DE60117780T2 - Körnchen mit pigment-bindemittel-struktur und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Beschichten von Faservliesen wie z.B. Papier und Pappe. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Pigmentkorn gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, das zum Beschichten von Papier, Pappe und ähnlichen Faservliesen verwendet werden kann.
  • Ein solches Korn enthält Pigmentpartikel, die über ein Bindemittel miteinander verbunden sind und ein Korn mit Pigment-Bindemittel-Struktur bilden. Zusätzlich zu dem Bindemittel und den Pigmenten kann der Aufbau möglicherweise Zusätze enthalten.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Beschichtungselement gemäß Anspruch 13 und auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 23 zum Herstellen des Beschichtungselements. Das Verfahren enthält das Bilden einer Mischung aus Pigmentpartikeln, einem Bindemittel und möglicherweise Zusätzen, der getrocknet wird.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein beschichtetes Faservlies gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 28 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 34 zum Beschichten des Faservlieses.
  • Das vorliegende Korn kann eine Kornstruktur aus plattenartigen Mineralpartikeln und Bindemitteln enthalten. Die Kornstruktur kann beispielsweise zum Beschichten von Papiervliesen oder zum Füllen der Zwischenräume zwischen den Fasern eines Faservlieses (Verwendung als Füllmittel) verwendet werden. Das Korn kann auch als poröse Komponente in anderen Matrizen verwendet werden wie z.B. Thermoplasten, Elastomeren oder Harzen. Es kann auch in den Zwischenschichten verschiedener Beschichtun gen verwendet werden, um spezifische Eigenschaften bereitzustellen.
  • Verschiedene teils widersprechende Ziele sind mit der Papierbeschichtung verbunden. Somit zielt das Beschichten beispielsweise darauf, eine beschichtete Oberfläche mit so guten Eigenschaften wie möglich zu liefern wie z.B. gute Helligkeit Glanz und Lichtundurchlässigkeit. Die Oberfläche sollte auch gute mechanische Eigenschaften haben wie z.B. gute Glätte und hohe Beanspruchbarkeit bei Trockenheit und Nässe. Wichtige Eigenschaften für Druckzwecke enthalten weiter Tintenabsorption und Abbindung.
  • Neue digitale Druckverfahren stellen neue Anforderungen an Papier. Das Tintendruckerverfahren erfordert, dass die Lösungsmittelphase der Tinte von der Oberfläche des Papiers schnell absorbiert wird, und in der Elektrofotografie muss eine taugliche Druckoberfläche die Fähigkeit haben, elektrische Ladungen zu aufzunehmen und abzugeben, d.h. die Oberfläche muss eine gute Resistivität haben.
  • Um diese Ziele zu erfüllen, wird eine Beschichtungsfarbe, die für die besondere Anwendung geeignet ist, auf der Oberfläche des Papiervlieses ausgebreitet. Die Beschichtungsfarbe enthält im allgemeinen einen mineralischen Bestandteil (Pigment) und ein organisches Bindemittel, das in gelöster oder emulgierter Form vorliegt. Weiter enthält die Beschichtungsfarbe zahlreiche Zusätze, deren Zweck es ist, entweder den Beschichtungsprozess zu vereinfachen oder der Beschichtung eine funktionelle Eigenschaft zu geben.
  • In manchen Fällen wird ein Korn, das aus Partikeln einer oder mehrerer Pigmentgrade gebildet wird, als Pigmentanteil der Beschichtung verwendet. Ein solcher Partikel ist als strukturiertes Pigment bekannt. Um die Partikel miteinander zu verbinden, können verschiedene natürliche Verbindungskräfte zwi schen diesen Partikeln, thermische Verfahren (Sintern, Kalzinierung) oder getrennte anorganische oder organische Bindemittel verwendet werden. Diese strukturierten Anhäufungen werden als Teil der Beschichtungsfarbe verwendet, die ebenfalls ein Bindemittel enthält. Diese Anhäufungen sind hauptsächlich starre Strukturen, die nicht in einer kontrollierten Weise verformt werden können.
  • Wenn die Absicht besteht, eine hohe Helligkeit der beschichteten Oberfläche zu erzielen, wird im allgemeinen ein Pigment oder eine Pigmentkombination ausgewählt, die bereits eine hohe Helligkeit aufweist. Solche Pigmente sind gewerblich erhältlich, wobei ihr Preis im allgemeinen umso höher ist, je größer die Helligkeit oder Lichtundurchlässigkeit ist, die durch ihre Verwendung erzielt werden kann. Das Preisniveau der Pigmente schwankt natürlich auch je nachdem wie viel sie verarbeitet wurden. So sind beispielsweise Pigmente, deren Partikelgrößeverteilung so behandelt wurde, dass sie vorteilhafter ist (z.B. eine steilere Verteilung) im allgemeinen teurer als Produkte, die nicht so sehr verarbeitet wurden.
  • Es ist beabsichtigt, die Beschichtung des Faservlieses (wie z.B. Papier) unter Verwendung einer so dünnen Beschichtungsschicht wie möglich so undurchscheinend, d.h. lichtundurchlässig wie möglich zu machen. Zusätzlich zu den Eigenschaften des Pigments beeinflussen die Struktur der aus ihnen gebildeten Beschichtung, das verwendete Bindemittel und insbesondere die bei der Beschichtung auftretenden Luftblasen die Lichtundurchlässigkeit der Beschichtung.
  • Wenn ein Pigment oder eine Pigmentanhäufung mit einer geringen Dichte verwendet wird, kann eine lichtundurchlässige Beschichtung mittels einer Schicht bereitgestellt werden, deren Gewicht pro Flächeneinheit gering ist, aber deren Volumen pro Flächeneinheit (d.h. die Dicke der Beschichtung) geeignet ist.
  • Je dicker die Beschichtungsschicht ist, die auf das Vlies aufgebracht wird, um so besser werden die Eigenschaften des beschichteten Grundpapiers in Verbindung mit der Beschichtung bedeckt. Da die Dicke der durch ein einzelnes Aufbringen bereitgestellten Beschichtungsschicht durch das verwendete Verfahren begrenzt ist, die chemischen Komponenten der Beschichtungsfarbe teuer sind und das Verdampfen des in der Mischung enthaltenen Wassers teuer ist, wird die Dicke der Beschichtung im allgemeinen so optimiert, dass der gewünschte Deckungsgrad und Eigenschaftsgrad erzielt wird. Dafür kann es erforderlich sein, das Papier einmal, zweimal oder sogar dreimal zu beschichten.
  • Eine Beschichtung mit einer besonders hohen Qualität (z.B. Kunstdruckpapiere) wird bereitgestellt, in dem das Faservlies mehrere Male beschichtet und die beschichtete Oberfläche zwischen den Beschichtungsstufen getrocknet wird. In diesem Fall wird das Glätten der Vliesoberfläche (Grundbeschichtung) zunächst allgemein unter Verwendung einer Beschichtung ausgeführt, die ein gröberes Pigment enthält, und die Oberflächenbeschichtung unter Verwendung eines feineres Pigments.
  • Wie aus dem obigen ersichtlich sind die Lösungen gemäß dem Stand der Technik dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen einer qualitativ hochwertigen Beschichtung stark verarbeitete oder teure Pigmente verwendet werden müssen, die in verschiedenen Beschichtungsstufen auf die Oberfläche des Papiers aufgebracht werden. Das Wasser in der Beschichtungsfarbe muss nach jeder Beschichtungsschicht verdampft werden, um die Beschichtung zu trocknen, wodurch das Verdampfen von Wasser eine kritische Begrenzung der Geschwindigkeit des Beschichtungsprozesses darstellt. Bei mehrlagigen Beschichtungen müssen meistens verschiedene Pigmente verwendet werden, um eine hinreichend glatte Oberfläche bereitzustellen.
