NO340480B1

NO340480B1 - Primings- og beleggingsprosess

Info

Publication number: NO340480B1
Application number: NO20074852A
Authority: NO
Inventors: Tapani Penttinen; Ali Harlin; Kaj Backfolk; Isto Heiskanen; Kimmo Nevalainen; Minna Peltola
Original assignee: Stora Enso Oyj
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2007-09-24
Publication date: 2017-05-02
Also published as: RU2401354C2; EP1851382A1; ES2515890T3; FI20050225A0; EP1851382B1; FI20050225A; FI123827B; US8309184B2; US20060193994A1; UA88515C2; RU2007131475A; KR101260264B1; NO20074852L; PL1851382T3; CN101128631A; EP1851382A4; WO2006090006A1; CN101128631B; ZA200708178B; US20130059088A1

Description

Oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for å prime et substrat ved å kontakte substratet med en primer fødestrøm fra en primerkilde og avleire primeren på substratet. Oppfinnelsen gjelder også en prosess for belegging av et substrat ved å kontakte substratet med en primer som er matet fra en primerkilde, avleire primeren på substratet og belegge det primede substratet med en beleggingssubstans.

De finnes flere metoder for å forbedre adhesjonen mellom et substrat og dens belegging. Disse metoder kan være overflatebehandling, mekanisk ru-gjøring, fjerning av svake bindelag, minimalisere belastninger, bruke adhesjonsfremmende midler, bruke egnede syre-base interaksjoner, så vel som å tilveiebringe gunstig termodynamikk og anvende fukting. Typiske behandlingsteknikker inkluderer bruken av kjemikalier slik som primere og løsningsmidler, anvendelsen av varme og flammer, mekaniske metoder, plasma, koronabehandling og stråling. Hver teknikk kan ha flere effekter som forbedrer adhesjonen.

En viktig metode for å forbedre adhesjonen mellom et substrat og dens belegging er priming. Priming mener behandlingen av et substrat med en primer. En primer mener et føravsluttende lag som er påført til overflatene som skal males eller bli ferdigbehandlet på annen måte. Se Mc-Graw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, 6. utgave, sider 1668 og 1669.

Typiske primere er adhesive organiske substanser som er løselig i vann og/eller et organisk løsningsmiddel og blir brukt for å behandle substratoverflaten for å forbedre dens adhesjon eller binding til beleggingen. I den etterfølgende tabellen gis typiske primere og egenskaper for deres adhesjon og ytelse.

Tradisjonell priming skjer ved konvensjonelle løsningsapplikasjonsteknikker. Applikasjon av en primer fremmer adhesjon mellom substratet og beleggingen ved å øke den frie energien (fuktingsevne) av overflatene, å indusere kjemisk reaksjon mellom dem og å fjerne bindingssvekkende urenheter fra dem.

Allikevel har tradisjonell priming den ulempen at det er vanskelig å oppnå den korrekte beleggingsvekten som er egnet for den spesifikke primer som skal anvendes. Uniform avleiring er viktig for alle primere. Det er spesielt tilfelle med ujevne overflater og med mindre tilgjengelige punkter som kan vanskelig nås ved konvensjonelle primingsteknikker.

WO 97/35929 Al omhandler en elektrostatisk beleggingsmetode av en polymer primer sammensetning for å danne et belegg på et substrat som kan være papir. Ikke midler for avsetning, og referer generelt til nye sammensetninger som kan brukes i elektrostatisk påføring.

US 3,549,403 viser elektrostatisk dispersjon av en fint dividert polymer, slik som polyetylenpulver på en papiroverflate. Det belagt papiret er så utsatt for varmrullpressing for å danne et adherent filmbelegg som binder seg til papiret.

EP 0482513 A2 beskriver elektrostatisk belegging av et primer belegg sammensetning på et substrat med lav ledningsevne, i prinsippet plastikk selv om papir er så vidt nevnt, Sammensetningen omfatter et bindemiddel og karbonholdige fibre, som for eksempel sylindriske eller hule karbonfibriller, ikke fibre dannet ved elektrostatisk belegging. Tilslutt blir belegget koalesert ved oppvarming.

Disse ulempene har nå blitt overvunnet med en ny fremgangsmåte for å prime et substrat ved å kontakte substratet med en primerfødestrøm fra en primerkilde og ved å avleire primeren på substratet. Den angitte fremgangsmåten er vesentligkarakterisert vedat avleiringen blir utført elektrostatisk. Med avleiring menes påføring av ethvert materiale til et substrat. Med elektrostatisk menes noe som angår elektrisiteten ved hvile slik som en elektrisk ladning, på et objekt. Se McGraw-Hill, Dictionary of Scientific and Technical Terms 6. utgave, s. 707.

