Способ получения композиций биополимерного наночастичного биолатекса, демонстрирующих улучшенные эксплуатационные характеристики, и композиции на их основе

Способ получения композиций биополимерного наночастичного биолатекса, демонстрирующих улучшенные эксплуатационные характеристики, и композиции на их основе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США №61/119602, поданной 3 декабря 2008 года, вся полнота содержания которой для всех целей посредством ссылки включается в настоящий документ.

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к способу получения новых биополимерных конъюгатов (также называемых «конъюгатом биолатекса™») и композициям на их основе, которые получили в результате соэкструдирования совместно, по меньшей мере, с одной добавкой для получения новых композиций конъюгатов биолатексов, которые демонстрируют улучшенные эксплуатационные характеристики для использования на бумаге и картоне с нанесенным покрытием и в других областях применения.

Уровень техники

В патенте США №6755915 (который соответствует документу WO 00/40617) описывается способ получения частиц крахмала, который включает: а) получение первой фазы, содержащей дисперсию гранул крахмала в воде, b) получение дисперсии или эмульсии первой фазы во второй неводной жидкой фазе, с) сшивание крахмала, присутствующего в первой фазе, и d) отделение таким образом полученных частиц крахмала. В одном аспекте изобретения эмульсия «масло в воде» может быть инвертирована в эмульсию «вода в масле».

В патенте США №6677386 (который соответствует документу WO 00/69916) описывается способ получения биополимерных наночастиц, которые в одной форме представляют собой наночастицы крахмала. В способе биополимер пластифицируют при использовании сдвиговых усилий и во время переработки добавляют сшиватель. После переработки биополимерные наночастицы могут быть диспергированы в водной среде. Один вариант способа в результате приводит к получению наночастиц крахмала, которые характеризуются средним размером частиц, меньшим чем 400 нанометров. Наночастицы могут быть использованы в качестве матричного материала, который может быть пленкообразующим материалом, загустителем, модификатором реологии, клеем или клеящей добавкой (добавкой, придающей клейкость). Наночастицы или их дисперсии также могут быть использованы в связи с их характеристиками непроницаемости в качестве носителя, жирозаменителя или лекарственного средства для смягчения кожных воспалений. Дополнительные примеры областей применения наночастиц или их дисперсий относятся к сферам промышленности изготовления бумаги и упаковывания, сельского хозяйства и садоводства. Наночастицы также могут быть использованы в качестве лекарственных сред или носителей в лекарствах, где они могут комплексоваться или ковалентно связываться с активными веществами, такими как лекарственные препараты замедленного высвобождения. Наночастицы также могут быть переработаны в пену при относительно высокой плотности.

Другие варианты использования наночастиц из патента США №6667386 могут быть найдены в: (i) патенте США №7160420, в котором описываются использование наночастиц крахмала в качестве вводимой в мокрой части добавки к суспензии волокнистой массы при изготовлении бумаги или нанесение на поверхность бумаги в качестве агента проклеивания поверхности; (ii) патенте США №6825252, в котором описывается использование наночастиц крахмала в связующем в композиции пигментированного покрытия для бумаги; (iii) патенте США №6921430, в котором описывается использование наночастиц крахмала в экологически безопасных клеях; и (iv) публикации патентной заявки США №2004/0241382, в которой описывается использование наночастиц крахмала в клее для получения гофрированного картона. Описание данных патентов и заявок и всех других публикаций, упомянутых в настоящем документе, посредством ссылки включается в настоящий документ, как если бы они были бы полностью представлены в настоящем документе.

Изобретение в патенте США №6667386 относится к способу получения биополимерных наночастиц, которые в одной форме представляют собой наночастицы крахмала, характеризующиеся средним размером частиц, меньшим чем 400 нанометров. Данное изобретение не предусматривает, не рассматривает и не предлагает, как в настоящем изобретении, какой-либо мотивации для добавления добавок, улучшающих эксплуатационные характеристики, также оно не предусматривает и преимуществ по эксплуатационным характеристикам, которые могли бы являться результатом получения новых конъюгатов биолатексов. Это ясно подтверждается в первом предложении патента 6667386 (а также в остальной части патента), где утверждается: «Изобретение относится к способу получения наночастиц, то есть частиц, по существу состоящих из биополимера, такого как крахмал. Изобретение также относится к наночастицам, получаемым по такому способу».

