DE60314608T2

DE60314608T2 - Zusammensetzung zur oberflächenbehandlung von papier

Info

Publication number: DE60314608T2
Application number: DE60314608T
Authority: DE
Inventors: Geoff Timberscombe MASON; Tomi KIMPIMÄKI; Kenneth Sundberg
Original assignee: Ciba Spezialitaetenchemie Holding AG; BASF SE
Current assignee: BASF Schweiz AG
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: CA2480825A1; ES2289268T3; PT1490549E; EP1490549B1; DE60314608T3; FI20020521A0; ATE365830T1; EP1490549B2; US20050119391A1; EP1490549A1; CA2480825C; WO2003078734A1; US7285182B2; ES2289268T5; AU2003216939A1; DE60314608D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen, die in der Präambel des hiernach präsentierten unabhängigen Anspruches definiert ist, ein Verfahren zur Herstellung der Zusammensetzung, eine durch das Verfahren erhältliche Zusammensetzung, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen, eine Verwendung der Oberflächenbehandlungszusammensetzung und ein oberflächenbehandeltes Papier, Pappe oder dergleichen.
Während des letzten Jahrzehnts ist die Verwendung von Tintenstrahldruckpapier in Verbindung mit dem zunehmenden Einsatz von Computer sowohl privat als auch im Büro gestiegen. Gleichzeitig ist der Bedarf an preisgünstigen Qualitätstintenstrahldruckpapier gewachsen. Computeranwender haben ein Interesse daran, auch anspruchsvollere Dokumente, wie z. B. Fotos, bei denen die Druckeigenschaften des Papiers, wie gute Auflösung und minimales Auslaufen der Tinte, von größter Bedeutung sind, mit normalen Büro- und Heimdruckern zu drucken. Sowohl dies als auch die Entwicklung der Drucktechnologie haben die Druckeigenschaften des Tintenstrahldruckerpapiers forciert.
Auf Grund dieser Marktanforderungen wünschen Papierhersteller eine Verbesserung der Qualität ihres Tintenstrahldruckpapiers. Herkömmliche Tintenstrahldruckpapiere können grob in zwei Hauptgruppen unterteilt werden, nämlich in oberflächengeleimtes Druckpapier und gestrichenes Druckpapier. Der Zweck von sowohl Oberflächenleimen als auch Streichen besteht darin, die Eigenschaften des Papiers, wie z. B. dessen Porosität, Bedruckbarkeit, Glätte und Glanz, zu beeinflussen.
Oberflächengeleimtes Tintenstrahlpapier, wie z. B. normales Büropapier, ist relativ kostengünstig herzustellen, jedoch sind dessen Druckeigenschaften mangelhaft, da die Tinte leicht in das Papier eindringt, was ein Auslaufen und einen Verlust von Tinten-Dichte und -Farbbrillanz verursacht. Die Oberflächenleimung wird üblicherweise in einer Leimungsvorrichtung, die in den Trocknungsabschnitt der Papiermaschine eingefügt ist, online durchgeführt, sie kann aber auch mittels einer separaten Streicheinheit durchgeführt werden, z. B. wenn die Papiermaschine über keine Oberflächenleimungseinheit verfügt.
Oberflächenleimungszusammensetzungen basieren üblicherweise auf Stärke, Carboxymethylcellulose (CMC), Polyvinylalkohol, Glucomannan oder wasserlöslichen Proteinen. Auch Mischungen der oben genannten Substanzen können verwendet werden. Stärke kann native Stärke, degradiert und/oder chemisch modifiziert sein. Glucomannan kann in nativer Form oder chemisch modifiziert sein. Beispiele für Protein, das verwendet werden kann, sind zum Beispiel Gelatine und Kasein, die in nativer Form oder degradiert und/oder chemisch modifiziert sein können.
Herkömmliches gestrichenes Tintenstrahldruckpapier verfügt normalerweise über viel bessere Druckeigenschaften als das oberflächengeleimte Tintenstrahldruckpapier. Streichfarbenzusammensetzungen schließen normalerweise Pigmente, Bindemittel und Additive ein. Das Streichen wird normalerweise mittels einer separaten Streicheinheit durchgeführt, und die Herstellungskosten sind relativ hoch.
Nanoteilchen, wie z. B. kolloidale synthetische Metall-Schichtsilicatteilchen, sind bisher als Pigment in Streichfarben für Tintenstrahldruckpapier verwendet worden. Leider sind Nanoteilchen so klein, dass sie beim Aufbringen auf das Papier in herkömmlichen Streichfarben einfach in das Rohpapier hineinfließen können. Wenn Nanoteilchen in das Rohpapier gelangen und akkumulieren, fungieren sie nicht wie vorgesehen, wodurch ihre Auswirkung auf die Oberflächeneigenschaften des Papiers herabgesetzt wird. Wenn ein beträchtlicher Teil der aufgebrachten Nanoteilchen in das Rohpapier absorbiert wird, ist es ferner notwendig, die Menge der aufgebrachten Nanoteilchen zu erhöhen, um die erwünschten Oberflächeneigenschaften zu erzielen. Dies führt zu einem unannehmbaren Anstieg der Streichkosten. Die Akkumulierung von Nanoteilchen kann ferner einen negativen Einfluss auf die Papiereigenschaften haben, indem zum Beispiel die innere Leimung zerstört wird, was als ein schnelleres Eindringen von Flüssigkeit in das Papier gesehen werden kann.
