專利名稱：高光澤碳酸鈣涂料組合物以及由其制備的涂覆紙張和紙板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種碳酸鈣顆粒的混合物，所述碳酸鈣顆粒可用于生產具有高紙張光澤的高質量涂覆紙張。
背景技術：
在紙張制造中，由于其優(yōu)良的白度性質，碳酸鈣已被用于涂覆應用中以提高各種性能如紙張亮度。天然及合成碳酸鈣都被用于造紙工業(yè)中。在用于紙張中之前，天然碳酸鈣或者石灰石被磨成小的粒度，而合成碳酸鈣通過淀積反應而制備，并被稱為淀積碳酸鈣(PCC)。由于形態(tài)、粒度、粒度分布以及所制備的碳酸鈣的純度可控制，通常淀積碳酸鈣在紙張生產中優(yōu)于磨碎的碳酸鈣。
當用作紙張工業(yè)的添加劑時，淀積碳酸鈣一般由氫氧化鈣的含水漿液(石灰乳)利用二氧化碳氣體碳酸化來制備。接著，通過用含有所述淀積碳酸鈣和粘合劑的含水漿液涂覆紙張，從而將所述淀積碳酸鈣顏料施涂到紙張上。
碳酸鈣以三種不同的晶型從水溶液中淀積出來熱動力學不穩(wěn)定的球霰石型(vaterite)型、最穩(wěn)定且在自然界中最豐富的方解石型以及霰石型，所述霰石型在正常的環(huán)境溫度和壓力下是亞穩(wěn)態(tài)的，但在升高的溫度下轉變成方解石型。霰石型具有正交晶型，可以為聚集或未聚集的長薄針狀結晶。方解石型存在有幾種不同的形狀，其中最常見的是晶體可以為聚集或未聚集的菱形晶型和晶體通常未聚集的偏三角面體型。碳酸鈣的所有這些晶型可通過適當改變現有技術已知的過程條件通過石灰乳的碳酸化來制備。
盡管與由片狀顆粒組成的高嶺粘土相比，當傳統(tǒng)的碳酸鈣顏料用作紙張涂覆的顏料時就印刷油墨的白度和吸收性而言具有優(yōu)越性能，但由于用其涂覆的紙張通常在紙張光澤方面很差，因此傳統(tǒng)的碳酸鈣顏料是有缺陷的。迄今為止，與高嶺土基質配方相比，在涂料配方中使用高級淀積碳酸鈣，特別是單獨施涂時，已歷史性地導致光澤不足。因此淀積碳酸鈣顆粒在高嶺土基質組合物中只能以低含量用作顏料，即25重量％或更低。
US 5,861,209教導了用于涂覆輪轉凹版印刷紙張的霰石型淀積碳酸鈣顏料、制備所述顏料的方法、涂覆所述涂層顏料的紙張和制備這種紙張的方法。所述淀積碳酸鈣顆粒具有約3∶1至約15∶1的長徑比，優(yōu)選為約4∶1至約7∶1，以及多峰的粒度分布，優(yōu)選為雙峰和三峰分布。優(yōu)選地，所述霰石型淀積碳酸鈣以所述涂層顏料重量的約20％至約100％的量存在。所述顏料也可與二氧化鈦、滑石、煅燒粘土、緞光白、塑性顏料、三水合鋁、云母或者它們的混合物一起使用。
J.Drechsel的文章“協(xié)同作用的研究最高性能的工程涂料針對最高性能優(yōu)化顏料混合物(In Search of SynergyEngineeringCoatings for Maximum PerformanceOptimizing Pigment Blends forMaximum Performance)”(1999涂料會議，pp.413-432)，教導了在涂料中使用細粒度的高嶺土和精細磨碎的碳酸鹽，以提高涂覆紙張的印刷光澤。
L.Jarnstrom等的文章“涂層的結構和涂覆紙張的光學性能(Structure of the Coating Layer and Optical Properties of CoatedPaper)”，Wochenblatt f.Papierfabrikation 17，736-741，(1996)教導了當淀積碳酸鈣顏料與片狀高嶺土混合用于涂料組合物時，可獲得更高不透明性的紙張和正協(xié)同效應。
R.Knappich等的文章“用于具有窄粒度分布的天然碳酸鈣顏料的最佳粘結劑體系(Optimized Binder Systems for Natural CalciumCarbonate Pigments with Narrow Particle Size Distribution)”PTS涂料專題討論會(1999)，pp.13E至13E-16，教導了使用具有窄的粒度分布的天然的磨碎的碳酸鈣顏料提供了高亮度、高不透明度及涂覆紙張和紙板的優(yōu)良的遮蓋力。
P.G.Drage等的文章“在無光澤紙的膠印中控制印刷性能的因素(Factors Governing Print Performance in Offset Printing of MattPapers)”1998 TAPPI涂料/造紙會議，pp.413-433，教導了使用GCC集中于粗粒部分的粗糙和超細組分的雙峰混合物生產用于無光澤和低光澤紙張的無光澤顏料。
