紙塗料製劑的製作方法
2023-05-23 03:47:16
紙塗料製劑的製作方法
【專利摘要】本發明是一種組合物，該組合物包含以下組分的水性分散體：基本不含磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯基團的聚合物粘合劑顆粒；純度至少為98％且基本不含無機二氧化矽的金紅石TiO2；以及為一類低分子量聚磷酸鹽/酯的分散劑。本發明的組合物可用作紙或紙板的塗料。
【專利說明】紙塗料製劑
【背景技術】
[0001]本發明涉及具有改進亮度的著色紙塗料。
[0002]在較深色的基材(如廢紙板和原色牛皮紙板)上使用二氧化鈦(TiO2)作為紙板塗料中的顏料以改進光學性質，如亮度、不透明度和外觀。此外，在輕質塗覆的紙中使用TiO2以改進不透明度，或在優質塗覆的紙級別中使用TiO2以改進亮度和外觀。由於TiO2的成本很高，受此影響，造紙廠商試圖找到能夠減少其使用和/或改進其效率的方法。
[0003]在不存在改性劑如分散劑的情況下，TiO2顆粒會聚集，導致遮蓋性效率低。但是，即使在TiO2分散良好的情況下，隨著TiO2濃度增大，TiO2顆粒還是會聚集。此外，例如人們已知塗料的過度分散會導致顏料顆粒絮凝，這會導致塗料亮度改進約0.5-1.5點(參見Imerys發表的2001TAPPI塗料會議論文「刮塗操作中的最優分散(Optimum Dispersion InBlade Coating Operations) 」，以及韋利出版社(Wiley Press)由 R.F.Conley 出版的實際分散體中的「無機鹽分散劑」:理解和配製眾液指南(「Inorganic Salt Dispersants」 inPractical Dispersion:A Guide to Understanding and Formulating Slurries)的第三章)。然而，這種亮度的改進歸因於塗料孔隙率的增加(這會使來自空氣空穴的光散射量增加)，而不是歸因於塗料中TiO2分散體的效率增加。此外，通過使用高水平的分散劑而實現的亮度優勢在壓延後會大幅降低至小於I點，這是由於在壓延過程中除去了加入分散劑時形成的空穴。
[0004]US8, 043，476揭示了具有改進的粘度穩定性的紙或紙板塗料製劑，其包含磷酸鹽/酯或膦酸鹽/酯官能化的丙烯酸類聚合物粘合劑、TiO2和聚磷酸鹽/酯分散劑。儘管已知磷酸鹽/酯或膦酸鹽/酯官能度能夠增強粘合劑與TiO2的吸附性，從而改進其使用效率，但是磷酸鹽/酯或膦酸鹽/酯的存在通常會對粘合劑的粘度穩定性和塗料的水敏感性產生不利影響。此外，用常用的磷酸鹽/酯單體(甲基丙烯酸磷酸乙酯(PEMM))製備的膠乳總是包含規定可能與食品接觸的產品的政府監管機構(例如FDA)所關注的雜質。因此，設計滿足以下條件的這樣一種製劑將是紙和紙板塗料製劑領域中的一大進展:該製劑能夠克服磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯官能化粘合劑的缺點，同時仍能實現具有增強的亮度的優點。
【發明內容】
[0005]本發明通過提供一種組合物解決了本領域的需求，該組合物包含以下組分的水性分散體:a) 3-25重量％的聚合物粘合劑顆粒，其基本不含磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯基團；b)5-35重量％的金紅石TiO2，其純度至少為98%，並且基本不含無機二氧化矽；c)0.1_2重量％的分散劑，其是焦磷酸四鈉、焦磷酸四鉀、三聚磷酸鈉、三聚磷酸鉀或六偏磷酸鈉；其中所述聚合物粘合劑顆粒包含乙酸乙烯基酯、乙烯基-丙烯酸類、苯乙烯-丙烯酸類、或苯乙烯-丁二烯聚合物顆粒；其中所述重量百分數都是以所述組合物的固體總重量為基準計的。本發明的組合物通過在最終幹塗料中提供更均勻的TiO2分布而解決了本領域中的需求，其能夠在除去約20%至40% TiO2的同時並不會使光學性質有損失。
