EA004451B1

EA004451B1 - Пигментный состав и способ его получения

Info

Publication number: EA004451B1
Application number: EA200201105A
Authority: EA
Inventors: Ларс ГРЁНРООС
Original assignee: Тимсон Ои
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2004-04-29
Also published as: BR0110163A; CN1307342C; DE60117780D1; AU5638201A; AU2001256382B2; CA2405572A1; EA200201105A1; EP1276932A1; US20050221076A1; BRPI0110163B1; KR20030007524A; JP2004501215A; US7341780B2; ATE319879T1; CN1437669A; EP1276932B1; WO2001079606A1; JP5535419B2; US6884508B2; US20040202835A1

Abstract

Изобретение относится к покрывному элементу, волокнистому полотну с нанесенным покрытием и способам их получения. Покрывной элемент содержит гранулированную структуру из пигмента и связующего вещества, которую получают из частиц пигмента, связующего вещества и, возможно, присадок, при этом частицы пигмента соединяются друг с другом посредством связующего вещества. Согласно изобретению форма гранулы является практически осесимметичной и содержит внутреннюю часть и корку, при этом плотность внутренней части ниже, чем плотность корки. Гранулы можно получать способом распылительной сушки из водной суспензии, которая содержит пигмент, связующее вещество и возможные присадки. Форму покрывных элементов можно изменять с помощью регулируемой деформации. Их можно, например, расплющить путем каландрирования, чтобы получить поверхность желаемой формы и присоединить к поверхности волокнистого полотна без дополнительного связующего вещества или лишь с небольшой добавкой связующего вещества.

Description

Настоящее изобретение относится к покрытию волокнистого полотна, в частности бумаги и картона. Изобретение относится, в частности, к покрывному элементу согласно преамбуле п.1 формулы изобретения, который можно использовать для покрытия бумаги, картона и аналогичных волокнистых полотен.

Такой покрывной элемент содержит частицы, которые соединены друг с другом связующим веществом и образуют структурную гранулу из связующего вещества и пигмента. Кроме связующего вещества и пигментов структура может содержать присадки.

Изобретение относится также к способу получения покрывного элемента согласно преамбуле п.11 формулы изобретения.

Способ включает образование из пигментных частиц, связующего вещества и присадок, если таковые присутствуют, смеси, которую подвергают сушке.

Изобретение относится также к покрытому волокнистому полотну согласно преамбуле п.16 формулы изобретения и к способу покрытия волокнистого полотна согласно преамбуле п.22 формулы изобретения.

Еще одной задачей изобретения является гранулированный пигмент согласно преамбуле п.27 формулы изобретения. Такая гранула имеет гранулированную структуру, образованную пластинчатыми минеральными частицами и связующими веществами. Гранулированную структуру можно использовать, например, для покрытия бумажного волокна или заполнения свободного пространства между волокнами волокнистого полотна (использование в качестве наполнителя). Гранулу можно использовать также в качестве пористого компонента в других матрицах, в частности в термопластах, эластомерах или смолах. Ее можно также использовать в качестве промежуточных слоев различных покрытий, чтобы придавать им специальные свойства.

Покрытие бумаги выполняет несколько, частично противоречивых задач. Так, например, оно должно обеспечивать максимально возможные высокие свойства покрытой поверхности, в частности хорошую степень белизны, глянец и матовость. Поверхность должна обладать также хорошими механическими свойствами, в частности хорошей гладкостью и высокой прочностью в сухом и мокром состоянии. Важные свойства для печатания включают также поглощение и закрепление типографской краски.

Новые способы печати, использующие цифровые печатающие устройства, выдвигают новые требования к бумаге. Способ струйной печати требует, чтобы фаза растворителя краски быстро поглощалась поверхностью бумаги, а в электрофотографии полезная печатная поверхность должна быть способна получать и переносить электрические заряды, т. е. обладать низким электрическим удельным сопротивлением.

И, наконец, последней задачей изобретения является покрывная краска, пригодная для специального применения, которую наносят на поверхность бумажного полотна. Покрывная краска обычно содержит минеральный компонент (пигмент) и органическое связующее вещество, которое представлено в растворенной или эмульгированной форме. Кроме того, покрывная краска содержит ряд добавок, задачей которых является улучшение процесса нанесения покрытия или придание покрытию функциональных свойств.

В некоторых случаях гранулу, образованную частицами одного или нескольких типов пигментов, используют в качестве пигментной части покрытия. Такая частица известна как структурированный пигмент. Для того чтобы соединить частицы друг с другом, можно использовать различные природные силы связи между частицами, термические способы (спекание, прокаливание) или отдельные неорганические или органические связующие вещества. Такие структурированные агломераты используют в качестве компонента покрывной краски, которая содержит также связующее вещество. Указанные агломераты представляют собой, в основном, жесткие структуры, которые невозможно деформировать контролируемым образом.

Если требуется обеспечить высокую степень белизны покрытой поверхности, обычно выбирают пигмент или сочетание пигментов, которые уже обладают высокой степенью белизны. Такие пигменты поставляются на рынок, и их цена обычно тем выше, чем более высокую степень белизны или матовости они позволяют получать. Уровень цен пигментов изменяется также в зависимости от степени их обработки. Так, например, пигменты, обработанные таким образом, чтобы получить более предпочтительное распределение размера частиц (в частности, ступенчатое распределение), обычно стоят дороже, чем продукты, не обработанные до такой степени.

Задача заключается в том, чтобы получить покрытие волокнистого полотна (в частности, бумаги) как можно менее прозрачным, т. е. матовым, с помощью слоя покрытия минимально возможной толщины. На матовость покрытия кроме свойств пигмента оказывает влияние структура покрытия, которую образует пигмент, применяемое связующее вещество и, особенно, воздушные поры, возникающие в покрытии.

В случае использования пигмента или агломерата пигментов с низкой плотностью можно получить матовое покрытие с помощью слоя, который будет иметь низкую массу на единицу площади, но адекватный объем на единицу площади (т.е. толщину покрытия).