日本專利申請No.10232253教導了一種用于紙幅旋轉的膠印的多層涂覆紙張，所述紙張具有干強度、白紙張光澤、彩色印刷光澤和耐起泡性。所述多層紙張包括含有中空或半球形聚合物顆粒的涂層。
日本專利申請No.10-340790教導了一種用于膠印的涂覆紙張，所述紙張具有白紙張光澤度，使用顏料組分的底涂層液體(undercoatingliquid)制備所述紙張，顏料組分包括濕的粉末針狀或柱形淀積碳酸鈣，其量為所述顏料組分重量的40-100重量％。
日本專利申請No.11-065703教導了一種用于膠印的涂覆紙張，所述紙張具有由涂層提供的印刷光澤度，所述涂層主要為含有60-90重量％紡錘狀濕磨碎的苛性化淀積碳酸鈣的顏料和作為粘合劑的平均粒度為50nm-80nm且膠含量為30-50重量％的共聚物膠乳。
日本專利申請No.11-008162教導了一種用于凹版印刷、具有極低白紙張光澤度的無光澤-涂覆紙張。使用一種組合物涂覆所述基材紙張的至少一側，所述組合物含有75-85重量％的凝聚紡錘狀的淀積碳酸鈣，其平均粒度為3.0μm-5.0μm，為二次顆粒形狀，還含有15-25重量％的高嶺土，其平均粒度為1.0μm-2.0μm。
日本專利申請No.11-069426教導了一種用于膠印、具有單調紙張光澤和印刷光澤的輕質涂覆紙張。所述紙張具有均延續(xù)有顏料和粘合劑的兩個涂覆層，面涂層含有50-85重量份的碳酸鈣作為顏料，所述碳酸鈣具有不小于0.2μm但小于0.5μm的平均粒度，和8-15重量份的平均粒度為50nm-70nm的作為粘合劑的共聚物膠乳，所述共聚物膠乳具有50-70％的膠含量，上述含量均基于100重量份顏料計。
因此，仍需改善用于制備具有高紙張光澤的紙張的涂料級碳酸鈣顏料。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及紙張涂層顏料，其包括第一種和第二種分散的霰石型淀積碳酸鈣(PCC)顆粒的混合物?；旌项伭系牡谝活w粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，而混合顏料的第二顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。所述顏料優(yōu)選包括第一種0.4μm顆粒與第二種0.5μm顆粒的重量比為約50∶50至約80∶20，最優(yōu)選約60∶40。
本發(fā)明還涉及制備所述涂覆紙張的方法，其包括制備所述混合霰石型淀積碳酸鈣顏料，加入粘土，和在含有粘結劑和其它添加劑的漿液中將所述顏料施涂到紙張基料上。優(yōu)選地，在制備所述漿液之前，所述混合霰石型淀積碳酸鈣以混合物重量的約30重量％至約85重量％存在，余量為約70-15重量％的粘土。
具體實施例方式
除非另有說明，這里所提及的份數或百分數均為重量百分數。
本發(fā)明涉及含有碳酸鈣顆?；旌衔锏募垙埻苛辖M合物、使用所述組合物以改善紙張光澤的方法、和生產具有高紙張光澤的紙張的方法以及由所述方法制備的紙張。所述碳酸鈣優(yōu)選為淀積霰石(即正交晶型)。當用于顏料配方時，本發(fā)明的碳酸鈣顏料混合物改善了紙張光澤，當與普通現有技術涂料級碳酸鹽相比時，所述碳酸鈣顏料混合物在生產包括紙板的高光澤紙張時是特別有利的。
使用混合顏料的涂覆紙張的紙張光澤的改善是未預料到的，并且所述改善歸因于在所述混合顏料中使用粒度分布平均值差值為約0.1μm至約0.2μm的顆粒所引起的協(xié)同作用。另外，本發(fā)明的所述碳酸鈣顏料相對于其它碳酸鈣顏料具有其它明顯的優(yōu)點容易砑光紙張以及使用所述顏料混合物涂覆紙張所形成的紙張光澤和印刷光澤。
優(yōu)選通過氫氧化鈣(石灰乳)利用二氧化碳氣體碳酸化來生產分散的霰石型顆粒，從而合成(即淀積)用于本發(fā)明的混合碳酸鈣顏料混合物的碳酸鈣組分顆粒。在優(yōu)選實施方案中，通過混合平均粒度為0.40μm和0.50μm的組分顆粒來制備本發(fā)明的混合碳酸鈣，所述組分顆?？煞謩e由Minerals Technologies Inc.，紐約以OPACARBA40 PCC和OPACARBA50 PCC商購得到。
