DE69110983T2 - Bestimmtes und delaminiertes Kaolinprodukt. - Google Patents

Bestimmtes und delaminiertes Kaolinprodukt.

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer definierten, zerlegten Kaolinzusammensetzung von hoher Deckkraft, die erhalten wird durch Definieren und Zerlegen eines Ausgangskaolintons, so daß dessen Kolloidgehalt vermindert wird und verbesserte Deckkraft und Glanzeigenschaften besitzt als Hochleistungs-Papierbeschichtungspigment, wobei das vorteilhafte Kaolinprodukt durch gesteuertes Definieren, Zerlegen und anderweitiges Behandeln eines Ausgangskaolintons hergestellt wird, um einen erheblichen Teil der Kolloidteilchen zu entfernen.
  • In der Papierindustrie ist allgemein bekannt, daß eine große Anzahl von Pigmenten, z.B. Titandioxid, Calciumcarbonat, Talkum, synthetische Silicate, und Tone, wie Bentonit und Kaolin, als Papierfüllstoffe und/oder -beschichtungszusammensetzung geeignet sind. Kaolin, ein natürlich vorkommendes hydratisiertes Aluminiumsilicat, wird gegenwärtig am häufigsten verwendet und steht mit einem Bereich von Teilchengrößen und Helligkeiten und auch entweder zerlegt oder nicht zerlegt zur Verfügung. Hydratisiertes Kaolin hat eine weiße Farbe, eine geringe Teilchengröße, ist chemisch relativ inert und bildet einen idealen kostengünstigen Papierfüllstoff und ein ideales kostengünstiges Beschichtungspigment. Obwohl gebranntes (wasserfreies) Kaolin ebenfalls als Papierfüllstoff und in Papierbeschichtungszusammensetzungen zur Verfügung steht und dem Papier eine höhere Deckkraft als hydratisiertes Kaolin verleihen kann, hat es den großen Nachteil eines stärkeren Verschleißes.
  • Herkömmliche Kaolinpapierfüllstoffe und -beschichtungszusammensetzungpn werden typischerweise durch ein Aufbereitungsverfahren hergestellt, das typischerweise aus dem Fraktionieren in einer kontinuierlichen Zentrifuge, damit das Material mit Obergröße entfernt wird, und anschließendem Bleichen besteht, damit auf Eisen basierende gefärbte Verbindungen entfernt werden. Beim Bleichverfahren wird das Kaolin mit H&sub2;SO&sub4; auf einen pH-Wert von 3,0 angesäuert, um Eisen löslich zu machen. Danach wird Natriumhydrosulfit zugesetzt, um das Eisen zu einer stärker löslichen Eisenform zu reduzieren, die beim Entwässerungsverfahren entfernt wird. Der geflockte Ton, im allgemeinen mit etwa 30 Gew.% Feststoffen, wird anschließend zum Beispiel durch Entwässern auf einem Vakuumdrehfilter bis zu einem Feststoffwert von etwa 60 Gew.% filtriert. Der Filterkuchen wird anschließend entweder getrocknet oder erneut mit zusätzlichem trockenen Ton dispergiert, wenn er als Aufschlämmung mit etwa 70 Gew.% Feststoffen geliefert werden soll. Damit Produkte mit starker Helligkeit hergestellt werden, d.h. ein Produkt mit einem Helligkeitsindex von mehr als 90, können die Verunreinigungen durch weiteres Behandeln des Kaolintons durch Flotation oder Magnettrennung vom Kaolinton entfernt werden. Zur Herstellung eines zerlegten Produktes wird die grobe Fraktion vom ersten Zentrifugieren in Sandmühlen gemahlen, damit die normalerweise in Kaolin vorkommenden übereinandergeschichteten dünnen Schichten getrennt und somit einzelne Teilchen hergestellt werden, die einen Kugeläquivalentdurchmesser von weniger als 2 um aufweisen.
  • Auf diesem Fachgebiet ist allgemein bekannt, daß Kaolintonpigmente bestimmte rheologische und optische Eigenschaften aufweisen müssen, damit sie bei der Papierherstellung als Papierbeschichtungszusammensetzung oder Papierfüllstoffe geeignet sind. Das Kaolintonpigment muß als Suspension mit hohem Feststoffgehalt zur Verfügung stehen, die typischerweise einen Gehalt an Tonfeststoffen von etwa 50 bis etwa 70 Gew.% aufweist, jedoch noch eine ausreichend geringe Viskosität zeigt, damit das Pumpen, die Mischbarkeit mit anderen Füllstoff- oder Beschichtungskomponenten und das Auftragen auf Papier wirksam und ökonomisch möglich sind. Außerdem ist es von höchster Bedeutung, daß das Kaolinpigment bestimmte optische Eigenschaften zeigt, d.h. eine starke Helligkeit, einen hohen Glanz und eine hohe Deckkraft.
  • Der Einfluß der Teilchengrößenverteilung auf die optischen Eigenschaften von Kaolinpigmenten ist auf diesem Fachgebiet seit langem bekannt. Im gemeinsam abgetretenen US-Patent 2 992 936 beschreibt Rowland zum Beispiel, daß ein Kaolintonprodukt mit folgender Teilchengrößenverteilung (bezüglich des Kugeläquivalentdurchmessers, A.D.) durchweg eine bessere Helligkeit, einen verbesserten Glanz und eine verbesserte Deckkraft zeigt, wenn es als Ton zur Papierbeschichtung verwendet wird:
  • 99-100 Gew.% Ä.D. kleiner als 5 um
  • 98-100 Gew.% Ä.D. kleiner als 4 um
  • 88-100 Gew.% A.D. kleiner als 1,7 um
  • 85- 97 Gew.% Ä.D. kleiner als 1,5 um
  • 70- 84 Gew.% Ä.D. kleiner als 1,0 um
  • 25- 37 Gew.% Ä.D. kleiner als 0,5 um
  • 10- 15 Gew.% A.D. kleiner als 0,3 um.
