NO165484B - Innretning og fremgangsmaate for papirbelegging. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en innretning for, og en fremgangsmåte for, påføring av en beleggingssammensetning innbefattende et partikkelformig, uorganisk pigment og et klebemiddel i et vandig medium på overflaten av et celluloseholdig arkformig materiale, såsom papir eller papp. Nærmere bestemt, men ikke utelukkende, vedrører oppfinnelsen fremstilling av det man betegner som belagte papir av svært lav vekt, dvs. papir belagt med ikke mer enn 9 g av tørr beleggingssammensetning pr. m<2> papiroverflate pr. side av papiret.

Uorganiske pigmenter som er funnet mest egnet for innbefat-ning i beleggingssammensetninger for fremstilling av belagte papir av svært lav vekt er mineraler av silikattypen med lagdelt gitter, av denne typen er kaolinleire mest anvendt, men beleggingssammensetninger kan også innbefatte andre silikatmaterialer med lagdelt gitter såsom talk. Disse silikatmaterialene med lagdelt gitter krystalliseres generelt i form av flate plater som lett kan spaltes langs et plan parallelt med overflaten av platene. Dersom belegget som påføres på overflaten av et lag av celluloseholdig materiale er av lav vekt, følger det at tykkelsen av det tørre belegget vil være liten. Det er funnet at dersom et belegg skal ha god opasitet, glans og egenskaper for trykking, bør partiklene i silikatmaterialet med lagdelt gitter i beleggsammen-setningen generelt ha høyt aspektforhold, med andre ord bør forholdet mellom lengste dimensjonen målt på tvers av overflaten av partikkelen og tykkelsen av partikkelen være stor, og partiklene bør generelt være orientert med planet av platene parallelt med overflaten av det celluloseformige materialet. Silikatmaterialer med lagdelte gitter eksisterer generelt i form av partikler som består av stabler eller sammenhopninger av plateliknende krystaller og aspektfor-holdet for partiklene i et slikt mineral kan forøkes ved å kløyve platene fra hverandre slik at det tilveiebringes et partikkelformig materiale som hovedsakelig består av individuelle plater.

Beleggingspreparater for papir som inneholder en høy andel av partikler med høyt aspektforhold har imidlertid den ulempen at de reologiske egenskapene generelt er dårlige, dvs. et papirbeleggingspreparat som inneholder en høy vektprosent av slike partikler vil være svært viskøst og vise reologisk dilatans, d<y>s. viskositeten for sammensetningen øker med omfanget av skjærbelastning som påføres på sammensetningen. En måte å overvinne denne ulempen på er å redusere vektprosenten partikkelformig silikatmateriale i papirbeleggingssam-mensetningen, men dette ville innføre andre ulemper, f.eks.: 1. kostnaden forbundet med tørking av det belagte materialet ville øke fordi mengden vann som skal fordampes pr. vektenhet pigment påført er forøket; 2. det vandige mediet vil migrere raskt inn i det celluloseformige lagmaterialet og etterlate platepartiklene immobilisert i en orientering som kan adskille seg sterkt fra den optimale orienteringen hvor planet av platene er parallelt med overflaten av det celluloseformige materialet; og 3. partiklene ville vise en tendens til å falle sammen i tilfeldig orientering i relativt store hull eller åpninger mellom fibrer i det celluloseformige lagmaterialet med det resultatet at den øvre overflaten av belegget etter tørking ikke vil være tilstrekkelig glatt til å motta et godt avtrykk ved trykking.

Det er derfor ønskelig å anvende en beleggingssammensetning som inneholder den høyest mulig vektprosenten av partikkelformig silikatmateriale med høyt aspektforhold for å fremstille et belagt papir av meget lav vekt.