更具體地，OPACARBA40 PCC和OPACARBA50 PCC是平均粒度分別為約0.4μm和0.5μm的霰石型淀積碳酸鈣顆粒，其具有在平均值附近±0.02μm的窄的粒度分布。
本發(fā)明的顆粒平均粒度通過使用下述儀器來測量MicromeriticsSedigraph 5100分析器——一種使用Stokes定律來測量粒度分布的儀器(參見化學和物理CRC手冊，第69版1988-1989，第F-105頁)，所述分析器給出在粘稠流體中小球的沉降速率。由此測定基于質量(重量)的粒度分布和平均粒度。
單獨或與任何其它常規(guī)的涂層顏料混合利用本發(fā)明的霰石型PCC顏料，得到改善的涂覆結果。當與粘土混合時，所述顏料的PCC含量可為涂料配方的30重量％至約85重量％，優(yōu)選60重量％。本發(fā)明的顏料混合物在用于高光澤印刷紙張時特別有利，也可以與現有技術中已知的一種或多種常規(guī)粘結劑、增稠劑和/或潤滑劑混合。所述涂料還含有稀釋水，稀釋水的量需使所述涂料的最終固體含量達到約50-70重量％。
現在將通過實施例僅通過參考下面的實施例來描述本發(fā)明的實施方案。下列非限定性實施例僅僅用來描述本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明，本發(fā)明的范圍將由所附權利要求限定。
在每個實驗配方中，使用共計40份的淀積碳酸鈣顏料，并使用傳統(tǒng)的平葉片Cowles型混合器使其與含有72％固體的涂料級粘土混合。下面所有實施例所使用的粘土均是可由Huber公司得到的ALPHAGLOSS粘土。OPACARBA40 PCC、OPACARBA50 PCC和ALBAGLOSS PCC顆粒分別以單獨和組合的方式提供，以評價各種碳酸鈣顆粒的效果。
具體地，提供涂料混合物No.1和No.7以分別評價OPACARBA40 PCC霰石型顆粒和OPACARBA50 PCC霰石型顆粒單獨與ALPHAGLOSS粘土使用時的效果。提供涂料混合物Nos.2-4以評價OPACARBA40 PCC霰石型顆粒與ALBAGLOSS PCC方解石型顆粒按約40∶60至約60∶40的重量比使用時的效果，所述ALBAGLOSS PCC方解石型顆粒通常與粘土基質紙張涂料組合物一起使用。提供涂料混合物Nos.6和5以評價按本發(fā)明的重量比含有OPACARBA40 PCC霰石型顆粒和OPACARBA50 PCC霰石型顆粒的混合霰石型PCC顏料。
所制備的涂料混合物的組成示于下表1中，其中所述碳酸鈣顆粒和粘土的量為重量百分量。
表1

*本發(fā)明的碳酸鈣顏料。
在混合上述涂料配方之后，將粘結劑加到每一配方中并使用傳統(tǒng)的平葉片Cowles型混合器再次混合。每一種碳酸鈣顏料配方含有相同的粘結劑，所述粘結劑含有11份可由Gencorp公司(現為Omnova公司)得到的GENFLO5905苯乙烯/丁二烯膠乳，3份可由Penford淀粉公司得到的羥乙基化淀粉PENFORD280Gum，和1份硬脂酸鈣潤滑劑。將可由Hercules公司得到的標準紙張增稠劑ADMIRAL3089加入到每一涂料試樣中，以達到100轉/分鐘(rpm)的目標Brookfield粘度1200厘泊(cps)。通常當碳酸鹽的量增加時，用于達到目標粘度的增稠劑的量也隨之增加。
將顏料涂料配方為約60％固體，并通過AA-GWR方法(KaltecScientific，USA)確定其測試的固體百分量和持水特性。使用Brookfield型RVT粘度計在10rpm、20rpm、50rpm和100rpm下測量以厘泊計的低剪切粘度。使用來自Kaltec Scientic，USA的Hercules高剪切粘度計測量高剪切粘度。使用下列條件操作Hercules粘度計E擺(bob)，400,000 dyne-cm/cm彈性系數，0-4400rpm，室溫。所測試涂料的配方數據提供于表2中。
表2

*本發(fā)明的霰石型淀積碳酸鈣顏料。
制備后，用圓筒狀實驗室涂布器(CLC-6000)將所述涂料施涂到51.5磅/令(70g/m2)的紙張基料上。涂層目標重量是9磅/3300平方英寸。接著在150°F下、在具有兩組提供800磅/平方英寸(psi)并帶有夾子的輥子的Laboratory超級砑光機上砑光所述涂覆紙張。