  • Rowland beschreibt außerdem die Herstellung dieses Kaolinproduktes mit gesteuerter Teilchengröße, wobei eine Kaolintonaufschlämmung zuerst entgriest wird, die entgrieste Kaolintonaufschlämmung mit 21 Gew.% Feststoffen danach mit 400 cm³/min durch eine Sharples-Zentrifuge mit 6300 U/min geleitet und der überlaufende Abfluß anschließend beim gleichen Durchsatz und den gleichen U/min erneut zentrifugiert wird. Der am Ende überlaufende Abfluß stellte eine Fraktion dar, bei der die Feinstofffraktion der entgriesten Tonaufschlämmung entfernt war, und betrug 22 Gew.% der entgriesten Tonaufschlärnmung. Die nach der Entfernung der 22% Feinstofffraktion zurückbleibende entgrieste Tonaufschlämmung, d.h. der kombinierte Unterlauf der beiden Zentrifugierschritte, wurde mit 0,15% Natriumhexametaphosphat erneut auf etwa 20% Feststoffe aufgeschlämmt und konnte sich durch die Schwerkraft bis zu einer Schlicktiefe von 1 inch absetzen. Der abgesetzte grobe Ton, der etwa 48% der entgriesten Tonaufschlämmung betrug, wurde entfernt, wobei etwa 30 Gew.% der ursprünglichen entgriesten Kaolintonaufschlämmung als Zwischenprodukt verblieben, das einer weiteren Behandlung durch Bleichen, Filtern und Trocknen unterzogen wurde, wodurch ein kommerzielles Tonbeschichtungsprodukt erhalten wurde.
  • In einem Schriftsatz mit dem Titel "Chemically Induced Kaolin Floc Structures for Improved Paper Coating", 1983 auf der TAPPI Coating Conference von W.H. Bundy et al. dargelegt, wird ein verbessertes Beschichtungspigment für Dickdruckpapier beschrieben, das als 1089 bezeichnet wird und chemisch modifiziertes Kaolin umfaßt, das von Georgia Kaolin Company, Inc. hergestellt und unter der Warenzeichen Astra-Lite gehandelt wird. Es wird aufgeführt, daß die Strukturen mit optimaler Funktionalität von der chemischen Behandlung eines Ausgangskaolintons mit einer Teilchengrößenverteilung stammen, bei der etwa 80 bis 93 Gew.% der Kaolinteilchen einen Ä.D. von weniger als 2 um aufweisen, so daß ein Teil der Submikronfeinstoffe darin selektiv ausgeflockt wird, wodurch sich ein Teil der Feinstoffe auf der Oberfläche von größeren dünnen Kaolinschichten zusammenballt und einen großen Abschnitt der Kolloidteilchen wirksam inaktiviert. Das chemisch modifizierte Kaolinbeschichtungspigment stammt von einem Ausgangskaolin, bei dem 92 Gew.% der Teilchen mit weniger als 2 um von Bundy et al. mit folgender Teilchengrößenverteilung bezeichnet werden:
  • 99 Gew.% Ä.D. kleiner als 5 um
  • 97 Gew.% Ä.D. kleiner als 3 um
  • 90,5 Gew.% Ä.D. kleiner als 2 um
  • 65,5 Gew.% Ä.D. kleiner als 1 um
  • 31,5 Gew.% Ä.D. kleiner als 0,5 um
  • 12,5 Gew.% Ä.D. kleiner als 0,3 um
  • 5,5 Gew.% Ä.D. kleiner als 0,17 um.
  • Das chemisch ausgeflockte Kaolinbeschichtungspigment kann zum Beispiel wie in US-Patenten 4 075 030, 4 076 548 oder 4 078 941 beschrieben durch selektives Ausflocken eines Ausgangskaolintons unter dem Zusatz entweder eines organischen Flockungsmittels mit geringem Molekulargewicht (weniger als 1.000.000), z.B. ein polyfunktionelles Amin, wie Ethylendiamin oder Hexamethylendiamin, oder eines Amins mit langer Kohlenstoffkette. mit oder ohne Zitronensäure und gegebenfalls in Gegenwart von feinem Glimmer mit einer Größe von weniger als 150 mesh hergestellt werden.
  • In US-Patent 4 738 726 wird eine Deckkraft verleihende Pigmentzusammensetzung beschrieben, die als Papierfüllstoff oder -beschichtungszusammensetzung geeignet ist und im wesentlichen aus Teilchen von wäßrigem Kaolinton besteht, der mit einer gesteuerten geringen Menge eines Flockungsmittels in Form eines kationischen Polyelektrolyts ausgeflockt wurde, z.B. mit einem quaternären Ammoniumpolymersalz oder einem Diallylammoniumpolymersalz. Der Ausgangskaolinton wird so ausgewählt, daß er vor dem Ausflocken eine Teilchengrößenverteilung aufweist, bei der weniger als 35 Gew.% feiner als 0,3 um, d.h. kolloidal sind.
