专利名称：基材涂料组合物及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及着色的基材涂料组合物以及制造和使用此类组合物的方法。该涂料组合物包括包含聚乙烯醇聚合物和含硼化合物的增稠剂体系。
背景信息在许多产品应用中，为基材提供涂层以便于在基材上印刷和/或改善基材的外观。涂层的重要目的是提供没有压痕或谷槽的光滑基材表面。对在基材上印刷优质图像和将油墨有效地转移到基材上来说，光滑表面是必要的。光滑的基材表面通过用颜料涂料组合物涂覆基材表面来获得。
该涂料组合物实际上是一种水分散体，其主要包括矿物颜料如粘土、碳酸钙或氧化钛，和天然蛋白质例如酪蛋白或大豆蛋白质的颜料粘结剂，淀粉，或合成聚合物乳液。通常通过高速涂覆机，如刮刀涂覆机、气刀涂覆机、棒式涂覆机和辊式涂覆机将涂料组合物施涂到基材材料的连续网膜上。对于涂覆操作过程中色料的流动性(或流动)来说，用于基材的涂料着色组合物的流动性能具有显著的重要性。这些流动性常常通过增稠剂控制。
基材涂料组合物通常包括颜料、粘结剂如胶乳、以及用于强度、粘度控制和保水性的增稠剂。该涂料组合物常常也可以包括额外的组分如荧光增白剂、消泡剂、交联剂等。该颜料通常是粘土基的，但也可以包括其它颜料组分如碳酸钙、二氧化钛和二氧化硅。常规的共粘结剂或增稠剂包括淀粉、蛋白质和聚乙烯醇聚合物。
美国专利6,440,535公开了聚乙烯醇共聚物作为增稠剂在喷墨涂料组合物中的用途。美国专利5,494,509公开了包括多糖增稠剂的粘土颜料涂料组合物。美国专利6,746,713公开了包括聚乙烯醇聚合物和硼酸的喷墨记录介质涂料。该组合物用于制备吸墨层。美国专利4,877,686公开了一种喷墨记录介质，其中硼酸用作引入该介质的粘结剂的凝胶剂。美国专利3,438,808公开了用包括聚乙烯醇和硼酸的组合物涂覆纤维素纤维网膜。
本发明的简要描述本发明涉及涂料组合物，施涂该涂料组合物的方法，和包括该涂料组合物的商业制品。本文所述的涂料组合物对涂覆各种基材以改善基材的外观和可印性是有用的。该涂料组合物包括可选自各种适合体系，包括粘土的颜料体系和增稠剂体系。该增稠剂体系包括聚乙烯醇聚合物和含硼化合物如硼酸。
经发现该增稠剂体系对于通过凝胶化来增加涂料组合物的粘度是有用的并提供正保水性特性。该增稠剂体系用于提供在着色涂料组合物中所用的常规增稠剂体系的替代物。与常规增稠剂组合物相比，该增稠剂体系显示有利的操作特性以及提供有吸引力的成本利益。
除了颜料和增稠剂体系之外，该涂料组合物还包括粘结剂如胶乳、淀粉、蛋白质、聚乙烯醇聚合物和它们的混合物。
该涂料组合物还可以包括各种额外的组分如荧光增白剂、消泡剂和其它常规添加剂。
该涂料组合物的用途包括涂覆基材如纸和纸板以在该基材上提供光滑的可印刷表面。
发明详述本发明涉及涂料组合物和该涂料组合物的施涂和使用方法。该涂料组合物包括与包括常规增稠剂的涂料组合物相比显示有利的特性的独特的增稠剂体系。该涂料组合物通常是包含溶解的固体的水溶液，这些固体包括颜料体系、粘结剂和增稠剂体系。在一个实施方案中，该水性涂料组合物包括大约60-95wt.％的总固体衍生自该颜料体系、大约4-35wt.％的总固体衍生自该粘结剂体系以及大约0.5-5wt.％的总固体衍生自该增稠剂体系。
在一个实施方案中，该涂料组合物包含大约40-67wt.％总固体。在第二个实施方案中，该涂料组合物包含大约45-63wt.％总固体。在第三个实施方案中，该涂料组合物包含大约50-60wt.％总固体。在一个实施方案中，该涂料组合物可以包含大约33-60wt.％水。在另一个实施方案中，该涂料组合物可以包含大约38-55wt.％水。在第三个实施方案中，该涂料组合物可以包含大约40-50wt.％水。
