其表面形成有二氧化矽顏料的基材的製造方法

2023-11-11 02:50:32

專利名稱：其表面形成有二氧化矽顏料的基材的製造方法
技術領域：
本發明涉及 其表面形成有二氧化矽顏料的基材的製造方法。
背景技術：
在製造列印紙，特別是噴墨印表機或印刷機使用的紙張時，常常使用二氧化矽作為顏料。二氧化矽顏料通常還可用於數字印刷技術例如電子成像術、液體調色儀或熱油墨，也可用於壓印技術例如柔性版膠印術。除了提高印刷性能以外，二氧化矽還改善了紙張或紙板的光學性能。可採用多種不同的方法製造二氧化矽顏料。其中一種方法是用pH值降低劑處理矽酸鈉(水玻璃)，從而形成二氧化矽顏料。其它方法可以是例如滲析、電滲析、膠溶、酸中和、以及離子交換。應用於紙張的二氧化矽顏料通常具有大的表面積，這是因為粒徑小或者孔隙率高。這種顏料的高表面積所產生的一種效應是其能夠結合大量的水。因而，與傳統顏料例如碳酸鈣、高嶺土或滑石相比，需要特別關注高表面積二氧化矽顏料的分散體，以獲得高固含量塗層或表面處理分散體。通過添加穩定劑和/或增稠劑提高含二氧化矽顏料的分散體的幹含量，會為該分散體部分地提供位阻或電位阻穩定性，但最終的幹含量仍明顯低於標準顏料塗層配料所達到的幹含量。此外，為了使二氧化矽顏料與紙張結合，還常常需要添加大量粘合劑。粘合劑確保顏料相互結合併與纖維結合，從而提高了表面強度並例如減少了粉塵所帶來的問題。然而，在穩定劑、粘合劑和二氧化矽顏料混合物轉移至紙張表面的過程中，可能出現流變性相關的問題。為了避免這些問題，需要降低所述組合物的幹含量，因而含二氧化矽顏料的組合物的幹含量十分低，從而降低了產率並增加了施於紙張的水含量。因此，紙張必須經受大規模的熱處理來使紙張乾燥。在製造噴墨列印使用的列印紙時，向含二氧化矽顏料的溶液中添加陽離子性聚合物通常是有利的，其隨後添加到紙張表面之上。陽離子性聚合物避免了例如遇水時所謂的印刷滲色、羽化和可能沿纖維出現的毛細作用。然而，當陽離子性聚合物與陰離子性二氧化矽顏料混合時，常常出現粘度高和沉澱的問題。此外，使用現有二氧化矽顏料的缺點在於其當前的成本結構。購買成品二氧化矽顏料通常很昂貴，這是由於為使該顏料可用於造紙廠其製造工藝和乾燥極為耗能。此外，在造紙廠中存放和處理成品二氧化矽顏料十分複雜。由於二氧化矽顏料是多孔的，其體積通常很大，因而佔用大量廠房。或者，可將所述二氧化矽顏料以溶液的形式運送至工廠，但如此同樣價格昂貴，這是因為二氧化矽溶液的幹含量要很低以使該溶液穩定，也就是說還要運送大量的水。因而需要含二氧化矽顏料的基材的改進的製造方法。
具體實施例方式本發明的一個目的是以改進的方法製造含二氧化矽顏料的基材。
本發明的另一個目的是以成本有效的方法製造含二氧化矽顏料的基材。本發明實現了所述以及其它目的，本發明描述了基材製造方法，其中所述方法包括提供含有纖維素纖維的基材、將包含水溶性矽酸鹽的溶液施用於所述基材的表面，對所述基材進行處理以使所述水溶性矽酸鹽聚合，從而在所述基材的表面之上形成二氧化矽顏料，最後對所述表面形成有二氧化矽顏料的基材進行乾燥。所述水溶性矽酸鹽優選為鹼金屬矽酸鹽和矽酸。可通過添加pH調節劑或藉助於離子交換，使水溶性矽酸鹽發生聚合和/或沉澱。也可採用使二氧化矽顏料發生聚合和形成的其它已知方法，如滲析或電滲析。重要的是二氧化矽顏料的聚合和形成發生在基材表面。因而，必須對水溶性矽酸鹽進行處理，以使二氧化矽顏料聚合併形成於所述表面上。 為使二氧化矽顏料聚合併形成於基材表面上，可通過將pH值調節劑添加於基材表面來對基材進行處理。PH值調節劑可以是pH值降低劑或pH值提高劑。形成二氧化矽顏料的反應是公知的在降低或提高的PH值下水溶性矽酸鹽優選鹼金屬矽酸鹽或矽酸的反應。