En meget anvendt fremgangsmåte for belegging av baner av celluloseformig materiale anvender en apparatur som innbefatter et stålblad med fjær som ved bruk strekker seg på tvers av banen av celluloseformig materiale som skal belegges og føres til kontakt med banen, banen føres generelt på en svakt elastisk krummet overflate, såsom en rull belagt med et elastomert materiale. Bladet danner generelt en spiss vinkel med tangenten til den krummede bæreroverflaten langs kontaktlinjen for bladet med overflaten og befinner seg i en bakenforliggende posisjon med hensyn til bevegelsesretningen for banen. Av innlysende grunner er et slik blad kjent som et "slepeblad" og en apparatur som anvender et slikt blad er generelt kjent som en "papirbeleggingsapparatur med slepeblad". I en fremgangsmåte for belegging av celluloseformig materiale ved anvendelse av en papirbeleggingsapparatur med slepeblad innføres en vandig beleggingssammensetning i en renne hvorav gulv og baksiden utgjøres av bladet og dets bærende struktur, sidene dannes av egnede avsperringskanter, og forsiden av rennen er lukket av banen av celluloseformig materiale på den krummede bæreren. I en annen fremgangsmåte påføres en vandig beleggingssammensetning på banen ovenfor slepebladet ved hjelp av en egnet applikator, såsom en roterende rull eller børste i kontakt med den bevegelige banen eller ved hjelp av spraydyser. I begge fremgangsmåter tjener slepebladet til å fjerne overskudd av beleggingssammensetning og å glatte og nivellere beleggingen. Dersom en beleggingssammensetning, som bæres på en bevegelig bane av celluloseformig materiale og inneholder en høy vektprosent partikler som hovedsakelig har høyt aspektforhold, begrenses til å passere med høy hastighet under et slepeblad, vil belegget plutselig utsettes for betingelser med svært høy skjærbelastning og, som et resultat av de dårlige reologiske egenskapene for beleggingssammensetningen (på grunn av den tilfeldige orienteringen av partikler med høyt aspektforhold) vil det ofte finne sted brå endringer i strømningshastigheten for sammensetningen under bladet og i klaringen mellom bladet og banen med det resultat at belegget påføres ujevnt.

I US-A-3 486 482 beskrives en apparatur for papirbelegging hvor det anvendes et slepeblad og hvor det i tillegg foreligger et andre blad som utgjør en del av beleggings-applikatoren anbragt ovenfor slepebladet. Anvendelsen av de to bladene minimaliserer oppskraping og strekdannelse i den belagte overflaten.

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en innretning for, og en fremgangsmåte for, påføring av en sammensetning som inneholder en relativ høy vektprosent partikler som hovedsakelig har høyt aspektforhold på et celluloseformig lagmateriale i et i det vesentlige glatt og jevnt belegg, selv ved en liten tykkelse.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en papirbeleggingsin-nretning med slepeblad som innbefatter en innretning for å tilveiebringe en elastisk krummet overflate for å understøtte en bevegelig bane av celluloseformig materiale, en applikator for en papirbeleggingssammensetning og et slepeblad som styres mot og til kontakt med den bevegelige banen av celluloseformig materiale ved bruk og som videre omfatter et andre blad montert slik at ved drift av papirbeleggingsinnretningen med slepeblad befinner det andre bladet seg i kontakt med en bane av celluloseformig materiale som skal belegges ved en posisjon som befinner seg ovenfor slepebladet og nedenfor applikatoren for en beleggingssammensetning. Innretningen er kjennetegnet ved at det andre bladet er et fleksibelt blad.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer videre en fremgangsmåte for belegging av en bane av celluloseholdig materiale med en beleggingssammensetning omfattende et partikkelformig pigmentmateriale og et adhesiv i et vandig medium, hvilken fremgangsmåte omfatter påføring av beleggingssammensetningen på overflaten av den bevegelige banen av et celluloseholdig materiale; føring av banen og den påførte beleggingssammensetningen mellom et elastisk støtteelement og et slepeblad hvorav en kant er rettet mot støtteelementet. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at banen og det påførte belegget påvirkes med et fleksibelt blad ved en posisjon som ligger ovenfor slepebladet, for å redusere tykkelsen av den påførte beleggingssammensetningén før den passerer under slepebladet.

