DE3519870A1 - Verfahren zur herstellung eines beschichtungsmittels fuer papier und andere zellulosehaltige stoffe - Google Patents

Description

Bonn, den 28.05.198 5 MW/ka A- 5ü4 Sliri

Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsmittel für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe

Das vorliegende Patent beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsmittels für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe ,.bestehend aus Pigmenten, Dispersions- und Bindemitteln.

Mit dem Beschichten oder dem Streichen von Papier durch ein flüssiges Produkt will man Oberflächen auf Papier erhalten, die widerstandsfähig gegen feuchte Reibung sind. Dieses Charakteristikum ist besonders für das Offset-System wichtig, welches heute im großen Ausmaße benutzt wird, um Drucke von hoher Qualitat herzustellen. Für das Offset-Verfahren ist es notwendig, daß die Papiere und Kartone, auf denen sich die Druckoperation ab- / spielen soll, auf ihren Oberflächen eine gute Abriebbeständigkeit haben. Haftet die Oberflächenschicht des Papiers an den Oberflächen des Werkzeuges, sind die Druckergebnisse negativ, da sich in den Druckrillen eine Schicht aus Streichpigment ablagert und ein fehlerhaftes Druckbild entsteht. Die Abriebbeständigkeit wird zur jetzigen Zeit mit bekannten Methoden dadurch erreicht, daß man Harze und chemische Reaktionsprodukte, z.B. wie die des Calciumsulfoaluminats mit einem Protein oder einer Stärke anwendet.

Diese Systeme werden jedoch zunehmend unbeliebter, weil die dafür benutzten Materialien einen hohen Preis haben und die Behandlung des Papiers übermäßig teuer wird. 25

Beim Beschichten von Papier wendet man in der Hauptsache 3 Komponenten an:

1. Pigmente von einem bestimmten Habitus, 2. Dispersionsmittel,

3. natürliche oder synthetische Bindemittel. "" „

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Die Pigmente bringen dem Papier dabei Glätte, Opacität und Glaz, die Dispersionsmittel erlauben hohe Konzentrationen an Pigmenten bei niedriger Viskosität und .die Bindemittel binden die Pigmente an die Oberfläche des Papiers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Beschichtungsmittel der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Abriebbeständigkeit der beschichteten Papieroberfläche erhöht und ein gutes Druckbild bei gleichzeitig niedrigen Einsatzkosten erreicht wird. Zusätzlich soll die Haltbarkeit (Verarbeitungszeit) für die Beschichtungsmittel verlängert werden und die Verträglichkeit beim Bedrucken mit verschiedenen Tintenarten optimiert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst, wobei erstmalig die Verarbeitung von calciumionenhaltigen Pigmenten ermöglicht wurde. Vorteilhafterweise besteht das Pigment aus Calciumsulfat mit zwei Wassermolekülen, welches auf feuchtem Wege in einer Kolloidalmühle auf die entsprechende Granulometrie vermählen worden ist. Die Verwendung eines wasserfreien Calciumsufats ist ebenfalls möglich, wobei ein trockener Mahlprozess angewendet werden kann.

Mit den üblichen Dispergiermitteln kann das Pigment nicht dispergiert werden, da das Calciumion eine erhöhte Löslichkeit aufweist. Das Pigment wird jetzt mit einem Kolloid zur Reaktion gebracht, das sowohl als Dispersionsmittel als auch als Bindemittel wirkt und als Stabilisator der Suspension wirkt. Es bindet nicht nur die Calciumionen der Suspension sondern fixiert auch das Pigment auf das Trägermaterial, d.h. auf die Oberflächenschicht des zu behandelnden Papiers.