優選的是所述溶液包含鹼金屬矽酸鹽並將PH值降低劑添加至基材表面以使二氧化矽顏料形成於基材表面。形成二氧化矽顏料的反應為在提高或降低的PH值下矽酸的反應也是可行的。通過將包含水溶性矽酸鹽的溶液和pH值調節劑分別添加於基材表面，可直接在所述基材表面之上製備二氧化矽顏料，從而避免上述製備方面的缺點，例如相容性和流動性、二氧化矽顏料的運送和存放。通過將包含水溶性矽酸鹽的溶液和pH值調節劑分別添加於基材表面，將發生二氧化矽顏料形成反應。該反應可在將PH值調節劑和包含水溶性矽酸鹽的溶液添加於基材表面過程中或者將PH值調節劑和包含水溶性矽酸鹽的溶液添加於基材表面之後發生。所述pH值降低劑可以是無機酸或有機酸例如硫酸、鹽酸或醋酸，酸鹽，顏料或氣體。PH值降低劑的其它實例為原硼酸鈉(硼砂)、硫酸氫鈉、碳酸氫鈉、磷酸二氫鈉、二氧化碳、或者兩種或更多種所述物質的組合。也可單獨使用弱鹼與強酸的酸鹽例如硫酸銨、硫酸鋁、聚合氯化鋁(PAC)、聚合硝酸鋁(PAN)等，或者組合使用任意的上述物質。所述pH值提高劑可以鹼性溶液，例如氫氧化鈉或氫氧化鈣。水溶性矽酸鹽在降低或提高的pH值下進行反應的過程中，可能形成多種不同類型的二氧化矽顏料，例如二氧化矽凝膠、沉澱二氧化矽和膠態二氧化矽。所形成的二氧化矽顏料的類型取決於反應過程中的PH值。因而，可通過所述pH調節劑的添加量和濃度控制基材表面之上所形成的二氧化矽的具體類型。形成二氧化矽的反應過程中pH值可以是鹼性的、中性的甚或酸性的。如果添加PH值降低劑，則在pH值降低時將發生反應，儘管中和含水溶性矽酸鹽的溶液的PH值或使其成為酸性有時是優選的但也不總是必需的。根據所使用的PH調節劑，形成不同類型的二氧化矽顏料。例如若使用聚合氯化鋁，則製得矽酸鋁。任何水溶性矽酸鹽均可用於本發明的方法，優選鹼金屬矽酸鹽例如矽酸鈉(水玻璃)或矽酸。先將含水溶性矽酸鹽的溶液添加至基材表面，再添加pH值調節劑。也可先將pH值調節劑添加至基材表面，再添加含水溶性矽酸鹽的溶液。在所述溶液添加至基材表面之後，發生形成二氧化矽的反應。
還可以將pH值調節劑和含水溶性矽酸鹽的溶液在添加於基材表面之前直接混合。從而在所述溶液添加於基材表面之過程中、直接之前或之後發生形成二氧化矽的反應。還可以使形成二氧化矽顏料的反應推遲發生，因而即使在添加之前將溶液混合，所述反應也可在基材表面發生。優選的是大部分二氧化矽顏料形成於基材表面以實現上述優勢，特別是實現顏料與纖維粘結性的提高。
為了使基材具有表面或內部強度或者溼強度，可將一種或數種粘結劑添加於pH值調節劑和/或含可溶性矽酸鹽的溶液中。還可單獨添加粘結劑，即不將粘結劑與PH值調節劑或含水溶性矽酸鹽的溶液混合。可用粘結劑有澱粉、羧甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素、樹脂類、納米纖維素或微原纖化纖維素、蛋白質、聚乙烯醇-聚乙酸乙烯酯共聚物、基於丙烯酸酯的聚合物、瓜爾豆膠、聚乙烯醇(PV0H)、聚乙酸乙烯酯(PVA)、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、或者所述物質的混合物。也可使用其他粘結劑或流變調節劑。還可將其他添加劑添加於pH值調節劑和/或含可溶性矽酸鹽的溶液。所述添加劑的實例有光學增亮劑(OBA)、氯化鈣、陽離子性聚合物、有機或無機顏料、交聯劑、增溼劑、纖維、底漆、疏水劑、抗微生物劑或潤滑劑。可以多種不同的方式將含水溶性矽酸鹽的溶液和pH值調節劑施用於基材表面。