Das Dokument EP 655 346 offenbart eine Streichzusammensetzung für Papier, wobei die Zusammensetzung kationisches kolloidales Siliciumdioxid, das bevorzugt nicht kugelig ist, und ein Bindemittel, das bevorzugt Polyvinylalkohol ist, enthält. Ultrafeine anorganische Pigmente können zusätzlich zu dem nicht kugeligen kationischen kolloidalen Siliciumdioxid eingeschlossen sein. Zusammen mit den ultrafeinen anorganischen Pigmenten können organische oder anorganische Pigmente verwendet werden. Dieses Dokument offenbart jedoch keinen separaten Trägerstoffanteil.
Das Dokument EP 759 365 präsentiert eine Streichzusammensetzung für Papier, wobei die Zusammensetzung eine Dispersion von kolloidalem Siliciumdioxid und ein wasserlösliches Bindemittel, wie z. B. Polyvinylalkohol, enthält. Kolloidales Siliciumdioxid mit einem Teilchendurchmesser von 10 nm bis 300 nm kann verwendet werden. Ferner können andere Pigmente und eine kleine Menge an hochmolekularem Latex zugegeben werden. Dieses Dokument offenbart jedoch ebenfalls keinen separaten Trägerstoffanteil.
Das Dokument JP 03199491 offenbart die Herstellung von Druckpapier, wobei ein Rohpapier aus einer Suspension hergestellt wird, die Zellstoffasern und einen Füllstoff einschließt. Das Rohpapier wird mit einer Zusammensetzung gestrichen, die Pigmente und Bindemittel einschließt. Kolloidales Siliciumdioxid mit vorzugsweise einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1–20 nm wird der Zusammensetzung in einer Menge zugegeben, die maximal 20 Gewichtsteile auf 100 Teile Pigment beträgt.
Das Dokument EP 524 635 offenbart ein Tintenstrahlaufzeichnungsblatt, wobei die erste Seite des Blattes mit einem Rückseitenstrich, der ein flaches Pigment und ein Bindemittel enthält, beschichtet wird. Die zweite Seite des Blattes mit einer Tintenaufnahmeschicht enthält Stärketeilchen und Bindemittel. Die Größe der verwendeten Pigmentteilchen als auch der Stärketeilchen liegt im Mikrometerbereich. Die flachen Pigmentteilchen und Stärketeilchen werden auf verschiedenen Seiten des Trägerblattes aufgebracht.
Das Dokument JP 60219084 offenbart ein Tintenstrahlaufzeichnungsmaterial, das mindestens eine Schicht einschließt, die kationisches kolloidales Siliciumdioxid und einen Füllstoff einschließt. Das kolloidale Siliciumdioxid wird durch Verwendung eines Ionenaustauscherharzes in den kationischen Typus umgewandelt.
Das Dokument JP 11302998 offenbart das Streichen von Papier mit einer Zusammensetzung, die ausgefälltes Calciumcarbonat und delaminierten Kaolin in vorbestimmten Mengen einschließt.
Das Dokument JP 63028689 offenbart eine Streichschicht, die ein Pigment einschließt, das Siliciumdioxid-Feinstoffe, Bindemittel und kationisches Polymer enthält. Diese Streichschicht ist auf einem polyolefinischen synthetischen Rohpapierblatt mit einer Mehrschichtstruktur angeordnet, die anorganisches Feinpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von maximal 20 μm enthält.
In dieser Anmeldung schließt die Oberflächenbehandlung sowohl das Streichen als auch die Oberflächenleimung von Papier, Pappe oder dergleichen ein. Unter Zusammensetzung zur Oberflächenleimung wird eine Oberflächenbehandlungszusammensetzung verstanden, in der der Trockensubstanzgehalt unter 40 %, die Menge an wasserlöslichem Bindemittel über 50 % der Trockensubstanz liegt, die Viskosität der Zusammensetzung relativ gering ist und sie in einer als trocken berechneten Menge pro Seite verwendet wird, die weniger als 5 g/m² beträgt. Typischerweise liegt der Trockensubstanzgehalt einer Zusammensetzung zur Oberflächenleimung unter 25 %, die Menge an wasserlöslichem Bindemittel liegt über 70 % oder sogar über 80 %, und sie wird in einer Menge von unter 2,5 g/m² verwendet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Oberflächenbehandlungszusammensetzung von Papier, Pappe oder dergleichen bereitzustellen, mittels der die oben erwähnten Probleme minimiert oder behoben werden können.
Somit besteht die Aufgabe darin, eine Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen bereitzustellen, mittels der die Druckeigenschaften, insbesondere die Tintenstrahldruckeigenschaften, verbessert werden können. Eine Aufgabe besteht ferner darin, eine Oberflächenbehandlungszusammensetzung bereitzustellen, die zur Behandlung von Spezialpapier, wie z. B. Trennpapier und Briefumschlagpapier, geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zusammensetzung zur Oberflächenleimung von Papier, Pappe oder dergleichen bereitzustellen, mit der insbesondere die Tintenstrahldruckeigenschaften verbessert werden können.
Um die oben erwähnten Aufgaben zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, was in den kennzeichnenden Teilen der hiernach präsentierten unabhängigen Ansprüche definiert ist.
Eine typische erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen umfasst, wie in Anspruch 1 definiert,

– einen Nanoteilchenanteil, und
– einen Trägerstoffanteil, der
– plättchenartige Pigmentteilchen, und
– mindestens ein Bindemittel einschließt.

