用作涂布顏料的PSA的基本性質(zhì)

用作涂布顏料的PSA的基本性質(zhì)

造紙工業(yè)中，來自廢紙?zhí)幚磉^程的廢棄物——造紙污泥（PS）的排放量逐年增加。PS的大部分是通過焚燒處理，以除去其中的有機成分，殘留有無機成分的焚燒灰，有的用作水泥原料，更多的是被填埋處理。

日本某公司通過焚燒將PS中的無機成分燒成灰（經(jīng)焚燒后的PS稱作PSA）并用作造紙原料，成功實現(xiàn)了將PSA作為顏料用于低定量涂布高級紙張的商品化。

在這一產(chǎn)品化研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，當將改變粒徑后的PSA作為顏料用于涂布紙時，涂布紙的印刷油墨固著快、印刷光澤高。影響涂布紙印刷光澤的因素很多，但油墨固著速度與其有著密切的關(guān)系，研究人員揭示了油墨固著速度越快、印刷光澤越低。而非常有意思的是，PSA涂布紙正好顯示了相反的趨勢。

本研究評價了使用不同粒徑的PSA涂布紙的印刷光澤和油墨固著，觀察了產(chǎn)生油墨固著速度越快、印刷光澤越高這一特性的作用機理。PSA的特征之一是，細小粒子變成凝聚形態(tài)。這種凝聚形態(tài)會否影響印刷適應性？帶著這一疑問，利用輕質(zhì)碳酸鈣的凝聚粒子，進行了實驗比較。

1 實驗

1.1 顏料

使用了從王子特殊紙公司PSA焚燒爐獲得的PSA。為了比較實驗，還使用了奧多摩工業(yè)提供的輕質(zhì)碳酸鈣凝聚物（凝聚PCC），通過熒光X線分析結(jié)果推斷，PS中的礦物組成如表1所示。

表1 PS中的無機物礦物組成

用作實驗材料的PSA和PCC都在濕法粉碎機SC 50內(nèi)用0.8 mm二氧化鋯進行濕法粉碎。粉碎后的粒徑用激光衍射式粒度分布測定裝置LA-500進行測定，取其中值作為平均粒徑。

1.2 手涂涂布紙與印刷

1.2.1 手工涂布

手工涂布時，分別使用了粉碎成3.2、2.2、2.0、1.6、1.1和0.7 μm的PSA以及1.6、1.3和1.0 mμ的凝聚PCC。在各顏料中配入市場出售的SB乳膠12份、抗水劑0.3份，配制成固體含量為47%的涂布顏料，用手工涂布棒進行涂布。涂布量為20～24 g/m2。原紙采用王子特殊紙公司生產(chǎn)的涂布原紙。涂布后的干燥條件為溫度110℃、時間30 s。所有涂布紙都2次通過壓輥溫度為55℃、線壓為50 kN/m的實驗用超級壓光機，然后用作印刷試驗材料。

1.2.2 涂布紙物理性能與印刷

涂布紙的平滑度用Lorentzen Wettre PPS Tester 165測定。光澤度用GM-26D并采用60度角測定。印刷用萬能印刷適應性試驗機以印刷速度2.0 m/s、印刷壓力19.6 kN/m對印刷光澤測定用材料進行試驗印刷。油墨采用東洋油墨制造公司生產(chǎn)的油墨。印刷2次以上，使油墨轉(zhuǎn)移量變化，并計算油墨轉(zhuǎn)移量為1.5 g/m2時的印刷光澤度。

在RI印刷適應性測試機上用東洋油墨以0.4 mL的油墨量在油墨固著評價用材料上印刷；經(jīng)過一定時間后，將油墨轉(zhuǎn)印到A 2涂布紙上，用Macbeth RD 918測定被轉(zhuǎn)印的油墨濃度。

