DE69013117T2 - Hydrophobierte zellstoffartige Verdickungsmittel für das Überziehen von Papier. - Google Patents
Hydrophobierte zellstoffartige Verdickungsmittel für das Überziehen von Papier.Info
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Classifications
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Description
- Die Erfindung betrifft die Verwendung von Verdickungsmitteln aus Cellulose in Streichmassen, die auf Papierprodukte aufgebracht werden. Insbesondere betrifft die Erfindung die verbesserte Streicheffizienz bei Verwendung eines Verdickungsmittels aus hydrophob modifizierter Cellulose.
- US 4 154 899 beschreibt die Verwendung von Pigmenten, Ton und modifiziertem Stärkeether für Streichzusammensetzungen, die bei der Herstellung auf Papier aufgebracht werden. Europäische Patentanmeldung EP-A- 307 795 beschreibt eine zum Streichen von Papier eingesetzte Pigmentdispersion, die modifizierte Stärke, Galactomannan, MC (Methylcellulose) oder CMC (Carboxymethylcellulose) enthalten kann. Ein quaternärer Stärkeether wird bei dem Papierherstellungsverfahren der US 4 840 705 angewandt.
- Aus der Aqualon -Veröffentlichung 250-11C, Natrosol -Hydroxyethylcellulose - A Nonionic Water- Soluble Polymer - Physical and Chemical Properties ist weiterhin bekannt, daß sich dieses Cellulosederivat in Streichfarben und Leimpressenlösungen zur Regulierung der Wasserbindung, der Feststoffergiebigkeit und der Rheologie einsetzen läßt. Die Produktdatenveröffentlichung der Firma Hercules Incorporated 456-2, Natrosol R in Pigmented Coatings for Paper and Paperboard enthält Viskositätsdaten, mit deren Hilfe die Produktqualität für eine Anwendung bei der Papierherstellung ausgewählt werden kann.
- US-A-4 834 207, 4 228 277 und 4 243 802 beschreiben hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose (HMHEC) zur Verwendung bei Latexfarben und Shampoos. Die hydrophobe Modifizierung wird durch Kettenlängen von C10 bis C24 vermittelt.
- Dennoch blieb es der vorliegenden Erfindung vorbehalten, eine neuartige und gut geeignete Streichzusammensetzung und ein Anwendungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das bei der Herstellung von Papier eingesetzt werden kann.
- Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer wäßrigen Streichzusammensetzung für Papier, enthaltend ein Polysaccharidverdickungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdickungsmittel eine wasserlösliche hydrophob modifizierte Alkylcellulose und/oder Hydroxyalkylcellulose ist. Vorzugsweise soll eine Hydroxyethylcellulose durch eine C12- bis C16-Alkyl- oder -Arylalkylgruppe zu einem wirksamen assoziativen Verdickungsmittel modifiziert werden.
- Verfahren zum Streichen von Papier, wobei das Streichen bei hohen Geschwindigkeiten erfolgen kann, umfassend die Schritte:
- (1) Herstellung einer wäßrigen Streichzusammensetzung unter Verwendung von hydrophob modifizierter Alkylcellulose und/oder Hydroxyethylcellulose, Pigment und Bindemittel;
- (2) Aufbringen der Zusammensetzung auf eine semiabsorbierende Papieroberfläche;
- (3) Entfernung des Überschusses der Zusammensetzung, um einen gleichmäßigen Überzug herzustellen, und
- (4) Trocknen, wobei man ein Papierprodukt erhält.
- Die hydrophob modifizierte Hydroxyalkylcellulose kann als einziges Verdickungsmittel oder in Verbindung mit anderen Verdickungsmitteln zugegeben werden. Trockenpulver oder flüssige Suspensionen mit einer Kombination von Materialien lassen sich verwenden.
- Figur 1. Die hohen Scherviskositäten der Erfindung werden im Vergleich mit zwei Kontrollen veranschaulicht.
- Ebenso wie andere Industriezweige versuchen die Hersteller von Papier und Pappe, die Produktivität zu verbessern und die Fabrikkosten zu senken. Eines der Probleme, durch das die Streichfähigkeit bei höheren Geschwindigkeiten beschränkt wird, waren bisher die Ungleichmäßigkeit und fehlerhafte Qualität bei Verwendung der vorhandenen Streichzusammensetzungen und -methoden.
