JP2004513262A - N−ビニルホルムアミドを含有する紙塗工材料 - Google Patents
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Abstract
N−ビニルホルムアミドを重合により組み込んで含有しているポリマー又はコポリマーを、添加剤として含有している紙塗工材料、及びその使用。
Description
【0001】
本発明は、新規紙塗工材料に関する。さらに、本発明は、紙塗工材料の使用、及びこの紙塗工材料で塗工紙に関する。
【0002】
紙塗工材料は、おもに、たいてい白色顔料と、ポリマーの結合剤と、添加剤とからなっており、添加剤は、塗工塗料のレオロジー的な特性及び塗工された紙の表面の特性に所望の影響を与える。このような添加剤は、しばしば「コバインダー(Cobinder)」とも呼ばれる。結合剤によって、顔料は紙の上に固定され、得られる塗工層中での結合が保証される。
【0003】
紙塗工材料で塗工することによって、原紙は、滑らかで均一に白色な表面を得る。さらに、紙塗工材料は、紙の印刷性を向上させる。
【0004】
紙塗工材料で紙を塗工することは、今日よく知られている。たとえば、「Essential Guide to Aqueous Coating of Paper and Board」、T. W. R. Dean(編)、Paper Industry Technical Association (PITA)発行、1997を参照。
【0005】
紙を塗工材料で塗工することによって得ようとする最も重要な目的の1つは、紙の白さを高めることである。しかし、同時に、紙の表面は、それが印刷時に損傷しないかつ印刷像が損なわれないような安定性を有していなければならない。
【0006】
塗工された紙の白さを高めることは、様々な多数の手段によって達成される。これには、たとえば、できるだけ高い白色度を有する原紙を使用することが含まれ、この白色度は、やはりできるだけ白い出発材料を使用することによって得ることができる。別の手段は、紙塗工のためのできるだけ白い顔料を選択することである。
【0007】
しかし、多くの場合、これらの手段だけでは、紙の白さに対する今日の使用者の要求を満たさない。したがって、塗工材料に、いわゆる「白色体質顔料」(蛍光−又はりん光色素)又は「蛍光増白剤」を添加する。これは、人の目には見えない短波長の紫外線を吸収してより長い波長の青い光を再び放出する、色素に類する蛍光色素であり、これによって、人の目により高い白さをもたらすので、白色度が高まる。
【0008】
しかし、蛍光増白剤の使用は、これらの増白剤が、仕上がった紙の塗工層中で最適な構造、コンホメーション及び分散状態にある場合にしか所望の成果を得られない。その最適な状態を得るためには、紙塗工材料に、「活性剤」、「坦体」又は「キャリア」と呼ばれ蛍光増白剤の効果を強化するポリマーの化合物を添加する。塗工塗料中での冒頭に述べたコバインダーの重要な機能は、その増白剤活性作用である。適当なコバインダーとしては、水溶性のポリマー、たとえばポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、アニオン性又は非イオン性の分解でんぷん、カゼイン、大豆タンパク質及び水溶性のスチレン−アクリル酸コポリマーを使用する(たとえば、K. P. Kreutzer、Grundprozesse der Papiererzeugung 2: Grenzflaechenvorgaenge beim Einsatz chemischer Hilfsmittel、H. −G. Voelkel und R. Grenz (編)、PTS Muenchen、2000、PTS−Manuskript: PTS−GPE−SE 2031−2)。
【0009】
しかし、蛍光増白剤の活性化は、すべての水溶性のポリマーによって可能なわけでなく、たとえばある多糖類、たとえばデキストラン又はアニオン性のポリアクリルアミドによって蛍光増白剤を活性化することはできない。これとは反対に、カチオン性の官能基を、特にアミノ−又はアンモニウム基を含有する水溶性のポリマー、つまりたとえばポリアミン/エピクロロヒドリン−又はポリアミドアミン/エピクロロヒドリン樹脂、ポリアミン又はポリエチレンイミンは白色体質顔料を強化しないばかりでなく不活性化さえしてしまい、これによって増白効果が失われることが以前より知られている(K. P. Kreutzer、前述の刊行物、8〜22頁)。
【0010】
DE−A19727503により、N−ビニルカルボン酸アミド単位を有する結合剤を含有する紙塗工材料が公知である。しかし、添加剤による蛍光増白剤の活性化については記載されていない。
【0011】
本発明の課題は、より良い特性を備えた紙塗工材料、又は塗工された紙を改善する塗工材料を得ることである。
【0012】
このような紙塗工材料は、N−ビニルホルムアミド(式I)を重合により組み込んで含有しているポリマー又はコポリマーを添加剤として含有しているというより良い特性を有することが判明した。
【0013】
【化1】
【0014】
本発明によれば、N−ビニルホルムアミドからなるポリマー又はコポリマー(以下、(コ)ポリマーと呼ぶ)、ならびにN−ビニルホルムアミドに加えてさらにアニオン性、カチオン性及び/又は非イオン性のモノマーを重合により組み込んで含有しているポリマー又はコポリマーを、添加剤(コバインダー)として使用することができる。さらに、これらのポリマーまはたコポリマーを、本発明による紙塗工材料で使用する前に分解してよく、この分解では、カルボン酸基(ホルミル基)が部分的に分解する。
【0015】
意外にも、ビニルホルムアミドの水溶性のコポリマーを添加することによって、紙塗工材料中の蛍光増白剤が著しく強く活性化される。しかし、K. P. Kreutzer、前述の刊行物、8〜22頁の記載に反して、ビニルホルムアミドのカチオン性のコポリマーが、蛍光増白剤のキャリアに同様に適していて、かつ蛍光増白剤の効果を、非イオン性のポリビニルホルムアミドよりもさらに強く強化さえすることはさらに驚くべきことでありかつまったく予期しないかったことである。本発明によるビニルホルムアミドの(コ)ポリマーによる紙塗工材料中の白色体質顔料の活性化は、これに関する別のコバインダーの効果よりも極めて強い。紙塗工材料に組み込まれた(コ)ポリマーは、それらの増白剤活性作用に加えて、塗工された紙の乾燥紙むけ強度及び湿潤紙むけ強度を高める特性も有しており、この特性は、別のコバインダーよりも強い。さらに、驚くべきことに、本発明による塗工材料によって加工された紙は、従来の技術によるコバインダーを含有している塗工材料を使用した紙よりも高い印刷光沢を有している。
【0016】
本発明による塗工材料のために使用しうるN−ビニルホルムアミドのポリマーの製造は、以前より知られている(たとえばEP−B1 71050参照(US4421602に対応))。
【0017】
本発明にによれば、N−ビニルホルムアミドを重合により組み込んで含有しているカチオン性のコポリマーも使用することができる。
【0018】
N−ビニルホルムアミドと、水溶性の塩基性のモノマー、たとえばN−トリアルキルアンモニウムアルキルアクリルアミド、N−トリアルキルアンモニウムアルキルメタクリルアミド及び/又はジアリルジアルキルアンモニウム塩とからなるカチオン性のコポリマーの製造、ならびに排水及びスラッジの処理のための凝集−及び脱水助剤としてのこれらの使用は、EP−B1 464043(US5225088に対応)に記載されている。
【0019】
たとえば、水溶性のカチオン性のモノマーとしては、ジアリルジメチルアンモニウムクロリド、ジアリルジメチルアンモニウムメトスルフェート、N−(2−トリメチルアンモニウム)エチルアクリルアミドメトスルフェート又はN−2−(エチル−ジメチル)アンモニウムエチルメタクリルアミドエトスルフェート又はこれらの混合物を、EP−B1 464043に記載されているようにN−ビニルホルムアミドと共重合させることができ、これにより、本発明による塗工塗料での使用に適したカチオン性のコポリマーが得られる。
【0020】
もちろん、分解したビニルホルムアミド(下記参照)も、本発明による塗工材料のために使用することができ、塗工材料中で、ポリマー中では結合している遊離したアミノ基と、脱離したギ酸とが、ギ酸アンモニウムを形成する。
【0021】
N−ビニルホルムアミドと、たとえばアクリル酸又はメタクリル酸のような3〜8個のC原子を有するモノエチレン性の不飽和カルボン酸及び/又はそのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩又はアンモニウム塩とのコポリマー、及び場合によっては共重合する別のエチレン性の不飽和化合物とのコポリマーの製造、ならびに紙材への添加物としてのこれらのコポリマーの、紙製造時の脱水速度及びろ水性ならびに乾燥−及び湿潤強さを高めるための使用が、DE−A1 4241117(US5630907に対応)により公知であり、さらに、本発明により同様に塗工材料のために使用することができるアニオン性のコポリマーが記載されている。
【0022】
