DE69408170T2

DE69408170T2 - ARAMID PAPER WITH HIGH RESISTANCE AND PRINTABILITY AND A SMOOTH LAYERED SURFACE

Info

Publication number: DE69408170T2
Application number: DE69408170T
Authority: DE
Inventors: Philip Burks; Lee Hesler
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2014-12-21
Also published as: WO1995017549A1; EP0736120A1; DE69408170D1; EP0736120B1; JP3673277B2; RU2125131C1; UA37254C2; JPH09506938A; ES2111394T3

Description

Background of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes schichtförmiges Aramidpapier mit einer glatten Oberfläche und guten Zug- und Reißfestigkeiten. Die glatte Oberfläche erlaubt eine bessere Klarheit im Druck und macht derartige Papiere besonders für Hochtemperatur-Label-Anwendungszwecke geeignet. Verfahren des Standes der Technik, die eine Verbesserung der Oberflächenglätte mit sich bringen, führen oft zu einem verringerten Maß an mechanischer Festigkeit und/oder thermischer Stabilität. Darüber hinaus werden synthetische Papiere, die bei einer hohen Temperatur und einem hohen Druck gepreßt oder kalandriert worden sind, im allgemeinen Fasern an der Oberfläche aufweisen, die eine Rauhigkeit oder Widerborstigkeit verursachen, wenn die Oberfläche des Papiers während der Endverarbeitung bearbeitet wird.The present invention relates to an improved aramid sheet paper having a smooth surface and good tensile and tear strengths. The smooth surface allows for better print clarity and makes such papers particularly suitable for high temperature label applications. Prior art processes involving improvement in surface smoothness often result in a reduced level of mechanical strength and/or thermal stability. In addition, synthetic papers that have been pressed or calendered at high temperature and pressure will generally have fibers on the surface that cause roughness or bristles when the surface of the paper is processed during finishing.

Die US-A-5,076,887 beschreibt eine mehrschichtige, hochtemperaturbeständige Preßpappe. Alle Schichten haben die gleiche einheitliche Verteilung von Polyaramidfibriden und -flockfasern. Die Oberflächenglätte ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht ausreichend.US-A-5,076,887 describes a multi-layer, high-temperature-resistant pressed cardboard. All layers have the same uniform distribution of polyaramid fibrids and flock fibers. The surface smoothness is not sufficient for the purposes of the present invention.

Die US-A-5,089,088 beschreibt die Entspannungsexpansion von feuchten Mehrschicht-Pappen, bei denen jede Schicht die gleiche einheitliche Verteilung, umfassend Aramidflockfasern, die durch Aramidfibride gebunden sind, umfaßt.US-A-5,089,088 describes the relaxation expansion of wet multilayer paperboards in which each layer comprises the same uniform distribution comprising aramid flock fibers bonded by aramid fibrids.

Summary of the invention

Die vorliegende Erfindung stellt ein kalandriertes Mehrschicht-Aramidpapier mit einer Oberfläche, die sich zum Bedrucken in hoher Qualität eignet, zur Verfügung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Papier 40 bis 55 Gew.-% Fibride enthält und eine Substratschicht, welche im wesentlichen aus Aramidfibriden und -flockfasern besteht, und ein oder zwei Oberflächenschichten umfaßt, die jeweils an die Substratschicht unter Bildung eines einzelnen verfestigten Flächengebildes gebunden sind, wobei die Oberflächenschicht(en) 10 bis 67 Gew.-% des Papiers ausmacht(en) und im wesentlichen aus 65 bis 90 Gew.-% Aramidfibriden und 10 bis 35 Gew.-% Aramidflockfasern besteht(en), und wobei die gesamte Oberfläche des Papiers kalandriert ist und das Flächengebilde eine Dichte von 0,8 bis 1,0 g/cc und eine Dichte von 1 bis 30 Mil (0,0254 bis 0,762 mm) aufweist.The present invention provides a calendered multilayer aramid paper having a surface suitable for high quality printing, which is characterized in that the paper contains 40 to 55% by weight of fibrids and a substrate layer which is essentially of aramid fibrids and flock fibers, and comprising one or two surface layers each bonded to the substrate layer to form a single consolidated sheet, the surface layer(s) comprising 10 to 67% by weight of the paper and consisting essentially of 65 to 90% by weight of aramid fibrids and 10 to 35% by weight of aramid flock fibers, and the entire surface of the paper being calendered and the sheet having a density of 0.8 to 1.0 g/cc and a density of 1 to 30 mils (0.0254 to 0.762 mm).

