二次涂布纸板颜料的选择

2014-04-26杜伟民

造纸化学品 2014年3期

二次涂布纸板颜料的选择

在当今的多次涂布纸板生产中，可视粗糙度（Micro-roughness）的控制已越来越重要，因为大多数涂料配方中的碳酸钙含量已达到历史最高比例。这提高了对涂料配方中剩余高岭土的遮盖率的要求。因此，在预涂中（而不是在面涂中）发挥高岭土的功能更为合理。在预涂涂料配方中，适量的高岭土与大粒径碳酸钙配合，可以改善成纸质量，在成本控制方面为面涂涂料配方的制定提供了更大的自由度。该文将针对以废纸为原料生产的纸板原纸，通过实验涂布机和实验室评估，介绍了面层涂料中的高岭土添加量可以降低到何种程度，而仍能改善遮盖率和均一性；探讨了预涂涂料配方对白度均一性、印刷适印性和上光剂吸收性等成纸性能的影响。

1 序言

碳酸钙在多次涂布纸板的涂料配方中的比例目前有增加的趋势。随之而来，对涂布表面的可视粗糙度（Micro-roughness）的控制变得越来越重要。这提高了对涂料配方中剩余高岭土的遮盖率要求。因此，在二次涂布工艺中，在预涂中发挥高岭土的功能比面涂更有意义。就是说，在预涂涂料配方的大粒径碳酸钙中加入高岭土来提高品质，为面涂涂料配方的成本控制增加更大的自由度。

本文将针对以废纸为原料生产的纸板原纸，通过实验涂布机和实验室评估，介绍在预涂涂料中添加少量高岭土以改善遮盖率和均一性的方法；探讨了预涂涂料配方对成纸性能，包括白度均一性、印刷性能和上光剂吸收性的影响，还介绍了面涂涂料中胶乳用量的影响。

2 预涂遮盖性和疏松性的改善机理

高岭土粒子形状对遮盖性的影响如图1所示。

图1 粒子形状对遮盖性及疏松性的影响

高岭土的这种效果即使在配比很低时也能得到体现。长宽比更高的高岭土与GCC配合使用，能增加涂布层的疏松性，提高遮盖性，增加光散射，由此也提高了光学适印性，能更好地遮蔽用作纸容器纸板的原纸粗糙度。

3 实验——二次涂布白纸板的预涂影响

3.1 涂料配方

不同配方的预涂涂料的配制在实验室进行。为了优先比较对较低白度原纸的粗糙度产生较大影响的遮盖性，原纸选用了使用废纸为原料生产的白纸板。并且，该原纸的粗糙度为5.2 μm，D 65-UV白度为59.5。面涂及预涂的涂料配方如表1所示。

预涂采用软刮刀涂布（速度450 m/min），涂料固含量为66.5%。涂料配方方面，分别准备了100%的GCC 60（2 μm以下≥60%），在GCC 60中分别加入25%和50%的巴西产粗粒径高岭土（2 μm以下≥55%，长宽比为45，ISO白度为88%）的样品。所有样品中都添加了质量分数8%的胶乳、质量分数5%的淀粉和质量分数0.5%的架桥剂，涂布量为12 g/m2。

面涂用实验室模拟机进行刮刀涂布，涂布量同样设定为12 g/m2。涂料配方选择了2种：普通配方，微粒径高岭土（UFGK）和GCC 95（2 μm以下≥95%），质量配比为15∶85；另一种是100%超细粒径GCC 99（2 μm以下≥99%）。并且分别添加14%质量分数的胶乳及0.3%质量分数的CMC。此外，100% GCC 99涂料配方中的胶乳用量将在8%～14%之间变化。

3.2 白纸板光泽度、平滑度和白度的评价结果

白板纸压光处理前物理性能如表2所示（面涂涂料中的胶乳为质量分数14%）。

表1 涂料配方

表2 涂布白纸板的物理性能

从结果得知，不同的涂料配方、光学和物理遮盖性方面存在明显差异。与100%GCC的预涂涂料相比，加入了高岭土样品的白纸板光泽度和平滑度明显提高。而遮盖性在高岭土比例变化时未看到明显的差异。这一趋势在过去的实验中已得到确认。另外，从提高光泽度和平滑度的角度来看，再次确认了预涂涂料中加入高岭土及100%GCC的面涂涂料配比组合比普通组合，即100%GCC的预涂涂料及微粒径GCC和高岭土的面涂涂料配比组合更好。

另外，不管是在预涂涂料还是面涂涂料中加入高岭土，在低白度的白纸板原纸上涂布都能提高其白度。该趋势与加入的高岭土质量分数成正比例关系，预涂涂料中加入50%高岭土的样品，其白度最高，与预涂涂料为100%GCC相比，白度提高约4百分点。为了进一步分析涂布白纸板的光学均一性，通过扫描仪（Image J 3）进行绘图分析，结果用图2中的灰色标度图和变动系数表示。

由图2可见，面涂涂料或底涂涂料样品中未加高岭土，其光学不均一性较大，加入了高岭土后得到了改善。

图2 遮盖性的比较

3.3 印刷适印性评价结果

通过在压光处理前的涂布白纸板上进行柔性凸版印刷及胶版印刷进行印刷适印性的评价。柔性凸版印刷设定了2个条件，即采用了160线/cm×油墨6 cm3/m2及品质要求较高的200线/cm×油墨5 cm3/m2。胶版印刷评价时，将印刷浓度固定在1.5。结果如表3所示。

