton 20,5 0,37 169
40 CaSiI
Nuclay Ton - | - 80 % | ι feiner als μηι | - |
100 Ton | 11,7 | 0,164 | 6,58 |
80 Ton 20 CaSiI |
23,1 | 0,272 | 111 |
60 Ton 40 CaSiI |
28,5 | 0,346 | |
PDM-Füllton | -67 | % feiner als 2 μηα | - |
100 Ton | 12,1 | 0,156 | 54,5 |
80 Ton 20 CaSiI |
23,7 | 0,241 | 75 |
60 Ton 40 CaSiI |
21,5 | 0,273 | |
Die Daten in Tabelle VII zeigen die Bedeutung der Auswahl des im Handel erhältlichen Basistonmaterials
zur Optimierung des Beitrags der Silikatkomponente. Wenn die Feinheit der Teilchengrößenverteilung des
Basistonmaterials bei der Pigmentzusammensetzung ansteigt, so wird der Beitrag der Silikatkomponente vergrößert.
Weiterhin werden mit anwachsender Feinheit der Tonteilchen und bei höherem Anteil der Substitution
der Silikatkomponente gleichwertige optische Eigenschaften der Pigmentzusammensetzungen erzielt, verglichen
mit dem gleichen Maß einer TiO2-Zugabe. Bei den
Beschichtungstonen kleinerer Teilchengröße wurde eine gleiche optische Wirksamkeit bis einschließlich den 60%
Ton bis 40% CaSiI oder 40% TlO2-Füllmittelsystemen.
Die Daten zeigen also, daß es möglich ist, den optischen Beitrag von TiO2 in einer Papierunterlage mit der Pigmentzusammensetzung
gemäß der vorliegenden Erfindung zu verdoppeln, wobei 20 bis 40 Gew.-% des gesamten
Naßendfüllers TiO2 ausmachen würde.
Beispiel II
Proben von Pigmentzusammensetzungen wurden mit einer Versuchsapparatur gemäß Fig. 1 hergestellt, mit
der Ausnahme, daß nur ein einziger der hintereinander geschalteten Mischer benutzt wurde. Die pH-Einstellung
mit Papiermacher-Alaun wurde in kleinen Portionen vor dem Filtern und Waschen des Produktes durchgeführt.
Bei einem der Versuche (Tabelle VIII) wurde PDM-Premiumfüllton von Georgia-Kaolin verwendet, und bei
einer zweiten Versuchsreihe (Tabelle IX) wurde Ultrawelß-90-Beschlchtungsgradton
verwendet. Als Silikatkomponente wurde »O«-Grad-Natrlumsillkat der Firma
Philadelphia Quartz Company ausgewählt und als Salzkomponente des Verfahrens Kalziumchlorid. Die Konzentration
der Natriumsilikatlösung wurde von etwa 0,042 bis 0,168 kg/1 variiert, und zwar bei Flußgesphwlndlgkelten
von etwa 2,5 bis 4,8 l/mln In einem Ton-/Salz-Brel,
der 0,19 bis 0,307 kg/l Ton und etwa 0,017 bis 0,027
kg/l Salz enthielt. Aus diesen Reaktionen wurden mehrere Pigmentzusammensetzungen erhalten, gefiltert und
gewaschen. Die beim ersten Experiment (Tabelle VIII) hergestellte Pigmentzusammensetzung bestand aus 80%
PDM-Ton und 20% Kalziumsilikat. Beim zweiten Experiment (Tabelle IX) wurde die Ultrawelß-90-Ton-Komponente
zwischen 60 und 90% und die Kalziumsllikat-Komponente
von 40 bis 10% variiert. Die Hgmente wurden In
Standard-TAPPI-Handblätter als Füllmaterial eingearbeitet
und die optischen Eigenschaften gemessen.
