CN101512069A - 使用新颜料改善的紫外线光油的光泽性能及制备新颜料的方法 - Google Patents

使用新颜料改善的紫外线光油的光泽性能及制备新颜料的方法 Download PDF

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Abstract

提供高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液和制备悬浮液的方法，PCC具有d90值约0.7微米或更小的PCC粒度分布、d50值约0.4微米或更小的PCC粒度分布、d90/d50比为约1.2－约2.2的PCC粒度分布及约10.0m2/克或更大的PCC比表面积。

Description

使用新颜料改善的紫外线光油的光泽性能及制备新颜料的方法
技术领域
本发明涉及高固含量的碳酸钙悬浮液，特别涉及高固含量的沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液和它们的制备方法。
背景技术
使用紫外线(UV)辐射固化的涂料作为罩光油(下文称为“紫外线光油(UV varnish)”)以赋予涂布纸或涂布纸板(下文称为“基材”)光泽的外观和优秀的耐磨性能。在典型的紫外线光油施用过程中，通过任何已知的印刷技术对基材施加印刷的图像，所述印刷技术包括但不限于橡胶版轮转印刷、胶版印刷、轮转凹版印刷等。然后，对印刷的和未印刷的区域应用紫外线光油，之后涂覆紫外线光油的区域经受紫外辐射源照射以使紫外线光油交联或固化在基材上。获得的交联或固化的紫外线光油涂层赋予基材高光泽度、耐磨性保护面层。
作为涂覆颜料，沉淀碳酸钙(PCC)对获得的涂布纸或涂布纸板提供优秀的光学性质。PCC颗粒窄的粒度分布产生了提供优秀的光散射和亮度的涂层。PCC颗粒窄的粒度分布也在涂层内产生含有孔隙或空隙的结构。这些孔隙或空隙的存在进一步提高了PCC涂层的光散射和亮度。然而，当对这种由PCC产生的多孔或开孔结构涂层施用典型为相对低粘度液体的紫外线光油时，在通过紫外线辐射源被交联或固化前，紫外线光油渗入到涂层中。这种现象在基材没有印刷的区域更为明显。结果是紫外线光油并不提供与不渗入涂层时相同水平的光泽度或耐磨性。
上文表明了在使用紫外线光油的应用中使用常规PCC涂层颜料已知的局限。因此，提供可替换的克服上述一个或多个局限的方法显然是有利的。因此，提供高固含量PCC悬浮液、它们的制备方法和在应用紫外线光油的纸张产品上作为纸张涂层颜料的用途，包括在下文中更详细公开的特征。
发明内容
在一些实施方案中，提供高固含量的PCC悬浮液。高固含量的PCC悬浮液具有d90值约0.7微米或更小的PCC粒度分布。高固含量PCC悬浮液具有d50值约0.4微米或更小的PCC粒度分布。高固含量PCC悬浮液具有d90/d50比约1.2-约2.2的PCC粒度分布。高固含量PCC悬浮液具有约10.0m2/克或更大的PCC比表面积。
在一些实施方案中，制备高固含量PCC悬浮液的方法包括：提供第一PCC悬浮液，浓缩第一PCC悬浮液以获得固体含量约72重量％或更大的第二PCC悬浮液，快速研磨第二PCC悬浮液以制备最终的PCC悬浮液。
在一些实施方案中，使用高固含量PCC悬浮液作为纸张涂层颜料。
在一些实施方案中，使用高固含量PCC悬浮液作为纸张填料。
在一些实施方案中，使用高固含量PCC悬浮液作为油漆和聚合物例如但不限制为塑料、密封剂等中的添加剂。
附图的简要说明
图1是一些实施方案中制备的PCC的粒度分布(PSD)曲线；
图2是一些实施方案中制备高固含量PCC悬浮液方法的示意性流程图；和
图3是涂覆商购的PCC与涂覆根据本发明实施方案的PCC的纸张的20°光油光泽度的柱形图。
具体实施方式
本发明的一些实施方案提供高固含量PCC悬浮液、它们的制备方法和/或作为纸张涂层颜料的用途。
在一些实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含具有主要为文石形态的碳酸钙针状颗粒。在图1显示了高固含量PCC悬浮液典型的粒度分布(PSD)曲线，通常包括具有粒度分布d90值约0.66微米、粒度分布d50值约0.36微米和粒度分布d90/d50比约1.8的PCC颗粒。
在其它实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含具有粒度分布d90值约0.7微米或更小、粒度分布d50值约0.4微米或更小、粒度分布d90/d50比约1.2-约2.2和比表面积约10.0m2/克或更大的PCC颗粒。
在另外的实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含粒度分布d90值约0.5微米或更小的PCC颗粒。在一些实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含粒度分布d90值约0.5-约0.7微米的PCC颗粒。
在一些实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含粒度分布d50值约0.35微米或更小的PCC颗粒。在一些实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含粒度分布d50值约0.32-约0.36微米的PCC颗粒。
在一些实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含比表面积约11.0-约14.0m2/克的PCC颗粒。
