DE9419333U1 - Coating agents for paper surfaces - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsmittel für Papieroberflächen.The invention relates to a coating agent for paper surfaces.
Mit Beschichtungsmitteln können Papieroberflächen mit hoher Glätte und hohem Glanz sowie verminderter Permeabilität gefertigt werden.Coating agents can be used to produce paper surfaces with high smoothness and gloss as well as reduced permeability.
So ist es bekannt, Papieroberflächen mit Streichmitteln aus Polymerdispersionen, bei welchen die dispersen Phasen aus ca. 95 % Polymerteilchen eines Durchmessers von größer als 0,003 mm bestehen. Derartige Dispersionen werden üblicherweise mit Pigmenten oder sonstigen mineralischen, kleinteiligen Füllstoffen oder Füllstoffgemischen gemischt (Beispiele hierfür sind Aerosil, Kreide, Carbonate wie Calciumcarbonat, Tonerde usw.) und im Streichverfahren auf die Papieroberfläche aufgebracht. Die Dicke der fertigen Schicht beträgt etwa 0,01 mm. Eine so beschichtete Oberfläche wird zur weiteren technischen Wertsteigerung für Papiere in der Verpackungsanwendung mit einer Lösung von Polymeren in organischen Lösemitteln beschichtet. Diese nachträgliche Beschichtung mit in organischen Lösemitteln gelösten Polymeren war bisher insbesondere für solche Papieroberflächen erforderlich, die im Vakuum mit Aluminium bedampft werden sollen. Bei dieser Technologie, bei der vor der Vakuumbedampfung mit Metall Lösungen von organischen Polymeren zwecks Aufbringung eines Polymerfilms auf der Papieroberfläche eingesetzt werden, wird eine erhebliche Menge an organischen Lösemitteln verbraucht, und zwar je nach Feststoffgehalt der Polymerlösung etwa 5,5 g Lösemittel pro m^ Papier. Bei der üblichen Arbeitsgeschwindigkeit von 300 m/min und einer Breite von 1,60 m ergibt sich daraus ein Anfall von ca. 2,6 kg dampfförmigem Lösungsmittel pro Minute. Zwar kann das Lösemittel zurückgewonnen werden, jedoch erfordert dies einen vergleichsweise hohen Kostenaufwand sowohl hinsichtlich der hierfür nötigen Anlagen als auch deren laufende Betriebskosten. Noch wesentlich kostenintensiver ist die thermische Beseitigung des Lösemitteldampfes. Die hohen Anlagekosten zur Entfernung des Lösemittels gehen einmal darauf zurück, daß die Anlagen und Geräte explosionssicher ausgerüstet sein müssen, zum anderen darauf, daß auch das Bedienungspersonal vor toxischen Lösemitteldämpfen geschützt werden muß.It is known to coat paper surfaces with coating agents made from polymer dispersions, in which the disperse phases consist of approx. 95% polymer particles with a diameter of more than 0.003 mm. Such dispersions are usually mixed with pigments or other mineral, small-particle fillers or filler mixtures (examples of this are Aerosil, chalk, carbonates such as calcium carbonate, clay, etc.) and applied to the paper surface using a coating process. The thickness of the finished layer is approximately 0.01 mm. A surface coated in this way is coated with a solution of polymers in organic solvents to further increase the technical value of paper in packaging applications. This subsequent coating with polymers dissolved in organic solvents was previously necessary in particular for paper surfaces that are to be vapor-coated with aluminum in a vacuum. This technology, in which solutions of organic polymers are used before vacuum vaporization with metal in order to apply a polymer film to the paper surface, consumes a considerable amount of organic solvents, namely around 5.5 g of solvent per m^ of paper, depending on the solids content of the polymer solution. At the usual operating speed of 300 m/min and a width of 1.60 m, this results in a production of around 2.6 kg of vaporous solvent per minute. The solvent can be recovered, but this requires a comparatively high cost both in terms of the equipment required for this and its ongoing operating costs. The thermal removal of the solvent vapor is even more expensive. The high system costs for removing the solvent are due to the fact that the systems and equipment must be explosion-proof and the fact that the operating personnel must also be protected from toxic solvent vapors.
