專(zhuān)利名稱(chēng)：用于碳酸鈣顏料的聚乙烯醇粘合劑的制作方法
背景技術(shù)：
紙工業(yè)使用紙涂料組合物，以向制成的紙賦予所需強(qiáng)度和裝飾性能。涂料組合物典型地是主要由礦物質(zhì)顏料和顏料粘合劑組成的水分散體，礦物質(zhì)顏料是如粘土、碳酸鈣、二氧化硅、和二氧化鈦，顏料粘合劑是如淀粉和合成聚合物乳液。涂料組合物也可包含低水平的添加劑，如增稠劑、濕潤(rùn)劑和潤(rùn)滑劑。
通常通過(guò)高速涂敷機(jī)，如葉片涂敷機(jī)、氣刀涂敷機(jī)、棒式涂敷機(jī)和輥式涂敷機(jī)，將涂料組合物涂敷到纖維素材料的連續(xù)纖網(wǎng)，如紙上。趨勢(shì)是使用更快的涂敷機(jī)，以增加生產(chǎn)率和使用更高固含量的涂料組合物，以減少干燥成本和改進(jìn)粘合劑分布，從而提高紙質(zhì)量。
包含細(xì)粒子尺寸顏料，如碳酸鈣的涂料已經(jīng)顯示，特別可用于改進(jìn)噴墨記錄紙的性能。U.S.5,643,631(Donigian等，1997)和U.S.5,783,038(Donigian等，1998)公開(kāi)了熱噴墨記錄紙，引入熱老化的沉淀碳酸鈣和粘合劑，如聚乙烯醇、淀粉、和羧甲基纖維素。在聚乙烯醇或淀粉溶液中，采用細(xì)粒子尺寸碳酸鈣淤漿的涂料組合物，進(jìn)行紙的處理，導(dǎo)致噴墨印刷物的改進(jìn)的光密度。合適的聚乙烯醇粘合劑的例子是Airvol107聚乙烯醇，它是98-98.8％水解的。在加入顏料淤漿之前，“蒸煮”粘合劑以獲得溶液。
在噴墨涂料體系中使用聚乙烯醇及其衍生物作為粘合劑是本領(lǐng)域公知的。例如，C.A.Finch在聚乙烯醇-開(kāi)發(fā)Wiley，1992，555-556頁(yè)的文章描述了使用聚乙烯醇作為粘合劑，用于噴墨打印紙。據(jù)報(bào)導(dǎo)，一般使用98-99％水解的和4％粘度為25-31cP(Poval-PVA-117)的聚乙烯醇。
在Tappi雜志，80卷，NO.1，1997年1月，68-70頁(yè)，John Boylan的題目為“在噴墨打印紙中使用聚乙烯醇”的文章中，描述了使用各種等級(jí)的聚乙烯醇，用于涂敷紙。注意到當(dāng)在紙涂料中與二氧化硅顏料一起使用時(shí)，在油墨光密度和干燥時(shí)間方面，部分水解等級(jí)的聚乙烯醇提供最好的印刷性能。然而，聚乙烯醇/二氧化硅涂料的最終粘度隨固體的少量增加而急劇增加。由于粘度的增加，根據(jù)聚乙烯醇的等級(jí)，最大固含量約為25-30％。部分水解的低/中等分子量級(jí)別使得可以獲得最高水平的涂料固含量。
在使用聚乙烯醇作為顏料粘合劑用于紙涂料方面，有許多專(zhuān)利。例如U.S.4,478,910(Oshima等，1984)公開(kāi)了噴墨記錄紙，該紙包括具有特定上膠程度的基礎(chǔ)片材，該片材含有涂層，該涂層包括水溶性聚合物粘合劑和細(xì)二氧化硅粒子。二氧化硅粒子具有大于200m2/g的特定表面積，和由于它們的光密度，聚乙烯醇或其衍生物作為粘合劑是所需的。在實(shí)施例中使用PVA117，由Kuraray制造。
U.S.4,780,356(Otouma等，1988)公開(kāi)了記錄片材，該記錄片材包括在紙表面上含有多孔粒子的紙片材。多孔粒子(如二氧化硅、二氧化硅-氧化鋁、氧化鋁、和二氧化硅-氧化硼)的平均孔尺寸為10-5000埃，孔體積為0.05-3.0cc/g，和平均粒子尺寸為0.1-50μm。作為粒子的粘合劑，聚乙烯醇的使用量可以為5-60wt％(優(yōu)選20-40wt％)，基于粘合劑和粒子的總重量。在實(shí)施例中使用PVA117，由Kuraray制造。
U.S.5,057,570(Miller等，1991)公開(kāi)了制備高固含量的含水紙涂料組合物的方法，其中將部分水解的低分子量聚乙烯醇的干燥微粒固體加入到高固含量的含水顏料分散體中并混合，沒(méi)有外部加熱，直到溶解。含水顏料分散體典型地包含固體水平為70-76％的粘土和/或碳酸鈣。