- Untereinander assoziierende assoziative Verdikkungsmittel sind bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung von Nutzen, da sie zur verbesserten Rheologie bei Papierstreichzusammensetzungen führen, die mittels Rakel, Stab oder Luftmesser aufgebracht werden. Sie geben bei Streichzusammensetzungen mit hohem Feststoffgehalt hohe Verdickungswirksamkeit bei hoher Pseudoplastizität. Aufgrund des hydrophob modifizierten Cellulosederivats kommt man bei der Rakelbeschichtung mit geringerem Rakeldruck aus, wodurch sich eine Verbesserung der Beschichtungsqualität bei hohen Geschwindigkeiten ergibt. Der durch die Verwendung von assoziativen Verdickungsmitteln ermöglichte niedrigere Rakeldruck kann zu einer Reduzierung des Wasserverlustes an die Papiermasse sowie der Bahnrisse und Streifenbildung, insbesondere bei hoher Streichgeschwindigkeit führen.
- Im Hinblick auf die beträchtlichen, bereits erfolgten Anstrengungen zur Lösung dieser Probleme war es überraschend, wie wirkungsvoll die Zusammensetzung und das Verfahren der Erfindung die Ziele der Papierindustrie erreichten. Durch Verringerung des Rakeldrucks lassen sich die Streichgeschwindigkeiten um 10 bis 25% erhöhen. Hierdurch lassen sich einheitliche Papierflächen mit geringeren Mengen an Verdickungsmitteln erzielen. Es läßt sich eine höhere Produktivität ohne Qualitätseinbuße oder stark erhöhte Kosten erzielen.
- Cellulosische Verdickungsmittel mit geeigneter hydrophober Modifizierung sind von der Firma Aqualon erhältlich. Als modifiziertes cellulosisches Material ist Natrosol Plus bevorzugt. In einer Veröffentlichung von Aqualon, Natrosol Plus 250-18A, wird beschrieben, wie dieses Material in Lacken als assoziatives Verdickungsmittel wirkt, doch gibt sie keinen Hinweis auf die vorliegende Erfindung. Als weiteres assoziatives Verdikkungsmittel ist die Ethylhydroxyethylcellulose Bermocoll der Fa. Berol Nobel geeignet.
- Je nach den Bedürfnissen des Papierherstellers kann es wünschenswert sein, ein oder mehrere hydrophob modifizierte Cellulosederivate in Verbindung mit einem oder mehreren herkömmlichen Verdickungsmitteln wie CMC (Carboxymethylcellulose) oder HEC (Hydroxyethylcellulose) zu verwenden. Somit wäre es durch teilweisen Ersatz von CMC oder HEC in einer vorhandenen Streichzusammensetzung durch hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose (HMHEC) möglich, die hohe Scherviskosität schrittweise zu erniedrigen.
- Als für Papierstreichzusammensetzungen zusätzlich zu Verdickungsmitteln übliche Inhaltsstoffe sind zu nennen: Pigmente (z.B. Kaolinton, Calciumcarbonat, Gips, Titandioxid usw.), polymere Bindemittel (z.B. Styrol- Butadien-Latex, Protein, Stärke usw.), Gleitmittel wie Glykole und Fettsäuren, Unlöslichmacher und Entschäumer. Nach ihrer Herstellung als Streichzusammensetzungen ist es in der Technik üblich, vor der eigentlichen Prüfung der Zusammensetzung die Viskositäts- und Rheologieeigenschaften der Zusammensetzung zu messen. Dabei wurde ein Wissensstand erarbeitet, indem man solche Ergebnisse mit der tatsächlichen Qualität und Reproduzierbarkeit verglich, die jede der getesteten Zusammensetzungen aufwies. Zum Beispiel sollen die bei 100 UpM gemessenen Viskositäten nach Brookfield wünschenswerterweise im Bereich von 500 bis 3000 mPa s liegen, während die Viskosität bei hoher Schergeschwindigkeit am günstigsten zwischen 20 und 100 mPa s liegt.