  • Es sei weiter darauf hingewiesen, dass wenn massive Partikel als Füllmaterial oder Beschichtungspigmente des Faservlieses verwendet werden, ein besonderes Problem auftritt, dass das Gewicht des gefüllten oder beschichteten Produkts ansteigt, weil die Dichte des massiven Partikels hoch ist. Dieses Tatsache kann nachteilige Wirkungen auf die Verwendung oder die Kosteneffizienz des Produkts haben. Wenn dieselben Eigenschaften mit einem Pigment mit einer geringeren Dichte bereitgestellt werden könnten, wäre das von großem wirtschaftlichen Nutzen.
  • Die Fließeigenschaft plattenartiger Partikel setzt der Verwendung dieser Partikel bestimmte Einschränkungen. Wenn das Seitenverhältnis der Partikel ansteigt, bleibt der maximale Trockengehalt des wässrigen Breis auf einem geringeren Niveau. Solche Breie haben dilatante Eigenschaften, die für den Beschichtungsprozess schädlich sind.
  • Die Porosität der Beschichtungsschicht hat eine wesentliche Wirkung auf die optischen Eigenschaften der Schicht. Luftporen, die in den Lücken zwischen den Partikeln und der Matrix bleiben, verhalten sich lichtundurchlässig, wodurch der Durchgang von Licht sinkt. Das ist eine Eigenschaft, die es wert ist, insbesondere für Papiervliese erstrebt zu werden. Unter dem Gesichtspunkt der optischen und Druckeigenschaften der Beschichtung wäre es vorzuziehen, wenn der feinste Anteil der Partikelverteilung auf der Oberflächenschicht der Beschichtung verbliebe und eine glatte, feinkörnige Unterlage für das Drucken bildete. Ein grober Anteil seinerseits würde die Beschichtungsschicht voluminös machen. In der Praxis tritt eine solche Verteilung ohne besondere Anordnungen kaum auf, weswegen die genannte optimale Beschichtungsstruktur derzeit durch zweifaches Beschichten des Vlieses bereits gestellt wird: erst mit einem gröberen Pigment und zuletzt mit einem feineren Pigment. Das erhöht sowohl die Investitions- als auch die Betriebsausgaben.
  • Wenn plattenartige Partikel bei der Beschichtung von Faservliesen verwendet werden und das verwendete Beschichtungsverfahren die allgemein verfügbaren Klingenbeschichtungsverfahren enthalten, wurde beobachtet, dass die plattenartigen Partikel unter der Klinge hauptsächlich in der Richtung des Vlieses orientiert sind. Somit wird im wesentlichen keine bemerkenswerte Anzahl von Luftporen in den Lücken zwischen ihnen gebildet. Um die Porosität der Beschichtungsstruktur zu erhöhen, wird im allgemeinen ein weniger plattenartiges Pigment in Beschichtungsüberzügen verwendet, um den Aufbau poröser zu machen.
  • In Verbindung mit dem Beschichtungsvorgang des Faservlieses schwellen die Fasern unter der Wirkung des in der Beschichtung enthaltenen Wassers, und die Oberfläche wird aufgrund der Volumenkontraktion der Beschichtungsstruktur grob, weswegen die beschichtete und getrocknete Oberfläche fast immer eine Glättungsarbeitung (Kalandrieren) erfordert, um die endgültige Druckoberfläche bereitzustellen.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und eine vollständig neue Art einer Lösung zum Beschichten von Papier und ähnlichen Faservliesen bereitzustellen.
  • Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen beschrieben ist, basiert auf der Idee, dass die Pigment-Binder-Struktur, die die Oberflächenschicht der Beschichtung bildet, so weit wie möglich im voraus fertig gemacht wird. Gemäß der Erfindung wird daher ein vorgefertigtes Beschichtungselement hergestellt, dass wenn es als solches oder möglicherweise mit einer geringen Menge zusätzlichem Bindemittel auf die Oberfläche aufgebracht wird, die nach einer mechanischen Bearbeitung die Oberfläche des Faservlieses oder die Druckunterlage bildet. Daher wird ein Beschichtungselement, dessen Zusammensetzung im wesentlichen der Beschichtungsschicht des Faservlieses ent spricht, zum Beschichten des Faservlieses verwendet. Die Oberflächenschicht des Beschichtungselements enthält vorzugsweise feineres als ihr Kernabschnitt. Dadurch entspricht die Struktur der Oberflächenschicht des Beschichtungselements hauptsächlich der Struktur der Oberflächenschicht der Beschichtung, die aus dem Beschichtungselement gemacht wird.
  • Ein solches Beschichtungselement kann bereitet werden durch Zusammenmischen des Pigments und des Bindemittels und durch Trocknen der Mischung unter Bedingungen, bei denen eine rotationssymmetrische, z.B. eine kugelförmige Ansammlung oder Struktur von Pigment und Binder hergestellt wird. Es wurde beobachtet, dass wenn ein Ausgangspigment, das Partikel verschiedener Größe enthält, zum Herrichten eines solchen Aufbaus verwendet wird, in Verbindung mit dem Trocknen des Aufbaus eine innere Trennung auftritt. Die Innenabschnitte der rotationssymmetrischen Körner werden aus wesentlich gröberen Partikeln gebildet, und die feinsten Pigmentpartikel sammeln sich an den Oberflächenabschnitten an. Gleichzeitig wird die Oberflächenschicht dicht und die Kornoberfläche porös.
  • Die Beschichtungselemente gemäß der Erfindung können als solche (Trockenbeschichtung) oder zusammen mit einer kleinen Menge von Bindemittel (Nassprozess) auf der Oberfläche des Faservlieses angebracht werden, wobei die endgültige Oberflächenschicht des Faservlieses gebildet wird durch Ausüben eines mechanischen Behandlung an der Oberfläche, die mit den Strukturelementen beschichtet ist, um die Elemente abzuflachen, um eine feste Oberfläche zu bilden.
  • Nach der mechanischen Behandlung wird eine sehr glatte Oberfläche gewonnen, die zusätzlich zu den herkömmlichen Druckverfahren sehr gut für Inkjet- und Elektrofotografie-Anwendungen geeignet ist.
  • In der ersten bevorzugten Anwendung der Erfindung wurde herausgefunden, wenn ein geeignetes Bindemittel und möglicherweise andere Zusätze zu der Trägerlösung eines Pigments hinzugefügt werden wie z.B. Kaolin, das eine plattenartige Kristallform aufweist, und diese Mischung einem Vorgang unterzogen wird, bei dem aus ihr Tropfen gebildet werden, die in einem Gasfluss mitfliegen, wodurch die in den Tropfen enthaltene Lösungsmittelphase verdampft, dass dann in dem Vorgang Körner erzeugt werden, die aus den Partikeln und den Bindemitteln gebildet sind. Solche Bedingungen sind beispielsweise in Zusammenhang mit Sprühtrocknung bereitgestellt. Der Träger wird auf der Grundlage der Anwendung ausgewählt, im allgemeinen wird Wasser ausgewählt.
  • Wenn das Wasser in den Tropfen verdampft, kann beobachtet werden, dass die plattenartigen Partikel an der Oberfläche sich in der Richtung des Tropfens ansammeln und auf diese Weise die Oberflächenenergie verringern.