U.S.5,270,103(Oliver，1993)公開(kāi)了含有涂料和適于采用水基油墨印刷的接收器片材，包括顏料，聚乙烯醇粘合劑，和另外的粘合劑組分。聚乙烯醇是至少87摩爾％水解的，優(yōu)選至少99摩爾％水解的。
JP11-4983(1999)公開(kāi)了將聚乙烯醇與有機(jī)和/或無(wú)機(jī)粉末混合，和將混合物與水結(jié)合，以獲得具有高濃度聚乙烯醇的非結(jié)塊分散體。據(jù)報(bào)導(dǎo)，分散體是有用的粘合劑和油漆。聚乙烯醇粉末的平均粒子為500μm或更小，聚合度為500-3000(優(yōu)選100-2500)，和是75-95摩爾％(優(yōu)選75-90摩爾％)水解的。以1/0.2-1/15的聚乙烯醇/有機(jī)和/或無(wú)機(jī)粒子體積比共混兩種材料。無(wú)機(jī)粒子的例子是粘土、二氧化硅、碳酸鈣、和硫酸鋇。
如上所述，在用于噴墨記錄紙的涂料組合物中，細(xì)粒子尺寸碳酸鈣已經(jīng)顯示作為特別有用的顏料；然而，在噴墨紙涂料組合物所需的水平下將粒子放入淤漿之后，在低剪切速率范圍內(nèi)，細(xì)粒子尺寸導(dǎo)致非常高的粘度。在涂敷期間，在此低剪切速率范圍內(nèi)的高粘度產(chǎn)生處理分散體的問(wèn)題。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及制備紙涂料組合物，在細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的高固體水平下，該組合物具有改進(jìn)的低剪切粘度。低剪切粘度的改進(jìn)通過(guò)如下方式達(dá)到在顏料粒子的含水淤漿中(該淤漿主要是細(xì)粒子尺寸碳酸鈣)溶解細(xì)粒子尺寸的、部分水解的低分子量聚乙烯醇粉末，且不需要外部加熱或向淤漿中加入水。聚乙烯醇的平均粒子尺寸為200μm或更小，是85-90摩爾％水解的，和聚合度為50-600。然后可以采用其它組分配制包含相對(duì)于每100份顏料粒子0.1-50份聚乙烯醇的淤漿，以生產(chǎn)用于具體用途，如噴墨紙涂料的紙涂料組合物。
關(guān)于通過(guò)首先直接將細(xì)粒子尺寸、部分水解的低分子量聚乙烯醇粉末混合到細(xì)粒子尺寸碳酸鈣淤漿中，有一些優(yōu)點(diǎn)。它們包括在與碳酸鈣淤漿混合之前，不需要溶解聚乙烯醇，因此消除了向淤漿中加入更多水的問(wèn)題和降低了固體量；可以在碳酸鈣淤漿中溶解聚乙烯醇，而不加熱；顯著降低碳酸鈣淤漿的低剪切粘度，因此允許更大的混合效率，改進(jìn)的可過(guò)濾性，和最終涂料配料的改進(jìn)的泵送效率；可以增加顏料淤漿的固體水平，而不增加剪切粘度，因此可以容易地處理最終涂料配料；盡管表面積高，但仍可采用相對(duì)少量的聚乙烯醇，如低到5-15份聚乙烯醇每100份顏料，而完成碳酸鈣對(duì)纖維素基材的粘合；在最終涂料配料中不需要另外的粘合劑，和當(dāng)作為噴墨紙涂料涂敷到紙基材上時(shí)，聚乙烯醇/碳酸鈣涂料配料提供優(yōu)異的噴墨印刷性能。
發(fā)明詳述含水顏料分散體典型地由至少約90wt％的細(xì)粒子尺寸碳酸鈣組成，固體水平為10-50％，優(yōu)選20-30％。也可以存在至多約10％的其它紙顏料，如粘土、二氧化硅、和二氧化鈦。
細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的平均表面積至少為50m2/g，優(yōu)選至少80m2/g?？梢酝ㄟ^(guò)熱老化和/或碾磨沉淀的碳酸鈣，如在U.S.專(zhuān)利號(hào)5,643,631和U.S.專(zhuān)利號(hào)5,783,038中描述的方法，制備細(xì)粒子尺寸碳酸鈣。平均表面積為80m2/g的碳酸鈣可從Specialty Minerals以商品名JETCOATTM30 Specialty PCC購(gòu)得。