Die oben erwähnten Charakteristiken des Kolloids werden durch eine Reaktion eines Polysacharids mit einer Kombination einer Phosphorsäure und einer ammoniakalisehen Base, vorzugweise Harnstoff, erhalten. Die Reaktion wird in einem Autoklaven bei

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Temperaturen der Größenordnung von 180 - 200 ⁰C durchgeführt, wobei kollide Polyphosphate mit erhöhter Dispersionskraft erhalten werden, die in der Lage sind, mit dem Calciumion durch Austausch der Ammoniumgruppen zu reagieren. Durch die chemisehe Reaktion zwischen dem Kolloid und dem Pigment erhält man einen einheitlichen Stoff, dessen Glätte und Opacitätseigenschaften wesentlich besser sind als die einer einfachen Mischung eines Pigments und eines Bindemittels. Die Zugabe des Pirgments erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen < 45 ⁰C, um die Bildung von Dextrin aus den Polyphosphaten zu verhindern.

Zur optimalen Einstellung der Tintenverträglichkeit ist es notwendig, als Mikropigment bei einer Durchführung des Prozesses eine zusätzliche Substanz einzusetzen. 15

überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Aluminiumhydroxid in Korngrößen von 1 - 6 μπι besonders gut mit Calciumsulfat verträglich sind.

Aluminiumhydroxid erlaubt beim Dispersionsprozeß oder bei der nassen Vermahlung des Calciumsulfats in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Kolloid die Viskosität der Calciumsulfatsuspension auf nierigem Niveau zu halten.

Natürlich kann man auch versuchen, eine Paste odor Slurry herzustellen, die geeignet ist, auch ir.it anderen Pigmenten, wie z.B. Kaolin, vermischt zu werden. Dies ist prinzipiell möglich; jedoch ist zu beachten, daß der Anteil des Schutzkolloids dann höher sein muß. Die dabei anzuwendenden Dispersionsmittel müssen vorher getestet werden, um festzustellen, ob sie mit dem Schutzkolloid vereinbar sind, da dessen erhöhter Gehalt an Polyphosphaten die Charakteristiken der Streichfarbe beeinflussen könnte.

Ist die Paste oder die Slurry mit Calciumcarbonat oder ähnlichen Pigmenten vermischt, ist die vorhergenannte Vorsicht nicht in diesem Ausmaß notwendig, da Calciumsulfat sich hiermit besser als mit Kaolinen verarbeiten läßt und da man das Schutzkolloid in diesem Falle als Quas!-Dispergiermittel verwenden kann.

Weitere Vorsichtsmaßnahmen sind dann nicht erforderlich, da die Dispersionskraft r.it der üblicher Dispergiermittel vergleichbar ist.

Das Produkt, das durch den Prozeß, der in diesem Patent beschrieben ist, erhalten wird, ist mit jedem Latextyp verträglich, der es erlaubt, Streichfarben des notwendigen hohen Flexibilitätsgrads zu erreichen, zur Verwendung auf Papieren oder Kartonagen.

Die Widerstandsfähigkeit gegen feuchten Abrieb einer so behandelten Oberfläche ist gut, da das Schutzkolloid eine chemische Reaktion eingegangen ist, die einen Grad von Unlöslichkeit hervorruft, der jegliche Art von Offset-Druck erlaubt. Wird das beschriebene Produkt bei Pigmenten angewendet, die keine Calciumionen enthalten, reduzieren sich seine Vorzüge auf seine Eigenschaft als Bindemittel mit dem Vorteil seiner Kaltwasserlöslichkeit, die ein vorheriges Lösen bei erhöhten Temperaturen unnötig machen.

Andere Vorteile des kolloidalen Produktes werden durch seinen amphoteren Charakter und seine dadurch erhaltene Fähigkeit, in einer breiten pH-Zone angewendet werden zu können, beschrieben. Zur Erleichterung der Erklärung sind der vorliegenden Schrift drei

Zeichnungen beigelegt, in welchen beispielhaft und nicht mit dem Anspruch auf Vollständigkeit eine Möglichkeit zur Realisierung des Prozesses zur Herstellung eines Produkts zum Streichen von Papier nach den beschriebenen Prinzipien dargestellt wird.

In den Zeichnungen ist enthalten: Figur 1:

Ein Prinzipbild zur Herstellung eines basischen Pigmentes mit Calciumionen auf trockenem Weg. Das Pigment wird später durch ein Mikropigment mit Aluminiumionen verstärkt.

