DE60105334T2

DE60105334T2 - Beschichtungszusammensetzung für Papier oder Karton beinhaltend ein strukturiertes Tonpigment

Info

Publication number: DE60105334T2
Application number: DE60105334T
Authority: DE
Inventors: Gary M. Freeman; Sung-Tsuen Lagnua Niguel Liu
Original assignee: JM Huber Corp
Current assignee: JM Huber Corp
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: EP1132520B1; CA2340338A1; EP1132520A1; CA2340338C; ATE275668T1; EP1132520B2; US6402827B1; DE60105334D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Beschichtungszusammensetzung für Papier oder Karton, die ein strukturiertes Tonpigment enthält, und insbesondere solch eine Beschichtung, die ein strukturiertes Tonpigment enthält, das ohne eine nachteilige Auswirkung auf den Papierglanz die Volumengebungskennzeichen und Deckkraft der Beschichtung erhöht.
Feinteilige Pigmente, z.B. feinteilige Kaolintone, sind in Beschichtungsformulierungen für Paper und Karton häufig benutzt worden, um wünschenswerte Grade an Glanz und Deckkraft bereitzustellen. Jedoch enthalten solche Pigmente oftmals eine wesentliche Menge an äußerst kleinen Teilchen, die kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes und Licht nicht wirkungsvoll streuen. Dementsprechend ergeben solche feinteiligen Tonpigmente eine geringere Beschichtungsdeckkraft (auch als Deckfähigkeit und Kontrastverhältnis bezeichnet) als Tone mit optimalerer Teilchengröße.
In Anerkennung des obigen sind Verfahren zum Vergrößern der Lichtstreufähigkeit kleiner Tonpigmente entwickelt worden. In einem solchen Verfahren ist das Strukturieren des Tonpigmentes durch chemische oder thermische Mittel einbezogen. Das Ziel des Strukturierens eines Tonpigmentes ist es, mittels Tonplättchenaggregation eine Mikrohohlraumporenstruktur zu schaffen und die Fraktion der äußerst kleinen Teilchen in dem Pigment (z.B. Teilchen, die eine Teilchengröße von weniger als 0,2 μm aufweisen) zu strukturierten Teilchen mit hinsichtlich der Lichtstreueffizienz optimalerer Teilchengröße zu aggregieren. In Hochglanzanwendungen ist die hauptsächliche technische Herausforderung, die immer noch der Benutzung von Tonstrukturierungsstrategien entgegensteht, die Fähigkeit, die physikalischen und optischen Kennzeichen des Beschichtungspigmentes zu verbessern, ohne den Blattglanz zu beeinträchtigen.
Mehrere Techniken, aus einem feinteiligen Tonzufuhrmaterial einen strukturierten Ton zu bilden, um dessen Deckkraft zu verbessern, sind entwickelt worden. Beispiele für diese Techniken sind die Kalzinierung von feinteiligen Tonen, die hydrothermale Veränderung von Tonteilchen und die chemische Behandlung von Tonteilchen. Zwei gebräuchliche strukturierte Pigmente, die in Beschichtungen für Papier benutzt werden, sind strukturierte kalzinierte Tone und synthetische Alkalimetall-Alumosilikat-(SAMS)-Zusammensetzungen.
Die Kalzinierung von feinteiligen Tonen bei Temperaturen in der Nähe von 1.000 °C führt über thermisches Sintern zu der Aggregation der Tonteilchenplättchen und Bildung von strukturierten Produkten, die eine erhöhte Beschichtungsdeckkraft bereitstellen. Siehe z.B. die US-Patentschriften Nr. 3,014,836 und 4,381,948.
Die US-Patentschriften Nr. 4,812,299, 4,863,796, 5,112,402, 5,186,746 und 5,316,576 offenbaren jeweils eine SAMS-Zusammensetzung. SAMS-Pigmente sind Zusammensetzungen aus strukturierten Tonen, die durch die Reaktion eines Kaolintones mit einer anorganischen Base unter hydrothermalen Bedingungen hergestellt werden, wie in den US-Patentschriften Nr. 4,812,299, 4,863,796 und 5,591,256 allgemein offenbart.
Es ist herausgefunden worden, dass die meisten kalzinierten Tone gewöhnlich zu abrasiv sind, um in einigen auf Papier bezogenen Anwendungen wirkungsvoll benutzt zu werden. Zudem können bestehende kalzinierte Tone und SAMS-Zusammensetzungen nicht ohne Strukturverlust zu hohen Feststoffgehalten dispergiert werden und zeigen daher schlechte rheologische Eigenschaften bei starker Scherung. Überdies sind solche Produkte in der Herstellung teuer.
In Anerkennung des obigen sind Verfahren zum Herstellen von hochleistungsfähigen strukturierten Pigmenten mit verbesserten rheologischen Eigenschaften und niedrigeren Herstel lungskosten entwickelt worden. In einem solchen Verfahren ist das Behandeln der äußerst kleinen Teilchen in einem Kaolin-(Alumosilikat)-Tonpigment mit einem Flockungsmittel einbezogen, um in die Tonplättchenaggregation eine Mikrohohlraumporenstruktur einzubinden. Wie oben angegeben, sind die Mikrohohlräume, die mit strukturierten Pigmenten im Zusammenhang stehen, für das Schaffen wünschenswerter Volumengebungs- und Lichtstreukennzeichen einer pigmentierten Beschichtung verantwortlich. Siehe z.B. die US-Patentschriften Nr. 4,075,030, 4,076,548 und 4,078,941. Diese Patentschriften offenbaren das Erhöhen des Deckvermögens von Kaolintonpigmenten durch Flocken der Tonteilchen mit einem nichtpolymeren Polyamin-Aggregationsmittel bei einem niedrigen pH-Wert der Aufschlämmung. Wenn solche strukturierten Pigmente jedoch in eine Aufschlämmung „umgewandelt" werden, weisen sie keine annehmbaren Endnutzungseigenschaften zur Anwendung in herkömmlichen Beschichtungszusammensetzungen für Papier auf, die typischerweise mit pH-Werten im neutralen bis leicht alkalischen Bereich formuliert werden.
Die US-Patentschrift Nr. 4,738,726 beschreibt ein Verfahren zum Behandeln eines Tones mit einem kationischen Flockungsmittel, um ein stark volumengebendes Pigment mit verbesserten rheologischen Eigenschaften zu erhalten. Die mittlere Teilchengröße gemäß Sedigraph (d.h. der mittlere Stokessche Teilchenäquivalentdurchmesser) des offenbarten Kaolintonpigmentes beträgt jedoch vor der Behandlung 0,5 bis 0,6 μm, wobei weniger als 35 Gew.% der Teilchen kleiner als 0,3 μm sind. Nach der Flockung ist die Teilchengröße wesentlich erhöht. Diese wesentliche Erhöhung der Teilchengröße verursacht, dass das strukturierte Pigment als eine Komponente in Beschichtungen für Papier wirkungslos ist, wenn hoher Glanz erforderlich ist.
Die US-Patentschrift Nr. 5,676,748 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von volumengebenden und deckenden Kaolinpig menten als Nasspartie-Füllstoffe für Papier. Spezifisch wird eine wässrige Aufschlämmung von anionisch dispergierten Kaolinteilchen bei niedrigem Feststoffgehalt mit hohen Behandlungsanteilen eines kationischen Polymers mit niedrigem bis mittlerem Gewicht, das als ein Flockungsmittel dient, behandelt. Die resultierenden Aggregatstrukturen enthalten wenige oder keine kleinen und äußerst kleinen Teilchen, und solche Strukturen enthalten eine große Zahl innerer Hohlräume oder Poren. Infolge einer drastischen Änderung der Teilchengröße der Kaolintonteilchen werden jedoch wiederum die optischen Eigenschaften der behandelten Pigmente nachteilig beeinflusst, wenn sie umgewandelt und einer Beschichtung für Papier zugegeben werden. Zudem können die auf diese Weise bereitgestellten strukturierten Tonpigmente nur bei niedrigen Aufschlämmungsfeststoffgehalten (weniger als etwa 30 %) hergestellt werden, was zur Benutzung als ein Beschichtungspigment in herkömmlichen Beschichtungsanwendungen für Papier nicht annehmbar ist.