  • Das Phänomen wird durch die Kraft herbeigeführt, die durch den Meniskus des Wassers an den Partikeln bewirkt wird. Unter Wirkung derselben Kraft wird auch die Oberfläche des Korns eben und bildet eine so rotationssymmetrische, z.B. sphärische Form wie möglich. Es wurde beobachtet, dass die feinkörnigen Partikel zu der Oberfläche des Tropfens hinstreben und seine Oberflächenschicht bilden. Andererseits bringt auch die Bewegung, die durch das Verdampfen des Wassers bewirkt wird, einiges Bindemittel zu der Oberflächenschicht des Tropfens. Nachdem der Tropfen getrocknet ist, wird ein aus den Partikeln und dem Bindemittel gebildetes Korn aus dem Tropfen gebildet, wobei ein Merkmal des Tropfens, der die aus den plattenartigen Partikeln gebildete Schicht auf der Oberfläche des Korns enthält, darin besteht, dass die Ebene der Partikel in der Richtung der Kugeloberfläche ausgerichtet sind. Die Schicht wurde konzentriert in Bezug auf das Bindemittel. Weiter hat das Korn einen porösen Mittelabschnitt, der aus den plattenartigen Partikeln gebildet wird, die in Unordnung sind, und der wieder frei von Bindemittel geworden ist.
  • Hohle Partikel sind in der Technik bekannt, beispielsweise offenbaren US-A-5,342,649 Gas enthaltende Mikrokugeln, US-A-4,405,373 Partikel mit hohlkugelförmigen Schalen, US-A-4,058,434 Partikel mit sphärischen Hohlkernen, und US-A-3,669,899 mikrokapsulare lichtundurchlässigkeitserhöhende Systeme, die luftgefüllte Mikrokapseln enthalten. Anorganische Körner sind in US-A-5,882,395 offenbart, magnetische Eisenoxidenthaltende Körner in US-A-6,063,180. Keine der genannten Publikationen offenbart ein Korn mit Pigment-Bindemittel-Struktur mit einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Form und einem Innenteil und einem Außenteil, wobei die Dichte des Innenteils 10 bis 90% der Dichte des Krustenteils beträgt.
  • Insbesondere ist das Korn gemäß der Erfindung durch das gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 1 dargestellt ist.
  • Die Beschichtungselemente und das Verfahren gemäß der Erfindung zum Bereiten von Beschichtungselementen sind durch das gekennzeichnet, was jeweils in den kennzeichnenden Abschnitten der Ansprüche 13 und 23 dargestellt ist.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Beschichten des Faservlieses ist durch das gekennzeichnet, was in den kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 34 dargestellt ist, und das beschichtete Faservlies gemäß der Erfindung ist durch das gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Abschnitt von Anspruch 28 dargestellt ist.
  • Die Erfindung bietet beträchtliche Vorteile. Dementsprechend können die Handlungen, die für die Geschwindigkeit des Beschichtungsvorgangs kritisch sind, vor der Beschichtung und vollständig getrennt von ihr durchgeführt werden. In der vor liegenden Erfindung kann das Trennen der Pigmente im Zusammenhang mit dem Bereiten der Partikelkörner bereitgestellt sein, was den Beschichtungsvorgang beschleunigt.
  • Die vorliegenden Beschichtungselemente sind weiter darin gekennzeichnet, dass ihre Form durch eine kontrollierte Verformung geändert werden kann. Sie können beispielsweise durch Kalandrieren abgeflacht werden, um die Oberfläche einer gewünschten Form zu bilden. Die Beschichtungselemente können an der Oberfläche des Faservlieses ohne einen getrennten Binder oder durch Hinzufügen von lediglich einer kleinen Menge von Binder angebracht werden.
  • Die Dichte der Beschichtungselemente ist durchschnittlich 60 bis 70% der Dichte von typischen Pigmenten. Die Porosität ihrer Innenabschnitte und die Kombination der konzentrierten Feinen und des Bindemittels des Oberflächenabschnitts gibt eine Gelegenheit, unter Verwendung eines Aufbringens eine Beschichtung mit einem porösen Innenteil und einer homogenen und feinkörnigen Oberflächenschicht zu bilden. Durch geeignetes Auswählen des Pigments kann das Volumen der Beschichtung erhöht werden, wodurch gleichzeitig ihre Lichtundurchlässigkeit sinkt.
  • Da die Dichte des Beschichtungselements geringer ist als diejenige herkömmlicher Pigmente, ist die Volumenkonzentration der Beschichtung hoch und demzufolge ist es in Verbindung mit dem Aufbringen nicht erforderlich, so große Mengen von Wasser auf die Oberfläche des Vlieses aufzubringen wie beim Ausbreiten einer Beschichtungsfarbe, wodurch die Trockenstufe weniger Energie erfordert und schneller ist.
  • Die Eigenschaften der endgültigen Oberfläche im großen Maßstab können direkt aus der Oberfläche des Partikelkorns geschlossen werden. Daher kann die Erfindung verwendet werden, um die Eigenschaften der hergestellten Oberfläche im Voraus zu beein flussen, in dem das Pigment, das Bindemittel und andere Zusätze geeignet gewählt werden.
  • Die Erfindung ist besonders anwendbar auf Granulatpigmente, die aus massiven Pigmenten bestehen. In dem Fall wird unter anderem der Vorteil verwirklicht, dass beispielsweise wenn Kaolin mit einer Dichte von 2,7 g/cm3 als Partikel verwendet wird und Latex mit einer Festkörperdichte von 1,0 g/cm3 als Bindemittel verwendet wird, die Dichte des Korns gemäß der Erfindung beim Herstellen des Korns typischerweise nur 60% davon beträgt, d.h. 1,6 g/cm3. Dementsprechend werden eine vorteilhafte Größenverteilung und ein kontrolliertes Packen bereitgestellt. Es ist möglich, die optischen Eigenschaften des Korns bereits in der Herstellungsstufe zu definieren.
  • Da die Dichte des Korns wesentlich geringer ist als diejenige der massiven Partikel, die ihre strukturellen Elemente enthalten, haben wir überraschenderweise festgestellt, dass dieses Korn vorzugsweise als Füllelement mit einer geringen Dichte oder als Beschichtung von Faservliesen verwendet werden kann. Bei der Verwendung als Beschichtung sollte das Bindemittel des Korns so gewählt werden, dass eine plastische Verformung in Verbindung mit einem Kalandrieren unter Verwendung von Druck/oder Temperatur möglich ist.
  • Das Korn gemäß der Erfindung kann verwendet werden, um eine Beschichtung zu bilden, bei der die Oberflächenschicht des Korns die Oberflächenschicht der endgültigen Beschichtung bildet. Die plattenartigen Partikel sind bereits in der Richtung der Oberfläche, und leichtes, sanftes Kalandrieren kann verwendet werden, um eine glatte Unterlage für das Drucken zu bilden.
  • Die Fließeigenschaft der kugelförmigen Körner in einer wässrigen Lösung ist sehr gut, wodurch die Volumenkonzentration des Beschichtungsüberzugs groß sein kann.
  • Grobe Partikel können ebenfalls als Strukturmaterial des Kerns verwendet werden. Die Eigenschaften der Partikel als solche würden nicht verwendbar sein zum Bereiten der Oberflächenschicht der Druckoberfläche, aber da sie in den inneren Abschnitten der Körner sind und von feinkörnigen Partikel umgeben sind, ist es gewinnbringend, sie zu verwenden. Andererseits kann der sehr feinkörnige Anteil von Partikeln, d.h. kleiner als 0,3 μm, bei herkömmlichen Beschichtungsanwendungen Nachteile bewirken, unter anderem durch Füllen der Zwischenräume zwischen den Partikeln und somit Verringern der Porosität der Beschichtung. Durch Verwenden des Verfahrens gemäß der Erfindung können die feinkörnigen Partikel dazu bestimmt werden, die Oberflächenschicht des Korns zu bilden, wodurch ihre teilweise Verwendung ohne die genannten Nachteile möglich ist. Allgemein gesagt ist die Größenverteilung der Partikel beim Verwenden der Körner nicht so bedeutsam als wenn das Pigment als Teil eines herkömmlichen Beschichtungsvorgangs verwendet würde.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Teil der wässrigen Phase, der herkömmlicherweise durch den Trocknungsabschnitt in der Beschichtungsmaschine verdampft würde, so früh verdampft wie im Zusammenhang mit dem Herstellungsvorgang des Korns, wodurch die Ausrüstungen der Papierindustrie, die höhere Investitionen verlangen, ihre Kapazität erhöhen können und insgesamt beträchtliche wirtschaftliche Nutzen erzielt werden.
  • Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der folgenden detaillierten Beschreibung und der damit zusammenhängenden Arbeitsausführungsform erscheinen.
  • 1 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild eines kugelförmigen Korns gemäß der Erfindung.
  • 2 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild des Korns gemäß der Erfindung, wenn es gespalten ist.
  • 3 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild einer Oberfläche eines beschichteten Vlieses vor der Weiterverarbeitung.
  • 4 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild einer Oberfläche, die durch einen Laborkalander gebildet wurde, wobei die Beschichtungselemente abgeflacht sind und eine glatte Beschichtungsschicht bilden.
  • 5 ist eine zeichnerische Darstellung eines Querschnitts durch ein Korn gemäß der Erfindung.
  • 6 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild des Korns gemäß der Erfindung.
  • 7 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild der Oberfläche des Korns.
  • 8 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild des Aufbaus des entzweigeschnittenen Korns.
  • 9 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild einer Beschichtungsschicht, die auf einem Substrat gebildet ist und Körner gemäß der Erfindung enthält.
  • Vorliegende Erfindung verwendet die Begriffe "Pigment-Bindemittel-Struktur" und "Partikelkorn" als Synonyme füreinander, und sie beziehen sich auf eine Kombination oder Anhäufung, die durch die Partikel, das Bindemittel und möglicherweise Zusätze gebildet wird und verschiedene miteinander verbundene Partikel enthält. Es sind jedoch nicht notwendigerweise alle Partikel des Aufbaus miteinander verbunden, sondern der Innenteil des Aufbaus, der frei von Bindemittel ist, hat nicht immer hohe mechanische Festigkeit.
  • Im allgemeinen ist die Größe der Partikelkörner gemäß der Erfindung 1 bis 100 μm, vorzugsweise etwa 5 bis 20 μm. Die Größe der Beschichtungselemente kann innerhalb der durch den Prozess erlaubten Grenzen durch den Herstellungsvorgang reguliert werden. Die Oberflächenrauhigkeit und Porosität des zu beschichtenden Vlieses beeinflussen ihre optimale Größe, d.h. je grober die Oberfläche ist, die beschichtet wird, um so größer ist die optimale Größe des für die Beschichtung verwendeten Beschichtungselements.
  • Wie in 1 und 2 dargestellt sind die Partikelkörner rund, kugelförmig oder allgemeiner ausgedrückt rotationssymmetrisch. Aufgrund ihrer Form sind sie auf der Oberfläche des Faservlieses ziemlich dicht gepackt und hängen aneinander, wenn mechanischer Druck auf sie ausgeübt wird, wobei möglicherweise gleichzeitig die Oberfläche erwärmt wird. Der Beschichtungsvorgang wird unten im Detail beschrieben.
  • Das Beschichtungselement der Erfindung besteht aus den folgenden Bestandteilen:
    • • einem Pigment
    • • einem Bindemittel, insbesondere einem synthetischen Bindemittel in Form einer Emulsion,
    • • Wasser
    • • funktionellen Zusätzen, die den Prozess erleichtern oder der Beschichtung bestimmte Eigenschaften geben.
  • Praktisch alle bekannten Pigmente, die allgemein für die Beschichtung verwendet werden, können in der Erfindung verwendet werden, z.B. Kaoline, gemahlene oder ausgefällte Kalziumcarbonate, Titaniumdioxide oder auf Silikat basierende Pigmente.
  • Verschiedene synthetische Bindemittel in Form einer Emulsion können vorzugsweise als Bindemittel verwendet werden, z.B. Styren-Butadien-Latex oder Polyvinyl-Acetat-Polyacrylat-basierte Latexe, aber nicht eingeschränkt nur auf die oben erwähnten Beispiele. Die Erweichungstemperatur des Latex wird an das Glätten der Oberfläche angepasst, die nach dem Aufbringen durchgeführt wird, so dass die gewünschte Verformung der Beschichtungselemente stattfinden kann.
  • Die möglicherweise verwendeten Zusätze können beispielsweise die Fließeigenschaft der Beschichtungsfarbe verbessern oder ihre Oberflächenspannung verändern oder der fertigen Beschichtung besondere Eigenschaften verleihen wie z.B. Oberflächenfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit, oder die Schwarzabsorption beeinflussen. Die Verwendung von Zusätzen ist nicht lediglich auf die oben erwähnten Beispiele beschränkt, sondern allgemein verwendete funktionelle Zusätze der Beschichtung können bei dem Verfahren verwendet werden.
  • Die kugelförmigen oder sonst rotationssymmetrischen Partikelkörner werden gebildet durch Trocknen des wässrigen Breis, der aus dem Bindemittel, dem Pigment und möglicherweise Zusätzen gebildet ist. In diesem Fall werden die oben erwähnten Bestandteile zunächst durch intensives Umrühren miteinander gemischt, um eine möglichst homogene Mischung oder Suspension/Dispersion zu erzielen.
  • Der wässrige Brei wird vorzugsweise in Luft und einem anderen Gas getrocknet. Der Trockengehalt des wässrigen Breis vor dem Trocknen kann ungefähr 30 bis 95 Gew.-% betragen.
  • Herstellen der Körner durch die Sprühtrocknungstechnik ist ein Beispiel für eine in der Erfindung verwendete Trocknungstechnik. Diese Technik basiert auf einer an sich bekannten Technologie. Die Prozessvariablen des Sprühtrocknens enthalten:
    • • Vorrichtungsaufbau
    • • Düsenstruktur
    • • Zuführdruck
    • • Verfahren, die die Oberflächenspannung der Mischung verringern
    • • Trockengehalt der Mischung vor dem Trocknen
    • • Andere Verfahren, die die Größe der Tropfen beeinflussen, wie z.B. die Verwendung von Ultraschall.
  • Es sei angemerkt, dass im Gegensatz zu den bekannten Lösungen das Einstellen der Form und Größe der Körner vorzugsweise ausgeführt wird durch Abgleichen von Variablen, die die Tropfenbildung regulieren, unter anderem unter Verwendung des Zuführverfahrens, und die Trockenrate wird mittels der Lufttemperatur und Turbulenz reguliert.
  • Im Hinblick auf die Trocknungstechnik ist die Spraytrocknung besonders gut zum Herstellen der Körner gemäß der Erfindung geeignet, aber wie es für den Fachmann naheliegend ist, sind die Trocknungsverfahren nicht lediglich auf die Sprühtrocknung eingeschränkt, sondern es können auch andere Arten von Trocknungstechniken in Betracht gezogen werden, solange sie zum Herstellen der besagten Körner verwendet werden können. Beim Trocknen ist es wesentlich, dass sehr feinkörnige Tropfen gebildet werden können, die getrennt voneinander trocknen. Der Größenbereich der Tropfen sollte der Größe der gewünschten Pigmentkörner entsprechen. Im allgemeinen ist die Größe der Tropfen somit etwa das 1,1- bis 5-fache der Größe der Körner. Typischerweise ist die Tropfengröße etwa 1 bis 300 μm, vorzugsweise 5 bis 100 μm, in weiter bevorzugter Weise maximal 50 μm.