Чем больше толщина слоя покрытия, наносимого на полотно, тем более высокие свойства покрытой бумажной основы обеспечиваются наносимым покрытием. Поскольку толщина слоя покрытия, которая обеспечивается при одинарном нанесении, ограничена применяемым способом, а химические компоненты покрывной краски и испарение влаги, содержащейся в смеси, являются дорогостоящими, толщину покрытия обычно оптимизируют таким образом, чтобы обеспечить получение желаемого покрытия и уровня свойств. С этой точки зрения может оказаться необходимым наносить покрытие на бумагу один, два или даже три раза.

Покрытие с особенно высоким качеством (например, художественная печатная продукция) обеспечивается путем нанесения многократного нанесения покрытия на волокнистое полотно и сушки промежуточных слоев. В этом случае гладкость поверхности полотна (базовое покрытие) вначале обеспечивают с помощью покрытия, которое содержит более крупный пигмент, в то время как для покрытия поверхности используют более тонкодисперсный пигмент.

Из вышесказанного очевидно, что известные решения для обеспечения высококачественного покрытия вынуждены использовать тщательно обработанные или дорогостоящие пигменты, которые наносят на поверхность бумаги в несколько стадий. После нанесения каждого слоя необходимо обеспечить испарение воды, содержащейся в покрывной краске, чтобы высушить покрытие, при этом испарение воды является критическим пределом скорости процесса нанесения покрытия. В многослойных покрытиях необходимо использовать различные пигменты для того, чтобы получить достаточно гладкое покрытие.

Кроме того, следует указать, что при использовании массивных частиц в качестве наполнителя или в качестве покрывных пигментов волокнистого полотна возникает особая проблема, связанная с увеличением веса продукта, содержащего наполнитель или покрытие, вследствие высокой плотности массивных частиц. Этот факт может оказывать отрицательное влияние на применение или экономическую эффективность продукта. Если такие же свойства получить с пигментом, имеющим более низкую плотность, то это принесло бы большую экономическую выгоду.

Реология пластинчатых частиц устанавливает определенные ограничения на применение таких частиц. Когда относительное содержание частиц увеличивается, максимальное содержание сухого вещества в водных суспензиях остается на низком уровне. Такие суспензии увеличивают объем при увлажнении, что является вредным для процесса нанесения покрытия.

Пористость слоя покрытия оказывает существенное влияние на оптические свойства слоя. Воздушные поры, которые остаются в зазорах между частицами и матрицей, придают матовость, что уменьшает светопропускание. Это свойство, к которому следует стремиться, в особенности для бумажного полотна. С точки зрения оптических и полиграфических свойств, предпочтительно сохранять в поверхностном слое покрытия самую мелкую фракцию частиц, чтобы получить гладкий, мелкозернистый подслой для печатания. Более крупная фракция сделала бы слой покрытия массивным. На практике такое распределение едва ли возможно без специальной технологии, поэтому указанную оптимальную структуру покрытия в настоящее время получают путем нанесения на полотно двухслойного покрытия, вначале более крупным пигментом, а затем более мелким пигментом. При этом увеличиваются как затраты на оборудование, так и эксплуатационные расходы.

Наблюдения показали, что при использовании пластинчатых частиц для покрытия волокнистого полотна обычным способом, включающим применение ракельного ножа, пластинчатые частицы под действием ракельного ножа ориентируются, главным образом, в направлении полотна. При этом воздушные поры в образующихся между частицами зазорах практически отсутствуют. Поэтому для увеличения пористости структуры покрытия в его слоях обычно используют еще один менее пластинчатый пигмент, чтобы получить структуру с более высокой пористостью.

В процессе нанесения покрытия на волокнистое полотно волокна набухают под действием воды, содержащейся в покрытии, и поверхность становится более шероховатой вследствие усадки структуры покрытия, поэтому покрытая и высушенная поверхность, как правило, требует сглаживания (каландрования) для получения обработанной поверхности, подготовленной для печатания.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных способов, чтобы обеспечить совершенно новое решение для нанесения покрытия на бумагу и аналогичное волокнистое полотно.

Основная идея изобретения заключается в том, что структуру из пигмента и связующего вещества, которая образуется на поверхности слоя покрытия, готовят заранее в максимально возможной степени. Таким образом, получают предварительно приготовленный элемент согласно изобретению, который при нанесении на поверхность отдельно или, возможно, с небольшим количеством дополнительного связующего агента, после механической обработки образует поверхность волокнистого полотна или подслоя для печати. Таким образом, покрывной элемент, состав которого, в основном, соответствует слою покрытия волокнистого полотна, используют для нанесения покрытия на волокнистое полотно. Поверхностный слой покрывного элемента предпочтительно содержит больше тонкодисперсных частиц, чем его внут ренняя часть. При этом структура поверхностного слоя покрывного элемента, главным образом, соответствует структуре поверхностного слоя покрытия, полученного из покрывного элемента.

Указанный покрывной элемент можно получить путем смешивания пигмента и связующего и сушки смеси в таких условиях, при которых получают осесимметричный, например сферический, агрегат или структуру, состоящую из пигмента и связующего вещества. Если для получения такой структуры использовали пигментное сырье, содержащее частицы различного размера, то при сушке структуры наблюдали внутреннюю сегрегацию. Внутренние части осесимметричных гранул образуются из гораздо более крупных частиц, а самые мелкие частицы пигмента накапливаются в поверхностных зонах. В то же время поверхностный слой становится плотным, а поверхность ядра пористой.

Покрывные элементы согласно изобретению можно наносить на поверхность волокнистого полотна отдельно (сухое покрытие) или вместе с небольшим количеством связующего агента (мокрый способ), при этом последний поверхностный слой волокнистого полотна подвергают механической обработке по поверхности, покрытой структурными элементами, чтобы расплющить структурные элементы и получить плотную поверхность.

После механической обработки получают очень гладкую поверхность, которая кроме обычных способов печати очень хорошо пригодна для струйной печати и электрофотографии.