所述涂覆紙張的標準測試包括紙張光澤、印刷光澤、亮度和不透明度。表3中給出了所述涂覆紙張的測試數據，其中使用Nancy Plowman測試方法(NPA)測定印刷光澤數值，而使用標準TAPPI測試方法測定所有其它數據，本領域的技術人員很容易想到這些測試方法。
表3

*本發(fā)明的碳酸鈣顏料這些數據表明本發(fā)明的涂層顏料提供了改善的紙張光澤，也表明所述碳酸鈣涂層顏料還能與粘土大量組合使用而不降低印刷光澤性能。當與涂料Nos.6和5的紙張光澤相比較時，當使用本發(fā)明的混合碳酸鈣顏料時有顯著的改善，所述本發(fā)明的混合碳酸鈣顏料含有重量比為約50∶50至約80∶20，且優(yōu)選為60∶40的OPACARBA40 PCC霰石型顆粒和OPACARBA50 PCC霰石型顆粒。
另外，這些顆?；旌衔锾峁└纳屏说募垙埞鉂?，并且沒有降低通常與使用較多碳酸鹽相關的印刷光澤。
具體地，與在涂料No.1中單獨使用OPACARBA40 PCC(73.6％，90.6％Rapida SFO Black)時得到的相應的紙張光澤和印刷光澤相比，以及與在涂料No.7中單獨使用OPACARBA50 PCC(73.3％，92.4％Rapida SFOBlack)時得到的紙張光澤相比，使用按本發(fā)明的重量比的OPACARBA40PCC顆粒和OPACARBA50 PCC顆粒得到的74.6-75.7％的紙張光澤和91.6-91.8％Rapida SFO Black的印刷光澤要更高，且與涂料No.7中單獨使用OPACARBA50 PCC(73.3％，92.4％Rapida SFO Black)時得到的印刷光澤相當。而且，在使用更高比值的OPACARBA40 PCC與OPACARBA50 PCC時發(fā)現了協(xié)同效應，與此相反的是當OPACARBA40 PCC單獨與粘土使用時(涂料No.1)得到低得多的印刷光澤(90.6％RapidaSFO Black)，而當OPACARBA50 PCC單獨與粘土使用時(涂料No.7)得到印刷光澤(92.4％Rapida SFO Black)。
與含有方解石型顆粒的霰石型混合物相比，使用本發(fā)明的霰石型混合顏料改善了紙張光澤。具體地，當按重量比范圍40∶60-60∶40使用OPACARBA40 PCC霰石型顆粒和ALBAGLOSS PCC方解石型顆粒(涂料Nos.2-4)時得到72.1-72.7％的紙張光澤，當按本發(fā)明的重量比使用OPACARBA40 PCC顆粒和OPACARBA50 PCC顆粒(涂料Nos.6和5)時，得到74.6-75.7％的紙張光澤，因而明顯改善。此外，顯著改善混合霰石型顏料紙張光澤的同時，其印刷光澤性能與那些含有霰石型/方解石型顏料混合物的相當。
還發(fā)現本發(fā)明的混合物中使用的顆粒表現出平均值差值為約0.1μm至約0.2μm的粒度分布?？梢灶A見具有類似粒度分布差值的其它混合物在涂覆紙張性能上將表現出類似的協(xié)同效應。而且，預期除了所述霰石型/霰石型混合物外，符合上述粒度分布標準的碳酸鈣形態(tài)的其它類似的混合物(例如方解石型/方解石型)在涂覆紙張性能上也將表現出類似的協(xié)同效應。
盡管已經給出并描述了本發(fā)明的實施方案和應用，本領域的技術人員將會理解在不偏離此處所描述的本發(fā)明的發(fā)明構思的情況下可以進行改進和其它實施方案。因此，所附權利要求將覆蓋屬于本發(fā)明真實精神和范圍的所有這些改進和實施方案。
權利要求
1.一種用于涂料組合物以提供具有高紙張光澤的表面涂層的碳酸鈣產品，所述產品包括第一碳酸鈣顆粒，其具有為第一平均值的第一粒度分布，和第二碳酸鈣顆粒，其具有為第二平均值的第二粒度分布，所述第一和第二平均值差值為約0.1μm至約0.2μm，按約50∶50至約80∶20的重量比分別提供所述第一碳酸鈣顆粒和所述第二碳酸鈣顆粒。
2.權利要求1的碳酸鈣產品，其中所述第一碳酸鈣顆粒與所述第二碳酸鈣顆粒的重量比為約60∶40。
3.權利要求1的碳酸鈣產品，其中所述第一碳酸鈣顆粒與所述第二碳酸鈣顆粒均為霰石型淀積碳酸鈣(PCC)顆粒。
4.權利要求1的碳酸鈣產品，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
5.權利要求2的碳酸鈣產品，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
6.權利要求4的碳酸鈣產品，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