  • Die in der Erfindung verwendeten Ausgangspigmente bestehen aus Produkten, die Partikel verschiedener Größe enthalten. Somit findet eine Trennung von Pigmenten innerhalb der Partikelkör ner statt, die während des Trocknens gebildet werden. Ein Innenteil und ein umgebender Krustenteil werden gebildet. Die Dicke des Krustenteils in der Richtung des Radius des kugelförmigen Aufbaus beträgt im allgemeinen etwa 0,1 bis 5%, vorzugsweise 0,1 bis 10%, typischerweise 0,5 bis 2% des Radius des Korns.
  • Da der Innenteil eine größere Anzahl grober Partikel enthält als der Krustenteil, ist die Dichte des Innenteils der Pigment-Bindemittel-Struktur kleiner als beim Krustenteil. Im allgemeinen beträgt die Dichte des Innenteils etwa 10 bis 90%, vorzugsweise etwa 40 bis 80% der Dichte des Krustenteils. Demzufolge kann als Beispiel angegeben werden, dass wenn das Partikelkorn aus Pigmentpartikeln mit einer Dichte von 2400 bis 3100 kg/m3 besteht, die Dichte des Innenteils etwa 1100 bis 1500 kg/m3 beträgt und diejenige des Krustenteils etwa 1700 bis 2000 kg/m3. Normalerweise enthält der Innenteil der Pigment-Bindemittel-Struktur gröbere Pigmentpartikel im Vergleich mit dem Krustenteil. Die Porosität des Innenteils ist ebenfalls größer als diejenige des Krustenteils, sein Porenvolumen beträgt normalerweise 10 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise etwa 30 bis 40%.
  • Der Innenteil der Partikelkörner enthält weniger Bindemittel als der Oberflächenteil. Im allgemeinen befinden sich etwa 55 bis 95 Gew.-% der Gesamtmenge von Bindemittel der Partikelkörner in dem Krusten- oder Oberflächenteil der Körner.
  • Das Partikelkorn enthält etwa 1 bis 30 Gewichtsanteile, vorzugsweise etwa 2 bis 20 Gewichtsanteile Bindemittel pro 100 Gewichtsanteile Pigmentpartikel. Die Krustenschicht enthält nun feinkörnige Pigmentpartikel, die über ein vernetztes Bindemittel miteinander verbunden sind und eine feinkörnige und flexible Schicht bilden, die den Innenteil umgibt. 1 zeigt ein elektronenmikroskopisches Bild des typischerweise kugelförmigen Korns gemäß der Erfindung. Seine Form oder Größe hängt im wesentlichen nicht von dem verwendeten Pigment ab. 2 zeigt eine entsprechende Darstellung des kugelförmigen Korns, wenn es gespalten ist, wobei beobachtet werden kann, dass seine Innenabschnitte aus größeren Partikeln bestehen und seine Porosität größer ist als diejenige der Oberflächenschicht des Korns.
  • Wenn ein Pigment wie z.B. Kaolin verwendet wird, das einen plattenartigen Kristallaufbau aufweist, sammeln sich die Kristalle auf der Oberfläche des kugelförmigen Korns hauptsächlich in der Richtung der Oberfläche an. Das kann so verstanden werden, dass die von der Grenzschicht der Flüssig-Gas-Phasen besetzte Energie eine Variable ist, die als Funktion des Orientierungswinkels der Struktureinheiten auftritt. In diesem Fall sind die Kaolin-Partikel in einer Flüssigkeit dispergiert, so dass, wenn der Orientierungswinkel ansteigt, die Phasengrenzenergie steigt, wenn es mehr von der Grenzschicht produziert. Demzufolge neigen die plattenartigen Kaolin-Partikel dazu, die Phasengrenzschicht zu minimieren, indem sie ihre Pegel in der Richtung des Flüssigkeitstropfens einstellen, wodurch die Phasengrenzenergie auf ihrem Minimum ist. Wenn Partikel, die weniger plattengleich sind, verwendet werden, wird die Phasengrenzenergie ebenfalls minimiert, aber ihre Wirkung auf die Oberflächenstruktur ist schwieriger zu bemerken.
  • Die besagten kugelförmigen Körner können als Beschichtungselemente beim Beschichten des Faservlieses verwendet werden. Wenn die Beschichtungselemente auf die Oberfläche des Vlieses aufgebracht werden, erleichtert das konzentrierte Bindemittel an der Oberfläche der Elemente ihr Anbringen.
  • Auch wenn die Beschichtungselemente als solche auf die Oberfläche des zu beschichtenden Vlieses aufgebracht werden können (Trockenbeschichtung), kann das Anhaften der Beschichtungselemente aneinander und an das zu beschichtende Substrat weiter verbessert werden, in dem ein getrenntes Bindemittel wie z.B. Latex zu den Beschichtungselementen hinzugefügt wird. Die Menge des Bindemittels ist jedoch wesentlich geringer als die Menge des Bindemittels, die bei der herkömmlichen Beschichtungsfarbe erforderlich ist.
  • Die so gebildete Beschichtungsschicht kann nach dem Aufbringen unter Verwendung von Druck und/oder Temperatur behandelt werden, wodurch die Beschichtungselemente verformt und abgeflacht werden und eine glatte Schicht bilden. Wenn eine Schicht mit der Dicke eines Elementkorns auf der Oberfläche gebildet wird, bildet das feine Material an der Oberfläche der Elemente die Oberflächenschicht der behandelten Oberfläche, und der poröse Mittelteil der Elemente bildet den Mittelteil der Beschichtungsschicht. Auf diese Weise wird überraschenderweise eine Beschichtung bereitgestellt, die einen optimalen Gesamtaufbau aufweist und die früher verschiedene Aufbringungen erfordert hatte.
  • Auf das Vlies, das mit dem Beschichtungselement beschicht ist, das die Pigment-Bindemittel-Struktur aufweist, wird vorzugsweise ein linearer Druck ausgeübt, der durch einen Spalt zwischen drehenden Rollen bewirkt wird. Der Druck ist vorzugsweise so ausgewählt, dass er zum Abflachen der Elemente ausreicht, aber keine wesentliche Verringerung in dem Volumen des fasrigen Aufbaus des Vlieses bewirkt. Der Spalt, der den Druck aufbringt, wird aus zwei Walzen gebildet, von denen zumindest eine beheizt ist. Der Spaltdruck beim Kalandrieren kann vorzugsweise maximal etwa 150 kN/m betragen, typischerweise etwa 50 bis 140 kN/m und in weiter bevorzugter Weise etwa 60 bis 100 kN/m.
  • Die Erfindung kann verwendet werden, um verschiedene Faservliese zu beschichten, insbesondere solche aus Rohmaterialien, die Lignozellulose enthalten. Diese enthalten Papier- und Pappvliese, die aus mechanischer, chemo-mechanischer und/oder chemischer Pulpe gebildet sind.
  • Nach der Beschichtung ist auf der Oberfläche des Faservlieses ein mikrozellularer Aufbau gebildet worden, der miteinander verbundene abgeflachte Körner enthält, die aus den Beschichtungselementen gebildet sind, wobei die filmartigen äußeren Schichten der Körner aneinander hängen und eine feste und glatte Oberfläche bilden. Die Größe der Zellen in der Richtung des Niveaus des Faservlieses beträgt etwa 1 bis 200 μm, typischerweise etwa 5 bis 20 μm.
  • Die Beschichtung kann lediglich eine Kornzellenschicht aufweisen. In der Praxis ist die Anzahl der Schichten 1 bis 10.
  • Gemäß der Erfindung wird die Bedeutung der Partikelgrößenverteilung der Pigmente verringert, da aufgrund der internen Trennung des Korns primär lediglich die Eigenschaften des an der Oberfläche angesammelten feinen Materials eine Wirkung auf die Eigenschaften der Beschichtungsoberfläche haben.
