説明

コート紙および板紙

【課題】リン含有官能基を有するアクリルポリマーは、水性コーティング組成物中のその顔料分散能力で知られており、高いフィラー量を有する複合紙シートを製造するための使用についても提案されているが、このようなリン含有ラテックスは凝集し、紙コーティングに適さない。十分な粘度安定性を付与したコーティング液を提供し、そのコーティング組成物によってコーティングされた紙または板紙を提供する。
【解決手段】特定のリン含有エマルジョンポリマーおよびリン含有分散剤を有する顔料を含有する水性紙コーティング組成物でコートされた紙または板紙。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リン含有ラテックスおよび顔料を有するコーティングでコートされた紙または板紙に関する。
【背景技術】
【0002】
リン含有官能基を有するアクリルポリマーは、水性コーティング組成物中のその顔料分散能力で知られている(たとえば、米国特許第5,385,960号参照)。このようなポリマーは、高いフィラー量を有する複合紙シートを製造するための使用についても提案されている(たとえば、米国特許第4,609,434号参照)。
【特許文献1】米国特許第5,385,960号明細書
【特許文献2】米国特許第4,609,434号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、この後者の特許は、このようなリン含有ラテックスは凝集することができ、したがって紙コーティングに適さないことを警告している。この特許は次に、かかるラテックスは、エチレン性不飽和カルボン酸(たとえば、アクリル酸)をかかるポリマーに共重合することにより、ある程度安定化させることができることを記載している。しかしながら、本発明者らは、ラテックスをアクリル酸と共重合させることにより十分な粘度安定性が付与されないことを見出した。
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明は:
(a)顔料粒子;
(b)ホスフェートまたはホスホネート基を含有するアクリルまたはビニルポリマーの粒子;および
(c)ポリホスフェート化合物、または式(I)もしくは(II)の化合物から選択される、1以上の化合物
【0005】
【化1】