Wie oben angegeben wurde, schließt der Begriff Oberflächenbehandlung die Oberflächenleimung ein. Erfindungsgemäß schließt eine typische Zusammensetzung zur Oberflächenleimung von Papier, Pappe oder dergleichen in der Tat einen Oberflächenleimanteil ein, der einen wasserlöslichen Hauptbestandteil, wie z. B. Stärke, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, Glucomannan, Protein oder eine Mischung davon, und zusätzlich, wie in Anspruch 1 definiert,

– einen Nanoteilchenanteil, und
– einen Trägerstoffanteil einschließt, der
– plättchenartige Pigmentteilchen, und
– mindestens ein Bindemittel einschließt.

Nun wurde überraschenderweise herausgefunden, dass Tintenstrahldruckpapier mit guten Druckeigenschaften erhalten werden kann, wenn das Papier oberflächenbehandelt, z. B. mit einer Zusammensetzung oberflächengeleimt wird, die Nanoteilchen und einen Trägerstoffanteil einschließt. Der Trägerstoffanteil hilft, die Nanoteilchen auf der Oberflächenschicht des oberflächenbehandelten Papiers festzuhalten und die Absorption und Akkumulation der Nanoteilchen in das Rohpapier zu hemmen. Da die Nanoteilchen in der Oberflächenschicht, die während der Oberflächenbehandlung des Papiers gebildet wird, eingeschlossen werden, können sie dem behandelten Papier gute Oberflächeneigenschaften vermitteln. Dies ermöglicht die Herstellung von Tintenstrahldruckpapier, das über ausgezeichnete Druckeigenschaften verfugt, zu recht geringen Kosten.
Da die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung mittels einer herkömmlichen Oberflächenleimungseinheit durchgeführt werden kann, sind keine kostspieligen Investitionen für separate Streicheinheiten erforderlich. Papierfabriken, die heute oberflächengeleimtes Tintenstrahlpapier herstellen, können zur erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung von Papier ihre bestehende Ausstattung zur Oberflächenleimung einsetzen. Die vorliegende Erfindung kann somit die Herstellung von Tintenstrahldruckpapier hoher Qualität mit geringen Investitionskosten ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung kann zur Oberflächenbehandlung eingesetzt werden, z. B. Oberflächenleimung von Papier, Pappe oder anderen entsprechenden bahnähnlichen, aus Zellstoff hergestellten Materialien. In der Beschreibung wurde das Wort "Papier" aus Gründen der Leserlichkeit verwendet, es sollte jedoch so verstanden werden, dass es ferner Pappe und/oder andere entsprechende bahnähnliche, aus Zellstoff hergestellte Materialien abdeckt.
Der Begriff "Nanoteilchen" schließt bei Verwendung im Kontext der vorliegenden Erfindung sämtliche Arten von Pigment- und/oder mineralischen Teilchen mit einer Größe ein, die sich von 5 bis 500 nm erstreckt. Die Teilchengröße bezeichnet hier die größte Abmessung des Teilchens. Die Nanoteilchengröße beträgt bevorzugt 10 bis 100 nm, stärker bevorzugt 15 bis 50 nm. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung variiert die Nanoteilchengröße von 10 bis 200 nm, vorzugsweise von 15 bis 75 nm. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die verwendeten Nanoteilchen synthetische Siliciumdioxidteilchen, wie z. B. kolloidale synthetische Schichtsilicate, oder Nanoteilchen aus ausgefälltem Calciumcarbonat (PCC) oder andere entsprechende Nanoteilchen.
Die Nanoteilchen werden vorzugsweise als eine wässrige Aufschlämmung verwendet. Die Nanoteilchen können in Form von Teilchenclustern vorliegen, wobei die Clusterabmessungen typischerweise im Mikrometerbereich liegen. Diese Cluster zerfallen zu Nanoteilchen, wenn das Produkt mit Wasser vermischt wird. Der Trockensubstanzgehalt der Suspension liegt typischerweise im Bereich von 10–20 %. Die Aufschlämmung kann ferner Additive, wie z. B. Dispergiermittel und/oder pH-Kontrollmittel, umfassen.
Das als Trockensubstanz berechnete Verhältnis des Nanoteilchenanteils zu dem Trägerstoffanteil in der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungszusammensetzung beträgt 20/80–80/20, typischerweise 20/80–60/40.
Da die Nanoteilchen klein sind, kann eine große Anzahl von ihnen in einer dünnen Schicht existieren. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Nanoteilchen in der Oberflächenschicht des oberflächenbehandelten Papiers festzuhalten. Deshalb kann die Anzahl von Nanoteilchen in der Oberflächenschicht groß werden, auch wenn die Schicht der Oberflächenbehandlungszusammensetzung selbst auf der Papieroberfläche dünn ist. Dies kann das Leimen oder Streichen von dünneren Oberflächenschichten ermöglichen, d.h. die Verwendung einer kleineren Menge der Oberflächenbehandlungszusammensetzung pro Quadratmeter des Papiers. Dennoch können für oberflächenbehandeltes Papier aufgrund der dicht gepackten Nanoteilchen gute Oberflächeneigenschaften erhalten werden.
Die plättchenartigen oder schieferähnlichen Pigmentteilchen in dem erfindungsgemäßen Trägerstoffanteil können mineralische Teilchen, wie z. B. Silicatteilchen, Glimmerteilchen, Kaolinteilchen, Bentonitteilchen, Aluminiumtrihydratteilchen, Phyllosilicatteilchen, wie z. B. Talkumteilchen, oder organische Pigmentteilchen sein, wie z. B. Kunststoffpigmentteilchen. Bevorzugt sind die plättchenartigen Pigmentteilchen Kaolinteilchen oder Phyllosilicatteilchen, wie z. B. Talkum. Die Größe der Pigmentteilchen in dem Trägmittelanteil variiert gewöhnlich zwischen 1–100 μm, wobei sie typischerweise unter 50 μm, typischerweise über 1 μm liegt. Häufig variiert die Größe der Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil zwischen 1–10 μm.