在一些实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含约72重量％或更高的PCC固体含量。在其它实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含少于约72重量％的PCC固体含量。在一些实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含约73-约75重量％的PCC固体含量。在其它实施方案中，PCC固体含量可大于75重量％。
如在此使用的，术语“粒度分布d90值”定义为通常以微米表示的数值，在该粒度分布，颗粒的90质量％或体积％具有小于或等于该值的颗粒尺寸。如在此使用的，术语“粒度分布d50值”定义为通常以微米表示的数值，在该粒度分布，颗粒的50质量％或体积分数具有小于或等于该值的颗粒尺寸。
如在此使用的，术语“主要为文石形态”指的是通过X射线衍射(XRD)分析测定的PCC颗粒的文石含量约75-约100％。在一些实施方案中，高固含量PCC悬浮液通常包含具有约85-约98％通过XRD分析测定的文石含量的PCC颗粒。
如在此使用的，术语“比表面积”定义为在PCC干燥粉末样品中含有的PCC颗粒的布鲁诺-埃梅特-特勒(BET)比表面积，通过Micromeritics Instrument Corporation，Georgia制造的Micromeritics FlowSorb II单点表面积仪进行测量。
在图2中显示典型的过程，通常包括提供分散的PCC含水悬浮液100，固体含量约73重量％或更少(例如约68-约71重量％)，浓缩PCC悬浮液110(例如通过热蒸发)，任选地在减压下以获得PCC固体含量约73-约74重量％的浓缩PCC悬浮液120，快速研磨(130)浓缩的PCC悬浮液制备最终的PCC悬浮液140。
固体含量约70-约71重量％的分散的PCC含水悬浮液能从Specialty Minerals，Inc，Bethlehem PA通过商购获得，以商标名
Figure A200780033576D0008180506QIETU
A40沉淀碳酸钙(PCC)进行销售。也可使用固体含量低于70％的其它PCC悬浮液作为原料，使用相应的浓缩步骤(例如以更高温度和/或在更低压力下进行更长时间的热蒸发)。
能使用本领域中已知的工艺设备(包括但不限于换热器、薄膜蒸发器、多效蒸发器、真空闪蒸塔等)通过热蒸发任选地在减压下进行浓缩PCC悬浮液的步骤以获得PCC固体含量约72重量％或更高的浓缩的PCC悬浮液。在一些实施方案中，可使用如在美国专利6,454,907(在此通过参考进行完全引用)中描述的真空闪蒸塔，以提高PCC悬浮液的固体含量到最终的约72重量％或更高的固体含量。或者，可使用其它热蒸发方法，无论先前已知的或将来开发的。
如在此使用的，术语“快速研磨”定义为每干吨待研磨材料能量输入少于约50千瓦小时的研磨过程。能使用本领域中已知的工艺设备(包括但不限于介质研磨机、砂磨机等)或将来开发的工艺设备进行快速研磨，浓缩的PCC悬浮液以制备最终的具有好的流变性能的PCC悬浮液。在一个实施方案中，可通过将浓缩的PCC悬浮液引入到含有尺寸约0.2-约5.0mm的研磨介质例如玻璃、钢、砂、陶瓷介质(包括但不限于氧化铝、氧化锆、硅酸锆等)或其它本领域中已知介质的介质磨中进行快速研磨。
在可替换的实施方案中，浓缩步骤提供低于约73％的PCC固体含量，研磨步骤可使用增加的研磨能量输入(每干吨待研磨材料约50-约100千瓦小时)。在研磨步骤中所需的能量的量取决于浓缩步骤结束时的固体浓度。
在其它实施方案中，可使用非文石PCC进料。使用非文石PCC进料可能需要更高的研磨能量输入(显著大于每干吨待研磨材料约50千瓦小时)，并可能导致比表面积(SSA)显著大于14m2/克。在最终处理后，可简单稀释悬浮液到较低的固体含量-保持最终的UV光泽性能。
在此描述的高固含量PCC悬浮液特别适用于纸张和纸板制品的涂层颜料。在此描述的高固含量PCC悬浮液的其它用途可包括但不局限于作为纸和纸板的填料、或作为油漆和聚合物例如但不局限于塑料、密封剂等的添加剂。
实施例
下面非限制性实施例仅是举例说明本申请教导的实施方案，并不认为是对本发明的限制。
在下述的实施例中，使用由Micromeritics InstrumentCorporation，Georgia制造的型号为5100的MicromeriticsSedigraph仪器，基于沉降技术测定粒度分布值。
实施例1
将主要为文石沉淀碳酸钙(由SpecialtyMinerals，Inc.，Bethlehem，PA获得的
Figure A200780033576D0008180506QIETU
A40沉淀碳酸钙(PCC))的高固体含量分散的浆料，料浆固体含量70％(在下文中称为“PCC进料”)，引入到真空闪蒸塔(VFC)中，期间通过具有在线转子-定子单元的泵(
Figure A200780033576D0009180604QIETU
型号为HED150，
Figure A200780033576D0009180604QIETU
Works，Inc，Wilmington，NC)，浆料进行再循环。VFC在约0.1巴压力，浆料温度约120华氏度条件下进行操作。PCC浆料通过VFC单元进行再循环，直到获得浆料固体含量约74重量％。
从VFC取出后，获得的固体含量74％的PCC浆料通过以每干吨PCC25千瓦小时的能量输入的8P CB磨(Chicago Boiler Co，Gurnee，IL)进行快速研磨。CB磨填装100体积％直径约0.6-约0.8mm的硅酸锆介质进行操作。在表1中归纳了最初PCC进料和最终高固含量产品的颗粒尺寸特征。能以固体含量74％的浆料形式使用最终产物或能将其调整到较低重量％的固体含量，这取决于商用和应用的需要。
表1.高固含量PCC进料和最终高固含量PCC产品
 