该颜料体系可以选自任何对基材涂料组合物有用的颜料体系。例举的合适颜料是涂料级粘土如高岭土、二氧化钛、碳酸钙、硫酸钡、滑石、硫酸锌、硫酸铝、氧化钙反应产物、其它类似的材料、及其混合物的水性分散体。在一个实施方案中，颜料体系包含至少90wt.％粘土。
如上所述，颜料体系可以占涂料组合物的固体的大约60-95wt.％。在另一个实施方案中，颜料体系可以占涂料组合物总固体的大约70-85wt.％，粘结剂体系占组合物总固体的大约4-10wt.％，并且组合物总固体的大约0.5-5wt.％衍生自增稠剂体系。
粘结剂可以选自对粘结颜料颗粒和涂料组合物中的其它固体有用的任何适合的粘结剂。例举的粘结剂是天然蛋白质材料如酪蛋白或大豆蛋白质、淀粉或合成聚合物乳液如胶乳材料，该胶乳材料包括苯乙烯丁二烯、丙烯酸类胶乳、乙酸乙烯酯胶乳或苯乙烯丙烯酸共聚物、或天然胶乳材料、聚乙烯醇聚合物材料。
增稠剂体系包括至少两种组分。第一种组分是聚乙烯醇聚合物，第二种组分是含硼化合物。该聚乙烯醇聚合物可以是均聚物或共聚物，该共聚物包括至少一种共聚单体如乙烯、丙烯酸甲酯、乙烯胺、羧酸、支化烷基酸乙烯基酯如含5和9-11个碳原子的α-支化羧酸的乙烯基酯，其可以从Resolution Performance Products以品名VeoVa获得，乙烯胺、其它共聚单体。
在一个实施方案中，根据本文所述的组合物、产品和方法，有用的聚乙烯醇聚合物具有以下特性大约300-4,000的聚合度、大约10,000-200,000的重均分子量、大约85-99.9摩尔％发生了水解。在另一个实施方案中，用重均分子为大约124,000-186,000的聚乙烯醇聚合物制备增稠剂体系。
该增稠剂体系中包含的含硼化合物组分可以选自各种材料。例举的合适硼化合物是硼酸、硼酸甲酯、三氟化硼、硼酸酐、焦硼酸盐、过硼酸盐、硼烷、以及它们的混合物。在一个实施方案中，含硼化合物是硼酸。在另一个实施方案中，硼化合物是四硼酸钠十水合物(硼砂)。可以将硼化合物添加到聚乙烯醇涂料配制剂中或者可以将它作为罩面层水溶液施涂到已经形成的聚乙烯醇层上。
聚乙烯醇聚合物和含硼化合物结合用作增稠剂以控制涂料组合物的粘度。这一粘度调节通过硼酸离子和聚乙烯醇聚合物中的羟基之间形成配合物来提供。在大于8的pH值下，存在硼酸根离子并且该离子可以用来交联和引起涂料组合物中的聚乙烯醇凝胶化。在更低的pH值下，该硼酸根被氢束缚并不可用于交联，因此由硼酸根离子所引起的凝胶化是可逆的。通过将聚乙烯醇硼酸盐化，可以制备凝胶的涂料组合物，其可以容易地施涂到和/或粘附于基材网膜上。
正如以上所讨论，在一个实施方案中，涂料组合物的总固体可以包含大约0.5-5wt.％增稠剂体系固体。在另一个实施方案中，增稠剂体系固体可以占涂料组合物总固体的大约1-3wt.％。反过来，在一个实施方案中，该增稠剂体系的聚乙烯醇聚合物和含硼化合物组分的固体浓度又分别是该增稠剂体系总固体的大约94-99.98wt.％和大约0.02-6wt.％。在另一个实施方案中，聚乙烯醇聚合物和含硼化合物组分的固体浓度分别是增稠剂体系总固体的大约96-98wt.％和大约2-4wt.％。
在一个实施方案中，基于涂料组合物的颜料组分的固体重量，可以以大约0.001-0.03wt.％固体的浓度将含硼化合物引入涂料组合物中。在另一个实施方案中，基于颜料组分的固体总重量，可以以大约0.015-0.025wt.％固体的浓度将含硼化合物引入涂料配制剂中。在又一个实施方案中，基于颜料体系的固体的总重量，可以以大约0.015-0.02wt.％固体的浓度将含硼化合物引入涂料配制剂中。