3〜8個のC原子を有するモノエチレン性の不飽和カルボン酸のモノマー、及びこれらのモノマーの水溶性の塩としては、たとえば次のものが挙げられる:アクリル酸、メタクリル酸、ジメチルアクリル酸、エタクリル酸、マレイン酸、シトラコン酸、メチレンマロン酸、アリル酢酸、ビニル酢酸、クロトン酸、フマール酸、メサコン酸及びイタコン酸である。これらのモノマーのグループからは、有利には、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸又はこれらのカルボン酸の混合物、特にアクリル酸とマレイン酸とからなる混合物又はアクリル酸とメタクリル酸とからなる混合物も使用する。これらのモノマー又はこれらの混合物は、遊離カルボン酸の形態で、もしくは部分的又は完全に中和された形態で、共重合で使用することができる。
【0023】
モノマー混合物中での、ビニルホルムアミドの、3〜8個のC原子を有するモノエチレン性の不飽和カルボン酸及び/又はそれらのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩又はアンモニウム塩に対する質量比は100:0〜70:30で変化させることができ、この場合、質量比は100:0〜80:20、しかし、特に100:0〜90:10が有利である。
【0024】
別の水溶性のビニルモノマーを有するN−ビニルホルムアミドの非イオン性のコポリマーも、本発明による紙塗工材料で、蛍光増白剤の効果を強化することができる。このための、別の水溶性のビニルモノマーとしては、たとえばN−ビニルピロリドン及び別のN−ビニルラクタム、たとえばN−ビニルカプロラクタム、ならびにN−ビニル−N−アルキルカルボン酸アミド又はN−ビニルカルボン酸アミド、たとえばN−ビニルアセトアミド、N−ビニル−N−メチルホルムアミド及びN−ビニル−N−メチルアセトアミドが挙げられる。これらの混合物も使用することができる。
【0025】
モノマーとしては、N−ビニルピロリドンが有利である。
【0026】
(コ)ポリマーの組成は、一般には以下の通りである:
N−ビニルホルムアミド:
1〜100質量部、有利には2〜80、特に有利には5〜80
水溶性のカチオン性のモノマー:
0〜10質量部、有利には0.5〜8、特に有利には1〜5
アクリル酸又はメタクリル酸及び/又はこれらの塩又はこれらの混合物:
0〜30質量部、有利には1〜20、特に有利には2〜10:
別の水溶性のビニルモノマー:
0〜90質量部、有利には0.5〜80、特に有利には5〜50
前述の(コ)ポリマーを製造するためのしばしば用いられるが唯一つではない方法は、溶剤又は希釈剤中でのラジカル(共)重合である。
【0027】
このようなモノマーのラジカル(共)重合は、たとえば水溶液中で重合開始剤の存在下で行われ、この重合開始剤は、重合条件下でラジカルに分解する。(共)重合は、広い温度範囲、場合によっては低められた圧力又は高められた圧力下で、通常、100℃までの温度で行うことができる。反応混合物のpH値は、通常、4〜10の範囲に調節する。
【0028】
しかし、この(共)重合は、たとえば溶液重合、沈殿重合、水/油乳化重合又は逆相懸濁重合として当業者にそれ自体公知の別の形式で行うこともできる。有利なのは溶液重合である。
【0029】
この場合、N−ビニルホルムアミドを、ラジカル重合開始剤、たとえば、2,2′−アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2′−アゾビス−(2−アミジノプロパン)−塩酸塩又は4,4′−アゾビス−(4′シアノ−ペンタン酸)のような分解してラジカルとなるアゾ化合物を使用して(共)重合する。
【0030】
上記の化合物は、たいていは水溶液の形態で使用し、この場合、下限濃度は(共)重合中に保持可能な水量によって、上限濃度はその化合物の水溶性によって決定する。一般に、濃度は、溶液に対して0.1〜30質量%、有利には0.5〜20質量%、特に有利には1.0〜10質量%である。
【0031】
開始剤の量は、一般に、(共)重合すべきモノマーに対して0.1〜10質量%、有利には0.5〜5質量%である。(共)重合において、複数の様々な開始剤を使用することもできる。
【0032】
溶剤又は希釈剤としては、たとえば水、アルコール、たとえばメタノール、エタノール、n−又はイソプロパノール、n−又はイソブタノール、又はケトン、たとえばアセトン、エチルメチルケトン、ジエチルケトン又はイソブチルメチルケトンを使用することができる。
【0033】
場合によっては、(共)重合は、重合調節剤、たとえばヒドロキシルアンモニウム塩、塩素化炭化水素及びチオ化合物、たとえばt−ブチルメルカプタン、チオグリコール酸エチルアクリルエーテル、メルカプトエチノール、メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ドデシルメルカプタン、t−ドデシルメルカプタン又はアルカリ金属次亜リン酸塩の存在下で行う。(共)重合時には、これらの制御剤を、たとえば(共)重合すべきモノマー100質量部に対して0〜0.8質量部の量で使用することができ、これにより、生成する(コ)ポリマーの分子量が低下する。
【0034】
乳化重合においては、イオン性及び/又は非イオン性の乳化剤及び/又は保護コロイドもしくは安定剤を、界面活性の化合物として使用する。
【0035】
重合条件に応じて、(共)重合で様々な分子量の(コ)ポリマーが得られ、この分子量は、EP−B1 71050及び以下に示すように、FikentscherによるK値(0.5質量%の食塩水溶液中で25℃で測定)を用いて表す。大きなK値、たとえば80よりも大きな値を有する(コ)ポリマーは、有利には、N−ビニルホルムアミドを水中で(共)重合することによって製造する。さらに、大きなK値及び大きな分子量を有する(コ)ポリマーは、たとえば、逆相懸濁重合の形態でのモノマーの(共)重合によって、又は水/油重合の方法に基づくモノマーの(共)重合によって得られる。
【0036】
逆相懸濁重合及び水/油重合の方法では、油相として飽和炭化水素、たとえばヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、デカリン又は芳香族炭化水素、たとえばベンゼン、トルエン、キシレン、クメンを使用する。水相に対する油相の比は、逆相懸濁重合では、たとえば10:1〜1:10である。
【0037】
小さなK値、たとえば80より小さな値を有する(コ)ポリマーは、重合制御剤の存在下で、又は(共)重合を制御する溶剤、たとえばメタノール、エタノールn−又はイソプロパノールのようなアルコール、アセトン、エチルメチルケトン、ジエチルケトン又はイソブチルメチルケトンのようなケトン中で(共)重合を行う場合に得られる。
【0038】
小さな分子量を有するK値及び相応に低いK値は、さらに、通常の方法によって、つまりより多い量の重合開始剤の使用又は重合制御剤の使用によって、又はこれらの方法を組み合わせることによって得られる。
【0039】
本発明により使用可能な(コ)ポリマーの分子量は、限定されていないが、塗工材料が高すぎる粘性を有することのないように過度に高くないことが望ましい。有利には、10〜80のK値を有する(コ)ポリマーが有利であり、この場合、30〜70のK値が特に有利である。ビニルホルムアミドを含有する(コ)ポリマーは、本発明によれば、部分的に又は完全に分解した形態及び分解していない形態で使用することができる。有利には、加水分解度が0〜30%、特に有利には0〜20%、さらにとりわけ有利には0〜10%である。この場合、ホルミル基の分解の方法は限定されておらず、たとえば酸又は塩基の存在下で行うことができ、塩基、たとえば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アルカリ土類金属、アンモニア又はアミンの存在下での分解が有利である。この場合、たとえば(メタ)アクリル酸及びビニルホルムアミドを重合により組み込まれた形態で含有するコポリマーが部分的に加水分解することによって、両性(コ)ポリマーが生成する。
【0040】
しかし、ビニルホルムアミドのカチオン性のコポリマーは、EP−B1 71050に記載されているように、規定された酸又は塩基の量でビニルホルムアミドの単独ポリマーを加水分解して所望の加水分解度に分解することによって特に簡単に得られる。この時に重合鎖で生じるアミノ基は、溶液のpH値に応じて多かれ少なかれプロトン化されており、これによって、アミノ基がポリマーに多かれ少なかれカチオン性の性質を付与する。
【0041】
ホルミル基の脱離を得たい場合には、この脱離は水中で行うことができる。
【0042】
加水分解でのホルミル基の脱離は、20〜200℃、有利には40〜180℃の範囲の温度で、場合によっては酸又は塩基の存在下で行う。加水分解は、有利には、70〜90℃の温度領域で行う。
【0043】
ポリN−ビニルホルムアミド中のホルミル基1等量につき、酸による加水分解のためには、約0.05から1.5等量の酸、たとえば塩酸、臭化水素酸、リン酸、硫酸が必要である。酸による加水分解の場合のpH値は2〜0、有利には1〜0の領域にある。この加水分解は、別のN−ビニルカルボン酸アミド、たとえばN−メチル−N−ビニルホルムアミドの(コ)ポリマーの加水分解よりも極めて迅速に進み、したがって、緩和な条件下で、つまりより低い温度でかつ酸の過剰が大きくない状態で行うことができる。
【0044】
