Состав для мелования бумаги и картона - SU416963A3

Описание

1

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности.

Известны различные составы для мелования бумаги и картона, включающие тонко измельченный неорганический пигмент и связующее.

Цель изобретения - улучшить качество и снизить вес покрытия.

Для этого в состав дополнительно вводят в качестве пигмента нерастворимую в воде мочевино-формальдегидную смолу с высокоразвитой поперечной связью с частицами размером 2-3,5 MIKM и удельной поверхностью 15-75 в количестве 2-25% от веса неорганического пигмента.

Причем мочевино-формальдегидная смола имеет оптимальную удельную поверхность по крайней мере порядка 25 м2 на 1 г и плотность массы -менее 0,1 г на 1 мл.

Указанные пигменты из мочевино-формальдегидной смолы с сильной поперечной связью составляют 2-25% или 3-15% от веса всех твердых частиц пигмента в покрытии. Баланс твердых частиц в покрытии должен составлять с помощью обычных неорганических пигментов , используемых при меловании бумаги (папример , глина, тальк, титан или дополненные титановые составы, алюминий, сульфат бария, карбонат кальция, сульфат кальция, окись

цинка, двуокись кремния и т. д.). Однако каолиновые глины тонкого помола (размер частиц не более 2 мкм) наиболее употребительны в качестве пигментов для мелования. Особенно для издательских целей, такие глины для покрытия часто содержат полностью или с незначительными добавлениями от общего веса, твердые частицы пигмента в составе покрывающего красителя, используемого в

настоящее время. Преимущества использования пигментов из мочевино-формальдегидных смол с сильной поперечной связью проявляются в системах, основой которых является глина.

Будучи по существу инертными, мочевиноформальдегидные смолы, используемые в качестве дополнительных пигментов для мелования бумаги, пригодны для использования не только с обычными неорганическими пигментами , но также с важными адгезивными связующими системами и различными добавками, используемыми в мелованных составах. Таким образом, в качестве связующего может быть использована любая из широко известных модифицированных или преобразованных крахмальных систем в окисленной, гидролизной, оксиэтилированной форме н т. д. Кроме того, с различными видами и типами крахмала могут использоваться другие полимерные связующие системы, либо отдельно, либо в комбинащии (с крахмалами или друг с другом), как например, казеины, соевой протеин, поливиниловый спирт и многие различные типы латексов, ка/к например, поливинилаадетат, сополимеры стирен-бутадиена и различные полимеры акрилового типа.

В мелованный состав могут быть введены различные добавки, та.кие, как красители, парафины , диспергаторы, смачивающие реагенты или другие поверхностно-активные вещества , регуляторы вязкости, неногасители, смазывающие вещества, пластификаторы, противостарктели и т. д.

При приготовлении состава приготавливают водный раствор или коллоидную дисперсию связующего вещества. При использовании крахмалов, подогрев водной среды способствует ускорению образования раствора. Поглощак щая способность для водного раствора крахмала составляет 3-4,4 г на 1 г. Пигменты .могут добавлять и диспергировать в водной среде связующего вещества либо перед, либо после того, как связующее вещест1во полностью растворено. Часто неорганические пигменты предварительно смачивают или диспергируют в виде кондентрированной водной суспензии перед тем, как добавлять в связующую среду. В любом случае порошок из мочевиноформальдегидной смолы с сильной поперечной связью, используемый в качестве дополнительного пиг.мента, можно добавлять в любой стадии процесса смещивания. Он может быть диспергирован либо в среде связующего вещества или в предварительно диспергированной суспензии неорганического пигмента до того, как они комбинируются, либо его Можно вводить в смесь пигментов после их комбинации . Более удобно вводить указанные смоляные пигменты ближе к концу процесса смещивания , наряду с любыми добавка ми, требуемыми или .необходимыми для изготовления равномерной суспензии требуемой консистенции . Несмотря на то, что указанные смоляные питменты имеют очень низкий объемный вес, они не затрудняют обработку и введение их в состав в о-быч-ной практике в самых широких вариантах.