Pigmentzusammensetzung - optische Vergleiche PDM-Füllton - kontinuierliches Verfahren
Pigmentzusammen
setzung
setzung
Helliggrad
Deckungs- Füllkraft mittel
Streukoeffizient
S'
Kontrolle 79,0 71,5 0,50
100 PDM Ton 79,3 75,3 5,02 0,155
100 PDM Ton 80,0 79,5 9,86 0,179
80 Ton 80,8 77,6 4,67 0,257
20 CaSiI
80Ton 81,8 82,1 8,90 0,277
20 CaSiI
80 Ton 81,1 77,2 4,94 0,236
20 CaSiI
80 Ton 82,1 82,4 10,11 0,259
20 CaSiI
Pigmentzusammensetzung - optische Vergleiche Ultraweiß 90-Ton - kontinuierliches Verfahren
Pigment-
zusämmen-
setzung
Hellig- Deckungs- Füll- Streukeit grad mittel koeffizient
Kontrolle 78,5
100 UW 90 Ton 79,2
80 Ton
20 CaSiI
20 CaSiI
90 Ton
10 CaSiI
60 Ton
40 CaSiI
40 CaSiI
81,0
81,0
82,2
81,0
82,2
70,3
74,4
74,4
77,5
78,0
80,3
78,0
80,3
5,30 0,157
5,25 0,278
5,23 0,300
5,42 0,396
10
15 digkelten genommen wurden, zeigten keine wesentlichen Änderungen der optischen Eigenschaften. Bei jeder Portion
wurden zwei Waschungen des Filterkuchens durchgeführt, wobei das Verhältnis 1,6 Teile Wasser zu I Teil
Pigment betrug, um bis zu 93% der während der Reaktion erzeugten Natriumsalz-Nebenprodukte zu entfernen.
Ein Vergleich der gemäß Beispiel Il erhaltenen Pigmentzusammensetzungen mit den Daten, die man mit den
gemäß Beispiel I hergestellten Zusammensetzungen erhielt, zeigt, daß das In der kontinuierlichen Vorrichtung
hergestellte Produkt etwa die gleichen Ergebnisse aufwies wie das Produkt, das In einem Waring-Mischer
In einem Versuchsaufbau hergestellt wurde.
Beispiel III
in Beispiel Hi wurden Pigmentzusammenselzungen nach dem In Beispiel II beschriebenen kontinuierlichen
Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, daß keine pH-Elnstellung durchgeführt wurde. Die so hergestellten
Pigmentzusammensetzungen wurden in Leimpressen-Ansätze eingearbeitet und einer Presse der Westvaco
Corporation zugeführt. Eine Rollenleimpresse wurde verwendet,
um aus den Ansätzen ein 27,45 kg/Ries Papier und ein 21,6 kg/Ries Clear-Spring-Papler von Offset-Qualität
zu erzeugen, beides Handelsprodukte der Westvaco Corporation. Für den Zweck dieses Beispiels Ist ein
Ries definiert als 500 Blatt Papier mit Abmessungen von 63,5 χ 96,52 cm.
Die Lelmpressen-Ansätze wurden mit Pigmentzusammensetzungen hergestellt, welche 80% UW 90-Ton und 20% CaSiI, 80% Nuclay und 20% CaSiI sowie 90% UW 90-Ton und 10% CaSlI enthielten. Die Ansätze, welche die 80/20-Pigmentzusammensetzungen enthielten, wiesen je etwa 40 Gew.-% Stärke und 60 Gew.-% Pigment auf, während die Ansätze, welche die 90/10-Pigmentzusammensetzung enthielten, etwa 35Gew.-% Stärke und 65 Gew.-% Pigment aufwiesen. Die Komponententeile wurden In Wasser zu einem Brei verrührt mit einem Feststoffgehalt von etwa 22 bis 28%. Die Leimpresse wurde mit einer Rollengeschwindigkeit von 2 m/s betrieben und so eingestellt, daß ein Ausstoß von wenif.r als etwa 2,25 kg/Ries erfolgte. Nach dem !(alibrr:\_n wurde die Papierbahn getrocknet und zu Blättern geformt, wobei Probeblätter analysiert wurden, um ihre optischen Eigenschaften und ihre Druckfähigkeit zu analysieren. Die Ergebnisse sind in Tabelle X zusammengestellt.
