DE4224716C3 - Verfahren zur Herstellung einer eine CF-Schicht aufweisenden Papierbahn für druckempfindliche Aufzeichnungspapiere - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer eine CF-Schicht aufweisenden Papier­ bahn für druckempfindliche Aufzeichnungspapiere durch Auftragen einer farbreaktives mineralisches Pigment enthaltenden Streichfarbe.

Unter CF-Schichten (coated front) werden bei druckempfindlichen Aufzeichnungspapieren sog. Farbnehmer- oder Farbakzeptorschichten verstanden, die üblicherweise auf der Oberseite eines Papierbogens angeordnet sind und, wenn sie in Kontakt mit sog. Farbvorläufern oder Farbbildnern gebracht werden, unter Auslösung einer Farbreaktion ein Bild erzeugen.

Weite Verbreitung als Farbakzeptoren haben farbreaktive mineralische Pigmente erlangt, die zumeist als Säureton, saurer Ton o. ä. bezeichnet werden und den Bentonittonen zuzurechnen sind. Im Rahmen der vorlie­ genden Erfindung sind unter farbreaktiven mineralischen Pigmenten die vorerwähnten Tone zu verstehen, insbesondere solche Tone, deren Hauptmineral der Montmorillonit ist, aber auch andere farbreaktive Tone, wie Attapulgit. Das gemeinsame Problem dieser Tone liegt in ihrem von den übrigen Streichpigmenten der Papierin­ dustrie, z. B. Kaolin oder Calciumcarbonat, abweichendem rheologischen Verhalten bei der Herstellung und Verarbeitung der Streichfarbe. Es treten hier zum Teil abnorm hohe und ein Arbeiten mit hohem Feststoffgehalt einschränkende Viskositäten auf. Die bestehende Problematik wirkt sich insbesondere nachteilig aus, wenn die fraglichen CF-Schichten beim sog. on-line-Verfahren, d. h. direkt in der Papiermaschine, aufgetragen werden sollen. Um auch bei niedrigen Strichauftragsgewichten eine gleichmäßige Strichstruktur und eine gleichmäßige Abdeckung der Papieroberfläche zu erzielen, hat man sich vielfach damit beholfen, Feststoffgehalt und Viskosi­ tät der CF-Streichfarbe zu reduzieren. Infolge des höheren Wasseranteils der Streichfarbe ist bei gegebener Trockenkapazität damit eine Limitierung der Produktionsgeschwindigkeit verbunden.

Gemäß der DE-26 23 802 B2 wurde ein Verfahren zur Erzeugung von CF-Schichten auf der Papiermaschine vorgeschlagen, bei dem eine Mischung aus farbreaktivem Pigment, Calciumcarbonat und ggf. Kaolin eingesetzt wird. Der Auftrag erfolgt mit einem Streichmesser oder den zum damaligen Zeitpunkt bekannten Walzenbe­ schichtern. Allgemein werden Viskositäten bis 7.000 cps und Feststoffgehalte bis 60 Gew.-% in Erwägung gezogen, beispielhaft genannt ist eine Viskosität von 5.400 cps bei einem Feststoffgehalt von ca. 45 Gew.-%. In der Praxis sind Streichfarben in diesem Viskositätsbereich zur Erzielung einer gleichmäßigen Strichstruktur und eines konstanten Auftragsgewichtes nur schwer beherrschbar; sie führen z. B. zum Abheben des Rakelmessers oder -stabes und damit zu höherem Flächengewicht. Die nach dem bekannten Vorschlag zuzugebenden Mengen von inaktivem Material von vorzugsweise mind. 25 Gew.-% bis max. 45 Gew.-% bewirken außerdem einen relativ geringen Anteil an farbreaktivem Pigment, insbesondere bei Auftragsgewichten im Bereich von ca. 4 bis ca. 6 g/m².