Die US-Patentschrift Nr. 5,718,756 beschreibt auch ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Beschichtung für Papier, welches das Mischen eines feinteiligen Kaolintonpigmentes mit einem kationischen Flockungsmittel, einem nichtionischen Bindemittel und anderen Zusatzstoffen umfasst. Das kationische Flockungsmittel wird in einer verhältnismäßig großen Menge zugegeben, und es wird angenommen, dass es dadurch eine verhältnismäßig große Erhöhung der mittleren Teilchengröße des Pigmentes hervorruft. Obwohl die rheologischen oder optischen Eigenschaften der resultierenden Beschichtung für Papier nicht offenbart sind, wird zudem angenommen, dass die wesentliche Erhöhung der Teilchengröße des Pigmentes dessen Glanzeigenschaften beeinträchtigt.
Die vorliegende Erfindung sucht, die Mängel des oben erörterten Standes der Technik zu beseitigen, indem sie eine Beschichtungszusammensetzung für Papier bereitstellt, die ein strukturiertes Tonpigment enthält, das die Volumengebungskennzeichen und die Deckkraft der Beschichtungszusammensetzung erhöht, ohne eine nachteilige Auswirkung auf deren Glanzkennzeichen aufzuweisen. Das strukturierte Tonpigment wird als ein Aufschlämmungsprodukt benutzt, das einen hohen Prozentgehalt an festen Mineralteilchen und wünschenswerte rheologische Eigenschaften aufweist.
Erfindungsgemäß ist eine Beschichtungszusammensetzung für Papier- oder Kartonprodukte bereitgestellt, die ein strukturiertes Pigment umfasst, das eine Vielzahl an chemisch behandelten Mineralteilchen enthält, die einen Malvern-Medianwert der Teilchengröße von 0,3 bis 3,5 μm aufweisen, wobei der Malvern-Medianwert der Teilchengröße der behandelten Teilchen um weniger als 20 % größer ist als der Malvern-Medianwert der Teilchengröße der Mineralteilchen vor der Behandlung, wobei die Mineralteilchen mit einem polykationischen Polymer in einer Menge von 0,01 Gew.% bis 0,20 Gew.% behandelt worden sind.
Die Erfindung ist unten nur als Beispiel unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei
die 1 ein Fließdiagramm ist, welches das Verfahren zum Herstellen einer Aufschlämmung eines erfindungsgemäßen, mit Polymer behandelten, strukturierten Tonproduktes und eines erfindungsgemäßen, mit Polymer behandelten, trockenen, strukturierten Tonproduktes darlegt, und
die 2 ein Fließdiagramm ist, das ein alternatives Verfahren zum Herstellen einer Aufschlämmung eines mit Polymer behandelten, strukturierten Tonproduktes darlegt.
Erfindungsgemäß sind strukturierte Pigmentprodukte offenbart, die chemisch behandelte Mineralteilchen enthalten und verbesserte rheologische und optische Kennzeichen aufwei sen. Auch sind Verfahren zum Herstellen solcher strukturierten Pigmentprodukte offenbart.
Die vorliegende Erfindung legt zwei bevorzugte Behandlungsstrategien zum Herstellen eines chemisch behandelten, strukturierten Pigmentproduktes dar. Die erste Strategie wird benutzt, um aus einem Tonaufschlämmungszufuhrmaterial mit hohem Feststoffgehalt durch Behandlung mit polykationischem Polymer eine Aufschlämmung von strukturiertem Ton herzustellen. Die zweite Strategie ist so ausgelegt, dass sie ein trockenes, mit Polymer strukturiertes Tonprodukt ergibt, das in Form eines trockenen Schüttgutes an den Standort eines Kunden transportiert und anschließend in eine Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt für eine gewünschte Endnutzungsanwendung, d.h. eine Beschichtungszusammensetzung für Papier oder Karton, umgewandelt werden kann.
In der 1 ist ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen einer Aufschlämmung eines bevorzugten, strukturierten Tonproduktes mit hohem Feststoffgehalt dargelegt. Das Verfahren, das in der 1 als Verfahren A gekennzeichnet ist, umfasst das Bereitstellen einer Menge eines feinteiligen Tonzufuhrmaterials. Das Tonzufuhrmaterial wird aufgeschlämmt oder als ein Aufschlämmungsverfahrensstrom aus einer Tonaufbereitungsanlage erhalten und dann durch herkömmliche, im Fachgebiet bekannte Mittel auf einen hohen prozentualen Feststoffgehalt aufkonzentriert. Der prozentuale Feststoffendgehalt, der mit Polymer zu behandeln ist, beträgt vorzugsweise etwa 55 % bis etwa 75 %. Wie erörtert wird, sind Feststoffgehalte der Produktaufschlämmung von mehr als 62 % für die meisten Beschichtungsanwendungen für Papier besonders wünschenswert. Danach wird die Aufschlämmung mit einer vorbestimmten Menge an polykationischem Polymer vermischt. Das entstehende behandelte Aufschlämmungsprodukt wird dann mit einem flüssigen Dispergiermittel dispergiert. Die Zugabe des Dispergiermittels nach der Be handlung ist erforderlich, um die Teilchengröße des mit Polymer behandelten Tones zu steuern, die Viskosität des Aufschlämmungsproduktes zu verringern und für Langzeitstabilität der Aufschlämmung zu sorgen.
Das Ausgangs-Tonzufuhrmaterial ist vorzugsweise ein feinteiliger Ton mit Beschichtungsgüte, der vorzugsweise eine Helligkeit gemäß TAPPI von mindestens 85 % aufweist und aus einer nichtdelaminierten oder einer delaminierten Variante bestehen kann. Die Teilchengrößeneigenschaften eines bevorzugten nichtdelaminierten feinteiligen Tonzufuhrmaterials sind wie folgt: Malvern-(LLS)-Medianwert der Teilchengröße von 0,3 bis 1,4 μm; (2) Sedigraph-Medianwert der Teilchengröße (durchschn. Stokes-Durchmesser) von 0,2 bis 0,5 μm und Gew.% < 2 μm gemäß Sedigraph von 92 bis 100 und Gew. < 0,3 μm gemäß Sedigraph größer als 35 %. Die Teilchengrößeneigenschaften eines bevorzugten delaminierten Tonzufuhrmaterials sind wie folgt: Malvern-(LLS)-Medianwert der Teilchengröße von 1,8 bis 3,4 μm; Sedigraph-Medianwert der Teilchengröße (durchschn. Stokes-Durchmesser) von 0,4 bis 0,7 μm und Gew.% < 2 μm gemäß Sedigraph von 82 bis 96 %. Es sollte beachtet werden, dass zu anderen nützlichen Produkten auf Mineralbasis gemahlenes Calciumcarbonat und Mischungen aus Calciumcarbonat und Ton gehören.
Zwei bevorzugte nichtdelaminierte Kaolintone werden von der J. M. Huber Corporation aus Edison, NJ unter den Marken Hydragloss^® 90 und Covergloss^® vertrieben. Zu zwei bevorzugten delaminierten Toneinsatzmaterialien gehören Hydrafine^® 90 und Lithoprint^TM, die ebenfalls von der J. M. Huber Corporation erhältlich sind. Einige typische physikalische Eigenschaften jedes dieser Tone sind in der Tabelle I dargelegt.
Der pH-Wert, die Helligkeit, die Teilchengröße gemäß Sedigraph und die Teilchengröße gemäß Malvern wurden wie folgt bestimmt: Die pH-Werte von Ton wurden unter Benutzung eines Standard-pH-Messgerätes an einer Mischung mit 28 Feststoffen (gewichtsbezogen) des Tones mit entionisiertem Wasser gemäß ASTM-D1208, Vorschrift E-70 bestimmt. Die prozentualen Helligkeitswerte sind Standard-Helligkeitszahlen gemäß TAPPI, bestimmt mit einem Helligkeitsmesser Technidyne Micro TB-IC gemäß der Vorschrift des TAPPI-Verfahrens T646 om-86. Alle Messungen der Teilchengröße gemäß Sedigraph wurden mittels eines Röntgenstrahl-Sedimentationsverfahrens auf Basis des Stokesschen Gesetzes unter Benutzung eines Micromeritics-5100-Sedigraph-Gerätes durchgeführt. Der Malvern-Medianwert der Teilchengröße wurde unter Benutzung eines Masterizer/E-Gerätes von Malvern erhalten, das auf einem Laserlichtstreuverfahren beruht, das in der US-Patentschrift Nr. 5,167,707 beschrieben ist.