Die Lelmpressen-Ansätze wurden mit Pigmentzusammensetzungen hergestellt, welche 80% UW 90-Ton und 20% CaSiI, 80% Nuclay und 20% CaSiI sowie 90% UW 90-Ton und 10% CaSlI enthielten. Die Ansätze, welche die 80/20-Pigmentzusammensetzungen enthielten, wiesen je etwa 40 Gew.-% Stärke und 60 Gew.-% Pigment auf, während die Ansätze, welche die 90/10-Pigmentzusammensetzung enthielten, etwa 35Gew.-% Stärke und 65 Gew.-% Pigment aufwiesen. Die Komponententeile wurden In Wasser zu einem Brei verrührt mit einem Feststoffgehalt von etwa 22 bis 28%. Die Leimpresse wurde mit einer Rollengeschwindigkeit von 2 m/s betrieben und so eingestellt, daß ein Ausstoß von wenif.r als etwa 2,25 kg/Ries erfolgte. Nach dem !(alibrr:\_n wurde die Papierbahn getrocknet und zu Blättern geformt, wobei Probeblätter analysiert wurden, um ihre optischen Eigenschaften und ihre Druckfähigkeit zu analysieren. Die Ergebnisse sind in Tabelle X zusammengestellt.
50
55
Jede der gemäß Tabelle VIII und IX erhaltenen Pigmentzusammensetzungen wurde bei einer Rührgeschwindiekeit
des Reihenmischers von 1700 min hergestellt und zu den oben angeführten Anteilen <n Handblätter
eingearbeitet. Proben, die bei niedrigeren Geschwin-
optische und Festigkeits-Vergleiche
Qualität für kalibrierte Umschläge
Qualität für kalibrierte Umschläge
Pigmentzusammensetzung
Uber-
ZUgS-
gewicht
(kg/Ries)
(kg/Ries)
Hellig- Deck- Wachskeit grad aufnahme
Grundlage
100 UW 90-Ton
100 Nuclay
100 UW 90-Ton
100 Nuclay
80 UW 90
20 CaSiI
80 Nuclay
20 CaSiI
20 CaSiI
80 Nuclay
20 CaSiI
90 UW 90
10 CaSiI
10 CaSiI
1,9
2,1
2,2
2,5
2,2
2,5
2,2
80,4
79,5
79,9
79,5
79,9
81,5
81,0
80,9
81,0
80,9
92,2 9
92.0 14+
92.5 14+
93.6 12
93,6 13
93,6 13
93.1 14+
Fortsetzung
Pigment | Über | Hellig | Deck | Wachs |
zusammen | zugs- | keit | grad | aufnahme |
setzung | gewicht | |||
(%) | (kg/Ries) |
Clear Spring-Offset-Qualität
Grundlage
80 UW 90
20 CaSiI
80 Nuclay
20 CaSiI
80 UW 90
20 CaSiI
80 Nuclay
20 CaSiI
90 UW 90
10 CaSiI
10 CaSiI
81,4
1,2 82,2
1,2 81,6
0,9 82,2
89,0
90,1
90,2
89,7
90,1
90,2
89,7
12
13
14+
13
Die in Tabelle X gezeigten Daten machen deutlich, daß die Verbesserung der optischen Eigenschaften der
Pigmentzusammensetzungen der Erfindung erheblich sind im Vergleich mit den Vergleichsansätzen, welche
lediglich Nuclay oder Ultraweiß 90-Ton enthalten. Die Prüfung der kalibrierten Papierproben zeigt auch, daß die
Ansätze, welche Pigmentzusammensetzungen nach der vorliegenden Erfindung enthielten, eine gleichförmigere
Oberfläche aufwiesen. Die Ansätze der Pigmentzusammensetzungen schienen sich auch gleichförmiger zu
benetzen als die Verglelchsansätze, wenn ein Tropfen Wasser aufgebracht wurde. Die Wachsaufnahme, ein
Maß für die Aufnahmefähigkeit des Papiers beim Offset-Drucken, verringerte sich bei Verwendung der Ansätze
mit erfindungsgemäßer Pigmentzusammensetzung nicht signifikant. Diese Ergebnisse wurden bei Labor-Druckversuchen
bestätigt, wo sich keine Unterschiede bei der Aufnahmefähigkeit zeigte zwischen Papier, das mit
Ansätzen gemäß der erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzung kalibriert wurde und Papier aus Versuchsansätzen.