さらに、ポリN−ビニルホルムアミドのホルミル基の加水分解は、アルカリ溶媒中でも、たとえば11〜14のpH範囲で行うことができる。このpH値は、有利には、苛性ソーダ溶液又は苛性カリ溶液を添加することによって調節する。しかし、アンモニア、アミン及び/又はアルカリ土類金属塩基を使用することも可能である。アルカリによる加水分解のためには、0.05〜1.5、有利には0.4〜1.0等量の塩基を使用する。
【0045】
分解は、たとえば100℃より高い、有利には120〜180℃、特に有利には140〜160℃の高温で、溶媒、たとえば水の存在下で、酸又は塩基なしでも行うこともできる。有利には、これを、臨界点を越えた条件で、たとえば超臨界水によって行う。
【0046】
加水分解で、つまりホルミル基が水中で酸又は塩基の存在下で、ポリN−ビニルホルムアミドから脱離する。副生成物としては、ギ酸もしくはギ酸の塩が得られる。
【0047】
この場合に得られた溶液は、後続処理をすることなく使用できるが、加水分解−もしくは加溶媒分解生成物は分離してもよい。
【0048】
この分離のためには、得られた溶液を、たとえばイオン交換剤によって処理する。したがって、加水分解産物から分離した残滓を、塗工材料に組み込むことができる。
【0049】
本発明による紙塗工材料に添加するビニルホルムアミドの(コ)ポリマーの量は、塗工材料の増白剤の量に応じて調整する。
【0050】
通常、100質量部の顔料につき0.2〜2質量部の蛍光増白剤を塗工材料に加える。(コ)ポリマーについては、通常、蛍光増白剤と同量から5倍の量まで、つまり、0.2〜10質量部、有利には0.5〜8、特に有利には1〜5質量部を紙塗工材料に添加する。
【0051】
本発明による紙塗工材料は、有利には、少なくとも1種の蛍光増白剤を有している。
【0052】
本発明による塗工材料の処理は、従来の技術に基づく塗工塗料の処理とまったく同様に、たとえば「The Essential Guide to Aqueous Coating of Paper and Board」、T. W. R. Dean(編)、Paper Industry Technical Association(PITA)発行、1997、又は「Ratgeber fuer die Verwendung von BASF−Erzeugnissen in der Papier− und Kartonstreicherei」、BASF Aktiengesellschaft、D−6700 Ludwigshafen、ドイツ連邦共和国、B376d、09.77に基づいて行う。
【0053】
本発明による添加剤の他に、本発明による紙塗工材料は、さらに少なくとも1種の白色顔料及び少なくとも1種の結合剤を有している。
【0054】
紙塗工材料は、当業者に公知のさらに別の成分を含有していてよい。たとえばレベリング助剤、顔料のための湿潤助剤などが挙げられる。
【0055】
本発明による塗工材料に関連して使用することができる蛍光増白剤は限定されていない。6つまでのスルホン酸基に置換された市販のスチルベン誘導体、たとえばBayer AG社のBlankophor(R) PSG、又はその誘導体、又は4,4′−ジスチリルビフェニル誘導体を使用することができる。
【0056】
本発明による塗工材料で使用可能な顔料は、同様に限定されていない。たとえば、サチンホワイト(カルシウムスルホアルミネート)、粉末の又は沈殿(沈降)した形態の炭酸カルシウム、粉末の又は沈殿した形態の硫酸バリウム、カオリン(クレー)、か焼クレー、タルク、ケイ酸塩、チョーク又は塗工クレー又は有機顔料、たとえば粒子の形態のプラスチックを使用することができる。
【0057】
本発明による塗工材料で使用可能なバインダー((コ)ポリマーの結合剤)も、同様に限定されていない。たとえば、カゼイン、でんぷん、大豆タンパク質、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸塩及び/又はポリビニルアルコール、又はアクリル酸、アクリル酸エステル、酢酸ビニル及び/又はスチレンを重合により組み込んで含有している分散液、たとえば、アクリルエステル/スチレン、スチレン/ブタジエン又は酢酸ビニルからなる(コ)ポリマーを使用することができる。紙塗工材料は、さらに、たとえば分散剤を有していてよい。適当な分散剤は、たとえばポリリン酸又はポリアクリル酸(高分子塩)のポリアニオンであり、これらを、通常、顔料量に対して0.1〜3質量%の量で含有している。
【0058】
紙塗工材料を製造するためには、成分を公知のように混合し、この場合、(コ)ポリマーは一般に、分散液、懸濁液又は溶液の形態で使用する。
【0059】
紙塗工材料中の水の含有量は、通常、紙塗工材料全体(水を含む)に対して25〜75質量%に調節する。
【0060】
紙塗工材料は、通常の方法で、塗工すべき紙の上に塗布することができる(Ulmann’s Encyclopaedie der Technischen Chemie、4.Auflage、Bd.17、603頁以下参照)。
【0061】
さらに、場合によっては増粘剤を添加することができる。増粘剤としては、ラジカル(共)重合した(コ)ポリマーの他に、通常の有機及び無機増粘剤、たとえばヒドロキシメチルセルロース又はベントナイトが挙げられる。
【0062】
紙塗工材料は、たいてい、水を含んだ紙塗工材料である。水含有量は、所望の粘度又はレベリング特性に応じて調節することができる。
【0063】
この紙塗工材料を製造するためには、成分を公知の形式で混合することができる。本発明による紙塗工材料は、たとえば、紙又は厚紙の塗工に適している。紙塗工材料は、通常の方法によって塗工すべき紙又は厚紙上に塗布することができる。
【0064】
本発明による紙塗工材料によって塗工された紙又は厚紙は、通常の方法で、たとえばオフセット−、凸版−又は凹版印刷法によって印刷することができる。
【0065】
以下の実施例により、本発明による紙塗工材料の特性を説明するが、それらの塗工材料に限定されることはない。
【0066】
以下の説明中の「部」とは、別の記載がない限り「質量部」であると理解されたい。
【0067】
実施例1:
次の組成を有する塗工材料を製造した:
炭酸カルシウム(Hydrocarb(R) 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタジエンラテックス(Styronal(R) D610、BASF Aktiengesellschaft) 8部
蛍光増白剤(Blankophor(R) PSG、Bayer AG) 0.5部
ならびにコバインダーとして:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
もしくは
K値51を有するかつ表1に示す加水分解度を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 0.5部
塗工塗料を68.1質量%の固体含有量で、面積重量70g/m2の木材不含の紙上に16g/m2の塗工重量まで塗布し、その後カレンダリングする。
【0068】
紙の増白剤は、DIN53145、第2部に基づいて測定した。
【0069】
紙のCIE白色度は、ISO2469に基づいて測定した。
【0070】
Lorilleux−Farbe 3808を使用して85m/sでIGTにより乾燥紙むけ強度を測定した際の色濃度は、Gretag濃度計によって検出した。
【0071】
Lorilleux−Farbe 3804を使用して35m/sでテストベンチ試験機によって湿潤紙むけ強度を測定した際の色濃度は、Gretag濃度計によって検出した。
【0072】
さらに、Lehmann 75°により紙の印刷光沢を測定した。
【0073】
塗工された紙の試験の結果は、表1に示す通りである。
【0074】
【表1】
【0075】
本発明によるポリビニルホルムアミド(PVFA)を含有している塗工材料は、従来の技術によってカルボキシメチルセルロースをコバインダーとして含有している塗工材料よりも、より強い光学的な明るさ及びより高いCIEに基づく白色度を有する。さらに、所定の分解度に加水分解してそれによりカチオン性になっているポリビニルホルムアミドが、非イオン性のPVFAより高い明るさ及びCIE白色度をもたらすことが明らかである。さらに、ポリビニルホルムアミドを含有する塗工材料は、乾燥紙むけ強度及び湿潤紙むけ強度において、CMCをコバインダーとして含有する塗工材料よりも著しく良好な特性を有している。最後に、本発明による塗工材料によって、著しく高い印刷光沢が得られる。
【0076】
実施例2:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0077】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタンジエンラテックス(Styronal(R) D615、BASF Aktiengesellschaft) 8部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
コバインダーとして使用:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
ポリビニルアルコール(Mowiol(R) 6−98、Clariant Aktiengesellschaft) 0.5部
もしくは
K値45を有するかつ加水分解度5%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 0.5及び1.0部
