ПИГМЕНТНАЯ КОМПОЗИЦИЯ
PIGMENT COMPOSITION

Настоящее изобретение относится к пигментной композиции и способу ее получения, ее применению, способу нанесения покрытия на бумагу или картон и покрытым бумаге или картону.
Разработка принтеров струйной печати вызвала потребность в бумаге, которая пригодна для этой цели. В частности, существует потребность в бумаге, которая отличается простотой производства, но тем не менее обеспечивает высокое качество струйной печати.
Для производства бумаги, пригодной для струйной печати, было представлено применение разнообразных видов покрытий. Примеры таких покрытий раскрыты в публикациях патентных заявок США 2002/0039639, 2002/0164464, 2003/0099816, 2003/0224129, 2004/0255820 и 2005/0106317, в патентах США 4554181, 5551975, 6472013 и 6797347, и в заявках WO 03/011981, WO 01/53107, WO 01/45956, ЕР 947349, ЕР 1120281, ЕР 1106373 и ЕР 1580019. Другие примеры включают патенты США 6416626, 5352503 и 6110601, раскрывающие покровные композиции, включающие оксид кремния, полиэтиленгликоль и органическое связующее средство, такое как крахмал или поливиниловый спирт.
Примеры нового поколения покровных композиций, основанных на оксиде кремния или силикате, представлены в заявках WO 2006/049545, WO 2006/049546 и WO 2006/049547.
Заявка WO 2006/049545 представляет покровную композицию, включающую коллоидальный оксид кремния или алюмосиликат в комбинации с частицами наполнителя.
Заявка WO 2006/049546 раскрывает покровную композицию, включающую оксид кремния или алюмосиликат в комбинации с водорастворимой солью алюминия или катионным полимером.
Заявка WO 2006/049547 представляет покровную композицию, включающую коллоидальный оксид кремния или алюмосиликат в комбинации с водорастворимой солью алюминия или катионным полимером, которая может быть использована без какого-либо органического покровного связующего средства.
Задача изобретения состоит в создании пигментной композиции, пригодной для нанесения покрытия на бумагу или картон для струйной печати, и которая является простой в изготовлении с высоким содержанием сухого вещества.
Еще одна задача изобретения заключается в представлении покровного состава, который отличается простотой нанесения на поверхность бумаги или картона, чтобы сделать их пригодными для струйной печати.
Еще одна дополнительная задача изобретения состоит в представлении бумаги или картона, пригодных для струйной печати, которые являются простыми в изготовлении.
Было обнаружено, что задачи могут быть решены с помощью новой пигментной композиции. Так, один аспект изобретения относится к водной пигментной композиции, предпочтительно в форме водной дисперсии, включающей полиалкиленгликоль и частицы неорганического пигмента, включающего коллоидальные частицы на основе оксида кремния или силиката, или их агрегаты, в которой полиалкиленгликоль составляет от 50 до 100 мас.%, предпочтительно от 60 до 100 мас.% или от 70 до 100 мас.% от общего количества органического материала в композиции, и массовое отношение коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката, или их агрегатов к органическому материалу составляет от 1:3 до 30:1, предпочтительно от 1:1 до 20:1 или от 1,5:1 до 10:1.
Было найдено, что присутствие полиалкиленгликоля позволяет создать высокую концентрацию частиц неорганического пигмента, обеспечивая возможность нанесения больших количеств пигментных частиц на бумагу или картон в одиночной операции нанесения покрытия. Далее, превосходные результаты могут быть получены нанесением на бумагу или картон покрытия из пигментной композиции, не содержащей или включающей лишь малые количества прочих органических материалов, в частности органических покровных связующих средств. Поэтому предпочтительно, что пигментная композиция по существу не содержит или включает, в расчете на общее количество пигментных частиц, менее 20 мас.%, предпочтительно менее 10 мас.%, наиболее предпочтительно менее 3 или менее 1 мас.% органических покровных связующих средств. Примеры таких органических покровных связующих средств включают поливиниловые спирты, необязательно модифицированные крахмалы, камеди, белковые связующие средства (например, казеины и связующие средства на основе белков сои), латексы (например, основанные на бутадиен-стирольном каучуке, акрилатах, винилацетате, сополимерах этилена и винилацетата, стирола и эфиров акриловой кислоты и т.д.) и их смеси.
w
Термин «полиалкиленгликоль», применяемый здесь, имеет отношение к полимерам алкиленоксида, предпочтительно по существу не содержащих других сополимеризованных мономеров. Предпочтительные полиалкиленгликоли по существу не содержат заместителей. Количество полиалкиленгликоля в композиции предпочтительно составляет от приблизительно 1 до приблизительно 50 мас.%, наиболее предпочтительно от приблизительно 3 до приблизительно 25 мас.%. Применимые полиалкиленгликоли включают полиэтиленгликоль (PEG), полипропиленгликоль и их смеси, из которых полиэтиленгликоль наиболее предпочтителен. Средняя молекулярная масса M полиалкиленгликоля предпочтительно составляет от приблизительно 1000 до приблизительно 100000, наиболее предпочтительно от приблизительно 5000 до приблизительно 75000.