  • Zusätzlich zur oben genannten Beschichtungszusammensetzung ASTPA-LITE von Georgia Kaolin Company, Inc. hat der Inhaber der vorliegenden Erfindung eine Anzahl kommerzieller Beschichtungstone in den Handel gebracht, diese umfassen:
  • ASTRA-PAQUE: ein relativ grober gebrannter Kaolinton, der typischerweise nur etwa 80 Gew.% von Teilchen mit einem Ä.D. von weniger als 2 um aufweist;
  • ALTOWHITE TE: ein grober gebrannter Kaolinton, der typischerweise nur etwa 42 Gew.% von Teilchen mit einem Ä.D. von weniger als 2 um aufweist;
  • ASTRA-BRITE: ein sehr heller (89-91), relativ feiner, ungebrannter Kaolinton, der typischerweise etwa 92 Gew.% von Teilchen mit einem Ä.D. von weniger als 2 um und etwa 35 bis 40 Gew.% von Teilchen mit einem Ä.D. von weniger als 0,3 um aufweist;
  • ASTRA-COTE 90: ein sehr heller (89-91), ungebrannter Kaolinton mit mittlerer Größe, der typischerweise etwa 86 Gew.% von Teilchen mit einem Ä.D. von weniger als 2 um aufweist;
  • ASTRA-SHEEN XG: ein ungebrannter zerlegter Kaolinton mit sehr geringer Teilchengröße;
  • ASTRA-PLATE: ein ungebrannter zerlegter Kaolinton mit sehr geringer Teilchengröße; und
  • ASTRA-GLAZE: ein ungebrannter Kaolinton mit sehr geringer Teilchengröße, der typischerweise etwa 96 Gew.% von Teilchen mit einem Ä.D. von weniger als 2 um und etwa 45 bis 50 Gew.% von Teilchen mit einem Ä.D. von weniger als 0,3 um aufweist.
  • Außderdem werden die Beschichtungstone Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 intensiv bei kommerziellen Papierbeschichtungszwecken eingesetzt. Der Beschichtungston Nr. 1 umfaßt relativ feines, ungebranntes Kaolin, das typischerweise etwa 92 Gew.% von Teilchen mit weniger als 2 um und etwa 35 bis 40 Gew.% von Teilchen mit weniger als 0,3 um aufweist. Der Beschichtungston Nr. 2 umfaßt ein relativ grobes, ungebranntes Kaolin, das typischerweise etwa 82 Gew.% von Teilchen mit weniger als 2 um und etwa 30 bis 35 Gew.% von Teilchen mit weniger als 0,3 um aufweist. Der Beschichtungston Nr. 3 umfaßt ein ziemlich grobes, ungebranntes Kaolin, das typischerweise etwa 73 Gew.% von Teilchen mit weniger als 2 um und etwa 25 bis 30 Gew.% von Teilchen mit weniger als 0,3 um aufweist.
  • Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten von Papier bereitgestellt, welches umfaßt:
  • (1) das Herstellen einer wäßrigen Kaolinsuspension aus einem Ausgangskaolinton - einem ungebrannten Ton, dessen Deck- und Glanzeigenschaften verbeserut wurden - durch ein Verfahren, das umfaßt (i) Zerlegen und Definieren des Ausgangskaolintons, wobei ein erheblicher Anteil der Kolloidteilchen des Ausgangskaolintons entfernt wird, und (ii) Gewinnen einer wäßrigen Suspension von definierten Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton, deren Größenverteilung in einem engen Bereich liegt, wobei mehr als 70% der Kaolinteilchen in der Suspension einen Kugeläquivalentdurchmesser von mindestens 0,3 um und weniger als 2 um haben; und
  • (2) das Beschichten eines Papierbogens mit einer Beschichtungszusammensetzung, die zumindest partiell definierte Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton der durch Schritt (1) hergestellten Kaolinsuspension enthält.
  • Der zerlegte, definierte Kaolinton wird vorzugsweise mit Aluminiumsulfat und Hexamethylendiamin oberflächenbehandelt. Der nach dem Schritt (1) hergestellte zerlegte, definierte Kaolinton wirkt unabhängig davon, ob behandelt oder unbehandelt, in Papierbeschichtungszusammensetzungen ausgezeichnet, und Papierbögen, die mit Zusammensetzungen beschichtet sind, die den zerlegten, definierten Kaolinton zumindest partiell enthalten, zeigen einen besseren Druckglanz, Bogenglanz und eine bessere Bedruckbarkeit sowohl beim Offset- als auch beim Rotationstiefdruck.
  • Bezogen auf das Gewicht des trockenen Tons kann die Beschichtungszusammensetzung somit eine Mischung aus etwa 40 bis etwa 55% des zerlegten, jedoch nicht definierten Kaolintons, etwa 10 bis etwa 20% des Kaolinbeschichtungstons Nr. 1 und etwa 30 bis etwa 50% des zerlegten, definierten, ungebrannten Tons, der nach dem Schritt (1) hergestellt wurde, umfassen.
  • Die hier verwendeten Begriffe "Kaolinbeschichtungston Nr. 1" und "Kaolinbeschichtungston Nr. 2" sollen, wie in der Industrie üblich, bedeuten:
  • (a) kreidehaltiger Kaolinton, der durch Zentrifugieren auf 90 bis 92 Gew.% mit weniger als 2 um klassifiziert wurde; und
  • (b) kreidehaltiger Kaolinton, der durch Zentrifugieren auf 80 bis 82 Gew.% mit weniger als 2 um klassifiziert wurde.
  • Die hohe Leistung des bei dieser Erfindung verwendeten sehr voluminösen Kaolintonproduktes als Papierbeschichtungszusammensetzung wird möglicherweise anhand der folgenden beispeile am deutlichsten, die als für die Erfindung beispielhaft und nicht einschränkend angesehen werden sollen.
  • In jedem Beispiel war die zugrundeliegende Kaolinton-Zusammensetzung, die hier nachfolgend als Kaolinton-Ausgangszusammensetzung bezeichnet wird, eine handelsübliche Kaolintonzusammensetzung, die von der oben genannten Georgia Kaolin Company, Inc. als Beschichtungston ASTRA-BRITE gehandelt wird. Die Tonzusammensetzung wird durch ihre starke Helligkeit, die im Bereich von 89 bis 91 liegt, und ihre Teilchengrößenverteilung gekennzeichnet, bei der 92 Gew.% weniger als 2 um aufweisen. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Kaolintonzusammensetzungen bei der Anwendung der Erfindung als Ausgangsmaterial geeignet, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf Kaolin mit einer bestimmten Teilchengrößenverteilung begrenzt.
