DE69725748T2 - Zusammensetzung, verwendung eines celluloseethers als verdickungsmittel und herstellung von beschichtetem zweidimensionalem celluloseprodukt - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine wässrige, Bindemittel enthaltende Zusammensetzung für die Beschichtung, wie für die Oberflächenleimung oder das Auftragen von einer Schicht von einer Streichmasse, von zweidimensionalen Produkten auf Cellulosebasis. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer wasserlöslichen, nicht-ionischen Alkylhydroxyalkylcellulose als Verdickungsmittel und ein Verfahren zur Herstellung der genannten beschichteten Produkte auf Cellulosebasis. Die Zusammensetzung weist verbesserte Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen und bei hohen Schergeschwindigkeiten auf. Diese Eigenschaften werden durch Verwendung eines Celluloseethers, der mit Hydroxyalkylgruppen, wie Hydroxyethyl und Hydroxypropyl, und Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen substituiert ist, als Verdickungsmittel erreicht.
- Bei der Beschichtung, wie dem Auftrag einer. Schicht von einer Streichmasse oder bei der Oberflächenleimung, von zweidimensionalen Produkten auf Cellulosebasis, wie Papier oder Karton, mit einer Zusammensetzung besteht das hauptsächliche Ziel in der Änderung der Eigenschaften des Papierprodukts, wie eine verbesserte Festigkeit, ein verbessertes Aussehen, eine verbesserte Bedruckbarkeit, eine verbesserte Undurchlässigkeit oder verbesserte Hafteigenschaften. Daher ist es üblich, die Oberfläche von Papier oder Karton mit einer wässrigen, Bindemittel enthaltenden Zusammensetzung zu leimen, um u. a. die Nassfestigkeit zu verbessern, oder das Papier oder den Karton mit einer Zusammensetzung, die Pigmentpasten enthält, zu beschichten, um die Bedruckbarkeit und das Aussehen der Oberfläche zu verbessern. Die Streichmassen-Zusammensetzungen können neben dem Bindemittel und Pigmenten auch sekundäre Bindemittel (Co-Bindemittel), Schutzkolloide, Verdickungsmittel und Dispergiermittel enthalten. Es ist üblich, als Verdickungsmittel, Schutzkolloid oder sekundäres Bindemittel wasserlösliche oder in Wasser quellbare Polymere auf Basis von Polvinylalkohol, modifizierten Cellulosen, Stärke, Casein, Alginat oder hochmolekularen, Carboxylgruppen enthaltenden Polymerisaten zu verwenden.
- Die Verwendung von Celluloseethern in Streichmassen ist z. B. in EP-A-0015517 offenbart, nach der Carboxymethylcellulose als sekundäres Bindemittel zugegeben wird. Aus EP-A-0307795 ist bekannt, u. a. Methylcellulose als Schutzkolloid zu verwenden. EP-A-0425997 offenbart, dass hydrophob modifizierte Alkylcellulose, Alkylhydroxyalkylcellulose oder Hydroxyalkylcellulose als Verdickungsmittel in wässrigen Papierbeschichtungs-Zusammensetzungen verwendet werden können. Die hydrophobisierenden Gruppen sind vorzugsweise C12 -16-Alkylgruppen oder Alkylarylgruppen. Bei Verwendung in Streichmassen-Zusammensetzungen führen diese Celluloseether im Vergleich mit Carboxymethylcelluloseethern zu einer verbesserten Viskosität bei hohen Schergeschwindigkeiten. Obgleich Papier-Streichmassenzusammensetzungen nach EP-A-0425997 zu Papier-Streichmassenzusammensetzungen mit Eigenschaften führen, die in mancher Hinsicht besser sind als jene von Carboxymethylcellulose, besitzen sie auch bestimmte Beschränkungen. So ergeben sie eine vergleichsweise geringe Viskosität bei den erhöhten Temperaturen, die beim Trocknen der Zusammensetzungen vorherrschen.
