包含羟乙基纤维素流变改性剂和高含量碳酸钙颜料的纸张涂料

摘要

一种含水、粘结剂、高粘度羟乙基纤维素聚合物和颜料的纸张涂布组合物，其中所述颜料包括大于约80重量％的碳酸钙颜料。用该含高粘度羟乙基纤维素聚合物和碳酸钙颜料的纸张涂布组合物涂覆的纸具有改善的保水性能和良好的光学性能。

权利要求

1.一种纸张涂布组合物，其包括水、粘结剂、高粘度羟乙基纤维素聚合物和颜料，其中所述颜料包括大于80重量％的碳酸钙颜料，其中所述高粘度羟乙基纤维素聚合物的2％水溶液通过布氏粘度计5号轴于100rpm下测量的粘度为大于2,500cps，并且，所述高粘度羟乙基纤维素聚合物是液态流化聚合物悬浮体形式的，且该高粘度羟乙基纤维素聚合物是疏水改性的羟乙基纤维素HMHEC。

2.权利要求1的纸张涂布组合物，其中所述颜料包括大于85重量％的碳酸钙颜料。

3.权利要求2的纸张涂布组合物，其中所述颜料包括大于90重量％的碳酸钙颜料。

4.权利要求3的纸张涂布组合物，其中所述颜料包括大于95重量％的碳酸钙颜料。

5.权利要求1的纸张涂布组合物，其中所述碳酸钙颜料还包括重质碳酸钙。

6.权利要求1的纸张涂布组合物，其中所述碳酸钙颜料还包括沉淀碳酸钙。

7.权利要求6的纸张涂布组合物，其中所述沉淀碳酸钙构成至多100重量％的所述颜料。

8.权利要求1的纸张涂布组合物，其中所述高粘度羟乙基纤维素聚合物的2％水溶液通过布氏粘度计5号轴于100rpm下测量的粘度为4,500cps-6,500cps。

9.权利要求8的纸张涂布组合物，其中所述高粘度羟乙基纤维素聚合物的2％水溶液通过布氏粘度计5号轴于100rpm下测量的粘度为5,000cps。

10.权利要求1的纸张涂布组合物，其中所述粘结剂选自蛋白质、淀粉、苯乙烯丁二烯胶乳、苯乙烯丙烯酸酯、聚醋酸乙烯酯或聚乙烯醇。

11.权利要求1的纸张涂布组合物，其中所述颜料还包括高岭土。

12.一种涂布纸，其包括纸和在所述纸上一定量的纸张涂料，其中所述纸张涂料进一步包括纸张涂布组合物，该纸张涂布组合物包括粘结剂、高粘度羟乙基纤维素聚合物和颜料，其中所述颜料包括大于80重量％的碳酸钙颜料，其中所述高粘度羟乙基纤维素聚合物的

2％水溶液通过布氏粘度计5号轴于100rpm下测量的粘度为大于2,500cps，且该高粘度羟乙基纤维素聚合物是疏水改性的羟乙基纤维素HMHEC。

说明书

包含羟乙基纤维素流变改性剂和高含量碳酸钙颜料的纸张

涂料

[0001] 相关申请

[0002] 本申请请求享有2006年3月7日提出的第60/780,144号美国临时申请的权益，其全文通过引用结合在此。

技术领域

[0003] 本发明涉及一种固含量为大于约64重量％的高固含量纸张涂布组合物，所述纸张涂布组合物包括大于约80重量％的碳酸钙作为其颜料组分，还包括标准粘结剂、和至少一种流变改性剂，所述流变改性剂包含高粘度羟乙基纤维素(HEC)。

背景技术

[0004] 在纸张涂料工业中，期望在各种纸张涂布配制品中使用流变改性剂，以实现增稠、流动控制、保水和其他性质。商业上采用的大量标准流变改性剂主要包括各种粘度范围的羧甲基纤维素钠(CMC)、海藻酸钠、低粘度羟乙基纤维素(HEC)、和碱溶性胶乳。淀粉也被作为粘结剂和保水/粘度控制剂而广泛应用于很多纸张涂料中，特别是用于轻质涂布纸生产的低固含量纸张涂料中。