Используемая в качестве пигмента нерастворимая в воде мочевино-формальдегидная смола представляет собой, неплавящийся, медко измельченный порошок.

Молярное отношение мочевины к формальдегиду , химически присоединенному в структуре этих смол, обычно .находится между 1 :1 и 1:2, а более желательно между 1:1,3 и 1 : 1,8. Кроме этого внутренняя структура этих СМ.ОЛ представляет собой высокоразвитую поперечную связь, что сказывается на их способности не плавиться и не растворяться .в воде, т. е. существенно отличая их от обычных плавящихся в растворимых в воде мочевиноформальдегидных полимеров конденсатов. Хотя смолы с поперечной связью промывают

водой с целью удаления растворимых в воде солей или других побочных продуктов, они обычно содержат незначительное количество летучего вещества (т. е. вещества, удаляющегося с помощью нагрева твердых частиц смолы до 135° С в течение 2 час. в вакуумной сушке при давлении 1 мм рт. ст.). За исключением I % влаги, эти vieTy4He вещества состоят из органических молекул с очень малым молекулярным весом, например, формальдегиды .

Однако частицы смолы, содержащие менее летучее вещество 10% от веса, более желательно , так как достигается лучшее качество

и максимальная зрительная эффективность. Эти частицы смолы с поперечной связью имеют оптимальную удельную поверхность в пределах 16-100 м на 1 г, а более желательно порядка 25 м на 1 г при плотности массы .менее 0,1 г на мл. Кроме того, мочевино-формальдегидная смола с поперечной связью может иметь оптимальную удельную поверхность между 50 л 75 м на 1 г и основной размер агломерата между 2,0 и 3,5 мкл.

Продукты мочевино-формальдегидной полимериза .ции приготавливают реакцией формальдегида с мочевиной в соответствующих пропорциях в водном растворе при соответствующих условиях. При этом молярные пропорции формальдегида и мочевины должны составлять 1:1 - 1,8 : 1. Количество воды в реакционном растворе не должно быть меньше, чем общий вес органических реагентов, и во время реального образования и осаждения

частиц нерастворимой смолы с поперечной связью, должно значительно превышать общий вес всех других компонентов реакционной смеси. Соответствующие реакцио.нные температуры

обычно находятся в диапазоне от обычной комнатной темпеартуры до 100°С, предпочтительно 40-85° С. Пере.мешивание или другая а.ктивизация в водной реакционной среде желательны, особенно во время поздних стадий реакции, когда образуются нерастворимые с высоким молекулярным весом частицы смолы с попереч:ной связью.

Одним из наиболее важных условий, обеспечивающих успешное приготовление нерастворимых и растворимых, особых мочевиноформальдегидных смол требуемого качества, используемых в качестве дополнительного пигмента , является использование соответствующего .катализатора поперечной связи во время смолообразующей реакции. Наилучшими катализаторами для этой цели являются относительно сильные неорганические и/иди органические кислоты, например, серная, фосфорная , сульфаминовая, хлоруксусная.

Кислотный отверждающий или образующий поперечную связь катализатор должен и.меть постоянную ионизацию более 10. Однако наиболее желательными катализаторами для изготовления продуктов являются соли

сульфаминовой кислоты и/или растворимые в

воде соли кислого сернокислого аммония, как например, одинарный бисульфат аммония и основные производные его, в которых простой радикал у-глеводородиого типа, например метиловая группа, заменен одним из атомов водорода в указанной «аммониевой структуре.

Несмотря на то, что эти кислотные катализаторы могут присутствовать в реакционной среде с самого начала, желательно проводить реакцию формирования мочевино-фоомальдегидной смолы в два этапа. В первой стадии моче1вина и формальдегид реагируют обычно в соответствии с обычным механизмом конденсации , образуя растворимый в воде предварительный конденсат с малым молекулярным весом, а во второй - кислотный отверждающий катализатор вводят для обеспечения последующей реакции и образования поперечных связей при образовании нерастворимого особого твёрдого вещества. Интенсивность смещивания в реакционной среде увеличивается , когда вводят катализатор с целью сведения к минимуму непрерывного образования более сильно диспергированных особых твердых агрегатов.