Частицы неорганического пигмента включают коллоидальные частицы на основе оксида кремния или силиката, которые предпочтительно являются синтетическими и аморфными. Комбинация сравнительно высоких количеств коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката с полиалкиленгликолем была найдена обеспечивающей превосходные характеристики покрытой бумаги для печати.
2
2
2
2
Частицы пигмента, по меньшей мере из коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката, или их агрегатов, предпочтительно имеют средний диаметр от приблизительно 0,005 до приблизительно 25 мкм, более предпочтительно от приблизительно 0,007 до приблизительно 15 мкм, наиболее предпочтительно от приблизительно 0,01 до приблизительно 10 мкм. Эти частицы предпочтительно имеют площадь поверхности от приблизительно 30 до приблизительно 600 м/г, более предпочтительно от приблизительно 30 до приблизительно 450 м/г, наиболее предпочтительно от приблизительно 40 до приблизительно 400 м/г или от приблизительно 50 до приблизительно 300 м/г. Результирующий поверхностный заряд частиц пигмента в композиции предпочтительно является положительным, в этом случае дисперсию можно рассматривать главным образом как катионную.
Термин «диаметр», применяемый здесь, имеет отношение к эквивалентному сферическому диаметру.
В варианте осуществления коллоидальные частицы включают частицы на основе оксида кремния, предпочтительно в форме водного золя оксида кремния (силиказоля). В еще одном варианте осуществления коллоидальные частицы включают частицы на основе силиката, такого как алюмосиликат или боросиликат, предпочтительно в форме водного золя. Примеры коллоидальных боросиликатных частиц и их получения включают описанные, например, в заявке WO 99/16708. Могут быть также использованы смеси разнообразных типов коллоидальных частиц на основе оксида кремния и на основе силиката, или их агрегатов.
2
2
2
2
Предпочтительно композиции в качестве источника коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката, или их агрегатов включают водный золь коллоидальных, необязательно агрегированных, первичных частиц на основе оксида кремния или силиката. Площадь поверхности первичных частиц предпочтительно составляет от приблизительно 30 до приблизительно 600 м/г, более предпочтительно от приблизительно 30 до приблизительно 450 м/г, наиболее предпочтительно от приблизительно 40 до приблизительно 400 м/г или от приблизительно 50 до приблизительно 300 м/г. Содержание сухого вещества в водном золе первичных частиц предпочтительно составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 70 мас.%, наиболее предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 60 мас.%.
Коллоидальные первичные частицы на основе оксида кремния или силиката предпочтительно сформированы из водного раствора силиката щелочного металла, где ионы щелочного металла удалены с помощью способа ионного обмена или где величина рН раствора силиката щелочного металла была снижена добавлением кислоты. Способ, основанный на ионном обмене, следует базовым принципам, описанным в книге R.K. Iler, “The Chemistry of Silica” («Химия оксида кремния»), 1979, страницы 333-334, и дает в результате водный золь, включающий коллоидальные отрицательно или положительно заряженные частицы из частиц на основе оксида кремния или силиката. Способ, основанный на снижении величины рН силиката щелочного металла, следует базовым принципам, описанным, например, в патентах США 5176891, 5648055, 5853616, 5482693, 6060523 и 6274112.
Золь может включать коллоидальные первичные частицы оксида кремния, которые могут быть или могут не быть модифицированными в сердцевине или на поверхности, например, оксидом металла или другой солью металла, такими как оксид или другая соль алюминия, титана, хрома, циркония, бора или любого другого пригодного металла.
TM
TM

TM
TM
TM
Пригодные водные золи коллоидальных первичных частиц на основе оксида кремния или силиката имеются в продаже на рынке, например, под торговыми наименованиями Ludox, Snowtex, Bindzil, Nyacol, Vinnsil и Fennosil.
В отличие от золя, сформированного диспергированием порошка, например, осажденного оксида кремния, силикагеля или пирогенного оксида кремния, коллоидальные частицы в золе, приготовленном из силиката щелочного металла путем ионного обмена или снижения величины рН, никогда не были высушены до состояния порошка, как это имеет место в случае, например, осажденного оксида кремния или силикагеля.
Было найдено, что золи, приготовленные из силиката щелочного металла путем ионного обмена или снижения величины рН, и в особенности, имеющие сравнительно низкую площадь поверхности, обеспечивают такое хорошее сцепление частиц пигмента с бумагой или картоном, что можно отказаться от применения органических покровных связующих средств.
