DE2817227B2 - Bindemittel zur Herstellung von wässrigen Beschichtungsmassen für Papier und Karton für Druckzwecke - Google Patents

Bindemittel zur Herstellung von wässrigen Beschichtungsmassen für Papier und Karton für Druckzwecke

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Description

optischen Eigenschaften, die Weißheit und Brillanz, die durch das Pigment hervorgerufen werden, vermindert werden.
Unter den Latices von synthetischen Polymeren, die als Bindemittel verwendet werden, sind diejenigen die interessantesten, die das höchste Bindevermögen aufweisen, da sie in geringerer Menge verwendet werden können, um die notwendige Größe an Festigkeit gegen Losreißen in trockenem Zustand zu erzielen, die für die Druckirt erforderlich ist, während sie gleichzeitig zu maximaler Weißheit und Brillianz fahren.
Die erfindungsgemäßen Bindemittel sind auf der Basis eines wäßrigen Latex eines synthetischen Polymeren, dessen Gehalt an wasserlöslichen Verbindungen, die in der wäßrigen Phase gelöst sind, unterhalb von 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Polymere, liegt
Die wasserlöslichen Verbindungen enthalten im wesentlichen Salze, die beispielsweise durch katalytische Reste, oberflächenaktive Mittel gebildet werden den.
Im Verlauf des Ultrafiltrierens durchdringen die Verbindungen, die in der wäßrigen Phase gelöst sind, die Membran und gelangen in das Permeat, während sich
s eine progressive Desorption und Entfernung von wasserlöslichen Verbindungen ergibt, die an der Oberfläche der Teilchen des Latex adsorbiert sind. Das Ultrafiltrieren kann mit einer üblichen Anlage vorgenommen werden, wie man sie in der Industrie antrifft
ίο Eine derartige Anlage ist in der beigefügten Figur dargestellt Sie besteht im wesentlichen aus einem Behälter 1, der den zu behandelnden Latex enthält einem Behälter 2, der entionisiertes Wasser enthält einem Ultrafilter 3 und einer Pumpe 4. Der Behälter 2
über dem Behälter 1 sichert die Versorgung des letzteren mit entionisiertem Wasser über eine Leitung 5 und ein automatisches Ventil 6, das durch einen Schwimmer 7 betätigt wird, der sicherstellt daß das Niveau des Bades in dem Behälter 1 konstant gehalten
sowie makromolekulare Verbindungen, wie beispiels- 20 wird. Die Pumpe 4 pumpt den Latex durch eine Leitung weise carboxylierte Verbindungen. 8 zum Ultrafilter 3. Durch eine Leii\:ig 9, die mit einem
gefunden, daß unter sonst gleichen ~
Es wurde gefunden, daß unter sonst
Bedingungen ein genügend geringer Gehalv des Latex an wasserlöslichen Verbindungen, die in der wäßrigen Phase gelöst sind, ein verbessertes Bindevermögen aufweisen.
Als synthetische Polymere können Copolymere von Butadien und Styrol, carboxylierte Copolymere von Butadien und Styrol, Polyvinylacetate, carboxylierte Polyvinylacetat^ Copolymere von Vinylacetat und Alkylacrylat und carboxylierte Copolymere von Vinylacetat und Alkylacrylat verwendet werden.
Die Bestimmung des Gehaltes des Latex an wasserlöslichen Verbindungen, die in der wäßrigen Phase gelöst sind, wird mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen Methode durchgeführt, die die Eigenschaften einer semipermeablen Membran mit erhöhter Durchlaßschwelle ausnutzt, die die Verbindungen mit geringer molekularer Masse und gegebenenfalls die carboxylierten makromolekularen Verbindungen durchläßt u..d die Polymerteilchen zurückhält:
Man unterwirft den zu untersuchenden Latex mit einem bekannten Gewichtsgehalt an Trockensubstanz ii ausgedrückt in Prozent einer Ultrafiltration durch Hindurchführen durch eine Ultrafiltrierlaboreinrichtung, die mit einer semipermeablen Membran ausgerüstet ist. Man bestimmt den Gewichtsgehalt an Trockensubstanz des ersten Tropfens des aufgefangenen Permeats tp ausgedrückt in Prozent, der gleich demjenigen der wäßrigen Phase des Latex ist.