Es ist weiter bekannt, Papieroberflächen mit Polymerdispersionen einer Teilchengröße von größer 0,01 mm und einem Verteilungsmaximum bei etwa 0,05 mm auf der spezifischen Verteilungskurve aus wäßriger Dispersion zu beschichten. Diese Beschichtungen sind jedoch für die Rasterwalzen-Technologie ungeeignet, d. h. sie können hierfür nicht eingesetzt werden. Wegen ihrer Partikelgröße weisen derartige Beschichtungen entsprechende grobe Oberflä-It is also known to coat paper surfaces with polymer dispersions with a particle size of greater than 0.01 mm and a distribution maximum of around 0.05 mm on the specific distribution curve from aqueous dispersion. However, these coatings are unsuitable for anilox roller technology, i.e. they cannot be used for this purpose. Due to their particle size, such coatings have correspondingly coarse surfaces.
chenstrukturen auf. Außerdem muß zur optimalen Filmbildung nach dem eigentlichen Abtrocknen des Dispergiermittels die Papierbahn mit erheblichem thermischen Energieaufwand erwärmt werden, was wiederum Kühlenergie zur Kühlung der Papierbahn vor dem Aufrollen erforderlich macht, um ein Verkleben der einzelnen Lagen beim Aufwickeln zu verhindern. Für diese Technologie mußten daher besondere Auftragswerke entwickelt und konstruiert werden, um die inherente Koagulationstendenz der Dispersionssysteme auszuschalten. Nachteilig ist gegenüber dem Aufbringen der Polymerbeschichtung aus der Lösung in einem organischen Lösemittel auch die Schichtstärkentoleranz, d. h. der aus organischen Lösemitteln aufgebrachte Polymerfilm ist gleichförmiger und weist eine gleichförmigere Dicke auf als die aus wäßriger Dispersion aufgebrachten Polymeren.chen structures. In addition, for optimal film formation after the actual drying of the dispersant, the paper web must be heated with considerable thermal energy expenditure, which in turn requires cooling energy to cool the paper web before it is rolled up in order to prevent the individual layers from sticking together during winding. For this technology, special application systems therefore had to be developed and constructed in order to eliminate the inherent coagulation tendency of the dispersion systems. Another disadvantage compared to applying the polymer coating from a solution in an organic solvent is the layer thickness tolerance, i.e. the polymer film applied from organic solvents is more uniform and has a more uniform thickness than the polymers applied from an aqueous dispersion.
Zur Schonung der natürlichen Ressourcen und der Umwelt werden zwar in neuerer Zeit Papiere in zunehmendem Maße umweltfreundlich ausgerüstet, und zwar im Hinblick auf die sinnvolle Wiederverwendung von bei der Ausrüstung bzw. Herstellung eingesetzten Produkten durch Recycling, jedoch war es bisher für die Herstellung von im Vakuum metallbedampften Papieren, insbesondere mit Aluminium bedampften Papieren nicht möglich, zur Erzielung einer ausreichenden Oberflächenqualität auf eine Beschichtung unter Verwendung von großen Mengen von organischen Lösungsmitteln zu verzichtenIn order to protect natural resources and the environment, papers are increasingly being treated in an environmentally friendly manner in recent times, with a view to the sensible reuse of products used in the treatment or production through recycling, but until now it was not possible to produce vacuum-coated papers, especially papers coated with aluminum, without coating them using large quantities of organic solvents in order to achieve sufficient surface quality.