В случае пигментных частиц в композиции, включающей агрегаты коллоидальных первичных частиц, средний диаметр частиц этих первичных частиц предпочтительно составляет от приблизительно 5 до приблизительно 125 нм, наиболее предпочтительно от приблизительно 7 до приблизительно 100 нм. Коллоидальные первичные частицы предпочтительно присутствуют в форме водного золя, как описано выше.
Агрегирование первичных частиц в золе с образованием дисперсии пористых агрегатов может быть выполнено любым пригодным способом, таким как описанный в книге R.K. Iler, “The Chemistry of Silica” («Химия оксида кремния»), 1979, страницы 364-407. Степень агрегирования может быть определена измерением вязкости и привлечением уравнений Эйнштейна и Муни (например, смотрите книгу R.K. Iler, “The Chemistry of Silica” («Химия оксида кремния»), 1979, страницы 360-364). Агрегирование может быть выполнено как отдельная стадия или в смеси, также включающей другие пигментные частицы.
В одном варианте осуществления анионный золь (включающий отрицательно заряженные коллоидальные первичные частицы) и катионный золь (включающий положительно заряженные коллоидальные первичные частицы) смешивают, в результате чего образуются пористые агрегаты первичных частиц из обоих золей.
В еще одном варианте осуществления соль, предпочтительно выбранную из солей двухвалентных, многовалентных металлов или комплексных солей, добавляют к анионному или катионному золю, также получая в результате образование пористых агрегатов. Примерами солей являются хлорид алюминия, полихлорид алюминия, полисульфат алюмосиликата, сульфат алюминия, карбонаты циркония, ацетаты циркония, бораты щелочных металлов и их смеси.
В еще одном дополнительном варианте осуществления для формирования агрегатов из первичных частиц используют мостиковое соединение. Примерами пригодных мостиковых соединений являются синтетические природные полиэлектролиты, такие как СМС (карбоксиметилцеллюлоза), РАМ (полиакриламиды), polyDADMAC (полимер хлорида диаллилдиметиламмония), полиаллиламины, полиамины, крахмал, гуаровые камеди и их смеси.
Может быть также использована любая комбинация одного, двух или всех трех вышеназванных способов агрегирования.
Каждый пористый агрегат формируется по меньшей мере из трех первичных частиц, который изначально образует по меньшей мере несколько пор. Средний диаметр частиц агрегатов предпочтительно составляет от приблизительно 0,03 до приблизительно 25 мкм, более предпочтительно от приблизительно 0,05 до приблизительно 10 мкм, наиболее предпочтительно от приблизительно 0,1 до приблизительно 5 мкм. Должно быть понятно, что средний диаметр пористых агрегатов всегда является бόльшим, чем средний диаметр первичных частиц, из которых он сформирован. Площадь поверхности агрегатов обычно по существу такая же, как у первичных частиц.
Частицы неорганических пигментов могут дополнительно включать частицы одного или более других неорганических материалов, такие как частицы каолинитов, смектитов, талькитов, минералов карбоната кальция, осажденного карбоната кальция, осажденного оксида кремния, силикагеля, пирогенного оксида кремния и их смеси. Предпочтительно частицы неорганических пигментов включают комбинацию коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката, как описано ранее, и других неорганических частиц, как упомянуто выше. Содержание коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката, предпочтительно в золе, полученном из силиката щелочного металла путем ионного обмена или снижения величины рН, предпочтительно составляет от приблизительно 10 до 100 мас.%, наиболее предпочтительно от приблизительно 30 до 100 мас.% или от приблизительно 50 до 100 мас.% от общего количества частиц сухого пигмента.
TM
Осажденный оксид кремния имеет отношение к оксиду кремния, получаемому, когда практически все частицы оксида кремния в водной среде подвергают коагуляции в виде рыхлых агрегатов, извлекают, промывают и высушивают. Осажденный оксид кремния имеется в продаже на рынке, например, под торговым наименованием Tixosil.
TM
Силикагель имеет отношение к частицам, образованным из кремнеземного геля (обычно описываемого как связная, жесткая трехмерная сетчатая структура из соприкасающихся частиц коллоидального оксида кремния). Силикагель имеется в продаже на рынке, например, под торговым наименованием Sylojet.
TM
TM
Пирогенный оксид кремния имеет отношение к оксиду кремния, полученному методом пламенного гидролиза. Пирогенный оксид кремния имеется в продаже на рынке, например, под торговыми наименованиями Cabosil и Aerosil.
Общее содержание частиц неорганических пигментов в композиции предпочтительно составляет от приблизительно 1 до приблизительно 80 мас.%, наиболее предпочтительно от приблизительно 5 до приблизительно 70 мас.%, в особенности наиболее предпочтительно от приблизительно 10 до приблизительно 60 мас.% или от приблизительно 20 или даже от приблизительно 25 до приблизительно 60 мас.%.