【具體實施方式】
[0006]本發明通過提供一種組合物解決了本領域的需求，該組合物包含以下組分的水性分散體:a) 3-25重量％的聚合物粘合劑顆粒，其基本不含磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯基團；b)5-35重量％的金紅石TiO2，其純度至少為98%，並且基本不含無機二氧化矽；c)0.1_2重量％的分散劑，其是焦磷酸四鈉、焦磷酸四鉀、三聚磷酸鈉、三聚磷酸鉀或六偏磷酸鈉；其中所述聚合物粘合劑顆粒包含乙酸乙烯基酯、乙烯基-丙烯酸類、苯乙烯-丙烯酸類、或苯乙烯-丁二烯聚合物顆粒；其中所述重量百分數都是以所述組合物的固體總重量為基準計的。
[0007]所述粘合劑顆粒的體積平均粒度等於或大於50納米，更優選等於或大於80納米，至小於或等於500納米，更優選小於或等於300納米。優選地，以所述組合物的固體總重量為基準計，所述粘合劑的重量百分數為5-25重量％。所述粘合劑顆粒基本不含磷酸鹽/酯或膦酸鹽/酯基團。如本文所用，術語「基本不含磷酸鹽/酯或膦酸鹽/酯基團」表示以粘合劑的重量為基準計，所述粘合劑顆粒包含小於0.05重量％，優選小於0.01重量％，更優選小於0.001重量％，最優選O重量％的磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯基團。
[0008]以所述組合物的固體總重量為基準計，所述水性組合物優選包含5-25重量％的金紅石TiO2 ;所述TiO2的光密度優選為1.05-1.15，折射率為2.70-2.75，粒度分布的幾何標準偏差為1.45-1.50，該值使用HORIBA LA-900顆粒分析儀測得。市售的TiO2是RPSVantage Ti02。本發明的組合物中可用的TiO2未經無機二氧化矽處理；因此，與漆製劑(其需要用無機二氧化矽處理的TiO2)相反，其特別適用於紙塗料應用。
[0009]以所述組合物的固體總重量為基準計，所述組合物中分散劑的含量優選為
0.2-0.6 重量％。
[0010]本發明的組合物優選包含其它添加劑，所述添加劑包括輔助顏料，例如粘土和碳酸鈣；流變改性劑；天然粘合劑，如蛋白質和澱粉；光學增白劑；潤滑劑；消泡劑；交聯劑；和其它分散劑，如聚丙烯酸基分散劑。通過使用Sedigraph所測得，可用於本發明組合物的輔助顏料的粒度優選小於2微米，更優選80-100重量％的所述輔助顏料小於2微米。該優選的尺寸範圍顯著小於漆製劑中常用的輔助顏料的粒度。
[0011]所述組合物可用作塗料用於經塗覆的或未經塗覆的紙或紙板，並可施塗成單個或多個塗層，使得最終膜厚度優選等於或大於5微米，更優選等於或大於10微米，至等於或小於35微米，更優選至等於或小於20微米，該厚度約為常見漆塗料的膜厚度的三分之一至十分之一。因此，在另一個方面，本發明是一種層合物，該層合物包含經塗覆或未經塗覆的紙或紙板；以及附著於該紙或紙板上的厚度為5-35微米的膜層；其中所述膜包含本發明的組合物除去水之後的殘餘物。
[0012]我們驚喜地發現，本發明的組合物使得紙或紙板塗料具有改進的亮度，並且沒有額外添加TiO2,並且使用基本不含或完全不含磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯基團的粘合劑。
