專利名稱：紙張涂布顏料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紙張涂布顏料。更具體的說，本發(fā)明涉及包含經(jīng)過加工(“設(shè)計(jì)”)的微粒狀高嶺土和微粒狀碳酸鈣的紙張涂布組合物、該組合物的制備方法、該組合物在紙張涂布中的應(yīng)用以及用該組合物制備的涂布紙。在本說明書中，“紙”的概念包括紙、熟紙、卡片紙、紙板等。
背景技術(shù)：
涂布紙廣泛應(yīng)用于包括包裝、銅版紙、小冊(cè)子、雜志、目錄和活頁(yè)紙等產(chǎn)品。該涂布紙需要具有多種性質(zhì)，其中包括亮度、不透光度、紙張光澤度和印刷性能。
紙涂布組合物通常通過將微粒狀顏料材料與粘合劑及其他任選組分一起混合形成流動(dòng)的水懸浮液來制備。輕量涂布(LWC)紙通常在每個(gè)表面上以約5g/m2～13g/m2的涂布重量來涂覆，并且涂布紙的總克重，或單位面積的重量，通常在約49g/m2～約65g/m2的范圍內(nèi)。涂覆過程可以通過使用具有短停留時(shí)間涂布頭的涂布機(jī)很方便的完成，所述涂布機(jī)為這樣一種設(shè)備，其中在略微升高的壓力下，將涂布組合物的截留池與運(yùn)動(dòng)的紙幅接觸0.0004秒～0.01秒，隨后用拖刀將過量的涂布組合物除去。然而其他類型的涂布設(shè)備也可以用來制造輕量涂布紙。輕量涂布紙通常用于印刷雜志、目錄和廣告或者宣傳材料。涂布紙需要滿足表面光澤度和平滑度的特定標(biāo)準(zhǔn)。例如，該紙張通常需要具有至少約32個(gè)，并一直到約70個(gè)TAPPI(美國(guó)制漿造紙工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì))單位的光澤度值，并且Parker Print Surf(印刷表面粗糙度儀)值要在約0.5μm～約1.6μm的范圍內(nèi)。
超輕量涂布(ULWC)紙(也稱為輕輕量涂布(LLWC)紙)主要用于通過郵件方式寄送的目錄、廣告和宣傳材料，以節(jié)省郵寄費(fèi)用。每個(gè)面的涂布質(zhì)量通常在5g/m2到7g/m2之間?？酥赝ǔＴ诩s35g/m2～約48g/m2之間。
用于制備涂布組合物的一種非常重要的白色無機(jī)顏料為經(jīng)加工的微粒狀高嶺土，所述組合物用于制備輕量紙和超輕量紙。在英格蘭的德文郡和康沃爾郡，美國(guó)的喬治亞州以及南卡羅來州都有大儲(chǔ)量的高嶺土存在。重要儲(chǔ)量的高嶺土還出現(xiàn)于巴西，澳大利亞以及多個(gè)其他國(guó)家。高嶺土主要由礦物高嶺石以及較小比例的各種雜質(zhì)組成。高嶺石以六邊形薄片形狀的水合鋁硅酸鹽晶體的形式存在，但這些薄片趨向于彼此面對(duì)面地粘結(jié)在一起而形成疊層。單個(gè)薄片具有小于等于1μm平均直徑，但是疊層形式的高嶺石具有可達(dá)10μm或更大的等同球體直徑(esd)。一般來說，具有2μm或更大等同球體直徑的高嶺土顆粒都是以高嶺石薄片疊層的形式存在，而不是以單個(gè)薄片的形式存在。
WO-A-99/51815中描述了一種含有經(jīng)處理的微粒狀高嶺土的紙張涂布顏料，所述高嶺土的顆粒(i)粒徑分布為至少80重量％的顆粒的等同球體直徑小于2μm，并且不少于8重量％的顆粒的等同球體直徑小于0.25μm；(ii)形狀系數(shù)至少為45，其中所披露的內(nèi)容在此以參考的方式引入。
已知在紙張涂布顏料中，可以用微粒狀的碳酸鈣部分替代經(jīng)處理的高嶺土。
微粒狀碳酸鈣可以由自然資源或者通過人工合成而得到。人造碳酸鈣通常通過水溶液沉淀來得到。沉淀碳酸鈣(PCC)通常以三種不同的主要晶形而獲得熱力學(xué)不穩(wěn)定的六方碳鈣石晶形；方解石晶形，所述晶形最穩(wěn)定并且在自然界中含量最豐富；文石晶形，所述晶形在正常環(huán)境溫度和壓力條件下是亞穩(wěn)定的，但當(dāng)溫度升高時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為方解石。
所述文石晶形通常會(huì)結(jié)晶成為長(zhǎng)而細(xì)的針(針形)，其長(zhǎng)度∶直徑比通常為約10∶1，但方解石晶形則以多種不同的形態(tài)存在，其中最常見的是菱面體型，在其中晶體的長(zhǎng)度和直徑近似相等，并且晶體可以聚集也可以不聚集；斜三角面體型，在其中晶體類似于具有兩個(gè)頂點(diǎn)的雙棱錐，其長(zhǎng)度∶直徑比通常大約為4∶1，而且通常會(huì)發(fā)生聚集。所有的這些形態(tài)的碳酸鈣都可以通過適當(dāng)改變生產(chǎn)條件來對(duì)石灰水溶液進(jìn)行碳酸化得到。
通過本領(lǐng)域所熟知的方法將碳酸鈣碾碎以制備微粒狀研磨碳酸鈣(GCC)。GCC顆粒通常為球形。
將高嶺土與文石形態(tài)的沉淀碳酸鈣的混合物應(yīng)用于紙涂層在本領(lǐng)域中是已知的。在20世紀(jì)60年代的早期，Hagemeyer針對(duì)不同的顏料混合物進(jìn)行了研究，其中包括高嶺土/文石混合物(TAPPI，1960年3月，第43卷，第3期，第277～288頁(yè)；和TAPPI，1964年2月，第47卷，第2期，第75～77頁(yè))。Crawshaw等在1982 TAPPI Coating Conference Proceedings(1982年TAPPI涂料會(huì)議論文集)143～164(1982)中描述了沉淀碳酸鈣的形狀對(duì)于高嶺土-沉淀碳酸鈣紙涂布混合物的某些性質(zhì)的影響。美國(guó)專利No.5833747(Bleakley等)同樣描述了不同的高嶺土/文石混合物，其中所述文石用特殊的方法來制備，在所述方法中將含有沉淀碳酸鈣的懸浮液至少進(jìn)行部分脫水，并使用研磨介質(zhì)通過高剪切研磨將其粉碎。WO-A-00/66509和WO-A00/66510(Lyons等)描述了不同的高嶺土/沉淀碳酸鈣的混合物，在其中使用了“塊狀的”高嶺土，所謂“塊狀的”是指形狀系數(shù)小于20。所有這些參考文獻(xiàn)所披露的內(nèi)容在此以參考的方式引入。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)用紙涂布組合物對(duì)紙進(jìn)行涂覆之后，紙的性能將會(huì)得到改善，所述紙涂布組合物包括顏料，所述顏料含有選定的微粒狀的經(jīng)處理的水合高嶺土和選定的微粒狀碳酸鈣。特別是，當(dāng)與涂層顏料中只含有所述混合物中的單個(gè)組分的紙張相比較時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述紙張對(duì)光澤度、不透光度、亮度和光滑度，或所述參數(shù)中的至少幾個(gè)，具有協(xié)同的改善作用。
依照本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于在紙和其他基材上形成光澤涂層的涂料組合物，所述組合物含有微粒狀顏料與粘合劑的水懸浮液，其中所述微粒狀顏料含有(a)第一組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，所述沉淀碳酸鈣主要由文石型或菱面體型顆粒組成，或者主要由文石∶菱面體重量比為約40∶60～約60∶40(例如約50∶50)的文石型和菱面體型顆粒組成，所述第二組分為經(jīng)處理的水合微粒狀高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約25的形狀系數(shù)且大于等于約20的陡度；或(b)第一組分和第二組分，所述第一組分為細(xì)微粒狀碳酸鈣，其中主要含有大體呈球形的顆粒，所述第二組分是經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約45的形狀系數(shù)且平均等同顆粒直徑(d50)小于約0.5μm；或(c)第一組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，其中主要含有文石型和菱面體型顆粒，其中文石∶菱面體重量比為約40∶60～約60∶40(例如約50∶50)，所述第二組分為經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，其形狀系數(shù)為小于約25。
所述涂布組合物可以任選地包括其他組分，在下面將會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的討論。
在微粒狀顏料中，所述第一組分和第二組分適宜以至少為10∶90的第一組分∶第二組分的重量比而存在，優(yōu)選高于約40∶60，例如約50∶50。優(yōu)選第一組分∶第二組分的重量比不超過80∶20，更典型不要超過75∶25或60∶40。
本發(fā)明還涉及制備本發(fā)明的所述涂布組合物的方法；用來制備所述涂布組合物的顏料混合物；制備涂覆有所述涂布組合物的紙的方法；用所述涂布組合物涂覆的紙。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，本發(fā)明的涂布紙是涂布機(jī)械木漿紙(或者木質(zhì)紙)，特別是輕量涂布紙。
具體實(shí)施例方式
顆粒狀顏料——第一組分(碳酸鈣)本發(fā)明中所使用的碳酸鈣組分可以很容易地通過商購(gòu)得到，或可以通過本領(lǐng)域所熟知的方法制備。
商購(gòu)材料的實(shí)例包括碳酸鹽A其中主要含有文石晶體形態(tài)。典型的顆粒尺寸分布如下96.1重量％小于2μm；22.4重量％小于0.25μm。GE亮度為94～98，且d50為0.3～0.5μm。該材料為OptiCalGlossTM，可以從申請(qǐng)人處得到。
碳酸鹽B其中主要含有菱面體晶體形態(tài)。典型的顆粒尺寸分布如下98.5重量％小于2μm；6.9重量％的顆粒小于0.25μm。GE亮度為95～98，且d50為0.5～0.7μm。該材料為OptiCalPrintTM，可以從申請(qǐng)人處得到。
碳酸鹽C這是一種超細(xì)研磨碳酸鈣，其中主要含有大體呈球形的顆粒。典型的顆粒尺寸分布如下93重量％的顆粒小于2μm。GE亮度為96.9。該材料為Carbital95TM，可以從申請(qǐng)人處得到。
碳酸鹽D其中主要含有文石晶體形態(tài)。典型的顆粒尺寸分布如下99重量％小于2μm；96重量％小于1μm；75重量％小于0.5μm；32重量％小于0.25μm。ISO粉末亮度為94.3。
碳酸鹽E其中主要含有菱面體晶體形態(tài)。典型的顆粒尺寸分布如下98重量％小于2μm；90重量％小于1μm；39重量％小于0.5μm；6重量％小于0.25μm。ISO粉末亮度為95.5。該材料為Albaglos STM，可從SMI得到。
碳酸鹽F其中主要含有文石晶體形態(tài)。典型的顆粒尺寸分布如下91重量％小于2μm；72重量％小于1μm；58重量％小于0.5μm；26重量％小于0.25μm。ISO粉末亮度為94.3。
碳酸鹽G這是輕度研磨(65kWh/t)的碳酸鹽F。其中主要含有文石晶體形態(tài)。典型的顆粒尺寸分布如下96重量％小于2μm；86重量％小于1μm；69重量％小于0.5μm；30重量％的顆粒小于0.25μm。ISO粉末亮度為92.5。
碳酸鹽H這是充分研磨(180～200kWh/t)的碳酸鹽F。
碳酸鹽I其中主要含有菱面體晶體形態(tài)。典型的顆粒尺寸分布如下98重量％小于2μm；89重量％小于1μm；55％小于0.5μm；18重量％小于0.25μm。ISO粉末亮度為95.9。該材料是Faxe Rhombo(0.5μm)TM，可以從Faxe得到。
碳酸鹽J典型的顆粒尺寸分布如下99重量％小于2μm；96重量％小于1μm；75重量％小于0.5μm；26重量％小于0.25μm。ISO粉亮度為93.8。其可以通過將碳酸鹽F砂磨來制備。