  • Da lediglich die feine Fraktion der Oberflächenschicht eine beträchtliche Wirkung auf die endgültige Helligkeit der Beschichtungsoberfläche hat, sinkt auch die Bedeutung der Helligkeit der in den Beschichtungselementen verwendeten Pigmente, wenn eine Mischung von verschiedenen Pigmenten verwendet wird, zumindest im Hinblick auf ihre gröbere Fraktion. Aufgrund der hohen Porosität der Beschichtung kann die gewünschte Lichtundurchlässigkeit durch eine geringere Menge an Beschichtung (nach Gewicht gemessen) bereitgestellt werden, und die diffuse Reflektion der Beschichtung wird aufgrund der Porosität ebenfalls verbessert. Die Bedeutung der Helligkeit des Faservlieses, das beschichtet wird, sinkt ebenfalls aufgrund der größeren Lichtundurchlässigkeit der Beschichtung.
  • Bei dem herkömmlichen Beschichtungsverfahren, da eine schnell immobilisierende Beschichtungsfarbe verwendet, wird ein schnell verriegelnder Partikelaufbau bereitgestellt, woraufhin das Wasser aus der Beschichtung verdampft wird. In diesem Fall wird unter anderem der Vorteil eines geringen Schrumpfens der Beschichtung bereitgestellt. Der Beschichtungsaufbau ist ziemlich homogen in der Richtung senkrecht zu der Vliesoberfläche. Wenn insbesondere eine Oberfläche bereitgestellt werden soll, die aus feinkörnigen Partikeln besteht, ist es vorzuziehen, eine mehrlagige Beschichtung durchzuführen, wobei aus der Pigment-Binder-Struktur gebildete Beschichtungselemente, die besonders feinkörnige Partikel in ihrer Filmschicht enthalten, für die letzte Beschichtungsschicht verwendet werden.
  • Da die Beschichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann, um eine Beschichtung mit noch besseren Eigenschaften bereitzustellen als die, die bei dem herkömmlichen Mehrlagenbeschichten bereitgestellt werden, bietet die Erfindung einen beträchtlichen wirtschaftlichen Nutzen.
  • In dem folgenden Beispiel wird die Herstellung des Beschichtungselement durch Sprühtrocknungstechnik im Detail beschrieben.
  • Beispiel 1
  • Ein Pigment und das Latex, das als Bindemittel verwendet wurde, wurden unter Verwendung eines wirkungsvollen Rührwerks miteinander vermischt in einem Verhältnis, in dem der Anteil der Trockenmaterie des Latex an der Trockenmaterie des Pigments 10 Anteile beträgt. Der Trockenanteil des Pigmentbreis war 70% und derjenige des Latex 50%.
  • Die Mischung wurde einem Sprühtrockner zugeführt, wobei der Zufuhrdruck seines Zerstäubers so eingestellt war, dass die Tropfengröße einer Größe eines getrockneten Partikels von 5 bis 10 μm entsprach. Gemäß der Information aus der Literatur ist die Bildungszeit des Tropfens etwa 5 ms, und während dieser Zeit wird ein Film an der Oberfläche des Tropfens gebil det. Das Wasser innerhalb des Tropfens beginnt, in die Umgebungsluft zu verdampfen, und führt das Bindemittel und die feinkörnigen Pigmentpartikel mit sich. In diesem Fall werden die Innenabschnitte der kugelförmigen Körner frei von Bindemittel, und ein poröses Volumen, das aus gröberen Partikeln zusammengesetzt ist, wird in ihnen gebildet (1). Die Dichte des Partikels lag in dem Bereich von 1300 bis 2000 kg/m3 abhängig von den Mischungsverhältnissen und dem Porositätsgrad, während die Dichte des ursprünglichen Pigments 2700 kg/m3 betrug.
  • Die vorbereiteten Beschichtungselemente verhielten sich wie ein trockenes Pulver, die Reibung zwischen den Partikeln war sehr gering (1). Aus diesen Partikeln und einem Bindemittel wurde eine Beschichtungsfarbe angerichtet. Die Menge des verwendeten Bindemittels war kleiner als diejenige, die im allgemeinen in Zusammenhang mit Pigmenten verwendet wird, weil das in den Beschichtungselementen enthaltene Bindemittel ihr Anhaften an der zu beschichtenden Oberfläche und aneinander vergrößerte. Wenn eine typische Beschichtungsfarbe im allgemeinen 10 bis 12 Trockengewichtsanteile (berechnet von dem Gewicht der Pigmente in dem Überzug) von Latex enthält, konnte der Anteil des Bindemittels in dem Verfahren gemäß der Erfindung beispielsweise auf 5 Trockengewichtsanteile gesenkt werden, aber auch kleinere Anteile von Bindemittel als dieses sind möglich. Da die sphärische Form der Beschichtungselemente der aus ihnen bereitete Mischung gute Fließeigenschaften gab, war es möglich, den Trockengehalt des Überzugs weiter zu erhöhen als den von herkömmlichen Beschichtungsfarben.
  • Die Beschichtungsfarbe wurde unter Verwendung herkömmlicher Beschichtungsverfahren auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Unter Laborbedingungen war es möglich, die Beschichtung unter Verwendung eines Papierblatts und einer Stabstreichmaschine aufzubringen.
  • Das beschichtete Vlies wurde mit herkömmlichen Verfahren getrocknet. Der Verbrauch an Trocknungsenergie war aufgrund der kleineren Menge als normal von Wasser in dem Überzug geringer als normal. 3 zeigt ein Bild der Oberfläche des beschichteten Vlieses vor der Weiterverarbeitung.
  • Das beschichtete Vlies wurde einer Behandlung in einem Kalander unterzogen, wobei die Oberfläche des Vlieses in einem Walzenspalt unter der Einwirkung von Hitze und Druck behandelt wurde. Der benötigte Pressdruck ist gering (weniger als 100 kN/m), wodurch es möglich war, das Kalandrieren durch sogenannte Weichkalander durchzuführen, die allgemein verwendet werden. 4 zeigt eine Oberfläche, die durch den Laborkalander erzielt wurde, wobei die Beschichtungselemente abgeflacht sind und eine glatte Beschichtungsoberfläche bilden.
  • Die Porosität der Beschichtung war hoch, d.h. ihre Dichte war geringer als diejenige der gewöhnlich benutzten Beschichtungen. Beim Vergleich der optischen Werte des beschichteten Papiers mit einer herkömmlichen Beschichtung, die mit demselben Pigment durchgeführt wurde, war zu beobachten, dass die Lichtundurchlässigkeit, die Helligkeit und der Lichtstreukoeffizient der Beschichtung, die durch die Beschichtungselemente gemäß der Erfindung bereitgestellt wurde, größer sind.
  • Beispiel 2
  • Wie oben dargestellt besteht das Partikelkorn gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus plattenartigen Pigmentpartikeln und einem Bindemittel. Diese plattenartigen Partikel haben zumindest eine flache Oberfläche, meistens gibt es verschiedene flache Oberflächen. Die Erfindung verwendet insbesondere plattenartige Pigmente, wie im Detail unten beschrieben ist. Die Oberflächenschicht des gemäß der Erfindung bereitgestellten Korns besteht aus einer Schicht, die mindest eine Schicht aus Pigmentpartikeln enthält, die sich zumindest hauptsächlich so angesammelt haben, dass ihre Ebene in der Richtung der Kornoberfläche liegt, und die Ebenen der Pigmentpartikel sind fast in derselben Ebene. Im Hinblick auf die rotationssymmetrischen Körner bezieht sich die "Richtung" der Kornoberfläche auf die Tangentialrichtung der Oberfläche. Die Mehrzahl der Pigmente, d.h. zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 70%, und in weiter bevorzugter Weise zumindest 90% sind auf der Oberfläche des Korns so angeordnet, dass die ebene Oberfläche ihrer langen Seite in der Richtung der Kornoberfläche liegt.