В первом предпочтительном варианте реализации изобретения установили, что при добавлении пригодного связующего вещества и, возможно, других присадок к раствору носителя пигмента, в частности каолина, который имеет пластинчатую кристаллическую форму, и при введении указанной смеси в процесс происходит образование капель, которые перемещаются газовым потоком, при этом фаза растворителя, содержащаяся в каплях, испаряется, а частицы и связующие вещества образуют гранулы. Такие условия создают, например, при распылительной сушке. Носитель выбирают, исходя из конкретного применения; обычно выбирают воду.

При испарении воды из капель можно наблюдать, что пластинчатые частицы на поверхности ориентируются в направлении капли, минимизируя таким образом поверхностную энергию. Это явление происходит под действием силы поверхностного натяжения воды на частицах. Под действием этой же силы поверхность гранулы также выравнивается, принимая форму, которая имеет максимально возможное приближение к осесимметричной, например к сферической, форме. Наблюдали также, что мелкие частицы осаждаются на поверхности капли, образуя ее поверхностный слой. С другой сторо ны, движение, вызванное испарением воды, также вызывает перемещение связующего вещества на поверхностный слой капли. После сушки капли гранула, образующаяся из капли частицами и связующим веществом, содержит поверхностный слой из пластинчатых частиц, при этом плоскости частиц ориентированы в направлении сферической поверхности. Указанный слой имеет высокую концентрацию связующего вещества. Кроме того, гранула имеет пористое центральное сечение, образованное беспорядочно расположенными пластинчатыми частицами и обедненное связующим агентом.

Более конкретно, покрывной элемент согласно изобретению имеет отличительные признаки в соответствии с отличительной частью п.1 формулы изобретения.

Способ получения покрывных элементов согласно изобретению имеет отличительные признаки в соответствии с отличительной частью п.11 формулы изобретения.

Способ нанесения покрытия на волокнистое полотно согласно изобретению имеет отличительные признаки в соответствии с отличительной частью п.16 формулы изобретения, а покрытое волокнистое полотно согласно изобретению имеет отличительные признаки в соответствии с отличительной частью п.22 формулы изобретения.

Гранула согласно изобретению имеет отличительные признаки в соответствии с отличительной частью п.27 формулы изобретения.

Изобретение обладает существенными достоинствами. Так, операции, критичные для процесса нанесения покрытия, можно выполнить до нанесения покрытия и совершенно отдельно от него. Согласно настоящему изобретению разделение пигментов можно произвести при получении гранул, чтобы ускорить процесс нанесения покрытия.

Покрывные элементы согласно изобретению отличаются также тем, что их форму можно изменять путем регулируемой деформации. Так, например, их можно расплющить путем каландрирования, чтобы получить поверхность желаемой формы. Покрывные элементы можно присоединить к поверхности волокнистого полотна без специального связующего вещества, путем введения в состав лишь небольшой присадки связующего вещества.

Плотность покрывных элементов составляет в среднем 60-70% от плотности типичных пигментов. Пористость их внутренней части и сочетание концентрированных мелких частиц и связующего вещества в поверхностной зоне позволяет при одинарном нанесении получить покрытие с пористой внутренней частью и однородным мелкозернистым поверхностным слоем. Выбрав соответствующий пигмент, можно увеличить толщину покрытия, что одновременно повышает его матовость.

Поскольку плотность покрывного элемента ниже, чем обычных пигментов, объемная концентрация покрытия является высокой, и, следовательно, при нанесении нет необходимости добавлять на поверхность полотна большое количество воды, как в случае нанесения покрывной краски, при этом операция сушки требует меньше энергии и протекает быстрее.

Свойства окончательно обработанной поверхности в большой степени определяются поверхностью гранулы. Поэтому изобретение можно использовать для изменения свойств получаемой поверхности путем соответствующего выбора пигмента, связующего вещества и других присадок.

Изобретение особенно пригодно для гранулированных пигментов, состоящих из объемных пигментов. Одним из достоинств в этом случае является то, что при использовании, например, в качестве частиц каолина с плотностью 2,7 г/см³, а в качестве связующего вещества - латекса с плотностью твердой фазы 1,0 г/см³для получения гранулы плотность гранулы согласно изобретению обычно составляет всего около 60% от плотности каолина, т.е. 1,6 г/см³. В соответствии с этим обеспечиваются предпочтительное распределение размеров и регулируемая упаковка. Оптические свойства гранулы можно определить уже на стадии изготовления.

Поскольку плотность гранулы существенно ниже плотности массивных частиц, которые содержатся в структурных элементах, мы установили, что указанную гранулу можно предпочтительно использовать в качестве наполнителя с низкой плотностью или в качестве покрытия волокнистого полотна. При использовании в качестве покрытия связующее вещество гранулы следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить возможность пластической деформации при каландрировании с применением давления и/или температуры.

Гранулу согласно изобретению можно использовать для получения покрытия, при этом поверхностный слой гранулы образует поверхностный слой окончательного покрытия. Пластинчатые частицы ориентируются в направлении поверхности, и легкое сглаживающее каландирование можно использовать для получения ровного подслоя для печати.

Реология сферических гранул в водном растворе очень хорошая, при этом объемная концентрация слоя покрытия может быть высокой.

Крупные частицы также можно использовать в качестве структурного материала гранул; свойства таких частиц не оказывают влияния на получение верхнего слоя поверхности для печати, однако, поскольку они находятся во внутренней части гранул, окруженные мелкими частицами, их полезно использовать. С другой стороны, очень мелкая, т.е. менее 0,3 мкм, фракция частиц может быть неблагоприятной для обычного нанесения покрытия, в частности, вследствие того, что она заполняет пространства между частицами и тем самым уменьшает пористость покрытия. Применение способа согласно изобретению позволяет связать указанные мелкие частицы для получения поверхностного слоя гранулы, при этом возможно их частичное использование без появления указанных недостатков. В общем случае при использовании гранул распределение размеров частиц не столь существенно, как в случае применения пигмента при обычном способе нанесения покрытия.

Согласно изобретению часть водной фазы, которая обычно испаряется в сушильной камере установки для нанесения покрытия, испаряется уже в процессе изготовления гранулы, при этом можно увеличить производительность бумагоделательного оборудования, которое требует больших капиталовложений, и в целом получить существенный экономический эффект.