Die EP-0 160 106 A1 behandelt ebenfalls die rheologischen Probleme (Gel-Bildung) von farbreaktivem Pig­ ment enthaltenden CF-Streichfarben und sieht den kombinierten Zusatz einer Bisphenolverbindung und Calci­ umcarbonat zu einer ein spezielles farbreaktives Pigment enthaltenden Streichfarbe vor. Obwohl die erreichten Viskositäten erheblich reduziert sind, liegt insofern noch ein Nachteil vor, als ein spezielles farbreaktives Pigment erforderlich ist und die Herstellung der Streichfarbe infolge der verschiedenen Komponenten relativ kompliziert ist. Als Streicheinrichtung wird der Auftrag mit einem Streichmesser vorgeschlagen, der Auftrag der Streichfarbe in einem on-line-Verfahren ist nicht erwähnt.

Die DE 39 23 586 A1 betrifft ein Aufzeichnungspapier mit einer Akzeptorschicht, die aus einer Beschichtungs­ zusammensetzung aufgebracht wird, in der neben einem organischen Farbakzeptor, ein Latex eines Copolymers, der eine ungesättigte Carbonsäure als monomere Komponente enthält und ein Immobilisierungsmittel sowie inaktive Pigmente vorliegen. Durch das Immobilisierungsmittel soll eine Akzeptorschicht mit verbesserter Beständigkeit gegenüber Reib-Schmierflecken und mit zufriedenstellender Bedruckbarkeit hergestellt werden. Das Immobilisierungsmittel soll dabei die Absorptionsrate des Grundblattes für das in der Beschichtungszusam­ mensetzung enthaltene Wasser sowie die Viskosität und andere rheologische Eigenschaften der Beschichtungs­ zusammensetzung verändern und zur Ausbildung einer gleichmäßigeren Beschichtung führen. Es werden auch verschiedene Leimungsverfahren erwähnt, die bei der Herstellung des bekannten Akzeptorblattes zum Einsatz kommen können, wobei ein in der Masse vollgeleimtes Streichrohpapier nicht offenbart wird. Die Akzeptorbe­ schichtung wird mit den bekannten Streicheinrichtungen, wie z. B. einer Luftbürste, einer Rakelstreicheinrich­ tung oder einer Leimpresse aufgetragen.

Die vorstehend genannten Streicheinrichtungen haben beim Auftrag von CF-Streichfarben den gemeinsamen Nachteil, daß im niedrigen Flächengewichtsbereich eine gleichmäßige Strichstruktur nicht oder nur schwierig erzielbar ist. Dieser Nachteil erklärt sich bei den bekannten Walzenauftragseinrichtungen durch die zwischen Auftragswalze und bereits auf das Papier aufgetragener Streichfarbe stattfindende Filmspaltung, die zu einer ungleichmäßigen Strichstruktur - auch als Orangenschaleneffekt bezeichnet - führt. Bei Messerstreicheinrich­ tungen, bei denen das Auftragsgewicht über den Anpreßdruck gesteuert wird, entsteht eine ungleichmäßige Strichstruktur infolge der Rauhigkeit der Papieroberfläche, denn das Rakelmesser füllt die Vertiefungen der Papieroberfläche mit Streichfarbe und entblößt die vorstehenden Bereiche der Papieroberfläche (Spachtelef­ fekt).

Die auf ihrer Vorderseite mit einer Farbakzeptorschicht (CF-Schicht) versehenen Bögen werden, sofern sie nicht als letztes Blatt in einem Formularsatz eingesetzt werden, auf ihrer Rückseite mit einer sog. CB-Schicht (coated back) versehen und es entsteht ein sog. CFB-Blatt. Die CB-Schicht enthält Mikrokapseln, in denen sich in einem geeigneten Lösungsmittel die Farbvorläufer befinden. Nach Zerstörung der Mikrokapseln besteht nun die Gefahr, daß sich die Farbbildnerlösung auch innerhalb des CFB-Blattes ausbreitet und auf die Vorderseite, d. h. die CF-Schicht durchschlägt, wodurch hier eine unerwünschte Farbreaktion ausgelöst wird. Zur Vermeidung werden die entsprechenden Papiere bereits in der Masse voll geleimt, so daß eine Sperrwirkung gegenüber der sich innerhalb des Papierbogens ausbreitenden Farbvorläuferlösung erfolgt. Gleichzeitig verliert das Papier aber auch sein Saugvermögen, so daß die Erzielung einer gleichmäßigen Strichstruktur bei niedrigen Auftrags­ mengen, etwa unter 7 g/m², erschwert wird.