由于使用了高岭土，显示印刷光泽得到改善，特别当在底涂中加入高岭土时，遮盖性得到提高。大粒径GCC+高岭土的底涂涂料和100%高岭土的面涂涂料的组合在柔性凸版印刷及胶版印刷2方面，都表现出最好的印刷光泽度。与均为100%GCC的面涂涂料和底涂涂料配方相比，胶版印刷光泽度提高3百分点，柔性凸版印刷光泽度提高5～6百分点。此外，与100%GCC的普通涂料配方的底涂涂料和超细粒径GCC和微粒径高岭土的面涂涂料的样品相比，胶版印刷光泽度提高2百分点，柔性凸版印刷光泽度提高3～4百分点。对涂布白纸板的印刷光泽度来说，底涂涂料中加入高岭土有助于印刷光泽度的改善，但超过25%时，效果甚微，甚至是下降。

3.4 上光加工的评价结果

众所周知，上光加工也受到涂布表面粗糙度及孔隙度的影响，而如何影响则通过另外途径进行研究。上光加工特性用IGT印刷机涂布0.3～2.2 g/m2的油性胶版上光剂进行测定。上光剂光泽度的评价使用了Surfoptic SIRS 75成像反射仪。本方法通过2条激光线，用与TAPPI光泽度相同的75°测定表面光泽、实效曲折率、微观粗糙度及可视粗糙度，与人的视力一样，受光角狭窄（TAPPI 75°为10°，本仪器为1°），对高光泽度的上光表面获得了精细的结果。上光剂最多的所有样本（2.0～2.2 g/m2）曲折指数为1 535±0.003，说明涂布的上光剂完全遮盖了纸板表面。用TAPPI 75°测定的上光光泽度结果相同，而用高灵敏度的Surfopic测定，可以分辨可视粗糙度产生的数值差异。该差异可以看作是由纸板光泽度及孔隙度产生的。

涂布白纸板的孔隙度，利用IGT Print Penetration Set测定渗透了含有苏丹（Sudan）红染料的邻苯二甲酸二丁基油液滴的领域。测定条件为压力10 kfg及速度0.5 m。这取决于面涂胶粘剂比例和，一定孔隙量所必需的胶粘剂量（胶乳添加增量=孔隙增量）。结果如图3所示。

图3 白纸板的白纸光泽度及孔隙度产生的上光光泽度

表3 胶版及柔性凸版印刷光泽度

由图3可见，在上光剂涂布量不变时，上光光泽度最高的不是高岭土加在面涂涂料中而是加在底涂涂料中的配方。相反，上光光泽度最低的是未加高岭土的100%GCC的涂料配方。从这一结果可以知道，最合适的上光光泽度取决于涂布白纸板的可视粗糙度及孔隙度。我们推测，底涂涂料中添加高岭土有助于白纸板原纸的遮盖，降低可视粗糙度；并且，影响面涂涂料中胶乳的迁移，即使使用100%GCC也能降低孔隙度。

为了更深入地探讨上光加工适印性，以25%高岭土的底涂涂料及100%GCC的面涂涂料的白纸板样品为基础，进行针对胶乳质量分数和光泽度之间的关系的实验。结果如表4所示。

表4 胶乳质量分数和光泽度之间关系的实验结果

胶乳质量分数对上光加工适印性的效果，取决于2种相反的因素，即低胶乳添加量引起的白纸板光泽度改善及孔隙度增加。因此，胶粘剂的减少对上光加工特性有益，但超过一定程度时，白纸板光泽度提高的同时，涂布层的结构变得开放，孔隙度增加，其结果是涂布后的上光表面变得粗糙，上光光泽度下降。

图4为涂布白纸板表面的扫描电镜（SEM）照片。

从图4的SEM照片可以看出，100%GCC的面涂涂料配方可以降低胶粘剂用量。该样品的表面与添加了微粒径高岭土的配方相比，涂料呈现致密状态，能更有效地发挥胶粘剂的功能，孔隙度较低。这一结果与减少高档涂布纸中胶粘剂可能性的研究结果类似，即使在面涂涂料中去掉高岭土，并减少1%质量分数的胶乳时，依然能够维持强度。

4 结束语

本文研究确认了在白纸板的二次涂布过程中，底涂涂料中加入高岭土比面涂涂料中加入高岭土更有利，以及比较了与面涂涂料、底涂涂料均为100% GCC的配方的优缺点。

表5显示了二次涂布白纸板的评价结果。

表5 二次涂布白纸板的评价结果

由表5（样品1和样品2）可见，将面涂涂料[w（GCC 95）=85%+w（UFGK）=15%]及底涂涂料[w（GCC 60）=100%+普通胶粘剂]转换为面、底涂涂料均为100%GCC的优点是，通过高岭土的置换降低了成本，并且减少了胶粘剂用量；缺点是，白纸板光泽度、印刷光泽度和遮盖性下降。因此，使用漂白浆的高档纸板，其缺点可能比较少。

由表5（样品3和样品4）还可见，在底涂使用高岭土的效果比面涂更加确定。可以确认，底涂添加高岭土的配方与100%GCC及普通配方相比，平滑度、白纸板光泽度、印刷光泽度、上光光泽度及遮盖性等方面都得到改善。

虽然改善成纸质量方面的优越性毫无疑问，但涂料成本方面存在着争议。表6评价了欧洲使用的普通涂料成本。底涂涂料为高岭土的配方，面涂涂料中减少了1%质量分数的胶乳及50%的增黏剂。因此，涂料的合计成本如图5所示，底涂中添加25%粗粒径高岭土增加的成本由于这些添加剂的降低被抵消。

由于成本因地域及工厂不同而不同，这一估算的普遍性可能受到质疑；但我们认为，通过在底涂中添加高岭土来改善成纸品质不会显著增加生产成本；如果从维持成纸品质的角度考虑，也有可能降低生产成本。（杜伟民编译）