[0005] 商业上在纸张涂料中使用HEC时，通常包括使用低粘度HEC，浓度为2％的低粘度HEC水溶液的粘度为小于1000cps。已经发现，当在纸张涂料中使用粘土和碳酸钙颜料的混合物时，低粘度HEC大为失效，因此这种类型的HEC无法在工业中得到广泛的商业使用。

[0006] 传统上涂布纸制造者使用一种或另一种流变改性剂，在某些情况下，使用淀粉与一种上述标准流变改性剂的组合，作为纸张涂布组合物的添加剂，以达到期望的流变应用性能，特别是保水性。

[0007] 除了流变改性剂之外，商业纸张涂料通常还包括颜料、粘结剂和添加剂。商业纸张涂料的颜料成分主要包括含少量TiO2的高岭土和碳酸钙的混合物、以及仅任选使用的塑性颜料。纸张涂料的标准粘结剂主要包括淀粉和苯乙烯丁二烯胶乳，以及少量的蛋白质和聚乙烯醇(PVOH)及专用胶乳，例如聚醋酸乙烯酯胶乳。在纸张涂料中的各种改性添加剂还包括小比例的少于约2重量％的成分，如pH调节剂、生物杀灭剂、滑润剂、染料和光学增白剂。

[0008] 关于纸张涂料的颜料成分，当使用碳酸钙作为涂布颜料的一种时，其主要包括重质碳酸钙(GCC)。涂布纸生产商同样感兴趣的是将较少量的特种碳酸钙颜料与高岭土和其它颜料组合使用，该特种碳酸钙颜料被称为是“沉淀碳酸钙”(PCC)。

[0009] 在纸张涂料中采用比例很高、甚至100重量％的不含高岭土的碳酸钙作为颜料，这只在很少一部分的市售涂布制品中实现。在这种情况下，使用大于约70重量％碳酸钙颜料的动机在于，与高岭土/碳酸钙颜料混合物相比，碳酸钙的亮度更高，从而可得到有益的性能。

[0010] 涂布纸工业中还期望使用PCC，这是由于与GCC相比，PCC在纸张涂料中具有更高的亮度和更好的光泽倾向。但是，该领域发现，在纸张涂料中使用大于约70重量％的碳酸钙时，通常会表现出不期望的流变性能，该不期望的流变性能是指在涂覆期间，由于吸收作用，水会从这些涂层进入多孔的基片中，从而发生很严重的水流失。这种严重的水流失现象也可以描述为“保水性很差”。这种很差的保水性对于含100％GCC作为颜料的纸张涂料来说存在很大问题，而对于在纸张涂布组合物中使用PCC作为颜料来说，该问题更为严重。

[0011] 含100％碳酸钙颜料的纸张涂料的很差的保水性能可以方便地进行测定。测得的这些数值通常显著差于含给定百分比的高岭土和粘度水平(测量时影响绝对保水值的因素)的涂料。由于存在的明显的保水性问题，更高固含量的纸张涂布组合物、即固含量高于约64重量％、颜料中含有大于约70重量％的碳酸钙的纸张涂布组合物无法在涂布机上运行，这是由于将湿涂层涂覆到多孔基片上以后，水分就立刻从湿涂层中流失到多孔基片中，导致涂布机刮片上产生浓稠的颜料固体聚集，从而在所得涂布纸上形成不可以被接受的刮痕和条纹。

[0012] 由于保水性能差以及由此产生的运行能力问题，以及为了可以将湿涂层涂覆在多孔基片上，涂布纸工业不得不使用具有相对较低固含量的涂料配制品，即，当采用100％的碳酸钙作为颜料时，使固含量为低于64重量％。但是，使用固含量较低的配制品存在的缺点造成了两个额外的显著问题：1)在涂布纸工业中使用固含量较低的涂料意味着更高的干燥能量成本，2)涂料中较低的固含量通常会造成涂布纸的整体质量较差，这是由于在涂料配制品中使用较多的水时，干燥步骤中就会发生更多的粘结剂迁移和涂层收缩，由此对最终的涂布纸质量产生不良影响。涂布纸工业已尝试使用羧甲基纤维素钠(CMC)作为流变改性剂，以提高含100％碳酸钙颜料的纸张涂料的保水性，这是由于CMC作为流变改性剂，已在商业实践被确认为是一种最为有效的保水增强剂。但是，对于含大于约70重量％碳酸钙颜料的纸张涂料，即使使用CMC仍无法补救其缺陷。

