專利名稱：基材涂料組合物及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及著色的基材涂料組合物以及制造和使用此類組合物的方法。該涂料組合物包括包含聚乙烯醇聚合物和含硼化合物的增稠劑體系。
背景信息在許多產(chǎn)品應(yīng)用中，為基材提供涂層以便于在基材上印刷和/或改善基材的外觀。涂層的重要目的是提供沒有壓痕或谷槽的光滑基材表面。對(duì)在基材上印刷優(yōu)質(zhì)圖像和將油墨有效地轉(zhuǎn)移到基材上來說，光滑表面是必要的。光滑的基材表面通過用顏料涂料組合物涂覆基材表面來獲得。
該涂料組合物實(shí)際上是一種水分散體，其主要包括礦物顏料如粘土、碳酸鈣或氧化鈦，和天然蛋白質(zhì)例如酪蛋白或大豆蛋白質(zhì)的顏料粘結(jié)劑，淀粉，或合成聚合物乳液。通常通過高速涂覆機(jī)，如刮刀涂覆機(jī)、氣刀涂覆機(jī)、棒式涂覆機(jī)和輥式涂覆機(jī)將涂料組合物施涂到基材材料的連續(xù)網(wǎng)膜上。對(duì)于涂覆操作過程中色料的流動(dòng)性(或流動(dòng))來說，用于基材的涂料著色組合物的流動(dòng)性能具有顯著的重要性。這些流動(dòng)性常常通過增稠劑控制。
基材涂料組合物通常包括顏料、粘結(jié)劑如膠乳、以及用于強(qiáng)度、粘度控制和保水性的增稠劑。該涂料組合物常常也可以包括額外的組分如熒光增白劑、消泡劑、交聯(lián)劑等。該顏料通常是粘土基的，但也可以包括其它顏料組分如碳酸鈣、二氧化鈦和二氧化硅。常規(guī)的共粘結(jié)劑或增稠劑包括淀粉、蛋白質(zhì)和聚乙烯醇聚合物。
美國專利6,440,535公開了聚乙烯醇共聚物作為增稠劑在噴墨涂料組合物中的用途。美國專利5,494,509公開了包括多糖增稠劑的粘土顏料涂料組合物。美國專利6,746,713公開了包括聚乙烯醇聚合物和硼酸的噴墨記錄介質(zhì)涂料。該組合物用于制備吸墨層。美國專利4,877,686公開了一種噴墨記錄介質(zhì)，其中硼酸用作引入該介質(zhì)的粘結(jié)劑的凝膠劑。美國專利3,438,808公開了用包括聚乙烯醇和硼酸的組合物涂覆纖維素纖維網(wǎng)膜。
本發(fā)明的簡要描述本發(fā)明涉及涂料組合物，施涂該涂料組合物的方法，和包括該涂料組合物的商業(yè)制品。本文所述的涂料組合物對(duì)涂覆各種基材以改善基材的外觀和可印性是有用的。該涂料組合物包括可選自各種適合體系，包括粘土的顏料體系和增稠劑體系。該增稠劑體系包括聚乙烯醇聚合物和含硼化合物如硼酸。
經(jīng)發(fā)現(xiàn)該增稠劑體系對(duì)于通過凝膠化來增加涂料組合物的粘度是有用的并提供正保水性特性。該增稠劑體系用于提供在著色涂料組合物中所用的常規(guī)增稠劑體系的替代物。與常規(guī)增稠劑組合物相比，該增稠劑體系顯示有利的操作特性以及提供有吸引力的成本利益。
除了顏料和增稠劑體系之外，該涂料組合物還包括粘結(jié)劑如膠乳、淀粉、蛋白質(zhì)、聚乙烯醇聚合物和它們的混合物。
該涂料組合物還可以包括各種額外的組分如熒光增白劑、消泡劑和其它常規(guī)添加劑。
該涂料組合物的用途包括涂覆基材如紙和紙板以在該基材上提供光滑的可印刷表面。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及涂料組合物和該涂料組合物的施涂和使用方法。該涂料組合物包括與包括常規(guī)增稠劑的涂料組合物相比顯示有利的特性的獨(dú)特的增稠劑體系。該涂料組合物通常是包含溶解的固體的水溶液，這些固體包括顏料體系、粘結(jié)劑和增稠劑體系。在一個(gè)實(shí)施方案中，該水性涂料組合物包括大約60-95wt.％的總固體衍生自該顏料體系、大約4-35wt.％的總固體衍生自該粘結(jié)劑體系以及大約0.5-5wt.％的總固體衍生自該增稠劑體系。
在一個(gè)實(shí)施方案中，該涂料組合物包含大約40-67wt.％總固體。在第二個(gè)實(shí)施方案中，該涂料組合物包含大約45-63wt.％總固體。在第三個(gè)實(shí)施方案中，該涂料組合物包含大約50-60wt.％總固體。在一個(gè)實(shí)施方案中，該涂料組合物可以包含大約33-60wt.％水。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該涂料組合物可以包含大約38-55wt.％水。在第三個(gè)實(shí)施方案中，該涂料組合物可以包含大約40-50wt.％水。