この塗工材料は、実施例1に記したように処理した。
【0078】
カレンダリングされた紙の明るさと白色度、及び印刷光沢は、実施例1で述べたように測定した。
【0079】
試験結果を表2に示す。
【0080】
【表2】
【0081】
表2から、本発明によるポリビニルホルムアミドを含有している塗工材料は、別のコバインダーを含有している塗工材料より高い白色度及び強い印刷光沢を有することが明らかである。
【0082】
実施例3:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0083】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタンジエンラテックス(Styronal PR 8736、BASF Aktiengesellschaft) 8部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
コバインダーとして使用:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 1.0部
もしくは
アクリレートベースのコポリマー(Acrosol(R) C50L、BASF Aktiengesellschaft) 1.0部
もしくは
K値50を有するかつ加水分解度1%もしくは5%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 1.0部
この塗工材料は、実施例1で記したように処理した。
【0084】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度、ならびに乾燥紙むけ強度及び湿潤紙むけ強度は、実施例1で述べたように測定した。
【0085】
試験結果を、表3に示す。
【0086】
【表3】
【0087】
表3に示した結果より、上記の添加剤を使用して製造された本発明による塗工材料を使用した場合には、従来の技術に基づくコバインダーを含有する塗工材料を使用した場合よりも高い白色度及び大きな強度を有する紙が得られることが明らかである。
【0088】
実施例4:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0089】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレン−アクリレート−ラテックス(Acronal(R) S360D、BASF Aktiengesellschaft) 10部
すべての試料のためのコバインダーとしてのカルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
付加的なコバインダーとして使用:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
もしくは
K値69を有するかつ加水分解度1%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 0.5部
この塗工材料は、実施例1で述べたように処理した。
【0090】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度、ならびにその乾燥−及び湿潤紙むけ強度は、実施例1のように測定した。
【0091】
試験結果を表4に示す。
【0092】
【表4】
【0093】
表4の結果は、本発明による塗工材料が、従来のコバインダーをすでに含有していても改善されることを示しており、新しい添加剤を添加することによって、塗工された紙の品質は、すでに塗工材料中に存在するコバインダーを同量添加した場合よりも著しく向上する。
【0094】
実施例5:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0095】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタンジエンラテックス(Styronal LD 615、BASF Aktiengesellschaft) 10〜12部(表5参照)
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
Sterocoll(R) FDを表5に示したように添加した。
【0096】
コバインダーとして使用:
酸化分解でんぷん(Emox(R) TSC、Emsland−Staerke GmbH) 2.0部
もしくは
酸化分解でんぷん(Emox TSC、Emsland−Staerke GmbH) 2.0部
もしくは
K値69を有するかつ加水分解度(HG)1%もしくは5%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 0.5部
この塗工材料は、実施例1で述べたように処理した。
【0097】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度、及びこれらの湿潤紙むけ強度は、実施例1で述べたように測定した。
【0098】
耐ブリスタリング性は、両面に塗工された紙を加熱したオイル(240℃)内に浸けることによって測定した。気泡の形成は、段階1(気泡なし)から6(極めて多数の気泡)によって評価した。
【0099】
試験結果を表5に示す。
【0100】
【表5】
【0101】
表5から、分解でんぷんは紙の白色度を同様に高めはするものの、この点では極めてより少ない量のポリビニルホルムアミドの効果には達しないことが分る。さらに、コバインダーとしてポリビニルホルムアミドを使用して製造された紙は、同等からより大きな湿潤紙むけ強度では、でんぷんを使用して製造された紙よりもブリスターを形成する傾向が極めて小さくなっていることが明らかである。
【0102】
実施例6:
次の組成で塗工材料を製造した。
【0103】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタンジエンラテックス(Styronal D 610、BASF Aktiengesellschaft) 8部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
コバインダーとして使用:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
もしくは
比80:20で、ビニルホルムアミド及びアクリル酸(VFA/AS)からなる、K値38を有するコポリマー 0.5部
もしくは
比90:10で、ビニルホルムアミド及びアクリル酸(VFA/AS)からなる、K値43を有するコポリマー 0.5部
この塗工材料は、実施例1で述べたように処理した。
【0104】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度は、実施例1で述べたように測定した。
【0105】
試験結果を表6に示す。
【0106】
【表6】
【0107】
これらの試験は、アニオン性のポリビニルホルムアミドを添加することによっても、従来の技術によるコバインダーを含有している塗工材料より高い白色度の紙が得られることを示している。
【0108】
実施例7:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0109】
炭酸カルシウム(Omyalite(R) 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレン−アクリレート−ラテックス(Acronal S 305 D、BASF Aktiengesellschaft) 10部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
コバインダーとして使用:
ポリビニルアルコール(Polyviol(R) LL 603、Wacker−Chemie GmbH) 2.0部
もしくは
酸化分解でんぷん(Emox TSC、Emsland−Staerke GmbH) 3.5部
もしくは
K値32を有するかつ加水分解度0%、1%及び5%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 2.0部
この塗工材料を、実施例1で述べたように処理した。
【0110】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度、ならびにこれらの乾燥−及び湿潤紙むけ強度を、実施例1で述べたように測定した。
【0111】
試験結果を表7に示す。
【0112】
【表7】
【0113】
表7は、より低い分子量(K値)を有する非イオン性及びカチオン性のポリビニルホルムアミドを塗工材料に添加することによって、従来の技術によるコバインダーを添加するより高い光学的な明るさを有する紙を得ることができることを示している。
本発明は、新規紙塗工材料に関する。さらに、本発明は、紙塗工材料の使用、及びこの紙塗工材料で塗工紙に関する。
【0002】
紙塗工材料は、おもに、たいてい白色顔料と、ポリマーの結合剤と、添加剤とからなっており、添加剤は、塗工塗料のレオロジー的な特性及び塗工された紙の表面の特性に所望の影響を与える。このような添加剤は、しばしば「コバインダー(Cobinder)」とも呼ばれる。結合剤によって、顔料は紙の上に固定され、得られる塗工層中での結合が保証される。
