DE3888228T2

DE3888228T2 - Bakterienzellulose für die Oberflächenbehandlung von Faserbahnen.

Info

Publication number: DE3888228T2
Application number: DE19883888228
Authority: DE
Inventors: Donald Curtis Johnson; Henry Albert Leblanc; Amar Nath Neogi
Original assignee: Weyerhaeuser Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1987-05-04
Filing date: 1988-05-03
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2008-05-04
Also published as: EP0289993B1; EP0289993A2; EP0289993A3; NZ224401A; DE3888228D1; CA1327147C; CN1016453B; CN1030109A

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Continuation-in-part-Anmeldung der Anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 166 283, eingereicht am 10. März 1988, welche ihrerseits eine Continuation-in-part-Anmeldung der Anmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 045 985 ist, die am 4. Mai 1987 eingereicht wurde.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserbahnenprodukt, dessen Oberfläche mit einer eine bakterieller Cellulose enthaltenden Zubereitung behandelt wurde, und ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung derartiger Faserbahnen mit bakterieller Cellulose. Eine besonders nützliche bakterielle Cellulose ist eine solche, die in einer belüfteten, bewegten Kultur unter Anwendung eines Mikroorganismus des Genus Acetobacter gebildet wird, der genetisch zur Celluloseherstellung unter Bewegungsbedingungen selektiert wird. Papiere weisen nach Behandlung ihrer Oberfläche mit einer derartigen bakteriellen Cellulose charakteristische Druckeigenschaften auf, die denen von qualitativ hochwertigen, beschichteten Offset- Papieren nahekommen oder deren Eigenschaften gleichkommen.
Es war seit vielen Jahren bekannt, daß Cellulose unter Einsatz bestimmter Bakterien synthetisiert werden kann, insbesondere solcher Bakterien des Genus Acetobacter. Mit der Taxonomie befaßte Fachleute waren jedoch nicht in der Lage, einer in sich schlüssigen Klassifizierung der Cellulose produzierenden Spezies von Acetobacter zuzustimmen. Beispielsweise sind die in der 15. Ausgabe des Katalogs der American Type Culture Collection unter den Zugangsnummern 10245, 10821 und 23769 aufgelisteten, Cellulose produzierenden Mikroorganismen sowohl als Acetobacter aceti subsp. xylinum und als Acetobacter pasteurianus klassifiziert. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sollte jede Spezies oder Varietät eines Bakteriums innerhalb des Genus Acetobacter, das unter Bedingungen einer bewegten Kultur Cellulose produziert, als geeignetes Bakterium zur Celluloseproduktion für die Zwecke der vorliegenden Erfindung angesehen werden.
Acetobacter aceti subsp. xylinium wird normalerweise unter statischen Bedingungen kultiviert, wobei die Cellulose-Mikrofibrillen (Mikrofasern) an der Grenzfläche Luft/- Kulturmedium produziert werden. Die meisten Bakterien dieser Spezies sind sehr schlechte Celluloseproduzenten, wenn sie in einer gerührten Kultur gezüchtet werden. Ein für eine derartige schlechte Celluloseproduktion vorgeschlagener Grund ist, daß eine gerührte Kultur eine Tendenz in Richtung auf eine Mutation zu keine Cellulose produzierenden Stämmen induziert. Im Gegensatz dazu sind die Acetobacter-Stämme gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Fähigkeit gekennzeichnet, große Mengen an Cellulose in einer gerührten Kultur zu produzieren, ohne daß es zu einer ins Auge fallenden Instabilität führt, die einen Verlust der Celluloseproduktion in der Kultur nach sich zieht.
In einer früheren US-Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 788,915 (Einreichung: 18. Oktober 1985) werden Acetobacter-Varietäten offenbart, die unter den Bedingungen einer bewegten Kultur starke Celluloseproduzenten sind. Es scheint, daß die durch die Mikroorganismen und unter den in dieser Anmeldung offenbarten Kulturbedingungen produzierte Cellulose einzigartig ist und sie physikalisch recht verschieden von der durch Bakterien hergestellten Cellulose ist, die in statischen Kulturen produziert wird. Sie hat eine in hohem Maße verzweigte, dreidimensionale, vernetzte Struktur. Ein in einer statischen Kultur produziertes normales Cellulose-Häutchen hat üblicherweise eine lamellare Struktur, bei der in signifikant geringerem Umfang Verzweigungen auftreten. Die vorliegende Erfindung schließt die Verwendung von durch derartige Mikroorganismen unter gerührten Bedingungen hergestellter bakterieller Cellulose als Mittel zur Oberflächenbehandlung von Faserbahnen ein.
Die Tatsache, daß die Anwendung statischer Bedingungen bei der Herstellung von Cellulose erforderlich ist, ist in dem US-Patent Nr. 4,588,400 (Einreichung: 16. Dezember 1982) offenbart. Darin wird das Kulturmaterial während des Zellwachstums und der Celluloseproduktion in im wesentlichen bewegungslosem Zustand gehalten. In dem US-Patent Nr. 4,588,400 wird die Bildung eines Bakterienhäutchens unter statischen oder von Bewegungen freien Bedingungen beschrieben, von dem gesagt wird, daß es letzten Endes als Wundverband verwendbar ist. Bewegung mit Unterbrechungen führt zur Bildung von Fasern einer endlichen Länge, die bestimmt wird durch die lineare Ausdehnungsgeschwindigkeit der Fibrille (Faser) und den Zeitraum zwischen dem durch Bewegung bedingten Scheren der Fibrille von der Oberfläche des Mikroorganismus. In der Druckschrift ist jedoch nichts offenbart über die Wirkungen eines kontinuierlichen Bewegens auf das Cellulose-Produkt oder die Produktion einer in hohem Maße verzweigten, dreidimensionalen, vernetzten Fibrillenstruktur entweder unter statischen oder unter bewegten Bedingungen. Genauso wenig findet sich eine Offenbarung über die Verwendung von bakterieller Cellulose als Mittel zur Oberflächenbehandlung von Faserbahnen.
Geformte Papier-Diaphragmen, die bakterielle Cellulose in der Papiermasse und nicht als Oberflächenbeschichtung enthalten, sind beschrieben in der EP-A 0 200 409.
Mittel zur Oberflächenbehandlung, wie sie allgemein dazu verwendet werden, im Handel erhälflichen Papieren und für Publikationen bestimmten Papieren Druckoberflächen hoher Qualität zu verleihen, sind allgemein Ton, einen Latex und Stärke-Bindemittel enthaltende Mischungen. Typischerweise wird die Mischung auf die für den Druck bestimmte Oberfläche mit einer Auftragsvorrichtung (coater) aufgebracht, und die charakteristischen Eigenschaften der letztendlich erhaltenen Oberfläche werden nach dem Trocknen dadurch entwickelt, daß man die mit der Beschichtung versehene Oberfläche über eine Superkalander-Vorrichtung laufen läßt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt die Aufbringung von bakterieller Cellullose auf wenigstens eine Oberfläche einer Faserbahn. Produkte einer derartigen Aufbringung sind zahlreich und schließen Druckpapiere ein, die für Magazine mit hoher Druckqualität geeignet sind. Diese können auf herkömmlichen Papierherstellungsanlagen hergestellt werden die Fourdrinier-Maschinen, Mehrschichten-Maschinen oder Doppelsieb-Maschinen einschließen. Die bakterielle Cellulose kann während der Bildung im nassen Zustand aufgebracht werden, beispielsweise aus einem Sekundär-Stoffauflaufkasten, oder sie kann auf ein teilweise oder vollständig getrocknetes Blatt mittels einer Leimpresse oder einer außerhalb der Maschine befindlichen Aufstreich-Vorrichtung (off-machine coater) aufgebracht werden. Nach Aufbringen der bakteriellen Cellulose können der Glanz und andere wichtige Druckeigenschaften, beispielsweise die Glätte, signifikant durch eine einfache Kalander-Behandlung verbessert werden. Eine Behandlung der mit bakterieller Cellulose auf der Oberfläche behandelten Faserbahn mit Wärme und Druck erhöht die Druckeigenschaften. Auf diesem Wege kann Papier mit exzellenten Druckoberflächen selbst ohne die Anwendung komplizierter Beschichtungssysteme oder die Anwendung von Superkalandern erhalten werden. Bei der Anwendung einer Superkalander-Behandlung wäre selbst noch eine stärkere Verbesserung der Eigenschaften wie beispielsweise der Oberflächenglätte zu erwarten.
Die am meisten bevorzugte Verfahrensweise zur Aufbringung der bakteriellen Cellulose auf die Oberfläche der Faserbahn ist die Aufbringung unter Anwendung einer Leimpresse oder einer außerhalb der Maschine befindlichen Aufstreich-Vorrichtung. Dies ermöglicht die effizientere Verwendung der bakteriellen Cellulose, verglichen mit der Aufbringung zum Ende der Naßbehandlung. Bevorzugterweise wird die bakterielle Cellulose bei Aufbringen in Form einer Beschichtung in einer Menge von nicht über 10 kg/T auf irgendeine Seite der Bahn aufgetragen, am meisten bevorzugt in einer Menge nicht über etwa 5 kg/T. Selbst Anwendungsmengen, die halb so groß wie oder noch geringer als dieser letztgenannte Wert sind, führen zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Druckeigenschaften auf dem beschichteten Papierbogen. Es ist auch in hohem Maße bevorzugt, daß die Faserbahn oder das Blatt auf einen Feuchtigkeitsgehalt von nicht mehr als etwa 10 % getrocknet wird, und zwar zum Zeitpunkt der Aufbringung der Beschichtung aus bakterieller Cellulose. In höchst üblicher Weise sollte der Feuchtigkeitsgehalt im Bereich von etwa 2 bis 8 % sein.
Außerdem kann die bakterielle Cellulose mit anderen Materialien wie beispielsweise mineralischen oder organischen Pigmenten oder Füllstoffen und Stärke oder anderen polymeren Zusätzen kombiniert werden, um unterschiedliche Eigenschaften bereitzustellen. Die Oberflächenbehandlung mit bakterieller Cellulose allein verbessert die Oberflächeneigenschaften, wie beispielsweise Glanz, Glätte, Farbstoff-Aufnahmevermögen und -Ergiebigkeit sowie die Oberflächenfestigkeit.
Blatt-Produkte mit einer Oberflächenbehandlung mit bakterieller Cellulose in niedrigen Konzentrationen zeigen einen größeren Unterschied oder "snap" (Umschlag) zwischen den Drucktinten-Glanz und dem Glanz des Blatts, als dies bei vielen im Handel erhältlichen Offset- und Tiefdruck-(Rotationsdruck-)Druckmaterialien der Fall ist. Außerdem zeigen mit bakterieller Cellulose behandelte Produkte einen höheren Grad an Glätte des Blatts und an Aufnahmevermögen für die Druckfarbe als die unbehandelten Kontrollblätter.
Der Begriff "bakterielle Cellulose", wie er im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bezieht sich auf ein Produkt, das im wesentlichen frei ist von Rest-Bakterienzellen und das hergestellt wird unter Bedingungen einer gerührten Kultur durch ein Bacterium des Genus Acetobacter. Die eingesetzten Bakterienstämme können beliebige Bakterienstämme sein, die charakteristische Eigenschaften aufweisen, die ähnlich denen sind, die mit einem Bacterium erhalten wurden, das gezüchtet wurde als Subkultur zu dem Bacterium, das am 13. September 1985 bei der ATCC unter der Hinterlegungsnummer 53-263 nach dem Budapester Vertrag hinterlegt wurde.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Faserbahnen mit bakterieller Cellulose allein oder mit bakterieller Cellulose in Kombination mit anderen Materialien bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein Papierprodukt mit überlegener Qualität bereitzustellen, das verbesserte charakteristische Oberflächeneigenschaften wie beispielsweise Glanz, Glätte und Farbstoff-Aufnahmevermögen und -Ergiebigkeit zeigt.
Es ist eine weitere Aufgabe, exzellente Druckoberflächen unter Einsatz herkömmlicher Papiermühlen-Anlagen bereitzustellen. Diese und viele andere Aufgaben ergeben sich in einfacher Weise offensichtlich aus einem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung, zusammengenommen mit den beigefügten Zeichnungen.
Figur 1 ist ein Vergleich von Blatt-Glanz und Druckfarben-Glanz zur Veranschaulichung des Unterschiedes verschiedener Papiere in bezug auf den Glanz.
Figur 2 ist eine Graphik, mit der ein Vergleich von Glanz gegen Prozentmenge (%) an aufgebrachter bakterieller Cellulose angestellt wird, um die Wirkung einer Beschichtung aus bakterieller Cellulose auf die Glanzeigenschaften von leichten beschichteten Rohpapierbogen zu veranschaulichen.
Die Figuren 3 und 4 sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen, auf denen der Balken eine Entfernung von 50 µm darstellt. Figur 3 ist eine mikroskopische Aufnahme eines kalanderten Kontrollblattes (Firma Noble and Wood) ohne irgendeine auf der Oberfläche aufgebrachte Schicht aus bakterieller Cellulose. Figur 4 ist eine mikroskopische Aufnahme eines kalanderten Blattes (Firma Noble and Wood) mit einer auf der Oberfläche aufgebrachten Schicht aus bakterieller Cellulose.
Die Verfahrensweisen der vorliegenden Erfindung sind am besten verständlich bei Bezugnahme auf die nun folgenden Beispiele.