Таким образом, как можно видеть, наночастицы, полученные по способу патента США №6667386, находят себе множество вариантов использования. В публикации международной патентной заявки РСТ №WO 2008/022127 А2 описываются способ получения биополимерных наночастиц, улучшенный способ получения увеличенных количеств биополимерных наночастиц и, в частности, наночастиц крахмала.

В технической статье Bloembergen et al., «Paper binder performance with biobased nanoparticles. A starch-based biolatex can replace petroleum-based latex binders in paper-making». Paper 360"Magazme, Sept. 2008 недавно описывалось применение связующих биолатексов на основе биополимерных наночастиц из патента США №6667836 в бумаге и картоне с нанесенным покрытием. Связующий биолатекс образует высокотехнологичный заменитель связующих на нефтехимической основе, использующихся в способах изготовления бумаги и картона с нанесенным покрытием, при пониженной стоимости на один фунт. Преобладающими связующими на нефтехимической основе, использующимися при изготовлении бумаги и картона с нанесенным покрытием, являются карбоксилированный стирол-бутадиеновый сополимер (латекс СБ) и стирол-акрилатный сополимер (латекс СА).

В настоящее время в промышленности потребляется свыше 4 миллиардов фунтов латекса СБ и СА в год. На фоне продолжения роста цены нефти и увеличения цены синтетических связующих более чем на 100% в течение последних нескольких лет производители бумаги столкнулись с повышенными производственными себестоимостями, что заставляет их искать пути обеспечения эффективности, переносить рост издержек на потребителя или останавливать производство.

Биолатексное связующее из патента США №6667836 демонстрирует эксплуатационные характеристики, которые сопоставимы с характеристиками латекса СБ и СА с точки зрения важных свойств бумаги, таких как блеск покрытия, яркость, белизна, флуоресценция, яркость типографской краски и пригодность для печати, при одновременном обеспечении получения эксплуатационных характеристик, превосходящих характеристики латекса СБ и СА в отношении водоудерживания, непрозрачности, выщипываемости в сухом состоянии, пестроты при печати, пористости (сопротивления образованию вздутий) и жесткости бумаги. Однако изобретение биополимерных наночастиц из патента США №6667836 не предусматривает, не рассматривает и не предлагает, как в настоящем изобретении, какой-либо мотивации по добавлению добавок, улучшающих эксплуатационные характеристики, также оно не предусматривает и значительных преимуществ по эксплуатационным характеристикам, которые могли бы представлять собой результат получения новых конъюгатов биолатексов.

Яркость и белизна входят в число наиболее ценных свойств бумаги и картона. Различные коммерческие марки продуктов характеризуются различными техническими требованиями по яркости и белизне, которые в основном определяются составом покрытия для бумаги и картона и в меньшей степени композицией бумаги по волокну (сырьевой смесью) и специфическими производственными условиями. С учетом использования различных пигментов и других добавок в цветной композиции покрытия двумя единственными наиболее важными добавками в композиции покрытия, использующейся для получения бумажной и картонажной продукции, демонстрирующей высокие уровни яркости и белизны, являются диоксид титана и оптические отбеливатели (ОО). Целлюлоза, волокнистая масса и лигнин естественным образом поглощают синий свет и поэтому имеют желтоватую окраску и придают бумаге матовый внешний вид.

Оптические отбеливатели в общем случае представляют собой флуоресцентные красители, которые компенсируют поглощение синего света в результате поглощения света в ультрафиолетовой и фиолетовой областях (обычно 340-370 нм) и повторного испускания света в синей области (обычно 420-470 нм). При отбеливании бумаги использующиеся оптические отбеливатели в своей основе обычно имеют химическую структуру стильбена [смотрите публикацию D. A.W.Williams & А.К.Sarkur, «Optical Whitening Agents», патент США 2875106, 1959].