1.3 細孔分布

涂布紙的細孔分布用島津制作所生產(chǎn)的PoreSizer 9310測定。所有實驗材料都在1.8 μm附近觀察到最高峰值。將這一峰值看作是來自原紙的細孔，將峰值標準化成相同高度，分別進行結(jié)果比較。

1.4 電子顯微鏡觀察

用日本生產(chǎn)的JSM-6400電子顯微鏡觀察按照1.2制作的手工涂布紙以及印刷實驗材料表面。并且，分別將PSA和凝聚PCC粉末以濕法分別粉碎成2.5、1.2、0.9和0.6 μm，1.6、1.3和1.0 μm后，顏料漿體反復進行離心分離 除去澄清液操作，分散介質(zhì)按照水 水/乙醇 乙醇 乙醇/丙酮 丙酮的順序反復進行置換操作，最后觀察在50℃溫度下干燥后的粉末。

2 結(jié)果與觀察

2.1 顏料與涂布紙的物理性質(zhì)

圖1和圖2分別顯示了PSA和凝聚PCC粉碎后的電子顯微鏡圖像。

圖1 PSA電子顯微鏡圖像

圖2 凝聚PCC電子顯微鏡圖像

由圖1和圖2可知，所有情況下，變成凝聚形態(tài)的粒子隨著粉碎的進行，凝聚都受到破壞。還可以確認，在PSA中，在凝聚粒子受到破壞的同時，對平均粒徑為0.9 μm和0.6 μm的粒子來說，構(gòu)成凝聚粒子的一次粒子由于自身破裂而成為微粒子。在凝聚PCC中，即使凝聚遭到破壞，也未觀測到一次粒子的微粒子化。

用粉碎后的顏料制成的手工涂布紙并經(jīng)超級壓光機處理后的PPS平滑度如圖3所示。

圖3 涂布紙的平均粒徑與PPS平滑度的關(guān)系

由圖3可以看到，PSA涂布紙呈現(xiàn)出平均粒徑越小、PPS平滑度越好的趨勢；而當平均粒徑小于2 μm時，看不到明顯的差異。對PCC涂布紙來說，無論粒徑大小，都看不到明顯差別。

相同試驗材料的白紙光澤度測定結(jié)果如圖4所示。

圖4 涂布紙的平均粒徑與白紙光澤度的關(guān)系

由圖4可見，平均粒徑越小白紙光澤度越高，而圖3所示的PPS平滑度未見大的差異。這是因為涂布紙的白紙光澤度基本上是由表面平滑度決定的，因此本次試驗材料的平滑度在白紙光澤度上得到了反映，而在PPS平滑度測試儀上未反映出來。

2.2 涂布紙的印刷適應性

本研究考察了印刷試驗材料的印刷光澤度與油墨固著的關(guān)系。圖5顯示了涂布紙的平均粒徑與印刷光澤度的關(guān)系。

圖5 涂布紙的平均粒徑與印刷光澤度的關(guān)系

由圖5可見，使用PSA的涂布紙，其平均粒徑越小，印刷光澤度越大；當平均粒徑在1.1 μm時光澤度達到最大，從0.7 μm開始下降。使用凝聚PCC的涂布紙，其平均粒徑越小，印刷光澤度越大。

印刷光澤反映了印刷表面的平滑性，受印刷前涂布紙表面的平滑性影響很大。圖6顯示了涂布紙的平均粒徑與印刷前、后印刷光澤值之差ΔG的關(guān)系。

圖6 涂布紙的平均粒徑與白紙光澤和印刷光澤值之差的關(guān)系

由圖5和6可見， PSA涂布紙的平均粒徑在3.2～2.2 μm時，印刷光澤增加值大于白紙光澤的增加值；而在2.2～1.1 μm時，印刷光澤增加值大體等于白紙光澤的增加值；再到0.7 μm時，白紙光澤變高，印刷光澤下降。PCC涂布紙的印刷光澤增加值只是相當于白紙光澤的增加值。