2
3
Пигментная композиция предпочтительно включает водорастворимую соль алюминия, которая предпочтительно присутствует на частицах сухого пигмента в количестве от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 мас.%, наиболее предпочтительно от приблизительно 0,2 до приблизительно 5 мас.%, рассчитанных как содержание в мас.% оксида алюминия (AlO). Может быть применена любая содержащая алюминий соль, и примеры солей включают хлорид алюминия, полихлорид алюминия, полисульфат алюмосиликата, сульфат алюминия и их смеси. Алюминий может присутствовать частично или полностью на поверхности коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката, или, необязательно, других пигментных частиц, или в водной фазе.
Полное содержание водорастворимой соли алюминия может происходить из той, которая присутствует в модифицированном алюминием катионном золе, использованном для получения пигментной композиции. Однако пигментная композиция может также включать дополнительную соль алюминия.
w
Пигментная композиция предпочтительно включает катионный органический полимер, предпочтительно имеющий среднюю молекулярную массу M от приблизительно 2000 до приблизительно 1000000, наиболее предпочтительно от приблизительно 2000 до приблизительно 500000 или от приблизительно 4000 до приблизительно 200000. Плотность распределения заряда предпочтительно составляет от приблизительно 0,2 до приблизительно 12 мэкв/г, наиболее предпочтительно от приблизительно 0,3 до приблизительно 11 мэкв/г или от приблизительно 0,5 до приблизительно 10 мэкв/г. Катионный органический полимер предпочтительно присутствует в пигментной дисперсии в количестве от приблизительно 0,1 до приблизительно 20 мас.%, более предпочтительно от приблизительно 0,3 до приблизительно 15 мас.%, наиболее предпочтительно от приблизительно 0,4 до приблизительно 10 мас.% в расчете на количество частиц сухого пигмента. Примеры пригодных катионных органических полимеров включают синтетические и природные полиэлектролиты, такие как РАМ (полиакриламиды), polyDADMAC (полимер хлорида диаллилдиметиламмония), полиаллиламины, полиамины, полисахариды и их смеси, предпочтительно удовлетворяющие вышеназванным технологическим условиям в отношении молекулярной массы и плотности распределения заряда. Катионный полимер может присутствовать частично или полностью на поверхности коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката и, необязательно, других пигментных частиц, или в водной фазе.
В особенности предпочтительные композиции включают один или оба из водорастворимой соли алюминия, описанной выше, и катионного полимера, описанного выше.
Пигментная композиция может также включать другие добавки, обычно используемые для нанесения покрытия на бумагу, такие как стабилизаторы, модификаторы реологических характеристик, оптические отбеливатели, смазочные средства, реагенты для понижения растворимости, красители, клеящие средства, связующие материалы и т.д., а также разнообразные примеси из сырьевых материалов. Общее количество других добавок и возможных примесей предпочтительно составляет от 0 до приблизительно 50 мас.%, наиболее предпочтительно от 0 до приблизительно 30 мас.% в расчете на содержание сухого вещества. Общее содержание сухого вещества в пигментной композиции предпочтительно составляет от приблизительно 2 до приблизительно 80 мас.%, наиболее предпочтительно от приблизительно 10 до приблизительно 75 мас.% или от приблизительно 20 или даже 30 до приблизительно 75 мас.%.
Пигментная композиция, описанная выше, предпочтительно сохраняется стабильной в течение по меньшей мере одной недели, наиболее предпочтительно по меньшей мере одного месяца. Композиция может быть использована непосредственно для нанесения покрытия на бумагу или картон или в качестве промежуточного продукта для получения покровной композиции с дополнительными компонентами.
2
Было обнаружено, что композиция, включающая частицы пигмента из необязательно агрегированных первичных частиц на основе оксида кремния или силиката с низкой площадью поверхности, предпочтительно менее 450 м/г, и приготовленная из силиката щелочного металла путем ионного обмена или снижения величины рН, как описано ранее,
Изобретение далее относится к способу получения пигментной композиции, описанной выше, включающему смешение полиалкиленгликоля и водной композиции, включающей частицы неорганического пигмента, включающие коллоидальные частицы на основе оксида кремния или силиката, в таких количествах, которые требуются для получения композиции, в которой полиалкиленгликоль составляет от 50 до 100 мас.%, предпочтительно от 60 до 100 мас.% или от 70 до 100 мас.% от общего количества органического материала в композиции, и массовое отношение коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката к органическому материалу в композиции составляет от 1:3 до 30:1, предпочтительно от 1:1 до 20:1 или от 1,5:1 до 10:1. Полиалкиленгликоль предпочтительно присутствует по существу в чистом виде и предпочтительно добавляется к водной дисперсии частиц неорганического пигмента, например, растворением твердого порошка в водной дисперсии, но может быть также заблаговременно разбавлен или растворен, например, в воде.