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung von organischen Lösemitteln ein Beschichtungsmittel, insbesondere für im Vakuum mit Metall zu bedampfenden Papieroberflächen bereitzustellen, mit dem aus wäßriger Dispersion eine homogene Beschichtung nach Entfernung des Wassers ebenso erzielt wird wie eine gleichmäßige Schichtdicke und das darüber hinaus auch mit Rasterwalzen- oder Tiefdrucktechnologie applizierbar ist. Insbesondere der Anwendung der Rasterwalzen-Technologie kommt hierbei wegen der genauen Dosierbarkeit des Auftrages Bedeutung zu. Die Näpfchen der Raster oder auch die Tiefdruckwalzen setzen sich nach kurzer Laufzeit zu. Selbst bei hohem Verdünnungsgrad mit Feststoffgehalten um 13 % tritt dieses Zusetzen nach längerer Betriebszeit Koagulation unter der Rakel ein.The object of the invention is therefore to provide a coating agent, while avoiding organic solvents, in particular for paper surfaces to be vapor-coated with metal in a vacuum, with which a homogeneous coating is achieved from an aqueous dispersion after removal of the water as well as a uniform layer thickness and which can also be applied using anilox roller or gravure printing technology. The use of anilox roller technology is particularly important here because of the precise dosing of the application. The cells of the anilox or the gravure rollers become clogged after a short period of time. Even with a high degree of dilution with solids contents of around 13%, this clogging occurs after a longer period of operation (coagulation under the doctor blade).
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Beschichtungsmittel gelöst, welches in wäßriger Phase dispergiert eine Mischung aus Polymerteilchen einer mittleren Teilchengröße von 0,2 bis 5 &mgr;, bevorzugt 0,3 bis 2 &mgr; sowie Teilchen einer mittleren Teilchengröße von kleiner 0,1 &mgr;&eegr;&igr;, bevorzugt kleiner 0,07 enthält.This object is achieved according to the invention by a coating agent which contains, dispersed in the aqueous phase, a mixture of polymer particles with an average particle size of 0.2 to 5 μm, preferably 0.3 to 2 μm, and particles with an average particle size of less than 0.1 μm, preferably less than 0.07.
Das Mischungsverhältnis von gröberen Polymerteilchen, die vernetzt oder auch unvernetzt sein können, zu den feineren als Mikrodispersion bzw. Hydrosol vorliegenden feineren Polymerteil-The mixing ratio of coarser polymer particles, which can be cross-linked or uncross-linked, to the finer polymer particles present as microdispersion or hydrosol.
chen kann in weiten Bereichen schwanken, beträgt jedoch bevorzugt 1 : 1 (50 : 50) bis 9 : 1 (9 : 1), liegt jedoch bevorzugt im Bereich von 1,5 : 1 (60 : 40) bis 3 : 1.chen can vary within wide ranges, but is preferably 1 : 1 (50 : 50) to 9 : 1 (9 : 1), but is preferably in the range 1.5 : 1 (60 : 40) to 3 : 1.
Die wäßrige Dispersion bestehend aus Polymerteilchen größeren Durchmessers und aus sehr feinteiligen Polymeren mit Hydrosolcharakter weist üblicherweise Dispergiermittel für die beiden Polymerkomponenten auf, die vorteilhaft unterschiedliche Oberflächenspannungen aufweisen. Geeignete Dispergiermittel sind z. B. Fettalkoholoxethylate und/oder Carbonsäuresalze.The aqueous dispersion consisting of polymer particles of larger diameter and of very finely divided polymers with hydrosol character usually contains dispersants for the two polymer components, which advantageously have different surface tensions. Suitable dispersants are, for example, fatty alcohol oxyethylates and/or carboxylic acid salts.