  • 5 zeigt eine zeichnerische Darstellung des Kornaufbaus. Das Bezugszeichen 1 bezieht sich auf die plattenartigen Partikel, die in der Richtung der Oberfläche ausgebildet sind. Das Bezugszeichen 2 bezieht sich auf den Oberflächenteil mit Poren, in dem sich die konzentrierten Zusätze und ein feiner Partikelanteil befindet. Das Bezugszeichen 3 bezieht sich auf den porösen Mittelteil, in dem die Partikel eine zufällige Orientierung haben.
  • Der Anteil des Bindemittels in dem Innenteil des Korns ist kleiner als in seinem Oberflächenteil. Typischerweise ist der Anteil des Bindemittels in dem Innenteil etwa 0,5 bis 3 Gew.-% der Menge an Pigment, vorzugsweise etwa 1%. Das Bindemittel ist an dem Oberflächenteil des Korns konzentriert, wo die Menge von Bindemittel 6 bis 60 Gew.-% des Gewichts des Pigments beträgt, vorzugsweise etwa 50%.
  • Die Körner können aus einem Brei bereitet werden, bei dem die Menge des plattenartigen Partikelrohmaterials typischerweise weniger als 50 Volumen-% beträgt, allgemeiner jedoch 20 bis 30 Volumen-%. Das Rohmaterial wird entsprechend der Verwendung ausgewählt, beispielsweise werden Pigmente mit einem hohen Helligkeitsgrad wie z.B. Kaolin oder Kalk für die Beschichtung des Faservlieses verwendet. Anderes plattenartiges Rohmaterial wie z.B. Glimmer, Graphit oder dergleichen kann für andere Verwendungszwecke in Betracht gezogen werden. Der Breit enthält auch ein Bindemittel, das in dem verwendeten Träger aufgelöst ist oder in Form einer Dispersion vorliegt, und falls erforderlich ein Dispersionsmittel. Allgemein verwendete Latexe wie z.B. Styren-Butadien-Latexe oder Acryl- oder Vinyl-Acetat-Copolymer-Latexe sind geeignet, in den meisten Anwendungen als Bindemittel verwendet zu werden. Typischerweise ist die Mizellgröße der organischen Faser solcher Latexe 0,1 bis 0,2 μm. Der Trockengehalt und der Bindergehalt des Breis beeinflussen den Aufbau der erzeugten Körner.
  • Insbesondere Wasser wird als Medium verwendet. Bestimmte Anwendungen können jedoch organische Lösungsmittel oder Mischungen aus Wasser und organischen Lösungsmitteln verwenden. Alkohol wie z.B. Ethanol und n- und Isopropanol können als Beispiele dieser organischen Lösungsmittel erwähnt werden.
  • Die Abmessungen des Korns und des in ihm verwendeten plattenartigen Partikels haben ein bestimmtes Optimum. Es muss für die Körner möglich sein, sich an der Oberfläche des Korns anzusammeln, wodurch eine geeignete Maximalabmessung auf Partikelniveau weniger als das 0,1-fache des Durchmessers des erzeugten Korns ist.
  • Die Körner können bereitet werden unter Verwendung eines Sprühtrockners, dessen Betriebsparameter verwendet werden können, um die Größe und den Aufbau des Korns einzustellen, das gebildet wird. Die Durchschnittsgröße der Körner für die allgemein verwendeten Trockner ist immer weniger als 1 mm, allgemeiner 2 bis 500 μm. Die Größe des für Beschichtungsanwendungen geeigneten Korns ist 10 bis 50 μm, wobei sowohl die allgemein verwendeten Beschichtungskaoline mit einer Partikelgrößenverteilung von 98% < 2 μm oder ein gröberes Produkt oder alternativ ein feineres Produkt als dieses als Strukturanteile verwendet werden können. Minimal 60% < 5 μm ist in der Größenverteilung der plattenartigen Partikel besonders vorzuzie hen, maximal 95% < 1 μm. Das Verfahren macht es auch möglich, Mischungen aus Partikel mit unterschiedlichen Verteilungen zu verwenden.
  • Das Trocknen des Korns erfolgt in drei Schritten:
    • 1. Die flüssige Membran, die zu Beginn entweder ganz oder fast ganz die Oberfläche bedeckt, verdampft, bis die Partikel hervortreten.
    • 2. Die Flüssigkeit verdampft weiter aus dem Bereich zwischen den Partikeln, das Korn schrumpft unter der Wirkung der Oberflächenspannungskräfte; die Partikel verdrängen Wasser aus den Innenabschnitten des Korns und das Wasser fließt zu der Oberfläche hin.
    • 3. Die Partikel haben keinen Platz mehr zum Schrumpfen, die flüssige Front zieht sich in die Lücken zwischen den Partikeln zurück, und der Rest des Wassers tritt durch Verdampfen aus den inneren Abschnitten des Korns aus.
  • Die plattenartigen Partikel minimieren ihre freie Oberflächenenergie durch Ausrichten ihrer Ebenen in der Richtung der kugelförmigen Kornoberfläche. Die Durchschnittsgröße der Partikel, die die Oberfläche bilden, ist kleiner als diejenigen in dem Korn insgesamt. Das ist so aufgrund der Tatsache, dass es für die kleinen Partikel leichter ist, sich in die Richtung der Oberfläche zu drehen, und das in der zweiten Trocknungsstufe das zu der Oberfläche übertragene Wasser kleine Partikel von Stellen zwischen den großen zu der Oberfläche befördert.
  • Es ist auch möglich, die Körner unter Verwendung anderer Trockenverfahren herzustellen, bei denen der Tropfen frei trocknen und die Kornstruktur der Erfindung bilden kann.
  • In dem Beispiel wurde wässriger Brei mit einem Trockengehalt von 33,4% aus gewerblichem Füll-Kaolin (Intramax geliefert von Imerys Minerals) bereitet. 5 Gew.-% Vinyl-Acetat-Acrylat-Copolymer-Latex (Acronal, geliefert von BASF) wurden dem Brei hinzugefügt, um als Bindemittel zu wirken. Die Mischung wurde in einen Pilotsprühtrockner geladen. 6 zeigt das erzeugte Korn, dessen Durchmesser 60 bis 70 μm betrug. 7, das die Kornoberfläche darstellt, zeigt, dass ein großer Anteil der Oberfläche aus Partikeln mit einer Größe von < 2 μm besteht.
  • Die Struktur des gespaltenen Pigmentkorns ist in 8 dargestellt, die der Prinzipdarstellung von 5 entspricht.
  • Das Korn gemäß der Erfindung verformt sich plastisch unter der Wirkung von Druck und/oder Temperatur, was in 9 dargestellt ist, die den Aufbau einer Kornschicht, die auf einer Glasoberfläche ausgebreitet ist, nach dem Kalandrieren zeigt.

Claims (39)

  1. Korn mit Pigment-Bindemittel-Struktur, gebildet aus Pigmentpartikeln und einem Bindemittel und möglicherweise Zusätzen, wobei das Korn eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form, einen Innenteil und einen Krustenteil aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Innenteils 10 bis 90% der Dichte des Krustenteils beträgt.
  2. Korn mit Pigment-Bindemittel-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pigmentpartikel plattenartig sind und die Oberflächenschicht des Korns aus einer Schicht besteht, die zumindest eine Schicht von Pigmentpartikeln enthält, die sich hauptsächlich mit ihren Flächen in der Richtung der Oberfläche des Korns angeordnet haben, und die Flächen der Pigmentpartikel hauptsächlich auf demselben Niveau liegen.
  3. Korn nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen den Pigmentpartikeln, die sich an der Oberfläche befinden, etwas Bindemittel und Poren gibt.