Elektrostatiske beleggingsmetoder er kjent fra før. Allikevel har oppfinnerne funnet at disse metodene er spesielt egnet for primingshensikter. Med midler av elektrostatisk belegging kan den korrekte beleggingsvekten som er egnet for enhver bestemt type av primer enkelt bli oppnådd. I tillegg blir mindre tilgjengelige steder på ujevne substratoverflater bekvemt nådd ved de elektrostatiske primingsteknikker. Dermed vil en større del av substratoverflaten inneha forbedret primerindusert adhesjon.

Elektrostatiske beleggingsmetoder kan bli delt inn i tre fremgangsmåter: elektrostatisk sprøyting og elektrospinning, typisk fra løsning under DC-feltet og også som tørrbelegging fra pulvere ved bruk av AC-felter.

I sprøyteprosessen forårsaker et høyspennings elektrisk felt som blir anvendt på overflaten av en væske emisjonen av finladede dråper. Prosessen er styrt ved masse, ladning og momentkonservering. Derfor er det flere parametere som har innflytelse på prosessen. De mest viktige parameterne er de fysikalske egenskaper av én av væsken, strømningshastigheten av væsken, den påførte spenningen, den anvendte geometrien av systemet og den dielektriske styrken av omgivelsesmediet. De vesentlige fysikalske egenskapene av væsken er dens elektriske ledningsevne, overflatespenningen og viskositeten. En elektrosprøytingsinnretning er typisk dannet av en kapillær, trykkdyse, roterende dyse eller forstøver som mater beleggingsvæsken, og en plateoppsamler som fører substratet som skal belegges. En elektrisk potensialforskjell blir forbundet mellom kapillæren og platen.

Potensialforskjellen mellom platen og enden av den kapillæren som leverer beleggingsvæsken, er flere tusen volt, typisk flere dusin av kilovolt. De emitterte dråpene blir ladet og kan bli nøytralisert dersom det er nødvendig, ved forskjellige metoder. Deres størrelse varierer avhengig av de anvendte betingelsene. De mest egnede elektrosprøytingsbetingelser for priming blir diskutert i mer detalj nedenfor.

Elektrospinning akkurat som elektrosprøyting anvender, et høyspennings elektrisk felt. I motsetning til elektrosprøyting som danner solidifiserte dråper, blir faste fibre dannet fra en polymersmelte eller løsning som blir levert gjennom en millimeterskalert dyse. De resulterende fibrene blir oppsamlet på en jordet eller motsatt ladet plate. Med elektrospinning kan fibre bli produsert fra enkle polymerer og også polymerblandinger.

Elektrospinning kan bli brukt for å produsere ultrafine kontinuerlige fibre der diameterne av disse varierer fra nanometer til noen få mikrometer. Den lille diameteren tilveiebringer en liten porestørrelse, høy porøsitet og høyt overflateareal og et høyt lengde til diameter forhold. De resulterende produktene er vanligvis i den ikke-vevde stoff orm en. Denne lille størrelsen og ikke-vevde formen gjør elektrospunnede fibre anvendbare i et flertall av applikasjoner.

I en spinningsprosess påvirker flere parametere de resulterende oppnådde fibrene. Disse parameterne kan bli kategorisert inn i tre hovedtyper som er løsning, prosess og omgivelsesparameter. Løsningsegenskapene inkluderer konsentrasjon, viskositet, overflatespenning, ledningsevne og molekylvekt, molekylvektsfordeling og arkitektur av polymeren. Prosessparameterne er det elektriske feltet, dyse-til-oppsamler avstanden og matingshastigheten. Ambiente egenskaper inkluderer temperatur, fuktighet og lufthastighet i spinningskammeret. De mest egnede elektrospenningsbetingelser for priming blir diskutert i mer detalj nedenfor.

Tørrbelegging er ganske lik til elektrosprøytings- og elektrospinningsprosessene med unntaket av råmaterialet er i pulverform. En av de siste oppfinnelsene er å belegge papir med denne metoden. Papirbelegging med tørrbeleggingsfremgangsmåte er en alternativ metode for den tradisjonelle pigmentbeleggingen. Denne tørre overflatebehandlingen (DST) av papir og kartong kombinerer beleggings- og kalendringsprosessene. I DST-prosessen blir elektrisk ladede pulverpartikler sprøytet på overflaten av papiret eller kartongen. Partiklene danner et lag på overflaten av papiret og fester seg til papiret med elektrostatiske krefter. Den endelige fikseringen som er gjort i et klempunkt mellom oppvarmede ruller, tilveiebringer adhesjon og gjør overflaten glatt.

I det etterfølgende blir de mest viktige tekniske egenskapene av oppfinnelsen anført. Prosessen ifølge kravene gjelder den elektrostatiske primingen av et substrat. Foretrukket er substratet som skal bli primet et fast materiale slik som tre, papir eller et komposittmateriale. En foretrukket type av substrat er cellulose eller tre som inneholder mindre enn 300 g/m<2>av ikke-belagt eller belagt type produsert ved midler av normale våte papirprosesser. Mest foretrukket er det første materialet papir. Med papir menes ethvert filtret elle sammenfiltrert ark som inneholder en vesentlig andel cellulosefibre.