Zur Verbesserung der Papierfestigkeit, insbesondere der Bedruckbarkeit, ist es vielfach üblich, die zur Anbrin­ gung von CF-Schichten vorgesehenen Papierbahnen auf der Papiermaschine mit einer die Papierfestigkeit erhöhenden Präparation zu versehen. Solche Präparationen. z. B. eine Stärkelösung, werden in bekannter Weise mit einer Leimpresse aufgetragen. Soll die CF-Schicht mit Hilfe einer in der Papiermaschine installierten Streicheinrichtung aufgetragen werden, ist neben der Trocknungseinrichtung für die Leimpressenpräparation eine weitere Trocknungseinrichtung zum Trocknen der CF-Schicht erforderlich.

Ausgehend von der geschilderten Problematik hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zum Auftrag von farbreaktive mineralische Pigmente enthaltenden Streichfarben zur Verfügung zu stellen, wobei folgende Anforderungen erfüllt sein sollen:

• - Erzeugung einer gleichmäßigen Strichstruktur unter Erhalt einer gleichmäßigen Abdeckung der Papier­ oberfläche bei einem Strichauftrag im Bereich von 4 bis 7 g/m² auch unter der Voraussetzung, daß ein in der Masse vollgeleimtes Streichrohpapier zum Einsatz kommt;
• - Verarbeitbarkeit von Streichfarben mit mehr als 40 Gew.-% Feststoffgehalt in einem weiten Viskositäts­ bereich;
• - Verarbeitungsmöglichkeit von Streichfarben mit und ohne Zusatz inaktiver Pigmente unter gleichzeiti­ ger Erfüllung der Forderung, daß auch bei niedrigen Auftragsgewichten eine ausreichend hohe Menge von farbreaktivem Pigment in der CF-Schicht vorliegt;
• - Anwendbarkeit des Verfahrens auch in der Papiermaschine;
• - Auftragsmöglichkeit der CF-Streichfarbe bei gleichzeitigem Auftrag einer Präparation auf die der CF-Schicht gegenüberliegende Seite der Papierbahn und gleichzeitige Trocknung von CF-Streichfarbe und Präparation in einer gemeinsamen Trocknungseinrichtung.

Zur Lösung der vorliegenden Aufgabe greift die Erfindung auf die auch unter der Bezeichnung "speedsizer" bekanntgewordenen und in der DE-Literaturstelle: Wochenblatt für Papierfabrikation 23/24 (1987). S. 1.063 ff. und der DE-34 17 481 A1 beschriebenen Vorrichtungen zurück. In diesen Schriften ist der Einsatz der bekannten Vorrichtungen als Leimpresse und zum Auftrag von Streichfarben angegeben, ohne daß jedoch die speziellen Probleme beim Auftrag von CF-Streichfarben angesprochen sind. Die Erfindung schlägt nun ein Verfahren zur Herstellung einer eine CF-Schicht aufweisenden Papierbahn durch Auftragen einer farbreaktives mineralisches Pigment enthaltenden Streichfarbe vor, das durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet ist:

• - die Papierbahn wird zur Erzielung einer Volleimung in der Masse geleimt;
• - der Auftrag der CF-Schicht erfolgt mit einer Streicheinrichtung, bei der die Papierbahn zwischen zwei auf Spalt oder mit minimalem Preßdruck eingestellten Übertragungswalzen geführt wird.
• - von denen eine die mittels eines drehbaren und angetriebenen gerillten Rakelstabes volumetrisch vordosierte Streichfarbe zur Ausbildung der CF-Schicht auf eine Seite der Papierbahn überträgt.
• - und die andere eine ebenfalls mittels drehbar angetriebenem gerillten Rakel volumetrisch vordosierte wäßrige Lösung auf die andere Seite der Papierbahn überträgt.
• - der Feststoffgehalt der Streichfarbe ist < 40 Gew.-% und die Streichfarbe weist eine Viskosität zwischen 1000 und 5000 mPas auf,
• - die Menge des farbreaktiven Pigmentes in der getrockneten CF-Schicht beträgt 3,5 bis 5 g/m² (gerechnet als Trockengewichtsteile).