Detailed description of the invention

Die Mehrschicht-Aramidpapiere der Erfindung bestehen aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Die Oberflächenschicht(en) bietet(en) eine glatte Oberfläche und enthält (enthalten) 65 bis 90% Aramidfibride und 10% bis 35% Aramidflockfasern. Die Oberflächenschicht(en) bildet (bilden) 10 bis 67% des Gewichts des Papiers. Die Substratschicht verleiht hohe Reißfestigkeit Damit sich das Mehrschicht-Papier als einheitliche Struktur verhält, wird bevorzugt, daß die faserförmigen Materialien an der Zwischenfläche zwischen den Schichten vermischt sind. Dies wird erreicht, indem man eine Schicht aus Beschickungsmaterial, d.h., eine wäßrige Dispersion für die Papierherstellung aus Flockfasern und Fibriden auf einer noch nicht getrockneten, zuvor gebildeten Schicht aus Beschickungsmaterial in einer Papierherstellungsmaschine ablegt, oder indem man gleichzeitig die Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung auf dem Sieb der Papierherstellungmaschine unter Verwendung eines 2- oder 3-Schicht- Stoffauflaufbehälters vom hydraulischen Typ ablegt. Das aus der Maschine herauskommende Papier wird getrocknet und auf eine Dicke von 1 bis 30 Mii kalandriert. Die Dichte des Schichtpapiers beträgt für den Etiketteneinsatz 0,8 bis 1,0 g/cc.The multilayer aramid papers of the invention consist of layers of different compositions to achieve the desired properties. The surface layer(s) provide a smooth surface and contain 65 to 90% aramid fibrids and 10 to 35% aramid flock fibers. The surface layer(s) constitute(s) 10 to 67% of the weight of the paper. The substrate layer provides high tear resistance. In order for the multilayer paper to behave as a unitary structure, it is preferred that the fibrous materials be intermingled at the interface between the layers. This is achieved by depositing a layer of feedstock, i.e., an aqueous dispersion for papermaking of flock fibers and fibrids, on a not yet dried, previously formed layer of feedstock in a papermaking machine, or by simultaneously depositing the layers of different composition on the wire of the papermaking machine using a 2- or 3-layer headbox of the hydraulic type. The paper coming out of the machine is dried and calendered to a thickness of 1 to 30 microns. The density of the layered paper is 0.8 to 1.0 g/cc for label use.

Es ist festgestellt worden, daß die erfindungsgemäßen Mehrschicht-Papiere ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweisen. Die glatte Oberfläche behält ihren hohen Glättegrad selbst nach der notwendigen Bearbeitung zur Vorbereitung für die Endanwendungszwecke. Diese Qualität ist wichtig, wenn Klarheit im Druck und Farbdichte erreicht werden sollen.It has been found that the multilayer papers according to the invention have excellent mechanical properties The smooth surface maintains its high level of smoothness even after the necessary processing to prepare it for the final application. This quality is important if clarity in printing and color density are to be achieved.

Aramidflockfasern sind hochtemperaturbeständige Flockfasern oder Kurzfasern, die aus längeren Aramidfasern zugeschnitten worden sind, wie beispielsweise diejenigen, die nach den Verfahren hergestellt worden sind, die in den US-A- 3,063,966, 3,133,138, 3,767,756 und 3,869,430 beschrieben sind. Gemeint sind Kurzfasern, die typischerweise eine Länge von 2 bis 12 mm und eine lineare Dichte von 1 bis 10 Decitex aufweisen und aus aromatischem Polyamid, welches nichtschmelzbar ist, hergestellt worden sind.Aramid flock fibers are high temperature resistant flock fibers or short fibers cut from longer aramid fibers, such as those made by the processes described in US-A-3,063,966, 3,133,138, 3,767,756 and 3,869,430. These are short fibers that typically have a length of 2 to 12 mm and a linear density of 1 to 10 decitex and are made from aromatic polyamide that is non-fusible.