Wenn der Ton als eine Komponente einer Beschichtung für Papier benutzt wird, wird die kleine Teilchengröße des Tones in hohen Blattglanz umgesetzt. Blattglanz bezieht sich auf Oberflächenglanz und bedeutet einen im Allgemeinen angenehmen Effekt. Die erfindungsgemäßen Produkte sind in beschichteten Mittel- (Light-Weight-Coated-Papier mit einem Glanzwert von 50 bis 55) bis Hochglanzpapieren (freie Blattklassen mit Glanzwerten von 70 bis 90) besonders nützlich. Der Papierglanz wird gemäß dem TAPPI-Verfahren T480 om-85 bestimmt. Das Toneinsatzmaterial wird zu einem gewünschten prozentualen Feststoffgehalt aufgeschlämmt oder als ein Aufschlämmungsverfahrensstrom aus einer Tonaufbereitungsanlage erhalten, wodurch die Tonaufschlämmung vorzugsweise mindestens 50 Gew.% Feststoffe enthält und anionisch dispergiert ist. Die Aufschlämmung wird dann durch Eindampf- oder Filtrationstechniken aufkonzentriert, um ein Tonaufschlämmungszufuhrmaterial mit hohem Feststoffgehalt (vorzugsweise mit etwa 50 % bis 75 % Feststoffen) bereitzustellen. Danach wird die aufkonzentrierte Tonauf schlämmung mit einem polykationischen Polymer behandelt. Dies wird vorzugsweise durchgeführt, indem die Tonaufschlämmung in einem stark scherenden Mischbehälter (z.B. Cowles-Dissolver, der mit einer Blattspitzengeschwindigkeit von mindestens 2.000 ft/min betrieben wird) gemischt wird und das kationische Polymer unter fortgesetztem Rühren eingemischt wird.
Das kationische Polymer, das benutzt wird, um eine Pigmentstruktur zu verleihen, wird vorzugsweise in einer Menge von etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.% zugegeben und weist ein Molekulargewicht, bestimmt durch die Gewichtsmittelwert-GPC-Methode, von weniger als 50.000 und stärker bevorzugt von weniger als 15.000 auf. Das polykationische Polymer wird der Tonaufschlämmung typischerweise unter stark scherendem Mischen als eine verdünnte Lösung zugegeben, deren Konzentration an aktivem Polymer in dem Bereich von etwa 2 bis 10 Gew.% liegen kann. Die Benutzung von verringerten Polymerkonzentrationen zur Tonbehandlung unterstützt dabei, das Schocken der Tonaufschlämmung aufgrund übermäßiger örtlicher Tonflockung zu verhindern. Die Tonfeststoffverdünnung durch die Polymerbehandlung ist angesichts der niedrigen Behandlungsanteile, die eingesetzt werden, noch fast vernachlässigbar. Es sollte beachtet werden, dass bei der Polymerbehandlung höhere Anteile an eingesetzt werden können, wenn Tonaufschlämmungen mit geringerem prozentualem Feststoffgehalt eingesetzt werden, d.h. weniger als 50 Feststoffe. Um jedoch wirkungsvoll hochleistungsfähige strukturierte Tonpigmente herzustellen, die Aufschlämmungsfeststoff-Endgehalte in dem Bereich von 55 % bis 75 aufweisen, sollten die Polymerbehandlungsanteile in dem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,1 % liegen.
Eine ausreichende Menge an polykationischem Polymer, um den maximalen Tonstrukturierungsgrad zu erzielen, während ein annehmbarer Viskositätswert nach der Dispergierung mit einem chemischen Dispergiermittel nach der Behandlung noch bewahrt wird, wird zugegeben. Eine annehmbare behandelte Aufschlämmung ist eine, die eine anfängliche Viskosität nach Brookfield (BF) von weniger als 500 cps (Spindel Nr. 2 bei 20 U/min) aufweist und auch bei Langzeitalterung stabil ist (d.h. nicht gelierend). Es ist ebenfalls wünschenswert, dass die behandelte Produktaufschlämmung einen Viskositätswert gemäß Hercules bei starker Scherung bei 500 U/min von besser als 18 dyn, gemessen mit dem Rotationszylinder A, aufweist. Eine Viskosität gemäß Hercules bei 500 U/min von besser als 18 dyn gewährleistet, dass die behandelte Produktaufschlämmung mit Hochgeschwindigkeitskreiselpumpen und dergleichen gepumpt werden kann.
Zu bevorzugten polykationischen Polymeren gehören diejenigen, die ein Molekulargewicht, bestimmt mittels der GPC-Methode (Gelpermeationschromatographie), von < 50.000 und noch stärker bevorzugt < 15.000 aufweisen. Ein hochwirksames polykationisches Polymer ist von der CPS Chemical Company, Inc. unter dem Handelsnamen B50-LV erhältlich. B50-LV ist ein polykationisches Polymer mit niedrigem Molekulargewicht (etwa 8.500, mittels GPC) auf Basis der Dimethylaminepichlorhydrin-Chemie. Es ist festgestellt worden, dass das B50-LV-Polymer bedeutende Vergrößerungen des Tonvolumens ergibt, wie gemessen durch Feucht-Hohlraumvolumenbestimmungen, während es im Verhältnis zu dem Medianwert der Teilchengröße des Ausgangstones minimale Vergrößerungen des Medianwertes der Teilchengröße von behandeltem Produkt verursacht, wie unten ausführlicher erläutert. Ein anderes geeignetes Polymer auf Basis von Dimethylaminepichlorhydrin ist unter dem Namen Flocmaster 5310 von Rhone-Poulenc erhältlich (Molekulargewicht etwa 12.000, mittels GPC). Solche polykationischen Polymere werden im Handel typischerweise als Reagenzlösungen geliefert, die Gewichtskonzentrationen an aktivem Polymer von 40 bis 50 % aufweisen; für Zwecke der Tonbehandlung werden sie normalerweise jedoch auf eine Polymerkonzentration von etwa 2 bis 10 Gew.% verdünnt. Die Dimethylaminepichlorhydrin-Polymere können durch die folgende Formel dargestellt werden:
Es sollte beachtet werden, dass eine Vielfalt an anderen ähnlichen polykationischen Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht und hoher Ladungsdichte benutzt werden könnte, wie z.B. ein Polymer auf Basis von quaternärem Diallyldimethylammoniumchlorid, das von Calgon unter dem Handelsnamen Calgon Variken hergestellt wird. Es wird angenommen, dass dieses Polymer ein Molekulargewicht in dem Bereich von 5.000 bis 10.000 aufweist (wie von Calgon angegeben).
Nach der polykationischen Behandlung wird die Aufschlämmung des strukturierten Tones anschließend mit einem chemischen Dispergiermittel dispergiert, um die resultierende Teilchengröße des mit Polymer strukturierten Tones zu steuern, die Viskosität des Aufschlämmungsproduktes zu verringern und für eine Langzeitstabilität der Aufschlämmung zu sorgen. Als das Dispergiermittel nach der Behandlung werden vorzugsweise anorganische anionische Dispergiermittel, wie z.B. flüssige Natriumsilikate, eingesetzt.
Das flüssige Natriumsilikat wird in einer Menge, die erforderlich ist, um ein stabiles, nichtgelierendes Aufschlämmungsprodukt mit einer anfänglichen Viskosität nach Brookfield (Spindel Nr. 2 bei 20 U/min) von etwa 150 bis 500 cps zu ergeben, in denselben stark scherenden Mischbehälter gegeben, in dem zuerst die Polymerbehandlung durchgeführt wurde. Zur Dispergierung nach der Behandlung können auf Basis trockenen Tones bis zu 0,4 Gew.% aktives Dispergiermittel zugegeben werden. Alles, was erforderlich ist, ist jedoch eine Menge, die ausreichend ist, um das strukturierte Aufschlämmungsprodukt auf oder in die Nähe der erforderlichen Viskosität nach BF zu bringen. Die resultierende Viskosität nach Brookfield der Aufschlämmung des strukturierten Produktes ist typischerweise um 75 bis 100 cps größer als die Viskosität nach BF des Ausgangs-Tonaufschlämmungzufuhrmaterials. Es sollte beachtet werden, dass durch das vorliegende Polymerbehandlungsverfahren auch die Viskosität gemäß Hercules bei starker Scherung eines gegebenen feinteiligen Tones leicht erhöht wird, jedoch in einem viel geringeren Ausmaß als durch andere bekannte Strukturierungsverfahren.
