造纸涂料光学遮盖性的测试及影响因素综述

颜家松[凯米拉（上海）管理有限公司， 上海 201112]



造纸涂料光学遮盖性的测试及影响因素综述

颜家松
[凯米拉（上海）管理有限公司， 上海 201112]

摘 要：介绍两种基于Kubelka-Munk定律，程序相对简便的造纸涂料光学遮盖性的测试方法，并阐述了测试方法的光学理论依据。根据Kubelka-Munk定律，涂料的散射系数 S（scattering coefficient）和吸收系数K (absorption coefficient)被测定用来评定涂料的遮盖性。概述了涂料光学遮盖性的影响因素，如涂料本身的配方及性质、涂布工艺、原纸、涂布纸的后期整饰加工等，并对如何改善造纸涂料的这一特性提出了建议。

关键词：光学遮盖性 散射系数 吸收系数 造纸涂料

0 前 言

根据德国技术标准DIN 55943的概念，涂料的遮盖力指涂料遮盖基底颜色或颜色差异的能力，单位定义为m2/L，与涂层的厚度（mm）相关，即需要一定厚度的涂料实现光学遮盖[1]。

不同性质的涂料应用于不同行业，有有色或无色的，高黏度或低黏度的，不同固含量的等。造纸涂料通常为白色不透明涂料，主要由约88%颜料和约10%胶黏剂以及少量涂布助剂组成，固含量可达70%以上。涂布纸的生产用到大量的造纸涂料，而光学遮盖性是涂料的重要性质之一。影响成纸光学质量，如白度、不透度、外观清洁、均匀度等。近年来国内造纸行业的竞争越发激烈，商业驱动的结果使纸厂更加关注生产成本。清楚知道涂料的光学遮盖性，可以更好地优化涂料配方，通过配方改进、涂层克重调整、原纸浆料选择等，在保证成纸强度、外观、印刷性能等的前提下，达到改善质量、节约成本的目的。

涂料光学遮盖性的影响因素很多，除涂料本身的配方及性质外，原纸、涂布工艺、涂布纸的后期整饰加工等对形成涂层的遮盖性也有影响。涂布工作者可根据具体条件选择涂料成分并优化涂料配方及涂布工艺，从而改善涂料的光学遮盖性。对涂料光学遮盖性，有相关的测试方法及行业标准进行评估，如ASTM D2805等，其中一些方法常基于Kubelka–Munk 定律。根据这一定律，涂料的遮盖性取决于涂层的散射系数 S（scattering coefficient）和吸收系数K (absorption coefficient)。S值越高，反射光的能力越强，涂层遮盖性越好，白度越高；K值越大，涂层吸收光的能力越强，遮盖性越好，白度下降。涂料遮盖性的测试方法常涉及标准的试验用具、繁杂的测试过程和复杂的光学计算公式。本文介绍了两种程序相对简便的造纸涂料光学遮盖性的测试方法，阐述了测试方法的光学理论依据，概括了涂料光学遮盖性的影响因素，并对如何改善造纸涂料光学遮盖性提出了见解。

1 基于Kubelka-Munk理论的涂料光学遮盖性测试方法

1.1 Kubelka-Munk理论的相关公式

在光学领域，Mie理论可用来分析单个粒子的散射和吸收系数。与著名的Mie理论相比，Kukbelka-Munk理论用来分析不同涂层的光反射，而不用考虑涂层中粒子的形状、尺寸和分散状况等[2]。基于Kubelka–Munk 定律，涂料的遮盖性取决于涂层的散射系数 S和吸收系数K。这两个数值越高，涂料遮盖力越强。涂料的两个常数S值和K值，以及R∞，用来解释涂层的光学性质，且三者之间的关系可用以下方程式描述：