PCC进料 最终高固含量PCC产品
％固体 70.1 74.2
PSD d90，微米 0.78 0.65
PSD d50，微米 0.39 0.35
PSD d90/d50比 2.0 1.9
比表面积(SSA)，m2/g 11.6 11.9
实施例2
在圆柱形实验室涂布机6000(SimuTech International，Inc.，Hoodsport，WA)上以1500英尺/分的速度对定量210克/平方米的漂白纸板进行刮涂。纸板预先涂覆有10克/平方米的涂料等级的重质碳酸钙(
Figure A200780033576D0010180711QIETU
60重质碳酸钙，Omya Inc.，Proctor，VT)。
一些预先涂覆的纸板表面涂覆有10克/平方米的涂料制剂，所述涂料制剂含有70份商购的涂料等级PCC(
Figure A200780033576D0010180726QIETU
A40 PCC)的分散料浆和30份优质上光等级(glossing grade)涂布用粘土，其具有65重量％的涂料固体含量。
一些预先涂覆的纸板表面涂覆有10克/平方米的涂料制剂，所述涂料制剂含有70份的涂料制剂，所述涂料制剂含有70份在此描述的高固含量悬浮液和30份优质上光等级涂布用粘土，其具有65重量％的涂料固体含量。
使用Beloit Wheeler实验室用压光机(Beloit Corporation，Otsego，MI)对所有涂覆的纸板样品进行压光，使用一个辊隙(nip)、室温和300磅/平方英寸负荷进行操作。使用Prüfbau多用途印刷适性试验机(Prüfbau GmbH，Munich，Germany)对涂覆的纸板样品施用光油(SF 1738-NS，Sun Chemical Corp.，Parsippany，NJ)，并通过小型传送带化UV固化单元(American UltravioletCo.，Lebanon，IN)以300瓦特/英寸进行固化。使用GardcoStatistical Novogloss单元(Paul N.Gardner Co.，Inc.，PompanoBeach，FL)根据厂商指示进行所有20°光泽度测量。在图3中显示了涂覆有商购的涂料等级PCC对照物的商购的分散浆料和涂覆有在此描述的高固含量PCC悬浮液的纸张20°光油的光泽度值。结果显示与商购的PCC涂层颜料对照物相比，使用高固含量PCC悬浮液改善了紫外线光油光泽性质。
尽管已经显示和描述了实施方案和应用，对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离在此描述的发明的构思的情况下能够进行变化。因此，应理解的是，发明能够进行变化，因此发明并不限制为在此给出的细节描述。而是，可在不脱离本发明的实质的情况下在权利要求等同的范围内进行各种变化。

