專利名稱：用于碳酸鈣顏料的聚乙烯醇粘合劑的制作方法
本申請是申請?zhí)枮?0815171.7申請的分案申請。
背景技術：
紙工業(yè)使用紙涂料組合物，以向制成的紙賦予所需強度和裝飾性能。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、濕潤劑和潤滑劑。
通常通過高速涂敷機，如葉片涂敷機、氣刀涂敷機、棒式涂敷機和輥式涂敷機，將涂料組合物涂敷到纖維素材料的連續(xù)纖網(wǎng)，如紙上。趨勢是使用更快的涂敷機，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粘合劑分布，從而提高紙質(zhì)量。
包含細粒子尺寸顏料，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，采用細粒子尺寸碳酸鈣淤漿的涂料組合物，進行紙的處理，導致噴墨印刷物的改進的光密度。合適的聚乙烯醇粘合劑的例子是Airvol107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域公知的。例如，C.A.Finch在聚乙烯醇-開發(fā)Wiley，1992，555-556頁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)報導，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，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的聚乙烯醇，用于涂敷紙。注意到當在紙涂料中與二氧化硅顏料一起使用時，在油墨光密度和干燥時間方面，部分水解等級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，最大固含量約為25-30％。部分水解的低/中等分子量級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，有許多專利。例如U.S.4,478,910(Oshima等，1984)公開了噴墨記錄紙，該紙包括具有特定上膠程度的基礎片材，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。在實施例中使用PVA117，由Kuraray制造。
U.S.4,780,356(Otouma等，1988)公開了記錄片材，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。在實施例中使用PVA117，由Kuraray制造。
U.S.5,057,570(Miller等，1991)公開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，沒有外部加熱，直到溶解。含水顏料分散體典型地包含固含量為70-76％的粘土和/或碳酸鈣。
U.S.5,270,103(Oliver，1993)公開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)公開了將聚乙烯醇與有機和/或無機粉末混合，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)報導，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/有機和/或無機粒子體積比共混兩種材料。無機粒子的例子是粘土、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)，細粒子尺寸導致非常高的粘度。在涂敷期間，在此低剪切速率范圍內(nèi)的高粘度產(chǎn)生處理分散體的問題。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及制備紙涂料組合物，在細粒子尺寸碳酸鈣的高固含量下，該組合物具有改進的低剪切粘度。低剪切粘度的改進通過如下方式達到在顏料粒子的含水淤漿中(該淤漿主要是細粒子尺寸碳酸鈣)溶解細粒子尺寸的、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、優(yōu)選180μm或更小，且是85-90摩爾％、優(yōu)選87-89摩爾％水解的，和聚合度為50-600、優(yōu)選150-300。然后可以采用其它組分配制包含相對于每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。
關于通過首先直接將細粒子尺寸、部分水解的低分子量聚乙烯醇粉末混合到細粒子尺寸碳酸鈣淤漿中，有一些優(yōu)點。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，改進的可過濾性，和最終涂料配料的改進的泵送效率；可以增加顏料淤漿的固含量，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，和當作為噴墨紙涂料涂敷到紙基材上時，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％的細粒子尺寸碳酸鈣組成，固含量為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。
細粒子尺寸碳酸鈣的平均表面積至少為50m2/g優(yōu)選至少為60m2/g，更優(yōu)選至少80m2/g?？梢酝ㄟ^熱老化和/或碾磨沉淀的碳酸鈣，如在U.S.專利號5,643,631和U.S.專利號5,783,038中描述的方法，制備細粒子尺寸碳酸鈣。平均表面積為80m2/g的碳酸鈣可從SpecialtyMinerals以商品名JETCOATTM30 Specialty PCC購得。
用于本發(fā)明的合適細粒子尺寸、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Airvol203S聚乙烯醇?？梢酝ㄟ^在制造聚乙烯醇領域技術人員公知的合成和皂化技術，制備用于本發(fā)明的聚乙烯醇?？梢酝ㄟ^研磨聚乙烯醇粒子和將粒子通過篩目，而達到聚乙烯醇的細粒子尺寸。
