SE446201B - Bestrykningsmassa for papper med hog torrsubstanshalt innehallande kalciumkarbonat och styrenakrylatlatex - Google Patents

Description

15 20 lzs 30 79os927+2 2 Den lamellartade strukturen hos kaolin, vars förhållande yta/tjocklek vid amerikanskt kaolin uppgår till 4-8:1 och vid engelskt kaolin upp till 14-20:1, har en positiv inverkan på bestrykningspapperets glans.

Förutom kaolin användes emellertid även andra pigment, såsom satinvitt och framför allt olika slag av kalciumkarhonat med naturligt ursprung Äkrita, kalcit (kalkspat), marmor? eller med industriellt ursprung (fällt kalciumkarbonat, som i allmän- het erhålles genom inverkan av C02 på kalkmjölk). Dessa pig- ment,-som icke är något kaolin, måste ha tvâ grundläggande egenskaper: god finhet (minst 70 % av partiklarna måste vara mindre än 2 pm) och en god vitfärgningsförmäga. av finhet och vitfärgningsförmäga är likväl ännu icke tillräck- liga för att ge det bestrukna papperet en tillfredsställande glans vid den slutliga tryckningen genom typografi- eller offsetförfarande.

Därför kunde med anledning av Tappi 78 (den årliga kongres- sen för Technical Association of Pulp and Paper Industry) S R Denníson i ett föredrag med titeln "Le dóveloppement d'un Egenskaperna carbonate de calcium fin pour le couchage du papier" (sid 95- 103) komma till den slutsatsen: '"Det var tydligt, att till och med mycket fint kalciumkarbonat icke skulle kunna användas såsom enda pigment i glänsande, hestrukna papper. Detta har i verk- ligheten aldrig förväntats". I I följande tabell framgår jämförelseresultat, som enligt teknikens ståndpunkt uppnåtts med massor, som innehåller 58 % torrsubstans, nämligen antingen kaolin eller naturligt kalcium- karbonat. Bestândsdelarna i massan var per 100 viktdelar pig- ment 14 viktdelar styrenakrylatlatex och 0,5 viktdelar karboxi- metylcellulosa. 7908927-2 3 ïahell 1 Kaolín É Kalciumkarbonat '1 2 f* i A/ - Egenskaper hos pigmentet 1 så š , 9EÉ_ÉɧEIXÉEÅEåâ¶âš§âE 1 § É 1 % mindre än 2 pm - f 2 kaolin 75 , - - É - ' i naturligt CaCO¶ - 90 89 § 70 2 Pigment (viktdelar i bestryk- 2 å I ningsmassan) 1 1 kamin ' 100 0 of: 0 naturiigt cacos 0 § 100 ¿ 100 f 100 ¿Viskositet hos bestryknings- É É massan 00 g 200 200 ; 160 L(mPas vid 100 r/min) ; § B/ - Egenskaper hos bestruket 1 ' a er 1 efter konditionering i S0 % 0 1 relativ luftfuktighet och #23 C superkalander: 10 valsat 200 m/min linjärt tryck 1470 N/cm vnlstemperutur 0000 2 1 Glans enligt TAPP1 (7s°-7s°), 0 § 51 šp 31 1 ss § 24 I o 1 Tryckgians enligt TAPP1, 0 07 i ss 57 ¿ 45 efter konditíonering (se ovan) päfört: 1,2 g/m2, rött Bestrykningsmassor är även kända, vilka samtidigt inne- håller kaolín och kalciumkarbonat och vilkas kalciumkarbonat bidrar till att förbättra vissa egenskaper hos papperet och till att sänka framställningskostnaderna. Såsom likväl kan förutses, försämras glansen hos det bestrukna papperet, vilket erhålles enligt känt förfarande, i den utsträckning som karbonat~ halten ökar. Praktiskt må fastställas att den maximalt godtag- bara andelen kalciumkarbonat uppgår till 30 delar per 70 delar kaolín. A 7 10 15 7908927-2 4 Följande tabell Z visar de enligt det franska patentet nr. 2 203 909 erhållna resultaten vid användning av högfina CaCO3-pigment med en statistisk gcnomsnittsdiameter av 0,5-0,9 pm och en specifik yta av 12 m /g i jämförelse med användningen av kaolin. Beläggníngen sker med en rakel i en mängd av 12 g/mz vid en hastighet av 800 m/min, följt av kalandrering med en maskin innehållande tolv valsar.