本文所述的增稠剂体系的作用与常规增稠剂如蛋白质、羧甲基纤维素(CMC)、海藻酸纳和碱可膨胀的或反应性的聚丙烯酸酯相当或好于它们。此外，本文所述的增稠剂体系可以比这些常规增稠剂低得多的成本获得，从而为涂料组合物的制造商提供了相当大的成本优势。
然而，本文所述的聚乙烯醇和含硼化合物增稠剂体系也可以与常规增稠剂如蛋白质、羧甲基纤维素(CMC)、海藻酸纳和碱可膨胀的或反应性的聚丙烯酸酯结合。当结合时，在一个实施方案中，聚乙烯醇和含硼化合物增稠剂体系占结合的增稠剂体系固体的大约50-99wt.％。在另一个实施方案中，聚乙烯醇和含硼化合物增稠剂体系占结合的增稠剂体系固体的大约60-80wt.％。
本文所述的增稠剂体系对制备在宽范围内具有可控制粘度的涂料配制剂是有用的。在一个实施方案中，涂料配制剂的粘度可以是大约2,700-19,000cps。在另一个实施方案中，涂料配制剂的粘度可以是大约2,700-10,0000cps。在第三个实施方案中，涂料配制剂的粘度可以是大约2,700-5,400cps。
本文所述的增稠剂体系对制备在宽的涂料组合物pH值范围内具有可控制粘度的涂料配制剂是有用的。在一个实施方案中，增稠剂体系在6.5-9.0的pH值范围内对控制涂料配制剂的粘度是有用的。在另一个实施方案中，增稠剂体系在7.0-8.5的pH值范围内对控制涂料配制剂的粘度是有用的。
实验评价制备具有以下组分的对比配制剂(1)83份1号粘土(2)16份乙烯乙酸乙烯酯胶乳(从Air Products and Chemicals，Inc.市购的Airflex 100HS)(3)1份CELVOL 325(粘度28-32cps@4％固体和20℃，且pH值为5.0-7.0，从Celanese Chemicals市购)(4)设定目标是58％的总固体浓度。
使用该对比配制剂，进行以下研究(1)基于干CELVOL 325的份数以1、1.5和2.0％(基于颜料体系固体0.01％、0.015％和0.02％的硼酸)将4％的硼酸溶液(10摩尔％结合水)添加到该对比配制剂中。重复这一程序三次以检测再现性。
(2)制备2.0％NaOH和1.75％NH4OH的溶液作为pH值控制添加剂。
(3)进行7.0-9.0的pH值梯度研究以观察pH值对各种配制剂在粘度方面的影响。
用于研究的涂料配制剂#1和#2通过以下方法步骤制备
(1)首先将稀释水和消泡剂添加到粘土浆料中。
(2)在高剪切混合下添加胶乳、聚乙烯醇聚合物和硼酸。
(3)在添加完成之后，将该涂料以1500rpm额外混合10分钟。
(4)记录初始pH值然后在连续混合下将pH值调节到7.3。
(5)在达到所需pH值之后，将该涂料色料额外混合5分钟。
以下讨论的用于pH值梯度研究的涂料配制剂通过前面的方法制备，不同之处在于(1)制备含Airflex HS100、PVOH和2.0％硼酸(基于干PVOH)的母料粘土浆料。
(2)用2.0％的NaOH将浆料的pH值调节到以下水平7.0、7.5、8.0、8.5和9.0。
在高剪切过程中和之后，检测该配制剂的局部凝胶。在任何硼酸水平下没有发现凝胶。对每个配制剂进行以下试验pH值、微波固体和在60rpm下的布氏粘度。
实验评价的结果在
图1、图2和图3中给出。图1记录了将含硼化合物添加到涂料配制剂的粘度增强作用。图2证明了其中已添加含硼化合物的组合物的粘度相对于该组合物pH值的变化。图3记录了将含硼化合物添加到涂料配制剂的粘度增强作用的再现性。
如图1所示，所评价的所有硼酸添加水平都表现为粘度增加。在0.02％硼酸下，涂料粘度比含NH4OH的对比配制剂高67％，且比含NaOH的制剂高117％。