Die plättchenartigen Pigmentteilchen können die Nanoteilchen auf der Oberflächenschicht des Papiers, das oberflächenbehandelt wird, entweder über mechanische Wechselwirkungen oder über physikalische Wechselwirkungen oder über beides festhalten. Die Größe der plättchenartigen Teilchen kann groß genug sein, um die Zwischenfaserräume in dem Papier zu blockieren, d.h. sie können die Papierporosität und somit die Absorption von Nanoteilchen in dem Rohpapier verringern. Die plättchenartigen Pigmentteilchen können Nanoteilchen ferner über andere Wechselwirkungen, wie z. B. physikalische und/oder chemische Wechselwirkungen, zum Beispiel über elektrische Kräfte festhalten.
Da die plättchenartigen Pigmentteilchen die Nanoteilchen in der Oberflächenschicht festhalten können, kann die vorliegende Erfindung ferner die Gesamtmenge von Nanoteilchen, die auf das Papier aufgebracht werden, verringern. Mit der vorliegenden Erfindung können erwünschte Oberflächeneigenschaften durch die Verwendung einer kleineren Gesamtmenge an Nanoteilchen erhalten werden, da sie in der Oberflächenschicht verbleiben und in dem Rohpapier nicht übermäßig absorbiert werden.
Das Verhältnis der plättchenartigen Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil der Oberflächenbehandlungszusammensetzung beträgt zwischen 20 und 80 % des Feststoffgehalts, typischer zwischen 35 und 75 %, besonders typisch zwischen 40 und 70 %.
Der Trägerstoffanteil schließt ferner mindestens ein Bindemittel, wie z. B. Polymerlatex, und/oder ein anderes entsprechendes Bindemittel ein. Vorzugsweise ist das Bindemittel Polymerlatex, wie z. B. Styrolbutadien-, Acrylat, Styrolacrylat oder Polyvinylacetatlatex und Mischungen davon. Das Bindemittel kann ferner ein wasserlösliches Bindemittel, und zwar entweder ein Derivat von natürlichen Polymeren, wie z. B. Stärke, Protein, Carboxymethylcellulose oder ein anderes Cellulosederivat, oder ein vollsynthetisches Polymer, wie z. B. Polyvinylalkohol, oder eine Mischung von verschiedenen wasserlöslichen Bindemitteln sein. Das Verhältnis des Bindemittels liegt vorzugsweise zwischen 5–75 % des Feststoffgehalts, stärker bevorzugt zwischen 15–45 %, am stärksten bevorzugt zwischen 20–40 %. Die Menge des Bindemittels liegt üblicherweise unter 60 %.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Oberflächenbehandlungszusammensetzung ferner einen wasserlöslichen Bestandteil einschließen, wie z. B. Stärke, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose (CMC), Glucomannan, Protein oder ihre Mischung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier zusätzlich zu den Nanoteilchen und dem Trägerstoffanteil ferner einen oder mehrere zusätzliche Bestandteile, wie z. B. hydrophobe Mittel, Antischaummittel oder Entschäumer, und/oder Salze, Detergentien, Rheologiemodifizierer, Weichmacher, Schmierstoffe, optische Aufheller, Farbmittel und/oder Vernetzungsmittel einschließen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schließt der Nanoteilchenanteil der Oberflächenbehandlungszusammensetzung synthetische Siliciumdioxid-Nanoteilchen oder ausgefällte Calciumcarbonat-Nanoteilchen ein, und der Trägerstoffanteil schließt Talkum und/oder Kaolin als Pigmentteilchen und Styrolbutadienlatex als ein Bindemittel ein.
Die Oberflächenbehandlungszusammensetzung schließt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen an sich bekannten Oberflächenleimanteil und einen Nanoteilchenanteil und einen Trägerstoffanteil zum Festhalten der Nanoteilchen in der Oberflächenschicht ein. Der Trägerstoffanteil schließt plättchenartige oder flache Pigmentteilchen und ein Bindemittel ein. In dieser Oberflächenbehandlungszusammensetzung beträgt das als Trockensubstanz berechnete Verhältnis des Oberflächenleimanteils zu der Summe des Nanoteilchen- und Trägerstoffanteils 20/80–80/20, typischerweise 20/80–50/50.
Die Oberflächenbehandlungszusammensetzung kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einfach durch Vermischen des Nanoteilchen- und Trägerstoffanteils miteinander hergestellt werden, so dass sie eine relativ homogene Mischung bilden. Diese Mischung wird anschließend einem an sich bekannten Oberflächenleimanteil zugegeben, um eine Zusammensetzung zur Oberflächenleimung zu bilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können der Nanoteilchen- und Trägerstoffanteil unabhängig mit dem Oberflächenleimanteil vermischt werden. In diesem Fall ist es nicht notwendig, zuerst den Nanoteilchenanteil mit dem Trägerstoffanteil vor der Zugabe zu dem Oberflächenleimanteil zu vermischen. Der flache Pigmentteilchen umfassende Trägerstoffanteil kann zuerst mit dem Oberflächenleimanteil vermischt werden, und anschließend kann der Nanoteilchenanteil dieser Mischung, die den Oberflächenleimanteil und den Trägerstoffanteil enthält, zugesetzt werden. Der Trägerstoff- und Nanoteilchenanteil kann dem Oberflächenleimanteil ferner abwechselnd, oder separat und unabhängig zur gleichen Zeit zugesetzt werden.
Erfindungsgemäß schließt ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung typischerweise die folgenden Schritte, wie in Anspruch 19 definiert, ein:

– der Trägerstoffanteil wird durch Vermischen der plättchenartigen Pigmentteilchen und mindestens eines Bindemittels hergestellt,
– der Trägerstoffanteil wird mit dem Nanoteilchenanteil vermischt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung zur Oberflächenleimung ist typischerweise dadurch gekennzeichnet, dass

der Trägerstoffanteil durch Vermischen der plättchenartigen Pigmentteilchen und mindestens eines Bindemittels hergestellt wird, der Trägerstoffanteil, der Nanoteilchenanteil und der Oberflächenleimanteil miteinander vermischt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Nanoteilchenanteil mit einem Lösungsmittel vor dem Vermischen mit dem mindestens einen anderen Anteil vermischt, um eine Aufschlämmung zu bilden. Das Lösungsmittel ist bevorzugt Wasser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden der Nanoteilchenanteil und der Trägerstoffanteil vor der Zugabe zu dem Oberflächenleimanteil miteinander vermischt. Außerdem können der Nanoteilchenanteil und der Trägerstoffanteil unabhängig mit dem Oberflächenleimanteil vermischt werden. Solange der Trägerstoffanteil separat hergestellt wird, können die Anteile in der Tat in einer beliebigen Reihenfolge einander zugegeben werden, und zwar gleichzeitig oder nicht gleichzeitig, wie es für einen Fachmann ersichtlich ist.
Da die Bestandteile des Trägerstoffanteils derart miteinander vermischt werden, dass der Feststoffgehalt der Mischung hoch ist, wird angenommen, dass eine gute Dispersion unschwer erhalten wird. Wenn der Feststoffgehalt gering ist, kann eine derartige gute Dispersion nur durch Vermischen für eine beträchtlich längere Dauer oder durch Verwendung einer größeren Mischkraft erreicht werden. Wenn der Feststoffgehalt hoch ist, Wechselwirken die Bestandteile in der Tat physikalisch stärker miteinander als wenn der Feststoffgehalt gering ist.
Erfindungsgemäß wird bei einem typischen Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen das Papier behandelt, indem auf die Papieroberfläche eine Zusammensetzung aufgebracht wird, die einen Nanoteilchenanteil und einen Trägerstoffanteil einschließt, der plättchenartige Pigmentteilchen und mindestens ein Bindemittel nach Anspruch 25 einschließt. Der Trägerstoffanteil hilft dabei, die Nanoteilchen in der Oberflächenschicht des oberflächenbehandelten Papiers festzuhalten.
Die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung des Papiers wird vorzugsweise mittels einer herkömmlichen Oberflächenleimungseinheit durchgeführt, wie z. B. eine Leimpresse, Filmpresse oder dergleichen. Falls Streicheinheiten verfügbar sind, kann die Oberflächenbehandlung in ihnen durchgeführt werden. Streicheinheiten können entweder separat oder in der Papiermaschine integriert sein, d.h. online Streicheinheiten sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberflächenbehandlungszusammensetzung auf die Papierbahn aufgebracht, wenn die Trockensubstanz der Bahn ≥ 75 %, vorzugsweise ≥ 85 %, besonders bevorzugt ≥ 90 % ist.
Wie oben angegeben wurde, schließt die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen das Oberflächenleimen, Streichen und andere ähnliche Oberflächenbehandlungen von Papier ein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberflächenbehandlungszusammensetzung zur Oberflächenleimung von Papier eingesetzt. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen können ferner für eine andere Oberflächenbehandlung, zum Beispiel zum Streichen von Papier, eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Obermichenbehandlungszusammensetzung kann ferner bei der Herstellung von anderen Druckpapieren als Tintenstrahlpapier und ferner für Spezialpapiere, wie z. B. Trennpapier und Briefumschlagpapier, verwendet werden, wobei die Porosität der Papieroberfläche herabgesetzt wird.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier mittels bereits vorhandener Maschinen zur Oberflächenbehandlung von Papier aufgebracht werden. Die als trocken berechnete, pro Seite aufgebrachte Menge beträgt typischerweise 0,5–15 g/m² der Oberflächenbehandlungszusammensetzung. Die Menge kann zum Beispiel aus den Bereichen 0,5–5 g/m², 1,5–10 g/m², 5–15 g/m², 10–15 g/m² oder 7–12 g/m² ausgewählt werden. Für eine Oberflächenleimungszusammensetzung wird pro Seite eine als trocken berechnete Menge verwendet, die typischerweise weniger als 5 g/m², typischer weniger als 3 g/m² beträgt. Ferner können, falls erforderlich, größere oder kleinere Mengen aufgebracht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stimmen die Druckeigenschaften des oberflächenbehandelten, z. B. oberflächengeleimten, Papiers mit den Druckeigenschaften von mattgestrichenem Tintenstrahldruckpapier gut überein. Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung bei der Papierstreichung kann ferner die Eigenschaften von gestrichenem Paper im Vergleich zu Papieren verbessern, die mit herkömmlichen Streichfarben gestrichen wurden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberflächenbehandlungszusammensetzung auf die Oberfläche von Druckpapier oder Trennpapier aufgebracht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung einer glatten Papieroberfläche und verbessert die Druckeigenschaften von Büropapier. Bei Trennpapier können die glatte Oberfläche und niedrige Porosität dabei helfen, die beim Silikonisieren verwendete Silikonmenge zu minimieren.