Tabell Z Prov nr 1 2 å 3 É 4 § 5 A/ - Bestrykningsmassans _ É sammansättning É ; 1 kaoiin, viktprocenr 100 0 § 0 ¿ 70 2 70 naturligt kalciumkarbonat, 0 100 § 0 É 30 É 0 viktprocent (35 % av partik- § larna mindre än Z pm) naturligt, högfint kalcium- ; 0 0 100 ? 0 Ä 30 karbonat (80 % av partiklar~ na mindre än Z pm) Na~polyakry1at (disperge- 0,3 0,4 0,4 ; 0,4 ríngsmedely styrenakrylat-latex - 14 § 12 12 í 12 12 B/ - Erhällct bestruket pa-Eper ytvikp, g/mz 92 92 5 92 92 92 gians enligt TAPPI, 0 sz 19 = 50 ss eo ..... ._ . _ a.. .-._... om--- ....-..~.,.-.~... 1......... .- .. tryckglans vid 1,2 g/mz so zs 77 59 79 0 tryckfärg, a För förbättring av glansen är förfaranden kända, vid vil- ka arbetas med högre pigmentkoncentrationer i bestrykningsmassan (betecknade såsom förfaranden med högre torrsubstanskoncentra- Härvid användes en minsta kon- Dessa HCS- förfaranden har dock vissa svårigheter med avseende på flyt- tioncr resp HCS-förfaranden). centration av 70 % pigment i bestrykningsmassan. egenskaperna hos bestrykníngsmassorna, emedan deras viskositet är förhöjd.

Flytförhállandet hos ett pigment är funktionen av talrika faktorer (díspergeringsförfarande, slag och mängd av dísperge- ríngsmedlet) och speciellt av strukturegenskaperna och korn- 10 15 KK) LI! 35 7908927-2 5 storleksfördelningen hos pigmcntet.

Den iamellartade strukturen hos kaolin förhindrar upp- nàendet av lägre viskositeter vid högre pígmentkoncentrationer och denna svårighet blir större, ju större förhållande yta/ tjocklek är hos kaolinpartiklarna. För den skull kan kaelin, när det användes såsom enda pigment, icke användas i koncent- rationer av mer än 66 Z i en bestrykningsmassa på grund av dess dåliga flytförnallande och svårigheten vid dess utbredning under klingan. I övrigt mä fastställas, att förbättringen av glansen vid sadana koncentrationer praktiskt kan försummus och att kaolinet vid gängse koneentrationer (57-60 %] praktiskt sett förlänar sa stor glans som möjligt.

Vid utíällt kalciumkarbonat, vilkas partiklar är bildade av smá stavar, beror flytförhállandet väsentligen på disper- sionen. Det utfällda kalciumkarbonatet, som för användning i bestrykningsmassor för papper är tillräckligt fint, får icke dispergeras i en bestrykníngsmassa i en koncentration av mer än 60 % torrsubstans.

Situationen är annan vid naturliga kalciumkarbonat, obe- roende av vilket slag de är (kalkspat, krita, marmor). Rom- boederstrukturen hos dessa pigment möjliggör hög torrsuhsrans- koncentration i vatten. De fördelar sig i mindre vattenmängder i motsats till pigment med lamellartad struktur (kaolin) eller i form av sma stavar (utfällt karbonat) och närmare bestämt till och med vid en mindre mängd dispergeringsmedel.

Det är saledes möjligt att uppna förhallandevis stabila pígmentkoncentrationer av storleksordningen 75-78 % i vatten.

För bestrykningsmassorna är det obetingat nödvändigt att med hög torrsubstanskoncentration (76 %) uppnå vattenhaltiga sus- pensioner av naturligt kalciumkurhonat. För att erhålla en bestrykningsmassa med en minimal torrsubstanskoncentration av 70 % (enligt HCS-förfarandet) maste pigmentsuspensionen upp- visa en torrsuhstanskoncentration av minst 76 l.