  • Die in jedem Beispiel verwendete Kaolinton-Ausgangszusammensetzung wurde mit Natriumhexametaphosphat als Dispersionsmittel mit Wasser vermischt, wodurch eine wäßrige Aufschlämmung gebildet wurde. Vor dem Definieren wurde der optimale Dispersionsmittelwert, d.h. die erforderliche Menge des Dispersionsmittels, damit für die entstandene Aufschlämmung der Punkt mit der Mindestviskosität erreicht wird, mit Natriumhexametaphosphat als Dispersionsmittel bestimmt. Der Aufschlämmung wurden 0,05% Natriumhexametaphosphat im Überschuß über diesem Optimalwert zugesetzt, damit beim anschließenden Definierverfahren eine gute Dispersion gesichert ist. Selbstverständlich können jedoch bei der vorliegenden Erfindung auch andere Dispersionsmittel verwendet werden, z.B. wasserfreies Natriumcarbonat, Natriumpolyacrylat und andere Dispersionsmittel, die zu Natriumhexametaphosphat äquivalent sind, die Dispersionsmittel sind jedoch nicht darauf begrenzt.
  • Der hier verwendete Begriff Zerlegen betrifft ein Verfahren, bei dem natürlich vorkommender Kaolin in Form von übereinandergelagerten Schichten in einer wäßrigen Tonaufschlämmung einer Scherkraft ausgesetzt wird, wodurch der übereinandergeschichtete Kaolin zu dünnen Schichten zerkleinert wird. In den hier aufgeführten Beispielen erfolgte das Zerlegen, indem eine wäßrige Aufschlämmung der übereinandergeschichteten Kaolinteilchen der Scherwirkung in einer Sandmühle unterworfen wurde. Selbstverständlich kann das Zerlegen jedoch auch in anderen Vorrichtungen erfolgen, z.B. einer Kugel- oder einer Pebble-Mühle, Extrudern oder Kolloidmühlen mit Rotor-Stator, wobei die Vorrichtungen nicht auf diese begrenzt sind, und vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht abgewichen wird. Zur aus führlichen Erläuterung des Verfahrens zum Zerlegen von Kaolinitton wird auf das gemeinsam übertragene US-Patent 3 615 806 von Andrew Torock und Thomas F. Walsh Bezug genommen, dessen Beschreibung hier als Bezug aufgenommen wird.
  • Der hier verwendete Begriff "Definieren" betrifft ein Verfahren zum Abtrennen und Aussortieren eines Prozentsatzes der Feinstofffraktion der Kaolinsuspension. In jedem hier aufgeführten Beispiel erfolgte das Definierverfahren mit einer Zentrifuge. Die zu definierende Kaolinsuspension wurde einer Zentrifuge zugeführt und darin behandelt, damit die Suspension in eine grobe Fraktion und eine Feinstofffraktion getrennt wird. Ein ausgewählter Volumenprozentsatz der Feinstofffraktion wird aussortiert, während der Rest der Feinstofffraktion für die weitere Behandlung mit der groben Fraktion gemischt wird. In jedem Beispiel betrifft der aufgeführte Prozentsatz des Definierens den Volumenprozentsatz der Feinstofffraktion, der aussortiert wird. Definieren bis zu einem Wert von 40% bedeutet zum Beispiel, daß 40% der Feinstofffraktion aus der Zentrifuge aussortiert wurden, und daß die restlichen 60% der Feinstofffraktion aus der Zentrifuge für die weitere Behandlung mit der groben Fraktion aus der Zentrifuge gemischt wurden.
  • Wie auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt, sollte das Bleichen des Kaolins, damit säurelösliche, die Helligkeit beeinträchtigende Verunreinigungen entfernt werden, bei einem pH-Wert im Bereich von 2,0 bis 4,0 erfolgen. In den folgenden Beispielen wurde der pH-Wert jeder Kaolinsuspension vor dem Bleichen auf pH = 3,0 eingestellt, indem eine geeignete Menge einer 10%igen wäßrigen Schwefelsäurelösung damit vermischt wurde. Die Kaolinsuspensionen wurden anschließend bei pH = 3,0 gebleicht, wobei Natriumhydrosulfit in einer Menge von 4 Pound pro Tonne Ton damit vermischt wurde. Nach dem Bleichen wurde der pH-Wert jeder Suspension durch Einmischen einer Natriumhydroxidlösung auf 5,0 eingestellt. Die Kaolinsuspensionen wurden anschließend filtriert und gespült, wodurch ein Filterkuchen erhalten wurde.
  • Die in den folgenden Beispielen verwendeten Oberflächenbehandlungsmittel waren Hexamethylendiamin in einer 5%igen wäßrigen Lösung und vollständig mit "Hex/Alum" behandeltes Aluminiumsulfat in einer 3%igen wäßrigen Lösung. In allen Fällen betrifft der Begriff "Behandlungswert" bei der Oberflächenbehandlung den Gewichtsprozentsatz des Oberflächenbehandlungsmittels zum trockenen Ton. Ein Behandlungswert von zum Beispiel 0,5% weist darauf hin, daß das Oberflächenbehandlungsmittel in einer Menge von 10 Pound des Oberflächenbehandlungsmittels pro Tonne des trockenen Tons in die wäßrige Tonaufschlämmung eingemischt worden war.
  • Wenn in der wäßrigen Tonaufschlämmung Aluminiumsulfat vorhanden ist, beginnt die Fällung von Aluminiumhydroxid bei einem pH-Wert von mehr als 4. In den hier gezeigten Beispielen wurde der pH-Wert der wäßrigen Tonaufschlämmung durch den Zusatz von Natriumhydroxid auf die Oberfläche des Kaolins geregelt. Zur gründlichen Erläuterung des Verfahrens zur Fällung von Aluminiumhydroxid auf Kaolinteilchen wird auf einen Schriftsatz mit dem Titel "The Effect of Aluminum On the Surface Properties of Kaolinite" von Wayne M. Bundy und Haydn H. Murray von Georgia Kaolin Co. autorisiert und 1973 in CLAY AND CLAY MINERALS, Bd. 21 auf den Seiten 295-302 veröffentlicht, Bezug genommen.