Als Polymere sowohl für den grobteiligeren Anteil als auch die feinteilige Mikrodispersion bzw. das Hydrosol sind die bekannten, für die Papierbeschichtung verwendbaren Polymeren, bevorzugt auf der Basis Acrylester wie Ethylacrylat, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, ebenso geeignet wie Polymere auf der Basis von Ethyl/Vinylacetat-Copyolymeren, Polyurethanen, Copolymeren von Acrylat/Vinylacetat sowie Copolymeren auf Basis von Styrol und Acrylaten.The polymers known for use in paper coating, preferably based on acrylic esters such as ethyl acrylate, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, are suitable as polymers for both the coarser part and the finer part microdispersion or hydrosol, as are polymers based on ethyl/vinyl acetate copolymers, polyurethanes, copolymers of acrylate/vinyl acetate and copolymers based on styrene and acrylates.
Der Feststoffgehalt des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels liegt im Bereich von 20 bis 50 % Feststoff- bzw. Polymergehalt, jedoch kann je nach anwendungstechnischer Anpassung der Feststoffgehalt auch stärker variieren.The solids content of the coating agent according to the invention is in the range of 20 to 50% solids or polymer content, but depending on the application-related adaptation, the solids content can also vary more.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Polymere sind bekannte Handelsprodukte.The polymers used according to the invention are known commercial products.
Die Teilchengröße des feinteiligen Polymeren ist so klein, daß die Lösung nahezu glasklar erscheint und kaum bei Lichtdurchfall optisch erfaßbar ist, vielmehr nahezu den gleichen Brechungsindex wie Wasser aufweist. Derartige Produkte können auch als Hydrosole bezeichnet werden. Die feinteiligen Polymeren sind aufgrund ihres Hydrosolcharakters nicht vernetzt.The particle size of the finely divided polymer is so small that the solution appears almost crystal clear and is barely visible when light passes through it, but rather has almost the same refractive index as water. Such products can also be referred to as hydrosols. The finely divided polymers are not cross-linked due to their hydrosol character.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsmittel genügt höchsten qualitativen Ansprüchen. Außerdem zeichnet sich das erfindungsgemäße Beschichtungsmittel durch außerordentliche Wirtschaftlichkeit aus, weil Dosierung und damit einhergehende Genauigkeit der Einstellung der Schichtstärken durch Anwendung der Rasterwalzen-Technologie erfolgen kann.The coating agent according to the invention meets the highest quality requirements. In addition, the coating agent according to the invention is characterized by exceptional cost-effectiveness because dosing and the associated accuracy of setting the layer thickness can be achieved by using anilox roller technology.
Die mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmittel beschichteten Papiere zeichnen sich durch eine hohe Homogenität der aufgebrachten Schicht sowie eine nur geringe Schichtdickentoleranz aus. Dieses vorteilhafte Ergebnis wird sowohl mit Rasterwalzen als auch unter Anwendung der Tiefdrucktechnologie erreicht.The papers coated with the coating agent according to the invention are characterized by a high degree of homogeneity of the applied layer and only a small tolerance in layer thickness. This advantageous result is achieved both with anilox rollers and by using gravure printing technology.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the following figures.
• · · I· · I
Figur 1 zeigt die Verteilung von gröberen Polymerteilchen (5) und der feinsten Teilchen des Hydrosols (6), wobei erkennbar ist, daß der Zwischenraum zwischen den relativ großen Polymerpartikeln aufgefüllt ist mit den bis um den Faktor 50 kleineren Teilchen des Hydrosols (6).Figure 1 shows the distribution of coarser polymer particles (5) and the finest particles of the hydrosol (6), whereby it can be seen that the space between the relatively large polymer particles is filled with the particles of the hydrosol (6) which are up to a factor of 50 smaller.