- Zur Beurteilung der Streichzusammensetzungen wird von der Papierindustrie im allgemeinen ein Hi-Shear Viskosimeter Modell ET24-6 Hercules eingesetzt, wobei die dafür verwendeten Teile und das Rheogrammpapier von der Firma Kaltec Scientific, Inc., 22425 Heslip Drive, Novi, Michigan 48050 lieferbar sind.
- Auf der Figur 1 sind Rheogramme der erfindungsgemäßen Proben im Vergleich mit Rheogrammen von Proben aus dem Stand der Technik dargestellt. Bei großer Steigung ist die Viskosität bei hoher Schergeschwindigkeit Erfindungs gemäß niedrig, so daß das Verdickungsmittel unter den Bedingungen hoher Schergeschwindigkeit weniger Fließwiderstand aufweisen sollte. Auf dem Schaubild sind Umdrehungen pro Minute (UpM) gegen den Drehimpuls (dyne cm) aufgetragen. In jedem der Hercules- Tests bei hoher Schergeschwindigkeit wurden die Streichproben zwei aufeinanderfolgenden Scherzyklen unterzogen. Der erste Zyklus entspricht (a) und der zweite Zyklus (b); beide Zyklen wurden innerhalb von 20 Sekunden vom ruhenden Zustand auf 4000 UpM geführt. Die angegebenen Werte sind dem (b)-Zyklus entnommen, da der (a)-Zyklus nur dazu dient, den sich bei der Lagerung gebildeten übermäßigen Strukturaufbau erst wieder abzubauen.
- Die (a)- und (b)-Zyklen mit erfindungsgemäßem HMHEC zeigen im Vergleich mit den (a)- und (b)-Zyklen der zwei CMC-Kontrollen aus dem Stand der Technik deutlich die Vorteile, die sich in verhältnismäßig geringem Fließwiderstand bei hoher Schergeschwindigkeit äußern. Papierstreichzusammensetzungen Mengen in Gramm (Trocken- oder 100% wirksame Basis) Inhaltsstoffe der Formulierung Hydrafine Hydrasperse Hydraprint Hydracarb 65 Dispex N40 Dow 620 Penford Gum 290 Sunrez 700M Flowco 501 Hercules 831 Verdickungsmittel Zielviskosität verschieden Pigment, Nr. 1 Kaolinton, J.M. Huber Corp. Pigment, Nr. 2 Kaolinton, J.M. Huber Corp. Pigment, blättriger Ton, J.M. Huber Corp. Pigment, Suspension aus gemahlenem CaCO&sub3;. Omya Inc. Dispergiermittel aus Ton, Allied Colloids Inc. Bindemittel, Styrol-Butadien-Latex, Dow Chemical Co. Bindemittel, hydroxyethylierte Stärke, Penick & Ford, Ltd. Unlöslichmacher für Stärke, Sun Chemical Gleitmittel, Calciumstearat-Dispersion, Mallinckrodt Hercules 831: Entschäumer, Hercules Incorporated
- Die in den nachfolgenden Beispielen verwendeten Papierstreichzusammensetzungen wurden durch Vermischen der angegebenen Mengen der Inhaltsstoffe hergestellt. Der Gesamtfeststoffgehalt in Gewichtsprozent variierte bei den Kontrollen und Versuchszusammensetzungen von 58 bis 64%. Die Streichzusammensetzungen wurden alle auf einen pH-Wert von 8 eingestellt. Zur Erzielung der mit einem Viskosimeter nach Brookfield bei 100 UpM gemessenen Zielviskosität wurde die Anwendungskonzentration an Verdickungsmittel variiert.
- Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Durchführung der Erfindung, die in der Technik zum Streichen von Papier Anwendung findet.