[0013] 基于所有这些原因，含大于约70重量％碳酸钙的涂料在涂布纸工业中的商业应用受到严重限制；只有相对小部分的涂布纸制造者在使用含大于约70重量％碳酸钙的涂料。使用含大于约70重量％碳酸钙的涂料时，其通常仅仅被用于预涂布应用，这是由于在预涂布应用中，与在颜料中使用大于约70％的碳酸钙相关的更高水含量和粘结剂迁移不会对最终的涂布纸质量产生重要影响。

[0014] 因此，需要一种流变改性剂，可将其加入具有高含量的、大于约80重量％的碳酸钙颜料的纸张涂料中，用以提高这些涂料的保水性，并由此改进这些具有较高固含量的涂料的运转性能，以及使这种高碳酸钙含量的颜料在涂料工业中被更广泛应用在纸张涂布中。人们希望，用于纸张涂料的流变改性剂通常是纤维素质的，这是因为其对于涂覆纸张涂料的纤维素基片具有有益的吸附性能。

[0015] 为了解决这些问题，本发明提供了一种基于HEC的纤维素基流变改性剂，其具有非常有效的保水性能和良好的光学性能，尤其是对于碳酸钙含量大于约80重量％的颜料体系，以及与沉淀碳酸钙的混合物。

发明内容

[0016] 本发明的纸张涂布组合物包含水、粘结剂、高粘度羟乙基纤维素聚合物和颜料，其中所述颜料包括大于约80重量％的碳酸钙颜料。该颜料可以包括更高含量的碳酸钙，例如大于约85重量％的碳酸钙颜料，优选大于约90重量％的碳酸钙颜料，更优选大于约95重量％的碳酸钙颜料。

[0017] 所述碳酸钙颜料可以是重质碳酸钙的形式，或是沉淀碳酸钙的形式。沉淀碳酸钙可以构成至多约100重量％的所述颜料。

[0018] 与现有的利用CMC流变改性剂的涂布纸相比，本发明在制备具有更高保水性的涂布纸中具有优势，其中所述CMC流变改性剂是商业实践中最常见的纸张涂料流变改性剂。本发明因此提供了一种纤维素的流变改性剂，通过使用这种流变改性剂，可以实现的运行性能是任何以前已知的、颜料碳酸钙含量大于约80重量％的纸张涂布组合物都无法实现的。

[0019] 本发明还涉及一种涂布纸，其包括纸和所述纸上一定量的本发明的纸张涂布组合物，水已经被从所述涂料组合物中减少或去除。

[0020] 令人意想不到的是，当含高比例碳酸钙颜料的纸张涂料与HEC流变改性剂一起用于纸张时，与类似的现有技术的涂料相比，其表现出显著提高的保水性和改善的成品性能。

[0021] 本发明提供了一种纸张涂料的制备方法，其是通过一同加入羟乙基纤维素(HEC)与至少一种粘结剂，该羟乙基纤维素被用在含有高达约80重量％的碳酸钙作为颜料成分的纸张涂料中。纸张涂料的标准粘结剂主要包括淀粉和苯乙烯丁二烯胶乳，以及少量的蛋白质和聚乙烯醇(PVOH)及专用胶乳，例如聚(醋酸乙烯酯)胶乳。

[0022] 羟乙基纤维素(HEC)可以是未经改性的。任选地，HEC也可以是疏水改性的羟乙基纤维素(HMHEC)，其中长链烷基与HEC的纤维素主链发生化学键合。

[0023] 合适的HEC的粘度应当满足以下条件：当以2％的浓度溶解于水时，利用布氏粘度计的5号轴以100rpm测得的其粘度为大于2,500厘泊(cps)。为了能够加入纸张涂料中，HEC成分可以以干燥状态加入，或者以浓溶液或流化的聚合物悬浮体形式加入。本发明的碳酸钙可以包括涂料工业中使用的标准类型的重质碳酸钙。所述碳酸钙也可以包括其中沉淀碳酸钙的比例高达100％的碳酸钙混合物。