- Aus EP-A-0496269 ist auch bekannt, zum Beschichten von Papier eine Multipolysaccharid enthaltende Suspension herzustellen, die ein niedermolekulares Polysaccharid enthält, das in der wässrigen Phase gelöst ist und bei dem es sich um eine Carboxymethylcellulose oder eine Hydroxyethylcellulose handeln kann. Außerdem enthält die Beschichtungszusammensetzung ein oder mehrere dispergierte, d. h. nicht gelöste Cellulosepolymere, wie Hydroxypropylcellulose, Methylcellulose, Methylhydroxypropylcellulose und hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose. EP-A-0651093 beschreibt eine Papier-Beschichtungszusammensetzung, welche ein Polysaccharid-Verdickungsmittel und auch ein Blockmittel, das dazu dient, dass verhindert wird, dass mehr als 25 Gew.-% des Verdickungsmittels auf einer Tonpigment-Oberfläche absorbiert werden, enthält. Als geeignete Verdickungsmittel nennt die Veröffentlichung wasserlösliche Alkylhydroxyalkylcellulosen oder Hydroxyalkylcellulosen ebenso wie ihre hydrophob modifizierten Analoga, wobei das hydrophob modifizierte Analogon das wirksamste ist. In den Arbeitsbeispielen werden Hydroxyethylcellulose und eine hydrophob modifizierte Hydroxyethylcellulose als Verdickungsmittel verwendet.
- Ferner offenbart US-A-3931069 eine Ketendimer-Dispersion, die ein kationisches Dispergiermittel und eine Alkylhydroxyalkylcellulose, wie Ethylhydroxy ethylcellulose, enthält, und die Verwendung derselben zur Leimung von Cellulosefasern.
- Nach der vorliegenden Erfindung wie in Anspruch 5 beschrieben ist nun festgestellt worden, dass eine wässrige, Bindemittel enthaltende Zusammensetzung zum Beschichten, wie zum Auftrag einer Schicht von einer Streichmasse oder zur Oberflächenleimung, eines zweidimensionalen Produkts auf Cellulosebasis, wie Papier und Karton, wobei die Zusammensetzung verbesserter Eigenschaften bezüglich der Viskosität bei erhöhten Temperaturen und bei hohen Schergeschwindigkeiten aufweist, erhalten werden kann, wenn ein Verdickungsmittel von einer wasserlöslichen, nicht-ionischen Alkylhydroxyalkylcellulose verwendet wird, welche Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen und Hydroxyalkylgruppen mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen enthält, aber frei von hydrophob modifizierenden Kohlenwasserstoffgruppen mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen ist, wobei der Celluloseether einen Trübungspunkt im Bereich von 35 bis 80°C, vorzugsweise 45 bis 70°C aufweist. Die Alkylhydroxyalkylcellulose löst sich daher in der Zusammensetzung und die Viskosität kann in weiten Bereichen variieren, wie von 5 mPa·s bis 150.000 mPa·s, aber gewöhnlich 10 bis 10.000 mPa·s, in 2%iger wässriger Lösung bei 20°C.
- Zusammensetzungen, die unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Celluloseether als Verdickungsmittel hergestellt werden, besitzen eine geringe Viskosität bei hohen Schergeschwindigkeiten und eine geringe Neigung zu verspritzen, womit sie sich für den Auftrag auf zweidimensionale Celluloseprodukte, wie Papier und Karton, eignen. Der Viskositätsanstieg, der sich in der Zusammensetzung ergibt, wenn das beschichtete Celluloseprodukt während der Trocknungsstufe erwärmt wird, stabilisiert und immobilisiert die aufgetragene Schicht und erleichtert die anschließende Behandlung. Trotz der erhöhten Viskosität zeigen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen eine gute Entwässerung oder sogar eine raschere Entwässerung als Zusammensetzungen, die andere Arten von Celluloseethern enthalten und nicht den gleichen Viskositätsanstieg bei erhöhter Temperatur aufweisen.
- Typische Celluloseether zur Verwendung in Zusammensetzungen nach der Erfindung sind Ethylhydroxyethylcellulose, Methylethylhydroxyethylcellulose, Methylethylhydroxyethylhydroxypropylcellulose und Methylhydroxypropylcellulose. In der Regel bilden die Hydroxyethylgruppen mindestens 30% der Gesamtzahl an Hydroxyalkylgruppen und die Anzahl an Ethylsubstituenten bildet gewöhnlich mindestens 10% der Gesamtzahl von Alkylsubstituenten. Beispiele für diese Celluloseether sind Ethylhydroxyethylcellulose mit einem DSethyl = 0,8 – 1,3 und einem MShydroxyethyl = 1,9 – 2,9 und Methylethylhydroxyethylcellulose mit einem DSmethyl = 1,0 – 2,5, DSethyl = 0,1 bis 0,6 und MShydroxyethyl = 0,1 – 0,8. Die Menge an Alkylhydroxyalkylcellulose beträgt gewöhnlich 0,05 bis 3 Gew.-% und bevorzugt 0,2 bis 1,5 Gew.-% der Zusammensetzung. Die Celluloseether können auf herkömmliche Weise durch Umsetzung von merzerisierter Cellulose mit Ethylenoxid und/oder Propylenoxid und Methylchlorid, Ethylchlorid und/oder Propylchlorid hergestellt werden.