該顏料體系可以選自任何對(duì)基材涂料組合物有用的顏料體系。例舉的合適顏料是涂料級(jí)粘土如高嶺土、二氧化鈦、碳酸鈣、硫酸鋇、滑石、硫酸鋅、硫酸鋁、氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)物、其它類似的材料、及其混合物的水性分散體。在一個(gè)實(shí)施方案中，顏料體系包含至少90wt.％粘土。
如上所述，顏料體系可以占涂料組合物的固體的大約60-95wt.％。在另一個(gè)實(shí)施方案中，顏料體系可以占涂料組合物總固體的大約70-85wt.％，粘結(jié)劑體系占組合物總固體的大約4-10wt.％，并且組合物總固體的大約0.5-5wt.％衍生自增稠劑體系。
粘結(jié)劑可以選自對(duì)粘結(jié)顏料顆粒和涂料組合物中的其它固體有用的任何適合的粘結(jié)劑。例舉的粘結(jié)劑是天然蛋白質(zhì)材料如酪蛋白或大豆蛋白質(zhì)、淀粉或合成聚合物乳液如膠乳材料，該膠乳材料包括苯乙烯丁二烯、丙烯酸類膠乳、乙酸乙烯酯膠乳或苯乙烯丙烯酸共聚物、或天然膠乳材料、聚乙烯醇聚合物材料。
增稠劑體系包括至少兩種組分。第一種組分是聚乙烯醇聚合物，第二種組分是含硼化合物。該聚乙烯醇聚合物可以是均聚物或共聚物，該共聚物包括至少一種共聚單體如乙烯、丙烯酸甲酯、乙烯胺、羧酸、支化烷基酸乙烯基酯如含5和9-11個(gè)碳原子的α-支化羧酸的乙烯基酯，其可以從Resolution Performance Products以品名VeoVa獲得，乙烯胺、其它共聚單體。
在一個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)本文所述的組合物、產(chǎn)品和方法，有用的聚乙烯醇聚合物具有以下特性大約300-4,000的聚合度、大約10,000-200,000的重均分子量、大約85-99.9摩爾％發(fā)生了水解。在另一個(gè)實(shí)施方案中，用重均分子為大約124,000-186,000的聚乙烯醇聚合物制備增稠劑體系。
該增稠劑體系中包含的含硼化合物組分可以選自各種材料。例舉的合適硼化合物是硼酸、硼酸甲酯、三氟化硼、硼酸酐、焦硼酸鹽、過硼酸鹽、硼烷、以及它們的混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，含硼化合物是硼酸。在另一個(gè)實(shí)施方案中，硼化合物是四硼酸鈉十水合物(硼砂)。可以將硼化合物添加到聚乙烯醇涂料配制劑中或者可以將它作為罩面層水溶液施涂到已經(jīng)形成的聚乙烯醇層上。
聚乙烯醇聚合物和含硼化合物結(jié)合用作增稠劑以控制涂料組合物的粘度。這一粘度調(diào)節(jié)通過硼酸離子和聚乙烯醇聚合物中的羥基之間形成配合物來提供。在大于8的pH值下，存在硼酸根離子并且該離子可以用來交聯(lián)和引起涂料組合物中的聚乙烯醇凝膠化。在更低的pH值下，該硼酸根被氫束縛并不可用于交聯(lián)，因此由硼酸根離子所引起的凝膠化是可逆的。通過將聚乙烯醇硼酸鹽化，可以制備凝膠的涂料組合物，其可以容易地施涂到和/或粘附于基材網(wǎng)膜上。
正如以上所討論，在一個(gè)實(shí)施方案中，涂料組合物的總固體可以包含大約0.5-5wt.％增稠劑體系固體。在另一個(gè)實(shí)施方案中，增稠劑體系固體可以占涂料組合物總固體的大約1-3wt.％。反過來，在一個(gè)實(shí)施方案中，該增稠劑體系的聚乙烯醇聚合物和含硼化合物組分的固體濃度又分別是該增稠劑體系總固體的大約94-99.98wt.％和大約0.02-6wt.％。在另一個(gè)實(shí)施方案中，聚乙烯醇聚合物和含硼化合物組分的固體濃度分別是增稠劑體系總固體的大約96-98wt.％和大約2-4wt.％。
在一個(gè)實(shí)施方案中，基于涂料組合物的顏料組分的固體重量，可以以大約0.001-0.03wt.％固體的濃度將含硼化合物引入涂料組合物中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，基于顏料組分的固體總重量，可以以大約0.015-0.025wt.％固體的濃度將含硼化合物引入涂料配制劑中。在又一個(gè)實(shí)施方案中，基于顏料體系的固體的總重量，可以以大約0.015-0.02wt.％固體的濃度將含硼化合物引入涂料配制劑中。