    • BEISPIEL I
  • Die Kaolinton-Grundzusammensetzung wurde in Wasser mit Natriumhexametaphosphat eingemischt, wodurch eine wäßrige Kaolinsuspension hergestellt wurde, wie es bereits beschrieben wurde. Die Suspension wurde anschließend in einem Naßzerkleinerer zerlegt. Durch Zentrifugen in einer Scheiben-Düsen-Zentrifuge, die mit einem inneren Umlauf ausgestattet war und von Dorr-Oliver Incorporated of Stamford, Connecticut hergestellt wird, wurde die zerlegte Suspension anschließend auf einen Wert von 40,5% definiert. Das aus der Zentrifuge gewonnene zerlegte, definierte Produkt wies eine Teilchengrößenverteilung von 91 Gew.% mit weniger als 2,0 um und 8 Gew.% mit weniger als 0,3 um, d.h. Kolloidteilchen, auf. Die Teilchengrößenverteilung war somit so eingeengt, daß 83 Gew.% der Kaolinteilchen im Produkt zwischen 0,3 und 2 um lagen. Die zerlegte, definierte Kaolinsuspension wurde anschließend bei einem Behandlungswert von 0,7 Gew.% des trockenen Tons mit Aluminiumsulfat in einer wäßrigen Suspension und bei einem Behandlungswert von 0,08 Gew.% des trockenen Tons mit Hexamethylendiamin in einer wäßrigen Suspension behandelt. Nach dem Bleichen, Filtern, Spülen und erneutem Dispergieren, wie es bereits beschrieben wurde, wurde das Kaolinprodukt in Formulierungen einer Beschichtungstonmischung eingeführt, um eine Auswertung sowohl beim Offset- als auch beim Rotationstiefdruckverfahren im Vergleich mit einer handelsüblichen Beschichtungstonmischung vorzunehmen.
  • Die handelsübliche Beschichtungstonmischung (Mischung A) bestand aus einer Mischung von 3 Gewichtsteilen des Beschichtungstons Astra-Plate und einem Gewichtsteil des Beschichtungstons Premiere. Der Beschichtungston Astra- Plate ist ein zerlegter, nicht definierter Kaolinton, der von Georgia Kaolin Company, Inc. of Union, New Jersey hergestellt wird, und Premier ist der Beschichtungston Nr. 1, der von Georgia Kaolin Company, Inc. of Union, New Jersey hergestellt wird; er umfaßt einen nicht zerlegten, nicht definierten Kaolinton, wobei etwa 92 Gew.% der Kaolinteilchen einen Kugeläquivalentdurchmesser von weniger als 2 um aufweisen. Die Beschichtungsmischung B umfaßt 9 Gewichtsteile der Mischung A und 1 Gewicht steil des Beschichtungstons Astra-Paque , der ein relativ grober gebrannter Kaolinton ist, der von Georgia Kaolin Company, Inc. of Union, New Jersey hergestellt wird, bei dem nur etwa 80 Gew.% der Kaolinteilchen einen Kugeläquivalentdurchmesser von weniger als 2 um aufweisen. Die Beschichtungsmischung C umfaßte 4 Gewicht steile des Kaolinproduktes von Beispiel 1 und 6 Gewichtsteile der Mischung A des handelsüblichen Beschichtungstons.
  • Zur Auswertung der Effektivität des erfindungsgemäßen Kaolinproduktes als Beschichtungston wurden die Tonmischungen A, B und C jeweils in eine Beschichtungsformulierung für Offsetdruck, die pro 100 Gewichtsteile der Beschichtungstonmischung 11 Gewichtsteile eines Stärkebindemittels, 6 Gewichtsteile eines SBR-Latexbindemittels, 0,8 Gewichtsteile Calciumstearat und 0,33 Gewichtsteile eines unlösliche machenden Mittels enthielt; und auch in eine Beschichtungsformulierung für den Rotationstiefdruck eingeführt, die pro 100 Gewichtsteile der Beschichtungstonmischung 6 Gewichtsteile eines Stärkebindemittels, 2,4 Gewichtsteile eines SBR-Latexbindemittels, 0,8 Gewichtsteile Calciumstearat und 0,05 Gewichtsteile Gummi enthielt. Durch Auftragen der Beschichtungsformulierungen aufleichtes Grundmaterial mit einem Beschichtungsgewicht von 5,0 lbs/3.300 ft² wurden beschichtete Bögen hergestellt, die Helligkeit, der Glanz des Bogens, die Deckkraft und der Druckglanz wurden mit Standardverfahren gemessen. TABELLE I Eigenschaften des beschichteten Papiers Tonmischung Helligkeit Glanz des Bogens Deckkraft Druckglanz Offset-Formulierung Formulierung für den Rotationstiefdruck
  • wie aus Tabelle I ersichtlich, zeigt die Beschichtungstonmischung C, in die 60 Gew.% des zerlegten, definierten, behandelten Kaolinproduktes vom Beispiel I eingeführt wurden, im Vergleich mit den handelsüblichen Beschichtungstonmischungen A und B in Beschichtungsformulierungen für Offsetdruck eine hervorragende Deckkraft. Die Tonmischung G, die aus 40 Gew.% des zerlegten, definierten, behandelten Kaolinproduktes des Beispiels I und 60 Gew.% des handelsüblichen Beschichtungstons (Mischung A) bestand, übertrifft die handelsüblichen Mischungen A und B sowohl bei Beschichtungsformulierungen für Offsetdruck als auch Beschichtungsformulierungen für Rotationstiefdruck ebenfalls beim Glanz des Bogens und beim Druckglanz.