【0006】
【化2】

【0007】
(式中、R1、R3、R6、R8は独立して、水素またはアルキル基であり、R2、R4、R5、R7、R9およびR10は独立して、水素、アルキル基あるいはアンモニウムまたは金属カウンターイオンであるか、あるいはR5はホスホエチルジメタクリレートの残基であって、任意に他のエチレン性不飽和モノマーまたはダイマーと重合されていてもよい;合計(m+n)および(q+r)のそれぞれは10〜600の整数であり、pは1〜10の整数であり;ここでm:nおよびq:rの比のそれぞれは0:100〜95:5である):
を含む水性コーティング組成物を有する〔たとえば、ベースコートまたはトップコート(あるいは複数のコーティング適用の場合、中間コートのいずれか)として片面または両面が前記水性コーティング組成物でコートされた〕、紙(コーティングされていない重量基準:35−178gsm)または板紙(コーティングされていない重量基準:195−586gsm)を含む紙または板紙製品である。
式(I)または(II)のポリマー構造のいくつかは水溶性である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
「ポリホスフェート化合物」とは、Cottonら、Advanced Inorganic Chemistry,A Comprehensive Text,Interscience Publishers(1972)、p397により記載されている直鎖または環状ポリホスフェート類を意味する。
【0009】
好ましい化合物ポリホスフェートは、酸形態、あるいはピロホスフェート類、トリポリホスフェート類、メタホスフェート類およびポリメタホスフェート類のアルカリ金属またはアンモニウム塩[たとえば、(NaPO、たとえば、ヘキサメタリン酸ナトリウム(式中、x=6)またはxが6より大きい他の類似の構造]を包含する。本発明の好ましい実施態様において、ナトリウム塩が使用される。
【0010】
リン含有アクリルポリマーバインダーのポリホスフェート化合物(および/または式(I)または(II)の化合物)に対する重量比は、好ましくは1:0.001〜1:2、さらに好ましくは1:0.01〜1:0.5、最も好ましくは1:0.03〜1:0.3である。
【0011】
全ての百分率は特に記載のない限り、重量百分率である。「アクリルポリマー」なる用語は、少なくとも40%の次のアクリルモノマー由来のモノマー単位を含むポリマーをさす:アクリロニトリル(AN);アクリルアミド(AM)、メタクリルアミド、およびそのN−置換誘導体;アクリル酸(AA)、メタクリル酸(MAA)、およびイタコン酸(IA)およびそのエステル。(メタ)アクリルおよび(メタ)アクリレートなる用語は、それぞれ、アクリルまたはメタクリル、およびアクリレートまたはメタクリレートをさす。AAおよびMAAのエステルは、これに限定されないが、メチルメタクリレート(MMA)、エチルメタクリレート(EMA)、ブチルメタクリレート(BMA)、エチルヘキシルメタクリレート(EHMA)、ラウリルメタクリレート(LMA)、ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)、メチルアクリレート、(MA)、エチルアクリレート(EA)、ブチルアクリレート(BA)、エチルヘキシルアクリレート(EHA)およびヒドロキシエチルアクリレート(HEA)、ならびにAAまたはMAAの他のエステル、たとえば、アルキル、ヒドロキシアルキルおよびアミノアルキルエステル;ホスホアルキル(メタ)アクリレートを包含する。ホスホアルキル(メタ)アクリレートは、たとえば、ホスホエチルメタクリレート(PEM)、ホスホプロピル(メタ)アクリレート、ホスホブチル(メタ)アクリレートを包含する。アクリルアミドの誘導体は、たとえば、メチロールアクリルアミド(MLAM)を包含する。アクリルポリマーは、他のエチレン性不飽和モノマー、たとえば、スチレンまたは置換スチレン;他のα,β−不飽和カルボン酸、エステルおよびアミド;ビニルエステル類またはハライド類などから誘導されるモノマー単位も含有することができる。好ましくは、アクリルポリマーは、少なくとも50%、さらに好ましくは少なくとも60%;最も好ましくは少なくとも70%のアクリルモノマー由来のモノマー残基を含み;好ましくは、アクリルポリマーはAA、MAAおよびそのエステル以外のモノマー単位を実質的に含まない。「アクリル−スチレンコポリマー」は、そのモノマー単位の少なくとも50%がAA、MAA、AAおよびMAAのエステル;およびスチレンモノマー類由来であるポリマーである。スチレンモノマー類は、スチレン(Sty)および置換スチレン、たとえば、α−メチルスチレン(AMS)を包含する。好ましくは、アクリル−スチレンコポリマーは、20%未満、さらに好ましくは10%未満、最も好ましくは5%未満の、スチレンまたはアクリルモノマー単位以外のモノマー単位を含有する。好ましくは、本発明におけるポリマーは、ラテックスの形態において存在する。ポリマーは、単一モードまたは二モードであることができる。たとえば、米国特許第6,818,697号参照。
【0012】
本発明の水性組成物は、ホスフェートまたはホスホネート基を含有するアクリルポリマーを含む。本発明の一つの実施態様において、これらの基は、ホスフェートまたはホスホネート含有モノマー由来のモノマー残基の形態において存在し、たとえば、ホスホアルキル(メタ)アクリレート、たとえば、ホスホエチル(メタ)アクリレート、ホスホプロピル(メタ)アクリレート、およびホスホブチル(メタ)アクリレート、ホスホアルキルクロトネート類、ホスホアルキルマレエート類、ホスホアルキルフマレート類、ホスホジアルキル(メタ)アクリレート類、ホスホジアルキルクロトネート類、ならびにアリルおよびビニルホスホネートを包含する。本発明の目的に関して、ホスホアルキル(メタ)アクリレートは、(メタ)アクリレートのエチレンオキシド縮合物、たとえば、HC=C(CH)COO(CHCHO)P(O)(OH)(式中、nは1〜50である)を包含する。ホスフェートまたはホスホネート含有ポリマーは、組成物中の唯一のアクリルポリマーでありうるか、あるいはホスフェートまたはホスホネート基を含有しないアクリルポリマーとブレンドすることができる。好ましくは、ホスフェートまたはホスホネート含有モノマー単位は、固体基準でアクリルポリマーの合計量の0.5%〜8%、さらに好ましくは1%〜5%を構成する。
【0013】
本発明の紙または板紙中または上で使用される組成物は、1種以上の顔料粒子を含む。顔料の例としては、これらに限定されないが、無機顔料、たとえば、重質および沈降炭酸カルシウム、カオリン、焼成粘土、剥離および構造粘土、二酸化チタン、珪酸アルミニウム、珪酸マグネシウム、酸化亜鉛、酸化鉄、炭酸マグネシウム、非晶質シリカ、水酸化亜鉛、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、タルク、サテンホワイト、硫酸バリウムおよび硫酸カルシウム、およびこれらの物質の組み合わせが挙げられる。本発明において有用な顔料は、様々なポリマー系プラスチック顔料、たとえば、これらに限定されないが、有孔、多孔、バインダーコート、帯電などの固体ビーズ、およびその組み合わせも包含し得る。好ましくは、本発明の組成物は、炭酸カルシウムを含む。炭酸カルシウムは、様々な粒子サイズ、形状および形態の重質タイプ(GCC)または沈降タイプ(PCC)であり得る。