在后来不透度的测试中，此方程式扩展为：

这里：

式中：R∞——涂层足够厚，厚到分别以黑色和白色基底时，测到的完全相同的反射值；

x ——单个涂层的厚度或涂布量；

RB——涂在黑色基底上的单个涂层的反射值；

S ——涂料的散射系数。

1.2 测试方法1

Kathleen Lattau[3]等人曾测试过涂料样品的S值和K值。测试的第一步是将涂料样品用涂布器以一定厚度分别涂在合成纸上。用合成纸的目的是为了避免水和光在基底中穿透产生干扰。涂后的纸在一定速度下通过150℃的烘箱得以干燥，干燥后的涂料测得涂布量。用Elrepho2000测试干燥后涂层样品的两个反射值，一是单张纸在黑色衬垫上测得的反射值RB，另一个是R∞。这里R∞指在测得一叠同样纸的反射值后，在那叠纸上再放一张同样的纸，若得到的反射值不再改变，则此反射值视为R∞。有了涂料的涂布量（或厚度），以及反射值RB和R∞，根据前述的Kubelka–Munk 理论的四个公式，可计算出不同涂料的S值和K值。

实验室曾用透明塑料薄片代替合成纸，烘干时用热吹风机代替烘箱，采用上述方法测试了胶黏剂用量变化对涂层光学遮盖性的影响。结果如表1所示。同样配方，降低胶黏剂用量，涂层S值和K值都有升高，涂层光学遮盖性改善。

表1 胶黏剂用量对涂层光学遮盖性的影响

S值和K值会随涂布量（或厚度）的增加呈指数方式下降，相近涂布量下，分析测得的S值和K值，可用来评估涂料的光学遮盖性。若S值和K值同时上升，则涂层光学遮盖性提高，反之则下降。

1.3 测试方法2

由以上Kubelka-Munk方程式，在测试涂料为白色不透明涂料时，R∞趋于100%，且S值小于

R∞时，方程式（2）可简化为：

因此，由式（5），只需要测得RB值和x涂层厚度（或涂布量），即可计算出单个涂料配方的散射系数S和散射力Sx[4]。

基于式（5），涂料散射系数参考测试方法描述如下：

用四面涂布器均匀涂涂料于深色厚玻璃上，吹风机吹干涂层；

用刀片刮去一定面积涂层之外的多余涂料，用色度计测试多个波长下所取涂层的反射值；

反射值测试并记录完毕后，用刀片刮下所取面积的涂层并称重，得到涂布量；

根据式（5）计算涂料的散射系数，用于比较不同涂料的光散射能力。

光波长不同，涂层对光的反射值不同，测试时，可选择并记录多个波长对应的反射值。因为人眼能感觉到的可见光波长范围在380~780 nm，在通常亮度下，视觉感受最灵敏的光波波长在560 nm左右，所以一般选择560 nm左右波长对应的反射值用于计算涂料的光散射能力，所得值作为对涂层遮盖性判断的代表。

以上两种测试方法都基于Kubelka-Munk定律。方法1可用于理想状态下测试不同涂料配方的S值和K值，即使涂料配方变动较大，仍可用来综合判断涂料的遮盖性，所得S值和K值的试验结果，作为实际涂料配方设计的参考。

一些白色颜料供应商常用方法2评估产品或涂料的光散射性能。方法2在使用时有前提条件，即测试的涂料白度必须很高，且只测试涂料的光散射系数，在配方变动较多的情况下，如多个用量、不同白度的原料（颜料，胶黏剂等）的加入等，得到的结果不能对涂料的遮盖力得出全面判断。因此在方法的使用上有一定的局限性。

2 造纸涂料光学遮盖性的影响因素

造纸涂料本身的性质对光学遮盖性有重大影响，如涂料中主要成分、颜料的折射率，粒径，粒径分布、形状，颜料本身的堆积密度，涂料的颜料体积浓度等。另外造纸涂料用于涂布，原纸及涂布工艺等影响涂层的堆积密度，从而影响造纸涂料光学遮盖性。

2.1 颜料折射率

假设一束光垂直照射到一块平面晶体上，那么一部分光线会发生反射，另一部分光线会穿过晶体发生透射，若晶体为有色的，则部分光线会在穿过晶体过程中被晶体吸收转化成热能，而反射光线的强度遵循Fresnel公式[5]：

