SE519078C2 - Pigmentkomposition för bestrykning av papper samt framställning, användning av och papper uppvisande kompositionen - Google Patents

Description

sauna :runs 10 15 20 25 30 35 519 078 2 " i-Ifïf Éïflszs Kalciumkarbonat föreligger, som tidigare nämnts, i flera former vid användning som pigment. Mald marmor, mald krita och fälld kalciumkarbonat utgör de vanligaste for- merna. Den sistnänmda formen, fälld kalcium-karbonat, kallas oftast PCC, en förkort- ning av den engelska benämningen ”Precipitated Calcium Carbonate”. Användningen av PCC vid papperstillverkning har ökat under senare år och idag är PCC det dominerande fyllmedlet vid finpapperstillverkning i Sverige. Ett stort antal patent har publicerats som beskriver fiamställning av PCC och dess användning som fyllmedel i papper, t.ex. US 5,332,564.

Vid den vanligaste metoden för att framställa PCC utgår man fiån kalksten som upphet- tas och därvid övergår till bränd kalk. Den brända kalken får reagera med vatten och sålunda bildas kalciumhydroxid. Då sedan koldioxid leds in kalciumhydroxiden så faller kalciumkarbonat (PCC) ut som en fällning. Bl.a. genom att välja olika temperaturförhål- landen under den sistnämnda reaktionen kan man erhålla olika partikelformer av PCC av vilka de skalenoedriska och romboediska är de vanligast förekommande, men även andra partikelformer förekommer vid papperstillverkning.

Vid bestrykning av ett papper med hittills kända bestrykningsslarnrnor så ökar papperets densitet som en naturlig följd av den, järnfórt med cellulosafiber, höga densiteten hos de mineraliska pigrnenten. Detta medför bl.a. att papperets styvhet minskar eftersom styv- heten är en fimktion av E-modulen gånger tjockleken upphöjd i kubik.

I litteraturen finns det vidare ett flertal beskrivningar av hur silikapartiklar, som kan användas vid papperstillverkning, bildas genom surgörning av silikatlösning. Dessa Silikapartiklar benämns i litteraturen och patentskrifier bland armat som polykiselsyra, kiselsyrasoler, silikasoler, polymikrosilikatgeler, kolloidal silika, kolloidal kiseldioxid, aktiv kiseldioxid och kiseldioxidmikrogeler.

Framställning av Silikapartiklar beskrivs i boken ”Soluble Silicates” volym II, av James G.

Vail, publicerad 1960. Silikapartiklar kan framställas på ett flertal olika sätt, varvid ett av dessa sätt är att surgöra vattenhaltiga lösningar av alkalimetallsilikater med hjälp av syror, sura salter eller gaser. Det vanligast förekommande alkalimetallsilikatet är natri- umsilikatlösning, ofia benämnt ”vattenglas”, och exempel på surgörande ämnen som kan användas är svavelsyra, järnklorid och koldioxid. Denna metod att framställa silkapar- tiklar, som dessutom beskrivs i ett flertal patent varav EP 0 359 552 är ett, kan också utnyttjas för att täcka oorganiska partiklar med kiseldioxid. Detta beskrivs bland annat i Isis» vil.. 10 15 20 25 30 35 519 078 ií-äIiíizï-m' ' I åifrfm 3 US 5,340,3 93 och EP 0941 964, varvid det anges att även partiklar av kalciumkarbonat kan täckas med ett skikt av kiseldioxid. Då dessa metoder för att fiamställa kiseldioxid- partiklar är relativt omständliga och kostsamma förekommer de inte i någon nämnvärd, om ens någon, kommersiell omfattning.

Som ovan närrmts är alltså en av de viktigaste egenskapema hos papperet, som påverkas av bestrykningspigmentet, dess tryckbarhetsegenskaper.

Utöver de redan nämnda egenskaperna, såsom högre och jämnare tryckfärgs-absorption och en bättre bildåtergivning, som hittills gällt vid framför allt offset tryckning, har mer och mer arbete lagts ner för att åstadkomma bättre tryckbarhetsegenskaper vid använ- dande av s.k. bläckstråle(ink jet)skrivare. Ett papper som har goda tryckbarhetsegenska- per för bläckstråleskrivare karaktäriseras fiänist av följande: 0 Minimal eller obefintlig bläckutflytning utanför det tryckta objektet så att objektet ej erhåller ojämna och spretiga kanter. Objekten, tex. bokstäver om det är text som skrivs ut, upplevs som otydliga och suddiga om denna egenskap ej uppfylls.