Die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungszusammensetzung kann ferner zur Oberflächenbehandlung von anderem Tintenstrahlaufzeichnungsmaterial, wie z. B. Kunststofffolien, verwendet werden. Sie kann ferner zur Oberflächenbehandlung von anderen papierähnlichen Materialien oder Pappe verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter erläutert. Die Materialien sind, falls nicht anders vermerkt, als Feststoffgehaltsmengen angegeben. Die verwendeten Verhältnisse sind ebenfalls Feststoffgehaltsmengen.
Beispiel 1
Ein Trägerstoffanteil wurde durch Vermischen von 64,4 % Talkumgranulat, 34,8 % Styrolbutadienlatex, 0,5 % Antischaummittel und 0,3 % Dispergiermittel und Wasser in einem Mischer hergestellt. Nach dem Vermischen wurde der Feststoffgehalt des Trägerstoffanteils mit Wasser auf 45 % eingestellt.
Der Trägerstoffanteil wurde anschließend mit einem Nanoteilchenanteil (in Form einer Aufschlämmung, Feststoffgehalt 15 %) im Verhältnis 50/50 in einem Mischer weiter vermischt, um eine Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier zu erhalten.
Als Nanoteilchen wurden synthetische Silicatteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 25 nm verwendet. Der Feststoffgehalt wurde mit Wasser auf 20 % eingestellt.
Die erhaltene Oberflächenbehandlungszusammensetzung wurde dann einer Stärkelösung (Feststoffgehalt 15 %) zugesetzt. Das Verhältnis der Stärkelösung zu der Oberflächenbehandlungszusammensetzung betrug 50/50. Diese Mischung wurde anschließend in einer Streicheinheit auf eine Papieroberfläche in einer Menge von 6 g/m² aufgebracht.
Beispiel 2
Ein Trägerstoffanteil wurde durch Vermischen von 67,5 % Talkumsuspension (Feststoffgehalt 60 %), 30 % Styrolacrylatlatex, 2 % Weichmacher, 0,4 % Antischaummittel und 0,1 % Dispergiermittel in einem Mischer hergestellt. Nach dem Vermischen wurde der trockene Feststoffgehalt des Trägerstoffanteils mit Wasser auf 55 % eingestellt.
Der Trägerstoffanteil wurde anschließend mit einem Nanoteilchenanteil (in Form einer Suspension, Feststoffgehalt 10 %) im Verhältnis 70/30 in einem Mischer weiter vermischt, um eine Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier zu erhalten. Als Nanoteilchen wurden synthetische Silicatteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 25 nm verwendet. Der Feststoffgehalt wurde mit Wasser auf 20 % eingestellt.
Die erhaltene Oberflächenbehandlungszusammensetzung wurde dann einer Lösung von Polyvinylalkohol (PVA) (Feststoffgehalt 20 %) zugesetzt. Das Verhältnis der PVA-Lösung zu der Oberflächenbehandlungszusammensetzung betrug 80/20. Anschließend wurde diese Mischung in einer Menge von 2,5 g/m² unter Verwendung einer Filmtransfereinheit auf eine Papieroberflächeaufgebracht.
Beispiel 3
Ein Trägerstoffanteil wurde durch Vermischen von 65 % Polyvinylalkohol, 20 % Kaolin, 10 % CMC und 5 % Härtungsmittel in einem Mischer hergestellt. Nach dem Vermischen wurde der trockene Feststoffgehalt des Trägerstoffanteils auf 15 % eingestellt.
Anschließend wurde der Trägerstoffanteil mit einem Nanoteilchenanteil (in Form einer Aufschlämmung, Feststoffgehalt 18 %) im Verhältnis 93/7 in einem Mischer weiter vermischt, um eine Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier zu erhalten. Als Nanoteilchen wurden synthetische Silicatteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 25 nm verwendet. Der Feststoffgehalt wurde mit Wasser auf 15 % eingestellt.
Die erhaltene Oberflächenbehandlungszusammensetzung wurde dann direkt auf eine Papieroberfläche in einer Menge von 2 g/m² in einer Leimpresseeinheit aufgebracht.
Vergleichsbeispiel 1
Die Bestandteile des Trägerstoffanteils aus Beispiel 1 wurden nacheinander zu dem Nanoteilchenanteil gegeben, d.h. ein Trägerstoffanteil wurde nicht separat hergestellt. Die erhaltene Zusammensetzung wurde wie in Beispiel 1 verwendet.
Vergleichsbeispiel 2
Die Bestandteile des Trägerstoffanteils aus Beispiel 2 wurden nacheinander zu dem Nanoteilchenanteil gegeben, d.h. ein Trägerstoffanteil wurde nicht separat hergestellt. Die erhaltene Zusammensetzung wurde wie in Beispiel 2 verwendet.
Vergleichsbeispiel 3
Die Bestandteile des Trägerstoffanteils aus Beispiel 3 wurden nacheinander zu dem Nanoteilchenanteil gegeben, d.h. ein Trägerstoffanteil wurde nicht separat hergestellt. Die erhaltene Zusammensetzung wurde wie in Beispiel 3 verwendet.
Außerdem wurden die Beispiele 1 und 2 wiederholt, jedoch wurden der Trägerstoffanteil und die Trägerstoffbestandteile überhaupt nicht verwendet. Diese sind nachstehend in der Tabelle 1 als Beispiele ohne Trägerstoff bezeichnet.
Papiere, die gemäß der Beispiele 1–3 und der Vergleichsbeispiele 1–3 oberflächenbehandelt wurden, wurden sowohl über visuelle Bewertung als auch über die Verwendung der Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie (TOF-SIMS) bewertet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben, in der die Zahlen die Anzahl von Zählungen der nanoteilchenspezifischen Ionen angeben.
Tabelle 1