碳酸鹽K這是一種細(xì)研磨碳酸鈣，其中主要含有大體呈球形的顆粒。典型的顆粒尺寸分布如下90重量％的顆粒小于2μm且65重量％的顆粒小于1μm。亮度為97(GE)或95(ISO)且d50為0.7μm。該材料為Carbital90TM，可以從申請(qǐng)人處得到。
碳酸鹽L這是一種細(xì)研磨碳酸鈣，其中主要含有大體呈球形的顆粒。典型的尺寸分布如下97～99重量％的顆粒小于2μm；87～90重量％的顆粒小于1μm。亮度為96(GE)或94(ISO)且d50為0.4μm。該材料是CarbiluxTM，可以從申請(qǐng)人處得到。
碳酸鹽M這是經(jīng)研磨的文石型沉淀碳酸鈣，其中主要含有文石晶體形態(tài)。典型的顆粒尺寸分布如下98重量％小于2μm；94重量％小于1μm；75重量％小于0.5μm；30重量％小于0.25μm。ISO粉末亮度為93.7。
制備沉淀碳酸鈣(PCC)的方法通常包括用(i)石灰和二氧化碳、(ii)石灰和蘇打、(iii)索爾韋(Solvay)法沉淀制備。用于制備文石或菱面體PCC的首選方法是第一種方法，并且包括將含有石灰的水性介質(zhì)碳酸化以得到PCC的水性懸浮液的步驟。在沉淀過程中，為了得到主要為優(yōu)選晶體所需的操作條件是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
例如，主要可以通過如下方法使文石晶形沉淀下來含有石灰的水性介質(zhì)通過將生石灰與水在不超過60℃的情況下進(jìn)行混合制備，以在水溫升高不超過80℃的條件下得到每升含有0.5～3.0摩爾氫氧化鈣的水性懸浮液，然后將所得到的熟石灰懸浮液冷卻到30℃～50℃，隨后將含有二氧化碳的氣體通過冷卻后的懸浮液進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，通氣速度為每摩爾氫氧化鈣每分鐘不超過0.02摩爾二氧化碳，以沉淀懸浮液中的碳酸鈣，同時(shí)將其溫度維持在30℃～50℃之間，直到pH值下降到7.0～7.5的范圍內(nèi)。
以水性懸浮液形式存在的沉淀產(chǎn)物優(yōu)選具有不超過500mPa·s的粘度值(通過布氏粘度計(jì)使錠子的轉(zhuǎn)速為100rpm進(jìn)行測(cè)量)，并優(yōu)選為可用泵抽取的、可流動(dòng)的漿液。
可以對(duì)最初形成的含有沉淀產(chǎn)物的水性懸浮液進(jìn)行處理，以便將水性基底介質(zhì)與沉淀產(chǎn)物固體部分或全部分開，例如使用傳統(tǒng)的諸如過濾、沉淀、離心或蒸發(fā)等分離方法。使用壓濾機(jī)進(jìn)行過濾是優(yōu)選的。在例如造紙廠里，可以對(duì)分離后的水性介質(zhì)(例如，水)進(jìn)行循環(huán)再利用(例如，用來稀釋造紙?jiān)匣蛘咦鳛橄礈鞕C(jī)器的洗滌液)，選擇性地，可以使用一種或多種本身已知的化學(xué)、生化或機(jī)械方法對(duì)分離后的水性介質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步純化或凈化。通過進(jìn)行取樣測(cè)試對(duì)所分離的固體進(jìn)行評(píng)估，以便于實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，隨后將其轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)存罐中，然后在用戶應(yīng)用當(dāng)中，例如在本發(fā)明中，按照使用所需進(jìn)行供給。在用戶的工廠里可以對(duì)含有懸浮液的固體重新稀釋以便于使用。
在用戶應(yīng)用當(dāng)中，例如在造紙廠使用中，在投入使用之前沒有必要對(duì)含有沉淀碳酸鈣產(chǎn)物的水懸浮液進(jìn)行脫水。水懸浮液或漿液可以不必經(jīng)過充分脫水即可裝入儲(chǔ)存罐中或直接運(yùn)輸?shù)接脩舻墓S里。
沉淀碳酸鈣具有小于約0.8μm的d50，例如小于約0.7μm，且適宜地至少為約0.2μm，例如為約0.25μm～0.45μm。
根據(jù)本發(fā)明的顏料產(chǎn)品中的碳酸鈣組分具有如下顆粒尺寸分布至少90重量％的顆粒的等同球體直徑小于2μm。這里所使用的參數(shù)等同球體直徑(esd)以熟知的方法通過使用Sedigraph 5100儀在水性介質(zhì)中在充分分散的情況下由微粒狀材料的沉淀來測(cè)定，所述Sedigraph 5100儀由美國(guó)喬治亞州Norcross的Micromeritics Instruments Corporation(電話+1 770 6623620；網(wǎng)址www.micromeritics.com)所提供，這里稱為“MicromeriticsSedigraph 5100單元”。該儀器提供測(cè)量值，并且能夠提供具有低于給定等同球體直徑的顆粒的重量百分?jǐn)?shù)積分曲線。
本發(fā)明中所使用的沉淀碳酸鈣，如果主要是文石形態(tài)，則在充分分散的狀態(tài)下顆粒尺寸分布為，重量百分比為P的顆粒具有小于xμm的尺寸，其中x分別為2μm、1μm、0.5μm、0.25μm，具體分布如下
x(μm)P(％)2 至少901 至少750.5 至少600.25 15～40例如本發(fā)明中所使用的沉淀碳酸鈣可以具有如下的粒徑分布x(μm)P(％)2 至少951 至少820.5 至少660.25 23～33作為選擇，本發(fā)明中所使用的沉淀碳酸鈣，如果主要是菱面體形態(tài)，則在充分分散的狀態(tài)下顆粒尺寸分布為，重量百分比為P的顆粒具有小于xμm的尺寸，其中x分別為2μm、1μm、0.5μm、0.25μm，具體分布如下x(μm)P(％)2 至少931 至少860.5 至少220.25 5～25
例如本發(fā)明中所使用的沉淀碳酸鈣可以具有如下的粒徑分布(x和P如上定義)x(μm) P(％)2 至少971 至少900.5 至少250.256～19該菱面體沉淀碳酸鈣的中值等同粒徑可以在約0.4μm～約0.6μm之間。
本發(fā)明組合物中所使用的沉淀碳酸鈣具有至少為90的GE粉末亮度，例如至少92。
在實(shí)踐中，沉淀碳酸鈣的晶形不可能100％地為任何所選形態(tài)。對(duì)于一種晶形，作為主要成分與其他形態(tài)相混合是很常見的。典型地，期望超過50重量％的顆粒為選定形態(tài)，例如超過60重量％，更優(yōu)選為80重量％。該混合形態(tài)通常可以賦予產(chǎn)物以合適的性質(zhì)。當(dāng)使用“主要”這個(gè)詞匯來描述顆粒形狀或者晶體形態(tài)的時(shí)候，應(yīng)該按照如下方式理解，例如沉淀碳酸鈣“主要為文石”，那么其中可以含有不超過50重量％的一種或多種其他顆粒形狀或晶形，例如菱面體。
在本發(fā)明中，文石晶形一般為優(yōu)選。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明需要文石和菱面體形狀的混合物時(shí)，可以通過傳統(tǒng)的混合技術(shù)來制備。
細(xì)的球形碳酸鈣(研磨碳酸鈣或GCC)是由天然或者沉淀碳酸鈣通過本領(lǐng)域所熟知的碾碎方法制得的。這里所使用的“細(xì)”是指在產(chǎn)物中，至少有80重量％的顆粒具有小于2μm的等同球體直徑，因此也包擴(kuò)術(shù)語(yǔ)“超細(xì)”。
顆粒顏料——第二組分(經(jīng)處理的高嶺土)正如下面所詳細(xì)描述的，本發(fā)明中所使用的經(jīng)處理的高嶺土都是很容易地通過商購(gòu)得到，或可以通過本領(lǐng)域所熟知的方法制備。本發(fā)明組合物中所使用的高嶺土組分適宜為具有高亮度的高嶺土，例如GE粉末亮度至少是85，例如至少為90。
高嶺土的形狀系數(shù)與低形狀系數(shù)的高嶺土相比，高形狀系數(shù)的高嶺土被認(rèn)為更加“扁平”。這里所使用的“形狀系數(shù)”為對(duì)于具有不同尺寸和形狀的顆粒的總體，所測(cè)量的其平均顆粒直徑與平均顆粒厚度之比的平均值(在重量平均的基礎(chǔ)上)，采用GB-A-2240398/US-A-5128606/EP-A-0528078中所描述的電導(dǎo)法和設(shè)備并采用這些專利說明書中所列方程進(jìn)行所述測(cè)量?！捌骄w粒直徑”定義為與顆粒最大表面的面積相等的圓的直徑。在EP-A-0528078中所描述的測(cè)量方法中，通過使所述顆粒充分分散的水性懸浮液流過長(zhǎng)管來測(cè)定其電導(dǎo)率。所述電導(dǎo)率的測(cè)量是在(a)沿著管的縱向軸彼此分開的一對(duì)電極，與(b)沿著管的橫向軸彼此分開的一對(duì)電極之間進(jìn)行，被測(cè)微粒材料的形狀系數(shù)可以由所測(cè)得的兩個(gè)電導(dǎo)率的差值來確定。
正如上面所說，本發(fā)明中所使用的微粒狀高嶺土的形狀系數(shù)可以大于、等于或小于約25，或者可以大于等于約45，這取決于涂布組分的第一組分的性質(zhì)。當(dāng)形狀系數(shù)大于約25時(shí)，優(yōu)選大于約30，更優(yōu)選大于約35。當(dāng)形狀系數(shù)小于約25時(shí)，優(yōu)選為約5～約20。
高嶺土的平均等同顆粒直徑對(duì)于微粒狀高嶺土，這里所指的平均等同顆粒直徑(d50值)和其他粒度性質(zhì)均由使用Micromeritics Sedigraph 5100單元在水性介質(zhì)中在充分分散的條件下對(duì)顆粒材料的沉淀進(jìn)行測(cè)量得到。平均等同顆粒直徑d50為由以下方法所確定的顆粒的等同球體直徑值，值表示有50重量％的顆粒的等同球體直徑小于d50值。
本發(fā)明中所使用的微粒狀高嶺土的d50值可以小于、等于或大于約0.5μm，這取決于第一組分的性質(zhì)。當(dāng)所述微粒狀高嶺土的d50大于等于0.5μm時(shí)，在約0.5μm～約1.5μm是合適的。當(dāng)所述微粒狀高嶺土的d50小于等于約0.5μm時(shí)，在約0.1μm～約0.5μm是合適的。
當(dāng)所使用的高嶺土具有小于約25的形狀系數(shù)時(shí)，優(yōu)選高嶺土具有小于約0.5μm的d50，例如為約0.1μm～約0.3μm。
高嶺土的陡度高嶺土顆粒的“陡度”是表征高嶺土顆粒粒徑分布的參數(shù)，定義為d30/d70×100，其中d30是指的顆粒的等同球體直徑，此時(shí)30重量％的顆粒的等同球體直徑小于該d30值；d70是指等同球體直徑，此時(shí)70重量％的顆粒的等同球體直徑小于該d70值。
本發(fā)明中所使用的微粒狀高嶺土的陡度小于、等于或大于約20，這主要取決于第一組分的性質(zhì)。當(dāng)微粒狀高嶺土的陡度大于約20的時(shí)候，優(yōu)選為約25～45，例如為約35～約45，并且通常小于約40。
高嶺土的制備本發(fā)明中所使用的微粒狀高嶺土是由天然材料(即未經(jīng)加工的天然高嶺土礦石)經(jīng)過加工制備。經(jīng)過加工的高嶺土中通常含有至少50重量％的高嶺石。例如，作為主導(dǎo)產(chǎn)品的大多數(shù)經(jīng)過加工的高嶺土中含有大于75重量％的高嶺石，并且可以超過90％，在某些情況下則含有超過95重量％的高嶺石。
可以采用一種或多種本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法由未經(jīng)加工的天然高嶺土礦石制備本發(fā)明中所使用的經(jīng)過處理的高嶺土，例如通過已知的精煉或者選礦步驟。
例如，可以使用還原漂白劑來漂白高嶺土礦石，例如亞硫酸氫鈉。如果使用亞硫酸氫鈉，可選地將漂白后的高嶺土直接脫水，可選地進(jìn)行洗滌并可選地再次脫水。
應(yīng)該對(duì)高嶺土礦石進(jìn)行處理以除去其中的雜質(zhì)，例如通過本領(lǐng)域熟知的絮凝或者磁分離技術(shù)。