Диоксид титана (TiO₂) представляет собой абсолютно белый пигмент, который используют во множестве областей применения бумаги и картона, а также в отраслях промышленности, связанных с пластиками, продуктами питания, лекарственными препаратами, косметикой и другим. В открытой и патентной литературе по составам покрытий для бумаги и картона представлено множество коммерческих областей применения и примеров, в которых в композициях покрытия для бумаги и картона объединяют использование некоторых или всех представителей из: (а) различных пигментов (в том числе тонкодисперсного карбоната кальция (ТДКК) и глин), (b) диоксида титана, (с) разновидностей OO, (d) связующих (таких, как связующие синтетические латексы СБ и СА) и (е) сосвязующих, таких как растворимые в воде промышленные крахмалы (в том числе имеющие пониженную молекулярную массу этилированные, разбавленные кислотой, фосфорилированные и подвергнутые ферментативной обработке крахмалы) и белки (такие, как соевый белок).

Оптимальный или наивысший уровень яркости и белизны, который может быть достигнут при использовании данных составов покрытий, представляет собой труднодостижимое равновесие между уровнями содержания диоксида титана и ОО, использующихся в композиции покрытия. Увеличение уровней содержания диоксида титана приводит к увеличению яркости и белизны, но уровни содержания, большие, чем величина в диапазоне приблизительно от 2 до 5%, могут начать гасить вклады во флуоресценцию от оптического отбеливателя, так что уровни яркости, возникающие под действием УФ-света, будут эффективно уменьшаться. С учетом того, что флуоресценция и яркость, возникающие под действием УФ-света, представляют собой ключевые параметры эксплуатационных характеристик марок бумаги и картона, характеризующихся повышенной яркостью, уровень содержания диоксида титана и оптических отбеливателей, использующихся в композиции покрытия, необходимо тщательно оптимизировать и регулировать. Сразу после дополнительного увеличения уровня содержания диоксида титана уровень эффективного использования OO будет существенно превышен, и оптимальных уровней яркости и белизны больше уже нельзя будет добиться. Данное ограничение в отношении воздействия ТiO₂ на яркость хорошо известно специалистам в соответствующей области техники.

Диоксид титана (ТiO₂) широко используют в качестве отбеливающей и матирующей добавки, поскольку частицы TiO₂ рассеивают свет, создавая абсолютно белый внешний вид при улучшенной непрозрачности. Как хорошо известно специалистам в соответствующей области техники, увеличение концентрации частиц TiO₂ не приводит к пропорциональному увеличению уровней яркости для бумажной и картонажной продукции. Это обуславливается уменьшением способности частиц TiО₂ рассеивать свет («эффективности рассеяния») при увеличении уровней концентрации вследствие «окучивания» частиц [смотрите публикацию J. Broun, «Crowding and Spacing of Titanium Dioxide Pigments», J. Coatings Tech., Vol.60, No. 758, 67-70, 1988]. В результате наблюдается длительное время ощущаемая неудовлетворенная потребность в способе и композиции, которые увеличивают уровни яркости в результате устранения «скучивания» частиц TiO₂.

В патенте США №5571334 описывается замутнитель на основе крахмала для применения в отраслях промышленности, связанных с продуктами питания, лекарственными препаратами и косметикой, который объединяет подвергнутый варке крахмал с диоксидом титана. В изобретении описывается получение вязкого раствора растворимого крахмала или «комплексообразование», которые в целях получения желательной непрозрачности способствуют уменьшению отстаивания частиц диоксида кремния, использующихся при уровнях содержания в диапазоне от 5 до 50% в расчете на количество крахмала. Предположительно в состоянии объединения растворимого крахмала с суспендированными частицами TiO₂ не происходит разделения частиц.

Способность разделять частицы TiO₂ и увеличивать эффективность рассеяния не может быть легко реализована при использовании синтетических связующих, поскольку получение таких латексных эмульсий по способу эмульсионной полимеризации непригодно для получения стабильных коллоидных частиц, которые содержат диоксид титана.

Таким образом, существует потребность в улучшенных композициях покрытий, которые демонстрируют улучшенные эксплуатационные характеристики для бумаги и картона с нанесенным покрытием и других областей применения, включающих нижеследующее, но не ограничивающихся только этим: отрасли промышленности, связанные с декоративными красками и покрытиями, продуктами питания, лекарственными препаратами и косметикой.