Bläckutflytningen mäts med visuella metoder eller med hjälp av ett bildanalys- instrument. 0 Hög optisk densitet. Egenskapen mäts oftast med en optisk densitometer. 0 Minimalt genomtryck. Detta uppnås ej om en alltför kraftig penetration av bläckets pigment eller färgämnen in i papperet resulterar i att färgen syns på baksidan av papperet. Ett högt genomtryck resulterar ofia i låg optisk densitet. Genomtrycket mäts visuellt eller med en optisk densitometer. 0 Låg eller obefintlig så kallad blödning. Om bläck appliceras på en yta där redan bläck i en annan kulör har applicerats, så kan den ena färgen flyta i den andra. Detta problem, som orsakas av alltför långsam penetration in i papperet, benämns blöd- ning och uppmäts visuellt eller med hjälp av en densitometer.

För att åstadkomma ett papper med goda tryckbarhetsegenskaper för bläckstråleskrivare har den hittills kända tekniken erbjudit speciella, mycket dyra, pigment och vid använd- ning av billiga pigment såsom lera och kalciumkarbonat i olika fonner har man hittills inte uppnått tillfredställande egenskaper i detta hänseende. :arna 11.»- 10 15 20 25 30 35 519 0 7 8 4 REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att erbjuda en ny och förbättrad pigmentkomposition, medelst vilken ovan nänmda problem elimineras eller begränsas och/eller stora ekono- miska vinster erhålles. Ännu ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en ny pigmentkomposition som förbättrar papperets tryckbarhetsegenskaper vid användande av bläckstråleskrivare. Ännu ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en ny pigmentkomposition vilken ger papperet eller kartongen lägre densitet (högre bulk) och därmed högre styvhet än vad kända kompositioner kan åstadkomma. Typiskt uppvisar pigmentkompositionen enligt uppfinningen en densitet av 0,35 - 0,50 g/cm3, företrädesvis 0,35 - 0,45 g/cm3, vanligen omkring 0,36 - 0,42 g/cma i torrt tillstånd.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en ny och förbättrad pig- mentkomposition vilken ger papperet eller kartongen högre ljushet och/eller kan reduce- ra behovet av optiskt vitmedel.

Ett annat syfie med uppfinningen är att tillhandahålla papper eller kartong med förbätt- rade egenskaper.

Enligt uppfinningen uppnås dessa och andra syñen genom tillhandahållande av en pig- ment-komposition för bestrykning av papper eller kartong, i form av en vattenbaserad komposition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxid, där enskilda partiklar i pigmentkompositionen innefattar en, företrädesvis helt igenom, amorf bland- ning av kalciumkarbonat och kiseldioxid. Enligt uppfinningen har vidare denna pig- mentkomposition fiamställts genom reaktion av en alkalimetallsilikatlösning innefat- tande partiklar av kalciumhydroxid, med koldioxid.

Det har överraskande visat sig att man med medelst ovan nämnda komposition erhåller efiekter som avsevärt reducerar eller eliminerar många av de brister som kan samman- kopplas med den kända tekniken. Bland annat förbättras papperets tryckbarhetsegen- skaper, tjocklek, ljushet och opacitet. Mer specifikt förbättras papperets tryckbarhets- egenskaper vid användande av blâckstråleskrivare varvid bläckutflytningen minskar, optiska densiteten ökar, genomtrycket minskar och blödningen minskar eller elimineras. :niin l0 15 20 25 30 35 519 078 En teori är att de positiva, överraskande effekterna med uppfinningen beror på att pigmentkompositionens enskilda partiklar består av en företrädesvis helt igenom amorf kombination/blandning av kiseldioxid och kalciumkarbonat, vilket bland annat har som följd att pigmentkompositionen har en betydligt högre specifik yta än för fälld kalciumkarbonat eller en fyllmedelskomposition som är framställd enligt US 5,340,3 93, där kiseldioxiden enbart täcker en i ett tidigare skede bildad kärna av enbart kalciumkarbonat. En annan skillnad gentemot US 5,340,393 är att det där utnyttjas mineralsyra som surgörande medel.