制備本發(fā)明中所使用的微粒狀高嶺土的方法還可以包括一步或多步粉碎步驟，例如磨碎或碾碎。使用輕度粉碎的粗高嶺土可以使其適當(dāng)?shù)胤謱?。可以通過使用塑料(例如尼龍)小珠或顆粒、研磨或碾磨輔助工具來實(shí)現(xiàn)粉碎。對(duì)粗高嶺石可以使用眾所周知的方法進(jìn)行提煉以除去雜質(zhì)和改進(jìn)其物理性能?？梢允褂靡阎牧６确旨?jí)方法對(duì)高嶺土進(jìn)行處理，例如篩選和/或離心來得到具有所需d50值或顆粒尺寸分布的顆粒。
高嶺土的例子大量的微粒狀高嶺土可以通過商購(gòu)得到，它們均具有所需的粒度和形狀系數(shù)。作為選擇，本發(fā)明所使用的微粒狀高嶺土可以很容易用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的方法由市售高嶺土制備，以達(dá)到所需的粒度和形狀系數(shù)。
下面對(duì)下列本發(fā)明中所使用的經(jīng)過處理的水合微粒狀高嶺土進(jìn)行介紹。他們將在下面的實(shí)施例中使用粘土A形狀系數(shù)為大約25～35，d50值為0.58μm，且陡度為27。典型的顆粒尺寸分布如下83重量％小于2μm；66重量％小于1μm；47重量％小于0.5μm；24重量％小于0.25μm。GE亮度是88.9。該粘土由申請(qǐng)人以AstraplateTM銷售。
粘土B形狀系數(shù)為約33，d50值為0.41μm，且陡度為36。典型的顆粒尺寸分布如下94重量％小于2μm；82重量％小于1μm；60重量％粒小于0.5μm；30重量％小于0.25μm。ISO亮度是86.8。
粘土C形狀系數(shù)為約33，d50值為0.62μm，且陡度為43。典型的顆粒尺寸分布如下92重量％小于2μm；73重量％小于1μm；38重量％小于0.5μm；14重量％小于0.25μm。ISO亮度是89.1。該粘土由申請(qǐng)人以SupraprintTM出售。
粘土D形狀系數(shù)為約56，d50值為0.41μm，且陡度為32。典型的顆粒尺寸分布如下92重量％小于2μm；78.5重量％小于1μm；59重量％小于0.5μm；31重量％小于0.25μm。GE亮度是88.2。該粘土由申請(qǐng)人以Contour 1500TM出售。
粘土E形狀系數(shù)為約58，d50值為0.46μm，且陡度為36。典型的顆粒尺寸分布如下92重量％小于2μm；78重量％小于1μm；55.5重量％小于0.5μm；24.5重量％小于0.25μm。GE亮度是88.4。
高嶺土F形狀系數(shù)為約25，d50值為0.49μm，且陡度為24.4。典型的顆粒尺寸分布如下82重量％小于2μm；68重量％小于1μm；50重量％小于0.5μm；27重量％小于0.25μm。GE亮度是88.1。
粘土G形狀系數(shù)為約25～30，d50值為0.44μm，且陡度為36。典型的顆粒尺寸分布如下93重量％小于2μm；80重量％小于1μm；56重量％小于0.5μm；27重量％小于0.25μm。GE亮度是87.0。該粘土由申請(qǐng)人以Supragloss 95TM出售。
粘土H形狀系數(shù)為約25～30，d50值為0.45μm，且陡度為30。典型的顆粒尺寸分布如下90重量％小于2μm；76重量％小于1μm；54重量％小于0.5μm；30重量％小于0.25μm。GE亮度是87.0。
粘土I這是“塊狀的”(低形狀系數(shù))紙涂布高嶺土顏料。形狀系數(shù)為約12，d50值為0.53μm，且陡度為47。典型的顆粒尺寸分布如下95.6重量％小于2μm；20.5重量％小于0.25μm。GE亮度是89.6。該粘土由申請(qǐng)人以Astra-PIusTM出售。
粘土J這是“塊狀的”(低形狀系數(shù))紙涂布高嶺土顏料。形狀系數(shù)為約11，d50值為0.18μm，且陡度為36.9。典型的顆粒尺寸分布如下99重量％小于2μm；98重量％小于1μm；92重量％小于0.5μm；65重量％小于0.25μm。GE亮度是91.3。該粘土由Huber以Hubertex 91TM出售。
粘土K這是“塊狀的”(低形狀系數(shù))紙涂布高嶺土顏料。形狀系數(shù)為約7.8，d50值為0.26μm，且陡度為37.3。典型的顆粒尺寸分布如下100重量％小于2μm；99重量％小于1μm；89重量％小于0.5μm；51重量％小于0.25μm。GE亮度是87.7。該粘土由Cadam SA(巴西)以Amazon 88TM出售。
粘合劑本發(fā)明中所使用的粘合劑可以從本領(lǐng)域所熟知的粘合劑中選擇。所述粘合劑可以占組合物固體含量的4重量％～30重量％，例如8重量％～20重量％，尤其是8重量％～15重量％。所使用的量取決于組合物以及粘合劑的類型，所述粘合劑本身可以包括一種或多種組分。
合適的粘合劑的例子包括(a)淀粉含量典型為約4重量％～約20重量％。這些淀粉可以適宜地來自于天然淀粉，例如從已知的植物源例如小麥、玉米、馬鈴薯或木薯粉等得到的天然淀粉。當(dāng)以淀粉作為粘合劑組分時(shí)，可以采用本領(lǐng)域熟知的一種或多種化學(xué)處理方法對(duì)所述淀粉進(jìn)行處理。例如，可以對(duì)淀粉進(jìn)行氧化，將淀粉中的一些-CH2OH基團(tuán)轉(zhuǎn)化為-COOH基團(tuán)。在某些情況下，所述淀粉中可以含有少部分的乙酰基(-COCH3)。作為選擇，可以用化學(xué)方法處理淀粉使其呈現(xiàn)陽(yáng)離子性或者兩性，即同時(shí)具有正電荷和負(fù)電荷。通過用例如-OCH2CH2OH、-OCH2CH3和-OCH2CH2CH2OH取代淀粉中的一些-OH可以將淀粉轉(zhuǎn)化為淀粉醚，或者轉(zhuǎn)化為羥烷基淀粉。另一類的經(jīng)過化學(xué)處理的淀粉已知為淀粉磷酸酯。作為選擇，可以使用稀酸或酶來水解未經(jīng)加工的淀粉以產(chǎn)生糊精類膠。本發(fā)明組合物中所使用的淀粉粘合劑的量基于顏料的干重優(yōu)選為約4重量％～約25重量％。淀粉粘合劑可以與其它一種或者多種粘合劑聯(lián)合使用，例如膠乳或聚乙酸乙烯酯或聚乙醇烯型的合成粘合劑。當(dāng)?shù)矸壅澈蟿┡c例如合成粘合劑等另一種粘合劑聯(lián)合使用時(shí)，基于顏料的干重，淀粉粘合劑的量?jī)?yōu)選為約2重量％～約20重量％，合成粘合劑的量?jī)?yōu)選為約2重量％～約12重量％。優(yōu)選至少50重量％的粘合劑混合物含有改性或者未改性的淀粉。
(b)膠乳含量典型為約4重量％～約20重量％。所述膠乳可以含有例如苯乙烯丁二烯橡膠膠乳、丙烯酸聚合物膠乳、聚乙酸乙烯酯膠乳或者苯乙烯丙烯酸共聚物膠乳。
(c)其它粘合劑含量典型為約4重量％～約20重量％。其它粘合劑的例子包括蛋白質(zhì)粘合劑，例如酪蛋白或者大豆蛋白；聚乙烯醇。
如果需要，任何上述的粘合劑和粘合劑的類型都可以單獨(dú)使用或者彼此和/或與其它粘合劑一起混合使用。
組合物的選擇性添加的組分如果需要，根據(jù)本發(fā)明的涂布組合物可以含有一種或多種選擇性添加的組分。該添加組分，如果存在，可以適宜地從已知的用于紙涂布組合物的添加劑中選擇。用于紙涂布的不同類型的選擇性添加劑實(shí)例如下(a)一種或者多種交聯(lián)劑例如含量可達(dá)約5重量％；諸如乙二醛、三聚氰胺甲醛樹脂、碳酸鋯銨；(b)一種或者多種保水助劑例如含量可達(dá)約2重量％；例如羧甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素、PVOH(聚乙烯醇)、淀粉、蛋白質(zhì)、聚丙烯酸酯、膠質(zhì)類、藻酸酯、聚丙烯酰胺膨潤(rùn)土，以及其他市售的用于此用途的產(chǎn)品。
(c)一種或者多種粘度調(diào)節(jié)劑和/或增稠劑例如含量可達(dá)約2重量％；例如丙烯酸類增稠劑、聚丙烯酸酯、乳液共聚物、二氰胺、三元醇、聚氧乙烯醚、脲、蓖麻油硫酸酯、聚乙烯吡咯烷酮、CMC(羧甲基纖維素，例如羧甲基纖維素鈉)、藻酸鈉、黃原膠、硅酸鈉、丙烯酸共聚物、HMC(羥甲基纖維素)、HEC(羥乙基纖維素)等。
(d)一種或者多種潤(rùn)滑/砑光助劑例如含量可達(dá)約2重量％；例如硬脂酸鈣、硬脂酸銨、硬脂酸鋅、蠟乳化液、蠟、烷基烯酮二聚體、二醇。
(e)一種或者多種分散劑例如含量可達(dá)約2重量％，例如聚合電解質(zhì)，諸如聚丙烯酸鹽和含有共聚物的聚丙烯酸鹽，特別是聚丙烯酸鹽(例如鈉鹽、鋁鹽以及選擇性的與第二族金屬形成的鹽)、六偏磷酸鈉、非離子多元醇、多磷酸、縮聚磷酸鈉、非離子表面活性劑、鏈烷醇胺和其他通常用于該功能的試劑。
(f)一種或者多種阻泡劑/消泡劑例如含量可達(dá)約1重量％，例如表面活性劑混合物、磷酸三丁酯、脂肪聚氧乙烯醚加脂肪醇、脂肪酸皂、硅酮乳液和其他含硅酮組合物、蠟和在礦物油中的無機(jī)顆粒、乳化烴的混合物以及其他具有此功能的市售化合物。
(g)一種或多種干或濕粘附性能的改進(jìn)添加劑例如含量可達(dá)約2重量％，例如三聚氰胺樹脂、聚乙烯乳液、脲甲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、聚酰胺、硬脂酸鈣、苯乙烯順丁烯二酸酐和其他物質(zhì)。
(h)一種或者多種干或濕磨損性能和/或抗磨損性的改進(jìn)添加劑例如含量可達(dá)約2重量％，例如基于乙二醛的樹脂、氧化聚乙烯、三聚氰胺樹脂、脲甲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、聚乙烯蠟、硬脂酸鈣和其他物質(zhì)。
(i)一種或者多種亮光油墨持留添加劑例如含量可達(dá)約2重量％，例如氧化聚乙烯、聚乙烯乳液、蠟、酪蛋白、胍爾豆膠、CMC、HMC、硬脂酸鈣、硬脂酸銨、藻酸鈉和其他物質(zhì)。
(j)一種或多種光學(xué)增白劑(OBA)和/或熒光增白劑(FWA)例如含量可達(dá)約1重量％，例如1，2二苯乙烯衍生物。
(k)一種或多種染色劑例如含量可達(dá)約0.5重量％。
(l)一種或多種殺菌劑/防腐劑例如含量可達(dá)約1重量％，例如偏硼酸鹽、十二烷基苯磺酸鈉、硫氰酸酯、有機(jī)硫化物、苯甲酸鈉和其他市售的具有此功能的化合物，例如由Nalco銷售的一系列殺菌劑聚合物。
(m)一種或多種均化劑和勻漿劑(evening aid)例如含量可達(dá)約2重量％，例如非離子多元醇、聚乙烯乳液、脂肪酸、酯和醇衍生物、乙醇/環(huán)氧乙烷、羧甲基纖維素鈉、HEC、藻酸鹽、硬脂酸鈣和其他具有此功能的市售的化合物。
(n)一種或者多種抗油脂和抗油添加劑例如含量可達(dá)約2重量％，例如氧化聚乙烯、膠乳、SMA(苯乙烯順丁烯二酸酐)、聚酰胺、蠟、藻酸鹽、蛋白質(zhì)、CMC、HMC。
(o)一種或者多種的防水添加劑例如含量可達(dá)約2重量％，例如氧化聚乙烯、酮類樹脂、陰離子膠乳、聚氨基甲酸酯、SMA、乙二醛、三聚氰胺樹脂、脲甲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、聚酰胺、乙二醛、硬脂酸酯和其他具有此功能的市售物質(zhì)。
(p)一種或者多種附加顏料本發(fā)明中所使用的顏料，即碳酸鈣和高嶺土體系，可以被用作紙涂布組合物中唯一的顏料，或者與一種或者多種其他已知顏料聯(lián)合使用，例如煅燒高嶺土、二氧化鈦、硫酸鈣、緞光白、滑石和所謂的“塑料顏料”。當(dāng)使用顏料混合物時(shí)，優(yōu)選碳酸鈣和高嶺土體系在組合物中的量至少占混合顏料總干重的約80％。
如果需要，上述任何添加劑或者添加劑類型都可以單獨(dú)使用或彼此和/或與其他添加劑混合使用。
對(duì)于所有上述添加劑，所例舉的重量百分比均基于組合物中的顏料干重(100％)來計(jì)算。當(dāng)所述添加劑以最小量存在時(shí)，所述最小量可占顏料干重的約0.01重量％。
涂布組合物根據(jù)本發(fā)明的涂布組合物含有水性懸浮液，如上面所討論，所述水性懸浮液含有規(guī)定的微粒狀顏料和粘合劑以及選擇性的一種或幾種更進(jìn)一步的添加劑組分。