Раскрытие изобретения

В одном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает способ получения композиции конъюгата биолатекса, который включает подачу биополимерного исходного сырья, по меньшей мере, одного пластификатора и, по меньшей мере, одной добавки в зону питания экструдера, имеющего такую конфигурацию шнека, что биополимерное исходное сырье, пластификатор и, по меньшей мере, одна добавка подвергаются переработке под действием сдвиговых усилий в экструдере для получения комплекса биополимер-добавка; и добавление к комплексу биополимер-добавка сшивателя для получения композиции конъюгата биолатекса. В одном варианте осуществления биополимерное исходное сырье, по меньшей мере, одну добавку и, по меньшей мере, один пластификатор в зону питания экструдера добавляют раздельно.

В одном варианте осуществления биополимерное исходное сырье выбирают из группы, состоящей из углевода, крахмала и белка.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одну добавку выбирают из группы, состоящей из диоксида титана, оксида алюминия, тригидрата алюминия, фосфата натрия-алюминия, фосфата алюминия, силиката натрия-алюминия-магния, зольной пыли, цеолита, силиката натрия-алюминия, талька, глины, расслоившейся глины, прокаленной каолиновой глины, монтмориллонитовой глины, наноглины, частиц диоксида кремния, оксида цинка, карбоната кальция, оптических отбеливателей, биоцидов, стабилизаторов и их комбинаций.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одну добавку подают в экструдер при массовом процентном содержании в диапазоне от приблизительно 0,1% до приблизительно 10% (масс.) в расчете на массу композиции. В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одну добавку подают в экструдер при массовом процентном содержании, меньшем чем приблизительно 5% (масс.) в расчете на массу композиции.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одна добавка содержит диоксид титана, где диоксид титана представляет собой гидрофильно или гидрофобно модифицированный дисперсный продукт в виде порошка или жидкой дисперсии. Диоксид титана может быть выбран из группы, состоящей из рутильного, анатазного или брукитного диоксида титана, и может характеризоваться средним размером частиц, меньшим чем приблизительно 0,5-1,0 микрона.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, один пластификатор выбирают из группы, состоящей из воды, спиртов, глицерина, этиленгликоля, пропиленгликоля, полигликолей, сахароспиртов, мочевины, лимонной кислоты, сложных эфиров лимонной кислоты и их смесей.

В одном варианте осуществления сшиватель выбирают из группы, состоящей из диальдегидов, полиальдегидов, ангидридов кислот, смешанных ангидридов, глутаральдегида, глиоксаля, окисленных углеводов, окисленных периодатом углеводов, эпихлоргидрина, эпоксидов, трифосфатов, мономерных, олигомерных и полимерных сшивателей на нефтяной основе, биополимерных сшивателей и дивинилсульфона.

В одном варианте осуществления биополимерная часть комплекса биополимер-добавка характеризуется средним размером частиц, меньшим чем приблизительно 400 нанометров; в еще одном варианте осуществления биополимерная часть комплекса биополимер-добавка характеризуется средним размером частиц, равным приблизительно 100 нанометрам и менее.

В одном варианте осуществления композиция биополимерного конъюгата увеличивает белизну и яркость композиции покрытия для бумажной и картонажной продукции, и производительность по получению композиции конъюгата биолатекса является большей или равной 1,0-3,0 метрической тонны продукта в час.

В одном варианте осуществления композицию конъюгата биолатекса настоящего изобретения получают в соответствии со способом пункта 1 формулы изобретения.

В еще одном варианте осуществления композиция конъюгата биолатекса содержит комплекс биополимер-добавка, вступивший в реакцию со сшивателем, причем комплекс биополимер-добавка содержит биополимерное исходное сырье, пластификатор и, по меньшей мере, одну добавку. В одном варианте осуществления комплекс биополимер-добавка получают в результате соэкстудирования биополимерного исходного сырья, пластификатора и, по меньшей мере, одной добавки под действием сдвиговых усилий.

В одном варианте осуществления, по меньшей мере, одна добавка представляет собой диоксид титана, хотя добавка также может содержать и оксид алюминия, тригидрат алюминия, фосфат натрия-алюминия, фосфат алюминия, силикат натрия-алюминия-магния, зольную пыль, цеолит, силикат натрия-алюминия, тальк, глину, расслоившуюся глину, прокаленную каолиновую глину, монтмориллонитную глину, наноглину, частицы диоксида кремния, оксид цинка, карбонат кальция, оптические отбеливатели, биоциды, стабилизаторы и их комбинации. Например, в одном варианте осуществления, по меньшей мере, одна добавка содержит диоксид титана и оптический отбеливатель, такой как стильбен.