Den höga specifika ytan hos pigrnentet enligt uppfinningen bidrar till dess höga brytningsindex som bestämmer pigmentets opacitetshöj ande förmåga.

Pigmentkompositionens höga specifika yta är troligen också orsaken till papperets förbättrade tryckegenskaper vid användande av bläckstråleskrivare då papperets absorption av bläcket förbättras på grund av ökat antal av kapillärer med mindre radie.

Enligt en speciell utföringsform av uppfinningen kan sättet för framställning av den uppfinningsenliga pigmentkompositionen vara i huvudsak det samma som beskrivs i US 5,332,654, med den skillnaden att slamman av kalciumhydroxid även innefattar alkalimetallsilikat. Enligt uppfinningen släcks därvid bränd kalk till kalciumhydroxid, i en vattenlösning som innefattar socker. Till den bildade slamman tillsättes alkalimetallsilikat och därefter bringas en koldioxidinnehållande gas att bubbla genom slamman, företrädesvis under omröming, tills pH sjunker till omkring ett pH av 6-9, företrädesvis 7-8 för karbonatisering under bildande av amorfa partiklar, med hög specifik yta, av helt igenom blandad kalciumkarbonat och kiseldioxid. Förhållandet kiseldioxid till kalciumkarbonat i de framställda partiklarna är lärnpligen 12100 - 20: 100. Även andra parametrar för den uppfinningsenliga metoden kan överensstämma med det som visas i US 5,3 32,654, varvid detta patent inkorporeras häri genom referens.

Enligt en aspekt av uppfinningen uppvisar de amorfa partiklarna av kalciumkarbonat och kiseldioxid till minst 80 %, företrädesvis minst 90 %, en partikelstorlek under 3 um, företrädesvis under 2 um.

Partikelformen hos de bildade partiklama av kalciumkarbonat och kiseldioxid kan varieras genom val av reaktionstemperatur. i 1:11» »uiir 10 15 20 25 30 35 519 078 6 vu noe Mängden socker som utnyttjas kan vara omkring 0,1-2 vikt-%, företrädesvis 0, l-0,3 vikt-%, räknat på vikten kalciumkarbonat plus kiseldioxid som skall framställas.

Sockret utgöres företrädesvis av en mono- eller disackarid, mer föredraget av sucros.

Sockrets funktion i sammanhanget är att det ger kalciumhydroxiden en något större specifik yta och att det påverkar lösligheten hos kalciumhydroxiden. Det kan också vara fallet att socker ej behövs i samband med uppfinningen, eftersom kiseldioxiden kan ha samma funktion som socker.

Enligt en aspekt av uppfinningen utgöres den koldioxidinnehållande gasen av en rökgas, eller av en gas som innefattar koldioxid som utvunnits ur rökgas, varvid halten av koldioxid i den koldioxidinnehållande gasen är 5-100 %. Alternativt kan koldioxiden tillföras i förrn av koldioxid i en vätska.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen utnyttjas pigmentkompositionen i en bestrykningskomposition som även innefattar ett bindemedel av konventionell typ, tex. en styren-butadienemulsion, en akrylatemulsion, stärkelse, polyvinylalkohol eller polyvinylacetat. Vanligen utnyttjas också en katjonaktiv polymer i mindre mängd.