根據(jù)本發(fā)明的涂布組合物優(yōu)選主要含有規(guī)定的微粒狀顏料、粘合劑和選擇性的一種或幾種更進(jìn)一步的添加劑的水性懸浮液，其中所述更進(jìn)一步的添加劑選自上述所列的添加劑類型，并且其他成分小于約10重量％。
根據(jù)本發(fā)明紙涂布組合物中的固體含量可以大于約60重量％，優(yōu)選至少約70％，優(yōu)選盡可能高，但仍要給出合適的可以在涂布中應(yīng)用的流體組合物(例如高達(dá)約80％)。
組合物的制備根據(jù)本發(fā)明的第二方面，是提供制備本發(fā)明涂布組合物的方法，所述方法包括在水性介質(zhì)中將微粒狀顏料與粘合劑混合以制備其中含有固體組分的懸浮液?？梢允褂帽绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的常規(guī)的混合技術(shù)來適宜地制備涂布組合物。
最初通過將每種所需顏料的水性懸浮液混合以形成含有所述顏料混合物水性懸浮液，從而制得顏料混合物。該水性懸浮液可以為分散的水性懸浮液，所使用的用以形成所述混合物的各個(gè)顏料的水性懸浮液均可含有分散劑。所述分散劑用于分散混合在一起的各單獨(dú)的水性懸浮液中的顏料，該懸浮液的濃度可以相同或不同。
所述紙涂布組合物可以將含有顏料組分的分散的水性懸浮液與粘合劑和其他選擇性添加的組分以本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的方式相混合而制備。
顏料混合物根據(jù)本發(fā)明的第三方面，是提供用于制備本發(fā)明的涂布組合物的顏料組合物，所述顏料組合物含有微粒狀材料的混合物，該微粒狀材料中包括或由以下物質(zhì)組成
粘合劑，其中的微粒狀顏料包括(a)第一組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，其中主要含有文石型或菱面體型顆?；蛘呤峭瑫r(shí)含有文石型和菱面體型顆粒，其中文石∶菱面體重量比為40∶60～60∶40(例如約50∶50)，所述第二組分為經(jīng)處理的水合微粒狀高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約25的形狀系數(shù)且大于等于約20的陡度；或(b)第一組分和第二組分，所述第一組分為細(xì)微粒狀碳酸鈣，其中主要含有大體呈球形的顆粒，所述第二組分是經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約45的形狀系數(shù)且平均等同顆粒直徑(d50)小于約0.5μm；或(c)第個(gè)組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，其中主要含有文石型和菱面體型顆粒，其中文石∶菱面體重量比為40∶60～60∶40(例如約50∶50)，所述第二組分為經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，其形狀系數(shù)為小于約25。
所述顏料組合物可以為干燥的微?；旌衔?，該微粒混合物含有或者由上述組分組成，或?yàn)轭w粒在液體(適宜為水性)基質(zhì)中的懸浮液。
紙涂布工藝根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，是提供應(yīng)用所述涂布組合物的方法，其中包括應(yīng)用所述組合物涂覆紙張并對(duì)紙張進(jìn)行砑光以在其上得到光澤涂層。優(yōu)選在紙的兩側(cè)均形成光澤涂層。
砑光是一種熟知的工藝，在其中，使涂布紙片在砑光機(jī)的壓區(qū)或輥間通過一次或多次，以提高紙的平滑度和光澤度并減少塊狀物。通常，使用彈性體涂覆的軋輥來對(duì)高固體組合物施壓?？梢允┘由叩臏囟??？梢栽趬簠^(qū)通過一至或多次(例如，可達(dá)約12次，有時(shí)更高)。
對(duì)紙和其他薄片材料進(jìn)行涂布的方法，以及實(shí)施該方法所需要的儀器是廣泛應(yīng)用并眾所周知的。根據(jù)本發(fā)明，該已知的方法和儀器可以很方便地應(yīng)用于涂布紙的制備。例如，在Pulp and Paper International(國(guó)際紙漿和造紙)，1994年5月，第18頁(yè)等中刊登了關(guān)于該方法的綜述。片材可以在片材成型機(jī)上涂布，即，在涂布機(jī)或者涂覆機(jī)的“機(jī)上”或“機(jī)外”。在涂覆方法中需要使用高固體含量組合物，因?yàn)樗粝赂俚目呻S后蒸發(fā)的水分。然而，如本領(lǐng)域所熟知的，固體含量不能太高以至于產(chǎn)生粘度過高和均化的問題。
實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的涂布方法所使用的儀器中優(yōu)選包括(i)將涂布組合物施用到待涂覆材料的工具，即敷涂器；和(ii)能夠確保施加恰當(dāng)量的涂布組合物的工具，即計(jì)量設(shè)備。當(dāng)將過量的涂布組合物施加至敷涂器時(shí)，檢測(cè)設(shè)備位于其下游。作為替代，例如，進(jìn)行薄膜壓力涂布時(shí)，可以使用計(jì)量設(shè)備將適量的涂布組合物施加于敷涂器。在涂覆和計(jì)量時(shí)，紙幅支架可以是支持輥(例如采用一個(gè)或兩個(gè)敷涂器涂覆時(shí))或沒有支持輥(即只是繃緊)。涂料與紙接觸至最終將過量的涂料除去之前的時(shí)間為停留時(shí)間——該時(shí)間可短可長(zhǎng)，或者是可變的。
所述涂層通常在涂覆工位由涂布頭添加。根據(jù)質(zhì)量的要求，紙的等級(jí)分為未涂布、單涂層、雙涂層甚至三涂層。當(dāng)提供超過一個(gè)涂層時(shí)，初始涂布(預(yù)涂布)可以采用較便宜的配料，并且可選地涂布組合物中含有較少的顏料。用于雙面涂覆(即在紙的兩邊都進(jìn)行涂覆)的涂布機(jī)可以具有兩個(gè)或四個(gè)涂布頭，這取決于每個(gè)涂布頭所涂覆的面的數(shù)量。大多數(shù)涂布頭每次只能涂覆一個(gè)面，但一些輥式涂布機(jī)(例如壓膜涂布機(jī)、閘輥式涂布機(jī)、施膠壓榨涂布機(jī))在一次通過就能夠?qū)擅婢M(jìn)行涂覆。
可以使用的已知的涂布機(jī)的實(shí)例包括，但不限于，空氣刮刀涂布機(jī)、刮刀涂布機(jī)、棒式涂布機(jī)、刮棒涂布機(jī)、多頭涂布機(jī)、輥式涂布機(jī)、輥式/刮刀涂布機(jī)、涂鑄機(jī)、實(shí)驗(yàn)室涂布機(jī)、凹板式涂布機(jī)、吻合式涂布機(jī)、液體施加系統(tǒng)、逆轉(zhuǎn)輥式涂布機(jī)、幕簾式涂布機(jī)、噴霧涂布機(jī)和擠壓式涂布機(jī)。
在本發(fā)明說明書中所描述的所有涂布組合物的的例子中，將水添加到固體中達(dá)到一定的固體濃度，優(yōu)選該固體濃度為，當(dāng)將組合物涂覆到片材上以得到所需目標(biāo)的涂布質(zhì)量時(shí)，所述組合物具有合適的流變能力，使所述組合物能夠在1～1.5巴的壓力(例如，刮刀壓力)下涂覆。
涂布紙產(chǎn)品根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，為提供涂覆有光澤涂層的紙，所述光澤涂層是根據(jù)本發(fā)明的紙涂布組合物的干燥殘余物。
在涂布和砑光之后，每單位面積的紙的總重量(克重)典型為30g/m2～70g/m2，尤其是49g/m2～65g/m2或35g/m2～48g/m2。最終涂層優(yōu)選每單位面積的重量(涂布質(zhì)量)為3g/m2～20g/m2，尤其是5g/m2～13g/m2。該涂層可以應(yīng)用到紙的兩面。因此，所述涂布紙可以是輕量涂布紙(LWC)或超輕量涂布紙(ULWC)。紙的光澤度優(yōu)選大于45 TAPPI單位，在壓力為1MPa時(shí)，每個(gè)紙涂布的Parker Print Surf值優(yōu)選小于1μm。
一般來說，在所有常規(guī)涂布重量下，均可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的涂布組合物的優(yōu)點(diǎn)。盡管如此，在某些情況下，對(duì)于不同的涂布重量，可以觀測(cè)到不同優(yōu)點(diǎn)的組合。例如，當(dāng)所述微粒狀高嶺土的形狀系數(shù)相對(duì)較高，而同時(shí)具有較低的平均等同顆粒直徑和相對(duì)較高的陡度時(shí)，在涂布重量較大時(shí)，在某些情況下所述優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)得更加顯著。
檢驗(yàn)方法光澤度涂布紙表面的光澤度可以使用TAPPI Standard No 480 ts-65中列出的檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量從紙表面一定角度的反射光的強(qiáng)度，并與已知的標(biāo)準(zhǔn)光澤度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。入射光線和反射光線與紙表面法線的夾角均為75°。所得結(jié)果用TAPPI光澤度單位來表示。根據(jù)本發(fā)明的涂布紙的光澤度可以大于50TAPPI單位，在某些情況下可以大于55TAPPI單位。
平滑度Parker Print Surf(“PPS”)測(cè)試提供了紙表面平滑性的量度，該測(cè)試包括測(cè)量空氣在壓力下從被夾緊的涂布紙樣品中泄漏的速度，所述涂布紙?jiān)谝阎臉?biāo)準(zhǔn)壓力下被夾在兩個(gè)平板之間，其中上層平板具有一個(gè)壓縮空氣的出口，而下層平板的上表面上覆蓋有根據(jù)被檢驗(yàn)的紙的性質(zhì)而選擇的由或軟或硬的參考支撐材料所制成的薄片。根據(jù)空氣逸出的速率，可以計(jì)算紙平面與參考材料之間均立方根(μm)的差值。該差值越小，代表被檢驗(yàn)的紙表面的平滑度越高。
不透光度這里所使用的不透光度是指所測(cè)量的入射光在涂布基質(zhì)上的反射百分比。標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法為ISO 2471。紙樣品的不透光性可以通過ElrephoDatacolor 3300分光光度計(jì)以適合于不透光度檢測(cè)的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。首先，對(duì)至少10張紙的疊層通過黑洞(R無窮大)進(jìn)行入射光的反射百分比的測(cè)量，然后用單張紙?zhí)鎿Q所述紙疊層，對(duì)所述單張紙?jiān)诤谏采w物上的反射比例進(jìn)行第二次測(cè)量(R)。不透光度的百分比根據(jù)下面的公式計(jì)算不透光度百分比＝100×R/R無窮大亮度涂布紙的ISO亮度通過使用裝備有8號(hào)濾光器(457nm波長(zhǎng))的ElrephoDatacolour 2000TM亮度計(jì)來測(cè)量。這里所表示的GE亮度在TAPPI StandardT452中進(jìn)行了定義，且GE亮度是指根據(jù)本領(lǐng)域所熟知的方法在測(cè)定的457nm波長(zhǎng)下光的反射百分比。
印刷光澤度涂布紙表面的印刷光澤度通過下述的標(biāo)準(zhǔn)TAPPI檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定與紙表面成一定角度的反射光的強(qiáng)度，并與標(biāo)準(zhǔn)的已知印刷光澤度值進(jìn)行比較。入射光線和反射光線與紙表面的法線的夾角均為20°或75°。結(jié)果用TAPPI印刷光澤度單位表示。
下面將參考下列解釋性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式