Der Gehalt des Latex an wasserlöslichen Verbindungen t„ die in der wäßrigen Phase gelöst sind, ausgedrückt in Prozent wird als Gewicht in bezug auf das Polymere durch folgende Formel gegeben:
Durchflußmesser 10 ausgerüstet ist «ivd das von dem Ultrafilter 3 gelieferte Konzentrat in den Behälter 1 zurückgeführt Eine Schlange 11 zum Hindurchführen von Wärmeaustauschflüssigkeit ist in dem in dem Behälter 1 enthaltenen Latex eingetaucht und sorgt für die Konstanthaltung der Temperatur. Eine Leitung 12 dient zum Anfahren der Anlage.
Ferner sind Absperrventile 13,14,15,16 und 17 sowie jo Manometer 18 und 19 vorgesehen.
Das Anfahren der Anlage und der Ablauf des Verfahrens erfolgen folgendermaßen:
Bei geschlossenem Ventil 14 und geöffnetem Ventil 13 wird die Pumpe 4 in Gang gesetzt, dann öffnet man die Ventile 14 und 15 und schließt das Ventil 13. Durch aufeinanderfolgende Annäherungen reguliert man die Öffnungen der Ventile 14 und 15 derart, daß man den gewünschten Latexdurchsatz bei dem gewünschten Druck erhält, wobei die Druckdifferenz du-ch die Manometer 18 und 19 angezeigt wird, die den Verlust der Charge am Ultrafilter 3 wiedergeben.
'Jm eine gute Durchführung des Ultrafiltrierens zu gewährleisten, ist es vorteilhaft folgende Bedingungen einzuhalten:
Die semipermeable Membran muß eine erhöhte Durchlaß-Schwelle aufweisen, die im allgemeinen zwischen 5000 und 100 000 ausgedrückt als Wert des Molekulargewichts von Prüfproteinen in neutralem gepuffertem Milieu liegt,
die Geschwindigkeit des Latexdurchgangs durch die Membran muß oberhalb von 0,5 m/s und vorzugsweise zwischen 1 und 2 m/s liegen, um die Kolmatierung hiervon zu vermeiden, obwohl der Verlust der Charge beim Ultrafiltrieren und die Scherwirkung, der der Latex unterworfen wird, begrenzt werden, die Differenz der Drücke an beiden Seiten der Membran muß zwischen 0,1 und 6 bar und vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 bar liegen,
Ein als Bindemittel gemäß der Erfindung verwendba- die Temperatur des Latex muß zwischen 0 und 100° C rer Latex wird allgemein aus einem Latex eines eo und vorzugsweise zwischen 0 und 50° C liegen, synthetischen Polymeren erhalten, das zum Herstellen wenn die Ausbeute an Permeat abnimmt, während der von wäßrigen Beschichtungsmassen für Papier und Karton verwendbar und in bekannter Weise durch Polymerisation in wäßriger Emulsion hergestellt ist, indem eine genügende Menge der wasserlöslichen Verbindungen aus dem letzteren entfernt wird. Dieses
J5
40
45
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Entfernen kann beispielsweise durch Ultrafiltrieren mit einer semipermeablen Membran vorgenommen wer-Gewichtsgehah des Latex an Trockensubstanz ansteigt, wird es bevorzugt das Ultrafiltrieren mit im wesentlichen konstanten Gewichtsgehalt der allgemein zwisehen 5 und 70% und vorzugsweise zwischen 45 und 55% liegt, gegebenenfalls nach Verdünnung, insbesondere in dem Fall, wo die Viskosität des Latex sehr erhöht wird, vorzunehmen,
dem Stillegen der Anlage muß ein Spülzyklus mit reinem Wasser folgen, um die irreversible Kolmatierung und damit das Arbeitsunfähigmachen der Membran zu vermeiden.