式中：n1——晶体的折射系数

n2——晶体周围介质（胶黏剂，空气等）的折射系数

I ——入射光强度

晶体反射光线的能力越强，越少光线发生透射，晶体的遮盖能力越强，而反射光线的能力取决于晶体的折射系数，晶体与周围介质的折射率差越大，光学遮盖性越好。

造纸涂料常用的胶黏剂，如丁苯胶乳，淀粉等的折射率约1.53。造纸涂料最常用的颜料有GCC、PCC、瓷土、煅烧土和滑石粉等，它们的折射率可见表1。由表1可见，常规造纸颜料的折射率与胶粘剂的折射率相差很小，理论上几乎不会产生光学遮盖性能。这些颜料与胶黏剂组成的涂料，其光学遮盖力的来源在于涂层中孔隙的存在，因为空气的折射率远小于颜料和胶黏剂的折射率，相互形成较大折射率差，提供遮盖性。这也是为什么同种涂料配方的涂层，光学遮盖性随孔隙率的提高而得以改善。相对其他常用的造纸颜料，TiO2颜料是一个例外，只有它不依赖于孔隙的存在，TiO2颜料本身的高折射率与胶黏剂已能形成较大的折射率差，使涂层具有很好的遮盖性。

表1 造纸颜料的折射率

对于常规造纸涂料，为得到良好的光学遮盖性，有效的方法是使用颜料粒子间孔隙体积较大的颜料，如瓷土、煅烧土、 PCC或空心塑性颜料等，增加涂料的孔隙率。因为这些原料通常相对重钙价格较高，因此使用时要注意涂料配方的综合质量和成本。

对一给定的矿物颜料，折射率是它的固定参数，且从根本上影响光散射，因此有很多尝试去提高这一参数，常用的方法是在碳酸钙或高岭土粒子上覆盖一层高折射率的物质。Huber公司发布的专利中，通过加入硫酸铝，使TiO2和高岭土粒子表面形成相反电荷，静电吸引作用将0.25 μm 的TiO2沉积到高岭土粒子的表面[6]。同样Gane et al.也曾将TiO2植入碳酸钙中。用这些方法得到的原料用于纸张，都促进了纸张光学质量的提高[7]。在化合物中，锌盐显示出高的折射率。Kathleen Lattaud等人曾研究过在PCC（CaO+CO2）合成时加入ZnCl2，从而在CaCO3表面覆盖一定厚度的ZnCO3，形成双层结构。通过测试合成颜料粒子的的折射率，发现颜料粒子的折射率随Zn/Ca比例提高而升高。以纯的碳酸钙浆液为参考样，用这些双层结构的粒子形成涂层，发现S值和K值都有提升。这样的结果符合预期，因为新的粒子比纯的碳酸钙粒子具有更高的折射率[3]。

2.2 颜料粒子的粒径

颜料的光散射力越高，涂层的遮盖性越好，为达到最佳光散射力，最优化的颜料粒径可由Weber定律计算[8]：

式中：nP——颜料粒子

nB——周围介质的折射率

λ——光的波长

由此定律，颜料粒子对光散射力有最佳粒径，低于或高于最佳粒径，颜料的散射力都不能最大化，且颜料的折射率越低，对应要达到最佳散射力的粒径越大。为得到好的散射力和白度，白色颜料生产商常常优化颜料粒子粒径，使散射力和白度最大化。

对纸张涂布用颜料，在运用Weber定律时，可试着将λ设置为560 nm，nB设为空气的折射率1，计算颜料的最佳光散射粒径。除TiO2外，常用颜料的最佳散射力粒径范围在0.4 um左右，应用这一粒径的颜料，涂布纸通常具有较高的白度、光泽度、不透度等。因为最优化粒径较小，还应注意颜料的生产成本、涂料胶黏剂需求等，综合考虑以选择相应粒径的颜料。