Det fleksible bladet som anvendes i apparaturen og fremgangsmåten Ifølge foreliggende oppfinnelse bør være kon-struert og montert slik at når det befinner seg i kontakt med en bane av celluloseformig materiale bøyes den frie kanten tilstrekkelig til å være i det vesentlige tangentielt til banen ved kontaktpunktet. Det fleksible bladet er fortrinnsvis fremstilt av et plastmateriale, såsom polytetrafluoretylen eller poly(vinylklorid), selv om et elastomert materiale, såsom en naturlig eller syntetisk gummi kan benyttes. Det kan også være mulig å anvende et tynt, fleksibelt metallisk materiale. I en utførelse er det fleksible bladet festet, f.eks. ved hjelp av klemmer, langs en kant i en egnet holdeinnretning og den frie kanten er arrangert slik at den kommer i kontakt med banen som bæres på den krummede overflaten i det vesentlige tangentielt. Mer generelt bør det fleksible bladet være montert på en slik måte at det påfører nok trykk til å begrense vekten av våt papirbeleggingssammensetning som får passere under det fleksible bladet til ikke mer enn 10 vekt-$ over den mengden som kreves for å gi den endelige ønskede tørre beleggings-vekten. Fortrinnsvis er det fleksible bladet selv støttet nær holdeinnretningen ved hjelp av et krummet formorgan, f.eks. en elastisk stav, som fordelaktig kan være en lengde av fleksibel, plastomer eller elastomer slange.

Det fleksible bladet er fortrinnsvis montert slik at avstanden mellom kontaktlinjene for det fleksible bladet og slepebladet med banen av det celluloseformige materialet, i drift, er slik at den tiden det tar for et gitt punkt på banen å bevege seg mellom de to kontaktlinjene ved normal driftshastighet for bevegelse av banen ikke er større enn 15 millisekunder. På en industriell papirbeleggingsmaskin som normalt drives ved en hastighet på 1500 m.min-<1> (meter pr. minutt) er f.eks. tiden det tar å bevege seg mellom de to bladene 10 ms (millisekunder) dersom bladene befinner seg 25 cm fra hverandre. I en utførelse av oppfinnelsen er slepebladet og/eller det fleksible bladet bevegelige i forhold til hverandre slik at tiden det tar for et fastsatt punkt på banen å bevege seg mellom de to kontaktlinjene for det fleksible bladet og slepebladet kan justeres.

Det antas at det fleksible bladet av en papirbeleggingsapparatur med slepeblad ifølge oppfinnelsen fungerer ved å påføre beleggingssammensetningén på overflaten av banen en gradvis økende skjærstyrke hvilket forårsaker at partikler, spesielt de som foreligger i form av plater som har et høyt aspektforhold, i beleggingssammensetningén orienterer seg med planet av platene parallelt til overflaten av banen. Som et resultat har beleggingssammensetningén som passerer under slepebladet partiklene fororientert og en langt glattere strøm av beleggingssammensetning under slepebladet er "mulig. Det er derfor mulig å anvende beleggingssammensetninger som inneholder pigmentpartikler med høyt aspektforhold ved en høyere vektprosent pigment I sammensetningen enn med konvensjonelle beleggingsapparaturer med slepeblad. Det er også mulig å øke trykket hvorunder slepebladet styres mot det elastiske støtteelementet, og slepebladtrykk opptil det dobbelte av det som anvendes i konvensjonelle papirbeleg-gingsapparaturer med slepeblad kan benyttes. Som et resultat kan svært tynne belegg som har en beleggingsvekt i området på 2-3 g.m-<2> pr. side oppnås. En ytterligere følge av fororien-teringen av partiklene er at partiklene, hvorav de fleste er orientert med platene parallelt til overflaten av papiret, pakkes tett Inn i, eller danner bro over, eventuelle relativt store huller eller åpninger mellom fibrene av det < celluloseformige materialet, og forblir orientert på grunn av den høye viskositeten av sammensetningen, med det resultat at det kan oppnås et glatt, jevnt belegg som har god opasitet, glans og gode egenskaper ved trykking.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen, og for å vise nærmere hvordan denne kan utføres skal det nå, som eksempel, refereres til de vedlagte tegningene hvori: Fig. 1 skjematisk viser en del av en utførelse av en papirbeleggingsapparatur med slepeblad ifølge oppfinnelsen; og Fig. 2 og 3 viser skjematisk en del av en annen utførelse av en papir beleggingsapparatur med slepeblad ifølge oppfinnelsen.