In dem Fall, in dem der Latex eine ungenügende mechanische Stabilität aufweist, um der Ultrafiltrierbehandlung unterworfen zu werden, ohne AnIaB zur Bildung von Agglomeraten zu geben, kann man den Latex vorher auf einen alkalischen pH-Wert im allgemeinen zwischen 7,5 und 9,5 bringen. Am Ende des Ultrafiltrierens kann der Latex konzentriert werden, wenn dies notwendig ist, und zwar auf einen Gehalt an Trockensubstanz, der für die vorgesehene Verwendung geeignet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen erläutert:
Beispiele 1 bis 14
Die Beispiele 1, 3, 5, 7, 9, Il und 13 sind Vergleichsbeispiele, während die restlichen Beispiele gemäß der Erfindung sind.
Wäßrige Beschichtungsmassen werden hergestellt und ein Papier mit Hilfe einer Beschichtungsmaschine mit Luftabstreifer mit einer Schicht von 20 g/m2, bezogen auf Trockensubstanz der beschriebenen Massen beschichtet. Man verwendet ein Papier von 54 g/m2 in den Beispielen 1 bis 6 und von 70 g/m2 in den Beispielen 7 bis 14. Das auf diese Weise beschichtete Papier wird in einem Tunnelofen bei einer Temperatur von 100° C getrocknet und dann kalandriert. indem es viermal aufeinanderfolgend zwischen zwei Zylindern unter einer Kraft von 80 kg/cm hindurchgeführt wird.
Nach dem Trocknen und Kalandrieren wird das beschichtete Papier bei einer Temperatur von 20°C und in einer Atmosphäre von 65% relativer Luftfeuchtigkeit konditioniert und dann in bezug auf Festigkeit gegen Losreißen in trockenem und feuchtem Zustand mit Hilfe folgender Methoden geprüft:
Festigkeit gegen Losreißen in trockenem Zustand
Sie wird mit Hilfe einer IGT-Vorrichtung (Institut für graphische Technik) bestimmt, in der man das Papier mit einem mit Druckerschwärze behafteten Rädchen in
ίο Berührung bringt, dessen Druck auf das Papier auf einen vorgewählten Wert eingestellt wird und dessen Geschwindigkeit gesteigert werden kann, bis der Beginn des Losreißens der Streichschicht beobachtet wird. Die Widerstandsfähigkeit gegen Losreißen in
ι · trockenem Zustand wird bestimmt durch den Wert der entsprechenden Geschwindigkeit zu Beginn des Losreißens. Man verwendet Druckerschwärze »3805« von der Firma Etablissements Lorilleux Lefranc.
Widerstandsfähigkeit gegen Losreißen im feuchten Zustand
2> Sie wird mit Hilfe der IGT-Vorrichtung bestimmt, wobei jedoch das Auftragen der Druckerschwärze bei einem Probestück aus beschichtetem Papier vorgenommen wird, auf dem man vorher einen dünnen Wasserfilm aufgeweht hat. Sie wird visuell durch Vergleich mit anderen Proben bestimmt. Man verwendet als Druckerschwärze »3801« der Firma Etablissements Lorilleux Lefranc. Die Resultate sind in Form einer Benotung von 0 bis 10 ausgedrückt, wobei die Note 0 einem Papier entspricht, das eine sehr schlechte Festigkeit aufweist,
3ϊ während die Note 10 einem Papier entspricht, das eine ausgezeichnete Festigkeit aufweist.