2.3 涂层堆积密度

涂层的堆积密度与颜料的密度、涂层中孔隙的大小和体积直接相关。涂料中颜料与周围介质的折射率差也随涂层孔隙状况的改变而改变，从而影响遮盖性能。同一涂料、同等克重，堆积越紧实，涂料厚度越小，同时涂料中的空隙体积越小，遮盖性越差；相反，松厚的涂层，厚度更大，孔隙率更高，光学遮盖性更好。涂料的堆积密度受很多因素影响，如颜料粒子本身的状况，如种类、密度、形状、粒径分布等，涂布纸的压光、涂布方式、颜料体积浓度、涂料分散等也会影响涂层堆积密度。

2.3.1 颜料

颜料粒子形状、粒径分布、密度及化学组成等对涂层光学遮盖性会有不同程度的影响。表2 列出了常用造纸颜料的基本物性参数。

相比柱状颜料GCC，片状的颜料，如瓷土、滑石粉等，本身颜料粒子之间的孔隙体积较大，易于与其他颜料形成“架桥结构”，且片状颜料能在相对较低的压光压力下，形成更好光泽度且平滑的表面，得到松厚、光学遮盖性好的涂层。煅烧土白度较高，粒子本身折射率高且有很多细小空腔，因其高价格，通常少量应用于涂料，即可带来很好的光学遮盖性。

表2 常用造纸颜料的物性参数

PCC是窄粒径分布颜料的典型代表，因其是化学合成的矿物颜料，粒径可以做得很小且很均一。窄的粒径分布，更少小的粒子填充涂层中较大颗粒颜料形成的孔隙，在一定厚度下形成孔隙更多，易于压光的特性也使其容易形成松厚的涂层，涂层白度高，光学遮盖性好。反之，若在PCC颜料中加入粒径分布较宽的颜料，则涂层结构相对封闭，涂层K&N值下降，且不利涂层遮盖性。

GCC是非常重要的造纸涂布颜料，高白度，流变性良好，高固含量对胶黏剂需求相对较低，来源丰富，低廉的价格非常符合行业“商业驱动”大环境的需求。经过精磨、筛分等加工处理的GCC也具有很好的光学遮盖性。

实心塑性颜料比瓷土、碳酸钙等常用矿物颜料密度小很多，因此在同样涂布量条件下涂料体积较大，涂层较厚，能赋予涂布纸良好的光学遮盖性。

空心塑性颜料密度更小，且在干燥过程中，腔体内的水分因不可逆的逃逸留下空腔，涂层孔隙度均一且更大，涂层不透度更高。晨鸣纸业曾对空心塑性颜料应用于轻涂纸做过研究，试验中5份塑性颜料取代原配方中同等份数的瓷土，涂布纸不透度得到明显提高，其他性能指标，如光泽度，印刷光泽度，平滑度等都有改善[9]。

2.3.2 颜料体积浓度

颜料的散射力受颜料体积浓度（Pigment Volume Concentration，PVC）影响很大。相对PVC这一概念，特定颜料有其临界颜料体积浓度（Critical Pigment Volume Concentration，CPVC）。根据CPVC的定义，颜料在其CPVC时，颜料间的孔隙刚好被同体积胶黏剂占据，颜料在这时的堆积密度最大[10]。

为便于理解PVC的概念，以下列出了PVC的计算公式及过程。

颜料体积浓度PVC% = 100 x 颜料体积/ （颜料体积 + 胶黏剂体积） （8）

若涂料配方为：

70part Clay

30part GCC

12part 胶黏剂和助剂

瓷土和GCC的密度分别为2.6 g/mL和2.7 g/mL，瓷土和GCC混合物的密度为：

2.7×0.7 + 2.6×0.3 = 2.67g/mL

颜料混合物在涂料中的重量比例为：

100 parts颜料/112parts涂料总数 = 89.3%

颜料在涂料中的体积为：89.3/2.67= 33.4

丁苯胶乳和助剂的密度为0.95 g/ml

胶黏剂和助剂在涂料中的重量比例为：

12 parts /112parts= 10.7%

胶黏剂和助剂在涂料中体积为：

10.7/0.95 =11.3

涂料的PVC% = 100×33.4/(33.4+11.3)=74.7

计算造纸涂料PVC时，通常将助剂的part数计入胶黏剂part数内，但在计算CPVC时，要注意将助剂的因素考虑到，即CPVC%＝100 x 颜料体积/ (颜料体积 + 胶黏剂体积 + 所有助剂体积)