[0013]儘管不受理論限制，我們認為在存在其它塗料組分的情況下，紙塗料中常用的TiO2 (純度至少為98%，並且基本不含無機二氧化矽)在溼態下會形成聚集體。即使在預期不會發生聚集的低水平的TiO2下，這些聚集體會使紙塗料中的TiO2聚集，從而降低了 TiO2性能的效率。我們認為，使用低分子量的聚磷酸鹽/酯分散劑逆轉了溼態下TiO2的聚集，使得最終幹塗料中TiO2的分布更加均勻。相反，我們認為較高分子量的聚丙烯酸聚合物分散劑(該分散劑是紙塗料中常用的分散劑)不能擴散入溼聚集體中以使T12再分散，因此其是無效的。以下實施例證實該效應。
[0014]縮寫
[0015]
產品名縮寫
Kaomax 粘土粘土
RPS Vantage T12RPS T12
Ti 純 R-746 T12R-744 T12
POLYCO? 3103NP 乙烯基P!烯酸類Jt 3103NP
Sgl
孔
POLYCO? 3960乙烯基丙烯酸類膠乳3960
RHOPLEX? RM-232D HASE 流變改性 RM-232D
劑
ACUMERtm 9400 W烯酸類均聚物分散 9400
M
六偏磷酸鈉(5%水溶液)SHMP
—聚磷酸鉀(5 %水溶液)KTPP
焦磷酸四鈉TSPP
[0016]POLYCO、RHOPLEX 和 ACUMER 均為陶氏化學公司(The Dow Chemical Company)或其附屬公司的商標。
[0017]實施例
[0018]在以下實施例1-6和比較例I和2中，製劑包含25份RPS T12和75份粘土，該含量以粘土和RPS T12固體的重量為基準計。
[0019]比較例1-製備不含分散劑的塗料
[0020]將RPS T12 (52.61g, 71.28% 固體)加入粘土 (168.44g, 66.79% 固體)、加入3103NP(59.44g, 50.47% 固體)，然後加入 RM-232D(0.79g, 28.32% 固體)，然後加入 DI 水(110.22g)。固體百分數為45.31%。
[0021 ] 實施例1-製備含SHMP的塗料製劑
[0022]將RPS T12 (52.61g, 71.28% 固體)加入粘土 (168.44g, 66.79% 固體)，然後加入SHMP (18.0Og, 5% 固體)和 3103NP (59.44g, 50.47% 固體)，然後加入 RM-232D (0.79g, 28.32%固體)，然後加入DI水(108.55g)。固體百分數為44.82%。
[0023]實施例2-製備含SHMP的塗料製劑
[0024]使用實施例1中所述的量，但加入順序有所改變。在該實施例中，將RPST12加入SHMP和3103NP的混合物中，然後再依次加入粘土、RM_232D、DI水。固體百分數為45.32%。
[0025]實施例3-製備含SHMP的塗料製劑
[0026]按照實施例1的方法進行製備，不同之處在於SHMP(24.0Og, 5%固體)和DI水(97.885g)的量。固體百分數為45.35%。
[0027]實施例4-製備含TSPP的塗料製劑
[0028]按照實施例1的方法進行製備，不同之處在於使用TSPP (18.0Og, 5%固體)作為分散劑代替SHMP。固體百分數為45.32%。
[0029]實施例5-製備含TSPP的塗料製劑
[0030]使用實施例4中所述的量，但加入順序有所改變。在該實施例中，將RPS T12加入TSPP和3103NP的混合物中，然後再依次加入粘土、RM_232D、DI水。固體百分數為44.49%。[0031 ] 實施例6-製備含KTPP的塗料製劑
[0032]按照實施例1的方法進行製備，不同之處在於使用KTPP (18.0Og, 5%固體)作為分散劑代替SHMP。固體百分數為45.37%。