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle
Referenz
Polymerart
Gehalt an wasserlöslichen Verbindungen in Gew.-% in bezug auf das Polymere
Beispiele 1.3 + 5 A
Beispiele 2. 4 + 6 B
Beispiele 7 und 9 C
Beispiele 8 und 10 D
Beispiele Ii und 13 E
Beispiele 12 und 14 F
carboxyliertes Copolymer von Butadien und Styrol, 4,7
enthaltend 43 Gew.-V0 Butadien, 53 Gew.-% Styrol und 4 Gew.-% äthylenische Carboxylsäuren
carboxyliertes Copolymer von Butadien und Styrol, 0,3
enthaltend 43 Gew.-% Butadien, 53 Gew.-% Styrol und 4 % äthylenische Carboxylsäuren
carboxyliertes Polyvinylacetat, enthaltend 98 Gew.-% 2,24
Vinylacetat und 2% äthylenische Carboxylsäure carboxyliertes Polyvinylacetat, enthaltend 98 Gew.-% 0,48
Vinylacetat und 2 Gew.-% äthylenische Carboxylsäure
carboxyliertes Copolymer von Vinylacetat und 2-Äthyl- 1,83 hexylacrylat, enthaltend 88 Gew.-% Vinylacetat, 10 % 2-ÄthyIhexylacrylat und 2 Gew.-% Äthylencarboxylsäure
carboxyliertes Copolymer von Vinylacetat und 2-Äthyl- 0,08 hexylacrylat, enthaltend 88 Gew.-% Vinylacetat, 10 Gew.-% 2-Äthy!hexy!acrylat und 2 % Äthyicarboxylsäure
Die Latices B, D und F, die in den erfindungsgemäßen Beispielen verwendet wurden, wurden aus den Latices A, C und E mit 50 Gew.-% Trockensubstanz erhalten, die in den Vergleichsbeispielen verwendet wurden, indem diese der vorstehend ausgeführten Ultrafiltrierbehandlung unterworfen wurden. Diese Behandlung wurde ebenfalls auf den Latex gemäß den Beispielen 2,4 und 6 und auf den Latex angewandt, der vorher auf einen-Gewichtsgehalt an Trockensubstanz von 30% und auf einen pH-Wert von 8 durch Zusatz einer wäßrigen ammoniakalischen Lösung im Falle der Beispiele 8. 10, 12 und 14 eingestellt worden war.
Das Ultrafiltrieren wurde mit einer Einrichtung mit einer Ultrafiltrierfläche von 0,7 m2 durchgeführt, die mit einer Membran ausgerüstet war, deren Durchlaßschwelle 20 000 betrug, wobei eine Pumpe mit einer Leistung von 6 mVh bei einem Druck von 3 bar verwendet wurde. Während des Ultrafiltrierens wurde der Gehalt des Latex an Trockensubstanz durch Zusatz von entionisiertem Wasser konstant gehalten.
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind für die jeweiligen Beispiele die Ultrafiltrierdauern angegeben.
Tabelle 3
Ultrafiltrierdauer
(h)
Beispiele 2, 4 und 6 9
Beispiele 8 und 10 8
Beispiele 12 und 14 13
Am Ende des Ultrafiltrierens der Latices B und F wurden diese auf ihren anfänglichen Gehalt von 50 Gew.-% Trockensubstanz konzentriert. Nach Stillegung der Anlage wurde diese mit Wasser gespült. Eine Kolmatierung der Membran wurde nicht beobachtet.
In den nachfolgenden Tabellen 3 und 4 sind die Art und der Gewichtsgehalt der festen Bestandteile der Beschichtungsmassen der jeweiligen Beispiele aufgeführt. Gleichzeitig ist der Gewichtsteil an Trockensubstanz angegeben, auf den die Beschichtungsmassen bei einem pH-Wert von 8,5 durch Zusatz von Ammoniak eingestellt wurden.
Beispiel 2 3 4 5 13 6
1 100 100 100 100 100
Kaolin 100 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3
Natriumhexamethaphosphat 0,3 0,3 - - - -
C; rboxymethylcellulose 0,3 - 6 6 - -
Stärke - - - - 2 2
Polyvinylalkohol - - 8 - 10 -
Latex A 12 12 - 8 - 10
Latex B - 48 48 48 52 52
Gewichtsgehalt an Trockensubstanz 48
Tabelle 4
Beispiel 9 10 11 12 14
7 8
Kaolin
Natriumpyrophosphat
Polyvinylalkohol
Latex C
Latex D
Latex E
Latex F
Gewichtsgehalt an Trockensubstanz (%)
Die nachfolgenden Tabellen 5 und 6 geben die erhaltenen Resultate wieder.