EXEMPEL 1 Till en 15%-ig kalciumhydroxid-slamma, också innehållande 0,15%-ig sockerlösning, tillsattes en natriumsilikatlösning med ett SiOzlNazO-förhållande på 3,35 (molfcârhållande), 28,2 viktsprocent SiOg och 8,7 viktsprocent NazO så att förhållandet Ca(OH)2 till SiOz blev 8:1. Temperaturen hos blandningen var initialt 35°C. Till denna blandning med högt pH tillsattes koldioxidgas till dess att ca pH 7,5 uppnåddes. Den så erhållna pigmentkompositionen, med densiteten 0,39 kg/dms i torrt tillstånd, användes för att blanda en bestrykningssmet enligt följande recept: 100 delar pigment bestående av arnorf SiOz / PCC, med 90% av partiklarna understigande 2 mikrometer, framställd enligt ovan. 25 delar polyvinylalkohol 3 delar katjonaktiv polymer av typen polydadmac Med hjälp av en laboratoriebestrykare beströks ett papper med denna vattenslarnrna med 30% torrhalt. Pålägget uppmättes till 5 - 6 gram/mz och sida (torr vikt). Det, av denna smet bestrukna papperet, uppvisade påtagliga förbättringar då det gäller tjocklek, styvhet och tryckbarhetsegenskaper för bläckstrålesluivare, järníört med 3 stycken srnn- full» 519 078 ïšíšàišï šfiwß referenspapper bestrukna med bestrykningssmetar identiska med ovanstående fast där pigmentet istället bestod av: referens 1/ fälld kalciumkarbonat (PCC) . referens 2/ mald marmor. referens 3/ kalcinerad lera De i referensema använda pigmenten hade samma partikelstorleksfcördelrnng som SiOz / PCC-pigmentet.

Claims (9)

anna» »~.-> 10 15 20 25 30 35 519 078 3 PATENTKRAV

1. Pigmentkomposition för bestrykning av papper eller kartong, i form av en vattenbaserad komposition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxid, k ä n n et e c k n a d a v att enskilda partiklar i pigmentkompositionen innefattar en, företrädesvis helt igenom, amorf blandning av kalciumkarbonat och kiseldioxid.

2. Pigmentkomposition for bestrykning av papper eller kartong, i form av en vattenbaserad komposition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxid, k ä n n e t e c k n a d a v att den framställts genom reaktion av en alkalimetallsilikatlösning innefattande partiklar av kalciumhydroxid, med koldioxid.

3. Pigrnentkomposition enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att förhållandet kiseldioxid till kalciumkarbonat i partiklarna är 12100 - 20: 100.

4. Pigmentkomposition enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d av att den uppvisar en densitet av 0,35 - 0,50 g/cma, företrädesvis 0,35 - 0,45 g/cms, vanligen omkring 0,36 - 0,42 g/cm3 i torrt tillstånd.

5. Pigmentkomposition enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att de amorfa partiklarna av kalciumkarbonat och kiseldioxid till minst 80 %, företrädesvis minst 90 % uppvisar en partikelstorlek under 3 pm, företrädesvis under 2 pm.

6. Sätt att fi-arnställa en pigmentkomposition fór bestrykning av papper eller kartong, i fonn av en vattenbaserad komposition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxid, k ä n n e t e c k n a t a v att en alkalimetallsilikatlösning innefattande partiklar av kalciumhydroxid bringas att reagera med koldioxid.

7. Sätt enligt krav 6, k ä n n et e c k n a t a v att sagda reaktion med koldioxid drivs till ett pH av 6-9, foreträdesvis 7-8 i lösningen.

8. Sätt enligt något av kraven 6-7, kännete cknat av att den kalciumhydroxidinnehållande alkalimetallsilikatlösningen kontakteras med koldioxiden genom att en koldioxidinnehållande gas bringas att bubbla genom den 10 15 10. ll. 519 078 7 " :raw kalciumhydroxidinnehållande alkalimetallsilikatlösningen, eller genom att en koldioxidinnehållande vätska blandas med den kalciumhydroxidinnehållande alkalimetallsilikatlösningen. Sätt enligt krav 8, k ä n n e t e c k n at a v att sagda koldioxidinnehållande gas innehåller koldioxid i en mängd av 5-100 vol-%, varvid gasen företrädesvis utgöres av rökgas eller en gas som innefattar koldioxid som utvunnits från rökgas. Papper eller kartong, k ä n n et e c k n a t a v att det uppvisar ett bestrykningsskikt innefattande en pigmentkomposition enligt något av kraven 1-5 eller en pigmentkomposition som framställts medelst sättet enligt något av kraven 6-

9. Användning av en vattenbaserad komposition, innefattande partiklar av kalciumkarbonat och kiseldioxid, vari enskilda partiklar i kompositionen innefattar en, företrädesvis helt igenom, amorf blandning av kalciumkarbonat och kiseldioxid, som pigmentkomposition for bestrykning av papper eller kartong.