En jämförelse av resultaten, som uppnaddes med tva en- ligt HCS-förfarandet framställda bestrykningsmassor, vilka såsom enda pigment å ena sidan innehöll kaolin och å andra sidan högfint, naturligt kalciumkarhonat (90 % av partiklarna mindre än 1 pm), visar likväl att med karbonatet alltid erhål- les en lägre glans. 7908927-2 0 6 Följande tabell 3 visar jämförelsen mellan kaolín och de båda såsom enda pigment enligt HCS-förfarandet använda, natuflíga kalcíumkarbonaten.

Sammansättníngen av bestrykníngsmassan uppgick till 100 viktdelar pigment per 14 viktdelar styrenakrylat-latex och 0,5 viktdelar dispergeríngsmedel, men koncentratíonerna hos bestrykningsmassorna var: 64 % i kaolínfallet (i prakti- 0 ken tillåtet maximalvärde för detta pigment) och 70 ß í fallet med naturliga kalcíumkarbonat.

Tabell 3 l I Kaolín Kalcíumkarbonat %A/ - Egenskaper hos pig- l § § ment och bestryk- ä 2 ; ningsmassor g § ' : "°"“""__"“" 2 E 5 § % partiklar mindre än: § 3* § E 2 pm ; vs 90 É 70 § _ i 1 i 3 1 pm 3 ss sz ¿ za E Pigment (víktdelar i be- 1 I É É strykningsmassan)_ ' i É x i '¿ 'knolin '100 0 j 0 É naturligt CaC03 _ 0 100 É 100 Koncenttation hos be- _ É Å strykningsmassan (%) ä 58 64 ; 58 70 § 58 70 B/ - Egenskaper hos be- ¿ E. struket Papper . ; ; glans enligt TAPPI 51 53 31 45 f 24 37 (750-750),-% efter E kondítioneríng i 50 %_ § relativoluftfuktíghet É och +23 C superkalander: 10 valsar 200 m/min linjärt tryck 1470 N/cm v- ns.. v-fl-.w- .\...~....~._.~....-...... valstempcrntur, 60oC Å tryckglans enligt ~ å 67 es ,a ; ss- 62 45 so TAPPI,_% efter kondí- ' ' tíoncring (se ovan] z påfört: 1,2 g/mz, rött 10 15 20 25 35 40 7 7908927-2 Totalt visar således de kända förfarandena beträffande det bestrukna papperets glans, att l) vid en gängse bestrykníngsmassa (58-60 $ torrsubstans) kaolínet åstadkommer bättre resultat än naturliga kalcium- karbonat eller andra industriella pigment (satinvitt, fällt kalciumkarbonut, etc), och detta oberoende av dessa pigments finhet, _ 2) vid HCS-förfarandet användningen av kaolin är begränsad till koncentrationer under 66 % och gängse eller högfina kalcium- karhonat (upp till 90 % av partiklarna mindre än 2 pm) åstad- kommer sämre resultat än de som uppnås med kaolin i HCS- förfarandet.

Det synes således, som om de angivna, av S R Denníson dragna slutsatserna fullständigt bekräftats oberoende av det använda beläggningsförfarandet.

Genom DE-OS 28 08 425 är redan mineralfyllmedel kända, vilka utan olägenhet kan användas för "high-solid-coatings".

Dessa mineralfyllmedel kännetecknas därav, att de är bearbetade efter partikelstorlek genom malning eller klassificering och icke innehaller nägra, i varje fall sa litet som möjligt, men maximalt l5 víktprocent partiklar, som är mindre än 0,2 pm av en motsvarande sfärísk diameter. I denna DE-OS rekommenderas såsom mineralfyllmedel speciellt fällt kalciumkarbonat, dolomít, kaolin, talk, bariumsulfat och/eller kvarts. Speciellt lämpliga enligt denna DE-OS 28 08 425 är mineralfyllmedel, som icke inne- håller mer än 8 viktprocent partiklar, vilka har mindre motsva- rande sfärisk diameter än 0,2 pm, vilka uppvisar en övre sektion med 2-3 pm med en motsvarande sfärisk diameter och vilka innehål- ler 80-35 viktprocent partiklar, som har mindre motsvarande sfärisk diameter än l pm.