Beispiel 1

Herstellung von bakterieller Cellulose

Die bakterielle Cellulose der vorliegenden Erfindung wurde in einer bewegten Kultur mit einem Stamm von Acetobacter aceti var. xylinum hergestellt, der gezüchtet wurde als Unterkultur des Mikroorganismus, der am 13. September 1985 bei der ATCC unter der Hinterlegungsnummer 53-263 nach dem Budapester Vertrag hinterlegt wurde. Die Bedingungen waren ähnlich denen des folgenden Beispiels 1. Das folgende Basismedium wurde für alle Kulturen verwendet. Es wird nachfolgend als "CSL-Medium" bezeichnet. Komponente Endkonzentration (mM) Vitaminmischung Kohlenstoffquelle Einweichflüssigkeit (corn steep liquor) Antischaummittel wie nachfolgend spezifiziert
Der End-pH-Wert des Mediums betrug 5,0 ± 0 2
Die Vitamin-Mischung wurde wie folgt formuliert: Komponente Konzentration (mg/l) Inositol Niacin Pyridoxin.HCl Thiamin.HCl Ca-Pantothenat Riboflavin p-Aminobenzoesäure Folsäure Biotin
Die Zusammensetzung der Einweichflüssigkeit (corn steep liquor; CSL) schwankt in Abhängigkeit vom Lieferanten und der Art der Behandlung. Ein Produkt, das als "Lot E804" von der Firma Corn Products Unit, CPC North America, in Stockton, Kalifornien, erhalten wurde, kann als typisch angesehen werden und wird wie folgt beschrieben: Hauptkomponente Feststoffe Rohprotein Fett Rohfaser Asche Calcium Phosphor Stickstoff-freier Extrakt Nichtprotein-Stickstoff Kalium Reduzierende Zucker (als Dextrose) Stärke
Der pH-Wert der wie oben beschrieben zusammengesetzten Flüssigkeit liegt bei etwa 4,5.
Die Bakterien wurden zuerst in Form einer Vorkeim-Kultur unter Verwendung von CSL- Medium mit 4 % (Gewicht/Volumen) Glucose als Kohlenstoffquelle und 5 % (Gewicht/Volumen) CSL vermehrt. Man ließ Kulturen in 100 ml des Mediums in einem 750 ml Gewebekultur-Kolben (Firma Falcon # 3025) bei 30 ºC 48 h wachsen. Der Gesamt-Inhalt des Kulturkolbens wurde gemischt und zur Herstellung eines 5 % (Volumen/Volumen)- Inokulums der Anzuchtkultur verwendet. Vorkulturen wurden auf Kulturplatten ausgestrichen, um sie auf Homogenität und mögliche Verunreinigungen zu untersuchen.
Die Anzuchtkulturen wurden in 400 ml des oben beschriebenen Mediums in mit Ablenkplatten versehenen 2-1-Kolben in einem sich hin und herbewegenden Schüttler bei 125 Upm und bei 30 ºC 2 Tage lang gezüchtet. Zuchtkulturen wurden gemischt und vor einer weiteren Verwendung wie vorstehend beschrieben ausgestrichen, um sie auf Verunreinigungen zu überprüfen.
Anfänglich wurde bakterielle Cellulose in einem kontinuierlich gerührten 14-1-Fermenter der Firma Chemap mit einem Kulturvolumen von 12 l hergestellt, das mit 5 % (Volumen/Volumen) der Anzuchtkulturen inokuliert war. Eine anfängliche Glucose-Konzentration von 32 g/l in dem Medium wurde während eines Laufs des Fermenters von 72 h bereitgestellt. Während des Laufs wurden intermittierend zusätzlich 143 g/l zugesetzt. In ähnlicher Weise wurde die anfängliche Konzentration an CSL von 2 % (Volumen/Volumen) durch Zusatz einer Menge zum Zeitpunkt von 32 Stunden und 59 Stunden nach dem Start des Versuchs aufgefüllt, die 2 Vol.-% des anfanglichen Volumens äquivalent war. Die Cellulose- Konzentration erreichte während der Fermentation einen Wert von etwa 12,7 g/l. Während der Fermentation wurde die Konzentration an gelöstem Sauerstoff bei etwa 30 % Luftsättigung gehalten.
Im Anschluß an die Fermentation ließ man die Cellulose absitzen, und die überstehende Flüssigkeit wurde abgegossen. Die zurückbleibende Cellulose wurde mit deionisiertem Wasser gewaschen und dann bei 60 ºC für die Zeit von 2 h mit 0,5 NaOH-Lösung extrahiert. Nach der Extraktion wurde die Cellulose erneut mit deionisiertem Wasser gewaschen, um Rest-Alkali und Bakterienzellen zu entfernen. Jüngere Arbeiten haben gezeigt, daß eine 0,1 M NaOH-Lösung vollständig adäquat ist für den Extraktionsschritt. Die gereinigte Cellulose wurde zur weiteren Verwendung im feuchten Zustand gehalten. Dieses Material war in einfacher Weise in Wasser unter Bildung einer einheitlichen Aufschlämmung dispergierbar.
Eine bakterielle Cellulose für spätere Beispiele wurde in Fermentern mit einem Volumen von 250 l und von 6.000 l hergestellt.
Die unter gerührten oder bewegten Bedingungen wie oben beschrieben hergestellte Cellulose hat eine Mikrostruktur, die ganz unterschiedlich zu der ist, die in herkömmlichen statischen Kulturen hergestellt wird. Sie ist ein vernetztes Produkt, das aus einem im wesentlichen kontinuierlichen Netz aus sich verzweigenden, miteinander verbundenen Cellulosefasern aufgebaut ist.
Die wie oben beschrieben durch bewegte Fermentation hergestellte bakterielle Cellulose weist Fasergrößen auf, die viel kleiner sind als Weichholz-Pulpe-Fasern oder Baumwollfasern. Typischerweise haben diese Fasern (Filamente) eine Breite von etwa 0,05 bis 0,2 µm mit unbestimmter Länge aufgrund der kontinuierlichen Netzstruktur. Eine Weichholz-Faser erreicht eine mittlere Breite von etwa 30 um und eine Lange von 2 bis 5 mm, während eine Baumwollfaser eine etwa halb so große Breite und eine Länge von etwa 25 mm aufweist.