  4. Korn nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen den Oberflächen der plattenartigen Pigmentpartikel und der Oberfläche des Bindemittels und der Poren 0,3 bis 60:1 beträgt, vorzugsweise 0,5 bis 4:1.
  5. Korn nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil des Korns aus dem Teil der plattenförmigen Pigmentpartikel gebildet ist, der teilweise unge ordnet ist, so dass er hauptsächlich Pigmentpartikel, Poren und etwas Bindemittel enthält.
  6. Korn nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Poren an seinem Volumen 15 bis 60% beträgt, vorzugsweise 30 bis 45%.
  7. Korn nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartigen Pigmentpartikel typischerweise Silica-Mineralien sind, die Alkalimetall oder Erdalkali als Kation enthält.
  8. Korn nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Größenverteilung der plattenartigen Partikel minimal 60% < 5 μm und maximal 95% < 1 μm ist.
  9. Partikelkorn nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel ein organisches Bindemittel verwendet ist, das sich in der verwendeten Lösungsmittelphase auflöst oder in ihr dispersiert ist.
  10. Korn nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Bindemittels in dem Korn 0,5 bis 3 Gewichts-% der Menge des Pigments ist, vorzugsweise 1%.
  11. Korn nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder auf dem Oberflächenteil des Korns konzentriert ist, wo seine Menge 6 bis 60 Gewichts-% des Gewichts des Pigments ist, vorzugsweise etwa 50%.
  12. Korn nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Einfluss von Druck und/oder Temperatur plastisch verformbar ist.
  13. Beschichtungselement, das ein Korn mit Pigment-Bindemittel-Struktur enthält, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
  14. Beschichtungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Innenteils des Partikelkorns 40 bis 80% der Dichte des Krustenteils beträgt.
  15. Beschichtungselement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelkorn aus Pigmentpartikeln besteht, deren Dichte etwa 2,4 bis 3,1 kg/m3 beträgt, wobei die Dichte des Innenteils etwa 1,1 bis 1,5 kg/m3 beträgt und diejenige des Krustenteils etwa 1,7 bis 2,0 kg/m3.
  16. Beschichtungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil des Partikelkorns verglichen mit dem Krustenteil grobere Pigmentpartikel enthält.
  17. Beschichtungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des Innenteils des Partikelkorns größer ist als die des Krustenteils, wobei das Porenvolumen des Innenteils 10 bis 50 Vol.-% beträgt, vorzugsweise etwa 30 Vol.-%.
  18. Beschichtungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es pro 100 Gewichtsanteile Pigmentpartikel etwa 1 bis 30 Gewichtsanteile Bindemittel enthält, vorzugsweise 2 bis 20 Gewichtsanteile.
  19. Beschichtungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Krustenschicht Pigmentpartikel enthält, die durch ein quervernetztes Bindemittel miteinander verbunden sind, was einen dichten Film bildet, der den Innenteil umgibt.
  20. Beschichtungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es Zusätze enthält, die seine optischen oder elektrischen Eigenschaften beeinflussen.
  21. Beschichtungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sein Partikelkorn im Wesentlichen sphärisch ist und sein Durchmesser etwa 1 bis 100 μm beträgt, vorzugsweise 5 bis 50 μm.
  22. Beschichtungselement nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Oberflächenschicht des Partikelkorns derjenigen der Oberflächenschicht der Beschichtung vor der mechanischen Behandlung, der sie unterworfen ist, entspricht.
  23. Verfahren zum Bereiten eines Beschichtungselements, gemäß dem ein wässriger Brei aus Pigmentpartikeln, einem Bindemittel und möglicherweise Zusätzen bereitet wird, wobei der Brei getrocknet wird; dadurch gekennzeichnet, dass der wässrige Brei unter Bedingungen getrocknet wird, unter denen die Pigmentpartikel über ein Bindemittel miteinander verbunden werden, wobei rotationssymmetrische Partikelkörner gebildet werden, die einen Innenteil und einen Krustenteil aufweisen und die Dichte des Innenteils 10 bis 90% der Dichte des Krustenteils beträgt.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem wässrigen Brei feinkörnige Tropfen geformt und getrennt voneinander getrocknet werden.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass Tropfen gebildet werden, deren Größe etwa 1 bis 300 μm be trägt, vorzugsweise 5 bis 100 μm und in weiter bevorzugter Weise maximal 50 μm.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der wässrige Brei durch Zerstäubungstrocknung getrocknet wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockengehalt des wässrigen Breis etwa 40 bis 95 Gew.-% beträgt, vorzugsweise etwa 50 bis 90 Gew.-%.
  28. Beschichtetes Faservlies, das enthält: ein Vlies, das aus einem auf Lignocellulose basierenden Rohmaterial gebildet ist, und eine Beschichtungsschicht, die ein Pigment und ein Bindemittel enthält und zumindest auf einer Oberfläche des Vlieses ausgebildet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mit auseinander verbundenen Zellen besteht, die aus abgeflachten Beschichtungselementen gebildet sind, die einzelnen Zellen eine filmartige Schicht aus Pigment/Bindemittel enthalten, die Dichte des Innenteils 10 bis 90% der Dichte des Krustenteils beträgt.
  29. Beschichtetes Faservlies nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass seine Beschichtung durchschnittlich 1 bis 10 übereinanderliegende Schichten aus Pigmentzellen enthalten.
  30. Beschichtetes Faservlies nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer Schicht mechanisch behandelter Beschichtungselemente besteht, wobei in dieser Schicht die ursprünglich rotationssymmetrischen Elemente unter dem Einfluss von Druck und/oder Temperatur abgeflacht wurden zum Bilden einer glatten Schicht.
  31. Beschichtetes Faservlies nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenteil der Beschichtung aus den feinkörnigen und bindemittelhaltigen Oberflächenteilen der mechanisch behandelten Elemente besteht.
  32. Beschichtetes Faservlies nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenteil der Beschichtung hauptsächlich aus den porösen Innenteilen der mechanisch behandelten Elemente besteht.
  33. Beschichtetes Faservlies nach einem der Ansprüche 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente, die den Oberflächenteil der Beschichtung bilden, Zusätze enthalten, die ihre optischen oder elektrischen Eigenschaften beeinflussen.
  34. Verfahren zum Beschichten eines Faservlieses, gemäß dem eine Beschichtungsfarbe, die Partikelkörner enthält, zumindest auf einer Oberfläche des Faservlieses aufgetragen wird, wobei von der Beschichtungsfarbe eine Beschichtungsschicht gebildet wird, die die Oberfläche des Faservlieses bedeckt; gekennzeichnet durch: Verwenden von Partikelkörnern, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch sind und die einen Innenteil und einen Krustenteil aufweisen, wobei die Dichte des Innenteils 10 bis 90% der Dichte des Krustenteils beträgt, und Unterwerfen des mit der partikelkornhaltigen Beschichtungsfarbe beschichteten Vlieses einer mechanischen Behandlung zum zumindest teilweisen Abflachen der Körner.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit dem Aufbringen des Beschichtungsüberzugs ein Bindemittel wie eine Latex-Emulsion hinzugefügt wird.
  36. Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Spalt zwischen zwei drehenden Walzen ausgeübter linearer Druck auf das mit den Partikelkörnern beschichtete Vlies aufgebracht wird.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der auf das mit den Partikelkörnern beschichtete Vlies aufgebrachte Druck so ausgewählt wird, dass er ausreichend ist, um die Elemente abzuflachen, aber keine wesentliche Verringerung der Größe der Faserstruktur des Vlieses bewirkt.
  38. Verfahren nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt, der den Druck ausübt, aus zwei Walzen gebildet wird, von denen zumindest eine geheizt ist.
  39. Verwendung eines Korns, wie es in einem der Ansprüche 2 bis 12 beansprucht ist, als Füllmaterial für Faservliese.
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