[0033]比較例2-製備含9400的塗料製劑
[0034]按照實施例1的步驟進行製備，不同之處在於使用9400 (2.12g, 42.5%固體)作為分散劑代替SHMP，並使用DI水(119.1Og)。固體百分數為45.43%。
[0035]製備經塗覆的紙板樣品
[0036]使用帶有#10繞線棒的機械下拉機器將塗料施塗在SUS紙板上。施塗一層3.5磅/1000英尺2的塗層，並在82°C的烘箱中放置2分鐘。然後在150° F、500psi和85英尺/分鐘條件下對該板材進行壓延。在75度光澤度下光澤度目標是35-40。使用泰克尼德亮度計型號S4-M(Technidyne Brightmeter Model S4-M)測量其亮度；對各塗料製劑的亮度(Bavg)的25個讀數取平均。實施例1-6和比較例I和2 (Cl, C2)的亮度數據示於表1中:
[0037]表1-SHMP、TSPP, KTPP和9400的塗料亮度比較
[0038]
【權利要求】
1.一種組合物，該組合物包含以下組分的水性分散體:a)3-25重量％的聚合物粘合劑顆粒，其基本不含磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯基團；b) 5-35重量％的金紅石T12,其純度至少為98%，並且基本不含無機二氧化矽；c)0.1-2重量％的分散劑，其是焦磷酸四鈉、焦磷酸四鉀、三聚磷酸鈉、三聚磷酸鉀或六偏磷酸鈉；其中所述聚合物粘合劑顆粒包含乙酸乙烯基酯、乙烯基-丙烯酸類、苯乙烯-丙烯酸類、或苯乙烯-丁二烯聚合物顆粒；其中所述重量百分數都是以所述組合物的固體總重量為基準計的。
2.如權利要求1所述的組合物，其特徵在於，所述組合物還包含粘土顆粒和/或碳酸鈣；以及流變改性劑。
3.如權利要求1或2所述的組合物，其特徵在於，所述粘合劑顆粒包含小於0.01重量％的磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯基團；其中所述T12的光密度為1.05-1.15，折射率為2.70-2.75。
4.如權利要求3所述組合物，其特徵在於，所述T12的粒度分布的幾何標準偏差為1.45-1.50。
5.如權利要求1-4中任一項所述組合物，其特徵在於，所述分散劑是焦磷酸四鈉、焦磷酸四鉀、三聚磷酸鈉、三聚磷酸鉀或六偏磷酸鈉，以所述組合物的固體總重量為基準計，所述分散劑的濃度約為0.2-0.6重量％。
6.如權利要求2所述組合物，其特徵在於，80-100重量％的所述粘土顆粒和/或碳酸鈣的粒度小於2微米。
7.一種包含經塗覆或未經塗覆的紙或紙板的層合物以及附著於所述經塗覆或未經塗覆的紙或紙板上的厚度為5-35微米的膜層；其中所述膜包含a) 3-25重量％的聚合物粘合劑顆粒，其基本不含磷酸鹽/酯和膦酸鹽/酯基團山)5-35重量％的金紅石T12,其純度至少為98%，並且基本不含無機二氧化矽；c)0.1-2重量％的分散劑，其是焦磷酸四鈉、焦磷酸四鉀、三聚磷酸鈉、三聚磷酸鉀、六偏磷酸鈉或六偏磷酸鉀；其中所述聚合物粘合劑顆粒包含乙酸乙烯基酯、乙烯基-丙烯酸類、苯乙烯-丙烯酸類、或苯乙烯-丁二烯聚合物顆粒；其中所述重量百分數都是以所述膜中的固體總重量為基準計的。
8.如權利要求7所述的層合物，其特徵在於，所述膜的厚度為10-20微米。
【文檔編號】D21H19/38GK104047207SQ201410072982
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2013年3月14日
【發明者】R·B·弗萊, J·A·羅珀三世, W·高, J·沃森 申請人:羅門哈斯公司, 陶氏環球技術有限公司