- Die wässrigen Zusammensetzungen nach der Erfindung enthalten zweckmäßigerweise ein Bindemittel in einer Menge von 2 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 30 Gew.-%. Das Bindemittel kann sowohl aus wasserlöslichen Bindemitteln als auch aus Bindemitteln in Form von Wasserdispersionen oder Latex bestehen. Beispiele für geeignete Bindemittel sind Copolymerisate von ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren, Stärke, Proteine, Casein und Carboxymethylcellulose. Beispiele für geeignete Copolymerisate sind solche, die hergestellt werden aus Monomeren aus der Gruppe der Ester von Acrylsäure und Methacrylsäure, Acrylnitril, Methacrylnitril, Acrylamid, Methacrylamid, ethylenisch ungesättigten C3-C5-Monocarbonsäuren, ethylenisch ungesättigten Dicarbonsäuren und deren Halbestern, Vinylchlorid, ethylenisch ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Vinylester, Vinylsulfonsäure und der Ester von ungesättigten Carbonsäuren, die von mehrwertigen Alkoholen abgeleitet sind. Wenn die Zusammensetzungen zur Oberflächenleimung von zweidimensionalen Produkten auf Cellulosebasis verwendet werden sollen, enthalten sie auch 5 bis 65 Gew.-% Leim auf Basis des Trockengehalts der Zusammensetzung. Beispiele für geeignete Leime sind unterschiedliche Arten von Kolophonium, Sulfatharz, Proteinkomplex, Polyethylenwachs-Dispersionen, Paraffin-Copolymere, Melamin-Formaldehydharze usw.
- Die Zusammensetzungen können auch Pigmente enthalten, die aus natürlich abgeleiteten anorganischen Pigmenten und auch synthetisch hergestellten Pigmenten bestehen können. Beispiele für Pigmente sind Kaolin, Calciumcarbonat, Talkum, Titandioxid, Satinweiß, hydratisiertes Aluminium, Natriumsilicoaluminat und Kunst stoffpigmente und eine große Zahl von Spezialpigmenten, wie Bariumsulfat und Zinkoxid. In einer Pigmentstreichmassen-Zusammensetzung beträgt der Gehalt an Pigmenten gewöhnlich 5 bis 65 Gew.-% und macht das 4- bis 20-fache der Menge an Bindemittel aus.
- Eine typische Streichmassen-Zusammensetzung nach der Erfindung ist auf Basis des Trockenfeststoffgehalts folgendermaßen zusammengesetzt:
0,07 – 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 2 Gew.-% der Alkylhydroxyalkylcellulose wie definiert,
5 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 7 bis 13 Gew.-% eines Latex,
60 bis 94 Gew.-%, vorzugsweise 70 bis 90 Gew.-% eines Pigments,
0 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0 bis 7 Gew.-% eines sekundären Bindemittels,
0 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gew.-% eines Dispergiermittels,
0 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0 bis 2 Gew.-%, eines Schutzkolloids,
0 bis 4 Gew.-%, vorzugsweise 0 bis 2 Gew.-% anderer Additive, wie fluoreszierender Weißmacher, Bakterizide, Schaumverhütungsmittel und Gleitmittel, wobei der Trockengehalt 20 bis 70 Gew.-% beträgt. Die Brookfield-Viskosität der Streichmassen-Zusammensetzung beträgt gewöhnlich 100 bis 2.500 mPa·s bei 100 U/min und 20°C. Die Viskosität der Streichmassen-Zusammensetzungen mit einem Trockengehalt von 55 bis 70 Gew.-% beträgt 600 bis 2.500 mPa·s. Eine wässrige Streichmassen-Zusammensetzung nach der Erfindung kann durch Dispergieren eines Pigments in Wasser, gegebenenfalls unterstützt durch ein Dispergiermittel, hergestellt werden. Die sich ergebende Masse kann dann mit in der Zusammensetzung enthaltenen wasserlöslichen Bindemitteln, Alkylhydroxyalkylcellulose und anderen Additiven und schließlich gegebenenfalls Bindemitteldispersionen, wie Latex, versorgt werden. - Ein Verfahren zur Herstellung. eines Produkts auf Cellulosebasis, das mit einer Zusammensetzung nach der Erfindung beschichtet ist, ist gekennzeichnet durch
- a) Auftragen einer Zusammensetzung nach der Erfindung bei einer Temperatur unterhalb des Trübungspunkts der Alkylhydroxyalkylcellulose auf das Produkt auf Cellulosebasis,
- b) Trocknen des mit der Zusammensetzung beschichteten, zweidimensionalen Celluloseprodukts während des Erwärmens und,
- c) falls gewünscht, Kalandrieren des Celluloseprodukts.