Вне зависимости от того присутствует катализатор во 1всей реаиции или добавляется только в последней стадии, окончательная нерастворимая смола в твердом виде регенернруется из водного раствора с помощью обычной технологии, включая одну или более операций (например, фильтрацию, центрифугирование и высушивание). Продукт конечной реакции может подвергаться различным операциям раздробления или обработке в ударной мельнице, включая такие устройства, как шаро1вая или разбивная мельницы, обработка с помощью энергии струи жидкости или высокоскоростной дисковой мельницы и т. д.

Предлагаемый состав позволяет получить мелованные покрытия с большей рассеивающей способностью, степенью белизны и контрастностью , чем известные.

Пример 1. Использование мочевино-формальдегидной смолы с поперечной связью в качестве пигмента для мелования бумаги.

Связующую среду -водного крахмала приготовляют смачиванием 20 вес. ч. - MR окисленного кукурузного крахмала 80 вес. ч. воды и нагревом полученной смеси до 87-93,3°С в течение 20 мин. с целью получения нолного растворения.

Указанную связующую среду затем используют для приготовления нескольких различных замесов глинистого отбеливающего красителя за счет смешива-ния с ним различных количеств механически расслоенной каолиновой глины, твердого вещества глины для мелования бумаги. Количество использованного в этих замесах вещества глины составляет 100- 133 вес. ч. на 100 ч. крахмального раствора, обеспечивая таким образом, диапазон отношения связующего вещества к пигменту .порядка 20 и 15 вес. ч. сухого связующего вещества на 100 ч. пигмента. Каждую взвесь наполняющего красителя дополнительно снабжают одинаковым количеством присадок вместе с достаточным добавленнем воды для доведения окончательной взвеси до рН порядка 7,5. Окончательное содержание твердых частиц бывает обычно порядка 50% (± 5%) от веса. Таким же способом связующий агент используют для приготовления ряда замесов покрывающего красителя, в каждом из которых

пигмент составляет 90% от веса указанной глины и 10% от веса пигмента из смолы с поперечной свяью. Общее количество пигмента , диспергированного в этих замесах, ваоьирует от минимума 90 ч. глины + 10 ч. смолистого пигмента до максимума 119,7 ч. глины -+- 13,3 ч. смолистого пигмента, чтобы перекрывать один и тот же весовой диапазон 20-15 ч. сухого связующего вещества на 100 ч. пигмента, как в случае использования

полностью из глины суспензий наполняющего красителя. Кроме того, каждую суспензию пигмента обрабатывают с помощью дополнительных присадок вместе с соответствующим количеством воды для доведения окончательно

рН взвеси до 7,5 и получения отличной вязкости для наложения на бумагу, используя лабораторную технику.

Каждый из наполняющих красителей накладывают на стандартный опьггный обпазец легкой издательской бумаги с целлюлозными волокнами . Эти красители тщательно наносят (используя лабораторную технику) с равномерной толщиной, предназначенной в каждом

случае для обеспечения веса покрытия (после высушивания и выдерживания при 25° С при относительной влажности 50%) порядка 1 кг 600 г на сторону в стопе. После высушивания и выдерживания при определенной температуре , покрытые опытные листы помещают между стальным и ватным роликами при 65,9° С, используя давление между роликами порядка 252 кг на линейный дюйм щирины ролика и пропуская каждую покрытую сторону

через два таких прохода.