【0003】
紙塗工材料で塗工することによって、原紙は、滑らかで均一に白色な表面を得る。さらに、紙塗工材料は、紙の印刷性を向上させる。
【0004】
紙塗工材料で紙を塗工することは、今日よく知られている。たとえば、「Essential Guide to Aqueous Coating of Paper and Board」、T. W. R. Dean(編)、Paper Industry Technical Association (PITA)発行、1997を参照。
【0005】
紙を塗工材料で塗工することによって得ようとする最も重要な目的の1つは、紙の白さを高めることである。しかし、同時に、紙の表面は、それが印刷時に損傷しないかつ印刷像が損なわれないような安定性を有していなければならない。
【0006】
塗工された紙の白さを高めることは、様々な多数の手段によって達成される。これには、たとえば、できるだけ高い白色度を有する原紙を使用することが含まれ、この白色度は、やはりできるだけ白い出発材料を使用することによって得ることができる。別の手段は、紙塗工のためのできるだけ白い顔料を選択することである。
【0007】
しかし、多くの場合、これらの手段だけでは、紙の白さに対する今日の使用者の要求を満たさない。したがって、塗工材料に、いわゆる「白色体質顔料」(蛍光−又はりん光色素)又は「蛍光増白剤」を添加する。これは、人の目には見えない短波長の紫外線を吸収してより長い波長の青い光を再び放出する、色素に類する蛍光色素であり、これによって、人の目により高い白さをもたらすので、白色度が高まる。
【0008】
しかし、蛍光増白剤の使用は、これらの増白剤が、仕上がった紙の塗工層中で最適な構造、コンホメーション及び分散状態にある場合にしか所望の成果を得られない。その最適な状態を得るためには、紙塗工材料に、「活性剤」、「坦体」又は「キャリア」と呼ばれ蛍光増白剤の効果を強化するポリマーの化合物を添加する。塗工塗料中での冒頭に述べたコバインダーの重要な機能は、その増白剤活性作用である。適当なコバインダーとしては、水溶性のポリマー、たとえばポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、アニオン性又は非イオン性の分解でんぷん、カゼイン、大豆タンパク質及び水溶性のスチレン−アクリル酸コポリマーを使用する(たとえば、K. P. Kreutzer、Grundprozesse der Papiererzeugung 2: Grenzflaechenvorgaenge beim Einsatz chemischer Hilfsmittel、H. −G. Voelkel und R. Grenz (編)、PTS Muenchen、2000、PTS−Manuskript: PTS−GPE−SE 2031−2)。
【0009】
しかし、蛍光増白剤の活性化は、すべての水溶性のポリマーによって可能なわけでなく、たとえばある多糖類、たとえばデキストラン又はアニオン性のポリアクリルアミドによって蛍光増白剤を活性化することはできない。これとは反対に、カチオン性の官能基を、特にアミノ−又はアンモニウム基を含有する水溶性のポリマー、つまりたとえばポリアミン/エピクロロヒドリン−又はポリアミドアミン/エピクロロヒドリン樹脂、ポリアミン又はポリエチレンイミンは白色体質顔料を強化しないばかりでなく不活性化さえしてしまい、これによって増白効果が失われることが以前より知られている(K. P. Kreutzer、前述の刊行物、8〜22頁)。
【0010】
DE−A19727503により、N−ビニルカルボン酸アミド単位を有する結合剤を含有する紙塗工材料が公知である。しかし、添加剤による蛍光増白剤の活性化については記載されていない。
【0011】
本発明の課題は、より良い特性を備えた紙塗工材料、又は塗工された紙を改善する塗工材料を得ることである。
【0012】
このような紙塗工材料は、N−ビニルホルムアミド(式I)を重合により組み込んで含有しているポリマー又はコポリマーを添加剤として含有しているというより良い特性を有することが判明した。
【0013】
【化1】
【0014】
本発明によれば、N−ビニルホルムアミドからなるポリマー又はコポリマー(以下、(コ)ポリマーと呼ぶ)、ならびにN−ビニルホルムアミドに加えてさらにアニオン性、カチオン性及び/又は非イオン性のモノマーを重合により組み込んで含有しているポリマー又はコポリマーを、添加剤(コバインダー)として使用することができる。さらに、これらのポリマーまはたコポリマーを、本発明による紙塗工材料で使用する前に分解してよく、この分解では、カルボン酸基(ホルミル基)が部分的に分解する。
【0015】
意外にも、ビニルホルムアミドの水溶性のコポリマーを添加することによって、紙塗工材料中の蛍光増白剤が著しく強く活性化される。しかし、K. P. Kreutzer、前述の刊行物、8〜22頁の記載に反して、ビニルホルムアミドのカチオン性のコポリマーが、蛍光増白剤のキャリアに同様に適していて、かつ蛍光増白剤の効果を、非イオン性のポリビニルホルムアミドよりもさらに強く強化さえすることはさらに驚くべきことでありかつまったく予期しないかったことである。本発明によるビニルホルムアミドの(コ)ポリマーによる紙塗工材料中の白色体質顔料の活性化は、これに関する別のコバインダーの効果よりも極めて強い。紙塗工材料に組み込まれた(コ)ポリマーは、それらの増白剤活性作用に加えて、塗工された紙の乾燥紙むけ強度及び湿潤紙むけ強度を高める特性も有しており、この特性は、別のコバインダーよりも強い。さらに、驚くべきことに、本発明による塗工材料によって加工された紙は、従来の技術によるコバインダーを含有している塗工材料を使用した紙よりも高い印刷光沢を有している。
【0016】
本発明による塗工材料のために使用しうるN−ビニルホルムアミドのポリマーの製造は、以前より知られている(たとえばEP−B1 71050参照(US4421602に対応))。
【0017】
本発明にによれば、N−ビニルホルムアミドを重合により組み込んで含有しているカチオン性のコポリマーも使用することができる。
【0018】
N−ビニルホルムアミドと、水溶性の塩基性のモノマー、たとえばN−トリアルキルアンモニウムアルキルアクリルアミド、N−トリアルキルアンモニウムアルキルメタクリルアミド及び/又はジアリルジアルキルアンモニウム塩とからなるカチオン性のコポリマーの製造、ならびに排水及びスラッジの処理のための凝集−及び脱水助剤としてのこれらの使用は、EP−B1 464043(US5225088に対応)に記載されている。
【0019】
たとえば、水溶性のカチオン性のモノマーとしては、ジアリルジメチルアンモニウムクロリド、ジアリルジメチルアンモニウムメトスルフェート、N−(2−トリメチルアンモニウム)エチルアクリルアミドメトスルフェート又はN−2−(エチル−ジメチル)アンモニウムエチルメタクリルアミドエトスルフェート又はこれらの混合物を、EP−B1 464043に記載されているようにN−ビニルホルムアミドと共重合させることができ、これにより、本発明による塗工塗料での使用に適したカチオン性のコポリマーが得られる。
【0020】
もちろん、分解したビニルホルムアミド(下記参照)も、本発明による塗工材料のために使用することができ、塗工材料中で、ポリマー中では結合している遊離したアミノ基と、脱離したギ酸とが、ギ酸アンモニウムを形成する。
【0021】
N−ビニルホルムアミドと、たとえばアクリル酸又はメタクリル酸のような3〜8個のC原子を有するモノエチレン性の不飽和カルボン酸及び/又はそのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩又はアンモニウム塩とのコポリマー、及び場合によっては共重合する別のエチレン性の不飽和化合物とのコポリマーの製造、ならびに紙材への添加物としてのこれらのコポリマーの、紙製造時の脱水速度及びろ水性ならびに乾燥−及び湿潤強さを高めるための使用が、DE−A1 4241117(US5630907に対応)により公知であり、さらに、本発明により同様に塗工材料のために使用することができるアニオン性のコポリマーが記載されている。
【0022】
3〜8個のC原子を有するモノエチレン性の不飽和カルボン酸のモノマー、及びこれらのモノマーの水溶性の塩としては、たとえば次のものが挙げられる:アクリル酸、メタクリル酸、ジメチルアクリル酸、エタクリル酸、マレイン酸、シトラコン酸、メチレンマロン酸、アリル酢酸、ビニル酢酸、クロトン酸、フマール酸、メサコン酸及びイタコン酸である。これらのモノマーのグループからは、有利には、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸又はこれらのカルボン酸の混合物、特にアクリル酸とマレイン酸とからなる混合物又はアクリル酸とメタクリル酸とからなる混合物も使用する。これらのモノマー又はこれらの混合物は、遊離カルボン酸の形態で、もしくは部分的又は完全に中和された形態で、共重合で使用することができる。
【0023】
モノマー混合物中での、ビニルホルムアミドの、3〜8個のC原子を有するモノエチレン性の不飽和カルボン酸及び/又はそれらのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩又はアンモニウム塩に対する質量比は100:0〜70:30で変化させることができ、この場合、質量比は100:0〜80:20、しかし、特に100:0〜90:10が有利である。