对于涂料组合物的pH值，正如以上所讨论，粘度调节通过硼酸离子和聚乙烯醇聚合物中的羟基之间的配合物的形成来提供。在大于8的pH值下，存在硼酸根离子并且该离子可以用来交联并引起涂料组合物中的聚乙烯醇的凝胶化。在更低的pH值下，该硼酸根被氢束缚并不可用于交联，因此由硼酸根离子所引起的凝胶化是可逆的。在pH值梯度研究中，该研究结果记录在图2中，硼酸水平是恒定的，为涂料组合物中颜料重量的0.02wt.％。根据图3，可以看出随着pH值增加到8.5，涂料组合物的粘度增加。从这一数据可以得出结论，在本文所述的涂料组合物的一个实施方案中，7.0-8.5的pH值是理想的。
图3报道了对于图1所述涂料组合物性能的可重复性。如图3所示，制备了每次都显示出了粘度性能的一致性的涂料组合物。可以看出，第四个数据组显示在58.6的固体含量下涂料组合物具有非常高的粘度。可以认为，这一比其它粘度值高得多的粘度值由配制误差或粘度测量误差引起。
本文涉及的所有专利和出版物以其整体在此引入以供参考。
虽然详细地描述了本发明及其优点，但是应理解的是，在不脱离由以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变、替换和变化。
权利要求
1.一种基材涂料组合物，其包含(a)颜料体系，其占该涂料组合物总固体的大约60-95wt.％；(b)粘结剂，其占该涂料组合物总固体的大约4-35wt.％；(c)增稠剂体系，其占该涂料组合物总固体的大约0.5-5wt.％并包含(i)聚乙烯醇聚合物，其具有大约300-4,000的聚合度、大约10,000-200,000的分子量，并且大约88.0-99.9摩尔％发生了水解，该聚合物占该增稠剂体系总固体的大约94-99.98wt.％；和(ii)含硼化合物，其占该增稠剂体系总固体的大约0.02-6wt.％，其中该涂料组合物包含大约40-67wt.％的总固体。
2.权利要求1的基材涂料组合物，其具有大约2,700-10,000cps的粘度。
3.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其中该含硼化合物以占该颜料体系固体大约0.001-0.03wt.％的浓度存在。
4.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其中该颜料体系包含选自由粘土、二氧化钛、碳酸钙、硫酸钡、滑石、硫酸锌、或硫酸铝的反应产物、氧化钙、及其混合物组成的组的材料并且其中该粘结剂包含胶乳。
5.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其具有7.0-8.5的pH值。
6.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其包含大约33-60wt.％的水。
7.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其具有大约45-63wt.％的总固体含量。
8.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其中该含硼化合物是硼酸并且以占该颜料体系总固体0.01-0.025wt.％的浓度存在。
9.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其中该颜料体系占该涂料组合物总固体的大约70-85wt.％，并且其中该颜料体系包含至少90wt.％的粘土以及其中该聚乙烯醇聚合物具有大约124,000-186,000的分子量。
10.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其中该粘结剂包含胶乳。
11.上述任一项权利要求的基材涂料组合物，其中选自由蛋白质、羧甲基纤维素、海藻酸纳、聚丙烯酸酯、及其混合物组成的组的材料占该增稠剂体系固体的大约20-40wt.％。