進(jìn)行非限制性的描述。
實(shí)施例1在本實(shí)施例中，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的組合物的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，在所述組合物中微粒狀顏料含有文石沉淀碳酸鈣和形狀系數(shù)大于或等于25且陡度在20～35之間的高嶺土，將本發(fā)明的組合物與含有單組分顏料的組合物、含有塊狀紙涂布高嶺土的組合物以及含有具有大體呈球形的顆粒(碳酸鈣C)或菱面體沉淀碳酸鈣(碳酸鈣B)的組合物進(jìn)行比較。
制備含約54％或58％固體的一系列水性涂布組合物(具體內(nèi)容見表1)，所述固體部分包含如下物質(zhì)100份總顏料(碳酸鈣/高嶺土)8pph淀粉(PG280)8pph苯乙烯-丁二烯膠乳(Dow)根據(jù)需要加入的丙烯酸類增稠劑1pph Nopcote C104(硬脂酸鈣)所使用的顏料是100％粘土A(參比)
50∶50粘土A∶碳酸鈣B(“OC-Print”)50∶50粘土A∶碳酸鈣A(“OC-Gloss”)50∶50粘土A∶碳酸鈣C(“C-95”)100％粘土I(參比)50∶50粘土I∶OC-Print50∶50粘土I∶OC-Gloss50∶50粘土I∶C-95100％OC-Print100％OC-Gloss100％C-95將涂料涂布于34.5g/m2的機(jī)械木漿原紙。的3英寸膠料堰頭(pondhead)的Heli-coaterTM2000設(shè)定為50°的刮刀傾斜角，使用該設(shè)備使涂布重量達(dá)到7.0g/m2。機(jī)器的速度為800m/min。所有色料均以恒定的固體含量涂覆，通過調(diào)節(jié)增稠劑(平均需要約0.05pph的劑量)來調(diào)節(jié)其布氏(Brookfield)粘度。使用不同顏料所得涂料的粘度如下表1中所示。得到了5g/m2～10g/m2的一系列涂布重量，并將其性質(zhì)內(nèi)插至(interpolated to)7.0g/m2。
砑光條件如下設(shè)備Beloit Supercalender(鍍鉻鋼輥/棉軋輥)砑光壓力250psi(1.7MPa)壓區(qū)3壓區(qū)溫度60攝氏度表1膠印的涂布色料粘度