Beispiel 2

Verfahren zum beschichtungsmäßigen Aufbringen von bakterieller Cellulose und Ton in Kombination miteinander auf Filterpapier

Die bakterielle Cellulose ("BAC") gemäß der vorliegenden Erfindung, die unter Bedingungen, die ähnlich denen von Beispiel 1 waren, hergestellt worden war, speziell Ansatz # A 085, wurde unter Verwendung von verdünnter Chlorwasserstoffsäure und Wasser auf einen pH-Wert zwischen 7 und 8 gewaschen und dann vor dem beschichtungsmäßigen Aufbringen auf einer Oberfläche mit Ton zusammengegeben, mit Ausnahme der 100 %-Kontrollproben. Filterpapier der Firma Whatman (# 541) mit einem mittleren Basisgewicht von 78,9 g/m² wurde als Substratbogen verwendet. Darauf wurde die BAC-Ton-Mischung in verschiedenen Kombinationen aufgebracht. Der eingesetzte Ton war ein Hydraprint-Kaolin-Ton, ein Ton der delaminierten Standard-Qualitätsstufe der Fraktion Nr. 2 von der Firma J. M. Huber aus Macon, Georgia. Die BAC wurde in einer Feststoffkonzentration von 6,6 % vor Zusammengeben mit Ton und nachfolgendem Verdünnen angewendet. Vor dem Zusammengeben mit der BAC lag der Ton in einer Feststoffkonzentration von 100 % vor. Das Ziel- Basisgewicht für die BAC-Ton-Oberflächenbeschichtung plus Filterpapier betrug 80 bis 90 g/m². Tabelle I Mengen (g) Probe (%) BAC/Ton (%) BAC (Feuchtgewicht) Ton (Trockengewicht) Whatman # 541- Filterpapier
Die Filterpapier-Beschichtungsfläche betrug 0,02 m². Das Filterpapier wurde in der Weise beschichtet, daß man es auf das Formsieb in einer Form mit der Bezeichung "British sheet mold" legte. Die Form wurde geschlossen, und etwa zwei (2) l Wasser wurden oben auf das Filterpapier gegossen. Die BAC und der Ton wurden 1,5 l Wasser zugesetzt. Diese BAC- Ton-Lösung und die Kontrollproben für 100 % BAC wurden in einem Gerät mit der Bezeichnung "British Disintegrator" für etwa 3 min bei 3.000 Upm gemischt. Danach wurde jede Probe dem in der Form vorhandenen Wasser zugesetzt. Die Lösung aus Wasser und BAC/Ton wurde an der Luft 10 s bewegt und danach durch das Filterpapier entwässert. Nach dem Entwässern wurde das Filterpapier in einer TAPPI-Presse zwischen Tintenlöschblättern (blotters) 5 min lang bei 50 psi (345 kPa) gepreßt. Ein zweites Blatt Filterpapier wurde oben auf das beschichtete Filterpapier gelegt, um zu verhindern, daß die Schicht aus BAC-Ton auf dem Tintenlöschpapier anhaftete. Die gepreßten Filterpapier-Blätter wurden danach in einem dampfbeheizten Trommel-Trockner bei etwa 110 ºC getrocknet. Das Kontroll-Filterpapier, das keine BAC-Ton-Mischung aufgetragen enthielt, wurde in derselben Weise behandelt, mit der Ausnahme, daß das Wasser, das durch das zusammengeklammerte Filterpapier geleitet wurde, keine BAC-Ton-Mischung enthielt. Die einzelnen Proben wurden bei 50 % relativer Feuchtigkeit (RH) konditioniert und danach unter folgenden Bedingungen kalandert: 400 ºF (204 ºC) bei einer Geschwindigkeit von 500 Fuß pro Minute (FPM) (152,4 m pro min) und 800 PLI (oder etwa 6.500 psi Spitze oder 4.700 psi Mittelwert) (1,4 x 10&sup5; N/m oder etwa 4,48 x 10&sup5; kPa Spitze oder 3,24 x 10&sup5; kPa Mittelwert).

Beispiel 3

Vergleich der Eigenschaften Glanz, Farbstoffdichte, Rauhheit und Porosität bei einem mit BAC/Ton beschichteten Filterpapier

Durch das unter Beispiel 2 beschriebene Verfahren erhaltene Proben, die konditioniert und kalandert waren, wurden dann im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Testverfahren unter Testen der in Tabelle II und Tabelle III angegebenen Eigenschaften getestet. Beim Kalandern entwickelt sich der Glanz der Probe. Die 100 % BAC und 75/25 % BAC enthaltenden Proben ergaben eine gute Bedruckbarkeit, die den entsprechenden Eigenschaften der Proben überlegen war, die Ton allein oder überwiegend Ton enthielten. Die BAC enthaltenden Proben zeigten ausgezeichnete Glanzeigenschaften mit einem Unterschied der Werte für Druckfarbenglanz und Blattglanz von 20 Punkten. Der Glanz des Papiers ist die Reflexion des Lichts von der Papieroberfläche. Ein Lichtstrahl wurde in einem Winkel von 75 º auf einem Hunterlab Modular Glossmeter (Modell D48D) entsprechend dem TAPPI-Standardverfahren T480 und dem Verfahren nach ASTM 1223-63T auf die Papieroberfläche gerichtet. Der Unterschied zwischen dem Glanz des Blatts und dem Glanz der gedruckten Farbe wird in Punkten gemessen und als "snap" (Umschlag) bezeichnet.
Die Werte der Farbstoffdichte waren insbesondere gut bei den Proben mit 100 % BAC und bei den Proben mit 75/25 % BAC. Die Farbstoffdichte ist ein Maß der relativen Schwärzung des Druckbilds und steht in Beziehung zu der Farbstoff-Ergiebigkeit auf der Papieroberfläche. Die Farbstoffdichte wird gemessen, um zu bestimmen, ob das Druckbild im Verlauf des Durchlaufs eine reproduzierbare Dichte aufweist, oder um zu bestimmen, ob es eine adäquate Deckung des Farbstoffs gibt. Die Farbstoffdichte wurde auf einem modifizierten Prufbau-minidens-Densitometer gemessen. Ein Raster von 11 cm pro Probe ergibt 280 einzelne Ablesungen mit einem Mittelwert am Ende und einer Standardabweichung. Der eingesetzte Farbstoff war ein wärmehärtender Standard-Farbstoff des Offset-Typs auf Ölbasis. Die nachfolgende Tabelle II zeigt die oben angegebenen Eigenschaften. Tabelle II Eigenschaften Glanz * und Farbstoffdichte Probe Beschichtung ** BAC/Ton Blattglanz Druckfarbenglanz Farbdichte keine

Anmerkungen:

* Die Glanzwerte sind Werte der prozentualen Reflexion bei einem Winkel von 75 º.
** Die aufgebrachten Mengen entsprechen in allen Fällen 12 g/m² auf einem Filterpapier-Rohbogen von 78 g/m². Die Proben 5 und 6 behielten nicht den gesamten Ton. Ein extensives Abspringen von Ton (clay picking) wurde bei Drucken der Proben 4, 5 und 6 beobachtet.
Die nachfolgende Tabelle III zeigt die Porositäts- und Rauhheitseigenschaften. Die Rauhheit wurde über den Rauhheits-Mittelwert gemessen, der definiert ist als arithmetisches Mittel der Abweichungen des Papieroberflächenprofils oberhalb und unterhalb der Bezugslinie (oder elektrischen Mittellinie) über die vorgeschriebene Probenlänge. Der Rauhheitsmittelwert wurde nach dem Tallysurf-10-Operators-Handbook (der Firma Taylor-Hobson) auf dem Taylor-Hobson-Tallysurf-10-Profilimeter gemessen. Dieses wurde geliefert von der Firma Rank Precision Industries aus Des Plaines, Illinois. Tabelle III Rauhheits- und Porositätseigenschaften Probe Beschichtung BAC/Ton Gurley-Porosität (s/100 ml) Mittelwert der Rauhheit (um) (Standardabweichung) keine (eine Probe)
Die in Tabelle III aufgenommenen Ergebnisse zeigen die außergewöhnliche Fähigkeit der BAC enthaltenden Proben, Poren und Vertiefungen auf der Oberfläche der Filterpapier- Rohbogen zu füllen. Dies beeinflußt dramatisch die Porositäts- und Glattheitseigenschaften der Proben. Die Glattheit steht in inverser Beziehung zum Rauhheitskoeffizienten in der obigen Tabelle III. Daher gilt, daß die Oberfläche der Probe umso glatter ist, je kleiner der Wert der Rauhheit ist. Der direkte Beitrag der BAC zu den Porositäts- und Glattheitseigenschaften wird durch die extrem hohen Ergebnisse bei der Probe mit 100 % BAC und den Abfall der Ergebniswerte mit einem Rückgang der BAC-Konzentration gegenüber einem Anstieg der Tonkonzentration veranschaulicht.