Flüssige Natriumsilikate, wie z.B. das Produkt N der PQ Corporation mit einem Gewichtsverhältnis von 3,22, sind bevorzugte chemische Dispergiermittel, wie unten ausführlicher erläutert. Es können Natriumsilikate benutzt werden, deren SiO₂/Na₂O-Gewichtsverhältnis von 1 : 1 bis 4 : 1 variiert. Es sollte beachtet werden, dass eine Vielfalt an anderen anorganischen Dispergiermitteln, wie z.B. Natriumaluminate, Phosphate und der dergleichen, die stabil sind und die Struktur des Pigmentes nicht nachteilig beeinflussen, ebenfalls benutzt werden könnten.
Die Viskosität nach Brookfield und die Langzeitstabilität dieser behandelten Aufschlämmungen sind ebenfalls wichtige Kennzeichen der Aufschlämmung des strukturierten Tones. Der Typ des chemischen Dispergiermittels, das dem strukturierten Ton zugegeben wird, ist ein bedeutender Faktor hinsichtlich des Steuerns der endgültigen Pigmentteilchengröße, des Verringerns der Viskosität nach Brookfield des Produktes auf ein handhabbares Maß (vorzugsweise auf 150 bis 500 cps mittels einer Spindel Nr. 2 bei 20 U/min) und des Erzielens eines Aufschlämmungsproduktes, das gewünschte Stabilität (nicht gelierend) bei längerem Altern zeigt. Es ist festgestellt worden, dass das Benutzen von Natriumsilikaten gegenüber herkömmlichen anionischen Dispergiermitteln, wie z.B. Natriumpolyacrylaten, bedeutende Vorteile aufweist.
Die Tabelle II legt die Vergleichsviskositäten nach Brookfield (Spindel Nr. 2 bei 20 U/min) einer Aufschlämmung von mit Polymer behandeltem Hydragloss^® 90 dar. Das Tonaufschlämmungszufuhrmaterial enthielt 65 % Feststoffe und wurde unter stark scherenden Mischbedingungen mit CPS-B50-LV-Polymer mit einem Zugabeanteil von 0,0375 % unter Benutzung einer Cowles-Dissolver-Einheit behandelt. Nach der Verarbeitung wurde die mit Polymer behandelte Tonaufschlämmung in zwei gleiche Fraktionen geteilt, und jede Fraktion wurde anschließend mit einer ausreichenden Menge eines der Dispergiermittel dispergiert, um eine annehmbare Mindestviskosität nach BF zu erzielen (150 bis 500 cps). Die benutzten Dispergiermittel waren Colloid 211 von Rhone-Poulenc (ein Natriumpolyacrylat-Dispergiermittel mit niedrigem Molekulargewicht) und Natriumsilikat N, das von der PQ Corporation erhältlich ist (ein flüssiges Natriumsilikat mit einem Gewichtsverhältnis von SiO₂/Na₂O von 3,22 : 1).
Tabelle II
Die Viskositätsdaten der Tabelle II veranschaulichen, dass beide Typen von chemischem Dispergiermittel die mit Polymer behandelte Tonaufschlämmung zunächst dispergieren können, obwohl eine niedrigere Mindestviskosität nach BF erzielt wurde, wenn das Natriumsilikat N benutzt wurde. Wichtiger ist, dass festgestellt wurde, dass das Natriumsilikat N beim Altern für wesentliche bessere Aufschlämmungsstabilität sorgt. Die erforderliche Menge an zuzugebendem Dispergiermittel hängt von dem speziellen Ton, dem Feststoffgehalt der Aufschlämmung und dem Polymerbehandlungsanteil ab, die in dem Polymerstrukturierungsverfahren eingesetzt werden. Das Dispergiermittel kann typischerweise in einer Menge von bis zu 0,40 Gew.% aktives Dispergiermittel auf Basis trockenen Tones zugegeben werden, obwohl Zugaben von bis zu 0,25 Gew.% typischer und bevorzugt sind. Wie oben angegeben, braucht das Dispergiermittel nur in einer Menge zugegeben zu werden, die ausreichend ist, um das strukturierte Aufschlämmungsprodukt auf oder in die Nähe der annehmbaren Mindestviskosität nach Brookfield zu bringen. Es sollte beachtet werden, dass eine Überdispergierung eine negative Auswirkung auf die Deckkraftleistungsfähigkeit des strukturierten Tonproduktes aufweisen kann.
Die 1 legt auch ein Verfahren, gekennzeichnet als Verfahren B, zum Erhalten eines trockenen strukturierten Tonproduktes dar, das in Form eines trockenen Schüttgutes an den Standort eines Kunden transportiert und dann anschließend zur Endnutzungsanwendung in eine Aufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt umgewandelt werden kann. Dies wird durchgeführt, indem das aufgeschlämmte Einsatzmaterial (50 bis 54 % Feststoffe) mit dem polykationischen Polymer behandelt wird. Das behandelte aufgeschlämmte Produkt wird dann mit Natriumsilikat dispergiert und sprühgetrocknet, um einen trockenen strukturierten Ton zu ergeben, der leicht transportiert und anschließend umgewandelt werden kann. Der Sprühtrocknungsschritt in dem Verfahren B wird unter typischen technischen Trocknungsbedingungen durchgeführt, wobei Einlasslufttemperaturen von etwa 400 bis 650 °C und Auslasslufttemperaturen von etwa 100 bis 130 °C angewendet werden. Das resultierende behandelte, strukturierte Tonpro dukt weist vorzugsweise einen Gehalt an freier Feuchtigkeit von weniger als 1,0 Gew.% auf.
Die 2 offenbart ein alternatives Verfahren (gekennzeichnet als Verfahren C) zum Herstellen einer Aufschlämmung eines strukturierten Tonproduktes. Dieses Verfahren ist dem oben beschriebenen Verfahren A ähnlich, mit der Ausnahme, dass das aufgeschlämmte Einsatzmaterial vor der Polymerbehandlung nicht aufkonzentriert wird. Der Vorteil des Verfahrens C ist, dass der Polymerbehandlungsschritt schneller durchgeführt werden kann. Die Zugabegeschwindigkeit des polykationischen Polymers muss jedoch sorgfältiger überwacht werden, um etwaige zeitweise auftretende Probleme der Gelbildung zu vermeiden.
In der Tabelle III werden die Unterschiede in der Leistungsfähigkeit zwischen strukturierten Hydragloss^®-90-Produkten verglichen, die gemäß den oben beschriebenen und in den 1 und 2 veranschaulichten Verfahren A und C hergestellt wurden.
Die Malvern-Medianwertangaben der Teilchengröße wurden in einer entsprechenden Weise wie oben beschrieben erhalten. Die Beschichtungskontrastverhältniswerte wurden unter Benutzung einer Standard-Aufstreichprüfung an Leneta-Schwarz/Weiß-Karten in einer Weise bestimmt, die in dem Fachgebiet bekannt ist. Spezifisch wurden die verschiedenen Tonaufschlämmungsprodukte auf 50 % Feststoffgehalt verdünnt, wozu unter gutem Mischen 10 Teile Latex-Bindemittel Dow-620 (pro 100 Teilen aktiven Tones) zugegeben wurden. Jede Ton/Latex-Kombination wurde mit einem Labor-Lightning-Mischer bei geringer Scherung etwa 5 Minuten lang gemischt.
Danach wurde Ammoniumhydroxid zugegeben, um den pH-Wert der Aufschlämmung auf über 8,5 einzustellen, und Verdickungsmittel ASE-60 wurde dann zugegeben, um die Viskosität nach Brookfield auf 500 bis 1.000 cps zu erhöhen. Die resultierenden Beschichtungszusammensetzungen wurden dann unter Benutzung eines 10er Stabes auf die Leneta-Karten gestrichen und anschließend luftgetrocknet, um die erforderlichen optischen Messungen durchzuführen. Das Kontrastverhältnis ist ein Maß für die Beschichtungsdeckkraft, wobei größere Werte eine größere Deckfähigkeit anzeigen.
Die Tabelle III zeigt, dass bei gleichwertigen Polymerbehandlungsanteilen unabhängig von der Verfahrensmethode, die angewendet wurde, um die mit Polymer strukturierten Tonprodukte herzustellen, praktisch gleichwertige physikalische Eigenschaften und Beschichtungsleistungsfähigkeit erhalten wurden. Der bedeutendste Unterschied zeigt sich bei dem Viskositätswert nach BF, obwohl er von verhältnismäßig geringer Größenordnung ist. Die gleichwertige Beschichtungsleistungsfähigkeit der beiden strukturierten Produkte legt jedoch nahe, dass das Behandlungspolymer in der Lage ist, sich selbst auf die Gesamtzahl der vorhandenen Tonteilchen zu verteilen, derart, dass letztendlich praktisch gleichwertige Typen der Tonstrukturierung erhalten werden.