可行方法的實例有藉助於軋輥並結合使用一個或數個膜壓機(film press);藉助於穿過基材放置成一行或數行的噴嘴，所述噴嘴適於至少兩種組分的配料；藉助於簾幕式塗覆機；或所述方法的任意組合。如果使用簾幕式塗覆機，那麼兩個或更多個簾幕可來自同一個塗覆機。如果添加含水溶性矽酸鹽的溶液和PH值調節劑兩者，那麼通過一個簾幕添加含水溶性矽酸鹽的溶液，通過另一個簾幕添加PH值調節劑。還可通過使用單張紙或捲筒紙印刷機或轉印機進行含水溶性矽酸鹽的溶液和pH值調節劑的施用。膠版、柔性版或噴墨印刷機例如可首先印刷含水溶性矽酸鹽的溶液，然後將PH值調節劑轉移至表面，從而在未進行中間乾燥或進行了中間乾燥的情況下施用第三層之前，形成溼壓溼施用步驟。還可使用原位噴霧系統將含水溶性矽酸鹽的溶液和pH值調節劑定量施加於基材表面。所述處理之後可進行乾燥或者衝擊式或非衝擊式印刷。如果將pH值調節劑和含水溶性矽酸鹽的溶液在添加於基材表面之前直接混合，那麼優選的是該混合在噴嘴中或在軋輥上進行，所述噴嘴或軋輥隨後將所形成的二氧化矽轉移至基材。優選的是使用pH值調節劑和/或含水溶性矽酸鹽的溶液處理基材的兩面，但也可僅僅處理基材的一面。優選的是基材的每一面添加0. l-20g/m2 二氧化矽顏料。然而，基材的二氧化矽顏料量取決於製成的最終產品的最終用途。如果最終產品為用於列印的優質紙張，那麼二氧化矽含量可優選為每面0. l-10g/m2。然而，如果最終產品為中高品質的噴墨列印紙，那麼優選二氧化矽含量更高。對添加於基材的溶液中水溶性矽酸鹽的濃度進行調節，使得基材表面之上二氧化矽的含量在所需的範圍之內，即對所述溶液中水溶性矽酸鹽的濃度和所述溶液的添加量進行調節，使得所述表面之上二氧化矽的含量在所需的範圍之內。還可對PH值調節劑的濃度進行調節，以調節並改善紙張的某些功能特性，例如靜電性、油墨固著機制或脫墨性。本發明的優勢在於相比於按照現有技術所述將二氧化矽顏料直接添加於基材表面，可提高所添加溶液的幹含量。由於含水溶性矽酸鹽的溶液和PH值調節劑分別添加於基材表面，因為避免了前述含二氧化矽顏料的溶液所帶來的問題，從而可提高所添加溶液總的幹含量。從而，添加於基材的水較少，降低了乾燥的需求。由於優選的是二氧化矽顏料的形成發生在基材表面之上，因而二氧化矽顏料與纖維結合得更牢固，可在不降低基材品質的情況下減少粘結劑的量。由於含水溶性矽酸鹽的溶液直接添加於基材表面，因而所述基材表面上的纖維會吸收部分所述溶液，從而所形成的二氧化矽顏料會部分地引入至所述基材表面的纖維結構中，這將提高二氧化矽顏料與所述基材之間的結合性。此外，在水溶性矽酸鹽和pH值調節劑的反應過程中，形成了不同的鹽。在現有技術中，一般在造紙廠所用二氧化矽顏料的製造過程中將這些鹽清洗掉。然而，根據本發明在水溶性矽酸鹽在基材表面之上進行反應的過程中，沒有將所形成的鹽清洗掉。已證實這些鹽的存在改善了基材的性能，這是由於這些鹽例如可用於調節基材的電性能。形成何種類型的鹽取決於所使用的化學物質，但所述鹽例如可以是鈉鹽、鋁鹽或鈣鹽。還可製造表面之上具有多於一個的二氧化矽顏料層的基材。這可通過例如添加含水溶性矽酸鹽的第二溶液和第二 PH值調節劑來實現。還可以相同的方式製造兩個以上例如三個、四個、五個或更多個二氧化矽層。本發明方法的另一優勢在於還可將陽離子性聚合物添加於基材表面，而沒有產生上述缺點。由於陰離子性二氧化矽粒子的形成發生在基材表面之上，因而在向基材表面添加組分之前陰離子性二氧化矽粒子和陽離子性聚合物沒有發生混合。從而，陰離子性二氧化矽粒子和陽離子性聚合物不能夠進行反應形成上述沉澱。最有效的陽離子性聚合物是陽離子性澱粉、陽離子性瓜爾豆膠和陽離子性聚丙烯醯胺，這些陽離子性聚合物在造紙方面的應用在現有技術中已有描述。