Her refererer "et papir eller kartongsubstrat" til en forløper eller en forløper av eller ferdig papir, kartong eller fiberplate vev eller ark eller produkter derav, slik som rulle, tube, forpakning, beholder, tallerken, holder, brett, etc. I slike substrater inneholder basen et basesjikt som omfatter et cellulosisk vev eller et cellulosisk fibervev hvorved det gitte basesjiktet kan bli tilveiebragt med belegginger slik som polymerbelegging. Disse substratene inkluderer også basispapir for impregnering eller impregnert papir der sluttproduktet kan f.eks. være fenolisk, melaminharpiks og/eller andre polymere impregnerte arkprodukter og sluttprodukter derav. Papir- eller kartongsubstratet av oppfinnelsen kan bli dannet av to eller flere lag eller ark av den samme eller forskjellige materialer prosessert sammen.

Den elektrostatiske avleiringen som anvendes i primingen ifølge kravene, er i henhold til én foretrukket utforming elektrosprøyting. I elektrosprøyting blir primeren foretrukket dispergert inngangs i form av væskedråper i gassfasen. Dråpene kan være enten dråper av smeltet primer eller foretrukket dråper av en løsning av primermateriale i et løsningsmiddel. Typisk er gjennomsnittsdiameteren av væskedråpene mellom 0,02 og 20 um, foretrukket 0,05-2 nm.

Ifølge oppfinnelsen er primingen ifølge kravene med elektrostatisk avleiring elektrospinning. I elektrospinning er minst én andel av primeren i form av fibre som er dispergert i gassfasen. Fibrene kan være dannet enten fra smeltet primer eller foretrukket dråper av en primerløsning i et løsningsmiddel. Når det dannes primerfibre ved elektrospinning er den gjennomsnittelige diameteren av fibrene mellom 0,05 og 5,0 nm, mest foretrukket mellom 0,1 og 0,5 nm.

Den elektrostatiske primingen ifølge kravene kan også være en blanding av elektrosprøyting og elektrospinning, der både faste dråper og faste fibre blir dannet på substratet.

Ved bruk av elektrostatisk avleiring (sprøyting, spinning eller begge) fra løsning er innholdet av primermaterialet i løsningen foretrukket mellom 5 og 50 vekt%, mest foretrukket mellom 20 og 45 vekt%. Løsningen er foretrukket mellom 40 og 400 cP, mest foretrukket mellom 50 og 200 cP. Løsningsmidlet er valgt i henhold til den påførte primeren ved å evaluere også at dens flyktighet må være lav nok for god produktivitet og dens ledningsevne må være egnet for den elektrostatiske prosessen. Foretrukne løsningsmidler er vann og vann/alkoholsystemer.

Som det ble anført ovenfor i forbindelse med den generelle beskrivelsen av oppfinnelsen, kan primermaterialet være en naturlig polymer, en polyalkohol, en organometallisk forbindelse og/eller en syntetisk polymer. Typisk er primermaterialet en syntetisk polymer (homo- eller kopolymer). Ifølge én fordelaktig utforming av oppfinnelsen ifølge kravene er den syntetiske polymeren en akrylisk kopolymer som er mest foretrukket i form av en vandig emulsjon. Den avleirede materialtykkelsen er typisk 0,002-0,05 g/m<2>, foretrukket 0,006-0,02 og mest foretrukket omtrent 0,01 g/m<2>. Ifølge en annen fordelaktig utforming av oppfinnelsen er primeren dietanolaminoetan (DEAE), foretrukket i vandig medium. Deretter er den foretrukne tykkelsen av det avleirede materialet 0,02-0,5 g/m<2>, mer foretrukket 0,06-0,2 og mest foretrukket omtrent 0,1 g/m<2>.

Mest foretrukket inneholder primerløsningen også et additiv for å modifisere morfologien av primerpartiklene på substratet. Et foretrukket additiv er en polymer som er løselig i løsningsmidlet, og kompatibel med primeren som har en tilstrekkelig høy molekylvekt for å stabilisere prosessen. Foretrukket må det polymere additivet være egnet for den elektrostatiske prosessen også. Eksempler av polymerer som er egnet som additiver i den angitte elektrostatiske prosessene er blant annet polyvinylalkohol, polyetylenoksid og akryliske harpikser.