本文所述的增稠劑體系的作用與常規(guī)增稠劑如蛋白質(zhì)、羧甲基纖維素(CMC)、海藻酸納和堿可膨脹的或反應(yīng)性的聚丙烯酸酯相當(dāng)或好于它們。此外，本文所述的增稠劑體系可以比這些常規(guī)增稠劑低得多的成本獲得，從而為涂料組合物的制造商提供了相當(dāng)大的成本優(yōu)勢。
然而，本文所述的聚乙烯醇和含硼化合物增稠劑體系也可以與常規(guī)增稠劑如蛋白質(zhì)、羧甲基纖維素(CMC)、海藻酸納和堿可膨脹的或反應(yīng)性的聚丙烯酸酯結(jié)合。當(dāng)結(jié)合時(shí)，在一個(gè)實(shí)施方案中，聚乙烯醇和含硼化合物增稠劑體系占結(jié)合的增稠劑體系固體的大約50-99wt.％。在另一個(gè)實(shí)施方案中，聚乙烯醇和含硼化合物增稠劑體系占結(jié)合的增稠劑體系固體的大約60-80wt.％。
本文所述的增稠劑體系對(duì)制備在寬范圍內(nèi)具有可控制粘度的涂料配制劑是有用的。在一個(gè)實(shí)施方案中，涂料配制劑的粘度可以是大約2,700-19,000cps。在另一個(gè)實(shí)施方案中，涂料配制劑的粘度可以是大約2,700-10,0000cps。在第三個(gè)實(shí)施方案中，涂料配制劑的粘度可以是大約2,700-5,400cps。
本文所述的增稠劑體系對(duì)制備在寬的涂料組合物pH值范圍內(nèi)具有可控制粘度的涂料配制劑是有用的。在一個(gè)實(shí)施方案中，增稠劑體系在6.5-9.0的pH值范圍內(nèi)對(duì)控制涂料配制劑的粘度是有用的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，增稠劑體系在7.0-8.5的pH值范圍內(nèi)對(duì)控制涂料配制劑的粘度是有用的。
實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)制備具有以下組分的對(duì)比配制劑(1)83份1號(hào)粘土(2)16份乙烯乙酸乙烯酯膠乳(從Air Products and Chemicals，Inc.市購的Airflex 100HS)(3)1份CELVOL 325(粘度28-32cps@4％固體和20℃，且pH值為5.0-7.0，從Celanese Chemicals市購)(4)設(shè)定目標(biāo)是58％的總固體濃度。
使用該對(duì)比配制劑，進(jìn)行以下研究(1)基于干CELVOL 325的份數(shù)以1、1.5和2.0％(基于顏料體系固體0.01％、0.015％和0.02％的硼酸)將4％的硼酸溶液(10摩爾％結(jié)合水)添加到該對(duì)比配制劑中。重復(fù)這一程序三次以檢測再現(xiàn)性。
(2)制備2.0％NaOH和1.75％NH4OH的溶液作為pH值控制添加劑。
(3)進(jìn)行7.0-9.0的pH值梯度研究以觀察pH值對(duì)各種配制劑在粘度方面的影響。
用于研究的涂料配制劑#1和#2通過以下方法步驟制備
(1)首先將稀釋水和消泡劑添加到粘土漿料中。
(2)在高剪切混合下添加膠乳、聚乙烯醇聚合物和硼酸。
(3)在添加完成之后，將該涂料以1500rpm額外混合10分鐘。
(4)記錄初始pH值然后在連續(xù)混合下將pH值調(diào)節(jié)到7.3。
(5)在達(dá)到所需pH值之后，將該涂料色料額外混合5分鐘。
以下討論的用于pH值梯度研究的涂料配制劑通過前面的方法制備，不同之處在于(1)制備含Airflex HS100、PVOH和2.0％硼酸(基于干PVOH)的母料粘土漿料。
(2)用2.0％的NaOH將漿料的pH值調(diào)節(jié)到以下水平7.0、7.5、8.0、8.5和9.0。
在高剪切過程中和之后，檢測該配制劑的局部凝膠。在任何硼酸水平下沒有發(fā)現(xiàn)凝膠。對(duì)每個(gè)配制劑進(jìn)行以下試驗(yàn)pH值、微波固體和在60rpm下的布氏粘度。
實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的結(jié)果在

圖1、圖2和圖3中給出。圖1記錄了將含硼化合物添加到涂料配制劑的粘度增強(qiáng)作用。圖2證明了其中已添加含硼化合物的組合物的粘度相對(duì)于該組合物pH值的變化。圖3記錄了將含硼化合物添加到涂料配制劑的粘度增強(qiáng)作用的再現(xiàn)性。