- Der Auftrag der Zusammensetzung erfolgt in einer an sich bekannten Weise, z. B. durch Walzenauftrag mit einer Luftbürste, Walzenauftrag oder Rakelbeschichten. Gewöhnlich erfolgt mindestens 90% der Trocknung in einem Temperaturbereich, welcher zu mindestens 60%, vorzugsweise vollständig, unterhalb der Trübungstemperatur der Alkylhydroxyalkylcellulose fällt. In Abhängigkeit von der Jahreszeit und der geographischen Lage liegt die Temperatur der Zusammensetzung beim Auftrag gewöhnlich im Bereich von 5 bis 30°C und bevorzugt 10 bis 25°C.
- Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer wasserlöslichen, nichtionischen Alkylhydroxyalkylcellulose als Verdickungsmittel, wie in Anspruch 1 beschrieben.
- Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.
- BEISPIEL 1
- Eine Reihe von wässrigen Streichmassen-Zusammensetzungen mit einem Trockengehalt von 60 Gew.-% zur Beschichtung von Papier wurden auf Basis der folgenden Rezeptur hergestellt.
100 Gew.-Teile Kaolin 10 Gew.-Teile Styrol-Butadien-Latex 0,11 Gew.-Teile Natriumacrylat 0,6 bis 1,1 Gew.-Teile Celluloseether (Menge eingestellt, um eine Zusammensetzung mit einer Viskosität nach Brookfield 100 von etwa 1.100 mPa·s zu ergeben) Rest Wasser auf einen Trockengehalt von 60 Gew.-% - Die folgenden Celluloseether wurden verwendet. Alle Viskositäten betreffen die Viskosität in einer 2%igen wässrigen Lösung bei 20°C.
- Die verschiedenen Zusammensetzungen wurden erwärmt und die Viskosität gemessen. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
- Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Viskosität der Streichmassen-Zusammensetzungen nach der Erfindung, welche die Ether I, II, III, IV, V und VI enthalten, nach Auftrag anstieg, wenn die Temperatur erhöht wurde, während die Streichmassen-Zusammensetzungen, die nach dem Stand der Technik hergestellt wurden, nur einen unbeträchtlichen Viskositätsanstieg oder sogar eine beträchtliche Viskositätsabnahme zeigten.
- BEISPIEL 2
- Eine Reihe von Streichmassen-Zusammensetzungen mit einem Trockengehalt von 65 Gew.-% zum Beschichten von Papier wurden auf Basis der folgenden Rezeptur hergestellt.
100 Gew.-Teile Calciumcarbonat 10 Gew.-Teile Styrol-Butadien-Latex 0,6 bis 1,1 Gew.-Teile Celluloseether (Menge eingestellt, um eine Viskosität nach Brookfield 100 von etwa 1.100 mPa·s zu ergeben) Rest Wasser - Die Art an Celluloseether ergibt sich aus der folgenden Tabelle. Die verschiedenen Zusammensetzungen wurden erwärmt und die Viskosität gemessen. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
- Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Zusammensetzungen nach der Erfindung eine bessere Entwicklung der Viskosität als die Vergleichszusammensetzungen aufwiesen, wenn die Temperatur erhöht wurde.
- BEISPIEL 3
- Drei unterschiedliche Streichmassen-Zusammensetzungen mit einem Trockengehalt von 65 Gew.-% und einer Viskosität (Brookfield 100) von etwa 1.500 mPa·s wurden hergestellt. Sie waren folgendermaßen zusammengesetzt:
- Eine Zusammensetzung in einer Menge von 24 g wurde in dünnwandige Aluminiumschalen eingewogen und nivelliert, so dass die Oberflächen, durch welche die Wasserverdampfung stattfinden kann, die gleiche Größe aufwiesen. Die verschiedenen Proben wurden dann in einer Heizkammer bei 105°C getrocknet und die Gewichtsänderung wurde alle 15 min gemessen. Die Wasserverdampfung zum Zeitpunkt 0 wurde bestimmt als mittlere Wasserverdampfung während der ersten 15 min der Erwärmung der Zusammensetzung von 25°C auf die Endtemperatur von 105°C. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
- Aus den Ergebnissen wird ersichtlich, dass die Zusammensetzung nach der Erfindung, die eine höhere Viskosität als die Vergleichszusammensetzungen bei höheren Temperaturen aufweist, trotzdem die gleiche Wasserverdampfung oder sogar eine bessere zeigt.