Композицию, включающую водорастворимую соль алюминия и/или катионный органический полимер, предпочтительно получают смешением этих компонентов с водной дисперсией, например золем, коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката, необязательно также включающей другие пигментные частицы, описываемые здесь, и затем добавлением полиалкиленгликоля. Коллоидальные частицы оксида кремния или силиката, водорастворимую соль алюминия и катионный полимер предпочтительно смешивают таким образом, чтобы избежать существенного гелеобразования или выпадения осадка. Например, соль алюминия и катионный полимер могут быть смешаны с образованием их водного раствора, и затем к этому раствору может быть добавлена водная дисперсия коллоидальных и, необязательно, других пигментных частиц, предпочтительно при перемешивании, для обеспечения того, что в полученной дисперсии все время сохраняется катионный результирующий заряд частиц. Разнообразные пригодные способы смешения коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката и, необязательно, других пигментных частиц с солями алюминия и катионными полимерами также описаны в ранее упомянутых заявках WO 2006/049546 и WO 2006/049547.
В отношении пригодных и предпочтительных количеств и типов компонентов вышеприведенное описание пигментной композиции упоминает следующее.
Аспект изобретения имеет отношение к водной пигментной композиции, получаемой способом, описанным выше.
Изобретение также касается применения пигментной композиции, описанной выше, для нанесения покрытия на бумагу или картон.
Изобретение дополнительно касается способа получения покрытой бумаги или картона, включающего стадию нанесения пигментной композиции, описанной выше, в качестве покрытия по меньшей мере на одну сторону бумажной или картонной ленты.
2
2
2
2
2
Покрытие предпочтительно наносят в количестве, достаточном для достижения поверхностной плотности от приблизительно 0,4 до приблизительно 40 г/м, более предпочтительно от приблизительно 0,5 до приблизительно 40 г/м, наиболее предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 25 г/м частиц неорганического пигмента из пигментной композиции на единицу площади покрытой стороны бумажной или картонной ленты. Во многих случаях количество сухого вещества в покрытии, нанесенном на единицу площади покрытой стороны бумаги или картона, предпочтительно составляет от приблизительно 0,7 до приблизительно 50 г/м, наиболее предпочтительно от приблизительно 1,0 до приблизительно 30 г/м.
Покрытие предпочтительно наносится на непокрытую сторону бумаги или картона, но может быть нанесено поверх ранее нанесенного покровного слоя из той же или другой покровной композиции. Предпочтительно не наносить любое дополнительное покрытие другого типа поверх слоя, сформированного из покрытия, описанного в настоящем документе.
Нанесение покрытия может быть выполнено либо на бумагоделательной или картоноделательной машине, либо вне бумагоделательной или картоноделательной машины. В любом случае может быть применен любой тип способа нанесения покрытия. Примерами способов нанесения покрытия являются нанесение покрытия на установке с ракельным ножом, покрытие воздушным шабером, нанесение покрытия валиком, нанесение покрытия поливом, покрытие методом распыления, покрытие с использованием клеевого пресса (например, покрытие с помощью пленочного пресса) и литьевое покрытие. В случае нанесения покрытия с помощью точно дозирующего пленочного пресса могут быть использованы разнообразные валы и давления прижатия валов, например, от приблизительно 0,5 до приблизительно 8 бар или от приблизительно 1 до приблизительно 5 бар.
После нанесения покрытия на бумагу его высушивают, что в случае машинного нанесения покрытия предпочтительно выполняют в сушильной секции машины. Могут быть использованы любые способы сушки, такие как сушка инфракрасным излучением, горячим воздухом, нагретыми валками или любой их комбинацией. Бумага может быть затем подвергнута любому виду традиционной обработки, такой как каландрование и тому подобное. Для достижения желательной гладкости поверхности может быть применено каландрование с разнообразными давлениями, например, от приблизительно 20 кН/м или ниже вплоть до приблизительно 700 кН/м или выше, или от приблизительно 50 или от приблизительно 100 до приблизительно 600 кН/м.
Термин «нанесение покрытия», применяемый здесь, имеет отношение к любому способу, в котором пигменты наносятся на поверхность бумаги или картона, тем самым включая не только традиционное нанесение покрытия, но также прочие способы, такие как, например, пигментирование.
2
2
Бумага и картон, на которые должно быть нанесено покрытие, могут быть изготовлены из любого сорта целлюлозы, такой как химическая целлюлоза типа сульфатной, сульфитной или целлюлоза из процесса “Organosolve”, механическая пульпа типа термомеханической пульпы (ТМР), химико-термомеханической пульпы (СТМР), рафинерной древесной массы или измельченной древесной пульпы, из древесины как лиственных, так и хвойных пород, отбеленной или неотбеленной пульпы, которая основана на свежих или повторно используемых волокнах, или в любых их комбинациях. В соответствии с изобретением покрытие может быть также нанесено на бумагу или картон из любого другого типа пульпы. Бумага и картон могут быть проклеенными внутри до разнообразных степеней или непроклеенными, и могут содержать общеупотребительные наполнители, такие как разнообразные виды глины, карбонат кальция, тальк и т.д. Удельный вес может находиться в пределах широкого диапазона, например, от приблизительно 40 до приблизительно 800 г/м или выше, или от приблизительно 70 до приблизительно 300 г/м.