如圖1所示，所評(píng)價(jià)的所有硼酸添加水平都表現(xiàn)為粘度增加。在0.02％硼酸下，涂料粘度比含NH4OH的對(duì)比配制劑高67％，且比含NaOH的制劑高117％。
對(duì)于涂料組合物的pH值，正如以上所討論，粘度調(diào)節(jié)通過硼酸離子和聚乙烯醇聚合物中的羥基之間的配合物的形成來提供。在大于8的pH值下，存在硼酸根離子并且該離子可以用來交聯(lián)并引起涂料組合物中的聚乙烯醇的凝膠化。在更低的pH值下，該硼酸根被氫束縛并不可用于交聯(lián)，因此由硼酸根離子所引起的凝膠化是可逆的。在pH值梯度研究中，該研究結(jié)果記錄在圖2中，硼酸水平是恒定的，為涂料組合物中顏料重量的0.02wt.％。根據(jù)圖3，可以看出隨著pH值增加到8.5，涂料組合物的粘度增加。從這一數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，在本文所述的涂料組合物的一個(gè)實(shí)施方案中，7.0-8.5的pH值是理想的。
圖3報(bào)道了對(duì)于圖1所述涂料組合物性能的可重復(fù)性。如圖3所示，制備了每次都顯示出了粘度性能的一致性的涂料組合物。可以看出，第四個(gè)數(shù)據(jù)組顯示在58.6的固體含量下涂料組合物具有非常高的粘度?？梢哉J(rèn)為，這一比其它粘度值高得多的粘度值由配制誤差或粘度測量誤差引起。
本文涉及的所有專利和出版物以其整體在此引入以供參考。
雖然詳細(xì)地描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)理解的是，在不脫離由以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變、替換和變化。
權(quán)利要求
1.一種基材涂料組合物，其包含(a)顏料體系，其占該涂料組合物總固體的大約60-95wt.％；(b)粘結(jié)劑，其占該涂料組合物總固體的大約4-35wt.％；(c)增稠劑體系，其占該涂料組合物總固體的大約0.5-5wt.％并包含(i)聚乙烯醇聚合物，其具有大約300-4,000的聚合度、大約10,000-200,000的分子量，并且大約88.0-99.9摩爾％發(fā)生了水解，該聚合物占該增稠劑體系總固體的大約94-99.98wt.％；和(ii)含硼化合物，其占該增稠劑體系總固體的大約0.02-6wt.％，其中該涂料組合物包含大約40-67wt.％的總固體。
2.權(quán)利要求1的基材涂料組合物，其具有大約2,700-10,000cps的粘度。
3.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其中該含硼化合物以占該顏料體系固體大約0.001-0.03wt.％的濃度存在。
4.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其中該顏料體系包含選自由粘土、二氧化鈦、碳酸鈣、硫酸鋇、滑石、硫酸鋅、或硫酸鋁的反應(yīng)產(chǎn)物、氧化鈣、及其混合物組成的組的材料并且其中該粘結(jié)劑包含膠乳。
5.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其具有7.0-8.5的pH值。
6.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其包含大約33-60wt.％的水。
7.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其具有大約45-63wt.％的總固體含量。
8.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其中該含硼化合物是硼酸并且以占該顏料體系總固體0.01-0.025wt.％的濃度存在。
9.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其中該顏料體系占該涂料組合物總固體的大約70-85wt.％，并且其中該顏料體系包含至少90wt.％的粘土以及其中該聚乙烯醇聚合物具有大約124,000-186,000的分子量。