不同的颜料具有不同的CPVC，如细瓷土的CPVC约为43%，粗瓷土约50%，而GCC的CPVC在60%以上。造纸涂料的PVC通常大于其组成颜料的CPVC，即造纸涂料中的颜料不是100%被胶黏剂覆盖。下图是PVC对涂料光散射力影响的部分截图。如图所示，在涂料PVC提高，即涂料中胶黏剂用量降低，使PVC提高达到CPVC时，其光散射力降到最低，继续提高PVC，涂料的光散射力随之升高。同样成分造纸涂料，提高PVC， 即降低涂料中胶黏剂的份数，涂层孔隙增多，光散射力提升，但涂层强度下降，使用高强度小粒径（同等重量下，颗粒数更多，比表面积更大）的胶黏剂，如丁苯胶乳或苯丙类胶黏剂等，能提高胶黏剂对颜料粒子的覆盖和粘结，有效抵消胶黏剂用量下降对强度的影响，同时涂布纸的印刷性能，包括印刷质量和印刷机运行效率等得到改善。

2.3.3 涂料分散

涂料的分散状况，不仅影响到各个涂料组分效率的发挥，也会影响涂布纸涂层的光学遮盖性。

B. Alince通过控制pH改变基于以100%瓷土为颜料的涂料配方形成涂层时的孔隙度。测量发现涂层的光学性能也有变化。根据B. Alince的试验，瓷土在不同的pH 2~8下，分散的状况不同。在高pH值下，瓷土边缘的正电荷被消除，瓷土因为表面负电荷而互相排斥，整个系统充分分散，干燥时涂层孔隙率低，涂层光散射系数下降。黏度的变化也可体现这一点。瓷土涂料在pH值低时，瓷土粒子之间边缘正电荷与板面负电荷的相互吸引结合，部分水分被封闭在粒子之间，系统黏度较大，干燥后涂层结构孔隙相对较大，涂层光散射系数随之提高。虽然这种控制pH使涂料失稳，从而提高孔隙度的方法对造纸涂料并不实用，但可以作为一种思路用于其他方法的开发[11]。

2.3.4 压光

通常压光的目的是使纸张具有更平滑、更光泽的表面，得到更好的印刷效果，同时不可避免的损失是涂层及纸厚度的降低，涂层的光学遮盖性受到影响。Peter Resch曾研究过压光对涂层孔隙的影响，观察到的结果证实涂层的孔隙大小在压光后被永久性压缩而降低了。水银空隙度仪和扫描电镜的图片分析结果进一步证明压光后的涂布纸，随表面孔隙尺寸的降低，其涂层总空隙体积也随之逐步降低了[12]。

同一台压光机，在满足纸张平滑度、光泽度等前提下，提高压光速度，降低压光温度、压力以及纸的湿度，这样涂层更不易变形、不利压光，但涂层的厚度和遮盖性能更好的保持。其他条件一致的情况下，压光辊直径及压光次数的增加对涂层光学遮盖性的保持有利。另外，随科技的进步，新的压光设备，如超级压光机、软压光、超级软压光等设备的不断出现，使纸厂能在提高涂布纸平滑度和光泽度、保持压光匀度等的前提下，尽可能保持纸张/涂层的松厚度及不透度。

对给定的涂布设备，实际操作中涂料配方的改变，对应要求压光参数随之改变。加入易于压光的片状颜料或塑性颜料，则压光温度和压力可适当降低，利于降低涂布纸的两面差，且涂层松厚度/遮盖性能尽量保持。胶黏剂，如丁苯胶乳的改变也会影响压光。通常使用较低用量的丁苯胶乳，纸张光泽度/遮盖性提高。不同的丁苯胶乳，玻璃化温度的不同也影响压光效果，从而影响涂层的遮盖性。过高或过低的玻璃化温度都不利于压光，纸厂可与胶黏剂供应商合作，通过实际生产找到最适合的胶黏剂。