Поверхностная прочность каладнированного , обработанного покрытия на бумаге с лицевой стороны указанных выще двух серий,

затем измеряют с помощью Методов Контроля TAPPI (Техническая ассоциация целлюлозной и бумажной промышленности США) РС-6. Покрытие, изготовленное из 17 ч. крахмального связующего агента на 100 ч. веса

9/1 смеси ИЗ пигмента из смолы с попеоечной связью и глины, соответствует поверхностттой прочности покрытия, содержащего 15 ч. крахмала на 100 ч. полностью из глины пигмента . (Обе величины поверхностной прочностп превышают притяжение Денчисон Вакс № 5). Эти два покрытия могут быть выбраны д,пя непосредственного сравнения оптических свойств и способности к печатанию с целью показать относительные свойства двух систбм

пигмента.

Твердые вещества из связующего агента и пигмента, составляющие эти два наполняющие красителя, показаны в табл. 1.

Таблица 1

Твердые частицы в составе покрывающих красителей

Таблица 2

Сравнение свойства мелованной бумаги (после каландирования)

Реферат

Формула

Методы испытаний, использованные для проверки оптических свойсттв покрытий, были следующие TAPPI Стандартные испытания Т-480-tS-65 для измерения 75% глянцевой мелованной бумаги, TAPPI Стандартные испытания Т-452 для измерения степени белизны мелованной бумаги (при длине световой волны 457 ммкм), TAPPI Стандартные испытания Т-425-OS-60, используя диафанометр Брауха и Лома, для измерения -коэффициента отражения стандартной немелованной бумаги при стандартной -белой и черной фоне ( и ) и каждого мелованного образца при тех же фонах (Rep-w и Нср-ь). Из последних измерений было получено соотнощение контрастов Rep-В-Rcp-w в виде измерения непрозрачности каждого мелованного листа . Кроме этого используются величины коэффициентов отражения мелованной и немелованной бумаги для расчета рассеивающей способности покрытий с ПОМОЩЬЮ известной теории Кубелка-Мунка и уравнений для светового рассеивания. Таким образом, расчеты дали возможность получить удельное рассеивание на 400 гр. покрытия, когда оно равномерно распределено на стопу бумаги.

В конце табл. 2 имеются величины гладкости по Шеффилду для лицевой стороны мелованной бумаги, измеренные согласно TAPPI испытаниям RC-360 и давшие в результате печатные характеристики каждого типа мелованной бумаги, когда лицевая сторона ее подвергалась испытаниям на пропитку (как описано в TAPPI стандарт RC-19). Необходимо отметить, что все измеренные величины, приведенные в таблице, являются средними.

Пигментные системы, составленные из 9 ч. глины 4- I ч. дополнительного смолистого пигмента, дают по.крытие для бумаги значительно большей рассеивающей способности, чем дают пигменты полностью из глины и что это показывает улучшенные свойства относительно степени белизны мелованной бумаги . Во всех других отношениях, включая

испытания Kand v InK, два мелованных образца имеют равные характеристики.

Пример 2. Использование мочевино-формальдегидной смолы с поперечной связью з

качест1ве пигмента для мелования бумаги.

В примере 1 замесы наполняющего красителя , изготовленного из различных пропорций связующего окисленного крахмала с пигментом , разделены на две серии, первая из которых использует только глину для мелования типа LAMNAR, в качестве пигмента, а вторая - пигментную комбинацию, состоящую из 98 вес. ч. такой же глины + 7 вес. ч. смолистого пигмента. Опытные покрытия изготовлены из тех же различных наполняющих красителей в замесах и нанесены на стандартные бумажные образцы. Полученные покрытые бумажные образцы высушивают и обрабатывают с помощью таких же процессов, за исключением того, что использовались несколько другие условия каландрирования.

При проверке поверхностной прочности этих различных цокрытий на лицевой стороне бумаги с использованием испытаний TAPPI RC-6 было обнаружено, что два покрывающих Красителя, отмеченных в настоящей таблице, были эквивалентны в этом отношении. (У обоих поверхностные прочности превышали растягивающее усилие Деннисон Вакс № 7).

9

Содержание твердых частиц в покрывающих красителях приведено в табл. 3.