Die Oberflächenprofilierung des Rakelstabes umfaßt Vertiefungen, z. B. in Form von Rillen, die auch als Gewinde ausgebildet sein können, wobei der Rakelstab vorzugsweise durch Fräsen als solcher profiliert ist bzw. kann der Rakelstab zur Erzeugung seines Profils drahtumwickelt sein. Die Profiltiefe und der Anpreßdruck des Rakels an die Übertragungswalze regulieren die Auftragsmenge der CF-Streichfarbe. Die Drehrichtung des Rakelstabes ist der Laufrichtung der Papierbahn entgegengesetzt.

Beim Auftrag niedriger Strichgewichte wird vorteilhafterweise zur Vergleichmäßigung des Auftrages ein minimaler Preßdruck vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 40 kN/m eingestellt. Dagegen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, beim Auftrag höherer Strichgewichte einen Spalt einzustellen, wobei die Einstellung des Spaltes vorzugsweise so vorgenommen wird, daß zwischen den beiden Auftragwalzen eine Dicke eingestellt ist, die kleiner als die des ungestrichenen Papiers ist. Gemäß weiteren vorzugsweisen Ausfüh­ rungen kommt für die CF-Schicht eine Streichfarbe zum Einsatz, deren Feststoffgehalt bei mehr als 42 Gew.-%. ganz besonders bevorzugt bei mehr als 45 Gew.-% liegt. Die Viskositäten der einzusetzenden CF- Streichfarben können dabei zwischen 1.000 und 5.000 mPa.s liegen.

Als wäßrige Lösung kann Wasser eingesetzt werden, womit jedoch lediglich die Rollneigung der Papierbahn eingeschränkt bzw. verhindert wird. Vorzugsweise wird als wäßrige Lösung jedoch eine Stärkelösung einge­ setzt, so daß auch eine Verbesserung der Bedruckbarkeit infolge der besseren Einbindung der Papierfasern erzielt wird.

Unter dem Begriff Stärke sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Stärkederivate, wie z. B. Stärkeät­ her oder -ester zu verstehen. Desweiteren sind auch Lösungen von Polyvinylalkohol und CMC geeignet.

Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß auch bei relativ niedrigen Auftragsgewichten der CF-Schicht im Bereich von 4 bis 5 g/m² ein gleichmäßiger Strichauftrag, ein konstantes Auftragsgewicht und eine gute Abdec­ kung der Streichrohpapieroberfläche erzielt werden konnten, was auf die volumetrische Vordosierung mittels gerilltem Rakelstab zurückgeführt wird. Die Gleichmäßigkeit des Auftrages ermöglicht den Verzicht auf die Zumischung von inaktiven Pigmenten, z. B. Calciumcarbonat, wie sie bisher zur Einstellung einer ausreichenden Strichgleichmäßigkeit für notwendig gehalten wurde, wobei gleichzeitig das Strichgewicht bis zu 4 g/m² abge­ senkt werden kann. Trotz dieses niedrigen Flächengewichtsbereiches für die CF-Schicht steht noch eine ausrei­ chende Menge von farbreaktivem mineralischen Pigment für die Farbreaktion mit farblosen Farbvorläufern zur Verfügung. Wie bereits ausgeführt, ist die Zumischung von nichtfarbreaktiven Pigmenten zur Verbesserung der Strichgleichmäßigkeit nicht mehr zwingend erforderlich, jedoch können solche Pigmente nach wie vor in der CF-Streichfarbe bzw. der CF-Schicht vorliegen. Zur Stabilisierung der hohen pH-Werte kann den CF-Streich­ farben Calciumcarbonat zugefügt werden. Mit Kaolin oder Talkum läßt sich durch Schließung der Oberfläche die Aufnahmegeschwindigkeit für Druckfarbe verlangsamen, falls der mit einer CF-Schicht versehene Bogen anschließend noch bedruckt werden soll. Talkum wird auch eingesetzt, um die Oberfläche zu hydrophobieren und zu glätten, wodurch die Übertragung der Farbstoffvorläuferlösungen im Formularsatz verbessert wird. Bariumsulfat und Aluminiumhydroxid bewirken eine höhere Grundweiße und optische Aufhellung der CF- Schichten; Chlorit kann im Austausch gegen Talkum eingesetzt werden, führt aber zu einer besseren Intensität der Durchschrift. Inhibierte Stärke, d. h. in ihrer Löslichkeit eingeschränkte bzw. unlösliche Stärke führt zu einer Verringerung der Strichopazität, so daß die Aufhellung des Rohpapiers stärker durchscheint und bietet ## volumengleichem Ersatz gegenüber Calciumcarbonat die Möglichkeit, den Gewichtsanteil des inaktiven Pig­ ments abzusenken, was gleichzeitig zu einer weiteren Verringerung des Strichauftragsgewichtes führt.

Der eigentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Möglichkeit, auch mit geringen Strichauf­ tragsgewichten eine gleichmäßige Strichstruktur und damit eine gute Abdeckung der Streichrohpapieroberflä­ che bei Einhaltung eines gleichbleibenden Auftragsgewichtes einstellen zu können, wodurch es ermöglicht wird, auch bei geringen Auftragsgewichten eine ausreichende Menge von farbreaktivem Pigment innerhalb der CF-Schicht aufzubringen, wodurch eine ausreichende Intensität des durch die Farbreaktion zwischen Farbvor­ läufer und farbreaktivem mineralischen Pigment erzeugten Bildes resultiert. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunk­ ten ist eine Menge von mehr als 5 g/m² farbreaktiven Pigments in der CF-Schicht nicht erforderlich.

Wird die erfindungsgemäß einzusetzende Streicheinrichtung statt einer der bisher üblichen Leimpressen in einer Papiermaschine installiert, entsteht der in wirtschaftlicher Hinsicht besonders günstige Vorteil, daß in einer einzigen Trocknungseinrichtung sowohl die auf der Vorderseite aufgebrachte CF-Streichfarbe als auch die rückseitige Präparation aus z. B. einer Stärkelösung getrocknet werden kann. Der Auftrag der CF-Schicht auf eine Papierbahn in der Papiermaschine ist daher besonders bevorzugt.

In der nachfolgenden Tabelle sind verschiedene CF-Streichfarben und die Ergebnisse angegeben, die bei einem Pilotversuch mit einer in einer Papiermaschine installierten Streicheinrichtung entsprechend der Erfin­ dung erhalten wurden.

Tabelle

Die Angaben zu den Anteilen der einzelnen Komponenten der Streichfarbe beziehen sich auf Gewichtsantei­ le. Die Strichstruktur war bei allen Versuchen gleichmäßig.

Außer den wesentlichen Komponenten Pigment und Latex bzw. Stärke als Bindemittel enthielten die Streich­ farben noch die üblichen Hilfsmittel, wie Methylzellulose zur Regulierung der Viskosität, Natronlauge zur Einstellung des pH-Wertes von ca. 10,3: Kalziumstearat und Wasser. Der Auftrag erfolgte bei einer Geschwin­ digkeit von 600 m/Min. Rückseitig wurde eine 12%ige Stärkelösung aufgetragen, so daß ein Auftragsgewicht von 0,9 g/m², gerechnet als Trockengewichtsanteile, resultierte.

Zur näheren Erläuterung des Verfahrens dient die Figur.