Med referanse til fig. 1 vises en bane 1 av papir båret på en stålrull 2 som er utstyrt med et overflatelag 3 av et elastomert materiale. Rullen 2 roteres slik at banen beveger seg i retningen vist ved pilen 4. Et fleksibelt blad 5, fremstilt av polytetrafluoretylen, er festet langs en kant til et bærerelement 6 og den frie kanten 7 av bladet står i kontakt med den bevegelige banen, i det vesentlige tangentielt til rullen 2. Langs den kanten av bærerelementet 6 som vender mot rullen er det festet en lengde av polyetylenrør 8, en del av den krummede ytre overflaten av denne støtter og definerer krummingen av det fleksible bladet 5. Et slepeblad 11, fremstilt av tynt fjærstål føres mot banen ved hjelp av innretninger som ikke er vist.

Ved drift innføres en beleggingssammensetning 9, som innbefatter et silikatmineral med laggitter som har partikler av høyt aspektforhold og et klebemiddel I suspensjon i vann, i en renne 10 som er definert av banen 1, det fleksible bladet 5, bærerelementet 6 og to avsperringskanter (ikke vist). Slepebladet 11 tjener til å fjerne overskudd av beleggingssammensetning og å glatte og nivellere belegget. Avstanden "d" mellom kontaktlinjene for det fleksible bladet 5 og slepebladet 11 er 6 cm, hvilket for en bevegelses-hastighet for banen på 400 m.mln--'-, gir en bevegelsestid mellom de to bladene på 9 ms. Dette er en typisk avstand mellom bladene, men mange andre konfigurasjoner er mulige, selv om det er foretrukket at bevegelsestiden for den belagte banen mellom det fleksible bladet og slepebladet ikke overskrider 15 ms.

Med referanse til fig. 2 og 3 er det vist et beleggingshode som er utformet for anvendelse sammen med en papirbeleggingsapparatur med slepeblad i laboratorieskala av typen beskrevet i britisk patent nr. 1.032.536. Beleggingshodet innbefatter to sidevegger 12 og 13 som holdes i den ønskede parallelle relasjonen til hverandre ved hjelp av skrue- og mutter-sammensetninger 14 i stive rørformede mantler 15. Kantene 16 av veggene som vender utover er krummet slik at de samsvarer med omkretsen av rullen 2 (svarende til støtte-rullen 4 vist i fig. 1 av britisk patent nr. 1.032.536) av papirbeleggingsapparaturen med slepeblad i laboratorieskala og er belagt med bånd av poly(tetrafluoretylen) av tykkelse 1,6 mm. Et slepeblad 11 av tynt fjærstål er festet mellom stålkjever 25 festet til en i det vesentlige rektangulær holder 17 som holdes på plass ved hjelp av skruer 18 som føres gjennom hull 19 i sideveggene. Et fleksibelt blad 5 fremstilt av polytetrafluoretylen som har en tykkelse på 1,6 mm er festet i en holder 20 av bøyd form som er svingbart forbundet med sideveggene ved hjelp av en skrue- og muttersammensetning 26 slik at en lengde på 1,6 mm av bladet stikker frem. Vinkelen for holderen 20 kan reguleres ved hjelp av en skrue 21 som er utstyrt med en riflet knott 22, skruen står I kontakt med en gjenget blokk 23 som er festet ved hjelp av en skrue- og muttersammensetning 24. Sideveggene, bladholderne og mantlene 15 er fremstilt fra et materiale betegnet "TUFNOL" som fremstilles ved å impregnere et tekstilmateriale med en fenolformaldehydharpiks. Mantlene 15 er av nylon.

Oppfinnelsen skal beskrives ytterligere ved hjelp av følgende eksempler.