Den elektrostatiske primingen av den foreliggende oppfinnelsen blir foretrukket utført ved midler av en innretning som er egnet for enten elektrosprøyting eller elektrospinning. Den består av et dampkammer med minimalisert interferens i hvilken en konstruksjon som omfatter en metallplate for å støtte substratet og en mateseksjon er arrangert. En spenningskilde er koblet til metallplaten og mateseksjonen. De elektrostatiske kreftene som er uttrykt som spenning delt med avstand mellom substratet og primerkilden opphøyd i annen potens, er i henhold til én utforming mellom 0,02 og 4,0 V/mm<2>, foretrukket mellom 0,2 og 0,5 V/mm<2>. Den elektrostatiske spenningen er foretrukket mellom 10 og 50 kV, mer foretrukket mellom 20 og 40 kV og avstanden mellom primerkilden og substratet er foretrukket mellom 100 og 1000 mm, mer foretrukket mellom 200 og 500 mm.

I tillegg til den ovenfor beskrevne fremgangsmåten for primingen av et substrat elektrostatisk gjelder oppfinnelsen også en prosess for belegging av et substrat ved å kontakte substratet med primerføden fra en primærkilde, avleire primeren på substratet og belegge det primede substratet med en beleggingssubstans. Den gitte avleiringen av primeren på substratet blir utført elektrostatisk.

Den angitte beleggingsprosessen omfatter dermed den gitte elektrostatiske primingen etterfulgt umiddelbart eller senere med en beleggingsprosess. For primingstrinnet gjelder de samme spesifikasjonene som ovenfor, slik at det er ingen grunn for å gjenta dem her. Allikevel, når det beveges fra priming til belegging, er det primede substratet foretrukket flammer eller mest foretrukket koronabehandlet før det blir belagt med beleggingssubstansen.

Typisk er beleggingssubstansen en termoplastisk harpiks. Siden det mest fordelaktige substratet var papir, er en foretrukket kombinasjon belegging av papir med den gitte termoplastiske harpiksen. Den beste termoplastiske harpiksen er en polyolefinharpiks slik som en etylenpolymer (homo- eller kopolymer).

EKSEMPLER

Eksperimentelt

I det etterfølgende blir oppfinnelsen eksemplifisert med noen få eksempler, prosedyrene som er beskrevet nærmere nedenfor. Figurene vil bli referert til som: Fig. 1 som viser en elektrospinningsinnretning ifølge én utforming av oppfinnelsen.

Fig. 2 som viser mateseksjonen av elektrospinningsinnretningen i henhold til fig. 1.

Fig. 3 som viser mateseksjonen og oppsamlingsplaten av elektrospinningsinnretningen i henhold til fig. 1. Fig. 4 som viser en SEM av papir belagt med Pl med en forstørrelse av 3500x, fig. 4A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 4B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 5 som viser en SEM av papir belagt med P2 med en forstørrelse av 750x fig. 5A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 5B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 6 som viser en SEM av papir belagt med P3 med en forstørrelse av 750x fig. 6A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 6B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 7 som viser en SEM av papir belagt med P5 med en forstørrelse av 1500x, fig. 7A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 7B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 8 som viser en SEM av papir belagt med P6 med en forstørrelse av 1500x, fig. 8A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 8B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 9 som viser en SEM av papir belagt med P7 med en forstørrelse av 3500x, fig. 9A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 9B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 10 som viser en SEM av papir belagt med Pl 1 med en forstørrelse av 3500x, fig. 10A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 10B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 11 som viser en SEM av papir belagt med P12 med en forstørrelse av 1500x, fig. 11A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 11B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 12 som viser en SEM av papir belagt med P13 med en forstørrelse av 1500x, fig. 12A med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>, fig. 12B med beleggingsvekten 0,01 g/m<2>. Fig. 13 som viser en PE-film belagt etter en peelingtest, Pl-Pl 3 med koronabehandling. Fig. 14 viser kartong med P3 etter peelingtesten. Fig. 14A uten koronabehandling og fig. 14B med koronabehandling. Fig. 15 viser kartong med P5 etter peelingtesten. Fig. 15A uten koronabehandling og fig. 15B med koronabehandling. Fig. 16 viser kartong med P6 etter peelingtesten og med koronabehandling. Forstørrelsen var 1500x. Fig. 17 viser kartong med P7 etter peelingtesten og uten koronabehandling. Forstørrelsen var 1500x. Fig. 18 viser SEM-bildene etter peelingtesten og uten koronabehandling, ved fig. 18A kartong med Pil, forstørrelse 3500x, ved fig. 18B kartong med P12, forstørrelse 1500x og ved fig. 18C kartong med Pl3, forstørrelse 1500x. Fig. 19 viser en PE-filmbelegging etter peelingtesten uten koronabehandling, P1-P13.

I dette eksperimentelle arbeidet ble priming gjort med en elektrospinningsinnretning som illustrert i fig. 1. Innretning inkluderer et dampkammer, vegger av hvilke bortsett fra rundt sideveggen, er konstruert av metallplate for å minimalisere den eksterne og interne elektriske interferensen. De indre veggoverflatene er belagt med glassfiberkompositt. Den anvendte kraftleveringsenheten er en høyspenningskilde av typen BP 50 Simco. Kraftkilden kan produsere både positiv og negativ 0-50 kV spenning.