[0024] 本发明涂布组合物中使用的粘结剂包括通常应用于纸张涂布领域中的粘结剂。用于纸张涂布组合物的常规粘结剂可以选自：蛋白质、淀粉、苯乙烯丁二烯胶乳、苯乙烯丙烯酸酯、聚醋酸乙烯酯、和聚乙烯醇。

[0025] 在将标准纸张涂料流变改性剂与新型水溶性聚合物进行比较的一系列系统的测试中，人们惊奇地发现，与已知的标准流变改性剂相比，粘度大于2500cps的HEC在保水性方面可以提供意想不到的益处。本发明发现，粘度大于约4500cps的高粘度HEC与碳酸钙含量大于约80重量％的纸张涂料一起使用时，可表现出优异的保水性和涂布纸结果，粘度是以2％的浓度将其溶于水中时利用布氏粘度计5号轴以100rpm测得。优选用于本发明涂布组合物中的高粘度HEC，当以2％的浓度将其溶于水中时，利用布氏粘度计5号轴以100rpm测得的其粘度为约4500cps-6500cps。更优选的是，用于本发明涂布组合物中的高粘度HEC，当以2％的浓度将其溶于水中时，利用布氏粘度计5号轴以100rpm测得的其粘度为约5000cps。以前只有粘度低于约2500cps的中粘度或低粘度HEC被用在涂料中，而这些中粘度或低粘度HEC产品对于含高岭土和碳酸钙混合物的纸张涂料来说没有效果。

[0026] 已经发现，制备HEC的液态流化聚合物悬浮体是将HEC用于本发明中的优选形式。通过全文引用而结合在此的美国专利US5,028,263公开了一种水溶性聚合物的悬浮体，其作为将以干燥粉末形式的HEC应用在纸张涂料中的替代方式，可用于制备本发明的纸张涂料。液态流化的HEC悬浮体或在本发明中使用时，可以含有15％或更多的微粒HEC。HEC的浓度优选为20-50％。HEC的液态流化聚合物悬浮体包括占悬浮体总重量15％或更多的HEC，这些HEC分散在含有多价阴离子的铵盐水溶液中，其中铵盐与水的重量比为至少0.15。可以使用任何具有多价阴离子、并可以以非常高的浓度溶于水的铵盐，该铵盐会使HEC表现出具有最小溶胀的不溶。在制备HEC的液态流化聚合物悬浮体时，所使用的铵盐是磷酸二铵、硫酸二铵(也称为硫酸铵)、聚磷酸铵、以及它们的混合物。

[0027] 或者，在制备本发明纸张涂料中，使用的HEC可以是干燥粉末状态的，而不是液态流化的聚合物悬浮体。

[0028] 本发明通过下述实施例进行进一步说明。实施例是用于对本发明进行举例说明的，除非另有说明，否则份数和百分比都是基于重量的。

具体实施方式

[0029] 实施例1

[0030] 按照下表1所示的配方制备5种纸张涂料配制物。分别如下表2中制备具有不同粘度类型HEC的流化聚合物悬浮体。表2中还列有两种比较HEC和一种高分子量HEC。所使用的其它控制流变改性剂详细列于下表3中。

[0031] 表1纸张涂料配制品

[0032]涂料配方 配方1 配方2 配方3 配方4 配方5
Hydracarb 60份 60份 60份 60份 100份
60*GCC
Hydracarb 40份 40份 40份 - -
*
90GCC
Opacarb A-40
沉淀碳酸钙 - - - 40份 -
Dow620 12份 10份 12份 12份 12份
SB胶乳
Penford290 0份 3份 0份 0份 3份
乙基化淀粉
硬脂酸钙 1份 1份 1份 1份 1份
Dispex N-40 0.25份 0.25份 0份 0份 0.1份
(分散剂)
固含量(％) 66，68，70 66，68，70 68 66 65
环境温度下 35℃下 环境温度下 环境温度下 环境温度下
粘度(cps) 1000，1500， 1000，1500， 1000-1500 1000-1500 1000-1500
2000 2000

[0033] 重质碳酸钙，购自OMYA Inc.