Tabelle 5
100 100 100 100 100 100 100 100
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
1 1 2 2 1 1 2 2
12 10
12 10
12 10
12 10
50 50 50 50 50 50 50 50
Festigkeit gegenüber Losreißen
in trockenem Zustand (cm/s)
Festigkeit gegenüber Losreißen
in feuchtem Zustand
Beispiel
1
2 3 4 5 6
67 71 50 61 62 63
4 7 4 6 5 6
Tabelle 6
ίο
Festigkeit gegenüber Losreißen in trockenem Zustand (cm/s)
Festigkeit gegenüber Losreißen in feuchtem Zustand
Beispiel
7
8 9 10 Il 12 13 14
42 43 42 43 42 45 52 53
3 5,5 5 6 5,5 7 8 9
Es wird festgestellt, daß die Latices B1 D und F, bei denen Bindungsmittel gemäß der Erfindung verwendet werden, zu beschichteten Papieren führen, die eine Festigkeit gegen Losreißen in trockenem und feuchtem Zustand aufweisen, die oberhalb von denjenigen von beschichteten Papieren liegen, die mit Hilfe von wäßrigen Massen, enthaltend die Latices A, C und E, beschichtet sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Bindemittel auf der Basis eines wäßrigen Latex eines synthetischen Polymeren zur Herstellung von wäßrigen Beschichtungen für Papier und Kartons für Druckzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Latex an wasserlöslichen Verbindungen, die in der wäßrigen Phase gelöst sind, unterhalb von 0,5 Gew.-%, bezogen auf das I ο Polymere, liegt
2. Bindemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ausgewählt ist aus der Gruppe, die gebildet wird durch die Copolymeren von Butadien und StyroL die carboxylierten Copoly- ! mere von Butadien und Styrol, Polyvinylacetate, carboxylierte Polyvinylacetate, die Copolymeren von Vinylacetat und Alkylacrylat die carboxylierten Copolymeren von Vinylacetat und Alkylacrylat
3. Bindemittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Latex aus einem Latex eines synthetischen Polymeren erhalten wurde, das in bekannter Weise durch Polymerisation in wäßriger Emulsion hergestellt wurde, wobei aus dem letzteren eine genügende Menge der wasserlöslichen Verbindungen entfernt wurde.
4. Bindemittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das Entfernen der wasserlöslichen Verbindungen durch Ultrafiltrieren über eine semipermeable Membran vorgenommen wurde.
5. Bindemittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dai1 die Membran eine Durchlaß-Schweife zwischen 5000 und 100 000, ausgedrückt in bezug auf das Molekulargewicht von Vergleichsproteinen in neutralem gepuffertem Milieu, besitzt
6. Bindemittel nach Ansprutn 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß das Ultrafiltrieren mit einem gewichtsmäßigen Gehalt des Latex an Trockensubstanz durchgeführt wurde, der im wesentlichen konstant war und zwischen 5 und 70% und vorzugsweise zwischen 45 und 55% lag.
7. Bindemittel nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Ultraf'itrierens der Latex bis auf einen Gehalt an Trockensubstanz konzentriert wurde, der für die vorgesehene Verwendung geeignet ist.
8. Verwendung des Bindemittels nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Herstellung von Streichpapier mit wäßrigen Streichmassen.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bindemittels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Latex des synthetischen Polymeren, das in bekannter Weise durch Polymerisation in wäßriger Emulsion hergestellt ist, eine genügende Menge der wasserlöslichen Verbindungen durch Ultrafiltrieren über eine Membran entfernt wird, wobei man den Gewichtsgehalt des Latex an Trockensubstanz zwischen 5 und 70% und vorzugsweise zwischen 45 und 55% durch Zusatz von entionisiertem Wasser hält.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Ultrafiltrieren den Gewichtsgehalt des Latex an Trockensubstanz im wesentlichen konstant hält.