結(jié)果在表2(100％顏料)和表3(50∶50混合物)中列出了光澤度、亮度、不透光度和PPS平滑度等紙的性質(zhì)。在所有結(jié)果中，首先顯示所測(cè)量的插值至7.0g/m2的性質(zhì)，隨后是100％組分(在括號(hào)內(nèi))的算術(shù)平均值，最后得到正或負(fù)的協(xié)同作用。注意正值表示紙張質(zhì)量的改善，而負(fù)值表示紙張質(zhì)量的下降。
使用粘土A時(shí)，當(dāng)將粘土A與所有三種碳酸鈣類型混合在一起時(shí)，亮度和平滑度顯示出協(xié)同的益處。當(dāng)碳酸鈣的比例為50％時(shí)，文石(OptiCalGloss)為最佳選擇，它提供了顯著增加的光澤度(+3TAPPI單位)以及良好的亮度和不透光度。Carbital 95對(duì)光澤度和不透光度沒有明顯改善。
與Astra-Plus(粘土I)混合后的表現(xiàn)與粘土A不同。與所有三種碳酸鹽類型混合都會(huì)在光澤度上產(chǎn)生反協(xié)同作用。文石(OCGloss)在不透光度和平滑度上也會(huì)產(chǎn)生反協(xié)同作用，而且不會(huì)使亮度增加。對(duì)于斜方沉淀碳酸鈣和微粒狀研磨碳酸鈣來說，只能觀察到亮度和平滑度的微小協(xié)同作用。
表2內(nèi)插至7.0g·m-2涂布重量時(shí)100％顏料涂布的紙張性質(zhì)