Innretningen inkluderer også en fødeseksjon som har en spinner og en nål. Nålen blir festet til spinneren som er laget av glass med luer knutepunkt og kraftkilden er forbundet til det metalliske knutepunktet av nålen. Fødeseksjonen er illustrert i fig. 2.

Som en motelektrode til fødeseksjonen blir en kvadratisk kobberplaste arrangert som har en størrelse av 400 mm x 400 mm x 1 mm. Denne oppsamlingsplaten som støtter substratet, henger på en plastisk stand. Oppsamlingsplaten og fødeseksjonen er illustrert i fig. 3. På fronten av oppsamlingsplaten er det festet substratet som skal bli belagt. Substratet kan være f. eks. en metallfolie eller et papir. I de utførte eksperimentene var substratet papir av kvalitet CTM ionebelagt 225 g/m2 trefri papp av kjemisk masse.

Egnede primere blir utvalgt ved en førtest. Deretter blir disse primerne som kalles PI-PI 3 testet for løsningsviskositeten (Brookfield DV-II+), morfologien (JEOL SEM T-100), overflateenergi (PISARA-utstyr) og adhesjon (Alwetron peelingtest). Effekten av en koronabehandling av det primede papirsubstratet på adhesjon ble også utført.

13 primere, dvs. P1-P13 ble testet. Symbolene Pl-Pl 3 betyr:

Pl karboksymetylcellulose

P2 Alkylketendimer

P3 Polyetylenamin

P4 Polyvinylamin

P5 Polyvinylalkohol

P6 Emulgert akrylkopolymer

P7 Etylenkopolymer

Pil—» Polyvinylalkohol modifisert med etylengrupper

Pl2 Dietanolaminoetan (DEAE)

Pl3 MSA/C2o-C24-olefin

B C20-C24-olefin

C Etylenkopolymer

E Polyvinylamin

G Polyvinylaceton

H —» Dietanolaminoeten (DEAE)

I -» Karbonylmetylcellulose

Resultatene var som følgende.

Resultater og diskusjon

Primerens egnethet til elektrosprøyting eller -spinning

De egnede løsningsinnholdene av primere og prosessparametere ble funnet ved eksperimentering. Flere løsningsinnhold av hver primer ble testet. Alle primere ble sprøytet eller spunnet gjennom en 5 cm lang nål, størrelsen var 18 G.

Primerne P5, P6 og Pl 1 var spesielt egnet uten å anvende morfologimodifiserende additiver i sprøytings-/spinningsløsningen. Primere Pl, P2, P3, P7, P12 og P13 var også spesielt egnet, men de behøvde additiver. Uten additiver dannet de lange dråper og de belagte områdene var veldig små. Med additiver økte det belagte arealet signifikant og dråpestørrelsen avtok.

Produktivitet av elektrosprøyting eller -spinning

Produktivitetene av hver primer er presentert i tabell 2. I tabellen er det presentert også andre egenskaper som er anvendt for å beregne hastigheten av påføringen nemlig den spesifikke vekten av løsningen, primerinnholdet av løsningen og primerforbruket. Også de nødvendige primingstidene for tørre beleggingsvekter 0,1 g/m<2>og 0,01 g/m<2>er presentert i tabellen.

Under forbrukstesten var det enkelt å se hvilken av primerne er egnet for kontinuerlig å fortsette primingen og hvilken ikke, hvis ikke noen endringer blir gjort i løsningen eller prosessen. Primere P2, P3, P6 og Pl3 er ikke egnet for kontinuerlig priming siden de gelerer på slutten av nålen. Isteden er primere Pl, P5, P7, Pl 1 og P12 egnet for kontinuerlig priming.

De nødvendige primingstidene er kun estimert. I produktivitetsmålingen ble det antatt at alle primere blir overført fra nålen til oppsamlingsplaten. Allikevel flyr i praksis noen partikler over platen og noen store dråper kan ikke fly så langt. Under forbruksmålingen var prosessen først raskere og ble deretter langsommere siden løsningsnivået og trykket i nålen ble redusert med tiden. Dermed var forbruksverdiene gjennomsnittsverdier. Beleggingsområdene er definert med øyemål slik at de også er omtrentlige verdier.

Viskositet av primerløsningene og morfologien av de primede kartongene Viskositetene av de anvendte primerløsningene var Brookfield viskositet. Morfologiene av de avleirede primerpartiklene ble målt ved å analysere SEM-bildene. SEM-bildene presentert i dette kapittelet ble tatt tilfeldig. I tillegg til viskositeten og morfologien viser dette kapittelet videre prosessparameter slik som spenningen og arbeidsavstanden mellom substratet og fødekapillæren.

I det følgende blir hver prøve behandlet separat.