Die Aramidfibride können unter Verwendung eines Fibridierungsapparates hergestellt werden, mit welchem eine Polymerlösung ausgefällt und in einer einzelnen Stufe einer Scherwirkung ausgesetzt wird, wie dies in der U.S.-A-3,756,908 beschrieben ist.The aramid fibrids can be prepared using a fibridation apparatus which precipitates a polymer solution and subjects it to shear in a single step, as described in U.S.-A-3,756,908.

Tests and measurements

Gesamtbruchfestigkeit. Die Zugfestigkeit des Papiers beim Bruch wird gemäß der ASTM-Methode D 828-87 "Standardtestverfahren für die Zugfestigkeit beim Bruch von Papier und Pappe" bestimmt. Die Probekörper sind 2,54 cm breit und 20,3 cm lang, und die Greifbacken der Zugtestvorrichtung sind anfänglich 12,7 cm voneinander beabstandet. Zehn Papierproben werden in Maschinenrichtung (MD) getestet, und 10 Proben werden in Querrichtung (CD) getestet, und die Werte für jede Richtung werden gemittelt. Die Gesamtheit aus MD- und CD-Festigkeiten wird durch die Papierdichte und das Papierbasisgewicht dividiert, um die Gesamtbruchfestigkeit zu ermitteln.Total breaking strength. The tensile strength of the paper at break is determined according to ASTM Method D 828-87 "Standard Test Method for Tensile Strength at Break of Paper and Paperboard." The specimens are 1" wide and 8" long, and the jaws of the tensile tester are initially spaced 5" apart. Ten paper samples are tested in the machine direction (MD) and 10 samples are tested in the cross direction (CD), and the values for each direction are averaged. The total of the MD and CD strengths are divided by the paper density and the paper basis weight to determine the total breaking strength.

Dicke. Die Dicke wird mit Hilfe von Mikrometerschrauben gemäß ASTM D 374-79 (1986) bestimmt.Thickness. Thickness is determined using micrometer screws according to ASTM D 374-79 (1986).

Dichte. Die Dichte der Papiere wird durch Ermittlung des Gewichts pro Einheitsfläche des Papiers (Basisgewicht) gemäß ASTM D-646-86 und Division durch die Dicke ermittelt.Density. The density of papers is determined by determining the weight per unit area of paper (basis weight) according to ASTM D-646-86 and dividing by the thickness.

Faserabriebzahl.Fiber abrasion number.

Um die Abriebeigenschaften dieser Papiere weiter zu untersuchen, wurden die Päpiere gefaltet und die Kante der Faltung gegen einen dunklen Hintergrund betrachtet. Die Zahl der Fasern, die mehr als etwa 0,5 mm von der festen Papieroberfläche abstanden, wurde als die Faserabriebzahl (pro Zentimeter) herangezogen, und sie gibt den Rauhigkeitsgrad der Probe an.To further investigate the abrasion properties of these papers, the papers were folded and the edge of the fold was viewed against a dark background. The number of fibers protruding more than about 0.5 mm from the solid paper surface was taken as the fiber abrasion number (per centimeter) and indicates the degree of roughness of the sample.

Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.The following examples serve to illustrate the invention and are not intended to limit it.