В отношении дальнейших подробностей и вариантов осуществления пигментной композиции вышеприведенное описание упоминает следующее.
Наконец, изобретение относится к покрытым бумаге или картону, получаемым вышеописанным способом, и покрытым бумаге или картону, имеющим по меньшей мере на одной стороне покрытие, включающее полиалкиленгликоль и частицы неорганического пигмента, включающие коллоидальные частицы на основе оксида кремния или силиката, или их агрегаты, в котором полиалкиленгликоль составляет от 50 до 100 мас.%, предпочтительно от 60 до 100 мас.% или от 70 до 100 мас.% от общего количества органического материала в покрытии, и массовое отношение коллоидальных частиц на основе оксида кремния или силиката, или их агрегатов к органическому материалу в композиции составляет от 1:3 до 30:1, предпочтительно от 1:1 до 20:1 или от 1,5:1 до 10:1.
2
2
2
2
Такая бумага или картон предпочтительно включает по существу прозрачный или по существу непрозрачный слой, включающий частицы неорганического пигмента из покровной композиции, частицы пигмента, предпочтительно формирующие наноструктуру. Количество сухого вещества в покрытии предпочтительно составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 50 г/м, наиболее предпочтительно от приблизительно 1,0 до приблизительно 30 г/м. Количество частиц неорганического пигмента из вышеописанной пигментной композиции на единицу площади покрытой стороны бумаги или картона предпочтительно составляет от приблизительно 0,7 до приблизительно 40 г/м, наиболее предпочтительно от приблизительно 1 до приблизительно 25 г/м. Предпочтительно поверх этого слоя не было нанесено покрытие никакого иного типа.
Было найдено, что бумага или картон согласно изобретению в особенности пригодны для струйной печати, обеспечивая низкую степень нерезкости и крапчатости линий, и высокую плотность печати для цветных изображений, но могут быть также эффективно использованы для других типов печатных процессов, таких как лазерная печать, флексография, высокая печать, глубокая печать, офсетная печать и трафаретная печать. Шероховатость поверхности, определяемая с помощью прибора Паркера (Parker Print Surf (PPS)), например, может быть от приблизительно 0,5 до приблизительно 10 мкм или от приблизительно 1 до приблизительно 5 мкм. В особенности преимущественным является то, что такие хорошие свойства могут быть достигнуты простым путем при нанесении лишь малых количеств покрытия и без необходимости употребления многообразных различных покровных слоев на бумаге или картоне. Более того, основные компоненты пигментной композиции могут быть приготовлены из легкодоступных сырьевых материалов.
Изобретение теперь будет описано далее в нижеприведенных примерах. Если не оговорено нечто иное, все части и процентные доли имеют отношение к частям и процентным долям по массе. Уровни содержания, выраженные в единицах “pph”, обозначают количество частей на сто частей частиц сухого пигмента.
Пример 1

2
TM
TM
TM
w
: Пигментную дисперсию с содержанием сухого вещества 43,9% готовили из смеси силиказоля Bindzil 80/50 (анионный силиказоль, имеющий площадь поверхности приблизительно 80 м/г) от фирмы Eka Chemicals, и каолиновой покровной глины, SPS от фирмы Imerys Mineral. Сухое массовое соотношение между силиказолем и глиной в дисперсии составляло 75/25. Чтобы придать частицам пигмента катионный характер, вместе с пигментным компаундом смешивали 8,3 pph полихлорида алюминия (Locron L от фирмы Clariant) и 5,0 pph polyDADMAC, средняя молекулярная масса M 4000, (40%-ный раствор полимера Polyquat 40 U 05 NV от фирмы Katpol). Далее полученная дисперсия называется А.
Два покровных состава, основанных на этой пигментной композиции, готовили без добавления любого органического связующего средства типа крахмала, поливинилового спирта или латекса.
В. Пигментную дисперсию А (смотрите выше) разбавляли до содержания сухого вещества 34 мас.%.
w
С. Пигментную дисперсию А разбавляли водой и затем добавляли 31 pph полиэтиленгликоля (PEG) со средней молекулярной массой M 20000 от фирмы Merck, для получения содержания сухого вещества 35 мас.%. Полиэтиленгликоль (PEG) был в форме 100%-ного порошка и был растворен непосредственно в пигментной дисперсии.