Es ist gezeigt worden, dass durch die Behandlung der Kaolintonteilchen mit dem polykationischen Polymer mit niedrigem Molekulargewicht, wie CPS B50-LV, die feinteiligen Teilchen in dem Ton selektiv geflockt (oder aggregiert) werden, ohne dass der Medianwert der Teilchengröße des Tones insgesamt bedeutend vergrößert wird. Die minimale Vergrößerung der Teilchengröße wird der bevorzugten Mikroflockung der Fraktion der äußerst kleinen Teilchen zugeschrieben, die stattfindet, wenn die Teilchen mit dem Polymer mit niedrigem Molekulargewicht behandelt werden. Bisher bekannte Behandlungen von Kaolintonteilchen mit kationischen Polymeren führen zu bedeutenden Vergrößerungen der Teilchengröße (Makroflockung) und weisen daher eine negative Auswirkung auf die Blattglanzeigenschaften der pigmentierten Beschichtung für Papier auf. Die Mikroflockung in der vorliegenden Erfindung führt bei den Tonpigmenten zu einer nur geringfügigen Vergrößerung des Medianwertes der Teilchengröße. Es sollte beachtet werden, dass andere chemische und/oder verfahrenstechnische Mittel angewendet werden könnten, um die Kaolintonteilchen zu behandeln und die feinteiligen Teilchen selektiv zu flocken, ohne den Medianwert der Teilchengröße des Tones bedeutend zu vergrößern. Beispielsweise könnte die feinteilige Fraktion mittels einer Hochgeschwindigkeitszentrifuge mechanisch abgetrennt werden, wonach diese Feinfraktion entweder mit herkömmlichen kationischen oder anionischen Polymeren behandelt wird, um diese kleinen Teilchen vor der Wiedervereinigung mit der Grobfraktion des Tones zu strukturieren. Solche Polymere würden typischerweise ein Molekulargewicht von mehr als 50.000 aufweisen. Ein bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die selektive Flockung der kleinen Tonteilchen in einem einzigen vereinfachten Verarbeitungsschritt, in den die Polymerbehandlung einbezogen ist, durchgeführt werden kann.
Die Tabelle IV legt einige Vergleichseigenschaften verschiedener mit Polymer behandelter Hydragloss^®-90-Tonpigmente dar.
In jeder Polymerbehandlungsprüfung, die in der Tabelle IV dargelegt ist, wurden 1.818 Gramm Hydragloss^®-90-Ton (auf Trockengewichtsbasis) mit einem Feststoffgehalt von 55 % benutzt. Jede Tonaufschlämmung wies einen pH-Wert von etwa 7 auf und wurde unter starker Scherung unter Benutzung einer Cowler-Dissolver-Einheit mit polykationischem Polymer gemischt. Die verschiedenen Polymere wurden jeweils in verdünnter Form in einer Gewichtskonzentration an aktivem Polymer von etwa 3 % langsam zugegeben. Nach jeder Polymerbehandlung wurde Natriumsilikat N zugegeben, um die resultierende Teilchengröße des strukturierten Tonproduktes zu steuern und das strukturierte Tonprodukt zu einer gewünschten Viskosität zu dispergieren. Die Medianwerte der Teilchengröße der Tone in der Tabelle IV zeigen, dass die Hydragloss^®-90-Aufschlämmungen, die mit den polykationischen Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht CPS B50-LV und Flocmaster 5310, Molekulargewicht ^~ 8.500 bzw. 12.000, behandelt wurden, einen hohen Grad an Strukturierung erfuhren, wie durch die hohen relativen Absetzvolumenwerte (RSV) und die verbesserten Kontrastverhältniseigenschaften wiedergegeben ist.
Das relative Absetzvolumen des behandelten und unbehandelten Tones wurde folgendermaßen erhalten: Die Tonproduktaufschlämmung wurde auf einen Feststoffgehalt von 30 % zurückverdünnt, und 14 ml der 30%igen Tonsuspension wurden in ein 15-ml-Zentrifugenröhrchen gegeben. Das Röhrchen wurde dann 3 Stunden lang bei 2.000 U/min zentrifugiert. Danach wurde das Absetzvolumen gemessen. Das Hohlraumvolumen pro Einheitsgewicht von Ton wurde dann anhand der folgenden Gleichung berechnet: Hohlraumvolumen/Einheitsgewicht von Ton = (Absetzvolumen – (Gesamtgewicht von trockenem Ton/Tondichte))/Gesamtgewicht von Ton Hohlraumvolumen (ml)/Einheitsgewicht von Ton (g) = (Absetzvolumen – (5,13 Gramm/2,6))/5,13
Große Werte von Feucht-Hohlraumvolumen/Einheitsgewicht von Ton sind wichtig, da sie hohe Volumengrade anzeigen, die von der Einbindung einer Mikrohohlraumporenstruktur herrühren. Wenn diese Porenstruktur den geeigneten Porendurchmesser aufweist, kann sie sich zu wünschenswerten optischen Eigenschaften, wie z.B. Lichtstreuung und dergleichen, umsetzen. Es ist festgestellt worden, dass die Pigmentporosität, die in eine Beschichtung eingebracht wird und einen durchschnittlichen Porendurchmesser von etwa 0,3 μm aufweist, optisch am wirkungsvollsten ist, da solche luftgefüllten Poren annähernd die halbe Wellenlänge des sichtbaren Lichtes aufweisen (siehe US-Patentschrift Nr. 5,186,746).
Der RSV-Wert oder das Feucht-Hohlraumvolumen eines gegebenen Mineralpigmentes ist ein Maß dafür, wie dicht die einzelnen Teilchen aus einer wässrigen Suspension heraus gepackt worden sind, nachdem sie sich vollständig zu einem feuchten Sediment abgesetzt haben. Je kompakter oder dichter das Mineralsediment ist, desto kleiner wird das Feucht-Hohlraumvolumen in dem Sediment sein. Das Feucht-Hohlraumvolumen ist auf eine nicht perfekte Teilchenpackung aufgrund der Form(en) der verschiedenen vorhandenen Teilchen zurückzuführen. Es ist gezeigt worden, dass strukturierte Pigmentteilchen bei gegebenen Eigenschaften einer hohen Porosität für ein hohes Feucht-Hohlraumvolumen sorgen, das durch einen größeren RSV-Wert für einen gegebenen Gewichtsbetrag von geprüftem Mineralpigment wiedergegeben wird. Daher können RSV-Werte (oder die damit verbundenen Feucht-Hohlraumvolumenwerte pro Gramm trockenen Pigmentes) ein relatives Maß für die Volumengebungsfähigkeit eines Mineralpigmentes insgesamt oder seine Porosität/Strukturgrad liefern. Die Einbringung von Luftmikrohohlräumen in eine Beschichtung für Papier durch die Benutzung von struktu rierten, porösen Pigmenten ist ein gut bekanntes Mittel, um die Lichtstreueffizienz zu verbessern, was in vergrößerte Deckkraft umgesetzt wird.
Beim Durchführen der Streichprüfungen in der Tabelle IV wurden sowohl die behandelten als auch die unbehandelten Hydragloss^®-90-Tonprodukte anschließend zu einem Aufschlämmungsfeststoffgehalt von 50 % verdünnt. 10 Teile Latexbindemittel Dow 620 (pro 100 Teilen aktiven Tones) wurden unter kräftigem Mischen (^~ 5 Minuten lang mit einem Lightning-Mischer bei geringer Scherung gemischt) zugegeben. Der pH-Wert der Aufschlämmung wurde unter Benutzung von Ammoniumhydroxid auf über 8,5 eingestellt. Unter Mischen der Aufschlämmung wurde ihr ein Verdickungsmittel ASE-60 zugegeben, um eine Viskosität nach Brookfield zwischen 500 und 1.000 cps zu erhalten. Nachdem diese Viskosität erhalten wurde, wurden die resultierenden Beschichtungszusammensetzungen dann unter Benutzung eines 10er Stabes auf Leneta-Schwarz/Weiß-Karten gestrichen und anschließend luftgetrocknet, um die Kontrastverhältnisse der Proben zu bestimmen. Das Kontrastverhältnis ist ein Maß für die Beschichtungsdeckkraft, wobei größere Werte eine größere Deckfähigkeit anzeigen.