В одном варианте осуществления изобретение предлагает продукт, включающий подложку, имеющую поверхность; и композицию покрытия, содержащую композицию, содержащую комплекс биополимер-добавка, вступивший в реакцию со сшивателем. Подложка может быть выбрана из группы, состоящей из бумаги и картона.

В одном варианте осуществления изобретение предлагает способ изготовления бумажного продукта, который включает нанесение композиции покрытия, содержащей композицию, содержащую комплекс биополимер-добавка, вступивший в реакцию со сшивателем, на поверхность бумажной подложки, которую выбирают из группы, состоящей из бумаги и картона. В одном варианте осуществления композиция конъюгата биолатекса полностью или частично замещает связующее на нефтяной основе, которое в противном случае использовали бы в композиции покрытия для бумаги.

Несмотря на описание множества вариантов осуществления специалистам в соответствующей области техники после ознакомления со следующим далее подробным описанием очевидными станут еще и другие варианты осуществления настоящего изобретения. Как должно быть понятно, изобретение может быть модифицировано по различным очевидным аспектам, все из которых не отклоняются от объема и сущности настоящего изобретения. Данные и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут лучше понятыми после рассмотрения следующего далее подробного описания, чертежей и прилагаемой формулы изобретения. В соответствии с этим подробное описание по самой своей природе должно рассматриваться в качестве иллюстрации, а не ограничения.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 представляет собой схему примера аппарата, подходящего для использования в способе изобретения.

Фигура 2 представляет собой схему упаковочной системы, подходящей для использования в способе изобретения.

Фигура 3 демонстрирует различные конфигурации шнеков, использующихся в приведенных ниже примерах, которые используются для иллюстрирования изобретения.

Фигура 4 представляет собой гистограмму, иллюстрирующую достижение целевого процента блеска 72% для всех пяти образцов имеющей покрытие каландрированной бумаги, соответствующих примеру 11, где «ПрН» обозначает продольное направление, а «ПпН» обозначает поперечное направление при измерении % блеска для образцов имеющей покрытие, высушенной каландрированной бумаги.

Фигура 5 представляет собой гистограмму, иллюстрирующую процент глянца, возникающий под действием и без действия УФ-света, для всех пяти образцов имеющей покрытие каландрированной бумаги, соответствующих примеру 11.

Фигура 6 представляет собой гистограмму, иллюстрирующую процент белизны CIE (Lab) для всех пяти образцов имеющей покрытие каландрированной бумаги, соответствующих примеру 11.

Осуществление изобретения

Данное изобретение предлагает новые композиции конъюгатов биолатексов, способы их получения и их применение.

I. Общая часть

В описании изобретения и в формуле изобретения термины «включающий» и «содержащий» являются неисчерпывающими терминами и должны интерпретироваться как имеющие значение «включающий нижеследующее, но не ограничивающийся только этим…». Данные термины включают более ограничивающие термины «состоящий по существу из» и «состоящий из».

В соответствии с использованием в настоящем документе и в прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа «один», «некий» и «данный» включают эквиваленты во множественном числе, если только контекст ясно не будет диктовать другого. Кроме того, термины «один» (или «некий»), «один или несколько» и «по меньшей мере, один» в настоящем документе могут быть использованы взаимозаменяющим образом. Также необходимо отметить то, что взаимозаменяющим образом могут быть использованы термины «содержащий», «включающий», «характеризующийся» и «имеющий».

Если только не будет определено другого, то все технические и научные термины, использующиеся в настоящем документе, имеют те же самые значения, что и обычно понимаемые специалистом в соответствующей области техники, к которой относится данное изобретение. Все публикации и патенты, конкретно упомянутые в настоящем документе, посредством ссылки включаются в настоящий документ во всей своей полноте и для всех целей, включающих описание и раскрытие химических реагентов, приборов, статистических анализов и методологий, которые приводятся в публикациях, которые могли бы использоваться в связи с изобретением. Все ссылки, процитированные в данном описании изобретения, должны восприниматься в качестве указания на современный уровень техники. Ничто в настоящем документе не должно восприниматься в качестве допущения того, что изобретение не имеет права на отнесение такого описания к более ранней дате, чем дата настоящей заявки, вследствие более раннего изобретения такого описания.