Другие характеристики и достоинства изобретения станут очевидными из следующего подробного описания и вариантов реализации со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых представлены:

фиг. 1 - электронная микрофотография сферической гранулы согласно изобретению, фиг. 2 - электронная микрофотография расщепленной гранулы согласно изобретению, фиг. 3 - электронная микрофотография поверхности покрытого полотна перед дальнейшей обработкой, фиг. 4 - электронная микрофотография поверхности, полученной после обработки лабораторным каландром, при этом покрывные элементы расплющены и образуют гладкий слой покрытия, фиг. 5 - схематичное изображение поперечного сечения гранулы согласно изобретению, фиг. 6 - электронная микрофотография гранулы согласно изобретению, фиг. 7 - электронная микрофотография поверхности гранулы, фиг. 8 - электронная микрофотография структуры гранулы, разрезанной на две части, и фиг. 9 - электронная микрофотография слоя покрытия, полученного на подложке, содержащей гранулы согласно изобретению.

Настоящее описание изобретения использует термины структура из пигмента и связующего вещества и гранула, которые являются синонимами и относятся к соединению или агрегату, образованным частицами, связующим веществом и возможными присадками и содержащим несколько взаимосвязанных частиц. Однако все частицы структуры необязательно взаимосвязаны, а внутренняя часть структуры, обедненная связующим веществом, не всегда имеет высокую механическую прочность.

В общем случае, размер гранул согласно изобретению составляет от 1 до 100 мкм, предпочтительно примерно от 5 до 20 мкм. Размер покрывных элементов можно регулировать технологическим процессом в пределах, допускаемых процессом. Шероховатость поверхности и пористость покрываемого полотна оказывают влияние на оптимальный размер элементов, т.е. чем больше шероховатость покрываемой поверхности, тем больше оптимальный размер покрывного элемента, используемого для покрытия.

Как показано на фиг. 1 и 2, гранулы являются круглыми или, в более общем случае, осесимметричными. Благодаря их форме они упаковываются достаточно плотно на поверхности волокнистого полотна, присоединяясь друг к другу под действием механического сжатия, возможно, с одновременным нагреванием поверхности. Способ нанесения покрытия подробно описан ниже.

Покрывной элемент согласно изобретению содержит следующие компоненты:

пигмент, связующее вещество, в частности синтетическое связующее вещество в форме эмульсии, воду, функциональные добавки, которые способствуют процессу или придают покрытию специальные свойства.

Согласно изобретению можно использовать практически все известные пигменты, обычно используемые для покрытия, например каолины, молотые или осажденные карбонаты кальция, диоксид титана или пигменты на основе силикатов.

Различные синтетические связующие агенты в форме эмульсии можно предпочтительно использовать в качестве связующего вещества, например стирол-бутадиеновый латекс или поливинилацетат-полиакрилатные латексы, без ограничения приведенными примерами. Температуру размягчения латекса адаптируют к сглаживанию поверхности, которое выполняют после нанесения, чтобы обеспечить желаемую деформацию покрывных элементов.

Присадки, которые можно использовать, способны, например, улучшать реологию покрывной краски или изменять ее поверхностное натяжение или придавать окончательному покрытию специальные свойства, в частности поверхностную прочность, электропроводность или изменение поглощения черного. Применение присадок не ограничивается только вышеприведенными примерами, в данном способе можно использовать обычно применяемые функциональные присадки для покрытия.

Сферические или иные осесимметричные гранулы получают в результате сушки водной суспензии, образованной связующим веществом, пигментом и, возможно, присадками. В этом случае вышеуказанные компоненты сме шивают путем интенсивного перемешивания, чтобы обеспечить максимально возможную гомогенность смеси или суспензии/дисперсии.

Водную суспензию предпочтительно сушат с помощью воздуха или иного газа. Содержание сухого вещества в водной суспензии перед сушкой может составлять примерно от 30 до 95% по массе.

Получение гранул способом распылительной сушки является примером способа сушки, используемого согласно изобретению. Этот способ основан на известной технологии. Регулируемые параметры процесса распылительной сушки включают конструкцию устройства, конструкцию сопла, давление подачи сырья, способы уменьшения поверхностного натяжения смеси, содержание сухого вещества в смеси перед сушкой, другие способы, которые оказывают влияние на размер капли, в частности применение ультразвука.

Следует отметить, что, в отличие от известных решений, регулирование формы и размера гранул предпочтительно выполняют путем управления переменными параметрами, которые регулируют образование капли, в частности, за счет способа подачи сырья, а скорость сушки регулируют с помощью температуры и турбулентности воздуха.

Что касается способа сушки, то распылительная сушка особенно пригодна для получения гранул согласно изобретению, однако, как очевидно для специалистов, способы сушки не ограничиваются только распылительной сушкой, другие способы сушки также можно рассматривать, если они могут быть использованы для получения указанных гранул. При сушке существенным является получение мелких капель, которые сушатся отдельно одна от другой. Диапазон размеров капель должен соответствовать желаемому размеру гранул пигмента. Поэтому в общем случае размер капель должен примерно в 1,1-5 раз превышать размер гранул; типично размер капель составляет примерно от 1 до 300 мкм, предпочтительно от 5 до 100 мкм, более предпочтительно 50 мкм максимум.

Пигментное сырье, используемое согласно изобретению, состоит из продуктов, которые содержат частицы различного размера. Поэтому внутри гранул, образующихся в процессе сушки, происходит сегрегация пигментов. При этом образуется внутренняя часть и наружная корка. Толщина корки в направлении радиуса сферической структуры обычно составляет примерно от 0,1 до 5%, предпочтительно от 0,1 до 10%, типично от 0,5 до 2% радиуса гранулы.

Поскольку внутренняя часть содержит большее количество крупных частиц, чем корка, плотность внутренней части структуры пигмен та и связующего вещества ниже, чем плотность корки. В общем случае плотность внутренней части составляет примерно от 10 до 90%, предпочтительно от 40 до 80% плотности корки. В качестве примера можно указать, что если гранула образована частицами пигмента с плотностью примерно от 2,400 до 3,100 кг/м³, то плотность внутренней части составляет примерно от 1,100 до 1,500 кг/м³, а плотность корки - примерно от 1,700 до 2,000 кг/м³. Обычно внутренняя часть структуры пигмента и связующего вещества содержит более крупные частицы пигмента, чем корка. Пористость внутренней части также выше, чем пористость корки, объем ее пор обычно составляет от 10 до 50% по объему, предпочтительно около 30-40%.