Beispiel 4

Verfahrensweise zum beschichtungsmäßigen Auftragen von bakterieller Cellulose in unterschiedlichen Aufgabe-Gewichtsprozentmengen auf Grundpapierbogen mit geringem Gewicht

Die BAC gemäß der vorliegenden Erfindung, die unter Bedingungen hergestellt wurde, die ähnlich den von Beispiel 1 waren, speziell Ansatz Nr. A-085, wurde unter Verwendung von verdünnter Chlorwasserstoffsäure und Wasser auf einen pH-Wert zwischen 7 und 8 gewaschen, mit Ausnahme der 100 %-Kontroliprobe, die nur der Rohpapierbogen geringen Gewichts war. Ein Rohpapierbogen geringen Gewichts aus 50 % Kraftzellstoff/50 % thermomechanischem Zellstoff ("TMP"), ausschließlich aus southern pine, mit einem mittleren Grundgewicht von 48,8 g/m² wurde als Rohpapierblatt zur Aufbringung der BAC verwendet. Eine Scheibe mit einem Durchmesser von 15 cm wurde aus dem Rohpapierbogen unter Herstellung eines Rohpapierbogens mit einem mittleren Gewicht von 0,76 g/Bogen herausgeschnitten. Nach dem Herausschneiden wurde die Scheibe sorgfältig in Wasser befeuchtet. Die Scheibe wurde dann in einen mit einer Fritte versehenen Filtertrichter (Buchnertrichter) mit der Drahtseite nach oben gelegt. Die Drahtseite war die einzige Seite, die mit der BAC in einem Aufgabe-Trockengewicht von 1, 3, 5 und 10 %, bezogen auf das Gewicht der Scheibe, beschichtet war. Die folgende Tabelle IV zeigt das tatsächliche Feuchtgewicht (in g) für die aufgegebene BAC in der jeweiligen Aufgabe-Gewichtsprozentmenge von BAC. Tabelle IV Probe Aufgabemenge (% des Grund-Trockengewichts) Feuchtgewicht der BAC* (g) Anmerkung: *Die BAC lag in einem Feststoffgehalt von 4,2 % vor.
Vor der Aufgabe auf den mit einer Fritte versehenen Filtertrichter, der die Scheibe enthielt, wurde die BAC-Lösung etwa 5 min lang bei 3.000 Upm in einem Gerät mit der Bezeichnung "British Disintegrator" gemischt und dann in den mit der Fritte versehenen Filtertrichter gegeben. Der Ablauf wurde durch Anlegen von Saugvakuum erleichtert. Nach dem Ablaufen wurde jede Probe bei 50 psi (345 kPa) in einer TAPPI-Presse zwischen Filterpapierblättern 5 min lang gepreßt. Die gepreßten, mit einer scheibenförmigen Beschichtung versehenen Proben wurden dann in einem dampfbeheizten Trommeltrockner bei etwa 110 ºC getrocknet. Ein nur zur Kontrolle vorgesehener Rohpapierbogen wurde in derselben Weise wie die Proben behandelt, die BAC enthielten, mit der Ausnahme, daß die durch den mit einer Fritte versehenen Filtertrichter durchlaufende Lösung nur Wasser enthielt. Die einzelnen Proben wurden bei 50 % RH konditioniert und danach unter folgenden Bedingungen kalandert: 400 ºF (204 ºC) bei einer Geschwindigkeit von 500 Fuß pro Minute (FPM) (152,4 in pro min) und 800 PLI (oder etwa 6.500 psi Spitze oder 4.700 psi Mittelwert) (1,4 x 10&sup5; N/m oder etwa 4,48 x 10&sup5; kPa Spitze oder 3,24 x 10&sup5; kPa Mittelwert).

Beispiel 5

Vergleich der Eigenschaften Glanz, Farbstoffdichte, Rauhheit, Oberflächenfestigkeit und prozentuale Helligkeit von allein mit BAC beschichteten Rohpapierbogen mit anderen Bogen-Typen

Die folgende Tabelle V sowie die beigefügte Graphik von Figur 1 veranschaulichen die Eigenschaften Glanz und Farbstoffdichte von nur mit BAC beschichteten Rohpapierbogen, die entsprechend dem obigen Beispiel 4 hergestellt wurden, im Vergleich mit anderen Typen von Papierbogen. Tabelle V gibt die Werte für Glanz des Papiers, Glanz des Farbstoffs, Glanzunterschied und Farbstoffdichte an. Der Glanzunterschied (oder snap) veranschaulicht den Unterschied zwischen dem Glanz des mit Farbstoff bedruckten Papierdrucks und den Glanz des darunterliegenden Papiers. Der eingesetzte Farbstoff war ein wärmehärtender Standard-Farbstoff des Offset-Typs auf Ölbasis. Die Messungen des Glanzes erfolgten in derselben Weise wie in Beispiel 3. Der Kontrollwert für den Glanztest wurde erhalten mit einem nicht-beschichteten Rohpapierbogen, wie dies in dem obigen Beispiel 4 erläutert ist.
Die Farbstoffdichte wurde nach demselben Verfahren bestimmt, wie dies in Beispiel 3 angegeben ist. Die Farbstoffdichte ist ein Maß der relativen Schwärzung eines Druckbilds und steht im Zusammenhang mit der Farbstoffergiebigkeit auf der Oberfläche des Papiers. Tabelle V Glanz- * und Farbstoffdichte-Eigenschaften Probe Blattglanz Farbstoffglanz Glanzunterschied Farbstoffdichte Kontrollprobe Offset ** Roto ***

Anmerkungen:

* Die Glanzwerte sind prozentuale Reflexionswerte bei einem Winkel von 75 º.
** "Offset" bezieht sich auf ein Offset-Druckpapier einer im Handel erhältlichen Qualitätsstufe.
*** "Roto" bezieht sich auf ein Rotationstiefdruck-Druckpapier einer im Handel erhältlichen Qualitätsstufe.
Tabelle V zeigt den Unterschied hinsichtlich der Glanzeigenschaften zwischen dem mit BAC beschichteten Bogen und den Offset- und Rotationstiefdruck-Bogen, die beide handelsüblich verwendet werden. Beispielsweise ergibt eine Menge von 3 % BAC nahezu den äquivalenten Glanzunterschied wie bei einem Rotationstiefdruck-Papier, das einen Überzug von etwa 20 % aufweist. Dies zeigt die Fähigkeit, ähnliche Glanzeigenschaften mit einer geringeren Materialmenge zu erreichen. Figur 1 vergleicht den Unterschied zwischen Druckfarbenglanz und Blattglanz mit der auf die Oberfläche aufgebrachten Prozentmenge an BAC. Dies zeigt einen hohen Glanzunterschied, wie er mit einer kleinen Prozentmenge an BAC erreicht werden kann.
Was die Farbstoffdichte angeht, sind die Ergebnisse sehr ähnlich denen bei Offset- und Rotationstiefdruck-Papieren handelsüblicher Qualitätsstufen, die eine viel größere Menge an Beschichtungsmaterial enthalten.
Die nachfolgende Tabelle VI zeigt die Rauhheits-, Oberflächenfestigkeits- und Helligkeitsabfall-Eigenschaften (letztere in %) für die mit BAC beschichteten Rohpapierbogen, wie sie gemäß dem obigen Beispiel 4 hergestellt wurden, im Vergleich mit Offset- und Rotationstiefdruck-Druckpapier. Die Rauhheit wurde mit demselben Verfahren gemessen, wie dies in Beispiel 3 angegeben ist.
Bei einer Messung der Oberflächenfestigkeit oder des IGT-Pick wird die Beständigkeit der Papieroberfläche gegen ein Ausrupfen von Fasern unter den Belastungen im Druckkontalrpunkt gemessen. Die Messung der Oberflächenfestigkeit oder des IGT-Pick zeichnet die ersten sichtbaren Zeichen von Abrupfen von Fasern (oder einem Zerreißen der Oberfläche) auf, nachdem sie mit einem Standard-Testöl bedruckt wurde. Ein IGT-Wert wird "VVP" genannt, also Geschwindigkeit des Drucks, multipliziert mit der Viskosität des Standard- Testöls. Der IGT-Pick wurde auf einem standardisierten IGT-Printability-Tester (AIC2) gemessen, wie er von der Firma Technographics Instruments aus San Angelo, Texas, geliefert wird. Das IGT-AE-Farbwerk färbte unter Verwendung eines Standard-Testöls mit einer Viskosität von 0,294 kPoise 1 cm-Aluminiumdruckscheiben ein.
Der Test auf die Farbdichte und der Test auf den prozentualen Abfall der Helligkeit (K & N-Test) sind Tests, die die charakteristische Eigenschaft oder Eigenschaft der Ergiebigkeit eines Öls veranschaulichen. Die Ergiebigkeit einer Farbe oder eines Öls zeigt die Beständigkeit einer Oberfläche gegen die Penetration des Öls. Der prozentuale Abfall der Helligkeit (oder K & N-Helligkeitsabfall) wird gemessen, indem man zuerst die Helligkeit der Probe mißt, bevor der K & N-Farbstoff auf die Probe aufgebracht wird. Danach wird die K & N-Standard-Testfarbe auf die Oberfläche aufgebracht. Man läßt sie danach 2 min absetzen. Nach 2 min wird die K & N-Farbe mit einem weichen Tuch oder einem Papiertuch abgewischt. Danach wird die Probe auf einem Helligkeitstester (Technidyne Modell S 4-Brightness-Tester) in dem Bereich vermessen, an dem die K & N-Farbe auf die Oberfläche aufgebracht worden war.
Dieser Wert wird durch den anfänglichen Helligkeitswert unter Erhalt eines prozentualen Helligkeitswerts geteilt. Dieser Wert ist ein Maß der charakteristischen Öl-Absorptionseigenschaften des Papiers. Der für alle Proben verwendete Tintenfarbstoff war eine Standard-K & N-Testtinte. Der Helligkeitstester (Technidyne Modell S4-Brightness-Tester) wurde geliefert von der Firma Technidyne Corporation, New Albany, Indiana). Tabelle VI Messung der Eigenschaften Rauheit (Oberflächenglätte), Oberflächenfestigkeit und prozentualer Helligkeitsabfall Oberflächenglätte Probe Oberflächenfestigkeit IGT Helligkeitsabfall (%) Blattrauheit (um) Farbstoffrauheit (um) Kontrollprobe Offset Roto
Es ist anzumerken, daß die im Experiment verwendeten, mit BAC beschichteten Papierbogen rauher sind als die im Handel erhältichen Bogen, da die letztgenannten Bogen nach dem Beschichten superkalandert werden. Die Oberflächenfestigkeit ist eine kritische Eigenschaft für im Offsetdruck verwendete Papiere, die in hohem Maße beschichtet und konditioniert sind, um eine sehr hohe Oberflächenfestigkeit zu liefern. Das Offset-Verfahren stellt spezielle Anforderungen an Papieroberflächen. Daher werden Beschichtungen für Offset- Papiere so angelegt, daß sie diese Erfordernisse erfüllen. Die im Experiment verwendeten, mit BAC beschichteten Papierbogen ergaben mit einer kleinen Menge an BAC-Beschichtung Werte für die Oberflächenfestigkeit, die vergleichbar derjenigen von Rotationstiefdruck- Papierbogen sind, die eine viel höhere Prozentmenge an Beschichtungsmaterial enthalten.
Was den prozentualen Helligkeitsabfall angeht, veranschaulicht ein relativ niedriger Wert wie derjenige, der von den mit BAC beschichteten Papierbogen gezeigt wird, einen hohen Grad an Farbstoffergiebigkeit. Insbesondere zeigen, bezogen auf den Kontrollwert, die mit BAC beschichteten Papierbogen einen niedrigeren prozentualen Helligkeitsabfall und damit eine bessere Tinten-/Ölergiebigkeit als der unbeschichtete Kontrollbogen.

Beispiel 6

Aufbringung einer Oberflächenbeschichtung auf einer Papiermaschine der Firma Noble and Wood

Eine Pilot-Papiermaschine der Firma Noble and Wood wurde zur Bildung eines zweilagigen Papierbogens verwendet, der aus einer Grundlage aus Papierfaserstoff in einer Menge von 95 % des Papierbogen-Gesamtgewichts und einer darauf angeordneten oberen Schicht eines BAC-Äquivalents in einer Menge von 5 % auf der Basis des Papierbogen-Gesamtsgewichts bestand. Das eingesetzte Papier der Grundschicht bestand zu 50 % aus Sulfit-Zellstoff aus Hartholz und zu 50 % aus TMP-Zellstoff aus Southern-Pine-Weichholz. Das Papier der Grundschicht wurde hergestellt durch Zusammenmischen einer 50/50-Aufschlämmung aus Sulfit-Zellstoff aus Hartholz (400 bis 450 CSF) und TMP-Zellstoff aus Southern-Pine- Weichholz (etwa 70 CSF), und es resultierte für die Mischung ein CSF-Wert von 125.
Die nach Beispiel 1 (mit Ausnahme der Herstellung in einem 6.000 l-Fermenter unter Rührung) hergestellte BAC (Ansatz Nr. A-126) wurde in getrennte Testansätze aufgeteilt. Der erste BAC-Testansatz in der Konsistenz von etwa 13 % bestand aus 16 Proben, jede mit 30 g OD und einer Konsistenz von 1,5 %, die für eine Zeit von etwa 30 min in einen "British Disintegrator" gegeben wurden. Nach Desintegrieren wurden die 16 Proben zusammengegeben und dann l h in einen 400 1-Mischtank gegeben. Nach diesem Mischvorgang wurden die vereinigten Proben mit Wasser auf eine Konsistenz von etwa 0,76 g/l (0,076 % Konsistenz) verdünnt. Der zweite Testansatz von BAC bestand aus BAC bei einer Konsistenz von etwa 13 % und wurde nicht zuerst in einen "British Disintegrator" gegeben, sondern wurde auf eine Konsistenz von etwa 0,76 g/l (0,076 % Konsistenz) verdünnt und dann etwa 45 min lang in einem 400 l-Mischtank gerührt. Der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Versuchsansatz besteht also darin, daß der erste Versuchsansatz vor der Behandlung in dem Mischtank in den "British Disintegrator" gegeben worden war und der zweite Testansatz nicht in den "British Disintegrator" gegeben worden war, sondern nur in den Mischtank. Der erste Testansatz wird daher nachfolgend als "veredelte BAC" bezeichnet, und der zweite Testansatz wird nachfolgend als "reguläre BAC" bezeichnet.
Die BAC-Aufschlämmung (die Verwendung des Einzelbegriffs "BAC" bezieht sich sowohl auf veredelte BAC als auch auf reguläre BAC, obwohl die veredelte BAC und die reguläre BAC in separaten Läufen aufgebracht wurden, und der Begriff "Aufschlämmung" bezieht sich auf die am Ende erhaltene 0,076 %-Konsistenz, die sich aus der obigen Verfahrensweise ergab) wurde als Oberflächenschicht über einen Sekundär-Stoffauflaufkasten an der Noble and Wood-Maschine aufgebracht. Der Sekundär-Stoffauflaufkasten wurde an einer Stelle unmittelbar nach der Basisschichtbogen-Trockenlinie angebracht, was an der Stelle war, an der der Feststoffgehalt des Basisschichtbogens etwa 5 bis 6 % betrug. Der Basisschichtbogen wurde mit 66 g/m² OD gebildet, und die BAC wurde über den Sekundär-Stoffauflaufkasten, wie er vorstehend angesprochen wurde, mit einer Geschwindigkeit von 9 l BAC-Aufschlämmung/min zugegeben, wobei die BAC-Aufschlämmung bei dem Sekundär- Stoffauflaufkasten weiter mit 5 l Wasser/min verdünnt wurde, das mit einem Schlauch zugegeben wurde.
Danach wurde die BAC-Pumpe abgeschaltet, und der Strom durch den Schlauch wurde auf 14 l/min für eine Zeit von 30 min erhöht, um den Kontrollbogen herzustellen. Der Kontrollbogen bestand nur aus dem Grundschichtbogen, wobei die BAC aus dem BAC- Wasserstrom entfernt worden war und Wasser durch den Sekundär-Stoffauflaufkasten mit derselben Geschwindigkeit wie der BAC-Wasserstrom lief. Nach Aufbringung der BAC- Aufschlämmung wurde der Bogen normal mit der Noble and Wood-Maschine verarbeitet. Die fertigen Rollen wurden bei 50 % relativer Feuchtigkeit gelagert, bis ein Kalandern durchgeführt wurde. Die Bogen wurden wie in Beispiel 4 beschrieben kalandert.