在不引起聚乙烯醇凝集的速率下，將細粒子尺寸、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，進行碳酸鈣淤漿與干燥細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份細粒子尺寸碳酸鈣的數(shù)量可有效地粘合顏料?？梢栽谑覝?，即20℃下，進行聚乙烯醇的溶解。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，它來自由Brookfield粘度計(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。
該紙涂料組合物典型地含有10-50％、優(yōu)選20-30％的固體。
通過考慮如下實施例進一步說明本發(fā)明，實施例僅用于作為本發(fā)明的示例。
實施例1粘度改進效果測量低分子量、部分水解的細粒子尺寸聚乙烯醇對細粒子尺寸碳酸鈣淤漿的粘度改進效果。采用高剪切Dispersator型實驗室混合器，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Airvol203S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Airvol203S之后，混合物的攪拌繼續(xù)15分鐘。在對比例中，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下測量Brookfield粘度。測量結(jié)果見表1。
表1
*由Specialty Minerals以淤漿提供。
采用大多數(shù)涂料，當固體增加時，低剪切粘度增加。然而，出乎預料的是，Airvol 203S向Jet Coat30中的加入導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。
實施例2粘合效果測量作為粘合劑的Airvol 203S對于在紙上細碳酸鈣粒子的效果。采用膠帶，將未涂敷的基礎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，和通過在紙的長度上施加涂料配料的均勻涂敷，而消耗紙的長度。然后在強制空氣烘箱中，在250°F下，干燥濕涂敷的片材2分鐘。使用Tappi方法T514pm-82，“涂敷紙板的表面強度”，測量粘合效果(IGT拾取強度(pick strength))。表2呈現(xiàn)IGT拾取強度的測量結(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Airvol 203S量從10份/100份Jet Coat30增加到20份/100份Jet Coat30時，粘合得到改進。單獨使用Jet Coat30或?qū)et Coat30與TSPP一起使用不發(fā)生粘合。
實施例3印刷性能采用絲線纏繞的棒，通過將涂料配料涂敷到未涂敷的基礎片材上，和在250°F下干燥涂料2分鐘，而測量采用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。單獨的Airvol 203S和0.3份TSPP與Jet Coat30的混合物用作對比例。使用由Hewlett Packard開發(fā)的測試方式，在Hewlett Packard HP560噴墨打印機上印刷涂敷的紙。采用Tobias IQ200光密度計，測量光密度。結(jié)果見表3。
表3基礎片A203S10份20份0.3份TSPP復合黑0.57 0.75 0.940.96品紅 0.77 N/A 1.141.1 有粉塵黃色 0.61 N/A 0.850.83氰基 1.03 1.11 1.481.4單黑 0.86 0.94 1.321.24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，導致較差的文字和圖象形成。噴墨印刷性能的一個度量是油墨光密度。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。
實施例4對其它顏料的比較實施例比較Airvol 203S對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重，和如果需要，加入水以獲得所需的固含量。然后采用實驗室型混合器，開始攪拌。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325目篩網(wǎng)清洗小樣品和檢查未溶解的聚乙烯醇，檢查Airvol203S是否完全溶解。當聚乙烯醇完全溶解時，通過微波技術測量最終固含量。然后采用Brookfield粘度計，在100rpm下測量混合物的粘度。結(jié)果見表4。
表4
在30％固體下，實驗no.1-16和21-26的顏料具有低粘度，這是由于與Jet Coat30(實驗no.17-20)相比，這些顏料的粒子尺寸更大或表面積降低，即Jet Coat30粒子的平均表面積是實施例中其它顏料平均表面積的5-8倍。公知的是當顏料粒子的表面積增加時，顏料淤漿的粘度增加，且加入粘合劑，如聚乙烯醇，會導致粘度的進一步增加。然而，出乎預料的是，當將Airvol 203S加入到Jet Coat30碳酸鈣淤漿中時(實驗no.17-20)，粘度顯著降低。相反，當將Airvol 203S加入到其它顏料淤漿樣品中時(實驗no.1-16，21-26)，粘度增加。
權利要求
1.一種降低用于紙涂料組合物的細粒子尺寸碳酸鈣的水分散體的粘度的方法、其中所述組合物含有10-50％的固體，所述碳酸鈣的平均表面積至少為60m2/g，該方法包括向所述碳酸鈣水分散體中加入0.1-50重量份的聚乙烯醇/100份碳酸鈣，所述聚乙烯醇的聚合度為150-300且87-89摩爾％被水解，和聚乙烯醇粒子的平均粒子尺寸為180μm或更小。
2.權利要求1的方法，其中聚乙烯醇的加入量是3-25份聚乙烯醇/100份碳酸鈣。
3.權利要求1的方法，其中聚乙烯醇的加入量是5-15份聚乙烯醇/100份碳酸鈣。
全文摘要
制備紙涂料組合物，該組合物在細粒子尺寸碳酸鈣的高固體水平下具有改進的低剪切粘度。低剪切粘度的改進通過如下方式達到在主要包含細粒子尺寸碳酸鈣的顏料粒子的淤漿中，溶解細粒子尺寸、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，當涂敷到紙基材上時，該組合物提供優(yōu)異的噴墨印刷性能。
文檔編號D21H21/50GK1554828SQ200410038
公開日2004年12月15日 申請日期2000年11月3日 優(yōu)先權日1999年11月5日
發(fā)明者J·R·伯伊蘭, J R 伯伊蘭 申請人:國際人造絲公司