- Durch das folgende Beispiel wird die Wirkung von hydrophob modifizierten (HM) Celluloseethern auf die Eigenschaften von Streichfarben auf der Basis von Kaolinton veranschaulicht. Streichfarben mit 60% Feststoff (bezogen auf das Gewicht) wurden auf der Basis der Formulierung A hergestellt. Diese Formulierung enthält feinen Kaolinton und einen Styrol-Butadien-Latex als Primärpigment bzw. Bindemittel. Zur Verdickung der Streichfarben auf eine Brookfield-Viskosität von 2300 mPa s bei 100 UpM wurden verschiedene hydrophob modifizierte Celluloseether verwendet. Für Vergleichszwecke wurden ebenfalls zwei Kontroll-Streichfarben mit CMC als Verdickungsmittel hergestellt. Die eingesetzte Menge an Verdickungsmittel sowie die rheologischen Eigenschaften der Farben sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt.
- Tabelle 1 enthält Vergleichsdaten für Streichzusammensetzungen mit 60% Feststoffen. Die Messung der Hercules -Viskositäten bei hoher Schergeschwindigkeit erfolgte bei 22.500 bzw. 45.000 s&supmin;¹. Tabelle 1 Verdickungsmittel Konzentration Teile Brookfield-Viskosität mPa s bei 100 UpM Hercules-Viskosität 22.500/45.000 Sekunden&supmin;¹ CMC (Kontrolle) Natrosol Plus 330 EHM 100 NP-HMHEC
- Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, ergaben alle drei hydrophob modifizierten assoziativen Verdickungsmittel verbesserte Viskositätswerte bei hoher Schergeschwindigkeit im Vergleich mit den drei Kontrollen.
- Die in Tabelle 1 angegebenen Kontroll-CMC besitzen die Qualitätsstufe 7, die von der Firma Aqualon erhältlich ist. Natrosolo Plus Grade 330 und NP-HMHEC (mit Nonylphenyl hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose) sind von der Firma Aqualon erhältlich. EHM 100 ist eine hydrophob modifizierte Ethylhydroxyethylcellulose, die von der Firma Bobel erhältlich ist.
- Die Streichfarben wurden mit einem zylindrischen Laborstreichapparat (CLC) auf Leichtpapier aufgebracht. Akzeptabler Streichrakellauf wurde bei den mit HMHEC verdickten Farben bei Bahngeschwindigkeiten von bis zu 1219,2 m (4000 Fuß) pro Minute beobachtet. Die HMHEC- haltige Streichfarbe ergab ein geringeres Auftragsgewicht (CW) als die CMC-Kontrollen bei gleichem Rakel- Bahnabstand oder Rakeldruck. Tabelle 2 enthält Vergleichsergebnisse, wobei die Streichgeschwindigkeit in m/Min., die Spalteinstellung des Rakels beim Streichen in mm und das Auftragsgewicht in g/m² angegeben sind. Tabelle 2 Verdickungsmittel Feststoff Geschwindigkeit Spalte CMC (Kontrolle 1) CMC (Kontrolle 2) Natrosol Plus 330 NP-HMHEC
- Die Streichzusammensetzungen wurden wie in Beispiel 1 hergestellt und getestet, mit dem Unterschied, daß anstelle der Formulierung A Formulierungen B, C und D eingesetzt wurden. In Tabelle 3 sind die Vergleichsergebnisse angegeben. Die Konzentration an Verdickungsmittel in jeder Beschichtung bezog sich auf 100 Teile Pigment(e); die Messung der Hercules -Viskositäten bei hoher Schergeschwindigkeit erfolgte bei 22.500 und 45.000 s&supmin;¹. Bei AQU-D3082 handelt es sich um eine in der Entwicklungsphase befindliche hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose von der Firma Aqualon. Tabelle 3 Verdickungsmittel Formel Konzentration (Teile) Feststoffe % Hercules-Viskosität 22.500/45.000 CMC (Kontrolle) Natrosol Plus 330 AQU-D3082 NP-HMHEC
- Es wurden Streichzusammensetzungen unter Verwendung von Formulierung D hergestellt, bei der eine Stärke, d.h. Penford Gum 290, als Co-Bindemittel zugegeben wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4 Verdickungsmittel % Zusatz % Feststoff Hercules-Viskosität 22.500/45.000 s&supmin;¹ CMC Natrosol Plus 330
- Eine Kontrollprobe sowie eine Versuchsprobe wurden weiterhin auf Undurchsichtigheit (TAPPI-Test 7- 425) und auf Helligkeit (TAPPI-Test T-425) untersucht sowie einer IGT-Rupffestigkeitsprüfung unterzogen, bei der das Produkt aus Geschwindigkeit und Viskosität im Augenblick des Rupfens des Papiers durch ein Polyisobutenöl der Viskosität 31 Pa s gemessen wurde. In Tabelle 5 sind Vergleichsergebnisse angegeben. Tabelle 5 Verdickungsmittel Undurchsichtigkeit Helligkeit IGT-Rupffestigkeit CMC Natrosol Plus 330
- Wie aus der Tabelle ersichtlich, besitzt die erfindungsgemäße Probe mit geringerem Auftragsgewicht eine gleichwertige Undurchsichtigheit und Helligkeit bei etwas besserer Rupffestigkeit .Für beide Proben wurde eine gleichwertige Streichqualität erzielt. Dies zeigt, daß der durch die Erfindung erzielte Vorteil in Form von niedrigem Auftragsgewicht ohne Einbuße an Qualität oder physikalischen Eigenschaften ermöglicht wird.