Внутренняя часть гранул содержит меньше связующего агента, чем поверхностная часть. Обычно около 55-95% по массе от общего количества связующего вещества в гранулах содержится в корке или поверхностной части гранул.

Гранула содержит примерно от 1 до 30 мас.ч., предпочтительно от 2 до 20 мас.ч. связующего вещества на 100 мас.ч. частиц пигмента. При этом слой корки содержит мелкие частицы пигмента, связанные друг с другом связующим веществом с поперечными связями и образующие тонкодисперсную и гибкую пленку, которая окружает внутреннюю часть.

На фиг. 1 показана электронная микрофотография типичной сферической гранулы согласно изобретению. Ее форма и размер несущественно зависят от применяемого пигмента. На фиг. 2 показано соответствующе изображение расщепленной сферической гранулы, при этом можно наблюдать, что ее внутренняя часть состоит из более крупных частиц и имеет более высокую пористость, чем поверхностный слой гранулы.

Если используют пигмент, в частности каолин, который имеет пластинчатую кристаллическую структуру, кристаллы осаждаются на сферическую гранулу, ориентируясь, главным образом, в направлении поверхности. Это можно объяснить тем, что энергия пограничного слоя между жидкой и газообразной фазами является переменной величиной и зависит от угла ориентации структурных элементов, в данном случае - частиц каолина, диспергированных в жидкости, поэтому при увеличении угла ориентации энергия границы фаз увеличивается, когда она образует пограничный слой большей толщины. Вследствие этого пластинчатые частицы каолина стремятся минимизировать пограничный межфазный слой, ориентируя свои плоскости в направлении поверхности жидкой капли, при этом энергия пограничного межфазного слоя становится минимальной. При использовании менее плоских частиц энергия межфазной границы также минимизируется, однако ее влияние на структуру поверхности оказывается более сложным.

Указанные сферические гранулы можно использовать в качестве покрывных элементов при покрытии волокнистого полотна. Когда такие покрывные элементы наносят на поверхность полотна, концентрированное связующее вещество на поверхности элементов способствует их присоединению.

Хотя покрывные элементы можно наносить на поверхность покрываемого полотна как таковые (сухое покрытие), адгезию покрывных элементов друг к другу и к подложке можно дополнительно улучшить путем добавления к покрывным элементам отдельного связующего вещества, в частности латекса. Однако количество связующего вещества при этом существенно меньше, чем то количество, которое требуется для обычной покрывной краски.

Полученный таким образом покрывной слой после нанесения можно обрабатывать с помощью давления и/или температуры, при этом покрывные элементы деформируют и расплющивают, чтобы получить гладкий слой. Если на поверхности образуется слой с толщиной элемента в одну гранулу, тонкодисперсный материал на поверхности элементов содержит поверхностный слой обработанной поверхности, а пористая средняя часть элементов образует среднюю часть покрывного слоя. Таким образом, получается покрытие, которое имеет оптимальную общую структуру и которое можно получать известными способами лишь при нанесении нескольких слоев.

К полотну, на которое наносят покрывной элемент со структурой, состоящей из пигмента и связующего вещества, предпочтительно прикладывают линейное давление, которое вызывает зазор между вращающимися валками. Давление предпочтительно выбирают таким образом, чтобы оно было достаточным для расплющивания элементов, но не вызывало существенного уменьшения толщины волокнистой структуры полотна. Зазор, обеспечивающий приложение давления, образуется двумя валками, по меньшей мере один из которых нагревают. Давление зазора при каландировании предпочтительно может составлять 150 кН/м максимум, обычно примерно от 50 до 140 кН/м, более предпочтительно примерно от 60 до 100 кН/м.

Изобретение можно использовать для покрытия различного волокнистого полотна, в особенности для изготовленного из сырья, содержащего лигноцеллюлозу. Такое сырье включает бумажное и картонное полотно, изготовленное из древесной, древесно-целлюлозной и/или целлюлозной массы.

После нанесения покрытия на поверхности волокнистого полотна образуется структура, содержащая взаимосвязанные, расплющенные гранулы из покрывных элементов, при этом тонкие наружные слои гранул приклеиваются друг к другу, образуя твердую и гладкую поверхность. Размер ячеек в направлении плоско13 сти волокнистого полотна составляет примерно от 1 до 200 мкм, типично - примерно от 5 до 20 мкм.

Покрытие может содержать только один клеточный слой гранул. На практике количество слоев составляет от 1 до 10.

Согласно изобретению распределение размера частиц не имеет большого значения вследствие внутренней сегрегации гранулы. На свойства покрытой поверхности оказывают влияние, главным образом, только свойства тонкодисперсного материала, аккумулированного на поверхности.

Поскольку только тонкодисперсная фракция поверхностного слоя оказывает существенное влияние на степень белизны покрытой поверхности, белизна пигмента, используемого в покрывном элементе, также не играет большой роли, если используют смесь из нескольких пигментов, это относится, по меньшей мере, к их крупным фракциям. Благодаря высокой пористости покрытия желаемую матовость можно обеспечить при меньшем покрытии (по массе), а диффузное рассеяние покрытия также улучшается вследствие пористости. Важность степени белизны покрытого полотна также уменьшается вследствие улучшенной матовости покрытия.

При обычном способе покрытия, который использует быстро застывающую покрывную краску, получается структура из быстро связывающихся частиц, после чего вода испаряется из покрытия. При этом обеспечивается, в частности, достоинство низкой усадки покрытия. Структура покрытия является достаточно однородной в направлении, перпендикулярном поверхности полотна. Если требуется получить поверхность, образованную мелкими частицами, предпочтительно наносить многослойное покрытие, при этом покрывные элементы, образованные структурами из пигмента и связующего вещества и содержащие особенно мелкие частицы в их пленочном слое, используются для последнего слоя покрытия.