Primer Pl

Viskositeten av løsningen var 370 cP. Selv om viskositeten var høy, dannet primer Pl ikke fibre men dråper. Dråpestørrelsen var 0,1-0,3 nm, spenningen og arbeidsavstanden var + 35 kV på 350 mm henholdsvis, og diameteren av det belagte området var 25 cm. Et SEM av laget av Pl er presentert i fig. 4.

Primer P2

Viskositeten av løsningen var 170 cP. Selv om viskositeten var tilstrekkelig høy dannet primeren igjen ikke fibre men dråper. Dråpestørrelsen var 0,5-6 nm, spenningen og arbeidsavstanden var + 30 kV og 450 mm henholdsvis, og diameteren av det belagte området var 25 cm. En SEM av sjiktet av P2 er presentert i fig. 5.

Primer P3

Viskositeten av løsningen var 215 cP. Selv om viskositeten var tilstrekkelig høy dannet primeren også her dråper istedenfor fiber. Dråpene var veldig store og også størrelsesfordelingen var bred. Størrelsen av dråpene var 1,2-17 nm, spenningen og arbeidsavstanden var + 50 kV og 350 mm henholdsvis og diameteren av det belagte området var 20 cm. En SEM av sjiktet av P3 er presentert i fig. 6.

Primer P5

Viskositeten av løsningen var 193 cP. Selv om viskositeten var tilstrekkelig høy, dannet primerne igjen ikke fibre men dråper. Dråpestørrelsen var 0,2-1,5 nm, spenningen og arbeidsavstanden var + 40 kV og 400 mm, og diameteren av det belagte området var 25 cm. Laget av P5 er vist i fig. 7.

Primer P6

Viskositeten av løsningen var ganske lav: 90 cP. Derfor ble det dannet dråper. Dråpestørrelsen var 0,2-5 nm, spenningen og arbeidsavstanden var + 30 kV og 300 mm henholdsvis, og diameteren av det belagte området var 35 cm. Laget av P6 er vist i fig. 8.

Primer P7

Viskositeten av løsningen var 60 cP. Selv om viskositeten var lav, dannet primeren både fibre og dråper. De dannede fibre er sannsynligvis forårsaket av anvendelsen av additivene. Fiberdiameteren var omtrent 0,1 u,m og dråpestørrelsen var 0,5-6 u,m og spenningen og arbeidsavstanden var henholdsvis + 30 kV og 400 mm. Det primerbelagte området var veldig stort. Primeren dannet et belegg på hele området av oppsamlingsplaten. Laget av P7 er presentert i fig. 9.

Primer Pil

Viskositeten av løsningen var 110 cP. Primer 11 dannet kun tynne fibre som inkluderte noen perler. Fiberdiameteren var 0,4-0,1 nm og perlestørrelsen var 0,8-1,4 nm. Spenningen og arbeidsavstanden var + 40 kV og 400 mm henholdsvis, og diameteren av det belagte området var 24 cm. Laget av Pl 1 er vist i fig. 11.

Primer P12

Viskositeten av løsningen var 60 cP. Selv om viskositeten var lav, dannet primeren også fibre ved siden av dråper. Fiberdannelsen er antagelig forårsaket ved bruk av additivene. Dråpestørrelsen var 0,5-3 \ im og fiberdiameteren var 0,1-0,4 nm. Spenningen og arbeidsavstanden var + 20 kV og 300 mm henholdsvis og retningen av det elektriske feltet var fra minus potensial til pluss potensial. Diameteren av det belagte området var 33 cm. Laget av Pl2 er presentert i fig. 12.

Primer P13

Viskositeten av løsningen var 310 cP. Selv om viskositeten var tilstrekkelig høy, dannet primeren dråper istedenfor fibre. Dråpestørrelsen var 0,2-2,5 nm, spenningen og arbeidsavstanden var henholdsvis + 30 kV og 250 mm, og diameteren av det belagte området var 18 cm. Et lag av Pl3 er presentert i fig. 13.

Overflateenergi

De kritiske overflateenergiene av primerne er presentert i diagram 1. Deres overflateenergier blir sammenlignet med overflateenergien av kartongen. Overflateenergiverdiene av alle primere er mindre enn overflateenergien av kartongen. I diagrammet mener prøve K kartong og Pl-Pl 3 primere som ble brukt i de foreløpige testene.

De kritiske overflateenergiene av primet kartong er presentert i diagram 2. De kritiske overflateenergiverdiene av primet kartong er mindre enn overflateenergiverdien av kartongen selv. Overflateenergiverdiene som geometrisk middel er presentert i vedlegg 1.

Overflateenergibestemmelsen ble gjort med tre væsker som er minimumantallet.

Adhesjon av primere og primingsmetoder

Adhesjon ble målt ved å prime papir konvensjonelt (primere B-I) og ifølge oppfinnelsen (primere Pl-Pl 3), ekstruksjonsbelegging med LDPE og til slutt måling av adhesjonskreftene mellom LDPE og papiret. Primere B-I som ble primet til kartongen ved konvensjonell spredning er kjemisk lik til primere Pl-Pl 3 henholdsvis. Når priming ved spredning er den oppnådde primingsvekten høyere sammenlignet med den elektrostatiske metoden (» 0,1 g/m<2>).