Der Ausdruck Mikroflockung ist benutzt worden, um dieses Ton/Polymer-Strukturieren zu beschreiben, das erhalten wird, wenn polykationische Polymere mit niedrigem Molekulargewicht, wie z.B. CPS B50-LV und Flocmaster 5310, eingesetzt werden, da eine minimale Änderung des Medianwertes der Teilchengröße des Tones erhalten wird. Das Strukturieren mit den polykationischen Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht ergab im Verhältnis zu dem unbehandelten Hydragloss^® 90 die größten Verbesserungen des Beschichtungskontrastverhältnisses. Im Gegensatz dazu ergaben die Tone, die mit den Polymeren mit mittlerem bis hohem Molekulargewicht (d.h. Flocmaster 5311, X-WK-06 und Calgon 261-LV) behandelt wurden, gegenüber der Kontrollprobe struktu rierte Tonprodukte mit bedeutend höherer Teilchengröße (siehe Tabelle IV). Die Proben B, C, D und E der Tabelle IV zeigen die schädliche Wirkung auf das resultierende Deckvermögen der Beschichtung, wenn das Molekulargewicht des Behandlungspolymers erhöht wird und insbesondere wenn das Molekulargewicht des Behandlungspolymers innerhalb der Gruppe der geprüften Dimethylaminepichlorhydrin-Polymere auf über 15.000 erhöht wird.
Es sollte beachtet werden, dass das Calgon-Variken-Polymer, das in der Probe G der Tabelle III benutzt wurde, ebenfalls ein niedriges Molekulargewicht (< 10.000) aufweist und dementsprechend bei einer minimalen Änderung der Teilchengröße für einen hohen RSV-Wert des behandelten Endproduktes sorgt. Der resultierende strukturierte Ton, der vom Calgon-Variken-Polymer ausgehend hergestellt wurde, ergab jedoch nur eine mäßige Verbesserung des Kontrastverhältnisses im Verhältnis zu denjenigen, die durch die mit dem CPS-B50-LV- oder dem Flocmaster-5310-Polymer behandelten Pigmente bereitgestellt ist. Es wird angenommen, dass dieser große Unterschied des Deckvermögens/Deckkraft der Beschichtungen durch Unterschiede in der Polymerchemie hervorgerufen wird. Spezifisch ist das Variken-Polymer ein polykationisches Polymer auf Basis von quaternärem Dimethyldiallylammoniumchlorid, wohingegen das CPS-B50-LV- und das Flocmaster-5310-Polymer Polymere auf Basis von Dimethylaminepichlorhydrin sind. Es ist offensichtlich, dass die strukturierten Tone, die mit den CPS B50-LV- und Flocmaster-5310-Polymeren behandelt werden, beim Streuen von Licht wirkungsvoller sind. Daraus folgt, dass solche Polymere die Tonteilchen in einer Weise flocken, so dass eine Porosität (d.h. innere Porenstruktur) erzeugt wird, die optisch wirkungsvoller ist. Es ist schon früher gezeigt worden, dass insbesondere Poren, die einen Porendurchmesser von etwa 0,3 Mikrometern aufweisen, optisch wirkungsvoll sind.
Die Zugabeanteile dieser polykationischen Polymere mit niedrigem Molekulargewicht, die für maximales Tonstrukturieren ohne Gelbildung erforderlich sind, sind bedeutend geringer als diejenigen der polykationischen Polymere außerhalb des Umfanges dieser Erfindung. Wenn feinteilige Tonaufschlämmungen mit einem Feststoffgehalt von etwa 50 bis 75 % mit Polymer behandelt werden, liegen die erforderlichen Zugabeanteile dieser Polymere auf Basis trockenen Tones gewöhnlich in dem Bereich von etwa 0,01 bis 0,10 Gew.% aktives Polymer. Wie in der Tabelle IV gezeigt, sind die Polymerzugabeanteile, die bei polykationischen Polymeren mit höherem Molekulargewicht nötig sind, wesentlich höher und übersteigen oftmals Zugabeanteile von 0,1 Gew.%, um den maximalen Grad an Tonstrukturierung zu ergeben.
Die Tabelle V zeigt die minimale Vergrößerung des Medianwertes der Teilchengröße mehrerer verschiedener Tone, die gemäß dem Verfahren, das oben beschrieben und in der 1 als Verfahren A gekennzeichnet ist, mit einem kationischen Polymer mit niedrigem Molekulargewicht behandelt wurden.
Wie anhand der Tabelle V erkannt werden kann, zeigen feinteilige Pigmente, die mit polykationischen Polymeren mit niedrigem Molekulargewicht behandelt wurden (d.h. Molekulargewicht von 15.000 oder weniger) nur eine geringe Änderung des Medianwertes der Teilchengröße. Die resultierende Änderung des Malvern-Medianwertes der Teilchengröße beträgt im Verhältnis zu dem Medianwert der Teilchengröße des Ausgangstoneinsatzmaterials im Allgemeinen weniger als etwa 20 % und stärker bevorzugt weniger als etwa 10 %. Solch eine minimale Änderung der Teilchengröße führt zu keiner bedeutenden Verringerung des Blattglanzes. Die Volumengebung und daher die Deckkraft werden jedoch bedeutend vergrößert, wenn das resultierende strukturierte Pigment in eine Beschichtung für Papier eingebunden wird.
Einer der Hauptvorteile der oben beschriebenen Strukturierungstechnik ist die verhältnismäßige Einfachheit des Polymerbehandlungsverfahrens. Nach dem Zugeben des Dispergiermittels nach der Behandlung können die mit Polymer behandelten Aufschlämmungsprodukte ohne die Notwendigkeit weiterer Verarbeitungsschritte für Beschichtungsanwendungen für Papier benutzt werden. Außerdem sind auch die Langzeitstabilität und die wünschenswerte Viskosität nach Brookfield vom Standpunkt des Transports und/oder der Lagerung aus vorteilhaft.
Die Tabelle VI legt einige Prüfungsergebnisse von mit Polymer strukturierten Produkten dar, die aus verschiedenen feinteiligen Tonpigmenten hergestellt wurden. Delaminierte und nichtdelaminierte Typen von feinteiligen Tonen wurden untersucht. Jede der strukturierten Aufschlämmungen, die in der Tabelle VI offenbart sind, wurde mittels eines Cowles-Dissolvers bei einem pH-Wert von 7,0 hergestellt. Jede Toneinsatzmaterialaufschlämmung wurde unter stark scherendem Mischen mit einem Zugabeanteil von 0,038 % Polymer CPS B50-LV behandelt. Nach der Polymerbehandlung wurden die Aufschlämmungen des strukturierten Produktes dann mit einer wirksamen Menge Natriumsilikat N dispergiert, um die Produktaufschlämmung auf eine Mindestviskosität nach BF zu bringen.
Die Ergebnisse des Beschichtungskontrastverhältnisses zeigen deutlich, dass die Deckkraftleistungsfähigkeit jedes Prüftones durch Strukturieren mit Polymer bedeutend verbessert wurde. Zudem ergab die Aufschlämmung von strukturiertem Produkt in jedem Prüfungsfall bei einem Feststoffgehalt von mehr als etwa 62 % annehmbare Viskositäten bei geringer und bei starker Scherung. Spezifisch wurden eine Viskosität nach Brookfield (gemessen mit einer Spindel Nr. 2 bei 20 U/min) von weniger als 500 cps und ein Viskositätsmesswert gemäß Hercules von besser als 18 dyn bei 500 U/min (gemessen mit dem Rotationszylinder A) erhalten. Es ist wichtig zu beachten, dass die Malvern-Medianwerte der Teilchengröße sich nur geringfügig von denjenigen unterschieden, die bei den Ausgangstonzufuhrmaterialien gemessen wurden. Die Änderungen des Malvern-Medianwertes der Teilchengröße waren recht klein, wobei die größte in der Größenordnung von nur 10 % lag.
Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass es wünschenswert ist, dass die Produktaufschlämmung bei annehmbaren Viskositätsmesswerten solche hohen Feststoffgehalte (d.h. > 62 %) aufweist, da die resultierenden Beschichtungszusammensetzungen für Papier hohe Feststoffgehalte erfordern, um die Immobilisierung der Beschichtung nach ihrer Auftragung auf das Papier- oder Kartonsubstrat (d.h. die aufgetragene Beschichtung wird nicht aufgesaugt oder verläuft nicht) zu erzielen sowie ein nachfolgendes wirkungsvolles Trocknen des beschichteten Papiers zu erreichen. Annehmbare Rheologie- und Lauffähigkeitskennzeichen bei hohen Feststoffgehalten sind insbesondere erforderlich, wenn bei dem Auftragen der Beschichtungszusammensetzung auf das Papier- oder Kartonsubstrat Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsmaschinen eingesetzt werden.