其他陽離子性聚合物也可與二氧化矽顏料組合使用，這可以是單獨的或與陽離子性澱粉、陽離子性瓜爾豆膠和陽離子性聚丙烯醯胺一起的。所述陽離子性聚合物的實例有聚乙烯亞胺、聚二烯丙基二甲基氯化銨、丙烯醯胺與2-甲基丙烯醯氧乙基三甲基氯化銨的共聚物、胺-表氯醇的縮合產物、以及聚胺與二羧酸縮合然後使預聚物與表氯醇進一步反應得到的陽離子性溼強度樹月旨。陽離子性澱粉尤為有效，這在於其具有成本低和賦予紙張幹強度的優點。所用的陽離子性澱粉可來源於任何常見的澱粉生產原料，例如玉米澱粉、馬鈴薯澱粉、小麥澱粉和木薯澱粉，但馬鈴薯澱粉通常產生最符合需求的陽離子化產物。可通過採用本發明的方法避免上述缺點並明顯降低基材特別是噴墨列印紙的生產成本。由於不需要對二氧化矽顏料進行乾燥或預處理來使二氧化矽顏料足夠穩定以運送至使用地(通常是從製造商處到客戶的工廠)，因而根據本發明製造含二氧化矽顏料的基材所需的能量得以降低。此外，由於可提高添加於表面的溶液的幹含量，因而根據本發明製造基材所需的能量降低。在添加pH值調節劑和/或含水溶性矽酸鹽的溶液之後，對基材進行乾燥，以形成乾燥的基材。可採用所有已知的乾燥纖維素基材的方法。由於在乾燥過程中基材表面的溫度尤為升高，因而在基材幹燥的過程中可加速形成二氧化矽顏料的反應。因此，二氧化矽顏料可在基材幹燥的過程中形成。本發明的基材表現出纖維與所形成的二氧化矽顏料之間增強的結合力。此外，所述基材包含鹽類，所述鹽類形成於製造二氧化矽顏料的過程之中。所述基材優選為紙張或紙板印刷基材，其將在隨後的印刷工藝中進行印刷。就本發明而言，基材是指包括但不限於含有纖維素纖維的紙張或紙板。還包括適於印刷的其他材料，例如塑料、覆有聚合物的紙張或紙板、紡織品等。還可提供用作阻燃劑(含二氧化矽顏料)的基材，即阻燃基材。 所述基材包含纖維素纖維，這是指不僅包括纖維素纖維還包括所有源自纖維素纖維的組分。所述組分的實例有微原纖化纖維(納米纖維素)或再生纖維素。所述纖維素纖維可以是軟木和/或硬木纖維。
權利要求
1.一種製造基材的方法，其中所述方法包括以下步驟 -提供含有纖維素纖維的基材； -將含水溶性矽酸鹽的溶液施用於所述基材的表面； -對所述基材進行處理，使得所述水溶性矽酸鹽聚合，從而在所述基材的表面上形成ニ氧化矽顏料； -對所述基材進行乾燥。
2.權利要求I的方法，其中所述水溶性矽酸鹽為鹼金屬矽酸鹽或矽酸。
3.前述任ー權利要求的方法，其中通過將pH值調節劑添加於所述基材的表面來對所述基材進行處理。
4.權利要求3的方法，其中所述pH值調節劑為pH值降低劑。
5.權利要求4的方法，其中所述pH值降低劑為無機或有機酸、酸性金屬鹽、氣體或者兩種以上這些物質的組合。
6.權利要求3-5中任ー權利要求的方法，其中先將所述含水溶性矽酸鹽的溶液添加於所述基材的表面，再添加所述PH值調節劑。
7.前述任ー權利要求的方法，其中還將陽離子性聚合物添加於所述基材的表面。
8.根據權利要求1-7中任ー權利要求所述的方法製造的基材。
9.權利要求8的基材，其中所述基材為印刷基材。
全文摘要
本發明涉及一種製造基材的方法，其中該方法包括提供含有纖維素纖維的基材；將含水溶性矽酸鹽的溶液施用於所述基材的表面；對所述基材進行處理，使得所述水溶性矽酸鹽聚合，從而在所述基材的表面之上形成二氧化矽顏料；以及隨後對所述基材進行乾燥。本發明還涉及根據所述方法製造的基材。
文檔編號D21H17/68GK102686801SQ201080056008
公開日2012年9月19日 申請日期2010年10月5日 優先權日2009年10月9日
發明者K.巴克福克, P.哈坎森 申請人:斯託拉恩索公司