Таблица 3

Оптические свойства и внешние параметры были переделаны для каждого из указанных выше покрытий после наложения 1,81 кг обработанного материала на сторону на стопу с обеих сторон стандартной опытной бумаги и каландрированной между стальным и ватным роликами при 65,5° С, используя давление в проходе порядка 251 кг на линейный см ширины ролика и 3 прохода для каждой покрытой стороны.

Результаты этих испытаний показаны в табл. 4, в которой величины получены с помон1 ,ью таких же методов испытаний, котооые

Таблица 4

Сравнение свойств мелованной бумаги (после каландрирования)

10

описаны в примере 1, за исключением того, что в данном случае степень белизны мелованных листов была определена с помош,ью прибора диафанометра Брауха и Лома на 5 опытной бумаге, подготовленной в стопу листов .

Таблица 4. Сравнение свойств меловапнои бумаги (после кяландрирсванпя). Несмотря на то, что указанные выше данные только в незначительной степени показывают улучшения степени белизны для опытного покрытия 13-IB (содержащего комбинированный ), зтшчнтельные улуч нения в удельной рассеивающей способностн получены уже в примере 1. В настоящем примере практика показывает увеличение коэффин.иента контрастности мелованной бумаги, который значительно возрос, как показано в табл. до такой степени, что только 0,7 кг/см рулона

0 опытного покрытия 13-ТВ может быть использовано для получения такой же степени непрозрачности, что и для 0,8 кг/см рулона контрольного покпытия 14-2В (солепл аи1его пиимент. полностью из глины).

5 75% гляпен. гладкость и результаты испытаний на пропитку иоказали, что печатная

способность меЛОВПИПЫХ ГИПОВ

должна быть одинаковой. Такой ВНБО.Т. полностью подтверждается ппи помоити nenocnei,0 ственного сраянония полного топа и 120 стпок полутоновой прчяти на ппопечатном станке Вянлепк ка. исполь я типографскую кпаску MaCTepfa-T.eatsettincT Ink.

Опытное покрытие 13-ТВ, в ппивеяенном

5 выше ппилтеге н готоялрнтое из ЧЯ т-лтгты и 7 ч. смолистого пттгмента, изменено. ИСПОЛЬЗУЯ ПегЬопт; Л 280 кпахмал, пт.троксзтзтттлттрованный твеплый . в есто окиС.ленното связуюн;его кпяултала, использованпого пепво0 начально. Эквивалентное покрытие (с точки

ЗПенИЯ ПОПРГ1Х О ИОЙ ПРОиттогти .тлЧТПРО. UPf

ЛРИНИСОН BRKP № 7 Б ТАРРТ испытаниях RC-6V содр жя1Т1ее 18 ч. связуютнего тветогп вртттествя на 100 ч. обтиего пигмента и порядка

5 50% обпнх тпрп-тых частнтт во покпываютнего кпасттрля. Меловяннлю т зготавливятпт укячрттьтм сиогпбпм тт ПОЛВРПГ Т таким жр ттгпытаттия т. показывая величины халяктетистик. соврпгиенно равные . что

0 показаны в табл. 4 для мелованной бумаги с первоначальным покпытием 13-ТВ. Аналогичные пез тьтаты получены также для ДРУГОГО тонко из олотого нроргаттичрского пигмента . Тспо.тьзхтлтого вместо содержащего

5 глииу в ппечиств чО1ием иримеое.

Дальнейине ттспь-ттачия. ИСПОЛЬЗУЯ ДЛУГТР пппоитк из мо Рвтпто-Фопма.тьлр тттн й РМПЛЧ с попелрчиг1Й связью р 1тз трчетптем пптилтяльной уде.тьной повепхносттт и пазмрра ar.invp. рата. потгазяли. что иттеяльчым n OTyKTO-iT тл исттользовяния г тяким покрытием толжно иметь оптимяльную дельную повепхность между 50 и 75 .т на 1 г. средний пазмер агломерата мелду 2,0 и 3,5 мк и поглощающую

11

способность для водного крахмального раствора между 3,0 и 4,4 г на 1 г.