2
TM
TM
TM
Два покровных состава наносили на одну сторону бумажной основы с помощью лабораторной установки для непрерывного нанесения покрытия от фирмы DT Paper Science, Финляндия, работающей как дукторный клеевой пресс со скоростью 10 м/мин. Бумажная основа представляла собой слабопроклеенную писчую бумагу шириной 30 см и базовой массой 85 г/м. После пропускания через клеевой пресс бумага поступала в инфракрасную сушилку с последующей воздушной сушилкой. Покрытую бумагу кондиционировали в среде с 50%-ной относительной влажностью при температуре 20°С и определяли массу покрытия. Бумагу разрезали на листы формата А4 и проводили испытательную печать на трех различных струйных принтерах, Epson Stylos C86, HP deskjet 5850 и Canon ip4000.
Результаты печати оценивали с использованием печатной картинки с семью цветными блоками, циан, магента, желтый, зеленый, красный, синий и черный. Напечатанные блоки и непропечатанную бумагу измеряли с использованием спектрофотометра (Color Touch 2 от фирмы Technidyne), и рассчитывали объемы цветовой гаммы. Объем цветовой гаммы аппроксимировали к додекаэдру в цветовом пространстве CEI L*a*b*, и измерения цветов давали углы двенадцатигранника (смотрите издание “Rydefalk Staffan, Wedin Michael; Literature review on the colour Gamut in the Printing Process-Fundamentals, PTF-report no 32, май 1997 года” («Обзор литературы по основам оценки цветовой гаммы в печатных процессах»).
Результаты показаны в таблице ниже, в которой можно видеть, что покровный состав С дал наилучшую совокупную цветовую гамму.
<b>Состав</b>
<b>Масса покрытия, г/м</b><sup>2</sup>
<b>Объем цветовой гаммы, Epson</b>
<b>Объем цветовой гаммы, HP</b>
<b>Объем цветовой гаммы, Canon</b>
Бумажная основа
0
171528
172037
150500
В
5,3
201131
205269
178024
С
5,6
202731
217743
184420
Пример 2
2
: Испытание проводили в полномасштабной бумагоделательной машине Фурдринье, оснащенной дукторным клеевым прессом, машине, обычно производящей печатную бумагу с высокой базовой массой. Во время испытания готовили бумажную основу с базовой массой 200 г/м из 100%-ной небеленой сульфатной крафт-целлюлозы древесины лиственных пород, и осаждали карбонат кальция в качестве наполнителя при скорости работы машины приблизительно 200 м/мин. Поверхность бумажной основы обрабатывали в процессе производства в клеевом прессе с обеих сторон составом, как состав С примера 1, с тем исключением, что содержание сухого вещества составляло 34 мас.%. Бумагу затем пропускали через сушильные валки и в заключение подвергали слабому каландрованию в процессе производства перед намоткой в рулон. При этом никаких проблем с тиражеустойчивостью не возникало.
Полученную бумагу кондиционировали, пропечатывали и оценивали, как описано в примере 1, и результаты показаны в таблице ниже:
<b>Состав</b>
<b>Масса покрытия, г/м</b><sup>2</sup><b>*</b>
<b>Объем цветовой гаммы, Epson*</b>
<b>Объем цветовой гаммы, HP*</b>
<b>Объем цветовой гаммы, Canon*</b>
Бумажная основа
0
177781
173917
154594
С
13
222864
222574
198195
* В среднем для обеих сторон.
Следует отметить, что покровная композиция, содержащая силиказоль и полиэтиленгликоль (PEG), в этом реалистическом полномасштабном испытании давала очень хорошие результаты печати и значительное улучшение качества бумажной основы. Следует также отметить, что покровная композиция давала высокую степень восприятия покрытия в клеевом прессе (высокая масса покрытия), означая, что простое устройство для нанесения покрытия типа дукторного клеевого пресса могло бы быть использовано для получения «похожей на покрытую» бумаги, что обычно возможно только при использовании более сложных аппликаторов, таких как машины с ракельным ножом для нанесения покрытий.
Пример 3
: В этом испытании пять различных покровных составов готовили с целью получения максимального содержания сухого вещества для каждого состава (из соображений тиражеустойчивости, в том смысле, что вязкость состава должна быть между 100-1000 сП, по измерению с использованием вискозиметра Брукфилда (шпиндель № 4 при скорости 50 об/мин)).
D. Состав готовили добавлением 24 г сухого полиэтиленгликоля (PEG) (такого же, как в примере 1) к 176 г пигментной дисперсии А примера 1 при перемешивании магнитной мешалкой, с образованием конечного состава с содержанием сухого вещества 50,6 мас.%, вязкостью 860 сП, и содержащего 34 pph PEG в расчете на частицы сухого пигмента.