    • BEISPIEL IIA
  • Die Kaolinton-Ausgangszusammensetzung wurde wie im Beispiel I beschrieben behandelt, außer daß das Definierverfahren mit einer Scheibe-Düsen-Zentrifuge erfolgte, die mit einem inneren Umlauf ausgestattet war und von Alfa-Laval Inc. of Fort Lee, New Jersey hergestellt wird, und der Definierwert 35% betrug. Das zerlegte, definierte, behandelte Kaolinprodukt des Beispiels IIA wurde in eine Offset-Formulierung eingeführt, die 10 Gewichtsteile des Latex Bindemittels Dow 620, 9 Gewichtsteile des Stärkebindemittels Penford Gum 290, 1,5 Gewichtsteile Nopco C-104 und 0,1 Gewichtsteile Colloid 211 jeweils pro 100 Teile Ton enthielt.
  • Zu Vergleichszwecken wurden auch mit den handelsüblichen Beschichtungstonen Astra-Plate , Astra-Brite und Astra- Cote , die von Georgia Kaolin Company, Inc. of Union, New Jersey hergestellt werden, Beschichtungsformulierungen hergestellt. Durch Aufbringen jeder Beschichtungsformulierung auf ein Grundmaterial mit 31,3 pound/3.300 ft² mit einem Beschichtungsgewicht von 7,2 pound/3.300 ft² wurden Versuchsbögen hergestellt. Die beschichteten Bögen wurden bei 140ºF und einem Druck von 200 pli in 3 Walzenspalten kalandriert. Es wurden die Helligkeit, die Deckkraft, der Glanz des Bogens und der Druckglanz gemessen. TABELLE IIA Eigenschaften des beschichteten Papiers verwendetes Kaolin Helligkeit Glanz des Bogens Deckkraft Druckglanz Beispiel IIA Astra-Plate Astra-Brite Astra-Cote
  • Die ausgezeichnete Deckkraft, Helligkeit und der ausgezeichnete Glanz der Bögen, die mit einer Offset-Formulierung beschichtet wurden, in die das erfindungsgemäße zerlegte, definierte, behandelte Kaolinprodukt eingeführt worden war, im Vergleich mit Bögen, die mit einer Offset- Formulierung beschichtet wurden, in die handelsüblicher zerlegter, nicht definierter Beschichtungston (Astra-Plate) oder relativ feiner, nicht zerlegter, nicht definierter, handelsüblicher Beschichtungston (Astra-Brite) oder relativ grober, nicht zerlegter, nicht definierter, handelsüblicher Beschichtungston (Astra-Cote) eingeführt worden war, ist aus Tabelle IIA leicht zu erkennen. Der Druckglanz der mit der Offset-Formulierung beschichteten Bögen, in die das Kaolinprodukt des Beispiels II eingeführt wurde, war gegenüber Bögen, die mit der Offset-Formulierung beschichtet worden waren, in. die jeder der nicht zerlegten handelsüblichen Beschichtungstone eingeführt worden war, ebenfalls ausgezeichnet.
    • BEISPIEL IIB
  • Die Kaolinton-Ausgangszusammensetzung wurde wie im Beispeil I beschrieben hergestellt, außer daß das Definierverfahren mit einer Scheiben-Düsen-Zentrifuge, die mit einem inneren Umlauf ausgestattet war und von Alfa-Laval Inc. of Fort Lee, New Jersey hergestellt worden war, bei einem Definierwert von 35% erfolgte. Das zerlegte, definierte, behandelte Kaolinprodukt des Beispiels IIB mit vermindertem Feinstoffgehalt wurde in eine Formulierung für den Rotationstiefdruck eingeführt, die pro 100 Teile Ton 5,5 Gewichtsteile des Stärkebindemittels Penford Gum 290, 4 Gewichtsteile des Latexbindemittels Dow 620, 1,2 Gewichtsteile C-104 und 0,1 Gewichtsteile Colloid 211 umfaßte. Zu Vergleichszwecken wurden auch Beschichtungsformulierungen mit den handelsüblichen Beschichtungstonen Astra-Plate, Astra-Brite und Astra-Cote hergestellt, die von Georgia Kaolin Company, Inc. of Union, New Jersey hergestellt wurden. Durch Aufbringen jeder Beschichtungsformulierung auf ein Grundmaterial mit 31,3 pound/3.300 ft² mit einem Beschichtungsgewicht von 7,2 pound/3.300 ft² wurden Versuchsbögen hergestellt. Die beschichteten Bögen wurden bei 140ºF und einem Druck von 200 pli in 3 Walzenspalten kalandriert. Die Helligkeit, Deckkraft und der Glanz des Bogens wurden nach TAPPI-Versuchsverfahren gemessen. Die Bedruckbarkeit beim Rotationstiefdruck wurde ebenfalls ausgewertet, wobei die fehlenden Punkte mit dem Prüfgerät "Diamond International Printability Tester" bestimmt wurden. TABELLE IIB Eigenschaften des beschichteten Papiers verwendetes kaolin Helligkeit Deckkraft Glanz des Bogens fehlende Punkte Beispiel II B Astra-Plate Astra-Brite Astra-Cote
  • Die hervorragende Deckkraft und Helligkeit der mit der Formulierung für Rotationstiefdruck beschichteten Bögen, die das erfindungsgemäße zerlegte, definierte behandelte Kaolinprodukt enthalten, im Vergleich mit Bögen mit einer Formulierung für Rotationstiefdruck, in die der handelsübliche zerlegte, nicht definierte Beschichtungston (Astra- Plate) oder der relativ feine, nicht zerlegte, nicht definierte handelsübliche Beschichtungston (Astra-Brite) oder der relativ grobe, nicht zerlegte, nicht definierte, handelsübliche Beschichtungston (Astra-Cote) eingeführt wurde, ist aus Tabelle IIB leicht ersichtlich. Im Vergleich mit jedem handelsüblichen Beschichtungston wird auch die hervorragende Bedruckbarkeit beim Rotationstiefdruckverfahren durch eine wesentlich geringere Anzahl der fehlenden Punkte deutlich, die mit dem Kaolinprodukt des Beispiels IIB verbunden ist.