Beispiel 7

Vergleich der gemessenen Eigenschaften von mit BAC beschichteten, auf einer Noble and Wood-Papiermaschine hergestellten Bogen mit anderen Bogen

(a) Vergleich der Glanzeigenschaften der mit BAC beschichteten Boden mit anderen Typen von Bogen

Die folgende Tabelle VII und die beigefügte Graphik in Figur 2 zeigen die überlegenen Glanzeigenschaften, insbesondere die "Snap"-Eigenschaften von mit BAC beschichteten, auf der Noble and Wood-Papiermaschine gemäß dem obigen Beispiel 6 hergestellten beschichteten Bogen im Vergleich mit anderen Bogen-Typen. "Snap" ist der Unterschied zwischen dem Glanz des mit Farbe bedruckten Drucks und dem Glanz des unbedruckten Papiers. Diese überlegene "Snap"-Eigenschaft, veranschaulicht am Beispiel der mit BAC beschichteten Bogen, ist wertvoll, da sie die Lichtrefiexion von dem Farbstoff im Vergleich mit der Lichtreflexion von dem Papier betont. Diese Eigenschaft ist sehr nützlich bei Magazinen und anderen Arten von Glanzdrucken oder Werbedrucken, bei denen man sich der charakteristischen "Snap"-Eigenschaft bedient, um den Druck oder die Photographie herauszustellen. Je größer der "Snap"-Wert, desto stärker erweckt das Druckmaterial den Eindruck, daß die Seite auf den Leser "zuspringt". Die verwendete Druckfarbe war eine wärmehärtende Standard-Druckfarbe des Offset-Typs auf Ölbasis. Die Glanz-Messungen wurden mit demselben Verfahren wie in Beispiel 3 durchgeführt. Die Kontrollprobe für die Glanztests war ein unbeschichteter Papierbogen, der - wie oben in Beispiel 6 beschrieben - auf der Noble and Wood-Papiermaschine hergestellt worden war. Tabelle VII Glanzeigenschaften * Probe Beschreibung Glanz des Bogens Glanz des Farbstoffs Glanzdifferenz Kontrollprobe BAC Reg ** BAC Ref****** Offset Roto

Anmerkungen:

* Die Glanzwerte sind Werte der prozentualen Reflexion bei einem Winkel von 75 º.
** "BAC Reg" bedeutet BAC regulär; diese Probe wurde nur in einem Mischtank dispergiert.
*** "BAC Ref" bedeutet verfeinerte BAC, die in einem "British Disintegrator" und danach in einem Mischtank dispergiert wurde, wie dies oben in Beispiel 6 beschrieben wurde.
Tabelle VII und Figur 2 zeigen, daß die charakteristische Eigenschaft "Snap" oder Glanzunterschied für das mit BAC beschichtete Papier dem Wert von Papieren handelsüblicher Qualitätsstufen überlegen ist.

(b) Vergleich der Eigenschaften Farbstoffdichte und prozentualer Helligkeitsabfall der mit BAC beschichteten Papierbogen mit denen von Papierbogen anderer Typen

Die folgende Tabelle VIII veranschaulicht den überlegenen prozentualen Helligkeitsabfall und die Farbstoffdichte-Eigenschaften von mit BAC beschichteten und auf einer Noble and Wood-Papiermaschine hergestellten Papierbogen im Vergleich mit anderen Qualitätsstufen oder Typen von Papierbogen wie beispielsweise Offset-Papier und Rotationstiefdruck-Papier. Die Farbstoffdichte wurde durch dasselbe Verfahren gemessen, wie es in Beispiel 3 beschrieben ist. Der prozentuale Helligkeitsabfall (oder K & N-Helligkeitsabfall) wurde durch dasselbe Verfahren gemessen, wie es oben in Beispiel 5 beschrieben ist. Die Kontrollproben für die Tests der Farbstoffdichte und des prozentualen Helligkeitsabfalls waren unbeschichtete Papierbogen, die auf der Noble and Wood-Papiermaschine hergestellt worden waren, wie dies oben in Beispiel 6 erklärt ist. Tabelle VIII Farbdichte-Eigenschaften und prozentualer Hellligkeitsabfall Probe Beschreibung Farbstoffdichte Helligkeitsabfall (%) Kontrollprobe BAC Reg BAC Ref Offset Rotationstiefdruck
Wie sich offensichtlich aus den Ergebnissen in Tabelle VIII ergibt, zeigen die BAC enthaltenden Proben in sehr vorteilhafter Weise die Fähigkeit, den Farbstoff an der Oberfläche des Papierbogens zu halten, d. h. die Penetration in das Papierblatt zu beschränken. Außerdem zeigen die mit BAC beschichteten Papierbogen überlegene Ergebnisse beim prozentualen Helligkeitsabfall.

(c) Vergleich der Oberflächenglätte- und Oberflächenfestigkeits-Eigenschaften von mit BAC beschichteten Papierbogen mit anderen Sorten oder Typen von Papierboben

Die folgende Tabelle IX zeigt die überfegene Oberflächenglattheit und Oberflächenfestigkeit der mit BAC beschichteten Papierbogen gegenüber anderen Sorten oder Typen von Papierbogen. Die beigefügten Photographien der Figuren 3 und 4 zeigen die Oberflächenglätte-Eigenschaft eines mit BAC beschichteten Papierbogens im Vergleich zu der des Kontrollbogens. Bei einer Messung der Oberflächenglätte wird die vergleichbare Rauhheit des unbedruckten Papierbogens ohne oder mit der BAC umfassenden Oberflächenbeschichtung gemessen, wie dies in den Figuren 3 bzw. 4 gezeigt ist. Die Oberflächenglätte zeigt auch den Zustand der Oberfläche, der die Fähigkeit beeinflußt, andere Oberflächenbeschichtungen aufzunehmen. Bei Zusatz einer sehr kleinen Menge BAC - wie belegt durch die geringe Konzentration an BAC in den Proben - wird die Konzentration oder Menge anderer Oberflächenbeschichtungsmaterialien, die zur Abdeckung der Oberfläche erforderlich sind, aufgrund der Oberflächenglätte der mit BAC beschichteten Oberfläche signifikant verringert. Sehr wenig BAC ist erforderlich, um den darunterliegenden Papierbogen in ausreichender Weise zu beschichten und die glatte Oberfläche entweder für eine weitere Aufbringung auf der Oberfläche oder für eine Druckanwendung zu schaffen. So werden die normalen Kosten anderer Oberflächenbeschichtungen eingespart. Die Messung der Oberflächenglätte erfolgte nach demselben Verfahren, wie es in Beispiel 3 beschrieben ist.
Bei der Messung der Oberflächenfestigkeit oder des IGT-Pick wird die Beständigkeit der Papieroberfläche gegenüber einem Ausrupfen von Fasern von der Papieroberfläche unter den Belastungen an dem Druckkontaktpunkt gemessen. Die Oberflächenfestigkeit oder der IGT- Pick wurden nach demselben Verfahren gemessen, wie es oben in Beispiel 5 beschrieben ist. Tabelle IX Oberflächenglattheits- und Oberflächenfestigkeits-Eigenschaften Oberflächenglattheit Probe Beschreibung Oberflächenfestigkeit IGT Blattrauheit Farbstoffrauheit Kontrollprobe BAC Reg BAC Ref Offset Roto
Wie durch die Ergebnisse in Tabelle IX belegt wird, haben die BAC enthaltenden Papierbogen eine signifikant glattere Oberfläche, und zwar sowohl der Bogen selbst als auch der bedruckte Bogen, als die Kontrollprobe. Bezüglich des Werts für den IGT-Pick oder die Oberflächenfestigkeit ist anzumerken, daß die im Handel erhältlichen Papierqualitätsstufen superkalandert werden, um eine glatte Oberfläche zu erhalten. Demgegenüber zeigten mit BAC beschichtete Papiere eine signifikante Verbesserung der Oberflächenglattheit bei nur dem einzigen Behandlungsschritt des thermischen Quetsch-Kalanderns (thermal nip calendering), das weniger Aufwand sowohl in Bezug auf die Kosten als auch in Bezug auf die Kapitalausstattung einschließt um eine überlegene Oberflächenglattheit zu erreichen. Es ist interessant anzumerken, daß die Oberflächenfestigkeits-Werte für die mit BAC beschichteten Papiere signifikant höher waren als die Ergebnisse für den Rotationstiefdruck- Papierbogen und dem Wert der Ergebnisse für den Offset-Papierbogen nahekamen, jedoch ohne die Anwendung eines Superkalander-Schritts.

Beispiel 8

Vergleich gemessener Eigenschaften von mit BAC beschichteten, auf einem Laboratory Dynamic Former hergestellten Papierbogen und von im Handel erhältlichen Papieren