Infolge der ihnen eigenen Beschränkungen des Feststoffgehaltes können bisher bekannte Aufschlämmungen strukturierter Pigmente, wie z.B. Aufschlämmungen von SAMS oder kalzi niertem Tonpigment, Beschichtungszusammensetzungen zu einem prozentualen Feststoffgehalt von nur bis etwa 50 bis 55 zugegeben werden. Wenn der prozentuale Feststoffgehalt auf über 55 % erhöht würde, würden unerwünschte Viskositäten bei starker Scherung daraus resultieren. Demgemäß kann in einer Beschichtungszusammensetzung zum Verbessern der Volumengebungs- und Deckeigenschaften nur eine kleine Menge solcher bisher bekannten strukturierten Pigmente benutzt werden, um wünschenswerte Rheologie- und Lauffähigkeitskennzeichen zu bewahren.
Die Tabelle VII zeigt die Beschichtungsleistungsfähigkeitseigenschaften von Beschichtungen, die mit unbehandeltem Hydragloss^® 90, Abmischungen aus Hydragloss^® 90 und kalziniertem Ton Hycal^® und mit polykationischem Polymer behandelten Hydragloss^®-90-Ton hergestellt wurden. Hycal^® ist ein vollständig kalziniertes Kaolintonprodukt mit großer Helligkeit der J. M. Huber Corporation. Das Abmischen kleiner Mengen von kalzinierten Tonpigmenten in der Größenordnung von 5 bis 25 % des Gesamtpigmentgehaltes mit Kaolintonen von Beschichtungsgüte ist in dem Fachgebiet eine gut bekannte Produktstrategie zum Erhöhen der Volumengebung und Verbessern der Netto-Streueffizienz einer Beschichtung für Papier auf Basis von Ton. Kalzinierte Tone, wie z.B. Hycal^®, sind thermisch strukturierte Tonpigmente; sie weisen jedoch einen bedeutend größeren Medianwert der Teilchengröße als die mit Polymer strukturierten Tone dieser Erfindung auf.
Die Beschichtungszusammensetzungen, die in der Tabelle VII dargelegt sind, wurden unter Benutzung eines CLC-Pilot-Coaters, der mit einer Geschwindigkeit von etwa 4.000 U/min betrieben wurde, auf einen Grundbestand von 28 lb/Ries zu einem Beschichtungsgewicht von 6,0 lb/Ries aufgetragen. Die Leistungsfähigkeitsdaten in der Tabelle VII zeigen deutlich, dass die mit polykationischem Polymer behandelten Tone einen Grad an Deckkraft ergeben, der größer ist als derjenige, der durch eine 10%ige Zugabe von kalziniertem Ton Hycal^® zu Hydragloss^® 90 bereitgestellt wird. Demgemäß wies das strukturierte Pigment eine positive Wirkung auf die Deckkraft der Beschichtungszusammensetzung auf. Die Helligkeits- und Weißeeigenschaften der Beschichtung waren gegenüber der Hydragloss^®-90-Kontrollzusammensetzung ebenfalls wesentlich verbessert. Ferner wies die Benutzung der mit Polymer behandelten Tone keine „nachteilige Auswirkung" auf den Papierglanz der resultierenden Beschichtungszusammensetzung auf, wohingegen beobachtet wurde, dass die Zugabe von Hycal^® (aufgrund seiner Eigenschaft größerer Teilchen) in Abhängigkeit von seinem Benutzungsanteil den Papierglanz beeinträchtigt. Insbesondere wurde festgestellt, dass ein Zugabeanteil von 20 % kalziniertem Ton Hycal^® den Papierglanz um mehr als 2 Prozentpunkte verringert, was als bedeutend angesehen wird. Der Papierglanz wurde unter Benutzung des TAPPI-Verfahrens T 480 om-85 bestimmt, dessen Ergebnisse durch Vergleich mit Standards von bekanntem Glanz, die vom National Bureau of Standards geliefert werden, als prozentuales Reflexionsvermögen ausgedrückt sind.
Die Benutzung eines behandelten Pigmentes wird als eine „positive Wirkung" auf die Deckkraft einer Beschichtungszusammensetzung aufweisend angesehen, wenn sie im Vergleich zu einer ähnlichen Beschichtungszusammensetzung, die eine unbehandelte Variante des Pigmentes in denselben Anteilen enthält, eine Vergrößerung der Deckkraft von mindestens etwa 0,5 Prozentpunkten hervorruft. Die Benutzung eines behandelten Pigmentes wird als eine „nachteilige Auswirkung" auf den Papierglanz (Blattglanz) einer Beschichtungszusammensetzung aufweisend angesehen, wenn der resultierende Papierglanzmesswert um mehr als 2 Prozentpunkte kleiner als der Papierglanzmesswert einer ähnlichen Beschichtungszusammensetzung ist, die eine unbehandelte Variante desselben Pigmentes in denselben Anteilen enthält.
Es sollte beachtet werden, dass Verringerungen des Papierglanzes für Beschichtungszusammensetzungen für Papier- oder Kartonsubstrate, die mittleren bis hohen Glanz erfordern (d.h. Glanzwerte von mehr als 45 %), besonders bedeutend sind. Demgemäß ist die Benutzung von Zugabeanteilen strukturierter Pigmente zum Verbessern der Deckkraft, die wiederum eine nachteilige Auswirkung auf den Papierglanz aufweisen, für solche Beschichtungszusammensetzungen im Allgemeinen nicht wünschenswert. Herkömmliche strukturierte Pigmente, wie z.B. kalzinierte Tone und dergleichen, werden in Beschichtungsformulierungen gewöhnlich in Pigmentzugabeanteilen von weniger als 20 % des Gesamtpigmentgehaltes benutzt, um ihre schädliche Wirkung auf den Papierglanz zu minimieren.
Es wurde festgestellt, dass die mit Polymer strukturierten Tone, außer dass sie den Papierglanz (Blattglanz) bewahren, in den Beschichtungszusammensetzungen, die in der Tabelle VII dargelegt sind, den Druckglanz mäßig verbessern.
In der Tabelle VIII werden die Leistungsfähigkeitseigenschaften von Beschichtungen eines mit Polymer strukturierten Covergloss^®-Tones mit denjenigen, die eine unbehandelte Covergloss^®-Ton-Kontrollprobe bereitstellt, als Pigmentkomponenten einer Luftrakelbeschichtungszusammensetzung verglichen, die auf einen grundierten, natürlichen Kraftkarton aufgetragen wurde.
Tabelle VIII
Beschichtungszusammensetzung (in aktiven Gewichtsteilen)
Eigenschaften der Beschichtungszusammensetzungen
Leistungsfähigkeitsdaten für beschichtetes Papier
Die Tabelle VIII zeigt, dass der mit Polymer strukturierte Ton im Vergleich zu der unbehandelten Kontrollprobe verbesserte Deckeigenschaften bereitstellt. Die Vergrößerung der Deckkraft wird durch seine größeren Beschichtungshelligkeitswerte vor und nach dem Lackieren wiedergegeben. Das Strukturieren des Covergloss^®-Beschichtungstones mit Polymer vergrößerte seinen Streukoeffizienten von 154 auf 175.
Diese bedeutende Verbesserung der Deckkraft wurde nicht auf Kosten der Glanzeigenschaften erzielt, da der prozentuale Papierglanz bewahrt wurde, während der 75°-Lackglanz und der Druckglanz beide verbessert wurden.
Die Tabellen VI bis VIII offenbaren, dass die Zugabe eines mit Polymer strukturierten Pigmentes mit hohen Feststoffgehalten (> 62 %) eine wünschenswerte Auswirkung auf die Deckkraft ohne eine nachteilige Auswirkung auf den Glanz der Beschichtungszusammensetzung, der es zugegeben wird, aufweist. Zudem weist die Zugabe eines derartigen mit Polymer strukturierten Pigmentes mit hohem Feststoffgehalt im Vergleich zu der Zugabe von herkömmlichen strukturierten Pigmenten, wie z.B. kalzinierten Tonen (z.B. kalziniertem Ton Hycal^®), eine positive Auswirkung auf die rheologischen Eigenschaften bei starker Scherung der Beschichtungszusammensetzung auf. Es ist wichtig zu beachten, dass in den Beispielen, in denen die mit Polymer strukturierten Tone 100 Gew.% des Gesamtpigmentgehaltes der Beschichtungszusammensetzung umfaßten, wünschenswerte physikalische Eigenschaften erhalten wurden.