圖7顯示了PSA涂布紙的油墨固著評價結(jié)果，其縱軸為轉(zhuǎn)印濃度，數(shù)值越小，表示油墨固著越快。

由圖7可見，PSA涂布紙的平均粒徑分別為3.2 μm和2.2 μm時，平均粒徑與轉(zhuǎn)印濃度未見明顯差異，當平均粒徑小于上述值時，平均粒徑越小，油墨固著越快。PCC涂布紙的油墨固著評價未見明顯差異。

圖7 PSA涂布紙的油墨固著時間與轉(zhuǎn)印濃度的關(guān)系

根據(jù)以上結(jié)果，PCC涂布紙中，改變PCC的平均粒徑時的印刷光澤增加值與白紙光澤增加值相當，油墨固著速度在平均粒徑改變時也未見大的變化。PSA涂布紙中，改變PSA的平均粒徑時，印刷光澤增加部分即有白紙光澤增加的原因，也有其他因素，另外，平均粒徑越小，油墨固著速度越快。

2.3 細孔分布和電子顯微鏡觀察

圖8顯示了PSA涂布紙（a）和凝聚PCC涂布紙（b）的細孔分布測定結(jié)果。

圖8 PSA涂布紙（a）和凝聚PCC涂布紙（b）的細孔分布

所有涂布紙中，0.1～1 μm時觀察到的峰值都來自涂布紙的細孔。由圖8（b）可見，凝聚PCC涂布紙的平均粒徑變小時，涂布紙的細孔僅稍稍變小。由圖8（a）可見，PSA涂布紙的平均粒徑在3.2～2.0 μm范圍內(nèi)，涂布層的細孔大小未見明顯變化，而在1.6～0.7 μm范圍，細孔變小，特別是在0.7 μm時，細孔急劇變小。

涂布層的細孔分布對油墨固著速度產(chǎn)生較大影響，有研究報告，小于0.12～0.15 μm的細孔越多，油墨固著速度變得越快。就本次試驗材料而言，凝聚PCC涂布紙的細孔直徑未發(fā)現(xiàn)明顯變化，因此油墨固著速度也未發(fā)生變化。PSA涂布紙中，粒徑在大于2.0 μm左右 時，細孔直徑變化不大，低于2.0 μm時，產(chǎn)生很大變化，并且油墨固著速度與之對應。因此，本實驗與前人的研究報告結(jié)果并不矛盾。

盡管PCC與PSA同樣是粉碎凝聚粒子，但細孔分布變化方面還是出現(xiàn)了差別，本研究認為這是一次粒徑的變化的差別。也就是說，如圖1和圖2所示，凝聚PCC在粉碎過程中一次粒子的大小未發(fā)現(xiàn)變化， 而PSA隨著粉碎的進行，一次粒子明顯變小?？梢哉J為，由于在涂布層中存在著膠粘劑，顏料是以某種程度的凝聚狀態(tài)存在的，像凝聚PCC這種只是單純破壞凝聚狀態(tài)，當粒子在涂布層中再凝聚時，細孔直徑不會產(chǎn)生大的差異。另一方面，PSA的一次粒子大小發(fā)生變化、涂布層中顏料變成凝聚狀態(tài)時，細孔直徑將產(chǎn)生差異。

圖9和圖10分別顯示了PSA涂布紙及凝聚PCC涂布紙的印刷前涂布紙表面和印刷后的油墨表面的電子顯微鏡圖像。

無論PSA涂布紙還是凝聚PCC涂布紙，當顏料平均粒徑變小時，涂布紙表面變得更致密，在使用平均粒徑為0.7 μm的PSA涂布紙表面上，觀察到了裂紋狀的孔。觀察印刷后的油墨表面時，無論PSA涂布紙還是凝聚PCC涂布紙，當顏料的平均粒徑較大的情況下，都可以觀察到半月形的孔，孔的大小隨著平均粒徑變小而變小，數(shù)量也減少。同時可以發(fā)現(xiàn)，平均粒徑變小時，反映涂布紙表面致密性的油墨表面平滑性也提高。另外，還觀察到了使用平均粒徑分別為1.1 μm和0.7 μm的PSA涂布紙油墨表面上的裂紋孔。同樣的破裂孔在PCC涂布紙的平均粒徑為1.0 μm時也被觀察到，但與PSA涂布紙相比，裂紋較細。