Поскольку нанесение покрытия согласно изобретению можно использовать для получения покрытия с еще более высокими свойствами, чем у обычного многослойного покрытия, изобретение обеспечивает существенный экономический эффект.

В приведенном ниже примере подробно описано получение покрывного элемента способом распылительной сушки.

Пример 1.

Пигмент и латекс, который использовали в качестве связующего вещества, смешали с помощью эффективного смесителя в соотношении, где одна доля сухого вещества латекса приходилась на 10 долей сухого вещества пигмента. Содержание сухого вещества в суспензии пигмента составляло 70%, а латекса - 50%.

Смесь вводили в установку распылительной сушки. Давление смеси в распылителе под бирали таким образом, чтобы размер капли соответствовал размеру сухой частицы в пределах от 5 до 10 мкм. Согласно литературным данным время образования капли составляет около 5 мс, в течение этого времени на поверхности капли образуется пленка. Вода из внутренней части капли начинает испаряться в окружающий воздух, перенося с собой связующее вещество и мелкие частицы пигмента. При этом происходит обеднение связующим веществом внутренних частей сферических гранул, и в них образуется пористый объем, состоящий из крупных частиц (фиг. 1). Плотность частицы лежала в пределах от 1,300 до 2,000 кг/м³, в зависимости от соотношения смеси и степени пористости, при этом плотность исходного пигмента составляла 2,700 кг/м³.

Полученные покрывные элементы были похожи на сухой порошок, трение между частицами было очень малым (фиг. 1). Из указанных частиц и связующего вещества получили покрывную краску. Связующее вещество использовали в меньшем количестве, чем обычно используют для пигментов, поскольку связующее вещество, содержащееся в покрывных элементах, увеличивало их адгезию к покрываемой поверхности и друг к другу. Если типичная покрывная краска обычно содержит от 10 до 12 частей сухого вещества по массе (в расчете на массу пигмента в слое) латекса, долю связующего вещества в способе согласно изобретению можно уменьшить, например, до 5 частей сухого вещества по массе, однако, возможны и меньшие количества связующего вещества. Поскольку сферическая форма покрывных элементов обеспечивала хорошие реологические свойства смеси, полученной из этих элементов, оказалось возможным создать более высокое содержание сухого вещества в слое, чем у обычных покрывных красок.

Покрывную краску наносили на покрываемую поверхность с помощью обычных способов покрытия. В лабораторных условиях было возможным наносить покрытие с помощью листа бумаги и разравнивающей планки.

Покрытое полотно высушили обычными способами. Потребление энергии для сушки было меньшим, чем обычно, вследствие уменьшенного содержания воды в слое покрытия. На фиг. 3 показана поверхность покрытого полотна перед дальнейшей обработкой.

Покрытое полотно направляли на обработку в каландр, при этом поверхность полотна обрабатывали между валками под действием нагревания и температуры. Требовалось умеренное давление сжатия (менее 100 кН/м), при этом было возможным проводить каландрирование с помощью так называемых мягких каландров, которые широко используют. На фиг. 4 показана поверхность после обработки лабораторным каландром, на которой покрывные эле менты расплющены и создают гладкую поверхность покрытия.

Покрытие имело высокую пористость, т.е. его плотность была ниже, чем у обычно применяемых покрытий. При сравнении оптических свойств бумаги с покрытием согласно изобретению и с обычными покрытиями, нанесенными с использованием того же самого пигмента, можно было установить, что матовость, степень белизны и коэффициент рассеивания света у покрытия покрывными элементами согласно изобретению являются более высокими.

Пример 2.

Как указано выше, гранула согласно предпочтительному варианту реализации изобретения состоит из пластинчатых частиц пигмента и связующего вещества. Эти пластинчатые частицы имеют по меньшей мере одну плоскую поверхность, в большинстве случаев у них несколько плоских поверхностей. Изобретение в особенности использует пластинчатые пигменты, как подробно описано ниже. Поверхностный слой гранулы, полученный согласно изобретению, состоит из слоя, который содержит по меньшей мере один слой частиц пигмента, ориентированных, по меньшей мере, в основном, так, что их плоскость проходит в направлении поверхности гранулы и плоскости частиц пигмента лежат почти в одной и той же плоскости. Для осесимметричных гранул термин направление поверхности гранулы означает касательное направление к поверхности. Большинство частиц пигмента, т.е. по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 70% и более предпочтительно по меньшей мере 90%, расположено на поверхности гранулы таким образом, что плоская поверхность их продольной стороны ориентирована в направлении поверхности гранулы.

На фиг. 5 представлено схематическое изображение структуры гранулы. Цифрой 1 обозначены пластинчатые частицы, которые сформированы в направлении поверхности. Цифрой 2 обозначена часть поверхности с порами, где сконцентрированы присадки и тонкодисперсная фракция. Цифрой 3 обозначена пористая средняя часть, где частицы имеют хаотичную ориентацию.

Содержание связующего вещества во внутренней части гранулы меньше, чем на ее поверхности. Обычно доля связующего вещества во внутренней части составляет примерно от 0,5 до 3% по массе от содержания пигмента, предпочтительно около 1%. Связующее вещество сконцентрировано на поверхности гранулы, где содержание связующего вещества составляет от 6 до 60% по массе от массы пигмента, предпочтительно около 50%.

Гранулы можно получить из суспензии, в которой содержание сырья из пластинчатых частиц обычно составляет менее 50% по объему, однако, в более общем случае - от 20 до 30% по объему. Сырье выбирают в зависимости от области применения, например пигменты с высокой степенью белизны, в частности каолин или известь, используют для покрытия волокнистого полотна. Другое пластинчатое сырье, в том числе слюду, графит и т.п., можно рассматривать для применения в других целях. Суспензия содержит также связующее вещество, которое растворяется в используемом носителе или находится в форме взвеси, а при необходимости содержит также диспергирующий агент. В большинстве случаев в качестве связующего вещества пригодны обычно применяемые латексы, в частности стиролбутадиеновые латексы, а также акриловые или виниловые ацетатные сополимерные латексы. Обычно размер мицелл органической фазы таких латексов составляет от 0,1 до 0,2 мкм. Содержание сухого вещества, а также связующего вещества в суспензии оказывает влияние на структуру получающихся гранул.