Der sogenannte "Laboratory Dynamic Former" ist eine Vorrichtung, die viel besser als die herkömmliche Papierbogen-Form die Vorgänge in einer Papiermaschine simuliert. Sie umfaßt ein rotierendes zylindrisches Drahtsieb zur Papierherstellung. Papierstoff wird durch Fließen oder Sprühen auf die Innenfläche mittels eines sich vertikal hin- und herbewegenden Zufuhrrohrs aufgebracht. Eine Vorrichtung dieses Typs ist erhältlich von dem Centre Technique de l'Industrie de Papier, Cartons et Celluloses in Grenoble, Frankreich. Papierbogen können schichtenartig wie gewünscht aufgebaut werden, indem man aufeinanderfolgend Papiermaterial aus ausgewählten Quellen verwendet. Die Papierbogen-Größe beträgt etwa 840 x 220 mm. Dies ist deutlich größer als das Format, das in Standard- Papierformen hergestellt wird.
Der "Dynamic Former" wurde zur Herstellung von Papierbogen verwendet, die mit 3 Lagen und 2 Herstellungsplänen bakterieller Celluse beschichtet waren. Das Papierstoff-Material für den Basis-Papierbogen bestand zu 65 % aus gebleichter "southern kraft hardwood"-Faser und zu 35 % aus gebleichtem Weichholz-Kraftzellstoff. Der Weichholz-Kraftzellstoff war in einem Mahlholländer der Fa. Valley (Valley beater) auf etwa 425 CSF veredelt worden, bevor er mit der unveredelten Hartholz-Faser gemischt wurde.
Die bakterielle Cellulose wurde in niedriger Konsistenz in einem "British Disintegrator" dispergiert. Eine Teilmenge wurde weiter in einem Cowles-Hochscherungsmischer homogenisiert.
Papierbogen wurden mit einem Basisgewicht von etwa 75 g/m² hergestellt. Im Anschluß an die Bildung des Rohpapier-Bogens wurde die bakterielle Cellulose enthaltende Papierstoff- Aufschlämmung aufgebracht, und führte zu Oberflächenbeschichtungen auf einer Seite von 1,0 %, 0,5 % und 0,3 %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Papierbogens. Die homogenisierte BAC wurde nur in einer Konzentration von 1 % verwendet. Im Anschluß an das Trocknen wurden die Papierbogen heißkalandert, wie dies in Beispiel 4 beschrieben ist.
Ein Kontrollbogen wurde wie oben beschrieben hergestellt, jedoch ohne BAC-Oberflächenbehandlung. Alle Bogen wurden danach im Hinblick auf ihre Druckeigenschaften getestet, wie dies in den vorstehenden Beispielen beschrieben ist. Zum Vergleich wurden ein im Handel erhältliches, mit einer leichten Beschichtung versehenes Offset-Papier und ein ähnliches, unbeschichtetes Offset-Papier getestet.
Tabelle X zeigt die erzielten Ergebnisse. Tabelle X Probenbeschreibung Blattglanz Farbstoffglanz Glanzunterschied Farbstoffdichte Blatthelligkeit K & N-Helligkeitsabfall (%) IGT Pick Blattrauhheit Kontrollprobe 1 % BAC (homogenisiert) Offset-Papier mit einer Beschichtung mit niedrigem Gewicht Unbeschichtetes Offset-Papier
Der Glanzunterschied für die mit 1 % BAC beschichteten Bogen kommt dem des beschichteten Offset-Papiers hoher Qualität nahe. Es ist unklar, warum die homogenisierte BAC in diesem Test keine guten Ergebnisse lieferte. Wie erwartet, lieferten auch die niedrigeren Anwendungsmengen an BAC keine so guten Ergebnisse wie die Anwendungsmenge von 1 %. Jedoch zeigten alle anderen, mit BAC behandelten Proben eine überlegene Leistung gegenüber dem unbeschichteten Offset-Papier bei jeder Anwendungskonzentration. Es ist offensichtlich, daß sehr niedrige Anwendungsmengen von BAC im Hinblick auf eine Verbesserung der Oberflächenqualität wirksam sind.

Beispiel 9

Herstellung und Eigenschaften von zweiseitig mit BAC beschichteten Papierbogen unter Anwendung einer Leimpresse

Eine bakterielle Cellulose umfassende Suspension, die als Oberflächenbeschichtung während der Naßphase der Papierbildung aufgebracht wird, wandert von Natur aus in gewissem Umfang in den Papierbogen. Dies kann für bestimmte Zwecke sehr wünschenswert sein. Dies ist jedoch ein wenig effizienter Weg zur Aufbringung von BAC, wenn der beabsichtigte Zweck darin besteht, die Oberflächeneigenschaften zum Drucken zu verbessern. Überraschenderweise können Aufschlämmungen aus BAC-Faser wirksam auf ein Rohpapiermaterial in einer herkömmlichen Leimpresse oder durch Anwendung einer von mehreren wohlbekannten Arten von Beschichtungsvorrichtungen aufgebracht werden.
Um die Wirksamkeit einer durch eine Leimpresse aufgebrachten bakteriellen Cellulose zu zeigen, wurde ein Durchlauf unter Verwendung eines 71 g/m² schweren Rohpapiermaterials mit einer 460 mm breiten, schrägen Leimpresse in Pilotgröße durchgeführt. Das rohe Papiermaterial war ein ungeleimtes (in dem Sinne, daß es keine mit einer Leimpresse aufgebrachte Oberflächenleimung aufwies), gebleichtes, aus Kraftzellstoff aus "eastern softwood" hergestelltes Photokopier-Rohpapier. Bakterielle Cellulosefasern wurden in Wasser dispergiert und in einen Deliteur-Mischer gegeben. Carboxymethylcellulose (CNC) niedriger Viskosität wurde im Verhältnis 2,5 Teile BAC (Trockenbasis) zu 1 Teil CMC zugesetzt. Die CMC wurde zur Verbesserung der Einheitlichkeit der BAC-Suspension verwendet. Eine geeignete Qualitätsstufe für CNC ist erhältlich von der Fa. Hercules Inc., Wilmington, Delaware, unter der Typenbezeichnung 7L.
Ein erster Durchlauf wurde mit einer Geschwindigkeit von 150 in/min unter Aufbringen von 4,15 kg/T Gesamtfeststoffe (BAC + CMC) auf beide Seiten des Papierbogens aus einer Suspension mit einem Gesamtfeststoffgehalt von etwa 0,6 % durchgeführt. Ein zweiter Durchlauf wurde bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 260 m/min bei einer Feststoff- Aufbringung von etwa 5 kg/Ton durchgeführt, wiederum aufgebracht auf beide Seiten des Papierbogens.
Die gesamte BAC-Einsatzmenge in der ersten Probe betrug also etwa 0,3 % insgesamt oder etwa 0,15 % auf jeder Seite des Papierbogens. Die Verwendungsmenge bei der zweiten Probe betrug etwa 0,36 % insgesamt oder etwa 0,18 % auf jeder Seite.
Bei der Durchführung des Durchlaufs wurden keine Probleme festgestellt. Selbst höhere Laufgeschwindigkeiten des Papierbogens erschienen möglich, jedoch war die Geschwindigkeit in diesem Fall durch die Trockenkapazität im Anschluß an die Leimpresse beschränkt.
Die fertig überzogenen Proben und eine Rohpapier-Probe wurden vor den Testen heißkalandert, wie dies in Beispiel 4 beschrieben ist.
Tabelle 11 zeigt die Eigenschaften der behandelten Papierbogen im Vergleich mit unbehandeltem Rohpapiermaterial, fertigem (herkömmlich geleimtem) Photokopierpapier und einem qualitativ hochwertigen, mit einer leichten Beschichtung versehenen Offset-Papier. Tabelle XI Probenbeschreibung Blattglanz Farbstoffglanz Glanzunterschied Farbstoffdichte Blatthelligkeit K & N-Helligkeitsabfall (%) Blattrauhheit Papierrohmaterial (1) Photokopierpapier (2) Offset-Papier mit einer Beschichtung mit niedrigem Gewicht

Anmerkungen:

(1) Dieses Papier wurde ohne Oberflächenleimung hergestellt.
(2) Volleimungs-Fertigpapier
Die Verbesserung der Druckeigenschaften wie beispielsweise Glanzunterschied und Helligkeitsabfall gegenüber dem Rohpapier-Material sind unmittelbar ersichtlich. Die Probe mit der höheren Einsatzmenge an BAC lief mit einer höheren Geschwindigkeit, und kam hinsichtlich ihrer Eigenschaften qualitativ hochwertigem Offset-Papier nahe.

Beispiel 10

Herstellung und Eigenschaften von BAC beschichteten Papierbogen nach einem zweiten Lauf in einer Leimpresse

Ein weiterer Beschichtungsdurchlauf in einer Leimpresse wurde in ähnlicher Weise wie bei dem Durchlauf durchgeführt, der soeben in Beispiel 9 beschrieben wurde. Jedoch wurde eine ausgedehnte Folge von Behandlungsschritten angewendet. BAC und homogenisierte BAC wurden mit und ohne Carboxymethylcellulose verwendet. Das Verhältnis BAC zu Carboxymethylcellulose wurde auf 4:1 erhöht. Darüber hinaus wurden Durchläufe allein mit CNC und allein mit gekochter Stärke durchgeführt. Ein Durchlauf wurde durchgeführt, indem das Papiergrundmaterial in der Leimpresse nur mit 242 kg/T Wasser behandelt wurde, so daß ein ähnlicher Befeuchtungs- und Trockenvorgang wie bei den anderen Proben vorlag. Die Papierbogen-Geschwindigkeit durch die Leimpresse wurde zwischen 150 und 305 m/min variiert.
Die Farbstoffrauhheit wurde für diese Proben nicht gemessen. Jedoch wurden zwei neue Messungen durchgeführt, und zwar der sogenannte "Parker Print-Surf" und die "Gurley- Papierbogen-Porosität". Die Gurley-Porosität ist ein wohlbekannter Test und führt zur Messung der Zeit (in s) unter Standardbedingungen, die 100 ml Luft zum Passieren durch den Bogen benötigen. Der "Parker Print-Surf" ist eine weitere Messung für die Oberflächenrauhheit. Es ist ein Test des Typs "Durchlässigkeit für Luft", wobei die Messung durchgeführt wird unter Bedingungen, die ähnlich denen sind, wie sie der Erfahrung nach auf einer Druckpresse vorliegen. Dieser Test ist derzeit ein Standard-ISO-Verfahren zur Messung der Oberflächenrauhheit von Papier und Pappe. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Tests ist erhältlich von der Fa. H.E. Messmer, Ltd., London, England.
Tabelle XII zeigt die Betriebsgeschwindigkeit der Leimpresse, den Feststoffgehalt des Überzugs und die Feststoffaufnahme. Tabelle XIII gibt Eigenschaften der behandelten Papierbogen an. Alle Papierbogen mit Ausnahme des einen gekennzeichneten waren auf der dem Drahtnetz zugewandten Seite Heißspalt-kalandert, und Drucktests wurden an der Oberfläche durchgeführt. Eine Probe wurde kalandert und auf der Filz-Seite zum Vergleich bedruckt. Tabelle XII Probenbeschreibung Feststoffgehalt (%) Aufnahme (kg/T) (1) Geschwindigkeit (m/min) Rohpapier-Grundmaterial (unbehandelt) Rohpapiermaterial (mit Wasser behandelt) Homogenisierte BAC Homogenisierte BAC + CMC Homogenisierte BAC + CMC (Filz) Stärke Mit einer leichten Beschichtung versehenes Offset-Papier