    • BEISPIEL III
  • Zur weiteren Untersuchung der Effektivität des erfindungsgemäßen zerlegten, definierten, behandelten Kaolinproduktes in Papierbeschichtungsformulierungen wurde das Kaolinprodukt vom Beispiel II in Verbindung mit vorhandenen handelsübliche Beschichtungstonen verwendet, wodurch verschiedene Tonmischungen hergestellt wurden, die anschließend als Tonkomponente bei der Herstellung einer Beschichtungsformulierung verwendet wurden, die pro 100 Gewichtsteile des Tonbindemittels 18 Gewichtsteile des Latex Dow 620, 1 Gewichtsteil Nopco C-104 und 1 Gewichtsteil CMC 7L enthielt. Durch Aufbringen von jedem dieser Latexbindemittel-Beschichtungsformulierungen auf ein Ausgangsmaterial mit 46 pound/3.300 ft² mit einem Beschichtungsgewicht von etwa 5,7 pound/3.300 ft² wurden Versuchsbögen hergestellt. Die beschichteten Bögen wurden bei 140ºF und einem Druck von 200 pli durch 2 Walzenspalten kalandriert. Die Helligkeit, Deckkraft, der Glanz des Bogens und der Druckglanz wurden mit Standardverfahren gemessen. TABELLE III Eigenschaften des beschichteten Bogens Tonmischung Astra-Plate Bsp. II Premier KCS Astra-Paque Deckkraft Helligkeit-Glanz des Bogens Druckglanz
  • Wie aus Tabelle III ersichtlich, führte der Austausch von Astra-Plate, einem handelsüblichen zerlegten, nicht definierten Beschichtungstont, durch das zerlegte, definierte, behandelte Kaolinprodukt des Beispiels II bei allen Mischungen zu deutlichen Verbesserungen der Deckkraft, der Helligkeit, des Glanzes des Bogens und des Druckglanzes. Eine Beschichtungsformulierung, die das erfindungsgemäße Kaolinprodukt allein oder in Mischung mit dem Beschichtungston Nr. 1 oder Nr. 2 enthielt, übertraf die Beschichtungsformulierung bei der Deckkraft und dem Glanz, die Mischungen enthielt, in die gebrannter Ton eingeführt worden war.
    • BEISPIEL IV
  • Um zu sichern, daß das erfindungsgemäße Kaolinprodukt als Beschichtungston keinen nachteiligen Einfluß auf den Lauf der Papierbeschichtungsvorrichtung hat, und zwar eine Verminderung der Geschwindigkeit, mit der die Beschichtungsformulierung ohne Streifen oder Überspringen aufgebracht werden kann, wurden drei leichte Beschichtungsformulierungen hergestellt und auf das "Laufvermögen" in einer zylindrischen Laborbeschichtungsvorrichtung untersucht, wobei die Maximalgeschwindigkeit bestimmt wurde, bei der die Beschichtungsformulierung auf dieser Beschichtungsvorrichtung aufgebracht werden konnte, ohne daß Streifen oder ein Überspringen auftrat. In jedem Fall wurde die Beschichtungsformulierung mit einem Feststoffgehalt von 56 Gew.% formuliert und mit einem Beschichtungsgewicht von 4, 5 und 6 pound/3.300 ft² auf ein unbeschichtetes Ausgangsmaterial mit 28 pound/3.300 ft² aufgebracht. Die verwendete leichte Beschichtungsformulierung umfaßte in jedem Fall pro 100 Teile Ton 11 Gewichtsteile des Stärkebindemittels Stayco M, 6 Gewichtsteile des Latexbindemittels Gen Flo 5092, 0,8 Gewichtsteile Calciumstearat Flowco und 0,3 Gewichtsteile Sunrez 720. Mit jedem der folgenden Tonbindemittel wurden Beschichtungsformulierungen hergestellt (in Gewichtsteilen):
  • A. 67,5 Teile zerlegter, nicht definierter Beschichtungston (Astra-Plate)
  • 22,5 Teile des Beschichtungstons Nr. 1 (Premier)
  • 10,0 gebrannter Beschichtungston (Astra-Paque)
  • B. 48,8 Teile zerlegter, nicht definierter Beschichtungston (Astra-Plate)
  • 16,2 Teile Beschichtungston Nr. 1 (Premier)
  • 35 Teile des Produktes vom Beispiel II
  • C. 45 Teile zerlegter, nicht definierter Beschichtungston (Astra-Plate)
  • 15 Teile Beschichtungston Nr. 1 (Premier)
  • 40 Teile des Produktes vom Beispiel II
  • Laufversuche auf der Laborbeschichtungsvorrichtung zeigten, daß beide Beschichtungsformulierungen B und C, in die jeweils das erfindungsgemäße zerlegte, nicht definierte, behandelte Produkt eingeführt worden war, mit einer Beschichtungsgeschwindigkeit von 2.400 ft/min aufgebracht werden konnten, ohne daß Beschichtungsmängel auftraten, dies wird mit der Maximalgeschwindigkeit von nur 2.200 ft/min für die Beschichtungsformulierung A verglichen, in die eine Tonmischung eingeführt worden war, die nur aus handelsüblichen herkömmlichen Beschichtungstonen bestand.