10.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其中該粘結(jié)劑包含膠乳。
11.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求的基材涂料組合物，其中選自由蛋白質(zhì)、羧甲基纖維素、海藻酸納、聚丙烯酸酯、及其混合物組成的組的材料占該增稠劑體系固體的大約20-40wt.％。
12.一種涂覆的基材，其包括(1)基材；和(2)包含以下物質(zhì)的涂料(a)顏料體系，其占該涂料組合物總固體的大約60-95wt.％；(b)粘結(jié)劑，其占該涂料組合物總固體的大約4-35wt.％；(c)增稠劑體系，其占該涂料組合物總固體的大約0.5-5wt.％并包含(i)聚乙烯醇聚合物，其具有大約300-4,000的聚合度、大約10,000-200,000的分子量，并且大約88.0-99.9摩爾％發(fā)生了水解，該聚合物占該增稠劑體系總固體的大約94-99.98wt.％；和(ii)含硼化合物，其占該增稠劑體系總固體的大約0.02-6wt.％，其中該涂料組合物包含大約40-67wt.％的總固體。
13.權(quán)利要求12的涂覆的基材，其中該基材選自由紙板和紙組成的組。
14.權(quán)利要求12-13中任一項(xiàng)的涂覆的基材，其中該含硼化合物是硼酸，其以占該顏料體系固體大約0.01-0.03wt.％的濃度存在。
15.權(quán)利要求12-14中任一項(xiàng)的涂覆的基材，其中該顏料體系包含選自由粘土、二氧化鈦、碳酸鈣、硫酸鋇、滑石、硫酸鋅、或硫酸鋁的反應(yīng)產(chǎn)物、氧化鈣、及其混合物組成的組的材料。
16.權(quán)利要求14-15中任一項(xiàng)的涂覆的基材，其中該硼酸以占該顏料體系固體0.01-0.025wt.％的濃度存在。
17.權(quán)利要求12-16中任一項(xiàng)的涂覆的基材，其中該顏料體系包含至少90wt.％的粘土并且其中該聚乙烯醇聚合物具有大約124,000-186,000的分子量。
18.權(quán)利要求12-17中任一項(xiàng)的涂覆的基材，其中該基材由紙板組成。
19.一種涂覆基材的方法，其包括(1)用包含以下組分的涂料組合物涂覆該基材(a)顏料體系，其占該涂料組合物總固體的大約60-95wt.％；(b)粘結(jié)劑，其占該涂料組合物總固體的大約4-35wt.％；(c)增稠劑體系，其占該涂料組合物總固體的大約0.5-5wt.％并包含(i)聚乙烯醇聚合物，其具有大約300-4,000的聚合度、大約10,000-200,000的分子量，并且大約88.0-99.9摩爾％發(fā)生了水解，該聚合物占該增稠劑體系總固體的大約94-99.98wt.％；和(ii)含硼化合物，其占該增稠劑體系總固體的大約0.02-6wt.％，其中該涂料組合物包含大約40-67wt.％總固體；和(d)干燥該涂料組合物。
20.一種包含涂覆的基材的印刷基材產(chǎn)品，其包含(a)顏料體系，其占該涂料組合物總固體的大約60-95wt.％；(b)粘結(jié)劑，其占該涂料組合物總固體的大約4-35wt.％；(c)增稠劑體系，其占該涂料組合物總固體的大約0.5-5wt.％并包含(i)聚乙烯醇聚合物，其具有大約300-4,000的聚合度、大約10,000-200,000的分子量，并且大約88.0-99.9摩爾％發(fā)生了水解，該聚合物占該增稠劑體系總固體的大約94-99.98wt.％；和(ii)含硼化合物，其占該增稠劑體系總固體的大約0.02-6wt.％。
全文摘要
本發(fā)明提供了涂料組合物，施涂該涂料組合物的方法以及包括該涂料組合物的制品。該涂料組合物對(duì)涂覆各種基材以改善該基材的外觀和可印性是有用的。該涂料組合物包括顏料體系、粘結(jié)劑和增稠劑體系。該增稠劑體系包括聚乙烯醇聚合物和含硼化合物如硼酸。該涂料組合物顯示等于或優(yōu)于包含常規(guī)增稠劑的涂料組合物的粘度特性同時(shí)提供了優(yōu)于常規(guī)增稠劑體系的成本優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C09D123/08GK1972808SQ200580020703
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月24日
發(fā)明者G·D·米勒, C·L·威爾金斯 申請(qǐng)人:塞拉尼斯國際公司