【0014】
好ましくは、組み合わせられた全顔料100部(乾燥)についてのコーティング組成物中のラテックスポリマーの合計量は、1〜25部(乾燥)、さらに好ましくは3〜18部(乾燥)、最も好ましくは5〜15部(乾燥)である。
【0015】
本発明の一つの実施態様において、ホスフェートまたはホスホネート基を含有するアクリルポリマーは、−30℃〜60℃のTgを有する。好ましくは、Tgは、−25℃〜45℃、最も好ましくは−20℃〜35℃である。TgはFox式(T.G.Fox,Bull.Am.Physics Soc.第1(3)巻、123ページ(1956))を用いて計算される。好ましくは、アクリルポリマーの重量平均分子量(Mw)は、50000〜1500000、さらに好ましくは少なくとも200000〜1200000、最も好ましくは少なくとも500000〜800000である。
【0016】
粒子サイズは:好ましくは50〜500nm、さらに好ましくは60〜350nm、最も好ましくは80〜300nmの範囲である。本発明の組成物がコーティングとして配合される場合、紙コーティング分野において公知の他の通常のバインダーをリン含有ラテックスとの組み合わせにおいて添加することができる。このような追加のバインダーとしては(これに限定されないが)、アクリレート類、スチレン−アクリレート類、ビニルアセテート類、ビニルアセテート−アシレート類、SBR類(SBおよびSBAsを包含する)などが挙げられる。
【0017】
本発明の組成物がコーティングとして配合される場合、他の通常のコーティングアジュバント、たとえば、粘着性付与剤、乳化剤、緩衝液、中和剤、増粘剤またはレオロジー改良剤、保湿剤、湿潤剤、殺生剤、可塑剤、消泡剤、蛍光増白剤(OBA)、着色剤、ワックス、酸化防止剤、および造膜助剤が典型的には添加される。本発明の水性コーティング組成物の固形分は、30重量%〜80重量%である。紙または板紙に適用される前の水性コーティング組成物の粘度は、Brookfield粘度計を用いて測定すると、好ましくは約4000cp未満、好ましくは50cpsを超える。
【0018】
本発明の組成物は、顔料および/またはフィラーを含有するラテックス配合物に対して改善された粘度安定性を提供し、すなわち、それは平衡または老化に際して起こる粘度の変化を減少させる。組成物は、コーティング組成物を沈殿させる傾向がある、凝集した粒子塊の形成も減少させ得る。
【実施例】
【0019】
実施例1
リン含有ポリマー粒子の水性分散物の調製
モノマーエマルジョンは、576gの脱イオン(DI)水、21.1gのドデシルベンゼンスルホネート界面活性剤(23重量%活性)、38.6gのエトキシル化モノアルキルスルホスクシネート界面活性剤(30重量%活性)、38.6gのアクリル酸、1255.3gのブチルアクリレート、154.8gのアクリロニトリル、425gのスチレン、および57.9gのホスホエチルメタクリレート(50%活性)を組み合わせることにより調製された。撹拌機および凝縮器を備え、664gのDI水、12.6gのドデシルベンゼンスルホネート(23%)、1.44gの硫酸ナトリウム、および0.4gの4−ヒドロキシTEMPO(5%活性)を含有する、5リットルの四口丸底フラスコに、87℃で、102.7gのモノマーエマルジョンを添加し、続いて32.4gのDI水中に溶解させた5.9gの過硫酸ナトリウムを添加し、追加の22.6gのDI水でフラスコにリンスした。10分後、残りのモノマーエマルジョンならびに5.9gの過硫酸ナトリウムおよび8.6gの水酸化ナトリウム(50%活性)の203.4gのDI水中溶液を3時間にわたって別々にフラスコへ添加した。添加の間、バッチの温度を87℃に維持した。全ての添加が完了したら、容器を15.2gのDI水でフラスコにリンスした。DI水中14.3gのt−ブチルヒドロペルオキシド(70%)および8.8gの亜硫酸水素ナトリウムからなる別の触媒および活性剤装填物を、バッチを45℃に冷却しながら、3回に分けて90分にわたって添加し、253.9gのDI水中42.6gの水酸化ナトリウム(50%)からなる中和剤溶液を同じ期間に添加した。8.1gのKathon LX溶液(1.4%活性)、および1.17gのDrewplus T−3200消泡剤を添加して、バッチを完了させた。実施例1の水性ポリマー分散物は、49重量%固形分を含有し、pH7.6を有していた。この手順を用いて、2つのラテックス実施例1A(粒子サイズ約90nm)および実施例1B(粒子サイズ約130nm)
【0020】
実施例2
リン含有ポリマー粒子の水性分散物の調製
モノマーエマルジョンは、497gの脱イオン(DI)水、19.3gのドデシルベンゼンスルホネート界面活性剤(23重量%活性)、17.7gのエトキシル化モノアルキルスルホスクシネート界面活性剤(30重量%活性)、44.4gのアクリル酸、1452.9gのブチルアクリレート、88.6gのアクリロニトリル、132.9gのスチレン、および53.2gのホスホエチルメタクリレート(50%活性)を組み合わせることにより調製された。撹拌機および凝縮器を備え、715gのDI水、2.2gのドデシルベンゼンスルホネート(23%)、2.7gの硫酸ナトリウム、および0.08gの4−ヒドロキシTEMPO(5%活性)を含有する、5リットルの四口丸底フラスコに、87℃で、69.2gのモノマーエマルジョンを添加し、続いて35gのDI水中に溶解させた5.3gの過硫酸ナトリウムを添加した。5分後、残りのモノマーエマルジョンおよび5.3gの過硫酸ナトリウムの100gのDI水中溶液、ならびに65gのDI水中7.3gの水酸化ナトリウム(50%活性)を2.5時間にわたって別々にフラスコに添加した。添加の間、バッチの温度を86℃に維持した。全ての添加が完了したら、容器をフラスコに40gのDI水でリンスした。3.8gのt−ブチルヒドロペルオキシド(70%)/2.7gの亜硫酸水素ナトリウム(95gのDI水中)および4.9gのt−ブチルヒドロペルオキシド(70%)/3.5gのイソアスコルビン酸(110gのDI水中)からなる別の触媒および活性剤装填物を、それぞれ、バッチを75℃に冷却しながら30分にわたって添加した。バッチを45℃にさらに冷却しつつ、1.1gのDrewplus T−3200消泡剤、15.4gの水酸化ナトリウム(50%)および22.6gのエトキシル化モノアルキルスルホスクシネート(30%)と48gのDI水の溶液、および25gのDI水中7.9gのKathon LX溶液(1.4%活性)の装填物を連続して添加した。実施例2の水性ポリマー分散物は49.3重量%の固体を含有し、pH6.0を有していた。
【0021】
実施例3
5グラムのピロリン酸四ナトリウム十水和物を95グラムの水中に溶解させることにより、ピロリン酸四ナトリウム十水和物の水中5%溶液を調製した。
【0022】
実施例4A−C
コーティング配合物および粘度データ
【0023】
【表1】