用于本發(fā)明的合適細(xì)粒子尺寸、低分子量、部分水解的聚乙烯醇可以是70-90摩爾％，優(yōu)選85-90摩爾％，和最優(yōu)選87-89摩爾％水解的，聚合度(DPn)為50-600，優(yōu)選150-300，和平均粒子尺寸為200μm或更小，優(yōu)選180μm或更小。優(yōu)選的聚乙烯醇粉末的例子是由AirProducts and Chemicals，Inc.提供的Airvol203S聚乙烯醇。可以通過(guò)在制造聚乙烯醇領(lǐng)域技術(shù)人員公知的合成和皂化技術(shù)，制備用于本發(fā)明的聚乙烯醇?？梢酝ㄟ^(guò)研磨聚乙烯醇粒子和將粒子通過(guò)篩目，而達(dá)到聚乙烯醇的細(xì)粒子尺寸。
在不引起聚乙烯醇凝集的速率下，將細(xì)粒子尺寸、低分子量、部分水解的聚乙烯醇粉末緩慢地加入到攪拌的碳酸鈣淤漿中。典型地，以10秒內(nèi)1％聚乙烯醇的速率加入聚乙烯醇能足以防止凝集。繼續(xù)混合直到聚乙烯醇溶解，典型地，繼續(xù)混合至少15分鐘。優(yōu)選在高剪切速率下，進(jìn)行碳酸鈣淤漿與干燥細(xì)聚乙烯醇粉末的混合。聚乙烯醇的數(shù)量可為0.1-50份/100份顏料；優(yōu)選3-25份聚乙烯醇/100份顏料。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，5-15份聚乙烯醇/100份細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的數(shù)量可有效地粘合顏料?？梢栽谑覝兀?0℃下，進(jìn)行聚乙烯醇的溶解。不要求加熱以溶解聚乙烯醇。
低剪切粘度是流體(例如，相對(duì)于每100份碳酸鈣，包含28-32％固體和3-25份低分子量、部分水解的聚乙烯醇的碳酸鈣淤漿)的粘度，它來(lái)自由Brookfield粘度計(jì)(在100rpm下No.3轉(zhuǎn)軸)產(chǎn)生的剪切速率。
可以使用包含聚乙烯醇的高固含量的含水顏料分散體，以制備噴墨紙涂料組合物，或該分散體可以直接作為噴墨紙涂料組合物。在涂料組合物中不需要另外的粘合劑或分散劑。用于噴墨紙用途的典型涂料組合物包含90-100份細(xì)粒子尺寸碳酸鈣；0-10份輔助顏料；0.1-50份聚乙烯醇；0-3份陽(yáng)離子染料固定劑，如聚乙烯亞胺或聚(二烯丙基二甲基氯化銨)；和0-0.3份消泡劑。
通過(guò)考慮如下實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，實(shí)施例僅用于作為本發(fā)明的示例。
實(shí)施例1粘度改進(jìn)效果測(cè)量低分子量、部分水解的細(xì)粒子尺寸聚乙烯醇對(duì)細(xì)粒子尺寸碳酸鈣淤漿的粘度改進(jìn)效果。采用高剪切Dispersator型實(shí)驗(yàn)室混合器，攪拌Jet CoatTM30沉淀碳酸鈣的等分試樣(在包含25-30％固體的淤漿中的500g)。在每10秒1％的速率下，向攪拌的混合物中加入各種量的Airvol203S聚乙烯醇粉末，其中99％的粉末粒子的平均粒子尺寸小于180μm。在加入Airvol203S之后，混合物的攪拌繼續(xù)15分鐘。在對(duì)比例中，向碳酸鈣淤漿中加入0.3g焦磷酸四鈉(TSPP)分散劑。在10，20，50和100rpm下測(cè)量Brookfield粘度。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。
表1
*由Specialty Minerals以淤漿提供。
采用大多數(shù)涂料，當(dāng)固體增加時(shí)，低剪切粘度增加。然而，出乎預(yù)料的是，Airvol 203S向Jet Coat30中的加入導(dǎo)致低剪切粘度的顯著降低。在20份Airvol 203S/100份碳酸鈣下，低剪切粘度的降低達(dá)到平衡。采用Airvol 203S獲得的結(jié)果比采用TSPP分散劑獲得的結(jié)果更好。
實(shí)施例2粘合效果測(cè)量作為粘合劑的Airvol 203S對(duì)于在紙上細(xì)碳酸鈣粒子的效果。采用膠帶，將未涂敷的基礎(chǔ)紙片固定到玻璃板上。將涂料配料傾注在紙的頂寬度處。將絲線纏繞的棒放置在涂料的頂部，和通過(guò)在紙的長(zhǎng)度上施加涂料配料的均勻涂敷，而消耗紙的長(zhǎng)度。然后在強(qiáng)制空氣烘箱中，在250°F下，干燥濕涂敷的片材2分鐘。使用Tappi方法T514pm-82，“涂敷紙板的表面強(qiáng)度”，測(cè)量粘合效果(IGT拾取強(qiáng)度(pick strength))。表2呈現(xiàn)IGT拾取強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果。