Claims (17)
1. Wäßrige Streichzusammensetzung für Papier,
enthaltend ein Polysaccharidverdickungsmittel, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verdickungsmittel eine
wasserlösliche hydrophob modifizierte Alkylcellulose,
Alkylhydroxyalkylcellulose oder Hydroxyalkylcellulose ist.
2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das
Verdickungsmittel hydrophob modifizierte
Hydroxyethylcellulose ist.
3. Hydroxyethylcellulose nach Anspruch 2, die mit
einer C&sub4;- bis C&sub2;&sub4;-Alkyl- oder Arylalkylgruppe hydrophob
modifiziert ist.
4. Hydroxyethylcellulose nach Anspruch 2, die mit
einer C&sub1;&sub2;-, C&sub1;&sub4;- oder C&sub1;&sub6;-Alkylgruppe hydrophob modifiziert
ist.
5. Zusammensetzung nach Anspruch 2, wobei das
Verdickungsmittel Nonylphenylhydroxyethylcellulose ist.
6. Zusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das
Verdickungsmittel hydrophob modifizierte
Ethylhydroxyethylcellulose ist.
7. Wäßrige Zusammensetzung für Papier nach
Anspruch 1, enthaltend Ton, Calciumcarbonat und/oder Gips,
Bindemittel und Verdickungsmittel, wobei das
Verdickungsmittel eine hydrophob modifizierte Hydroxyalkylcellulose
und/oder Alkylhydroxyalkylcellulose ist.
8. Zusammensetzung nach Anspruch 7, enthaltend
Calciumcarbonat.
9. Zusammensetzung nach Anspruch 7, enthaltend Gips.
10. Zusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das
Bindemittel ein Styrol-Butadien-Latex ist.
11. Zusammensetzung nach Anspruch 7, wobei das
Bindemittel eine Stärke ist.
12. Verfahren zum Streichen von Papier, wobei das
Streichen bei hohen Geschwindigkeiten erfolgen kann,
umfassend die Schritte:
(1) Herstellung einer wäßrigen
Streichzusammensetzung mit verbesserter Rheologie
unter Verwendung von hydrophob
modifizierter Alkylcellulose - und/oder
Hydroxyalkylcellulose, Pigment und
Bindemittel;
(2) Aufbringen der Zusammensetzung auf eine
semiabsorbierende Papieroberfläche;
(3) Entfernung des Überschusses der
Zusammensetzung, um einen gleichmäßigen Überzug
herzustellen, und
(4) Trocknen, wobei man ein Papierprodukt
erhält.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die
Hydroxyalkylcellulose Hydroxyethylcellulose ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Schritt (2) bei
einer Bahngeschwindigkeit von über 1000 m/Min erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die
Streichzusammensetzung über 58 Gew.-% an Feststoffen enthält.
16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die
Hydroxyethylcellulose mit einer C&sub1;&sub2;-, C&sub1;&sub4;- oder C&sub1;&sub6;-Alkylgruppe
hydrophob modifiziert ist.
17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die
Hydroxyethylcellulose mit einer Nonylphenylgruppe hydrophob
modifiziert ist.
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