65 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bindemittel auf der Basis eines wäßrigen Latex eines synthetischen Polymers zur Herstellung von wäßrigen Beschichtungsmassen zum Beschichten von Papieren und Kartons för Druckzwecke. Sie betrifft ferner wäßrige Beschichtungsmassen, die dieses Bindemittel enthalten sowie Papiere und Kartons, die mit diesen Massen beschichtet sind.
Es ist bekannt, daß wäßrige Beschichtungsmassen für Papiere und Kartons Pigmente und Bindemittel enthalten. Das Pigment das am häufigsten verwendet wird, ist mineralischer Ton. Man kann ferner in geringem Verhältnis in bezug auf den mineralischen Ton andere Pigmente wie Calciumcarbonat Titandioxid, Hydrargillit Talkum, Bariumsulfat verwenden. Diese Pigmente werden in Wasser in Dispersion gebracht und zwar im allgemeinen in alkalischem Milieu und in Anwesenheit von Dispergiermitteln, von denen die wichtigsten Tetranatriumpyrophosphat Natriumhexametaphosphat sowie Polyacrylate mit niedrigem Molekulargewicht sind, die in einer Menge von 0,2 bis 0,5 Gew.-% in bezug auf die Pigmente verwendet werden. Diese Pigmente werden auf dem Papier oder Karton mit Hilfe von Bindemitteln fixiert Man verwendet allgemein als Bindemittel einen wäßrigen Latex eines synthetischen Polymers, etwa eines Copolymere von Butadien und Styrol, eines carboxylierten Copolymers von Butadien und Styrol, eines Acrylpolymers oder eines Vinylacetatpolymers entweder allein oder in Mischung mit natürlichen Bindemitteln, wie Stärke, Proteine, Casein^ oder synthetische Bindemittel, wie Polyvinylalkohole. Es ist ferner möglich, dem Latex Substanzen zuzusetzen, die die Eigenschaften des Zurückhaltens von Wasser der Beschichtungsmassen verbessern, wie etwa Carboxymethylcellulose oder Alginate.
Die Beschichtungsmassen können schließlich weitere verschiedene Bestandteile, wie insbesondere Vernetzungsmittel, Antischaummittel, Gleitmittel, optische Aufheller, Farbstoffe enthalten.
Das Beschichten von Papieren und Kartons mit Hilfe von wäßrigen Beschichtungsmassan wird mit Hilfe einer Beschickungsmaschine vorgenommen, die nach verschiedenen Techniken arbeiten kann, etwa mit Hilfe eines Luftmessers, einer Beschichtungspresse, einer Champion- oder Massey-Beschichtungsmaschine, einer Maschine mit einem Ziehrakel. Nach dem Beschichten des Papiers oder Kartons wird eine Trocknung vorgenommen.
Die Eigenschaften, die die beschichteten Papiere und Kartons besitzen müssen, sind entsprechend der Druckart, für die sie bestimmt sind, verschieden; sie betreffen hauptsächlich Heliogravur- und Offsetdruck. Die Festigkeit gegen Losreißen in trockenem Zustand, die für den Gehalt der Beschichtung auf dem Träger repräsentativ ist, muß um so größer sein, je viskoser die Druckerschwärze ist. Des weiteren hat man beim Vierfarbenoffsetdruck die zweite, dritte und vierte Farbe auf eine vorher benetzte Stelle zu drucken. Es ist daher wichtig, ein Losreißen im feuchten Zustand zu vermeiden, daß sich in ein Verschmutzen des Drucktuches und der Offsetpressen übersetzt, und daß das Papier oder der Karton eine genügende Festigkeit gegen Losreißen in feuchtem Zustand besitzt. Um die für ein Druckverfahren erforderliche Größe dieser Festigkeiten zu erzielen, besteht ein Interesse daran, ein Minimum an Bindemittel zu verwenden, da allgemein mit steigender Menge an verwendetem Bindemittel die
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