表2
*由VVP＝粘度速度產(chǎn)品(千泊-厘米/秒)
這些數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)Airvol 203S量從10份/100份Jet Coat30增加到20份/100份Jet Coat30時(shí)，粘合得到改進(jìn)。單獨(dú)使用Jet Coat30或?qū)et Coat30與TSPP一起使用不發(fā)生粘合。
實(shí)施例3印刷性能采用絲線纏繞的棒，通過(guò)將涂料配料涂敷到未涂敷的基礎(chǔ)片材上，和在250°F下干燥涂料2分鐘，而測(cè)量采用Jet Coat30和Airvol 203S聚乙烯醇結(jié)合涂敷的紙的噴墨印刷性能。涂層重量為8-10g/m2。單獨(dú)的Airvol 203S和0.3份TSPP與Jet Coat30的混合物用作對(duì)比例。使用由Hewlett Packard開(kāi)發(fā)的測(cè)試方式，在Hewlett Packard HP560噴墨打印機(jī)上印刷涂敷的紙。采用Tobias IQ200光密度計(jì)，測(cè)量光密度。結(jié)果見(jiàn)表3。
表3基礎(chǔ)片材A203S10份20份0.3份TSPP復(fù)合黑 0.570.750.940.96品紅0.77N/A 1.141.1 有粉塵黃色0.61N/A 0.850.83氰基1.031.111.481.4單黑0.860.941.321.24用于噴墨紙涂料的粘合劑的噴墨印刷性能非常重要。粘合劑必須是足夠親水性的，以允許油墨載體滲透到涂料中，同時(shí)允許油墨保持在含有顏料的涂料表面。此外，粘合劑必須不包含不希望的表面活性劑，它們相反地影響涂料的表面能量，引起油墨鋪展，產(chǎn)生高油墨點(diǎn)，導(dǎo)致較差的文字和圖象形成。噴墨印刷性能的一個(gè)度量是油墨光密度。密度越大，產(chǎn)生的色澤越深。
表3中的數(shù)據(jù)顯示，與單獨(dú)的A 203S相比，Jet Coat30和Airvol203S的結(jié)合能提供顯著更好的噴墨印刷光密度。在此顯示，Airvol203S提供親水性能和它并不包含不希望的表面活性劑。
實(shí)施例4對(duì)其它顏料的比較實(shí)施例比較Airvol 203S對(duì)于幾種典型地用于紙涂料用途的顏料的低剪切粘度的效果。將顏料淤漿的等分試樣稱(chēng)重，和如果需要，加入水以獲得所需的固體水平。然后采用實(shí)驗(yàn)室型混合器，開(kāi)始攪拌。將Airvol 203S緩慢地加入到攪拌的顏料淤漿中，并繼續(xù)混合約30分鐘。通過(guò)325目篩網(wǎng)清洗小樣品和檢查未溶解的聚乙烯醇，檢查Airvol 203S是否完全溶解。當(dāng)聚乙烯醇完全溶解時(shí)，通過(guò)微波技術(shù)測(cè)量最終固含量。然后采用Brookfield粘度計(jì)，在100rpm下測(cè)量混合物的粘度。結(jié)果見(jiàn)表4。
表4
在30％固體下，實(shí)驗(yàn)no.1-16和21-26的顏料具有低粘度，這是由于與Jet Coat 30(實(shí)驗(yàn)no.17-20)相比，這些顏料的粒子尺寸更大或表面積降低，即Jet Coat 30粒子的平均表面積是實(shí)施例中其它顏料平均表面積的5-8倍。公知的是當(dāng)顏料粒子的表面積增加時(shí)，顏料淤漿的粘度增加，且加入粘合劑，如聚乙烯醇，會(huì)導(dǎo)致粘度的進(jìn)一步增加。然而，出乎預(yù)料的是，當(dāng)將Airvol 203S加入到Jet Coat 30碳酸鈣淤漿中時(shí)(實(shí)驗(yàn)no.17-20)，粘度顯著降低。相反，當(dāng)將Airvol203S加入到其它顏料淤漿樣品中時(shí)(實(shí)驗(yàn)no.1-16，21-26)，粘度增加。