Figur 2:

Die Herstellung des Schutzkolloids mit den Funktionen des Dispersionsmittels und des Bindemittels für die vorher erwähnten Makropigmente und Mikropigmente.

Figur 3:

Die Kombination der Pigmente mit dem Schutzkolloid·

Die mit Nummern bezeichneten Elemente der Zeichnungen entsprechen den Nummerierungen, die im folgenden verwendet werden:

Figur 1

Die Behandlung des Calciumsulfats wird auf trockenem Weg mit einem Drehrohrofen durchgeführt, dessen Beladungsöffnung 1 das Material aufnimmt, in den Dreh-Ofen 2 dosiert und im folgenden durch eine Endlos-Förderschnecke 3 einem mit einem Rührer bestückten Rezipienten zuführt. Dieser enthält das Vibrationssieb 10. Nach der Siebung wird das Produkt über eine Strahlmühle und eine Klassifizierungseinrichtung zu Lagerbehältern gebracht (Klassifizierungseinrichtung*6, Strahlmühle 5, Lagerbehälter 7) . .¹^

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Eine Regeleinrichtung 8 am Ausgang des Einfülltrichters verhindert das Verklumpen des Produktes.

Der Drehofen 2 arbeitet bei Temperaturen in der Größenordnung von 800° C kontinuierlich. Der Rezipient 4 enthält das Material mit dem gewünschten DIN-Feinheitsgrad. Das Vibrationssieb 10 eliminiert unerwünschtes Material, welches den Prozeß der Mikronisation des Calciumsulfates stören könnte. Die Strahlmühle 5 arbeitet bei Drücken , zwischen 10 und 14 kg/cm². Der Windsichter 6 kann Partikel bis zu einem Maximum von 5 μΐη mittlerer Durchmesser trennen.

Die Präparationsweise nach Figur 2 beinhaltet für das

Kolloid bei einem Prozeß mit begrenzter Kapazität die Anwendung eines Autoklaven 11, der mit einem über einen geschwindigkeitsregulierbaren Motor 12 angetriebenen Flügelrührer versehen ist. Der gesamte Apparat ist mit einem Wärmedämmüberzug 13 versehen. Der Auslaß 14 des Autoklaven liefert die vorgesehenen Produktquantitäten.

Bei einem kontinuierlichen Prozeß wird man einen Mischbehälter 15 benutzen, dessen Antrieb durch den Motor 16 bewirkt wird und dessen Auslaß gleichzeitig den Einlaß eines kontinuierlichen arbeitenden Gefäßes 18 vom Typ einer rotierenden Trommel bildet -ähnlich zu 2-, an dessen Auslaß sich wiederum ein Vibrationssieb 19 befindet, welches das Material zur Lagerung 20 bringt.

Man wird als Bindemittel und Dispersionsmittel für das Calciumsulfat eine Stärkepolyphosphat anwenden, wie es im vorhergehenden beschrieben ist. Wenn man eine Maisstärke anwendet, muß die Arbeitstemperatur zwischen 180 und 190° C liegen, falls man jedoch mit Kartoffelstärke arbeitet, sollte die Temperatur 160 bis 170° C sein.

Der letzte Schritt des Prozesses wird mit den Geräten durchgeführt, die in Figur 3 dargestellt sind, wobei der Kochbehälter 21 mit speziellen Rührblättern 22 in der Art eines Pflugscharmischers versehen ist und durch einen Motor 23 mit regulierbarer Geschwindigkeit angetrieben wird. Im anderen Teil ist dargestellt, daß der Dispergierbehälter 24 mit einer Kühleinrichtung und einer Einrichtung für einen Dispergierrührer 25 versehen ist, wobei die Geschwindigkeit des Rührers über

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einem Motor 26 regulierbar ist. Das Vibrationssieb 27 selektiert das Material und führt es zur Zwischenlagerung zu.