2.3.5 涂布方式

同样的涂料及涂布量，不同的涂布方式会得到不同厚度分布的涂层，从而影响涂料的遮盖性。刮刀涂布，预计量施胶压榨式涂布方式等因为其刮除装置与纸面涂料直接接触，涂布头刮平纸张表面的涂料，最终形成与原纸表面状况“仿形”的涂层结构。对比这两种接触式涂布方式，刮刀涂布施加在纸张的压力更大，少量涂料甚至在压力下压进纸面，在刮刀刮平纸面的过程中，“仿形”作用更明显，涂层厚度受纸面状况影响更多，原纸状况不好会表现为涂料遮盖力的不足。气刀涂布与帘式涂布，涂布头与纸面不直接接触，涂层“仿形”作用小，能形成相对均一厚度的涂层，纸面整体外观良好。

全瓷土和全碳酸钙做颜料的涂料，高速下同等克重涂到同样的原纸上，相比刮刀涂布和膜转移涂布，帘式涂布方式带给涂层更高的厚度（涂层遮盖性更好）和较低的平滑度。用帘式和膜转移方式涂布时，瓷土配方比碳酸钙配方带给涂层更高的厚度。2.3.6 原纸状况

涂布原纸的状况也会影响涂料的遮盖性。同等条件下，原纸吸收性大则胶黏剂迁移多，涂层孔隙大，遮盖性好但表面强度低。粗糙度大的原纸，涂层难以遮盖且涂布面光泽度低，过度压光导致涂层遮盖性降低。表面强度好，形稳性好的原纸对涂层遮盖性也有帮助。

如上综述，很多因素影响涂料的光学遮盖性。共同的认识是，从实际生产和工艺出发，涂料不可能完全有效地遮盖原纸的任何缺陷，如低的纸张匀度、白度、脏点等。高质量的涂布纸，必须原纸和涂料相互协同，在合理成本范围内，达到纸张性能要求。

3 结束语

由Kubelka–Munk 定律，涂料的光学遮盖性最终取决于一定厚度或涂布量下，形成涂层的反射系数和吸收系数。对克重较低的涂布纸，如LWC，低克重的涂料不仅完成对原纸的表面遮盖，同时也对整个涂布纸不透度及印刷效果作出贡献。对灰底涂布板纸或白色挂面的牛皮卡纸，高遮盖性的涂料使成纸外观更好，产品品质更高。对高光铜版纸，高遮盖性涂料对纸张松厚度下降带来的不透度损失也是很好的补充。总之，遮盖性好的涂料能有效满足各类纸品的质量需求，提高纸品的整体质量。

影响涂料光学遮盖性的因素很多，在综合考虑产品质量、涂料成本、原纸及涂布工艺等前提下，造纸工作者可调整配方以得到最优化的涂料。对于涂料光学遮盖性的测试，各种文献提到的方法很多，其中一些也基于不同的测试原理，对于文中提到的涂料光学遮盖性测试的两种方法，有兴趣的读者可试着采用，相信会有所收获。

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A review of measurement and influencing factors of optical hiding power of paper coating

YAN Jiasong
[Kemira (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai，201112]

Abstract:The article has introduced two easy-relatively methods which based on Kubelka-Munk theory to test hiding power of paper coating, explained the optical principle of the methods. According to Kubelka-Munk theory, S value (scattering coefficient) and K value (absorption coefficient) are measured to evaluate hiding power of paper coating. The article has also reviewed the influencing factors of hiding power, such as coating formulation and properties of coating components, coating process, base paper, the late finishing process, etc., as well as proposed how to improve this property of paper coating.

KeyWords:Hiding power, Scattering coefficient, Absorption coefficient, Paper coating