Resultatene av adhesjonsmålingen av primere B-I primet ved spredning er presentert i diagram 3. Primere B-I som var påført ved spredning, forbedret ikke signifikant adhesjonen. Kun primer H forbedret adhesjonen dersom ekstrusjonsbelegging blir gjort uten korona behandling.

I diagram 4 blir det presentert adhesjonen av prøvene med primingsvekter som er 0,1 g/m<2>og 0,01 g/m<2>. Priming blir utført med elektrostatiske beleggingsmetoder. Primere

Pl-Pl 3 trenger koronabehandling for å forbedre adhesjonen. Når koronabehandling ikke blir brukt, er adhesjonen null for omtrent alle primere. Primere Pl, P6, Pl 1 og Pl3 særlig med beleggingsvekten 0,01 g/m2 og P12 spesielt med beleggingsvekten 0,1 g/m<2>forbedrer adhesjonen signifikant. Også primer P7 med beleggingsvekt 0,01 g/m2 og primer P2 med beleggingsvekt 0,1 g/m2 er veldig gode adhesjonspromotere.

Referansen i begge diagrammene er PE-belagt kartong med koronabehandling og uten bruk av primer.

Hver primer har en unik beleggingsvekt som gir maksimal adhesjon.

Primerne ble festet til kartongen og PE-filmen når koronabehandlingen ble brukt med ekstruderingsbelegging. Disse fakta er illustrert i fig. 14. Bildet er tatt etter peelingtesten på jodin farget overflate av PE-filmen. Kun primere P3 og P6 med primingsvekten 0,1 g/m<2>har festet seg til PE-filmen kun delvis.

Når koronabehandling ikke blir brukt i ekstruderingsbelegging, fremmer primere ikke adhesjon siden de ikke fester seg til PE-filmen. Fig. 15 viser PE-film etter peelingtesten. Noen av de kjemiske massene er festet til overflaten av PE, men hovedsakelig er den ikke festet til PE uten koronabehandling.

I de følgende figurene er SEM-bildene presentert etter peelingtesten. Disse SEM-bildene har blitt tatt fra kartongsiden. Dermed viser bildene morfologiendringene etter ekstruderingsbelegging når de blir sammenlignet med SEM-bildene som er tatt like etter primingen.

Morfologien av P3 endrer seg ikke dersom koronabehandlingen ikke blir brukt med ekstruderingsbeleggingen. Når koronabehandlingen blir brukt fordelte primeren seg på overflaten av kartongen. Bildet i fig. 16B har blitt tatt ved et punkt som ikke er festet til PE-filmen. Punktene når kartong primet med P3 er festet til PE-filmen ser ut som i fig. 14.

Kartongen med primer P5 har også blitt festet delvis til PE-filmen. Bildet i fig. 17B ble tatt ved et punkt, der kartongen ikke er festet til PE. Morfologien av primer P5 endrer seg ikke signifikant under ekstruderingsbeleggingen til tross for anvendelsen av koronabehandling.

Morfologien av primet P6 endret seg under ekstruderingsbeleggingen dersom koronabehandlingen ble brukt. P6 sprer seg på overflaten av kartongen. Fig. 18 har blitt tatt ved et punkt, der det er ingen festing til PE. Sannsynligvis er primingvekt 0,1 g/m<2>for høy siden kartongen med P6 ikke er festet godt nok til PE.

Morfologi av P7 endrer ekstruderingsbeleggingen signifikant. Fibere er festet til overflaten av kartongen, sprer seg noe og absorberer sannsynligvis (fig. 19). Istedenfor er morfologien av P8 ikke signifikant endret i ekstruderingsbeleggingen (fig. 20).

Morfologien avPll,P12ogP13 har endret seg signifikant under ekstruderingsprosessen (fig. 21). Alle av disse primerne er festet til overflaten av kartongen, primerne har spredt seg og er sannsynligvis absorbert på overflaten av kartongen.

Morfologien endrer seg under ekstruderingsprosessen avhengig av primeren. Den eneste forbindende sak med primere som er allerede bevist i piltestene, er at koronabehandling i ekstruderingsprosessen forbedrer adhesjon signifikant.

Konklusjoner

Dette arbeidet beviser at elektrostatiske beleggingsmetoder er egnet for priming. Forbedring i adhesjon blir oppnådd sammenlignet til konvensjonell priming ved spredning. Lavere primingsvekter gir enda bedre adhesjon enn høyere primingsvekter. Allikevel skulle primere foretrukket være koronabehandlet i ekstruderingsbelegging når beleggingspapir blir belagt med polyetylen. Adhesjonsresultatene viser at hver primer har en spesifikk primingsvekt som gir en maksimal adhesjon.