TM
E. 8,2 г сухого PEG (такого же, как в примере 1) непосредственно растворяли в 119 г пигментной дисперсии А примера 1 и затем добавляли 82 г 10 мас.% водного раствора поливинилового спирта (PVOH) при перемешивании магнитной мешалкой. Раствор PVOH готовили растворением порошкового PVOH (Ercol 26-88, от фирмы Ercol, тип продукта, обычно употребляемый в качестве связующего средства в производстве бумаги для струйной печати) в горячей воде при температуре 90°С в течение 2 часов. Максимальная концентрация PVOH, которой можно было достигнуть, составляла 10 мас.%. Содержание сухого вещества в конечном составе было равным 32,8 мас.%, вязкость 244 сП, содержание PEG 17 pph и содержание PVOH 17 pph.
F. 164 г 10 мас.% раствора PVOH (такого же, как в пункте Е) медленно добавляли к 119 г пигментной дисперсии А примера 1 при перемешивании магнитной мешалкой. Содержание сухого вещества в конечном составе было равным 24,3 мас.%, вязкость 516 сП, и содержание PVOH 34 pph.
G. 20 мас.% водный раствор типичного крахмала для клеевого пресса готовили варкой крахмальных гранул (С* film 07312 от фирмы Cerestar) в воде. 20 мас.% концентрация была максимальной, какую удалось получить. 119 г пигментной дисперсии А примера 1 смешивали с 82,2 г крахмального раствора, с образованием конечного состава с содержанием сухого вещества 34,1 мас.% и вязкостью более 1000 сП.
TM
H. 60 г сухого порошка силикагеля, Sylojet P612 от фирмы Grace Davison, диспергировали в 150,7 г воды с образованием высоковязкой дисперсии. 20,4 г (34 pph) PEG (такого же, как в примере 1) и 3 г (5 pph) polyDADMAC (такого же, как в примере 1) непосредственно растворили в пигментной дисперсии с образованием конечного состава, имеющего содержание сухого вещества 34,9 мас.% и вязкость более 300 сП.
Пять составов наносили с помощью лабораторной установки для непрерывного нанесения покрытия, как в примере 1 (такая же бумажная основа, аппликатор, скорость и т.д.). Бумаги с поверхностной обработкой кондиционировали, пропечатывали и оценивали, как описано в примере 1. Результаты показаны в таблице ниже:
<b>Состав</b>
<b>Масса покрытия, г/м</b><sup>2</sup>
<b>Объем цветовой гаммы, Epson</b>
<b>Объем цветовой гаммы, HP</b>
<b>Объем цветовой гаммы, Canon</b>
Бумажная основа
0
171528
172037
150500
D
11
227492
235453
212530
Е
5
197735
214238
174423
F
7
202034
203175
166695
G
7
215063
192036
160857
H
Пигменты не имели сцепления с бумажной основой
-
-
-
Очевидно, что состав D, включающий силиказоль и PEG, сделал возможным нанесение больших количеств частиц пигмента в одиночной операции нанесения покрытия, а также дал наивысшую цветовую гамму. Когда PEG был частично (Е) или полностью (F и G) заменен водорастворимыми связующими средствами, PVOH или крахмалом, цветовая гамма значительно сокращается. В испытании Н, где осажденный оксид кремния использовали вместе с PEG, пигмент исключительно плохо связывался с бумагой, показывая, что этот тип пигмента не нуждается в добавлении связующего средства.
Пример 4

2

2
: В этих испытаниях использовали два силиказоля от фирмы Eka Chemicals AB, Bindzil 40/220 (анионный силиказоль с массовой концентрацией сухого вещества 40 мас.% и площадью поверхности 220 м/г) и Bindzil CAT 220 (Bindzil CAT 220 представляет собой катионный кремнеземный золь с массовой концентрацией сухого вещества 35 мас.% и площадью поверхности 220 м/г).
I. 175 г золя Bindzil 40/220 разбавляли 25 г воды для достижения содержания сухого вещества 35 мас.%.
w
J. 175 г золя Bindzil 40/220 разбавляли 54,9 г воды. 16,1 г сухого порошка 100%-ного PEG (M 35000) от фирмы Merck растворяли в силиказоле с образованием состава, имеющего содержание сухого вещества 35 мас.% и содержащего 23 pph PEG.
K. 200 г золя Bindzil САТ 220 разбавляли 10,2 г воды. 14,7 г PEG (как в пункте J) растворяли в золе с образованием состава, имеющего содержание сухого вещества 38 мас.% и содержащего 23 pph PEG.
Эти три состава наносили на бумажную основу и тестировали, как в примере 1. Результаты показаны в таблице ниже:
<b>Состав</b>
<b>Масса покрытия, г/м</b><sup>2</sup>
<b>Объем цветовой гаммы, Epson</b>
<b>Объем цветовой гаммы, HP</b>
<b>Объем цветовой гаммы, Canon</b>
Бумажная основа
0
171528
172037
150500
I
13
120544
184116
156466
J
13
166290
201414
166555
К
11
238878
222453
189849
Оказывается, что комбинация кремнеземного золя и PEG давала лучшие совокупные результаты печати.