Пример 3. Сравнение между использованием по1крывающего красителя, содержащим смолу в качестве первичного нокрытия, и в качестве полного покрытия.

Используя в качестве связуюи1;его вещества Пенфард № 280 (тидроксиэтилированный крахмал), были изготовлены наполняющие красители в соответствии с пролорадиями, показанными в табл. 5.

Таблица 5. Содержание твердых частиц в покрывающи красителях

Таблица 5

Содержание твердых частиц в покрывающих красителях

Сравнение мелованной бумаги (после каландрирования)

Приведенные выше данные показывают, что краситель, содержащий тонко измолотую мочевино-формальдегидную смолу с поперечной связью в качестве дополнительного пигмента, может быть использован преимущест1венно либо как равномерное, однослойное покрытие, либо в неравномерном многослойном покрытии на бумаге. Песмотря на то, что рассеивак щая способность, непрозрачность и степень белизны имеют максимальные значения в од12

Стандартная бумага для испытаний с основным весом 0,5 кг/см была покрыта тщательно с использованием указанных .выше покрытий тремя путями.

Во-первых, покрытие 19-2А было нанесено на бумагу, дав образец с 1,8 кг (вес обработанного покрытия) на стопу с каждой стороны , затем покрытие 18-ЗА было использовано таким же образом, наконец каждая сторона бумаги была покрыта сначала 0,5 кг/см 18-ЗА, затем нанесено верхнее покрытие порядка 0,3 кг/см 19-2А. Все три мелованные бумаги после высущивания и восстановления подвергают каландрированию при 65,5° С, используя 216 кг/см давления в проходе между ватным и стальным роликами и 2 прохода на сторону.

Осредненные результаты оптических и внешних параметров, измеренные на этих трех

сторонах бумаги, ноказаны в . 6 ниже, где методы испытаний взяты из примера 2, за исключением того, что при проведении испытаний на впитываемость поглощение было проведено путем измерения в % X (зеленый ) -отражательной способности - при помощи измерительного прибора после того, как краска была наложена и высушена обычным путем.

Таблица 6

нослойном равномерном покрытии, лучщие условия могут быть получены в некоторых случаях для других параметров, например, глянца , гладкости, способности к печатанию за счет использования гетерогенных многосложных систем.

Предмет изобретения

1. Состав для мелования бумаги и картона, включающий тонко измельченный неорганиче13

ский пигмент и связующее, о т л и ч а ю щ н нс я тем, что, с целью улучшения качества снижения веса покрытия, состав дополнительно содержит в качестве пигмента нерастворимую в воде мочевино-формальдегидную смолу с высокоразвлтой поперечной связью с размером частиц агломерата основной смолы 2- 3,5 мк и удельной поверхностью 15-75 в .количестве 2-25% от веса пигмента в составе покрытия.

2.Состав по п. 1, отличающийся тем, что мочевино-формальдегидная смола имеет оптимальную удельную поверхность по крайней мере порядка 25 м на 1 г и плотность массы менее 0,1 г на 1 мл.

3.Состав по п. 2, отличающийся тем, что мочевино-формальдегидная смола с поперечной связью имеет оптимальную удельную поверхность между 50 и 75 м на 1 г и основ14

ной размер агломерата между 2,0 и 3,5 мк, а поглощающую способность для водного раствора крахмала между 3,0 п 4,4 г па 1 г.

4. Состав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит порядка 15-60% веса тонко измолотого, совершенно нерастворимого в воде твердого пнгмента, суспендированного в водной жидкости, содержащей соответствуюHj ,ee адгезивное связующее вен;,естзо в пропорции между 4 и 35% веса, исходя из o6niero веса указанных пигментов, в котором между 2 и 25% общего пигмента имеется совершенно неплавящаяся, нерастворимая в воде мочевино-формальдегидная смола с ноперечной связью , имеющая оптимальную удельную поверх5 ность не менее 25 м на грамм, н большую часть баланса указанного твердого пигмента составляет каолиновая глпна для меловапия бумаги.