【0024】
別の水溶性のビニルモノマーを有するN−ビニルホルムアミドの非イオン性のコポリマーも、本発明による紙塗工材料で、蛍光増白剤の効果を強化することができる。このための、別の水溶性のビニルモノマーとしては、たとえばN−ビニルピロリドン及び別のN−ビニルラクタム、たとえばN−ビニルカプロラクタム、ならびにN−ビニル−N−アルキルカルボン酸アミド又はN−ビニルカルボン酸アミド、たとえばN−ビニルアセトアミド、N−ビニル−N−メチルホルムアミド及びN−ビニル−N−メチルアセトアミドが挙げられる。これらの混合物も使用することができる。
【0025】
モノマーとしては、N−ビニルピロリドンが有利である。
【0026】
(コ)ポリマーの組成は、一般には以下の通りである:
N−ビニルホルムアミド:
1〜100質量部、有利には2〜80、特に有利には5〜80
水溶性のカチオン性のモノマー:
0〜10質量部、有利には0.5〜8、特に有利には1〜5
アクリル酸又はメタクリル酸及び/又はこれらの塩又はこれらの混合物:
0〜30質量部、有利には1〜20、特に有利には2〜10:
別の水溶性のビニルモノマー:
0〜90質量部、有利には0.5〜80、特に有利には5〜50
前述の(コ)ポリマーを製造するためのしばしば用いられるが唯一つではない方法は、溶剤又は希釈剤中でのラジカル(共)重合である。
【0027】
このようなモノマーのラジカル(共)重合は、たとえば水溶液中で重合開始剤の存在下で行われ、この重合開始剤は、重合条件下でラジカルに分解する。(共)重合は、広い温度範囲、場合によっては低められた圧力又は高められた圧力下で、通常、100℃までの温度で行うことができる。反応混合物のpH値は、通常、4〜10の範囲に調節する。
【0028】
しかし、この(共)重合は、たとえば溶液重合、沈殿重合、水/油乳化重合又は逆相懸濁重合として当業者にそれ自体公知の別の形式で行うこともできる。有利なのは溶液重合である。
【0029】
この場合、N−ビニルホルムアミドを、ラジカル重合開始剤、たとえば、2,2′−アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2′−アゾビス−(2−アミジノプロパン)−塩酸塩又は4,4′−アゾビス−(4′シアノ−ペンタン酸)のような分解してラジカルとなるアゾ化合物を使用して(共)重合する。
【0030】
上記の化合物は、たいていは水溶液の形態で使用し、この場合、下限濃度は(共)重合中に保持可能な水量によって、上限濃度はその化合物の水溶性によって決定する。一般に、濃度は、溶液に対して0.1〜30質量%、有利には0.5〜20質量%、特に有利には1.0〜10質量%である。
【0031】
開始剤の量は、一般に、(共)重合すべきモノマーに対して0.1〜10質量%、有利には0.5〜5質量%である。(共)重合において、複数の様々な開始剤を使用することもできる。
【0032】
溶剤又は希釈剤としては、たとえば水、アルコール、たとえばメタノール、エタノール、n−又はイソプロパノール、n−又はイソブタノール、又はケトン、たとえばアセトン、エチルメチルケトン、ジエチルケトン又はイソブチルメチルケトンを使用することができる。
【0033】
場合によっては、(共)重合は、重合調節剤、たとえばヒドロキシルアンモニウム塩、塩素化炭化水素及びチオ化合物、たとえばt−ブチルメルカプタン、チオグリコール酸エチルアクリルエーテル、メルカプトエチノール、メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ドデシルメルカプタン、t−ドデシルメルカプタン又はアルカリ金属次亜リン酸塩の存在下で行う。(共)重合時には、これらの制御剤を、たとえば(共)重合すべきモノマー100質量部に対して0〜0.8質量部の量で使用することができ、これにより、生成する(コ)ポリマーの分子量が低下する。
【0034】
乳化重合においては、イオン性及び/又は非イオン性の乳化剤及び/又は保護コロイドもしくは安定剤を、界面活性の化合物として使用する。
【0035】
重合条件に応じて、(共)重合で様々な分子量の(コ)ポリマーが得られ、この分子量は、EP−B1 71050及び以下に示すように、FikentscherによるK値(0.5質量%の食塩水溶液中で25℃で測定)を用いて表す。大きなK値、たとえば80よりも大きな値を有する(コ)ポリマーは、有利には、N−ビニルホルムアミドを水中で(共)重合することによって製造する。さらに、大きなK値及び大きな分子量を有する(コ)ポリマーは、たとえば、逆相懸濁重合の形態でのモノマーの(共)重合によって、又は水/油重合の方法に基づくモノマーの(共)重合によって得られる。
【0036】
逆相懸濁重合及び水/油重合の方法では、油相として飽和炭化水素、たとえばヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、デカリン又は芳香族炭化水素、たとえばベンゼン、トルエン、キシレン、クメンを使用する。水相に対する油相の比は、逆相懸濁重合では、たとえば10:1〜1:10である。
【0037】
小さなK値、たとえば80より小さな値を有する(コ)ポリマーは、重合制御剤の存在下で、又は(共)重合を制御する溶剤、たとえばメタノール、エタノールn−又はイソプロパノールのようなアルコール、アセトン、エチルメチルケトン、ジエチルケトン又はイソブチルメチルケトンのようなケトン中で(共)重合を行う場合に得られる。
【0038】
小さな分子量を有するK値及び相応に低いK値は、さらに、通常の方法によって、つまりより多い量の重合開始剤の使用又は重合制御剤の使用によって、又はこれらの方法を組み合わせることによって得られる。
【0039】
本発明により使用可能な(コ)ポリマーの分子量は、限定されていないが、塗工材料が高すぎる粘性を有することのないように過度に高くないことが望ましい。有利には、10〜80のK値を有する(コ)ポリマーが有利であり、この場合、30〜70のK値が特に有利である。ビニルホルムアミドを含有する(コ)ポリマーは、本発明によれば、部分的に又は完全に分解した形態及び分解していない形態で使用することができる。有利には、加水分解度が0〜30%、特に有利には0〜20%、さらにとりわけ有利には0〜10%である。この場合、ホルミル基の分解の方法は限定されておらず、たとえば酸又は塩基の存在下で行うことができ、塩基、たとえば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アルカリ土類金属、アンモニア又はアミンの存在下での分解が有利である。この場合、たとえば(メタ)アクリル酸及びビニルホルムアミドを重合により組み込まれた形態で含有するコポリマーが部分的に加水分解することによって、両性(コ)ポリマーが生成する。
【0040】
しかし、ビニルホルムアミドのカチオン性のコポリマーは、EP−B1 71050に記載されているように、規定された酸又は塩基の量でビニルホルムアミドの単独ポリマーを加水分解して所望の加水分解度に分解することによって特に簡単に得られる。この時に重合鎖で生じるアミノ基は、溶液のpH値に応じて多かれ少なかれプロトン化されており、これによって、アミノ基がポリマーに多かれ少なかれカチオン性の性質を付与する。
【0041】
ホルミル基の脱離を得たい場合には、この脱離は水中で行うことができる。
【0042】
加水分解でのホルミル基の脱離は、20〜200℃、有利には40〜180℃の範囲の温度で、場合によっては酸又は塩基の存在下で行う。加水分解は、有利には、70〜90℃の温度領域で行う。
【0043】
ポリN−ビニルホルムアミド中のホルミル基1等量につき、酸による加水分解のためには、約0.05から1.5等量の酸、たとえば塩酸、臭化水素酸、リン酸、硫酸が必要である。酸による加水分解の場合のpH値は2〜0、有利には1〜0の領域にある。この加水分解は、別のN−ビニルカルボン酸アミド、たとえばN−メチル−N−ビニルホルムアミドの(コ)ポリマーの加水分解よりも極めて迅速に進み、したがって、緩和な条件下で、つまりより低い温度でかつ酸の過剰が大きくない状態で行うことができる。
【0044】
さらに、ポリN−ビニルホルムアミドのホルミル基の加水分解は、アルカリ溶媒中でも、たとえば11〜14のpH範囲で行うことができる。このpH値は、有利には、苛性ソーダ溶液又は苛性カリ溶液を添加することによって調節する。しかし、アンモニア、アミン及び/又はアルカリ土類金属塩基を使用することも可能である。アルカリによる加水分解のためには、0.05〜1.5、有利には0.4〜1.0等量の塩基を使用する。
【0045】
分解は、たとえば100℃より高い、有利には120〜180℃、特に有利には140〜160℃の高温で、溶媒、たとえば水の存在下で、酸又は塩基なしでも行うこともできる。有利には、これを、臨界点を越えた条件で、たとえば超臨界水によって行う。
【0046】
加水分解で、つまりホルミル基が水中で酸又は塩基の存在下で、ポリN−ビニルホルムアミドから脱離する。副生成物としては、ギ酸もしくはギ酸の塩が得られる。
【0047】
この場合に得られた溶液は、後続処理をすることなく使用できるが、加水分解−もしくは加溶媒分解生成物は分離してもよい。