圖9 PSA涂布紙表面（左）與印刷表面（右）

圖10 PCC涂布紙表面（左）與印刷表面（右）

顏料的平均粒徑越小，涂布紙表面越致密，印刷后的油墨表面也變得越致密，同時可能影響涂布層細孔大小的油墨表面的半月形孔也變小。這些都是印刷光澤提高的主要因素。另外，很明顯，PSA涂布紙油墨表面上觀察到的裂紋狀孔是印刷光澤下降的主要原因。本研究認為，產(chǎn)生半月形狀孔和裂紋狀孔的原因是涂布層中的細孔產(chǎn)生的毛細管作用。細孔直徑越小，毛細管作用越大，細孔直徑小到一定程度，使油墨層收縮的效果變大，或許產(chǎn)生裂紋狀的孔。有研究者曾報告，用0.45～0.95 μm的PCC進行實驗，粒徑越小，涂層中細孔產(chǎn)生的毛細管作用力越大，印刷光澤及ΔG也越低；同時在他們的印刷試驗材料中，能觀察到半月形孔，而未能觀察到裂紋狀孔；但是，涂布層的細孔平均孔徑0.1 μm以下時，ΔG變小，與本實驗結(jié)果一致。

3 總結(jié)

將PSA及凝聚PCC粉碎用作顏料，制成手涂涂布紙，重點調(diào)查了印刷光澤和油墨固著速度的關(guān)系。PSA粒子呈凝聚狀態(tài)，而一旦粉碎，凝聚破壞，同時，一次粒子也變小。凝聚PCC未發(fā)現(xiàn)因粉碎產(chǎn)生的一次粒子的微細化。PSA涂布紙的粒徑為3.2～1.1 μm時，粒徑越小，印刷光澤越高，小到0.7 μm時，印刷光澤變低。粒徑越小，油墨固著速度越快。凝聚PCC涂布紙的粒徑為1.6～1.0 μm時，粒徑越小，印刷光澤越高，油墨固著速度未見很大變化。

使用本次實驗材料，發(fā)現(xiàn)了粒徑越小、油墨固著速度變得越快的趨勢。本研究認為，如前人的研究報告所說，這是由能改變油墨固著速度的涂層中的細孔量導致的。

根據(jù)本次實驗，影響印刷光澤的主要因素如下：（1）油墨裂紋（ink split pattern）的平滑化；（2）白紙光澤（涂布層表面的平滑性）的影響；（3）毛細管作用對油墨表面的孔的影響。

這里，油墨裂紋是指油墨從印刷版向紙張轉(zhuǎn)移時，因油墨黏稠，油墨分裂成絲狀的狀態(tài)、油墨裂紋在油墨固著前已平滑化。

PSA涂布紙在PSA粒徑變小時，（1）由于油墨裂紋未平滑化，油墨固著越快，印刷光澤越低；（2）粒徑越小，白紙光澤越高，因此印刷光澤也變高；（3）粒徑越小，半月形的孔變小變少的同時，裂紋狀的孔變多；因此，提高和降低印刷光澤的因素交織在一起。對PSA來說，因為粉碎使得一次粒徑變小，涂層中的細孔分布發(fā)生很大變化，因此，需要考慮涂層表面的平滑性，同時評估細孔的分布，設(shè)計能表現(xiàn)出良好印刷適應性的產(chǎn)品。

（杜偉民 編譯）