表3所得到的50/50混合物的紙張性質(zhì)、算術(shù)平均值和協(xié)同作用

實(shí)施例2在本實(shí)施例中，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的組合物的性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，在所述組合物中微粒狀顏料含有文石沉淀碳酸鈣或菱面體沉淀碳酸鈣和形狀系數(shù)大于或等于25且陡度大于或等于20(粘土B，C，D，E)的高嶺土，將本發(fā)明的組合物與含有單組分顏料的組合物以及含有大體呈球形的顆粒形狀的很細(xì)的微粒狀碳酸鈣(Carbital 95)的組合物進(jìn)行了比較。
對(duì)下列顏料進(jìn)行了檢測(cè)100％粘土D50∶50粘土D∶OptiCalGloss50∶50粘土D∶OptiCalPrint100％OptiCalPrint100％粘土E50∶50粘土E∶OptiCalGloss50∶50粘土E∶OptiCalPrint100％粘土C50∶50粘土C∶OptiCalGloss50∶50粘土C∶OptiCalPrint100％粘土B50∶50粘土B∶OptiCalGloss50∶50粘土B∶OptiCalPrint50∶50粘土D∶C9550∶50粘土E∶C9550∶50粘土C∶C9550∶50粘土B∶C95100％C95制備約53％或59％固體的一系列水性涂布組合物(具體內(nèi)容見表4)，所述固體部分的組成如下100份顏料(總)8pph苯乙烯-丁二烯膠乳(Dow950)
8pph羥基化淀粉(Penford Gum 280)1pph Nopcote C104(硬脂酸鈣)由于可以使造紙廠提高速度，因此這些組合物的高固體含量對(duì)于干燥劑受限的造紙廠非常有益。
用Helicoater 2000D和短停留頭以1000m/min的速度將色料涂覆到Caledonian機(jī)械木漿輕量涂布基紙上。在65攝氏度和69巴壓力下使涂布樣品通過Perkins超級(jí)砑光機(jī)用8個(gè)壓區(qū)將其砑光。使用不同顏料時(shí)涂布色料的粘度值如下表4所示。
表4涂布色料流變性能


結(jié)果表5中列出了每種顏料或者顏料混合物的紙張性質(zhì)。該結(jié)果按照涂布質(zhì)量增加的順序(6、8和10g/m2)列出。對(duì)于混合物，每種性質(zhì)列出了3個(gè)數(shù)字。首先是測(cè)定得到的性質(zhì)，接著是根據(jù)100％組分的結(jié)果計(jì)算出的算術(shù)平均值(在括號(hào)內(nèi))，最后是由于混合所導(dǎo)致的增加或者減少。這代表著任何協(xié)同或者反協(xié)同效果的程度。如果協(xié)同效果導(dǎo)致改善了紙張質(zhì)量，則所述結(jié)果以正值列出。如果結(jié)果是降低了紙張質(zhì)量，則所述結(jié)果以負(fù)值列出。
表5在6、8和10g/m2時(shí)的紙張性質(zhì)



實(shí)施例3在本實(shí)施例中，在不同的粘土∶沉淀碳酸鈣比例下對(duì)所述組合物的性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，其中微粒狀顏料含有文石沉淀碳酸鈣和形狀系數(shù)為25且陡度超過20的高嶺土(粘土F)，并將該組合物與在粘土∶沉淀碳酸鈣為60∶40時(shí)用菱面體沉淀碳酸鈣取代文石沉淀碳酸鈣的組合物及與含有單組分顏料的組合物進(jìn)行比較。
對(duì)于混合物，每個(gè)性質(zhì)列出兩個(gè)數(shù)據(jù)。首先是測(cè)定得到的性質(zhì)，接著是根據(jù)100％組分的結(jié)果計(jì)算出的算術(shù)平均值(在括號(hào)內(nèi))。
組合物和涂覆條件如下表6表頭所述，所得結(jié)果列于表6中。
表6

實(shí)施例4在本實(shí)施例中，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的組合物的性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定，并將其與含有單組分顏料的組合物進(jìn)行比較，在所述本發(fā)明的組合物中微粒狀顏料含有文石沉淀碳酸鈣或菱面體沉淀碳酸鈣和形狀系數(shù)為25～30且陡度超過20(粘土H)的高嶺土顆粒，碳酸鈣與高嶺土的混合比例為50∶50。
對(duì)于混合物，每個(gè)性質(zhì)列出了兩個(gè)數(shù)據(jù)。首先是測(cè)定得到的性質(zhì)，接著是根據(jù)100％組分的結(jié)果計(jì)算出的算術(shù)平均值(在括號(hào)內(nèi))。
組合物和涂覆條件如下表7表頭所述，所得結(jié)果列于表7中。下表8總結(jié)了所觀察到的協(xié)同作用。
表7

表8

實(shí)施例5在本實(shí)施例中，對(duì)涉及粘土G和文石沉淀碳酸鈣的所述顏料混合物中第一組分∶第二組分的比例變化對(duì)協(xié)同作用影響進(jìn)行了研究。
組合物和涂覆條件如下表9表頭所述，所得結(jié)果列于表9中。下表10總結(jié)了所觀察到的協(xié)同作用。
表9

表10

實(shí)施例6在本實(shí)施例中，對(duì)涉及粘土H和文石沉淀碳酸鈣(PCC)的所述顏料混合物中第一組分∶第二組分的比例變化對(duì)協(xié)同作用影響進(jìn)行了研究。下表11總結(jié)了所觀察到的協(xié)同作用。
表11

可見最佳效果在混合物比例約為50∶50時(shí)出現(xiàn)。下面的實(shí)施例均選用該比例。
實(shí)施例7在本實(shí)施例中，將所選比例為50∶50的碳酸鈣與下列的參比組合物進(jìn)行比較
碳酸鹽F∶粘土K碳酸鹽I∶粘土K碳酸鹽K∶粘土K組合物和涂覆條件如下表12表頭所述。
表12

實(shí)施例8在本例中，將碳酸鹽M與粘土G及H以碳酸鈣∶粘土為80∶20的比例混合得到的混合物與下列參比組合物進(jìn)行比較碳酸鹽M∶粘土K碳酸鹽K∶粘土K碳酸鹽L∶粘土K碳酸鹽I∶粘土K
使用了兩種不同的表面涂覆技術(shù)，所得結(jié)果如下表13和表14中所示，并且所述組合物和涂覆條件分別如表頭所述。
表13