【0048】
この分離のためには、得られた溶液を、たとえばイオン交換剤によって処理する。したがって、加水分解産物から分離した残滓を、塗工材料に組み込むことができる。
【0049】
本発明による紙塗工材料に添加するビニルホルムアミドの(コ)ポリマーの量は、塗工材料の増白剤の量に応じて調整する。
【0050】
通常、100質量部の顔料につき0.2〜2質量部の蛍光増白剤を塗工材料に加える。(コ)ポリマーについては、通常、蛍光増白剤と同量から5倍の量まで、つまり、0.2〜10質量部、有利には0.5〜8、特に有利には1〜5質量部を紙塗工材料に添加する。
【0051】
本発明による紙塗工材料は、有利には、少なくとも1種の蛍光増白剤を有している。
【0052】
本発明による塗工材料の処理は、従来の技術に基づく塗工塗料の処理とまったく同様に、たとえば「The Essential Guide to Aqueous Coating of Paper and Board」、T. W. R. Dean(編)、Paper Industry Technical Association(PITA)発行、1997、又は「Ratgeber fuer die Verwendung von BASF−Erzeugnissen in der Papier− und Kartonstreicherei」、BASF Aktiengesellschaft、D−6700 Ludwigshafen、ドイツ連邦共和国、B376d、09.77に基づいて行う。
【0053】
本発明による添加剤の他に、本発明による紙塗工材料は、さらに少なくとも1種の白色顔料及び少なくとも1種の結合剤を有している。
【0054】
紙塗工材料は、当業者に公知のさらに別の成分を含有していてよい。たとえばレベリング助剤、顔料のための湿潤助剤などが挙げられる。
【0055】
本発明による塗工材料に関連して使用することができる蛍光増白剤は限定されていない。6つまでのスルホン酸基に置換された市販のスチルベン誘導体、たとえばBayer AG社のBlankophor(R) PSG、又はその誘導体、又は4,4′−ジスチリルビフェニル誘導体を使用することができる。
【0056】
本発明による塗工材料で使用可能な顔料は、同様に限定されていない。たとえば、サチンホワイト(カルシウムスルホアルミネート)、粉末の又は沈殿(沈降)した形態の炭酸カルシウム、粉末の又は沈殿した形態の硫酸バリウム、カオリン(クレー)、か焼クレー、タルク、ケイ酸塩、チョーク又は塗工クレー又は有機顔料、たとえば粒子の形態のプラスチックを使用することができる。
【0057】
本発明による塗工材料で使用可能なバインダー((コ)ポリマーの結合剤)も、同様に限定されていない。たとえば、カゼイン、でんぷん、大豆タンパク質、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸塩及び/又はポリビニルアルコール、又はアクリル酸、アクリル酸エステル、酢酸ビニル及び/又はスチレンを重合により組み込んで含有している分散液、たとえば、アクリルエステル/スチレン、スチレン/ブタジエン又は酢酸ビニルからなる(コ)ポリマーを使用することができる。紙塗工材料は、さらに、たとえば分散剤を有していてよい。適当な分散剤は、たとえばポリリン酸又はポリアクリル酸(高分子塩)のポリアニオンであり、これらを、通常、顔料量に対して0.1〜3質量%の量で含有している。
【0058】
紙塗工材料を製造するためには、成分を公知のように混合し、この場合、(コ)ポリマーは一般に、分散液、懸濁液又は溶液の形態で使用する。
【0059】
紙塗工材料中の水の含有量は、通常、紙塗工材料全体(水を含む)に対して25〜75質量%に調節する。
【0060】
紙塗工材料は、通常の方法で、塗工すべき紙の上に塗布することができる(Ulmann’s Encyclopaedie der Technischen Chemie、4.Auflage、Bd.17、603頁以下参照)。
【0061】
さらに、場合によっては増粘剤を添加することができる。増粘剤としては、ラジカル(共)重合した(コ)ポリマーの他に、通常の有機及び無機増粘剤、たとえばヒドロキシメチルセルロース又はベントナイトが挙げられる。
【0062】
紙塗工材料は、たいてい、水を含んだ紙塗工材料である。水含有量は、所望の粘度又はレベリング特性に応じて調節することができる。
【0063】
この紙塗工材料を製造するためには、成分を公知の形式で混合することができる。本発明による紙塗工材料は、たとえば、紙又は厚紙の塗工に適している。紙塗工材料は、通常の方法によって塗工すべき紙又は厚紙上に塗布することができる。
【0064】
本発明による紙塗工材料によって塗工された紙又は厚紙は、通常の方法で、たとえばオフセット−、凸版−又は凹版印刷法によって印刷することができる。
【0065】
以下の実施例により、本発明による紙塗工材料の特性を説明するが、それらの塗工材料に限定されることはない。
【0066】
以下の説明中の「部」とは、別の記載がない限り「質量部」であると理解されたい。
【0067】
実施例1:
次の組成を有する塗工材料を製造した:
炭酸カルシウム(Hydrocarb(R) 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタジエンラテックス(Styronal(R) D610、BASF Aktiengesellschaft) 8部
蛍光増白剤(Blankophor(R) PSG、Bayer AG) 0.5部
ならびにコバインダーとして:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
もしくは
K値51を有するかつ表1に示す加水分解度を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 0.5部
塗工塗料を68.1質量%の固体含有量で、面積重量70g/m2の木材不含の紙上に16g/m2の塗工重量まで塗布し、その後カレンダリングする。
【0068】
紙の増白剤は、DIN53145、第2部に基づいて測定した。
【0069】
紙のCIE白色度は、ISO2469に基づいて測定した。
【0070】
Lorilleux−Farbe 3808を使用して85m/sでIGTにより乾燥紙むけ強度を測定した際の色濃度は、Gretag濃度計によって検出した。
【0071】
Lorilleux−Farbe 3804を使用して35m/sでテストベンチ試験機によって湿潤紙むけ強度を測定した際の色濃度は、Gretag濃度計によって検出した。
【0072】
さらに、Lehmann 75°により紙の印刷光沢を測定した。
【0073】
塗工された紙の試験の結果は、表1に示す通りである。
【0074】
【表1】
【0075】
本発明によるポリビニルホルムアミド(PVFA)を含有している塗工材料は、従来の技術によってカルボキシメチルセルロースをコバインダーとして含有している塗工材料よりも、より強い光学的な明るさ及びより高いCIEに基づく白色度を有する。さらに、所定の分解度に加水分解してそれによりカチオン性になっているポリビニルホルムアミドが、非イオン性のPVFAより高い明るさ及びCIE白色度をもたらすことが明らかである。さらに、ポリビニルホルムアミドを含有する塗工材料は、乾燥紙むけ強度及び湿潤紙むけ強度において、CMCをコバインダーとして含有する塗工材料よりも著しく良好な特性を有している。最後に、本発明による塗工材料によって、著しく高い印刷光沢が得られる。
【0076】
実施例2:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0077】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタンジエンラテックス(Styronal(R) D615、BASF Aktiengesellschaft) 8部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
コバインダーとして使用:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
ポリビニルアルコール(Mowiol(R) 6−98、Clariant Aktiengesellschaft) 0.5部
もしくは
K値45を有するかつ加水分解度5%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 0.5及び1.0部
この塗工材料は、実施例1に記したように処理した。
【0078】
カレンダリングされた紙の明るさと白色度、及び印刷光沢は、実施例1で述べたように測定した。
【0079】
試験結果を表2に示す。
【0080】
【表2】
【0081】
表2から、本発明によるポリビニルホルムアミドを含有している塗工材料は、別のコバインダーを含有している塗工材料より高い白色度及び強い印刷光沢を有することが明らかである。
【0082】
実施例3:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0083】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタンジエンラテックス(Styronal PR 8736、BASF Aktiengesellschaft) 8部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