  • Wie aus den oben beschriebenen Versuchsergebnissen ersichtlich, übertrifft das erfindungsgemäße zerlegte, definierte, behandelte Kaolinprodukt die meisten herkömmlichen Kaolintone bei der Papierbeschichtung. Das erfindungsgemäße zerlegte, definierte Kaolinprodukt arbeitet tatsächlich, selbst wenn es unbehandelt ist, genauso gut wie typische handelsübliche Beschichtungstonmischungen. Wie in Tabelle IV gezeigt, ergibt das Kaolinprodukt, das durch Definieren und Zerlegen des Ausgangskaolins mit Definierwerten von 30, 35 oder 40% durch Zentrifugieren auf einer Zentrifuge ohne inneren Umlauf hergestellt wurde, selbst wenn es nicht mit Aluminiumsulfat und Hexamethylendiamin behandelt wurde, leichte Beschichtungsformulierungen, die im Vergleich mit einer typischen handelsüblichen leichten Beschichtungsformulierung, die die handelsübliche Beschichtungstonmischung A des Beispiels IV enthielt, hervorragende Eigenschaften bei der Bedruckbarkeit und dem Glanz. TABELLE IV Eigenschaften des beschichteten Papiers Ton Verminderungswert Deckkraft Helligkeit Glanz des Bogens Druckglanz fehlende Punkte Definiert zerlegt jedoch unbehandelt handelsüblich (Beisp. IVA)
  • Obwohl die Oberflächenbehandlung mit Aluminiumsulfat und Hexamethylendiamin die Beschichtungseigenschaften des erfindungsgemäßen zerlegten, definierten Kaolinproduktes weiter verbessert, ist klar, daß das unbehandelte zerlegte, definierte Produkt, das nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, einen kostengünstigeren Beschichtungston liefert, der hervorragende Druckeigenschaften aufweist, wobei er fast die Deckkraft handelsüblicher Beschichtungstone hat. Durch Definieren und Zerlegen eines relativ feinen Ausgangskaolintons wird ein Kaolinprodukt mit einer viel engeren Teilchengrößenverteilung hergestellt, wobei das Produkt eine hohe Deckkraft aufweist und hervorragende Eigenschaften bei Beschichtungsformulierungen zeigt. Dies ist unabhängig davon, ob es weiter mit Aluminiumsulfat und Hexamethylendiamin behandelt wird oder nicht.
  • Das entstandene erfindungsgemäße zerlegte, definierte Produkt wird im Vergleich mit handelsüblichen Beschichtungstonen durch seine engere Teilchengrößenverteilung gekennzeichnet. Durch Definieren eines relativ feinen Ausgangskaolins, wodurch eine wesentliche Menge des kolloidalen Materials von diesem Kaolin entfernt wird, hat das Kaolinprodukt etwa den gleichen Wert an grobem Material, und zwar Teilchen mit einem Ä.D. von mehr als 2 um, als das Ausgangskaolin, jedoch einen geringeren Wert an feineren Teilchen, insbesondere kolloidem Material, d.h. Teilchen mit einem A.D. von weniger als 0,3 um. Das erfindungsgemäße zerlegte, definierte Produkt zeigt eine derartige Teilchengrößenverteilung, daß mindestens etwa 70 Gew.% der Teilchen im Produkt einen Ä.D. von mehr als 0,3 und weniger als 2,0 um aufweisen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Beschichten von Papier, umfassend
(1) das Herstellen einer wäßrigen Kaolinsuspension aus einem Ausgangskaolinton - einem ungebrannten Ton, dessen Deck- und Glanzeigenschaften verbessert wurden - durch ein Verfahren, das umfaßt: (i) Zerlegen und Definieren des Ausgangskaolintons, wobei ein erheblicher Anteil der Kolloidteilchen des Ausgangskaolintons entfernt wird, und (ii) Gewinnen einer wäßrigen Suspension von definierten Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton, deren Größenverteilung in einem engen Bereich liegt, wobei mehr als 70% der Kaolinteilchen in der Suspension einen Kugeläquivalentdurchmesser von mindestens 0,3 um und höchstens 2 um haben; und
(2) das Beschichten eines Papierbogens mit einer Beschichtungszusammensetzung, die zumindest partiell definierte Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton der durch Schritt (1) hergestellten Kaolinsuspension enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Schritt (2) benutzte Beschichtungszusammensetzung eine Mischung umfaßt aus
(a) etwa 40 bis etwa 55%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Tons, eines zerlegten, aber undefinierten, ungebrannten Kaolintons;
(b) etwa 10 bis etwa 20%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Tons, eines Nr. 1 Kaolinbeschichtungstons; und
(c) etwa 30 bis etwa 50%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Tons, definierter Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton der durch Schritt (1) hergestellten Kaolinsuspension.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Schritt (2) benutzte Beschichtungsmittel besteht aus
(a) etwa 20%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Tons, eines Nr. 1 Kaolinbeschichtungstons, eines Nr. 2 Kaolinbeschichtungstons oder einer Mischung davon; und
(b) etwa 80%, bezogen auf das Gewicht des trockenen Tons, definierter Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton der durch Schritt (1) hergestellten Kaolinsuspension.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Schritt (2) verwendete Beschichtungszusammensetzung eine Mischung ist, die umfaßt:
(a) definierter Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton der durch Schritt (1) hergestellten Kaolinsuspension; und
(b) mindestens einen Kaolinton, ausgewählt aus einem zerlegten, aber undefinierten, ungebrannten Kaolinton, einem Nr. 1 Kaolinbeschichtungston, einem Nr. 2 Kaolinbeschichtungston Nr. 2 und Mischungen davon.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die definierten Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton in wäßriger Suspension nach dem Zerlegen und Definieren oberflächenbehandelt werden mit wäßrigen Lösungen von Aluminiumsulfat und Hexamethylendiamin.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wenn abhängig von Anspruch 4, wobei die definierten Zerlegungsteilchen aus ungebranntem Kaolinton mindestens etwa 30 Gew.% des Kaolintons der Mischung ausmachen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Ausgangskaolinton eine Helligkeit von 89 bis 91 hat.
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