Examples example 1

Eine Zweischichtstruktur wurde hergestellt, indem Fibride aus Poly(m-phenylenisophthalamid), hergestellt wie beschrieben in Beispiel 1 der U.S.-A-3,756,908, und Flockfasern, hergestellt durch Trockenspinnen von Poly(m-phenylenisophthalamid) aus einer Lösung, die 67% Dimethylacetamid (DMAC), 9% Calciumchlorid und 4% Wasser enthielt, kombiniert wurden. Die ersponnenen Filamente wurden mit einer wäßrigen Flüssigkeit überflutet und enthielten etwa 100% DMAC, 45% Calciumchlorid und 30-100% Wasser, bezogen auf das trockene Polymere. Die Filamente wurden gewaschen und im Rahmen eines Extraktions/- Streck-Verfahrens auf das Vierfache verstreckt, wobei der Gehalt an Chlorid und DMAC auf etwa 0,1% bzw. 0,5% reduziert wurde. Die Filamente wiesen einen Denier von 2 (2,2 dtex) auf, und die typischen Eigenschaften waren wie folgt: Dehnung beim Bruch 34% und Zugfestigkeit 4,3 g/den (3,8 dN/tex). Die Filamente wurden dann zu Flockfasern einer Länge von 0,27 Inch (0,68 cm) zugeschnitten und in Wasser mit einer Konzentration von etwa 0,35% aufgeschlämmt.A two-layer structure was prepared by combining fibrids of poly(m-phenylene isophthalamide) prepared as described in Example 1 of U.S.-A-3,756,908 and flock fibers prepared by dry spinning poly(m-phenylene isophthalamide) from a solution containing 67% dimethylacetamide (DMAC), 9% calcium chloride and 4% water. The spun filaments were flooded with an aqueous liquid and contained about 100% DMAC, 45% calcium chloride and 30-100% water based on the dry polymer. The filaments were washed and stretched four-fold in an extraction/stretch process, reducing the chloride and DMAC content to about 0.1% and 0.5%, respectively. The filaments were 2 denier (2.2 dtex) and typical properties were as follows: elongation at break 34% and tensile strength 4.3 g/den (3.8 dN/tex). The filaments were then cut into flock fibers 0.27 inches (0.68 cm) long and slurried in water at a concentration of about 0.35%.

Die Mischungen aus Fibriden und Flockfasern wurden getrennt in einen 2-Schicht-Stoffauflaufbehälter vom hydraulischen Typ geführt, welcher jede Mischung bis zum Austrittsspalt als getrennte Schicht hält, an welcher Stelle ein beschränktes Mischen der Schichten erfolgt. Dies gestattet eine gute Bindung zwischen den Schichten, während die individuelle Natur jeder Schicht aufrechterhalten bleibt. Das geformte Flächengebilde wird dann weiterverarbeitet, wie dies normalerweise auf einer Langsiebpapiermaschine durch Pressen und Trocknen erfolgt.The fibrid and flock blends were fed separately into a 2-layer hydraulic type headbox which keeps each blend as a separate layer until the exit gap where limited mixing of the layers takes place. This allows good bonding between the layers while maintaining individual nature of each layer is maintained. The formed sheet is then further processed, as is normally done on a Fourdrinier paper machine by pressing and drying.

Die Papiere wurden unter Verwendung von Infrarotheizvorrichtungen vollständig getrocknet, bevor sie bei 320ºC mit einer Führungsgeschwindigkeit von 30 Feet pro Minute (9 m pro Minute) und Anwendung eines Druckes von 725 Pound pro linearem Inch (130 kg/cm) kalandriert wurden.The papers were fully dried using infrared heaters before being calendered at 320ºC at a line speed of 30 feet per minute (9 m per minute) and applying a pressure of 725 pounds per linear inch (130 kg/cm).

Die Zusammensetzung der Schichten variierte von 35 bis 65% Fibriden, wobei der Rest durch die Flockfasern gestellt wurde. Das Basisgewicht in der Schicht wurde so eingestellt, daß die fibridreiche Schicht (65% Fibrid) 33 bis 67% des Gesamtbasisgewichts des fertigen Flächengebildes ausmachte. Der Gesamtfibridgehalt der Testpapiere reichte von 45 bis 55% des Flächengebildes gegenüber 53% für die Einzeischicht-Kontrollpapiere (C1-1). Die Tabelle 1 gibt das Basisgewicht für jede Schicht und ihre Zusammensetzung an. Tabelle 1 The composition of the layers varied from 35 to 65% fibrids, with the remainder being provided by the flock fibers. The basis weight in the layer was adjusted so that the fibrid-rich layer (65% fibrid) comprised 33 to 67% of the total basis weight of the finished sheet. The total fibrid content of the test papers ranged from 45 to 55% of the sheet versus 53% for the single layer control papers (C1-1). Table 1 gives the basis weight for each layer and its composition. Table 1

Es wurde die Menge an losen Fasern auf der Oberfläche des Flächengebildes als Folge der mechanischen Bearbeitung des kalandrierten Papiers gemessen (Tabelle 2). Seite 1 ist die Substratschicht (Schicht mit niedrigem Fibridgehalt) und die Seite 2 ist die Oberflächenschicht (hoher Fibridgehalt). Tabelle 2 Faserabriebzahl The amount of loose fibers on the surface of the sheet as a result of mechanical processing of the calendered paper was measured (Table 2). Side 1 is the substrate layer (low fiber content layer) and side 2 is the surface layer (high fiber content). Table 2 Fiber abrasion number