【0024】
ピロリン酸四ナトリウムを含む実施例4bおよび4cは、ピロリン酸四ナトリウムを含まない4aと比べて、2時間にわたる、より低い粘度上昇を示す。
【0025】
実施例5
ヘキサメタリン酸ナトリウム溶液の調製
50グラムのヘキサメタリン酸ナトリウム(BK Giuilini、CA、USAから購入したCalgon−N)を50グラムの水中に溶解させることにより、ヘキサメタリン酸ナトリウムの水中50%溶液を調製した。この溶液を以下の実施例において、表示されている場合には使用した。
【0026】
実施例6A−G
コーティング配合物および粘度の経時的データ
以下の表において使用される成分は、Omya,Inc.から入手したHydrocarb−90(炭酸カルシウム);Imerys,Inc.から購入したSPS(通常の明度の粘土);Rohm and Haas Company、Philadelphia,PAからの商品として入手可能なAF−1055ER(中空プラスチック顔料)およびPrimal 308AF(スチレン−アクリレートバインダー);Rhoplex RM−232D 増粘剤(疎水的に修飾された、低発泡性アルカリ膨潤性エマルジョン(HASE))これもRohm and Haasから入手可能である。これらの物質を使用して以下のコーティング配合物を調製した。
【0027】
【表2】