В качестве среды обычно используют воду. Однако в особых случаях применения можно использовать органические растворители или смеси воды и органических растворителей. В качестве примеров таких органических растворителей можно указать спирт, в частности этанол, а также п- и изопропанол.

Размеры гранулы и используемой в ней пластинчатой частицы имеют определенный оптимум. Для того чтобы частицы могли осаждаться на поверхность гранулы, пригодный максимальный размер плоскости частицы должен быть меньше, чем 0,1 диаметра полученной гранулы.

Гранулы можно получить с помощью установки распылительной сушки, рабочие параметры которой можно использовать, чтобы отрегулировать размер и структуру образующейся гранулы. Средний размер гранул для таких обычно используемых установок всегда составляет менее 1 мм, чаще от 2 до 500 мкм. Размер гранулы, пригодной для нанесения покрытий, составляет от 10 до 50 мкм, при этом в качестве ее структурных частей можно использовать оба типа каолина, который обычно применяют для покрытий, с распределением размера частиц 98% <2 мкм или более крупный продукт; альтернативно можно использовать также более мелкий продукт. Распределение частиц по размерам, в котором 60% составляют частицы размером <5 мкм минимум, особенно предпочтительно для пластинчатых частиц, при этом 95% составляют частицы размером <1 мкм максимум.

Способ позволяет применять также смеси частиц, имеющих различные распределения по размеру.

Сушка гранул осуществляется в три стадии:

1. Жидкая мембрана, которая вначале полностью или почти полностью покрывает по верхность, испаряется перед тем, как появляется частица.

2. Жидкость продолжает испаряться из зоны, расположенной между частицами, гранула дает усадку под действием сил поверхностного натяжения; частицы вытесняют воду из внутренних частей гранулы, и вода перемещается к поверхности.

3. Частицы больше не имеют пространства для усадки; фронт жидкости отходит в зазоры между частицами, а остальная часть воды удаляется из внутренних частей гранулы за счет испарения.

Пластинчатые частицы минимизируют свою свободную энергию, ориентируя свои плоскости в направлении поверхности сферической гранулы. Средний размер частиц, образующих поверхность, меньше, чем у гранулы в целом. Это связано с тем фактом, что для мелких частиц легче повернуться в направлении поверхности, а во время второго этапа сушки вода, перемещающаяся к поверхности, переносит к поверхности мелкие частицы, расположенные между крупными.

Возможно также получение гранул другими способами сушки, при которых капля может свободно сушиться и образовывать структуру гранул согласно изобретению.

В данном примере приготовили водную суспензию из промышленного каолинового наполнителя (1и1гатах, поставляемый 1шегу5 Мшегак). В качестве связующего в суспензию добавили 5% по массе винилацетатакрилатного сополимерного латекса (Асгопа1, поставляемый ВА8Е). Смесь загрузили в опытную установку распылительной сушки. На фиг. 6 показана полученная гранула диаметром 60-70 мкм. На фиг. 7 показана поверхность гранулы, при этом большая часть этой поверхности состоит из частиц, имеющих размер <2 мкм.

На фиг. 8 показана расщепленная гранула пигмента, которая, в принципе, соответствует изображению на фиг. 5.