7.一種紙張涂層顏料，包括第一碳酸鈣顆粒，其具有為第一平均值的第一粒度分布，和第二碳酸鈣顆粒，其具有為第二平均值的第二粒度分布，所述第一和第二平均值差值為約0.1μm至約0.2μm，按約50∶50至約80∶20的重量比分別提供所述第一碳酸鈣顏料和所述第二碳酸鈣顏料。
8.權利要求7的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顏料與所述第二碳酸鈣顏料的重量比為約60∶40。
9.權利要求7的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顏料與所述第二碳酸鈣顏料均為霰石型淀積碳酸鈣(PCC)顏料。
10.權利要求7的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
11.權利要求8的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
12.權利要求9的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
13.一種生產具有高紙張光澤的紙張的方法，包括以下步驟a)提供第一碳酸鈣顆粒，其具有為第一平均值的第一粒度分布，和b)提供第二碳酸鈣顆粒，其具有為第二平均值的第二粒度分布，所述第一和第二平均值差值為約0.1μm至約0.2μm，c)將所述第一碳酸鈣顆粒與所述第二碳酸鈣顆粒分別按約50∶50至約80∶20的重量比混合，以形成顏料混合物，d)將所述顏料混合物與至少一種粘結劑混合以形成涂料漿液，e)用所述涂料漿液涂覆紙張以形成涂層，和f)干燥并砑光所述紙張以形成具有高紙張光澤的涂覆紙張。
14.權利要求13的方法，其中所述第一碳酸鈣顆粒與所述第二碳酸鈣顆粒的重量比為約60∶40。
15.權利要求13的方法，其中所述第一碳酸鈣顆粒與所述第二碳酸鈣顆粒均為霰石型淀積碳酸鈣(PCC)顆粒。
16.權利要求13的方法，還包括如下步驟提供粘土，并將所述粘土按約15-70重量％的量與步驟c)中的涂料混合物混合。
17.權利要求13的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
18.權利要求14的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
19.權利要求15的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
20.權利要求16的紙張涂層顏料，其中所述第一碳酸鈣顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述第二碳酸鈣顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。
21.通過權利要求13的方法制備的紙張產品。
22.一種改善紙張產品紙張光澤的方法，包括將權利要求1的組合物引入到用于涂覆基材紙張的漿液中的步驟。
23.一種改善紙張產品紙張光澤的方法，包括將權利要求5的組合物引入到用于涂覆基材紙張的漿液中的步驟。
24.一種改善紙張產品紙張光澤的方法，包括將權利要求9的組合物引入到用于涂覆基材紙張的漿液中的步驟。
全文摘要
提供一種紙張涂層顏料，其包括第一和第二分散的霰石型淀積碳酸鈣(PCC)顆粒。所述混合顏料的第一顆粒具有約0.4μm的平均粒度(APS)，所述混合顏料的第二顆粒具有約0.5μm的平均粒度(APS)。所述混合顏料優(yōu)選包括第一種 0.4μm顆粒與第二種0.5μm顆粒的重量比為約50∶50至約80∶20，最優(yōu)選為60∶40。還提供了一種制備涂覆紙張的方法，其包括制備混合的霰石型PCC顏料，加入粘結劑，在含有粘結劑和/或添加劑的漿液中將顏料施涂到紙張基料上。優(yōu)選地，在制備所述漿液之前，混合的霰石型淀積碳酸鈣顏料以混合物重量的約30至約85重量％存在，余量為約70－15重量％的粘土。
文檔編號D21H19/40GK1582357SQ01823925
公開日2005年2月16日 申請日期2001年12月20日 優(yōu)先權日2001年12月20日
發(fā)明者A·C·迪米克, K·穆勒 申請人:礦業(yè)技術有限公司