II. Изобретение

Данное изобретение предлагает новые композиции конъюгатов биолатексов, способы их получения и применение. Новые композиции получают в результате соэкструдирования биополимерного исходного сырья, по меньшей мере, одной добавки и, по меньшей мере, одного пластификатора под действием сдвиговых усилий для получения комплекса биополимер-добавка и добавления сшивателя к комплексу биополимер-добавка для получения композиций конъюгатов биолатексов настоящего изобретения.

А. Композиция конъюгата биолатекса

Изобретение предлагает новую композицию, содержащую в одном варианте осуществления конъюгат биолатекса™, содержащий биополимерное исходное сырье, переработанное под действием сдвиговых усилий совместно с, по меньшей мере, одним пластификатором и, по меньшей мере, одной добавкой для получения комплекса биополимер-добавка, и включающий добавление к комплексу биополимер-добавка сшивателя для получения новых композиций конъюгатов биолатексов настоящего изобретения. Таким образом, в одном варианте осуществления изобретение предлагает новую композицию конъюгата биолатекса, содержащую комплекс биополимер-добавка, вступивший в реакцию со сшивателем.

Под «конъюгатом биолатекса™» заявители понимают комплекс биополимер-добавка, вступивший в реакцию со сшивателем под действием сдвиговых усилий, в котором биополимерная часть комплекса биополимер-добавка в одном варианте осуществления характеризуется средним размером частиц, меньшим чем 400 нм. Для получения новых конъюгатов биолатексов™ с комплексами биополимер-добавка дополнительно манипулируют по многим способам, описывающимся по всему ходу изложения настоящего документа. Для удобства символ торговой марки ™ не используют в каждом случае упоминания биолатекса™. Однако, как предполагают заявители, биолатекс™ будет использоваться в качестве атрибутива для описания биополимерных наночастиц и новых конъюгатов биополимер-добавка/сшиватель настоящего изобретения.

Под «биополимером» заявители понимают биополимеры, такие как крахмал и углеводы или другие полисахариды, в том числе целлюлозу, гемицеллюлозу и камеди, а также белки (например, желатин или белок молочной сыворотки), из которых могут быть сформованы наночастицы. Биополимеры могут быть прежде модифицированы, например, катионными группами, карбоксиметильными группами, в результате ацилирования, фосфорилирования, гидроксиалкилирования, окисления и тому подобного. Предпочтительными являются крахмал и смеси крахмала с другими (био)полимерами, содержащие, по меньшей мере, 50% крахмала. В особенности предпочтительным является крахмал, характеризующийся высоким уровнем содержания амилопектина, такой как крахмал, характеризующийся низким уровнем содержания амилозы, то есть крахмал, характеризующийся уровнем содержания амилопектина, равным, по меньшей мере, 75%, в особенности, по меньшей мере, 90%, такой как восковой крахмал. Биополимер во время начала переработки предпочтительно характеризуется уровнем содержания сухого вещества, равным, по меньшей мере, 50%, в особенности, по меньшей мере, 60% (масс.).

Под «переработкой под действием сдвиговых усилий» заявители понимают механическую обработку, такую как экструзионная обработка, проводимую при повышенной температуре (выше 40°С-60°С, ниже температуры разложения полимера, вплоть до, например, 140°C-200°С) в условиях высокосдвигового воздействия. Сдвиговое воздействие может быть оказано в результате подвода, по меньшей мере, 100 джоулей приведенной механической энергии (ПМЭ) на один грамм биополимера. В результате переработки биополимерного исходного сырья под действием сдвиговых усилий получают наночастицы, практически не содержащие биополимерных гранул или фрагментов гранул (то есть некристаллические наночастицы).

В результате соэкструдирования, по меньшей мере, одной добавки и, по меньшей мере, одного пластификатора совместно с биополимерным исходным сырьем под действием сдвиговых усилий получают комплекс биополимер-добавка. В результате дальнейшего соэкструдирования, по меньшей мере, одного сшивателя совместно с комплексом биополимер-добавка получают новую композицию конъюгата биолатекса настоящего изобретения.