Гранула согласно изобретению пластично деформируется под действием давления и/или температуры, как показано на фиг. 9, которая представляет структуру слоя гранулы на глянцевой поверхности, полученной после каландрирования.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Покрывной элемент, содержащий гранулированную структуру из пигмента и связующего вещества, образованную из частиц пигмента, связующего вещества и, возможно, присадок, отличающийся тем, что гранула имеет, по существу, осесимметричную форму и содержит внутреннюю часть и корку, при этом плотность внутренней части составляет примерно от 10 до 90% от плотности корки.
2. Покрывной элемент по п.1, отличающийся тем, что плотность внутреннего слоя гранулы составляет примерно от 40 до 80% от плотности корки.
3. Покрывной элемент по п.2, отличающийся тем, что гранула состоит из частиц пигмента, плотность которых составляет примерно от 2,4 до 3,1 кг/м³, при этом плотность внутреннего слоя составляет примерно от 1,1 до 1,5 кг/м³, а плотность корки - примерно от 1,7 до 2,0 кг/м³.
4. Покрывной элемент по пп.1-3, отличающийся тем, что внутренняя часть гранулы содержит более крупные частицы пигмента по сравнению с коркой.
5. Покрывной элемент по пп.1-4, отличающийся тем, что пористость внутренней части гранулы выше, чем пористость корки, и объем пор внутренней части составляет от 10 до 50% по объему, предпочтительно около 30% по объему.
6. Покрывной элемент по пп.1-5, отличающийся тем, что содержит примерно от 1 до 30 мас.ч., предпочтительно примерно от 2 до 20 мас.ч. связующего вещества на 100 мас.ч. частиц пигмента.
7. Покрывной элемент по пп.1-6, отличающийся тем, что корка содержит частицы пигмента, которые связаны друг с другом связующим веществом с поперечными сшивками с образованием плотной пленки, окружающей внутреннюю часть.
8. Покрывной элемент по пп.1-7, отличающийся тем, что содержит присадки, которые оказывают влияние на его электрические или оптические свойства.
9. Покрывной элемент по пп.1-8, отличающийся тем, что его гранула имеет, по существу, сферическую форму и ее диаметр составляет примерно от 1 до 100 мкм, предпочтительно примерно от 5 до 50 мкм.
10. Покрывной элемент по пп.1-9, отличающийся тем, что состав поверхностного слоя гранулы соответствует составу поверхностного слоя покрытия перед механической обработкой, которой его подвергают.
11. Способ получения покрывного элемента, согласно которому водную суспензию получают из частиц пигмента, связующего вещества и, возможно, присадок, а затем подвергают указанную суспензию сушке, отличающийся тем, что указанную водную суспензию сушат при условиях, когда частицы пигмента соединяются друг с другом связующим веществом с образованием осесимметричных гранул, которые содержат внутреннюю часть и корку, при этом плотность внутренней части составляет примерно от 10 до 90% плотности корки.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что из водной суспензии получают тонкодисперсные капли и сушат отдельно друг от друга.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что получают капли, размер которых составляет примерно от 1 до 300 мкм, предпочтительно от 5 до 100 мкм, более предпочтительно 50 мкм максимум.
14. Способ по пп.11-13, отличающийся тем, что водную суспензию сушат способом распылительной сушки.
15. Способ по пп.11-14, отличающийся тем, что содержание сухого вещества в водной суспензии составляет примерно от 40 до 95% по массе, предпочтительно примерно от 50 до 90% по массе.
16. Покрытое волокнистое полотно, содержащее полотно, полученное из сырья на основе лигноцеллюлозы, и слой покрытия, содержащий пигмент и связующее вещество и сформированный по меньшей мере на одной поверхности полотна, отличающееся тем, что покрытие содержит взаимосвязанные ячейки, образованные расплющенными покрывными элементами, при этом отдельные ячейки содержат пленочный слой пигмента/связующего вещества, причем плотность внутренней части ячеек составляет примерно от 10 до 90% от плотности пленочного слоя пигмента/связующего.
17. Покрытое волокнистое полотно по п.16, отличающееся тем, что его покрытие содержит в среднем от 1 до 10 наложенных друг на друга слоев пигментных ячеек.
18. Покрытое волокнистое полотно по п.16 или 17, отличающееся тем, что покрытие состоит из слоя покрывных элементов, которые механически обработаны, при этом в указанном слое элементы, первоначально имеющие, по существу, осесимметричную форму, расплющены под действием давления и/или температуры с образованием гладкого слоя.
19. Покрытое волокнистое полотно по пп.16-18, отличающееся тем, что поверхность покрытия образована тонкодисперсными, содержащими связующее вещество поверхностными частями механически обработанных элементов.
20. Покрытое волокнистое полотно по пп.16-19, отличающееся тем, что внутренняя часть покрытия состоит, главным образом, из пористых внутренних частей механически обработанных элементов.
21. Покрытое волокнистое полотно по пп.16-20, отличающееся тем, что элементы, которые образуют поверхностную часть покрытия, содержат присадки, которые оказывают влияние на его электрические или оптические свойства.
22. Способ покрытия волокнистого полотна, согласно которому по меньшей мере на одну поверхность волокнистого полотна наносят покрывную краску, содержащую гранулы, которая образует слой покрытия на поверхности волокнистого полотна, отличающийся тем, что используют гранулы, которые имеют, по существу, осесимметричную форму и которые содержат внутреннюю часть и корку, при этом плотность внутренней части составляет примерно от 10 до 90% от плотности корки, и полотно, покрытое покрывной краской, содержащей гранулы, подвергают механической обработке с тем, чтобы по меньшей мере частично расплющить гранулы.
23. Способ по п.22, отличающийся тем, что при нанесении слоя покрытия добавляют связующее вещество, например эмульсию латекса.
24. Способ по п.22 или 23, отличающийся тем, что к полотну, покрытому гранулами, прикладывают линейное давление, возникающее в зазоре между двумя вращающимися валками.
25. Способ по п.24, отличающийся тем, что давление, прилагаемое к полотну, покрытому элементами, выбирают таким образом, чтобы оно было достаточным для расплющивания элементов, но не вызывало существенного уменьшения толщины волокнистой структуры полотна.
26. Способ по п.24 или 25, отличающийся тем, что зазор, который создает давление, образован двумя валками, по меньшей мере один из которых нагревают.
27. Гранула, состоящая из пластинчатых частиц пигмента и связующего вещества, отличающаяся тем, что гранула содержит внутреннюю часть и корку, при этом плотность внутренней части составляет примерно от 10 до 90% от плотности корки, а поверхностный слой гранулы, образующий корку, состоит из слоя, содержащего по меньшей мере один слой пигментных частиц, ориентированных своими плоскостями, главным образом, в направлении поверхности гранулы, причем плоскости частиц пигмента находятся почти в одной и той же плоскости.
28. Гранула по п.27, отличающаяся тем, что на поверхности между частицами пигмента находится связующее вещество и поры.
29. Гранула по п.27 или 28, отличающаяся тем, что отношение площади поверхности пластинчатых частиц пигмента к площади поверхности связующего вещества и пор между частицами составляет от 0,3 до 60:1, предпочтительно от 0,5 до 4:1.
30. Гранула по пп.27-29, отличающаяся тем, что внутренняя часть гранулы образуется частью пластинчатых частиц пигмента, часть которых имеет хаотичную ориентацию, и содержит, главным образом, частицы пигмента, поры и некоторое количество связующего вещества.
31. Гранула по пп.27-30, отличающаяся тем, что содержание пор составляет от 15 до 60% от объема гранулы, предпочтительно от 30 до 45% от объема.
32. Гранула по пп. 27-31, отличающаяся тем, что пластинчатые частицы пигмента обычно представляют собой силикатные минералы, которые содержат в качестве катиона щелочной и/или щелочно-земельный металл.
33. Гранула по пп.27-32, отличающаяся тем, что распределение размера пластинчатых частиц составляет 60% <5 мкм минимум, 95% <1 мкм максимум.
34. Гранула по пп.27-33, отличающаяся тем, что в качестве связующего вещества используют органическое связующее вещество, которое растворяют в фазе используемого растворителя или диспергируют в ней.
35. Гранула по пп.27-34, отличающаяся тем, что часть связующего внутри гранулы составляет от 0,5 до 3 мас.%, предпочтительно 1 мас.%, от количества пигмента.
36. Гранула по пп.27-35, отличающаяся тем, что связующее вещество концентрируется на поверхности гранулы, где его содержание составляет от 6 до 60 мас.%, предпочтительно около 50 мас.%, от массы пигмента.
37. Гранула по пп.27-36, отличающаяся тем, что может пластически деформироваться под действием давления и/или температуры.
38. Применение гранулы в качестве наполнителя для волокнистого полотна, при этом используется гранула согласно пп.27-37.