Darüber hinaus wurde mit Ansätzen, welche die erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen verwendeten,
das Durchscheinen der Druckschwärze erheblich reduziert, wohingegen das Aussehen des Blattes
erheblich verbessert wurde.
Die erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzungen sind auch bei der Beschichtung von Papieransätzen von
Nutzen. Bei der Papierbeschichtung wird im allgemeinen TiOj-Pigment verwendet, um Blätter mit hohem Deckgrad
und Helligkeit zu erhalten und außerdem wegen der guten Deckkraft.
TiO2 ist jedoch ein Material, das leicht abgetragen wird
(die übliche Valley-Abtragung liegt bei etwa 25 mg), außerdem ist es teuer. Daher wird ständig nach Ersatzstoffen
für das TiO2 bei der Papierbeschichtung gesucht.
Beispiel IV
Es wurden Beschichtungsansätze hergestellt, bei denen das üblicherweise benutzte TiO2 durch eine Menge gleichen
Gewichts der erfindungsgemäßen Pigmentzusammensetzung ersetzt wurde. Zu diesem Zweck wurde eine
Pigmentzusammensetzung, bestehend aus 90% Ultraweiß 90-Ton und 10% Kalziumsilikat nach dem kontinuierlichen
Herstellverfahren, das in Beispiel II beschrieben wurde, hergestellt. Es wurden drei Beschichtungsansätze
erzeugt, ein Vergleichsansatz, welcher kein TiO2 enthielt,
eine zweite Beschichtung, die 5% TiO2 enthielt und eine
dritte experimentelle Beschichtungsfarbe, die 5% der 90/10-Pigmentzusammensetzung enthielt, alle Angaben
in Gew.-%. Jeder Beschichtungsansatz enthielt ebenfalls Ton, Kalk, Stärke und ein Latex, das nach einer Standardformel
hergestellt wurde. Die Kontroll-Beschichtung hatte eine Brookfield-Vlskosltät von 14 000 cps bei 60,4%
Feststoffen, während die Beschichtung mit der erflndungsgemäßen Pigmentzusammensetzung eine Brookfleld-Vlskosität
von 20 000 cps bei 59,8% Feststoffen aufwies. Die Beschichtungen wurden über eine Streichvorrichtung
einer 17,1 kg/Ries Offset-Presse (ein Produkt der Westvaco Corporation) zugeführt, bei sechs verschledenen
Streichungen, um Schichtgewichte von etwa 2,25 bis 5,85 kg/Ries zu erzeugen. Die beschichteten Bahnen
wurden getrocknet, bei 4,14 ■ 10bN/m2 und 65° C dreifach
kalandriert und dann zu Blättern geformt, um Proben zu erhalten, von denen die Daten In Tabelle Xl
erhalten wurden.