EKSEMPEL 1

Eksempler på et basispapir for dyptrykklng ble belagt med en rotodyp- trykking papirbeleggingssammensetning fremstilt med følgende sammensetning:

Følgende fire pigmenter ble benyttet:

A. En kaolinleire med en partikkelstørrelsesfordeling slik at 6 vekt-% av partiklene hadde en ekvivalent sfærisk diameter større en 10 pm, 40 vekt-$ av partiklene hadde en ekvivalent sfærisk diameter mindre enn 2 pm og 25 vekt-# av partiklene hadde en ekvivalent sfærisk diameter mindre enn 1 pm; B. En kaolinleire som hadde en partikkelstørrelsesfor-deling slik at 4 vekt-$ av partiklene hadde en ekvivalent sfærisk diameter større enn 10 pm, 82 vekt-# av partiklene hadde en ekvivalent sfærisk diameter mindre enn 2 pm og 60 vekt-5^ av partiklene hadde en ekvivalent sfærisk diameter mindre enn 1 pm; C. 90 vekt-% pigment B + 10 vekt-# muskovittglImmer bestående hovedsakelig av partikler med diametre i området fra 5 pm til 50 pm; og D. 70 vekt-# pigment B + 30 vekt-# av det samme glimmeret som ble anvendt i pigment C.

Prøver av basispapiret ble belagt med sammensetninger, inneholdende hvert av de fire pigmentene, ved hjelp av: Type 1. Et konvensjonelt beleggingshode med slepeblad innbefattende et enkelt fjærstålblad; og

Type 2. Et beleggingshode ifølge oppfinnelsen som vist i fig. 2 og 3 innbefattende et slepeblad av tynt fjærstål og et fleksibelt, fororientert blad av polytetrafluoretylen av tykkelse 1,6 mm.

Beleggingshodene ble montert på en "HELI-COATER" papirbeleggingsapparatur i laboratorieskala av typen beskrevet i britisk patent nr. 1.032.536 og trommelen ble rotert ved en slik hastighet at papiret knyttet til trommelen passerte under bladene med en hastighet på 400 m pr. min. Før .belegging ble vektprosenten av totalt tørt faststoff i hver papirbeleggingssammensetning bestemt og viskositeten ble målt ved hjelp av et Brookfield-viskosimeter med en spindelhastighet på 100 opm. Beleggene ble påført på basispapiret slik at man fikk vekter av tørt belegg som varierte i området fra 4 til 11 gm~<2> ved å variere trykket pålagt for å styre beleggingshodet mot trommelen. Hvert belegg ble tørket termisk og glansen av hvert belegg ble målt Ifølge TAPPI-standard nr. T480 ts-65 og dyptrykkingskvaliteten ble undersøkt ved fremgangsmåten beskrevet i artikkelen "Realis-tic paper tests for various printing processes" av A. Swan publisert i "Printing Technology", bind 13, nr. 1, april 1969, s. 9-12 og i britisk patent nr. 2.058.734.

Før undersøkelse ble prøven av belagt papir kalandrert ved et linjetrykk på 89 kg pr. cm i 10 passasjer ved 65'C. For hver kombinasjon av beleggingssammensetning og beleggingshode ble det, ved interpolering, bestemt glans og dyptrykkingskvalitet som svarer til en tørr beleggingsvekt på 7 gm-2. I tilfellet dyptrykkingskvalitet representerer de laveste tallene de beste resultatene. Resultatene som ble oppnådd er angitt i tabell I nedenfor:

Disse resultatene viser at anvendelsen av beleggingsinnretningen ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å anvende sammensetninger med høyere faststoffkonsentrasjon og følgelig redusere mengden vann som må fordampes termisk under tørking av det belagte papiret. En ytterligere fordel med den høyere faststoffkonsentrasjonen og den derav følgende høyere viskositeten er at den tiden hvorunder vann fra sammensetningen trekkes inn i basispapiret reduseres og derfor er det mer sannsynlig at partiklene i sammensetningen opprettholder den orienteringen de har fått ved passasje under det preorienterende fleksible bladet. Det fremgår også fra disse resultatene at anvendelsen av beleggingsinnretningen ifølge oppfinnelsen gir forbedret dyptrykkingskvalitet og, i de fleste tilfeller, forbedret glans. Disse forbedringer blir mer uttalte ettersom andelen av partikler med høyt aspektforhold, dvs. andelen av glimmerpartikler mellom 5 pm og 50 pm økes.