コバインダーとして使用:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 1.0部
もしくは
アクリレートベースのコポリマー(Acrosol(R) C50L、BASF Aktiengesellschaft) 1.0部
もしくは
K値50を有するかつ加水分解度1%もしくは5%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 1.0部
この塗工材料は、実施例1で記したように処理した。
【0084】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度、ならびに乾燥紙むけ強度及び湿潤紙むけ強度は、実施例1で述べたように測定した。
【0085】
試験結果を、表3に示す。
【0086】
【表3】
【0087】
表3に示した結果より、上記の添加剤を使用して製造された本発明による塗工材料を使用した場合には、従来の技術に基づくコバインダーを含有する塗工材料を使用した場合よりも高い白色度及び大きな強度を有する紙が得られることが明らかである。
【0088】
実施例4:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0089】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレン−アクリレート−ラテックス(Acronal(R) S360D、BASF Aktiengesellschaft) 10部
すべての試料のためのコバインダーとしてのカルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
付加的なコバインダーとして使用:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
もしくは
K値69を有するかつ加水分解度1%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 0.5部
この塗工材料は、実施例1で述べたように処理した。
【0090】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度、ならびにその乾燥−及び湿潤紙むけ強度は、実施例1のように測定した。
【0091】
試験結果を表4に示す。
【0092】
【表4】
【0093】
表4の結果は、本発明による塗工材料が、従来のコバインダーをすでに含有していても改善されることを示しており、新しい添加剤を添加することによって、塗工された紙の品質は、すでに塗工材料中に存在するコバインダーを同量添加した場合よりも著しく向上する。
【0094】
実施例5:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0095】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタンジエンラテックス(Styronal LD 615、BASF Aktiengesellschaft) 10〜12部(表5参照)
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
Sterocoll(R) FDを表5に示したように添加した。
【0096】
コバインダーとして使用:
酸化分解でんぷん(Emox(R) TSC、Emsland−Staerke GmbH) 2.0部
もしくは
酸化分解でんぷん(Emox TSC、Emsland−Staerke GmbH) 2.0部
もしくは
K値69を有するかつ加水分解度(HG)1%もしくは5%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 0.5部
この塗工材料は、実施例1で述べたように処理した。
【0097】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度、及びこれらの湿潤紙むけ強度は、実施例1で述べたように測定した。
【0098】
耐ブリスタリング性は、両面に塗工された紙を加熱したオイル(240℃)内に浸けることによって測定した。気泡の形成は、段階1(気泡なし)から6(極めて多数の気泡)によって評価した。
【0099】
試験結果を表5に示す。
【0100】
【表5】
【0101】
表5から、分解でんぷんは紙の白色度を同様に高めはするものの、この点では極めてより少ない量のポリビニルホルムアミドの効果には達しないことが分る。さらに、コバインダーとしてポリビニルホルムアミドを使用して製造された紙は、同等からより大きな湿潤紙むけ強度では、でんぷんを使用して製造された紙よりもブリスターを形成する傾向が極めて小さくなっていることが明らかである。
【0102】
実施例6:
次の組成で塗工材料を製造した。
【0103】
炭酸カルシウム(Hydrocarb 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレンブタンジエンラテックス(Styronal D 610、BASF Aktiengesellschaft) 8部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
コバインダーとして使用:
カルボキシメチルセルロース(CMC 7L2T、Hercules GmbH) 0.5部
もしくは
比80:20で、ビニルホルムアミド及びアクリル酸(VFA/AS)からなる、K値38を有するコポリマー 0.5部
もしくは
比90:10で、ビニルホルムアミド及びアクリル酸(VFA/AS)からなる、K値43を有するコポリマー 0.5部
この塗工材料は、実施例1で述べたように処理した。
【0104】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度は、実施例1で述べたように測定した。
【0105】
試験結果を表6に示す。
【0106】
【表6】
【0107】
これらの試験は、アニオン性のポリビニルホルムアミドを添加することによっても、従来の技術によるコバインダーを含有している塗工材料より高い白色度の紙が得られることを示している。
【0108】
実施例7:
次の組成を有する塗工材料を製造した。
【0109】
炭酸カルシウム(Omyalite(R) 90、Pluess−Staufer AG) 70部
カオリン(Amazon 88、Kaolin International) 30部
スチレン−アクリレート−ラテックス(Acronal S 305 D、BASF Aktiengesellschaft) 10部
蛍光増白剤(Blankophor PSG、Bayer AG) 0.5部
コバインダーとして使用:
ポリビニルアルコール(Polyviol(R) LL 603、Wacker−Chemie GmbH) 2.0部
もしくは
酸化分解でんぷん(Emox TSC、Emsland−Staerke GmbH) 3.5部
もしくは
K値32を有するかつ加水分解度0%、1%及び5%を有するポリビニルホルムアミド(PVFA) 2.0部
この塗工材料を、実施例1で述べたように処理した。
【0110】
カレンダリングされた紙の明るさ及び白色度、ならびにこれらの乾燥−及び湿潤紙むけ強度を、実施例1で述べたように測定した。
【0111】
試験結果を表7に示す。
【0112】
【表7】
【0113】
表7は、より低い分子量(K値)を有する非イオン性及びカチオン性のポリビニルホルムアミドを塗工材料に添加することによって、従来の技術によるコバインダーを添加するより高い光学的な明るさを有する紙を得ることができることを示している。
Claims (10)
- N−ビニルホルムアミドを重合により組み込んで含有しているポリマー又はコポリマーを、添加剤として含有する紙塗工材料。
- 付加的に、少なくとも1種の水溶性のカチオン性のモノマーを重合により組み込んで含有している、請求項1記載の紙塗工材料。
- 付加的に、アクリル酸又はメタクリル酸及び/又はこれらの塩又はこれらの混合物を、重合により組み込んで含有している、請求項1又は2記載の紙塗工材料。
- 付加的に、N−ビニルピロリドンを重合により組み込んで含有している、請求項1から3までのいずれか1項記載の紙塗工材料。
- 付加的に、少なくとも1種の別の水溶性のビニルモノマーを重合により組み込んで含有している、請求項1から4までのいずれか1項記載の紙塗工材料。
- ポリマー又はコポリマーに重合により組み込まれて含有されているN−ビニルホルムアミドが、部分的に分解されている、請求項1から5までのいずれか1項記載の紙塗工材料。
- N−ビニルホルムアミドを重合により組み込んで含有しているポリマー又はコポリマーの、紙塗工材料中の添加剤としての使用。
- 前記コポリマーに、アクリル酸又はメタクリル酸及び/又はこれらの塩又はこれらの混合物が、重合により組み込まれて含有されている、請求項7記載の使用。
- 請求項1から6までのいずれか1項記載の紙塗工材料の1つを塗工した紙。
- 請求項9記載の紙の、印刷法での使用。
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