1 2 3

Beispiel 4319 2497 873

Vergleichsbeispiel 1714 1099 780

Beispiel ohne Trägerstoff 103 27
Bei der visuellen Bewertung wurde festgestellt, dass die Tintenstrahldruckeigenschaften der Papiere, die mit den Zusammensetzungen zur Oberflächenbehandlung gemäß der Beispiele 1–3 oberflächenbehandelt wurden, viel besser waren als die Druckeigenschaften von herkömmlichen Bürotintenstrahlpapieren. Die Druckqualität war sogar viel höher, und die Farben waren leuchtender.
Durch die Verwendung von TOF-SIMS wurden bestimmte chemische Elemente, die aus Nanoteilchen stammen, auf der Papieroberfläche nachgewiesen. Es wurde festgestellt, dass in Papieren, die gemäß der Beispiele 1–3 oberflächenbehandelt wurden, die Menge dieser Elemente signifikant höher war als in Papieren, die mit Nanoteilchen ohne Trägerstoffanteil gestrichen wurden, wobei der Trägerstoffanteil, wie bei der vorliegenden Erfindung definiert, d.h. separat, hergestellt wurde. Dies deutet an, dass der Trägerstoffanteil in der erfindungsgemäßen Oberflachenzusammensetzung die Nanoteilchen in der Oberflächenschicht des Papiers wirksam festhält.
Durch die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zur Oberflächenbehandlung und zur Oberflächenleimung von Papier lässt sich deshalb Tintenstrahldruckpapier mit ausgezeichneten Tintenstrahldruckeigenschaften herstellen. Diese überragenden Druckeigenschaften können zu relativ niedrigen Kosten erzielt werden, wenn die Oberflächenbehandlungszusammensetzung auf herkömmliche Oberflächenleimungseinheiten angewandt werden kann.
Bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung zum Streichen von Papier wird die Menge der pro Flächeneinheit an Papier benötigten Streichfarbe verringert, da die Nanoteilchen in der Oberflächenschicht festgehalten und von dem Rohpapier nicht absorbiert werden. Das hilft dabei, die Streichkosten zu verringern, da eine kleinere Menge der Streichfarbe benötigt wird, um dennoch gute Oberflächeneigenschaften zu erzielen.
Mit Ausnahme der Stellen, an denen es der Kontext anders erfordert, bedeuten bei dieser Spezifikation die Worte "umfassen", " " und "umfassend" jeweils "einschließen", "schließt ein" und "einschließend". Das bedeutet, dass bei einer Beschreibung oder Definition der Erfindung, die spezifizierte Merkmale umfasst, verschiedene Ausführungsformen derselben Erfindung ferner zusätzliche Merkmale einschließen können.
Es wird verstanden, dass die Essenz der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht ist, in Form einer Vielfalt von Ausführungsformen verkörpert werden kann, von denen nur einige wenige hierin offenbart sind. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass weitere Ausführungsformen existieren und von der Erfindung, wie sie beansprucht ist, nicht abweichen. Somit sind die beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft und sollten nicht als einschränkend ausgelegt werden.