Föreliggande uppfinning har till uppgift att åstadkomma en helt bestämd "high-solid-coating", vilken leder till hestruk- na papper, som uppvisar en speciellt hög glans, nämligen en glans som är lika med eller ligger högre än den som är uppnabar med hestrykningskaolin.

Efter langvariga och omfängsrika serieförsök har nu enligt uppfinningen fastställts, att denna uppgift överraskande löses med en bestrykningsmassa För bestruket papper. som kännetecknas av följande: a) att den såsom enda pigment ínnehaller naturligt kalcium- 10 15 40 7908927-2 8 karbonat, b) att den procentuella koncentrationen av använt kalcium- karbonat i vatten uppgår till 79,3 viktprocent, c) att kalciumkarbonatets pH i vatten uppgår till 9,5, d) att kalciumkarbonatets granulometriska värden är: viktprocent partiklar mindre än 2 pm = 100 viktprocent partiklar mindre än I pm = 82,5 viktprocent partiklar mindre än 0,2 um = 14 e) att bestrykningsmassans koncentration i viktprocent uppgår ,till 72, f) att den innehåller ett syntetiskt bindemedel bestående av styrenakrylat-latex i en mängd av 12_viktdelar, räknat i torrt tillstånd, per 100 víktdelar kalciumkarbonat.

Enligt uppfinningen löses uppgiften vidare av en bestryk- ningsmassa för bestruket papper, vilken kännetecknas av följan- de: a) att den såsom enda pigment innehåller naturligt kalcium- karbonat, b) att den procentuella koncentrationen av det använda kalcium- karbonatet i vatten uppgår till 79,5 viktprocent, c) att kalciumkarbonatets pH i vatten uppgår till 9,5, d) att kalciumkarbonatets granulometriska egenskaper är: övre sektion 2 pm viktprocent partiklar mindre än 2 um = 100 viktprocent partiklar mindre än 1 pm = 73 viktprocent partiklar mindre än 0,5 pm = 30 viktprocent partiklar mindre än 0,2 pm = 14 e) att bestrykningsmassans koncentration i viktprocent uppgår till 72, E) att kalciumkarbonatets specifika yta (mz/g) uppgår till I7, g) att den innehåller ett syntetiskt bindemedel bestående av styrenakrylat-latex i en mängd av 12 viktdelar, räknat i torrt tillstånd, per 100 viktdelar kalciumkarbonat. n 0 Naturliga kalciumkarbonat, som skall användas enligt upp- finníngen, kan vara av olika ursprung, varvid såväl vid den ena som vid den andra utgângsmassan resultaten är väsentligen iden- tiska. 'Det kan exempelvis röra sig om krita (kalkhaltigt koko- lit), kalkspat (kristallin struktur) eller vit marmor, varvid alla dessa material är så sönderdelade, att de uppfyller angivna 10 20 40 7908927-2 9 kännetecken. Det är likväl viktigt, att den minimala halten CaCO3 hos dessa material företrädesvis uppgår till mer än 98,5 %, för att eventuellt förekommande föroreningar icke skall skada dessa pigments verkan.

Angivna grundmaterial kan föreligga torra, t ex i form av ett pulver, som uppvisar föreliggande kännetecken och före tillredningen av bestrykningsmassan själva bringas i vattenhal- tig lösning med gängse medel och i närvaro av vanliga hjälp- medel. I Man kan även utgå från suspensioner av redan känt slag, vilka förtjockas genom indunstning, för att den för HCS- förfarandet erforderliga högre koncentrationen skall uppnås.

En viktig fördel med föreliggande "high-solid-coating" består i att stora besparingar av energi är möjliga i torknings~ förloppet och att bindemedelsbehovet är minskat. Vad beträffar den för torkningen erforderliga energin är förhållandet att om man övergår från en koncentration hos bestrykningsmassan av 58.% till en koncentration av 72 l ästndkommes en ínbesparing vid torkningcn av nästan en tredjedel av energibehovet i en guskanordning.