12.一种涂覆的基材，其包括(1)基材；和(2)包含以下物质的涂料(a)颜料体系，其占该涂料组合物总固体的大约60-95wt.％；(b)粘结剂，其占该涂料组合物总固体的大约4-35wt.％；(c)增稠剂体系，其占该涂料组合物总固体的大约0.5-5wt.％并包含(i)聚乙烯醇聚合物，其具有大约300-4,000的聚合度、大约10,000-200,000的分子量，并且大约88.0-99.9摩尔％发生了水解，该聚合物占该增稠剂体系总固体的大约94-99.98wt.％；和(ii)含硼化合物，其占该增稠剂体系总固体的大约0.02-6wt.％，其中该涂料组合物包含大约40-67wt.％的总固体。
13.权利要求12的涂覆的基材，其中该基材选自由纸板和纸组成的组。
14.权利要求12-13中任一项的涂覆的基材，其中该含硼化合物是硼酸，其以占该颜料体系固体大约0.01-0.03wt.％的浓度存在。
15.权利要求12-14中任一项的涂覆的基材，其中该颜料体系包含选自由粘土、二氧化钛、碳酸钙、硫酸钡、滑石、硫酸锌、或硫酸铝的反应产物、氧化钙、及其混合物组成的组的材料。
16.权利要求14-15中任一项的涂覆的基材，其中该硼酸以占该颜料体系固体0.01-0.025wt.％的浓度存在。
17.权利要求12-16中任一项的涂覆的基材，其中该颜料体系包含至少90wt.％的粘土并且其中该聚乙烯醇聚合物具有大约124,000-186,000的分子量。
18.权利要求12-17中任一项的涂覆的基材，其中该基材由纸板组成。
19.一种涂覆基材的方法，其包括(1)用包含以下组分的涂料组合物涂覆该基材(a)颜料体系，其占该涂料组合物总固体的大约60-95wt.％；(b)粘结剂，其占该涂料组合物总固体的大约4-35wt.％；(c)增稠剂体系，其占该涂料组合物总固体的大约0.5-5wt.％并包含(i)聚乙烯醇聚合物，其具有大约300-4,000的聚合度、大约10,000-200,000的分子量，并且大约88.0-99.9摩尔％发生了水解，该聚合物占该增稠剂体系总固体的大约94-99.98wt.％；和(ii)含硼化合物，其占该增稠剂体系总固体的大约0.02-6wt.％，其中该涂料组合物包含大约40-67wt.％总固体；和(d)干燥该涂料组合物。
20.一种包含涂覆的基材的印刷基材产品，其包含(a)颜料体系，其占该涂料组合物总固体的大约60-95wt.％；(b)粘结剂，其占该涂料组合物总固体的大约4-35wt.％；(c)增稠剂体系，其占该涂料组合物总固体的大约0.5-5wt.％并包含(i)聚乙烯醇聚合物，其具有大约300-4,000的聚合度、大约10,000-200,000的分子量，并且大约88.0-99.9摩尔％发生了水解，该聚合物占该增稠剂体系总固体的大约94-99.98wt.％；和(ii)含硼化合物，其占该增稠剂体系总固体的大约0.02-6wt.％。
全文摘要
本发明提供了涂料组合物，施涂该涂料组合物的方法以及包括该涂料组合物的制品。该涂料组合物对涂覆各种基材以改善该基材的外观和可印性是有用的。该涂料组合物包括颜料体系、粘结剂和增稠剂体系。该增稠剂体系包括聚乙烯醇聚合物和含硼化合物如硼酸。该涂料组合物显示等于或优于包含常规增稠剂的涂料组合物的粘度特性同时提供了优于常规增稠剂体系的成本优点。
文档编号C09D123/08GK1972808SQ200580020703
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月3日 优先权日2004年6月24日
发明者G·D·米勒, C·L·威尔金斯 申请人:塞拉尼斯国际公司