- BEISPIEL 4
- Zwei Streichmassen-Zusammensetzungen mit einem Trockengehalt von 65 Gew.-% wurden mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
- Die Viskosität der Streichmassen-Zusammensetzungen wurde bei 50°C, 53°C, 56°C, 59°C und 62°C nach Bohlin CS 25 s–1 gemessen. Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten.
- Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass der Viskositätsanstieg bei den erhöhten Temperaturen wesentlich höher für die Streichmassen-Zusammensetzung nach der Erfindung als für die Vergleichszusammensetzung war.
Claims (10)
- Verwendung einer wasserlöslichen nicht-ionischen Alkylhydroxyalkylcellulose, welche Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen und Hydroxyalkylgruppen mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen enthält, aber frei von hydrophob modifizierten Kohlenwasserstoffgruppen mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen ist, wobei der Celluloseether eine Trübungstemperatur oder einen Trübungspunkt im Bereich von 35 bis 80°C aufweist, als Verdickungsmittel in einer wässrigen Zusammensetzung, die ein Bindemittel enthält, zum Beschichten eines zweidimensionalen Produkts auf Cellulosebasis.
- Verwendung wie in Anspruch 1 beansprucht, worin der Celluloseether aus einer Ethylhydroxyethylcellulose besteht.
- Verwendung wie in Anspruch 1 beansprucht, worin der Celluloseether aus einer Methylethylhydroxyethylcellulose besteht.
- Verwendung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, worin der Celluloseether einen Trübungspunkt im Bereich von 45 bis 70°C und eine Viskosität von 10 bis 10.000 mPa·s in einer 2% wässrigen Lösung bei 20°C aufweist.
- Wässrige Zusammensetzung enthaltend ein Bindemittel zum Beschichten eines zweidimensionalen Produkts auf Cellulosebasis, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine wasserlösliche nicht-ionische Alkylhydroxyalkylcellulose enthält, die Alkylgruppen mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen und Hydroxyalkylgruppen mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen enthält, aber frei von hydrophob modifizierten Kohlenwasserstoffgruppen mit mindestens 4 Kohlenstoffatomen ist, wobei die Alkylhydroxyalkylcellulose einen Trübungspunkt im Bereich von 35 bis 80°C aufweist.
- Zusammensetzung wie in Anspruch 5 beansprucht zum Auftragen einer Schicht von einer Streichmasse, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält 0,05 bis 3 Gew.-% der wasserlöslichen nicht-ionischen Alkylhydroxyalkylcellulose, 5 bis 30 Gew.-% des Bindemittels und 5 bis 65 Gew-% eines Pigments, wobei die Zusammensetzung eine Brookfield-vskosität von 100 bis 2.500 mPa·s und einen Trockengehaltanteil von 20 bis 70 Gew.-% aufweist.
- Zusammensetzung wie in Anspruch 6 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf Basis des Trockengehaltanteils die folgenden Bestandteile enthält: 0,07 bis 5 Gew.-% der wasserlöslichen nicht-ionischen Alkylhydroxyalkylcellulose, 7 bis 13 Gew.-% eines Latex, 0 bis 7 Gew.-% eines sekundären Bindemittels, 0,1 bis 2 Gew.-% eines Dispergiermittels, 0 bis 2 Gew.-% eines Schutzkolloids und 70 bis 90 Gew.-% des Pigments.
- Zusammensetzung wie in Anspruch 7 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Trockengehaltanteil von 55 bis 70 Gew.-% aufweist und der Latex mindestens teilweise aus einem Styrol-Butadien-Latex oder einem Acrylat-Latex besteht und das Pigment zumindest teilweise aus Calciumcarbonat oder Kaolin besteht.
- Zusammensetzung wie in irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkylhydroxyalkylcellulose eine Methylethylhydroxyethylcellulose oder eine Ethylhydroxyethylcellulose mit einem Trübungspunkt im Bereich von 45 bis 70°C und einer Viskosität von 10 bis 10.000 mPa·s, gemessen in einer 2%igen Lösung bei einer Temperatur von 20°C, ist.
- Verfahren zur Herstellung eines beschichteten zweidimensionalen Produkts auf Cellulosebasis, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine wässrige Zusammensetzung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9 auf das zweidimensionale Produkt auf Cellulosebasis bei einer Temperatur unterhalb des Trübungspunkts der Alkylhydroxylalkylcellulose aufgetragen wird und b) das mit der Zusammensetzung beschichtete Produkt auf Cellulosebasis während des Erwärmens getrocknet wird und c) falls gewünscht, das Produkt kalandriert wird.
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