In der Tabelle IX werden die Beschichtungsleistungsfähigkeitseigenschaften von Beschichtungen verglichen, die mit einer 50/50-Abmischung aus einer mit Polymer behandelten Covergloss^®-Tonaufschlämmung und gemahlenem Calciumcarbonat Covercarb^®(Probe W) und einer 50/50-Abmischung einer unbehandelten Covergloss^®-Tonaufschlämmung und gemahlenem Calciumcarbonat Covercarb^® (Probe X) hergestellt wurden. Die Probe W wurde durch Behandeln einer Covergloss-Tonaufschlämmung mit 65 % Feststoffgehalt mit 0,038 % Polymer CPS B50-LV, gefolgt von der Zugabe von 0,056 % Natriumsilikat N, hergestellt. Covercarb^® (hergestellt von Omya) ist ein äußerst feinteiliges, gemahlenes Calciumcarbonat-(000)-Pigment der Beschichtungsklasse, das einen Medianwert der Teilchengröße von etwa 0,7 μm und einen BET-Oberflächenwert von etwa 9 m²/g aufweist. Das behandelte Covergloss-Pigment wurde dann mit einer 50/50-Abmischung mit Covercarb GCC zusammengegeben, um die Probe W herzustellen. Das Bindemittel und die Zusatzstoffe bestanden aus 12 Teilen SBR-Latex Dow 620, 3 Teilen hydroxyethylierter Stärke PG-280, 1 Teil Calciumstearat-Gleitmittel Nopcote C-104, 0,1 Teil Unlöslichmacher Sunrez 7000 und 0,5 Teilen optischem Aufheller Tinopal. Der pH-Wert wurde mit NH₄OH auf 8,5 eingestellt. Entwässerungsmessungen wurden in der AA-GWR-Vorrichtung unter Benutzung einer Kontaktzeit von 0,2 Sekunden durchgeführt. Die Beschichtungen wurden in dem CLC-6000-Pilot-Coater auf einen Westvaco-Grundbestand von 53 lb/R zu einem Beschichtungsgewicht von etwa 10 lb/R aufgetragen. Die Daten, die zu den Beschichtungsfarben gehören, sind in der Tabelle IX angegeben. Die beschichteten Blätter wurden durch 2 Walzenspalte bei 117 bar (1.700 psi), 60 °C (140 °F) und Geschwindigkeit = 5 kalandriert. Die Leistungsfähigkeitsdaten des beschichteten Blattes sind ebenfalls in der Tabelle IX bereitgestellt.
Tabelle IX Beschichtungsfarbdaten
Ergebnisse für Beschichtungsgewicht von 10,0 lb/R
Die Tabelle IX zeigt, dass das Ersetzen von unbehandeltem Covergloss-Ton durch ein mit Polymer behandeltes Covergloss-Pigment in einer 50/50-Abmischungszusammensetzung mit gemahlenem Calciumcarbonat Covercarb gleichzeitig die Deckkraft, den Druckglanz und den Papierglanz einer Beschichtungszusammensetzung für Papier verbessert. Um wünschenswerte Ergebnisse zu erhalten, sollte das mit Polymer behandelte Pigment mindestens etwa 20 Gew.% des Gesamtpigmentgehaltes in der Beschichtungszusammensetzung umfassen.
In der Tabelle X werden die Beschichtungsleistungsfähigkeitseigenschaften von Beschichtungen verglichen, die mit einer 70/30-Abmischung aus einer mit Polymer behandelten Lithoprint^®-Tonaufschlämmung und Hydrasperse^®-Ton (Probe Z) und mit einer 70/30-Abmischung aus einer unbehandelten Lithoprint^®-Tonaufschlämmung und Hydrasperse^®-Ton (Probe Y) hergestellt wurden. Hydrasperse-Kaolinton ist ein Beschichtungston vom Standard Nr. 2, der die folgenden angenäherten physikalischen Eigenschaften aufweist: eine prozentuale Helligkeit gemäß TAPPI von 86 bis 87,5, eine Teilchengrößenverteilung mit 80 bis 86 % kleiner als 2 μm, einen Siebrückstand bei 325 mesh von (max.) 0,005 % und einen pH-Wert (28 % Feststoffe) von 6,0 bis 8,0. Die Probe Z wurde durch Behandeln des Lithoprint-Tones mit 0,09 % Polymer B50-LV, gefolgt von der Zugabe von 0,10 % Natriumsilikat N, bei ^~ 65 % Feststoffgehalt der Aufschlämmung hergestellt.
Die Bindemittel und die Zusatzstoffe in den Proben Y und Z bestanden aus 9 Teilen SBR-Latex Dow-620, 7 Teilen hydroxyethylierter Stärke PG-280, 1 Teil Calciumstearat-Gleitmittel Nopcote C-104 und 0,35 Teilen Unlöslichmacher Sunrez 7000. Die Beschichtungen wurden auf einen Weyerhaeuser-Holzschliff-Grundbestand von 27-lb/R zu Beschichtungsgewichten von etwa 5 und 7 lb/R aufgetragen. Die beschichteten Blätter wurden durch 2 Walzenspalte bei 1.000 psi, 160 F und Geschwindigkeit = 6 kalandriert. Im Anschluss an das Prüfen aller Proben wurden die Daten auf Beschichtungsgewichte von 5 und 7 lb/R normalisiert. Tabelle X Beschichtungsergebnisse für Beschichtungsgewicht von 5 lb/R

Beschichtungsergebnisse für Beschichtungsgewicht von 7 lb/R
Beschichtungsfarben-Viskositätsergebnisse
1 ft² = 0,092 m²
Die Tabelle X zeigt, dass der mit Polymer strukturierte Lithoprint-Ton im Vergleich zu der Kontrollprobe bei Auf tragsgewichten von 5 lb/Ries bzw. 7 lb/Ries verbesserte Deckkraft lieferte, während er gleiche oder sogar leicht verbesserte Papierglanz- und Druckglanzeigenschaften bereitstellte.

Claims

Beschichtungszusammensetzung für Papier- oder Kartonprodukte, umfassend ein strukturiertes Pigment, das mehrere chemisch behandelte Mineralteilchen enthält, die einen Malvern-Medianwert der Teilchengröße von 0,3 bis 3,5 μm aufweisen, wobei der Malvern-Medianwert der Teilchengröße der behandelten Teilchen weniger als 20 % größer als der Malvern-Medianwert der Teilchengröße der Mineralteilchen vor einer Behandlung ist, wobei die Mineralteilchen mit einem polykationischen Polymer in einer Menge von 0,01 Gew.% bis 0,20 Gew.% behandelt worden sind.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das polykationische Polymer ein Molekulargewicht von weniger als 50.000 aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei das polykationische Polymer ein Molekulargewicht von weniger als 15.000 aufweist.
Zusammensetzung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das polykationische Polymer ein Polymer auf der Basis von Dimethylaminepichlorhydrin ist.
Zusammensetzung nach einem vorgehenden Anspruch, wobei das strukturierte Pigment in Form einer Aufschlämmung vorliegt und mehr als 62 Gew.% Feststoffe enthält und eine Viskosität nach Brookfield bei 20 U/min von weniger als 500 cps aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, wobei das strukturierte Pigment eine Viskosität gemäß Hercules mit Rotationszylinder A bei 500 U/min von besser als 18 dyn aufweist.
Zusammensetzung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das strukturierte Pigment keine nachteilige Auswirkung auf deren Blattglanz aufweist.
Zusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das strukturierte Pigment deren Gesamtpigmentgehalt umfaßt.
Zusammensetzung nach Anspruch 7, die ein zusätzliches Pigment enthält und wobei das strukturierte Pigment mindestens etwa 20 Gew.% des Gesamtpigmentgehaltes der Zusammensetzung umfaßt.
Zusammensetzung nach Anspruch 9, wobei das strukturierte Pigment mindestens etwa 50 Gew.% des Gesamtpigmentgehaltes der Zusammensetzung umfaßt.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das strukturierte Pigment eine positive Auswirkung auf deren Deckkraft aufweist.
Zusammensetzung nach einem vorhergehenden Anspruch, die einen Papierglanzwert von mehr als 45 % aufweist.