Auf der Oberfläche einer ersten Übertragungswalze (2) befindet sich eine vordosierte Schicht einer wäßrigen Stärkelösung (5), während auf der Oberfläche der anderen Übertragungswalze (2') eine zur Ausbildung einer CF-Schicht (4') dienende Streichfarbe (4) vordosiert ist. Die Vordosierung erfolgt bei der Stärkelösung mittels des in vereinfachter Form dargestellten gerillten Rakels (3) und bei der CF-Streichfarbe (4) mittels des gerillten Rakels (3'). Beide Rakel sind entgegengesetzt zur Drehrichtung der Übertragungswalzen angetrieben. Von den Oberflächen der Übertragungswalzen erfolgt der Übertrag der vordosierten Stärkelösung (5) bzw. CF-Streich­ farbe (4) auf die Papierbahn (1). Im linken Teil der Figur ist in vereinfachter Darstellungsweise eine Vorrichtung dargestellt, umfassend in ebenfalls schematisch dargestellter Weise eine Rakelhalterung (7), von der die Stärke­ lösung (5) im Überschuß gegen die Oberfläche der Übertragungswalze (2) gebracht wird. Überschüssige Stärke­ lösung läuft, wie mit dem Pfeil angedeutet, ab. Im rechten Teil der Figur kann eine gleiche Rakelhalterung bzw. Farbwanne installiert werden. Rakelhalterung, Farbwanne und Farbführungseinrichtungen sind nicht Gegen­ stand der vorliegenden Erfindung und können daher auch durch andere geeignete Vorrichtungen, wie z. B. Farbauftragsrohre ersetzt sein.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer eine CF-Schicht aufweisenden Papierbahn für druckempfindliche Auf­ zeichnungspapiere durch Auftragen einer farbreaktives mineralisches Pigment enthaltenden Streichfarbe, gekennzeichnet durch die Kombination der nachfolgenden Merkmale:

• - die Papierbahn (1) wird zur Erzielung einer Volleimung in der Masse geleimt;
• - der Auftrag der CF-Schicht (4') erfolgt mit einer Streicheinrichtung bei der die Papierbahn (1) zwischen zwei auf Spalt oder mit minimalem Preßdruck eingestellten Übertragungswalzen (2; 2') geführt wird;
  von denen eine die mittels eines drehbaren und angetriebenen gerillten Rakelstabes (3') volumetrisch vordosier­ te Streichfarbe (4) zur Ausbildung der CF-Schicht (4') auf eine Seite der Papierbahn (1) überträgt
• - und die andere eine ebenfalls mittels drehbar angetriebenem geruhen Rakel (3) volumetrisch vordosierte wäßrige Lösung (5) auf die andere Seite der Papierbahn überträgt,
• - der Feststoffgehalt der Streichfarbe ist < 40 Gew.-% und die Streichfarbe weist eine Viskosität zwischen 1000 und 5000 mPas auf;
• - die Menge des farbreaktiven Pigmentes in der getrockneten CF-Schicht beträgt 3,5 bis 5 g/m² (gerechnet als Trockengewichtsteile).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Auftragswalzen (2; 2') ein Preßdruck zwischen 10 und 40 kN/m eingestellt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen den beiden Auftragswalzen (2; 2') auf eine Dicke eingestellt ist, die kleiner als die des ungestrichenen Papiers ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Präparation eine Stärkelösung ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die CF-Streichfarbe außer dem farbreaktiven mineralischen Pigment bis zu 30 Gew.-% - bezogen auf Gesamtpigmentgehalt, gerech­ net als Trockengewichtsteile - eines nicht farbreaktiven Pigmentes, ausgewählt aus der Gruppe Calcium­ carbonat, Kaolin, Bariumsulfat, Talkum, Chlorit, gefälltes Silikat, Aluminiumhydroxid und inhibierte Stärke oder eine Mischung dieser Verbindungen enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die CF-Schicht in einer Auftragsmenge von 4 bis 7 g/m² (gerechnet als Trockengewichtsteile) aufgetragen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Papiermaschine durchgeführt wird.