Pigmentzusammensetzung/TiO2-Beschichtungs-Ansätze
(Vergleich der optischen Qualität und der Druckfahigkeit)
Schicht | Glätte | Glanz | Deck- | 1057 | 48 | 86,5 | Hellig | Wachs | |
gewicht | 1329 | 54 | 87,1 | keit | aufnahme | ||||
25 | kg/Ries | 1330 | 57 | 87,7 | |||||
5 % TiO2 | 1253 | 58 | 88,7 | ||||||
2,3 | 928 | 51 | 87,1 | 1561 | 58 | 89,6 | 74,3 | 7 | |
30 | 3,0 | 1088 | 57 | 87,7 | 1174 | 55 | 90,4 | 74,8 | 7 |
3,5 | 1224 | 59 | 88,7 | 75,5 | 7 | ||||
4,1 | 1296 | 61 | 89,1 | 867 | 47 | 86,2 | 75,8 | 7 | |
4,5 | 1335 | 62 | 89,5 | 1082 | 55 | 87,3 | 76,1 | 7 | |
35 | 5,4 | 1467 | 66 | 90,5 | 1182 | 56 | 87,8 | 76,4 | 7 |
Pigmentzusammensetzung 5 % | 1357 | 58 | 88,3 | ||||||
dn | 2,25 | 1381 | 59 | 88,9 | 73,6 | 7 | |||
2,7 | 1321 | 58 | 89,8 | 73,8 | 7 | ||||
3,4 | 74,4 | 7 | |||||||
4,2 | 74,7 | 7 | |||||||
45 | 4,9 | 74,9 | 6 | ||||||
5,8 | 75,8 | 6 | |||||||
Kontrolle | |||||||||
50 | 2,5 | 73,3 | 8 | ||||||
3,1 | 73,7 | 8 | |||||||
3,6 | 74,0 | 7 | |||||||
4,2 | 74,3 | 7 | |||||||
55 | 4,5 | 74,4 | 7 | ||||||
5,9 | 74,7 | 7 |
Wie aus den Daten der Tabelle XI zu ersehen ist, ergab ein Beschichtungsansatz, in welchem TiO2 durch eine
gleiche Gewichtsmenge einer 90/10-Pigmenizusammensetzung
ersetzt wurde, ein beschichtetes Papier mit optischen Eigenschaften (Deckkraft und Helligkeit), die etwa
in der Mitte zwischen denen des Papiers lag, welches mit
dem Standardansatz, der TiO2 enthielt, und dem Papier mit dem Versuchsansatz, ohne TiO2. Glanzmessungen
waren bei dem Ansatz mit Pigment leicht niedriger als diejenigen bei einem Standardansatz, während die Glätte
erhöht war. Unter Zugrundelegung anderer Daten (nicht beschrieben), würde die Valley-Abtragung der in Beispiel
IV verwendeten Pigmentzusammensetzung von etwa 8
his 12 mg reichen, d. h. -:nter derjenigen von TiO2 liegen,
während eine Kosteneinsparung bei der Verwendung von
Pigmentzusammensetzungen gegenüber TiO2 erheblich
sein würde. Man ersieht daraus, daß die erfindungsgemäße Pigmentzusammensetzung eine gute Wahl für das
Ersetzen von TiO2 bei Papierbeschichtungsansälzen darstellt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Weiße Pigmentzusammensetzung aus einer Tonkernkomponente mit Plättchenstruktur mit einem
darauf abgeschiedenen Erdalkall- oder Zinksilikatniederschlag, der etwa 10 bis 90 Gew.-96 der gesamten
Pigmentzusammensetzung ausmacht, dadurch gekennzeichnet,
daß der Silikatniederschlag in Form kugelförmiger wasserhaltiger Teilchen auf den Ton-Teälchen
abgeschieden worden ist.
2. Verfahren zur Herstellung einer weißen Pigmentzusammensetzung
aus einer Tonkernkomponente mit Flättchenstruktur, wobei auf den Ton-Teilchen In wäßriger Suspension unter Zugabe eines
wasserlöslichen Alkalisilikats und eines wasserlöslichen Erdalkali- oder Zinksalzes ein wasserhaltiger SiH-katnlecierschlag
abgeschieden wird, dsr etwa 10 bis 90Gew.-% der gesamten Pigmentzusammensetzung
beträgt, das erhaltene Produkt von der Suspension abfiltriert, gewaschen und ggf. getrocknet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das wasserlösliche Erdalkali- oder Zinksalz in die Tonsuspension eingemischt
und danach die Alkallsilikatlösung unter hoher Schubkraft zugeführt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert zwischen 4 und 9 eingestellt
wird.
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