權(quán)利要求
1.一種紙涂料組合物的制備方法，該組合物包括高固含量的顏料粒子水分散體，該分散體主要包含細(xì)粒子尺寸碳酸鈣，該方法包括在主要包含細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的顏料粒子水分散體中，混合干燥的聚乙烯醇粒子直到聚乙烯醇粒子溶解，以形成在聚乙烯醇水溶液中的顏料粒子分散體，在聚乙烯醇水溶液中的顏料粒子分散體包括0.1-50份聚乙烯醇/100份顏料粒子，聚乙烯醇的聚合度為50-600并是85-90摩爾％水解的，和聚乙烯醇粒子的平均粒子尺寸為200μm或更小，和任選地將其它涂料添加劑與在聚乙烯醇水溶液中的顏料粒子分散體混合。
2.權(quán)利要求1的方法，其中顏料粒子分散體包含至少90wt％的細(xì)粒子尺寸碳酸鈣，細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的平均表面積至少為60m2/g。
3.權(quán)利要求2的方法，其中細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的平均表面積至少為80m2/g。
4.權(quán)利要求2的方法，其中聚乙烯醇的聚合度為150-300，并是87-89摩爾％水解的，和聚乙烯醇粒子的平均粒子尺寸為180μm或更小。
5.權(quán)利要求2的方法，其中在聚乙烯醇水溶液中的顏料粒子分散體包括3-25份聚乙烯醇/100份顏料粒子。
7.權(quán)利要求2的方法，其中在聚乙烯醇水溶液中的顏料粒子分散體包括5-15份聚乙烯醇/100份顏料粒子。
8.權(quán)利要求2的方法，其中涂料組合物包括10-50％的固體。
9.權(quán)利要求2的方法，其中涂料組合物包括20-30％的固體。
10.一種紙涂料組合物的制備方法，該組合物包括細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的水分散體，包含20-30％的固體，該方法包括在碳酸鈣粒子的水分散體中，混合干燥的聚乙烯醇粒子，碳酸鈣粒子的平均表面積為60m2/g，直到聚乙烯醇粒子溶解，以形成在聚乙烯醇水溶液中的顏料粒子分散體，在聚乙烯醇水溶液中的顏料粒子分散體包括0.1-50份聚乙烯醇/100份碳酸鈣，聚乙烯醇的聚合度為150-300且并是87-89摩爾％水解的，和聚乙烯醇粒子的平均粒子尺寸為180μm或更小，和任選地將其它涂料添加劑與在聚乙烯醇水溶液中的顏料粒子分散體混合。
11.權(quán)利要求10的方法，其中碳酸鈣粒子的平均表面積為80m2/g，和在聚乙烯醇水溶液中的碳酸鈣粒子分散體包括3-25份聚乙烯醇/100份碳酸鈣。
12.權(quán)利要求10的方法，其中在聚乙烯醇水溶液中的碳酸鈣粒子分散體包括5-15份聚乙烯醇/100份碳酸鈣粒子。
13.權(quán)利要求10的方法，其中涂料組合物包括20-30％的固體。
全文摘要
制備紙涂料組合物,該組合物在細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的高固體水平下具有改進(jìn)的低剪切粘度。低剪切粘度的改進(jìn)通過(guò)如下方式達(dá)到:在主要包含細(xì)粒子尺寸碳酸鈣的顏料粒子的淤漿中,溶解細(xì)粒子尺寸、部分水解的低分子量聚乙烯醇粉末。不需要外部加熱或向淤漿中加入水就可達(dá)到聚乙烯醇的溶解。然后,可采用其它組合配制淤漿,以生產(chǎn)噴墨紙涂料組合物,當(dāng)涂敷到紙基材上時(shí),該組合物提供優(yōu)異的噴墨印刷性能。
文檔編號(hào)C09D129/04GK1387594SQ00815171
公開(kāi)日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2000年11月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月5日
發(fā)明者J·R·伯伊蘭 申請(qǐng)人:國(guó)際人造絲公司