Под «конъюгатом биолатекса» заявители понимают комплекс биополимер-добавка, вступивший в реакцию с, по меньшей мере, одним сшивателем под действием сдвиговых усилий. Поэтому конъюгат биолатекса содержит биополимерные наночастицы, связанные с, по меньшей мере, одной добавкой физической или химической связью между, по меньшей мере, одной добавкой и биополимерными наночастицами. Связь (связи) между, по меньшей мере, одной добавкой и биополимерными наночастицами в общем случае увеличивает стабильность конъюгата биолатекса и в результате приводит к «рассредоточиванию» или более равномерному распределению частиц добавки в результате увеличения дистанции между частицами добавки.

Таким образом, новые конъюгаты биополимер-добавка/сшиватель («конъюгаты биолатексов») получают по способу реакционного экструдирования, который включает подачу биополимерного исходного сырья, по меньшей мере, одного пластификатора и одной или нескольких добавок, улучшающих эксплуатационные характеристики, превращение биополимерного материала исходного сырья в непрерывную фазу термопластичного расплава (крахмал-пластификатор-добавка), что является возможным только вследствие высокой степени перемешивания в условиях высокосдвигового воздействия для получения гелеобразного продукта в той степени, когда будет полностью удалена любая нативная (кристаллическая, гранулярная) структура. После этого в результате добавления сшивателя по ходу технологического потока после зоны питания данная непрерывная фаза термопластичного биополимерного расплава затем образует конъюгаты биолатексов, состоящие из агрегатов биополимерных наночастиц и добавки (добавок) («комплекс биополимер-добавка»). Сшиватель образует внутреннюю высокомолекулярную структуру, которая предотвращает растворение комплекса биополимер-добавка при его диспергировании в воде, таким образом, обеспечивая получение новой композиции конъюгата биолатекса настоящего изобретения. В соответствии с этим композиции конъюгатов биолатексов настоящего изобретения образуют стабильную дисперсию (или коллоид), а не просто раствор крахмала, перемешанный с добавками (как это предлагается на предшествующем уровне техники).

Говоря вкратце, в одном варианте осуществления биополимерная часть комплекса биополимер-добавка в композиции конъюгата биолатекса настоящего изобретения «скрывает» высокомолекулярный биополимер в наночастицах композиции. Таким образом, вязкость конъюгатов биолатексов настоящего изобретения больше не диктуется молекулярной массой и процентом твердого вещества биополимера, а вместо этого определяется количеством, размером и распределением по размеру самих биополимерных наночастиц (а не самим биополимером, как это описывается на предшествующем уровне техники).

Под «добавкой» заявители понимают одну или несколько добавок, улучшающих эксплуатационные характеристики, включающих нижеследующее, но не ограничивающихся только этим: диоксид титана, оксиды алюминия, тригидрат алюминия, фосфат натрия-алюминия, фосфат алюминия, силикат натрия-алюминия-магния, зольная пыль, цеолит, силикат натрия-алюминия, тальк, глина, расслоившаяся глина, прокаленная каолиновая глина, монтмориллонитовая глина, наноглина, частицы диоксида кремния, оксид цинка, карбонат кальция (тонкодисперсный и/или осажденный), оптические отбеливатели (OO), биоциды, стабилизаторы и другие выгодные (рассеивающие или нерассеивающие) добавки и их комбинации. В результате использования дисперсных добавок индивидуально или в комбинации с OO, биоцидами, стабилизаторами и другими выгодными (рассеивающими или нерассеивающими) добавками пользователь может обеспечить получение оптимальных (локализации/позиционирования) добавок в покрытии, где это будет наиболее выгодным.

В одном варианте осуществления добавка представляет собой диоксид титана (TiO₂). TiO₂ может представлять собой любой гидрофильно или гидрофобно модифицированный дисперсный продукт в виде порошка или жидкой дисперсии, включая рутильные, анатазные и брукитные разновидности. TiO₂ может характеризоваться любым размером частиц, но в одном варианте осуществления характеризуется средним размером частиц, меньшим чем приблизительно 1,0 микрона, а в других вариантах осуществления TiO₂ характеризуется средним размером частиц, меньшим чем приблизительно 0,5 микрона.