【0028】
実施例6Aおよび6Bは、リン含有ラテックスを有する紙コーティング配合物が有意な粘度増加を示し、および実施例B−Gから、粘度増加は、Calgon−N分散剤により制御することができ、これにより安定な紙コーティング着色が提供されることがわかる。
【0029】
実施例7
コーティング配合物7A−Iが調製され(その主成分を以下の表に示す)、フリーシートベースストック(65gsm)の両面(C2S)上にKCL(Finland)パイロットコーターで、1800m/分で動作するジェットコーターヘッドを用いてコートされた。コーティング7 D−Iは、Calgon−Nの50重量%水溶液とあらかじめ混合され、ラテックス固形分基準で3重量%にされた実験ラテックス1Aおよび1Bから調製された。シート上に適用されたコート重量は各面上で7gsmであった。コートされたシートを1500m/分の速度で動作し、9ニップを有するオフラインスーパーカレンダーで、60〜90℃の温度および200kN/mの圧力でカレンダー加工して、オンライン光沢計(75度光沢)により測定して約70の目標光沢にした。
【0030】
【表3】

【0031】
前記コーティング7A−Iでコートされた紙を一般的光学特性(Technidyne(New Albany,IN)から入手したベンチトップ光沢計を用いた75度光沢)について実験室において試験した。実験室用Prufbauプリンティングステーションを使用して、同じ紙をVandercookウェットピックコーティング強度について試験した。ウェットピックコーティング強度試験の条件は次のとおりであった:シートに供給されたシアンインク(0.18g)、圧力、800N;印刷速度、1.2m/s;インク時間、30秒;水:10マイクロリットル液滴。プリントを1から5で採点し、ここで1は最高の強度を表し、5は最低の強度を表す。
【0032】
【表4】

【0033】
前記の評点は、ホスフェートモノマーが組み入れられた実験ラテックスは通常のスチレン−アクリレートラテックスと比較してより高いコーティング強度を付与することを示す。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
(a)顔料粒子;
(b)ホスフェートまたはホスホネート基を含有するアクリルまたはビニルポリマーの粒子;および
(c)ポリホスフェート化合物、または式(I)もしくは(II)の化合物から選択される、1以上の化合物
【化1】

【化2】

(式中、R1、R3、R6、R8は独立して、水素またはアルキル基であり、R2、R4、R5、R7、R9およびR10は独立して、水素、アルキル基またはアンモニウムもしくは金属カウンターイオンであるか、あるいはR5はホスホエチルジメタクリレートの残基であって、任意に他のエチレン性不飽和モノマーまたはダイマーと重合されてもよい;合計(m+n)および(q+r)のそれぞれは10〜600の整数であり、pは1〜10の整数であり;ここでm:nおよびq:rの比のそれぞれは0:100〜95:5である):
を含む水性コーティング組成物を有する、紙(コーティングされていない重量基準:35−178gsm)または板紙(コーティングされていない重量基準:195−586gsm)を含む紙または板紙製品。
【請求項2】
顔料粒子が、二酸化チタン、酸化亜鉛、粘土、タルク、炭酸カルシウムおよびその組み合わせからなる群から選択される請求項1記載の紙または板紙製品。
【請求項3】
組成物が炭酸カルシウムを含む請求項1記載の紙または板紙製品。
【請求項4】
ホスフェートまたはホスホネート基を含有するアクリルポリマーが、−30℃〜60℃のTgを有する請求項1記載の紙または板紙製品。
【請求項5】
ホスフェートまたはホスホネート基を含有するアクリルポリマーが、ホスホアルキル(メタ)アクリレートの残基を含む請求項4記載の紙または板紙製品。
【請求項6】
ポリホスフェート化合物が、アルカリ金属またはアンモニウムピロホスフェート、トリポリホスフェート、メタホスフェートまたはヘキサメタホスフェートから選択される請求項5記載の紙または板紙製品。
【請求項7】
顔料粒子が炭酸カルシウムを含む請求項6記載の紙または板紙製品。
【請求項8】
製品上に適用される前のコーティング組成物が約4000cP未満の粘度を有する請求項1記載の紙または板紙製品。

【公開番号】特開2008−127735(P2008−127735A)
【公開日】平成20年6月5日(2008.6.5)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2007−298875(P2007−298875)
【出願日】平成19年11月19日(2007.11.19)
【出願人】(590002035)ローム アンド ハース カンパニー (524)
【氏名又は名称原語表記】ROHM AND HAAS COMPANY
【Fターム(参考)】