Selbst bei einer beträchtlichen Verringerung der Anzahl der losen Fasern auf der Oberfläche der Papiere mit hohem Fibridgehalt werden die überlegenen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu einem Kontrollpapier ähnlicher durchschnittlicher Zusammensetzung, jedoch ohne Schichtstruktur, beibehalten (Tabelle 3). Tabelle 3 Eigenschaften des kalandrierten Papiers Even with a significant reduction in the number of loose fibers on the surface of the high fiber content papers, the superior mechanical properties are maintained compared to a control paper of similar average composition but without layered structure (Table 3). Table 3 Properties of calendered paper

* Basisgewicht* Basis weight

** Bruchfestigkeit** Breaking strength

*** Bruchdehnung*** Elongation at break

Example 2

Schichtstrukturen, 4,0-4,5 oz/yd² (135,6-152,6 g/m²) mit Schichten hohen Fibridgehalts auf sowohl der Oberseite als auch der Unterseite der Struktur wurden hergestellt. Die Decklage und die Bodenlage (die äußeren Schichten) besaßen das gleiche Basisgewicht. Die Deckschicht und die Bodenschicht enthielten 65% Fibride und 35% Flockfasern. Die Deckschicht wurde unter Anwendung eines zweiten Stoffauflaufbehälters aufgetragen, durch welchen Beschickungsmaterial auf ein vorgeformtes Flächengebilde gespritzt wurde, welches unter Verwendung des Stoffauflaufbehälters von Beispiel 1 hergestellt worden war. Als Kontrolle (C2-1) diente ein Einzelschichtpapier. Tabelle 4 Layered structures, 4.0-4.5 oz/yd² (135.6-152.6 g/m²) with high fibrin content layers on both the top and bottom of the structure were prepared. The top layer and bottom layer (outer layers) had the same basis weight. The top layer and bottom layer contained 65% fibrids and 35% flock fibers. The top layer was applied using a second headbox through which furnish was sprayed onto a preformed sheet made using the headbox of Example 1. A single layer paper was used as a control (C2-1). Table 4

Eine Verbesserung hinsichtlich der Zahl loser Fasern auf der Oberfläche als Resultat einer mechanischen Bearbeitung des Papiers ist aus Tabelle 5 ersichtlich. Tabelle 5 Faserabriebzahl An improvement in the number of loose fibers on the surface as a result of mechanical processing of the paper is shown in Table 5. Table 5 Fiber abrasion number

Selbst bei einer wesentlichen Verringerung der Anzahl der losen Fasern auf der Oberfläche der Papiere wurden die überlegenen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu einem Kontrollpapier ähnlicher durchschnittlicher Zusammensetzung, jedoch ohne Schichtstruktur, aufrechterhalten (Tabelle 6). Die niedrige Schrumpfung bei 300ºC zusammen mit den sehr guten Reiß- und Zug-Eigenschaften, im Vergleich zu dem Kontrollpapier, ist besonders bemerkenswert. Tabelle 6 Eigenschaften des kalandrierten Papiers Even with a significant reduction in the number of loose fibers on the surface of the papers, the superior mechanical properties were maintained compared to a control paper of similar average composition but without a layered structure (Table 6). The low shrinkage at 300ºC together with the very good tear and tensile properties compared to the control paper is particularly noteworthy. Table 6 Properties of calendered paper

Claims

1. A calendered multilayer aramid paper having a surface suitable for high quality printing, characterized in that the paper contains 40 to 55 weight percent fibrids and comprises a substrate layer consisting essentially of aramid fibrids and flock fibers and one or two surface layers each bonded to the substrate layer to form a single consolidated sheet, the surface layer(s) comprising 10 to 67 weight percent of the paper and consisting essentially of 65 to 90 weight percent aramid fibrids and 10 to 35 weight percent aramid flock fibers, and the entire surface of the paper is calendered and the sheet has a density of 0.8 to 1.0 g/cc and a thickness of 1 to 30 mils (0.0254 to 0.762 mm).

2. Paper according to claim 1, wherein the paper comprises two surface layers intimately bonded to the opposite sides of the substrate layer.