Claims (19)

1.高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液，其包括PCC颗粒并具有：
d90值约0.7微米或更小的PCC粒度分布；
d50值约0.4微米或更小的PCC粒度分布；
d90/d50比为约1.2-约2.2的PCC粒度分布；及
约10.0m2/克或更大的PCC比表面积。
2.权利要求1的高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液，其中PCC颗粒具有d90值约0.5微米或更小的粒度分布。
3.权利要求1的高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液，其中PCC颗粒具有d50值约0.35微米或更小的粒度分布。
4.权利要求1的高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液，其中PCC颗粒具有约75-约100％的文石含量。
5.权利要求1的高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液，其中PCC颗粒具有约85-约98％的文石含量。
6.权利要求1的高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液，其中悬浮液具有约72重量％或更高的PCC固体含量。
7.权利要求1的高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液，其中悬浮液具有低于约72重量％的PCC固体含量。
8.制备高固含量沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液的方法，其包括：
提供第一PCC悬浮液；
浓缩第一PCC悬浮液以获得固体含量约72重量％或更大的第二PCC悬浮液；及
快速研磨第二PCC悬浮液以制备最终的PCC悬浮液。
9.权利要求7的方法，其中通过热蒸发进行浓缩步骤。
10.权利要求8的方法，其中在低于大气压的压力下进行热蒸发。
11.权利要求7的方法，还包括：
稀释PCC悬浮液到固含量低于约72重量％。
12.权利要求8的方法，其中第一PCC悬浮液中的PCC具有约75-约100％的文石含量。
13.权利要求8的方法，其中快速研磨步骤包括将PCC固体含量提高到约73％或更高。
14.权利要求8的方法，其中快速研磨步骤包括每干吨待研磨材料输入约50千瓦小时或更少。
15.权利要求8的方法，其中：
第一PCC悬浮液中的PCC具有约75-约100％的文石含量；
快速研磨步骤包括将PCC固体含量提高到约73％或更高，及
快速研磨步骤包括每干吨待研磨材料输入约50千瓦小时或更少。
16.涂覆有权利要求1的沉淀碳酸钙的纸张或纸板。
17.填充有权利要求1的沉淀碳酸钙的纸张或纸板。
18.含有权利要求1的沉淀碳酸钙的牙膏。
19.含有权利要求1的沉淀碳酸钙的聚合物。
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