EKSEMPEL 2

Prøver av en bane av offset-trykkepapir ble belagt på papirbeleggingsapparaturen med slepeblad i laboratorieskala ved en papirhastighet på 400 m pr. min. med en sammensetning fremstilt ifølge følgende angivelse:

Pigmentet innbefattet 90 vekt-# av kaolinleire som hadde en partikkelstørrelsesfordeling slik at 1 vekt-St av partiklene hadde en ekvivalent sfærisk diameter større enn 10 pm og 80 vekt-$6 av partiklene hadde en ekvivalent sfærisk diameter mindre enn 2 pm, og 10 vekt-$ av det samme glimmeret som i eksempel 1 ble anvendt.

Pigmentet ble belagt på prøver av papir ved anvendelse av beleggingshodet av både type 1 og type 2 som beskrevet i eksempel 1 ovenfor. I tilfellet med beleggingshode av type 1 ble vann tilsatt til sammensetningen slik at man fikk en viskositet på 1500 mPas målt ved hjelp av Brookfield-viskosimeter ved en spindelhastighet på 100 opm og vektprosenten av samlede tørre faststoffer i sammensetningen ble funnet å være 60$. I tilfellet med beleggingshode av type 2 ble vann tilsatt slik at man fikk en viskositet på 2000 mPas eller en faststoffkonsentrasjon på 63 vekt-$.

Belegg ble påført ved varierende bladtrykk slik at man fikk tørre beleggingsvekter i området fra 3 til 9 gm-<2>. Hver prøve av belagt papir ble tørket termisk og kalandrert ved et linjetrykk på 89 kg pr. cm i 10 passasjer ved 65* C, og glansen ble målt ifølge TAPPI-standard nr. T 480 ts-65. Glansen svarende til en tørr beleggingsvekt på 5 gm-<2> ble funnet ved interpolering i hvert tilfelle. Resultatene som ble oppnådd er angitt i tabell II nedenfor:

Claims (6)

1. Paplrbeleggingsinnretning med slepeblad som innbefatter en innretning (2) for å tilveiebringe en elastisk krummet overflate (3) for å understøtte en bevegelig bane (1) av celluloseformig materiale, en applikator for en papirbeleggingssammensetning (9) og et slepeblad (11) som styres mot og til kontakt med den bevegelige banen av celluloseformig materiale ved bruk, og som videre omfatter et andre blad (5) montert slik at ved drift av papirbeleggingsinnretningen med slepeblad befinner det andre bladet (5) seg i kontakt med en bane av celluloseformig materiale som skal belegges ved en posisjon som befinner seg ovenfor slepebladet og nedenfor applikatoren for en beleggingssammensetning, karakterisert ved at det andre bladet er et fleksibelt blad (5)

2. Paplrbeleggingsinnretning med slepeblad ifølge krav 1, karakterisert ved at det fleksible bladet (5) er fremstilt av et plastmateriale, et elastomert materiale, eller et tynt, fleksibelt metallisk materiale.

3. Paplrbeleggingsinnretning med slepeblad ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at innretningen ytterligere Innbefatter anordninger (21,22,23,24) for bevegelse av slepebladet (11) og det fleksible bladet (5) i forhold til hverandre.

4 . Paplrbeleggingsinnretning med slepeblad ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at det fleksible bladet (5) er fastspent langs en kant ved hjelp av en holdeinnretning (6) og hvor innretningen ytterligere innbefatter et krummet formeorgan (8) for å understøtte det fleksible bladet nær holdeinnretningen.

5. Fremgangsmåte for belegging av en bane (1) av celluloseformig materiale med en beleggingssammensetning (9) innbefattende et partikkelformig pigmentmateriale og et adhesiv i et vandig medium, hvilken fremgangsmåte omfatter påføring av beleggingssammensetningén på overflaten av den bevegelige banen (I) av et celluloseformig materiale; føring av banen og den påførte beleggingssammensetningén mellom et elastisk støtteelement (3) og et slepeblad (11) hvorav en kant er rettet mot støtteelementet, karakterisert ved at banen og det påførte belegget påvirkes med et fleksibelt blad (5) ved en posisjon som ligger ovenfor slepebladet, for å redusere tykkelsen av den påførte beleggingssammensetningén før den passerer under slepebladet (11).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at tiden det tar for et gitt punkt på banen (1) av celluloseformig materiale å bevege seg mellom kontaktlinjen med det fleksible bladet (5) og kontaktlinjen med slepebladet (II) ikke er lenger enn 15 millisekunder.