[0034] 沉淀碳酸钙，购自Specialty Minerals Inc.

[0035] 表2-3的流变改性剂被用于对表1中的不同涂料配方进行增稠，使之达到恒定的布氏粘度值，随后利用Kaltec GWR保水实验仪器、通过标准方法对静态保水性进行测定。对各种不同纸张涂布组合物测得的保水性结果示于表4-6中。

[0036] 表2羟乙基纤维素流化聚合物悬浮体组合物的流变改性剂

[0037]

[0038] 表3流变改性剂目录

[0039]

[0040] 表4含不同流变改性剂的纸张涂料(配方1)的保水性

[0041]*

[0042] 使用5号轴的VT布氏粘度计，转速100rpm**

[0043] 使用Kaltec GWR的静态保水测试，水损失(g)@0.6bar压力/分钟每微孔滤器，数值越低表示保水性越好

[0044] 表5含不同流变改性剂的纸张涂料配制品(配方2)的保水性

[0045]

[0046] *使用5号轴的VT布氏粘度计，转速100rpm

[0047] **使用Kaltec GWR的静态保水测试，水损失(g)@0.6bar压力/分钟每微孔滤器，数值越低表示保水性越好。

[0048] 表6配方5的纸张涂料保水性值

[0049]

[0050] *使用5号轴的VT布氏粘度计，转速100rpm

[0051] **使用Kaltec GWR的静态保水测试，水损失(g)@0.6bar压力/分钟每微孔滤器，数值越低表示保水性越好。

[0052] 已观察到，购自Hercules公司的某些粘度类型的HEC悬浮体，即 250MR FPS HEC在表1的涂料配方1-5中得到了意想不到的改善的保水值(水损失数值越低意味着保水性数值的改进)。在这些测试中，作为具有强保水性流变改性剂而被用在涂料工业中的控制流变改性剂CMC得到的性能与本发明的涂料组合物相比要差得多。

[0053] 在表4-5中，发现碱溶性聚合物流变改性剂测试(购自Alco Product的碱溶性胶乳 流变改性剂)也得到了良好的保水值。但是，已知这种类型的流变改性剂在工业实践中的表现不太好，这是由于与纤维素聚合物相比，其对涂料的整体性能的有效性较低。

[0054] 实施例2

[0055] 根据表1的配方3和4制备纸张涂料。随后用圆柱实验涂布机以1300m/min的速率将这些涂料涂覆到标准的自由片状基纸(standard free sheetbase paper)上，目标涂层重量为13gm/m2，并用标准实践的红外线干燥器高速干燥。利用2辊轧光机(Beloit Wheeler，Model703实验室轧光机)在150℉(65.5℃)的标准温度和1000psi压力下对涂布纸试样进行轧光，随后测定涂布纸试样的标准光学性能。发现本发明利用流变改性剂Natrosol 250MR FPS HEC的100％碳酸钙的涂料组合物与利用CMC作为流变改性剂的对照纸张涂料相比，产生了显著提高的保水性和光泽度。这些结果示于表7和8中。

[0056] 表7通过圆柱涂布机以13gm/m2的涂层重量涂覆到纸上的纸涂料配方3的涂布纸的光学性能

[0057]

[0058] 表8通过圆柱涂布机以13gm/m2的涂层重量涂覆到纸上的纸涂料配方4的涂布纸的光学性能

[0059]

[0060] 实施例3

[0061] 利用CMC作为流变改性剂制备不同的纸张涂布组合物，并且将这些涂料组合物与本发明含高粘度HEC流变改性剂的纸张涂布组合物进行比较，并且此时本发明的涂料组合物中还含有一定量的粘土，其与碳酸钙一起作为颜料用在所述涂布组合物中。

[0062] 从表9中可以看出，在所有的碳酸钙与#2粘土的比例下，实施例3(250MR FPS HEC，购自Hercules公司)都比CMC 7LC1有更高的增稠效果。当纸张涂料配制