Vad behovet av bindemedel beträffar, samverkar olika fak- torer, t ex pigmentets kornstorleksfördelning (granulometri) och bindemedlets inträngande i det bestrukna papperet. Vad beträf- far ett pigment för beläggningen är behovet av bindemedel i all- mänhet en funktion av partíklarnas medeldiameter.n Föreliggande sammansättning säkerställer en god flytförmäga och ett så ringa behov av bindemedel som möjligt. _.

I övrigt åstadkommer det enda pigmentet enligt uppfinning- en i form av naturligt kalcíumkarbonat bättre egenskaper beträf- fande fuktcxtraktion än kaolin. Detta bevisar att bindcmedels- behovet för ett sådant karbonnt är mindre än för det för belägg- ning användu kaolinet.

Vid HCS-förfarandet under användning av föreliggande sam- mansättníng är slutligen en mindre vattenmängd närvarande i be- strykningsmassan (maximalt 30 %), så att under beaktande av det 'snabbare torkandet inträngandet av bindemedel blir svårare, vil- ket kommer dot hestruknn pnpporots tryckbnrhet till godo.

Föreliggande uppfinning áskddlíggöres närmare i följande exempel, i vilka delar och procentuppgifter betecknar viktdelar resp viktprocent. 10 15 30 _ 7998927-2 I _ m' Exempel 1 (enligt uppfinningen). _ Én vattenhaltig suspension (uppslamning) av ett naturligt kalciumkarbonat (krita) med torrsubstanshalten 64 % indunstas så länge i en "Delisel"-indunstare med dubbel mantel, att-en - pigmentkoncentration av 79,3 % uppnås. Efter tillsats av 0,40 delar av ett akryldispergeringsmedel (per 100 delar karbonat) och efter homogenísering mätes viskositeten vid 100 r/min enligt Brookfield till 850“mPas och pH till 9,5.

Ett syntetiskt bindemedel, bestående av styrenakrylat- latex ("Latex Acronal S 360 D"), tillsättes därefter i en mängd av 12 viktdelar (i torrt tillstånd) per 100 viktdelar kalcium- karbonat och allt efter behov en mindre mängd vatten, för att en slutlig koncentration av 72 l skall uppnås i bestryknings- massan, vars viskositet uppgår till 760 mPas.

Beläggningen (bestrykningen) sker enligt de'i exempel 2 beskrivna betingelserna i en mängd av 16,8 g/m2. _Därefter be- stämmes glansen hos den erhållna produkten. Överraskande uppnås en glans (mätt enligt Tappi med in- strålnings- och utstrålningsvinkeln 750 under användning av en "Gardner"-apparat) av 66_%. 1 7 Bestrykningsmassan kan utan_vidare framställas av fack- mannen med hjälp av den angivna sammansättningen.

Föreliggande bestrykningsmassa för framställning av be- struket papper framställes exempelvis pà följande sätt: Iden snabblandare införes 79;3-procentig kalcíumkarbonat- uppslamning, därefter tillföres (genom att ströa) ett förtjock- ningsmedel, t ex karboximetylcellulosa, och därefter styren- akrylatbíndemedel, eventuellt tillsammans med ett optiskt vit- medel, och slutligen inställes pH med hjälp av NaOH eller NH4OHs på 9,5. Efter cirka 10 min blandning vid ett varvtal av 1300 r/min erhålles en bestrykningssmet med en viskositet av 300 mPas.

Exempel 2 (jämförelseexempel).

Av 100 viktdelar kaolin ("Dinkie A") beredes en vatten- haltig suspension med 70 % torrsubstanshalt i närvaro av 0,22 delar dispergeringsmedel och cirka 2,5 ml soda tillsättes per kg kaolin för höjning av pH fran 6;8 till 7,2. Efter en behand- ling i en snabblöpande turbin av typ "Raïnery" med 1300 r/min uppgår Brookfield-viskoslteten hos suspensíoncn, som mätts vid wo r/mrn, :in :oo mens. ' 10 15 H 7908927 2 Dessutom tillsättes IZ delar latex "Acronal S 360 D", varigenom halten pigment sänkes till 65 %, dvs till gränskom- centrationen för en kaolinbestrykningsmassa. Massans viskosi~ tet uppgår då till 550 mPas.