表14

實(shí)施例9本實(shí)施例描述了在含有塊狀微粒狀高嶺土(粘土K)的顏料中文石沉淀碳酸鈣和菱面體沉淀碳酸鈣的比例為50∶50的混合物的性能。
在Heli-CoaterTM上用刮刀敷涂器以1200m/min的速度對(duì)75g/m2的經(jīng)過預(yù)涂覆的無木基紙進(jìn)行涂覆，所述涂覆在最大可運(yùn)行的固體含量下運(yùn)行。配方為83份碳酸鹽和17份高嶺土以及9份膠乳(4.5pph苯乙烯丙烯酸膠乳Acronal S360D；4.5pph苯乙烯丁二烯膠乳Dow DL940)、1份聚乙烯醇(PVOH)、0.6份OBA(Tinopal ABP)、0.3份CMC和0.6份硬脂酸鈣，pH值為8.5。涂布的重量范圍為8～12g/m2并將數(shù)據(jù)插值至10g/m2。
高嶺土是粘土J和K。沉淀碳酸鈣由碳酸鹽A和B制備。結(jié)果如下表15所示。
表15

如下表16所示，當(dāng)將高嶺土改為粘土J可以發(fā)現(xiàn)相似的性質(zhì)。
表16

上述數(shù)據(jù)闡明了使用1∶1重量/重量的文石沉淀碳酸鈣與菱面體沉淀碳酸鈣的混合物所具有的理想效果。與研磨碳酸鈣參比物相比，該混合物產(chǎn)生-1單位的光澤度，+0.3單位的亮度，+1.1單位的不透光度，+1單位的印刷光澤度，并且與所述參比物+9的snap值相比，所述混合物的snap值為+11。
討論本發(fā)明的研究證實(shí)，當(dāng)在紙涂布組合物中結(jié)合使用本發(fā)明的微粒狀碳酸鈣和微粒狀高嶺土?xí)r，在光澤度、亮度、不透光度和平滑度或至少其中某些性質(zhì)之間可產(chǎn)生協(xié)同優(yōu)勢(shì)。
一般來說，在紙上在所有涂覆重量下均可以表現(xiàn)出所述優(yōu)點(diǎn)。然而，當(dāng)微粒狀高嶺土具有較高的形狀系數(shù)，同時(shí)具有較低的平均等同顆粒直徑且相對(duì)較高的陡度時(shí)，在高涂布重量時(shí)所述優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)得更加明顯。
一般來說，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選采用文石沉淀碳酸鈣作為顏料體系的第一組分。碳酸鈣和高嶺土的比例適宜為50∶50左右。
權(quán)利要求
1.紙和其他基材的涂布組合物，所述組合物含有由微粒狀顏料和粘合劑所形成的水性懸浮液，其中所述微粒狀顏料含有(a)第一組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，所述沉淀碳酸鈣主要由文石型或菱面體型顆粒組成，或者主要由文石∶菱面體重量比為約40∶60～約60∶40的文石型和菱面體型顆粒組成，所述第二組分為經(jīng)處理的水合微粒狀高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約25的形狀系數(shù)且大于等于約20的陡度；或(b)第一組分和第二組分，所述第一組分為細(xì)微粒狀碳酸鈣，所述碳酸鈣主要由大體呈球形的顆粒組成，所述第二組分是經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約45的形狀系數(shù)且平均等同顆粒直徑d50小于約0.5μm；或(c)第一組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，所述碳酸鈣主要由文石型和菱面體型顆粒組成，其中文石∶菱面體重量比為約40∶60～約60∶40，所述第二組分為經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，其形狀系數(shù)為小于約25。
2.如權(quán)利要求1所述的涂布組合物，其中基于所述組合物固體的干重，所述粘合劑占約4重量％～約30重量％。
3.如權(quán)利要求1所述的涂布組合物，其中所述粘合劑含有改性淀粉。
4.如權(quán)利要求3所述的涂布組合物，其中所述粘合劑進(jìn)一步含有除淀粉以外的其他組分。
5.如權(quán)利要求3或4所述的涂布組合物，其中所述組合物進(jìn)一步含有一種或多種交聯(lián)劑；一種或多種保水助劑；一種或多種粘度調(diào)節(jié)劑和/或增稠劑；一種或多種潤(rùn)滑/砑光助劑；一種或多種分散劑；一種或多種阻泡劑/消泡劑；一種或多種干或濕粘附性能的改進(jìn)添加劑；一種或多種干或濕磨損性能和/或抗磨損性的改進(jìn)添加劑；一種或者多種亮光油墨持留添加劑；一種或多種光學(xué)增白劑和/或熒光增白劑；一種或多種染料；一種或多種殺菌劑/防腐劑；一種或多種均化劑和勻漿劑；一種或多種抗油脂和抗油添加劑；一種或多種防水添加劑；一種或多種附加顏料；或它們的任何組合。
6.如權(quán)利要求1所述的涂布組合物，所述組合物主要由所述微粒狀顏料、所述粘合劑以及可選擇的選自權(quán)利要求5所定義的附加組分的水性懸浮液組成，并且其他組分低于約10重量％。
7.制備如權(quán)利要求1所述的涂布組合物的方法，該方法包括以下步驟將微粒狀顏料與粘合劑混入水性液體介質(zhì)中，以制備其中含有固體成分的懸浮液。
8.用于制備本發(fā)明的涂布組合物的顏料組合物，所述顏料組合物含有微粒狀材料的混合物，所述微粒狀材料包括或主要由以下物質(zhì)組成(a)第一組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，所述沉淀碳酸鈣主要由文石型或菱面體型顆粒組成，或者主要由文石∶菱面體重量比為約40∶60～約60∶40的文石型和菱面體型顆粒組成，所述第二組分為經(jīng)處理的水合微粒狀高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約25的形狀系數(shù)且大于等于約20的陡度；或(b)第一組分和第二組分，所述第一組分為細(xì)微粒狀碳酸鈣，所述碳酸鈣主要由大體呈球形的顆粒組成，所述第二組分是經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約45的形狀系數(shù)且平均等同顆粒直徑d50小于約0.5μm；或(c)第一組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，所述碳酸鈣主要由文石型和菱面體型顆粒組成，其中文石∶菱面體重量比為約40∶60～約60∶40，所述第二組分為經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，其形狀系數(shù)為小于約25。
9.如權(quán)利要求8所述的顏料組合物，其中所述顏料組合物以干燥的微粒狀混合物存在。
10.如權(quán)利要求8所述的顏料組合物，其中所述顏料組合物以所述微粒在液體介質(zhì)中的懸浮液存在。
11.制備涂布光澤紙的方法，該方法包括以下步驟用權(quán)利要求1～6中的任一項(xiàng)所述的顏料組合物對(duì)紙進(jìn)行涂覆，并對(duì)紙進(jìn)行砑光以在其上形成光澤涂層。
12.涂覆有光澤涂層的紙，所述光澤涂層為權(quán)利要求1～6中任一項(xiàng)所述的組合物的干燥殘留物。
13.如權(quán)利要求12所述的紙，所述紙為涂布機(jī)械木漿紙。
14.如權(quán)利要求12所述的紙，所述紙為經(jīng)涂覆的輕量涂布紙。
全文摘要
本發(fā)明涉及紙和其他基材的涂布組合物，特別是機(jī)械木漿紙，例如輕量涂布(LWC)紙，所述涂布組合物含有微粒狀顏料和粘合劑的水懸浮液，其中所述微粒狀顏料含有(a)第一組分和第二組分，所述第一組分為沉淀碳酸鈣，所述沉淀碳酸鈣主要由文石型或菱面體型顆粒組成，或者主要由文石∶菱面體重量比為約40∶60～約60∶40(例如約50∶50)的文石型和菱面體型顆粒組成，所述第二組分為經(jīng)處理的水合微粒狀高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約25的形狀系數(shù)且大于等于約20的陡度；或(b)第一組分和第二組分，所述第一組分為細(xì)微粒狀碳酸鈣，所述碳酸鈣主要由大體呈球形的顆粒組成，所述第二組分是經(jīng)處理的微粒狀水合高嶺土，所述高嶺土具有大于等于約45的形狀系數(shù)且平均等同顆粒直徑(d
文檔編號(hào)D21H19/40GK1650069SQ03810053
公開日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2003年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月3日
發(fā)明者克里斯多佛·納特比姆, 大衛(wèi)·O·卡明斯, 約翰·C·赫斯本德, 戴夫·R·斯丘斯 申請(qǐng)人:伊梅里斯礦物有限公司