Figur 2 veranschaulicht die Eindringtiefe PE in die Papieroberfläche, wobei der Vektor PTg die Teilchengröße der Beschichtung ergibt.Figure 2 illustrates the penetration depth PE into the paper surface, where the vector PTg gives the particle size of the coating.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein beschichtetes Papier. Die eigentliche, durch Fasern gebildete Papierschicht (3) wird nach oben durch den herkömmlichen Papierstrich (2) und nach unten durch die Rückseitenpräparation (4) abgeschlossen. In der oberen Abschlußschicht (1) sind keine Fasern des Basispapiers mehr enthalten (Wert 0), während noch einige Fasern in den herkömmlichen Papierstrich (2) und vermehrt in die Rückseitenpräparation (4) hineinragen.Figure 3 shows a section through a coated paper. The actual paper layer (3) formed by fibers is closed off at the top by the conventional paper coating (2) and at the bottom by the back preparation (4). The upper finishing layer (1) no longer contains any fibers from the base paper (value 0), while some fibers still protrude into the conventional paper coating (2) and increasingly into the back preparation (4).
Das erfindungsgemäße Beschichtungsmittel bietet den weitere Vorteil, jede Polymerkomponente für spezielle Aufgaben variieren zu können. Beispielhaft sei erwähnt, daß die feinstteilige Komponente weich und flexibel gehalten werden kann und dadurch erfahrungsgemäß tiefer in den Papierstrich eindringt (siehe Figur 2 schematisch), während die gröberen Dispersionspartikel, zur kratzfesten Oberflächenbildung bestimmt, sich näher an der Oberfläche anordnen.The coating agent according to the invention offers the further advantage of being able to vary each polymer component for specific tasks. For example, it should be mentioned that the finest-particle component can be kept soft and flexible and, as experience has shown, penetrates deeper into the paper coating (see Figure 2 schematically), while the coarser dispersion particles, intended for scratch-resistant surface formation, are arranged closer to the surface.
Ferner kann zwecks weiterer Variierung der Oberflächeneigenschaften kann auch eine dritte Komponente, z. B. feinstemulgiertes synthetisches Wachs oder Polyethylen verwendet werden, um z. B. hydrophobe Oberflächen zu erzielen. Auch die Gaspermeabilität läßt sich steuern. So kann die geforderte hohe Wasserundurchlässigkeit durch eine dritte Komponente erzielt werden, z. B. Grundieren wegen Wasserdampfsperre mit Ethylen-Acrylat-Copolymeren. Auch die Kompostierbarkeit kann durch geeignete Zusätze wie von nitrierter wasserlöslicher Zellulose so beeinflußt werden. Es hat sich gezeigt, daß durch einen solchen Zusatz die Anwendungsmöglichkeiten von Fäulnisbakterien vergrößert werden können, was zu kürzeren Kompostierzeiten des so beschichteten Papiers führt.Furthermore, a third component, e.g. finely emulsified synthetic wax or polyethylene, can be used to further vary the surface properties, for example to achieve hydrophobic surfaces. The gas permeability can also be controlled. The required high water impermeability can be achieved by a third component, e.g. priming with ethylene-acrylate copolymers to act as a water vapor barrier. Compostability can also be influenced by suitable additives such as nitrated water-soluble cellulose. It has been shown that such an additive can increase the application possibilities of putrefactive bacteria, which leads to shorter composting times for the paper coated in this way.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsmittel mit zwei verschiedenen Polymerphasen ist nicht nur als Beschichtung als Vorbereitung einer Aufdampfiing von Metall, insbesondere im Vakuum geeignet, sondern darüber hinaus auch noch als Primerschicht, die nach dem Auftrag der Metallschicht aufgebracht wird, um z. B. das Papier bedrucken zu können. Eine gute Haftung der Druckfarbe derart, daß sie nicht ablöst, wurde bisher nur mit Polymerbeschichtungen aus organischen Lösemitteln erzielt. Bei der Anwendung von wäßrigen Polymerdispersionen zeigte sich, daß z. B. bei der Reinigung von Bierflaschen, die mit 2%iger Lauge gewaschen werden,The coating agent according to the invention with two different polymer phases is not only suitable as a coating in preparation for vapor deposition of metal, especially in a vacuum, but also as a primer layer that is applied after the metal layer has been applied, for example in order to be able to print on the paper. Good adhesion of the printing ink so that it does not come off has so far only been achieved with polymer coatings made of organic solvents. When using aqueous polymer dispersions, it was shown that, for example, when cleaning beer bottles that are washed with 2% lye,