Därefter sker beläggningen med hjälp av en guskanordning enligt "Keegan" med släpande kniv ("Traíling-Blade"J, varvid -knivbladet lutar i en vinke1_av.45° mot överdragningsvalsen.

Trycket är så inställt, att ett skikt av 16,6 g/mz erhålles.

Därefter konditioneras det bestrukna papperet i 48 h vid 20°C och en relativ luftfuktighet av 65 %; därefter genomföres fem passager genom en kalender vid omgivningstemperatur och under ett linjärt tryck av 1325 N/cm. _ Efter ett ytterligare uppehåll om 24 h under samma beting- elser som förut bestämmes papperets glans under en vinkel av 750 med en fotovoltanordning. Den angivna storleken motsvarar medeltalet av två mätningar, av vilka en företagits i papperets längdríktning och den andra i tvärriktningen.

De uppnådda resultaten visas i följande tabell 4: Tabell 4 pigment 'KaÜ]in kfilâiâššâçgânat (krita) Pígmentkoncentrationen'i I ; vatten, % 70 79,3 šPigmentets pH i vatten 7 6,8 9,5 Pigmentets granulometriz % partiklar < 2 pm - 75 100 %-partiklar < 1 pm 82,5 % partiklar < 0,2 pm ' 14 Bestrykningsmassans kon- I centration, % ' 65 72 Det bestrukna papperets ' . _glans, % 6 58,5 66 Tabellen visar tydligt, att vid användning av HCS- förfarandet föreliggande sammansättning, som såsom onda pigment innehåller naturligt kalciumkarbonat, vars kornstorleksfördel- ning (granulometri) motsvarar uppfinningen, ger en bättre glans än gängse kaolin. 7908927-2 12 På analogt sätt framställdes andra bestrykningsmassor enligt uppfinningen och deras glans mätes på samma sätt och jäm~ föres med kaolin. Resultaten visas i följande tabell 5.

Tabell 5 Pigment Kaolin Föreliggande kalciumkarbonat (krita) Pigmentets koncentration i vatten, % 70 79,3 Pigmentets pH i vatten 6,8 9,5 _Pigmentets granulometri: å övre sektion i pm Z. j t partiklar < 2 pm vs :oo f: v. partikiarz 1 pm 73 É % partiklar < 0,5 pm 30 ' % partiklar < 0,2 pm 14 íßestrykníngsmassans kon- šcentration, % 65 72 TP%gmentets specifika yta, ' m /g 17 17 íßestrykningspappcrets iglans, % 58,5 63,5 i* Tabellen visar tydligt, att vid användning av HCS- förfarandet den andra sammansättningen enligt uppfinningen, som såsom enda pigment innehåller naturligt kalcíumkarbonat, vars granulometri motsvarar uppfinningen, ger bättre glans än gängse kaolin.

Claims (1)

1. Bestrykningsmassa för papper med mer än 70 viktprocent 13 Patentkrav 7908927~2 torrsubstanskoncentration (high-solid-coating), innehållande naturligt, finfördelat kalciumkarbonat och styrenakrylatlatex, k ä n n e t e c k n a d därav: a) att den såsom enda pigment innehåller naturligt kalciumkar- bonat, b) till 72, C) att bestrykningsmassans koncentration i viktprocent uppgår att den innehåller ett syntetiskt bindemedel bestående av styrenakrylatlatex i en mängd av 12 viktdelar räknat torrt på 100 viktdelar kalciumkarbonat och eventuellt i ringa mängder ytterligare för bestrykningsmassor vanliga hjälpmedel, d) att kalciumkarbonatets granulometriska data är antingen viktprocent viktprocent viktprocent eller víktprocent viktprocent viktprocent viktprocent kalciumkarbonatets spec. yta [m Z. Bestrykningsmassa för papper enligt krav 1, partiklar partiklar partiklar partiklar partiklar partiklar partiklar mindre mindre mindre mindre mindre mindre mindre Z/fn = än än än än än än än 17. 2 pm 1 pm 0,2 pm 2 pm 1 pm 0,5 pm 0,2 pm II 100,0 sz,s 14,0 100 73 30 14 k ä n n e - t e c k n a d därav, att såsom naturligt kalcíumkarbonat användes krita.