Claims

Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung folgendes einschließt: – einen Nanoteilchenanteil, der Teilchen mit einer Größe einschließt, die sich von 5 bis 500 nm erstreckt, und – einen Trägerstoffanteil, der – plättchenartige Pigmentteilchen, und – mindestens ein Bindemittel einschließt, wobei das Verhältnis der plättchenartigen Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil zwischen 20 und 80 % des Feststoffgehalts beträgt, und dass das als Trockensubstanz berechnete Verhältnis des Nanoteilchenanteils zu dem Trägerstoffanteil 20/80–80/20 beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Oberflächenleimanteil umfasst, der einen wasserlöslichen Hauptbestandteil einschließt.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserlösliche Hauptbestandteil aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Stärke, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, Glucomannan, Protein und Mischungen davon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil mineralische Teilchen, organische Pigmentteilchen oder Mischungen davon einschließen.
Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pigmentteilchen aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Silicatteilchen, Glimmerteilchen, Kaolinteilchen, Bentonitteilchen, Aluminiumtrihydratteilchen, Phyllosilicatteilchen, Talkumteilchen, Kunststoffpigmentteilchen und Mischungen davon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Kaolinteilchen, Talkumteilchen und Mischungen davon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel in dem Trägerstoffanteil aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polymerlatizes, wasserlöslichen Bindemitteln und Mischungen davon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel in dem Trägerstoffanteil ein Polymerlatex ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Styrolbutadien, Acrylat, Styrolacrylat, Polyvinylacetat und Mischungen davon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel in dem Trägerstoffanteil aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Stärke, Protein, Carboxymethylcellulose, Polyvinylalkohol und Mischungen davon besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoteilchen synthetische Siliciumdioxidteilchen, ausgefällte Calciumcarbonatteilchen oder Mischungen davon umfassen.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanoteilchengröße 10–100 nm, mehr bevorzugt 15–50 nm beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Trockensubstanz berechnete Verhältnis des Nanoteilchenanteils zu dem Trägerstoffanteil 20/80–60/40 beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der plättchenartigen Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil zwischen 35 und 75 % des Feststoffgehalts, besonders typisch zwischen 40 und 70 % beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Bindemittels in dem Trägerstoffanteil typischerweise 5–75 %, typischer 15–45 %, besonders typisch zwischen 20–40 % des Feststoffgehalts beträgt.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung zusätzlich einen oder mehrere zusätzliche Bestandteile einschließt.
Zusammensetzung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Bestandteil aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus hydrophoben Mitteln, Antischaummitteln, Antischaumsalzen, Entschäumern, Entschäumersalzen, Detergentien, Rheologiemodifizierern, Weichmachern, Schmierstoffen, optischen Aufhellern, Farbmitteln und Vernetzungsmitteln besteht.
Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Nanoteilchenanteil synthetische Siliciumdioxidteilchen einschließt, und – der Trägerstoffanteil – Talkumteilchen, und – Styrolbutadienlatex umfasst.
Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als Trockensubstanz berechnete Verhältnis des Oberflächenleimanteils zu der Summe des Nanoteilchen- und Trägerstoffanteils typischerweise 20/80–80/20, typischer 20/80–50/50 beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Trägerstoffanteil durch Vermischen der plättchenartigen Pigmentteilchen und mindestens eines Bindemittels hergestellt wird, wobei das Verhältnis der plättchenartigen Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil zwischen 20 und 80 % des Feststoffgehalts beträgt, – der Trägerstoffanteil mit dem Nanoteilchenanteil, der Teilchen mit einer Größe einschließt, die sich von 5 bis 500 nm erstreckt, vermischt wird, wobei das als Trockensubstanz berechnete Verhältnis des Nanoteilchenanteils zu dem Trägerstoffanteil 20/80–80/20 beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Trägerstoffanteil durch Vermischen der plättchenartigen Pigmentteilchen und mindestens eines Bindemittels hergestellt wird, – der Trägerstoffanteil, der Nanoteilchenanteil und der Oberflächenleimanteil miteinander vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanoteilchenanteil vor dem Vermischen mit mindestens einem anderen Anteil mit Wasser vermischt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanoteilchenanteil und der Trägerstoffanteil vor der Zugabe zu dem Oberflächenleimanteil miteinander vermischt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanoteilchenanteil und der Trägerstoffanteil unabhängig mit dem Oberflächenleimanteil vermischt werden.
Zusammensetzung zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen, die folgendes einschließt: – einen Nanoteilchenanteil, der Teilchen mit einer Größe einschließt, die sich von 5 bis 500 nm erstreckt, und – einen Trägerstoffanteil, der – plättchenartige Pigmentteilchen, und – mindestens ein Bindemittel einschließt, wobei das Verhältnis der plättchenartigen Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil zwischen 20 und 80 % des Feststoffgehalts beträgt, das als Trockensubstanz berechnete Verhältnis des Nanoteilchenanteils zu dem Trägerstoffanteil 20/80–80/20 beträgt, die durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 19–22 erhältlich ist.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass das Papier, Pappe oder dergleichen behandelt wird, indem auf die Oberfläche des Papiers, Pappe oder dergleichen eine Zusammensetzung aufgebracht wird, die folgendes einschließt: – einen Nanoteilchenanteil, der Teilchen mit einer Größe einschließt, die sich von 5 bis 500 nm erstreckt, und – einen Trägerstoffanteil, der – plättchenartige Pigmentteilchen, und – mindestens ein Bindemittel einschließt, wobei das Verhältnis der plättchenartigen Pigmentteilchen in dem Trägerstoffanteil zwischen 20 und 80 % des Feststoffgehalts beträgt, und dass das als Trockensubstanz berechnete Verhältnis des Nanoteilchenanteils zu dem Trägerstoffanteil 20/80–80/20 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung mittels einer Oberflächenbehandlungseinheit aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlungseinheit eine Leimpresse, eine Filmpresse oder eine Streicheinheit ist.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung auf die Bahn aus Papier, Pappe oder dergleichen aufgebracht wird, wenn die Trockensubstanz der Bahn ≥ 75 %, vorzugsweise ≥ 85 %, besonders ≥ 90 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die als Trockensubstanz berechnete, pro Seite aufgebrachte Menge der Oberflächenbehandlungszusammensetzung vorzugsweise 0,5–15 g/m², stärker bevorzugt 3–6 g/m² beträgt.
Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–18 zur Oberflächenbehandlung von Papier, Pappe oder dergleichen.
Oberflächenbehandeltes Papier, Pappe oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 1–18 verwendet wird.