Korrelasjonen mellom overflateenergiverdiene og adhesjonen er presentert i diagrammene 5-7. Fra disse diagrammene kan det bli sett at lav polaritet forbedrer adhesjon. I diagram 8 blir det presentert partikkelstørrelsesfordeling av hvert primersjikt. På basis av det ovenfor stående påvirker partikkelstørrelsene adhesjonen. Dermed har primer Pl2 eksellente adhesjonsegenskaper siden den har en lav proporsjonal polaritet og små partikkelstørrelse. Sannsynligvis er effekten av partikkelstørrelsen basert på faktum at mindre partikler danner mer adhesive punkter pr. areal på overflaten av kartongen.

I tillegg til primerpolariteten og partikkelstørrelsen endrer adhesjonsegenskapene segogså med forskjellige primingsvekter. Noen primere forbedrer adhesjonen videre med primingsvekten 0,01 g/m<2>enn med primingsvekten 0,1 g/m<2>og andre forbedrer adhesjonen bedre med primingsvekten 0,1 g/m<2>.

VEDLEGG 1

Overflateenergiverdier som geometrisk middel av kartong, primere Pl-Pl4 og primede kartonger

Claims

1. En fremgangsmåte for å prime et papir eller kartong substrat ved å kontakte substratet med en primer som er matet fra en primerkilde og avleire primeren på substratet,karakterisert vedat den omfatter elektrostatisk deponering ved midler av elektrospinning, og danner fibre med en gjennomsnittlig diameter mellom 0,05 og 5 um.

2. Fremgangsmåten ifølge krav 1,karakterisert vedat minst en andel av primeren er i formen av fibre som er dispergert i gassfasen.

3. Fremgangsmåten ifølge krav 2,karakterisert vedat fibrene er dannet fra en løsning eller en emulsjon av primermaterialet i et løsningsmiddel- eller emulsj onsmedium.

4. Fremgangsmåten ifølge krav 2 eller 3,karakterisert vedat gjennomsnittsdiameteren av fibrene er mellom 0,05 og 1,0 um, foretrukket mellom 0,1 og 0,5 um.

5. Fremgangsmåten ifølge krav 3,karakterisert vedat innholdet av primermaterial i løsningen er mellom 5 og 50 vekt%, foretrukket mellom 20 og 45 vekt%.

6. Fremgangsmåten ifølge krav 3 eller 5,karakterisert vedat viskositeten av løsningen er mellom 40 og 400 cP, foretrukket mellom 50 og 200 cP.

7. Fremgangsmåten ifølge ethvert av kravene 3, 5 eller 6,karakterisert vedat løsningsmiddelet er valgt fra vandige løsningsmiddelsystemer og foretrukket er vann eller en blanding som inneholder vann og en alkohol.

8. Fremgangsmåten ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat primermaterialet er valgt fra gruppen bestående av naturlige polymerer, polyalkoholer, organometallforbindelser og syntetiske polymerer.

9. Fremgangsmåten ifølge krav 8,karakterisert vedat primermaterialet er en syntetisk polymer (homo- eller kopolymer).

10. Fremgangsmåten ifølge krav 9,karakterisert vedat den syntetiske polymeren er en akrylpolymer som er foretrukket emulgert i et vandig emulsj onsmedium.

11. Fremgangsmåten ifølge krav 10,karakterisert vedat den gitte akryliske polymeren blir avleiret på substratet med en tykkelse av 0,002 - 0,05 g/m<2>, foretrukket 0,006 - 0,02, mest foretrukket omtrent 0,01 g/m<2>.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat primeren er dietanol aminoetan (DEAE).

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat dietanol aminoetan (DEAE) blir avleiret på substratet til en tykkelse av 0,02 - 0,5 g/m<2>, foretrukket 0,06 - 0,2, mest foretrukket omtrent 0,1 g/m<2>.

14. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat primeren også inneholder et additiv for å modifisere morfologien av primerpartiklene på substratet.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14,karakterisert vedat additivet er en løselig polymer, foretrukket en polyetylenoksidpolymer.

16. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat den elektrostatiske kraften uttrykt som spenning delt med avstand mellom substratet og primerkilder opphøyd i den andre potens er mellom 0,02 og 4,0 V/mm<2>, foretrukket mellom 0,2 og 0,5 V/mm<2>.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16,karakterisert vedat den elektrostatiske spenningen er mellom 10 og 50 kV, foretrukket mellom 20 og 40 kV og avstanden mellom primerkilden og substratet er mellom 100 og 1000 mm, foretrukket mellom 200 og 500 mm, mest foretrukket slik at det elektriske feltet er mellom 1 og 4 kV/cm.

18. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1 til 17,karakterisert vedat det primede substratet er flamme- eller koronabehandlet før det blir belagt med beleggingssubstansen.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18,karakterisert vedat det primede substratet er koronabehandlet før det blir belagd på beleggingssubstans.