sich die Primerschicht, d. h. die auf die Metallschicht aufgebrachte Schicht einschließlich der Druckfarbe ablöst und das Reinigungsbad verunreinigt.the primer layer, i.e. the layer applied to the metal layer including the printing ink, comes off and contaminates the cleaning bath.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß wenn das erfindungsgemäße Beschichtungsmittel als Haftvermittler oder Druckprimer auf die aluminisierte Oberfläche aufgebracht wird, keine Anlösung von Primer und/oder Druckfarbe auftritt und somit jegliche Kontaminierung der Abwaschlauge mit bereits auf der Papieroberfläche befindlichen Substanzen vermieden wird.Surprisingly, it has been shown that when the coating agent according to the invention is applied to the aluminized surface as an adhesion promoter or printing primer, no dissolution of the primer and/or printing ink occurs and thus any contamination of the washing solution with substances already present on the paper surface is avoided.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel erläutert., wobei Teile Gewichtsteile bedeuten:The invention is illustrated by the following example, where parts are by weight:
70 Teile einer wäßrigen Acrylsäureesterdispersion einer Teilchengröße von 0,5 bis 2 &mgr;&eegr;&igr; (Typ Lefasol 206, Hersteller Lefatex-Chemie GmbH) werden mit 30 Teilen Hydrosol einer Teilchengröße von 0,05 &mgr; (Typ Hydrosol 900, Hersteller Lefatex) unter Rühren gemischt, wobei ein flüssiger Dispersionslack mit einem Polymergehalt von 37 (+ 2 %) entsteht. Dieser Lack wird auf ein Etikettenpapier von 70 g/m^ mit einer Rasterwalze aufgetragen und danach getrocknet. Es bleibt ein glänzender, geschlossener Film auf dem Papier, der sehr gut metallisierbar ist. Nach der Vakuumbedampfüng mit Aluminium wird die empfindliche Aluminiumschicht mit dem Primer, der über Rasterwalzen aufgetragen und getrocknet wird, geschützt.70 parts of an aqueous acrylic acid ester dispersion with a particle size of 0.5 to 2 μηγ (type Lefasol 206, manufacturer Lefatex-Chemie GmbH) are mixed with 30 parts of hydrosol with a particle size of 0.05 μη (type Hydrosol 900, manufacturer Lefatex) while stirring, producing a liquid dispersion varnish with a polymer content of 37 (+ 2%). This varnish is applied to a 70 g/m^ label paper with an anilox roller and then dried. A shiny, closed film remains on the paper that is very easy to metallize. After vacuum vapor deposition with aluminum, the sensitive aluminum layer is protected with the primer, which is applied via anilox rollers and dried.
Der Primer dient außerdem als Haftvermittler für eventuell weitergehende Behandlungen, z. B. für Drucke.The primer also serves as an adhesion promoter for any further treatments, e.g. for prints.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Beschichtungsmittels besteht in dem hohen Feststoffgehalt bei üblichen Gebrauchsviskositäten. Die im organischen Lösemittel gelösten Polymeren nach dem Stand der Technik haben bei einem Feststoffgehalt von 20 % eine Viskosität von etwa 18 bis 22 Sekunden im DIN-Becher. Bei einer angewandten Rasterwalzentechnologie mit den geforderten Viskositäten kann ein Feststoffgehalt von 40 % (Polymer) erzielt werden, was zu einer erheblichen Kostenminderung führt.A further advantage of the coating agent according to the invention is the high solids content at usual use viscosities. The polymers dissolved in the organic solvent according to the state of the art have a viscosity of about 18 to 22 seconds in the DIN cup at a solids content of 20%. When anilox roller technology is used with the required viscosities, a solids content of 40% (polymer) can be achieved, which leads to a considerable reduction in costs.
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