Anmerkungen:

(1) Gesamtmenge für beide Seiten des Papierbogens
(2) Nur Wasser Tabelle XIII Probenbeschreibung Blattglanz Farbstoffglanz Glanzunterschied Farbstoffdichte Blatthelligkeit K & N-Helligkeitsabfall (%) Blattrauhheit Parker Print-Surf Gurley-Porosität gegenüber Luft Rohpapier-Grundmaterial (unbehandelt) Rohpapiermaterial (mit Wasser behandelt) Homogenisierte BAC Homogenisierte BAC + CMC Homogenisierte BAC + CMC (Filz) (1) Stärke Offset-Papier mit einer Beschichtung mit niedrigem Gewicht

Anmerkung:

(1) Auf der Filzseite des Papierbogens Heißspalt-Kalandert. Alle anderen Proben mit Ausnahme des unbehandelten Papierrohmaterials auf der Drahtziehseite des Papierbogens Kalandert.
Die Papierbogen, die in einer Leimpresse mit der BAC-CMC-Mischung überzogen worden waren, hatten ausgezeichnete Druckeigenschaften, die denen von handelsüblichen, mit einem leichten Überzug versehenen Offset-Papieren nahekamen. Offensichtlich dient die CMC als Supendier- und Dispergiermittel für die bakterielle Cellulose. Dies scheint seinerseits eine sehr viel einheitlichere und porenfreie Beschichtung auf der Rohpapieroberfläche zu ergeben, wie dies durch die Porositätswerte für Luft angezeigt wird. CMC und BAC entfalten in Bezug auf diesen Punkt deutlich eine synergistische Wirkung. Die Eigenschaften des mit CMC selbst beschichteten Bogens waren nur geringfügig verschieden von denen des nur mit Wasser behandelten Kontrollbogens, und zwar im Hinblick auf alle Eigenschaften mit Ausnahme der Helligkeit.
Es wird erwartet, daß andere Suspendiermittel neben CMC in gleicher Weise nützlich sind. Diese schließen sowohl natürliche als auch synthetische Materialien wie beispielsweise in Wasser lösliche Celluloseether ein. Versuche die unter Anwendung von Alco gum durchgeführt wurden, zeigten, daß dieses zu CMC äquivalent ist. Alco gum wird in Form einer reaktiven sauren Emulsion auf der Basis eines Copolymers von Methacrylsäure und Ethylacrylat geliefert und ist erhältlich von der Firma Alco Chemical Co., Chattanooga, Tennessee.
Die mit Stärke beschichtete Probe simulierte die Oberflächenleimung, die normalerweise auf das Rohpapiermaterial aufgebracht würde.

Beispiel 11

Herstellung von auf einer Seite mit BAC beschichteten Papierbogen

In den vorstehend beschriebenen Versuchen unter Verwendung einer geneigten Leimpresse wurden beide Seiten des Rohpapiermaterials beschichtet. Bei vielen Papierprodukten ist dies jedoch nur für eine Seite erforderlich, um überlegene Druckeigenschaften zu erreichen. Es wurden Versuche an Kurzverweil- und Klingenabmeß-Beschichtern (short dwell and blade metering coaters) im Pilotmaßstab durchgeführt, um die Möglichkeit der Aufbringung von bakterieller Cellulose auf nur eine Seite eines Papierbogens unter Verwendung von Anlagen zu zeigen, die gut einen kommerziellen Betrieb simulierten. Ein Kurzverweil-Beschichter weist einen Kopf auf, der gegen eine Basiswalze arbeitet, wobei der Papierbogen zwischen beiden hindurchläuft. Eine Beschichtungsschicht wird gegen die schnell laufende Faserbahn aufrechterhalten. Diese wird im Auslaufteil des Kopfes auf das gewünschte Beschichtungsgewicht mit einer Klinge abgerakelt. Der Klingenabmeß-Beschichter funktioniert in ganz ähnlicher Weise. Hier legt der Kopf die Beschichtung direkt auf die Basiswalze und nicht direkt auf das Papier auf. Die vorbemessene Beschichtung wird dann auf die durchlaufende Papierfaserbahn übertragen, wo diese an einer anderen Stelle in Kontakt mit der Basiswalze steht.
Wie bei den Versuchen der Beispiele 8 und 9 war das Papierrohmaterial ein Photokopierpapier, das nicht oberflächengeleimt war. Die aufgebrachte Beschichtung war eine 4 : 1- Mischung aus BAC und CMC niedriger Viskosität. Die BAC-CMC-Mischung hatte einen Gesamtfeststoffgehalt von 1 %. Diese wurde auf die Drahtsiebseite des Papierrohmaterials unter Verwendung eines Kurzverweil-Beschichters und auf die Filzseite mit dem Klingenabineß-Beschichter aufgebracht.
Die Tests wurden mit Geschwindigkeiten von 397 m/min auf dem Klingenabmeß-Beschichter und 305 m/min auf dem Kurzverweil-Beschichter durchgeführt. Die aufgebrachte Beschichtungsmenge auf dem Kurzverweil-Beschichter betrug nur 1,65 kg/T, was 1,32 kg/T BAC äquivalent ist. Das Beschichtungsgewicht bei dem Durchlauf mit dem Klingenabmeß-Beschichter betrug etwa 2 kg/T, was etwa 1,6 kg/T BAC äquivalent ist.
Alle Proben wurden Heißspalt-kalandert, wie dies in Beispiel 4 beschrieben ist, bevor sie bedruckt und getestet wurden.
Eine signifikante Verbesserung der Druckeigenschaften gegenüber dem Rohpapiergrundmaterial war insbesondere für den Klingenabmeßversuch offensichtlich. Dies war in gewisser Weise zweifelhaft für den Kurzverweilversuch, wo der Wert des Glanzunterschieds schlechter war als bei dem Papierrohmaterial, jedoch die anderen Eigenschaften überlegen waren. Es ist anzumerken, daß diese Verbesserungen bei sehr niedrigen Beschichtungsgewichten erhalten wurden. Tabelle XIV Probenbehandlung Blattglanz Farbstoffglanz Glanzunterschied Farbstoffdichte Blatthelligkeit K & N-Helligkeitsabfall (%) Blattrauhheit Parker Print-Surf Gurley-Porosität gegenüber Luft Klingenabmeß-Beschichter Kurzverweil-Beschichter

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines hochwertigen Papiers, welches das Auftragen eines Überzugs aus bakterieller Cellulose aus einer wäßrigen Suspension auf mindestens eine Oberfläche einer Cellulosesubstratbahn, welche vor dem Überziehen mindestens teilweise getrocknet worden ist, umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der Feuchtigkeitsgehalt des Papiers unter etwa 10% zum Zeitpunkt der Auftragung der bakteriellen Cellulose-Suspension liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, welches das Auftragen der bakteriellen Cellulose-Suspension durch eine Leimpresse oder außerhalb der Maschine befindliche Streichvorrichtung (off-machine coater) einschließt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Menge der bakteriellen Cellulose, die auf irgendeine Seite der Bahn aufgetragen wird, nicht mehr als etwa 10 kg/T beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem die Menge der bakteriellen Cellulose etwa 5 kg/T nicht überschreitet.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, in welchem die bakterielle Cellulose-Suspension ferner ein Suspendier- und Dispergiermittel einschließt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem das Suspendier- und Dispergiermittel Natriumcarboxymethylcellulose ist.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, in welchem die bakterielle Cellulose-Suspension ferner einen Füllstoff oder ein Pigment einschließt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, welches ferner das Warmkalandrieren des überzogenen Produkts einschließt.

10. Papierprodukt mit einer glatten einheitlichen Druckoberfläche mit gutem Leimfestigkeitsgrad nach der Tintenprobe, welches eine faserige Cellulosebahn mit einem dünnen Überzug aus bakterieller Cellulose auf mindestens einer ihrer Oberflächen umfaßt.

11. Papierprodukt nach Anspruch 10, in welchem die Menge der bakteriellen Cellulose in dem Überzug etwa 10 kg/T auf irgendeiner Oberfläche der Bahn nicht überschreitet.

12. Papierprodukt nach Anspruch 10, in welchem die Menge der bakteriellen Cellulose in dem Überzug etwa 5 kg/T auf irgendeiner Oberfläche der Bahn nicht überschreitet.