Под «сшивателем» заявители понимают любой сшиватель, известный на современном уровне техники, включающий нижеследующее, но не ограничивающийся только этим: то, что может быть выбрано из диальдегидов, полиальдегидов, ангидридов кислот, смешанных ангидридов (например, янтарного и малеинового ангидрида), глутаральдегида, глиоксаля, окисленных углеводов, окисленных периодатом углеводов, эпихлоргидрина, эпоксидов, трифосфатов, мономерных, олигомерных и полимерных сшивателей на нефтяной основе, биополимерных сшивателей и дивинилсульфона, Реакция сшивания может быть катализирована кислотой или катализирована основанием.

В одном варианте осуществления подходящие диальдегиды и полиальдегиды включают глутаральдегид, глиоксаль, окисленные периодатом углеводы, и тому подобное. Глиоксаль представляет собой в особенности подходящий сшиватель. Такие сшиватели могут быть использованы индивидуально или в виде смеси сшивателей. Уровень содержания сшивателя в удобном случае может находиться в диапазоне от 0,1 до 10% (масс.) в расчете на совокупную массу композиции конъюгата биолатекса.

Под «пластификатором» заявители понимают органическое соединение, добавленное для увеличения гибкости и ударной вязкости. Пластификаторы вносят свой вклад в долговечность, блеск и полированность соединения. В настоящем изобретении пластификатор может быть выбран из группы, состоящей из воды, спиртов (этиленгликоля, пропиленгликоля, полигликолей, глицерина, сахароспиртов, мочевины, лимонной кислоты, сложных эфиров лимонной кислоты и тому подобного) и их смесей. В одном варианте осуществления совокупное количество пластификаторов (то есть воды и других, таких как глицерин) в композиции настоящего изобретения предпочтительно находится в диапазоне от приблизительно 0,5% до приблизительно 50% в расчете на массу композиции.

Поэтому новая композиция конъюгата биолатекса настоящего изобретения в одном варианте осуществления содержит комплекс биополимер-добавка, вступивший в реакцию со сшивателем под действием сдвиговых усилий для получения конъюгата биолатекса, содержащего одну или несколько добавок, частично или полностью инкапсулированных или окруженных биополимерными наночастицами.

Композиции конъюгата биолатекса настоящего изобретения демонстрируют превосходные белизну, яркость и улучшенные эксплуатационные характеристики для бумаги и картона с нанесенным покрытием и других областей применения. Конъюгаты биолатексов настоящего изобретения обладают данными превосходными свойствами даже при использовании чрезвычайно низких уровней содержания добавок. Яркость и белизна относятся к наиболее ценным свойствам бумаги и картона. Увеличение в композиции покрытия для бумаги концентрации добавок, таких как диоксид титана и OO, обычно не продолжает приводить для получающихся в результате бумаги и картона с нанесенным покрытием к пропорциональному увеличению уровней яркости, белизны и других оптических эксплуатационных характеристик.

Например, при увеличении уровней концентраций эффективность рассеяния для добавок, таких как диоксиды титана, уменьшается вследствие «окучивания» частиц, а) поскольку эксплуатационные характеристики OO достигают оптимальной флуоресценции, а после этого спадают при более значительных уровнях содержания, и b) поскольку увеличение уровней содержания диоксида титана вызывает гашение флуоресценции OO. Способность разделять частицы добавки и увеличивать эффективность рассеяния не может быть легко реализована при использовании синтетических связующих, поскольку получение таких латексных эмульсий по способу эмульсионной полимеризации непригодно для получения стабильных коллоидных частиц, которые содержат добавку. Экструдирование комплекса биополимер-добавка совместно со сшивателем под действием сдвиговых усилий для получения конъюгата биолатекса настоящего изобретения обращено к данной ощущаемой в течение длительного времени потребности. В результате создания новых композиций конъюгатов биолатексов, в которых добиваются получения желательной дистанции между частицами TiO₂, такие новые связующие будут демонстрировать увеличенную эффективность рассеяния даже при относительно низких уровнях содержания TiO₂. В результ