In dem Kocher 21 wird das Stärkepolyphosphat bei einer Temperatur zwischen 70-80 ⁰C und einer Konzentration von ungefähr 20 % Feststoffen hergestellt. Die Reaktion wird 90 Minuten aufrecht erhalten, wobei man auf 60 ° C abkühlt. Danach gibt man das mit Schutzkolloid versehene Pigment aus mikronisiertem Calciumsulfat bei kontinuierlicher Rührung zu dem Dispersionsbehälter 24. Dabei sinkt die Temperatur auf 40 ⁰C, steigt aber im weiteren Verlauf aufgrund der erhöhten Scherkräfte auf 60 ⁰C an. Ein weiteres Ansteigen der Temperatur ist durch Kühlung zu verhindern.

Ist das Calciumsulfat dispergiert, gibt man als weiteres Pigment das Aluminiumhydroxid hinzu, wobei man diesen Prozeß der Dispersion weiter fortsetzt, wo eine stabile Paste mit möglichst hohem Feststoffgehalt entsteht. Danach gibt man ein Mikrobiozid zu, um zu verhindern, daß das Stärkepolyphosphat fermentiert wird.

Die resultierende Paste sollte keine Partikel mit einem mittleren Durchmesser über 6 μ enthalten.

Ausführungsbeispiel

Für Streichversuche wurde Trägerpapier (140 g/m²) erster Qualität {100 % Zellulose, lange und kurze Faser) eingesetzt. Das Papier erhielt ein Stärkebad von 2 g/m² auf jeder Seite.

Auf den Träger wurde ein Vorstrich mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel von ca. 10 g/m² mit Rakel gemacht, anschließend eine Schicht mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel von 20 g/m² mit dem Blasrohr aufgetragen. Die erhaltenen Papiere waren für alle Druckverfahren geeignet. Das Papier wurde mit einer Druckgeschwindigkeit von 20 m/sec bedruckt. Selbst bei hohen Druckgeschwindigkeiten vor. 50 m/sec konnte kein Verlaufen oder andere Unsauberkeiten im Druckbild festgestellt werden.

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Nach vier Stunden Betriebszeit waren weder Kopfstück noch Rollen zu reinigen; eine Verschlechterung des Druckbildes konnte auch nach längerer Betriebsdauer -nicht festgestellt werden.

Claims (8)

Bonn., den 30.05 . 1 9 8 5 WW/ka ■- A- 504'- Sfin Patentansprüche :

1. Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsmittels für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe, bestehend aus Pigmenten, Dispersions- und Bindemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel durch Zugabe einer Mischung aus einer Phosporsäure und einer Ammoniumbase zu einer Stärke als Kolloid hergestellt wird, wobei die 3 Komponenten in einem Autoklaven bei 160 bis 220 ⁰C für 180 bis 240 Minuten reagiert und dann schnell auf eine Temperatur unter 4 5 ⁰C abgeschrekt und durch Dispergierung, Hydratisierung und Trocknung bei Temperaturen über 80 ⁰C in ein Kolloid überführt werden.

2. Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsmittels für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer wäßrigen Lösung des Kolloids ein calciumionenhaltiges- Pigment zugegeben wird, wobei eine Temperatur unter 45 ⁰C eingehalten wird und die Dispersion der Mischung langer als 30 Minuten durchgeführt wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsmittels für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mischung ein Mikropigment der Korngröße 1 - 6 um enthalten ist.

4. Verfahren zur Herstellung eins Beschichtungsmittels für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als AKimoniuir.base Harnstoff und als Stärkemittel Kartoffelstärke verwendet wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsmittel für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponeten des Kolloids aus 1 - 20 % Phosphorsäure, 1 - 50 % Ammoniumbase, Rest Stärke, besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsmittels für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wäßrigen Lösung des Kolloids Ammoniumbase zur■Einstellung eines basischen pH zugegeben wird.

7. Verfahren zur Herstellung eins Beschichtungsmittels für Papier und andere Zellulosehaltige Stoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als calciumionenhaltiges Pigment Calciumsulfat zugegeben wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsmittels für Papier und andere zellulosehaltige Stoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikropigment Aluminiumhydroxid ist.