二次涂布紙板顏料的選擇

二次涂布紙板顏料的選擇

在當(dāng)今的多次涂布紙板生產(chǎn)中，可視粗糙度（Micro-roughness）的控制已越來越重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)涂料配方中的碳酸鈣含量已達(dá)到歷史最高比例。這提高了對涂料配方中剩余高嶺土的遮蓋率的要求。因此，在預(yù)涂中（而不是在面涂中）發(fā)揮高嶺土的功能更為合理。在預(yù)涂涂料配方中，適量的高嶺土與大粒徑碳酸鈣配合，可以改善成紙質(zhì)量，在成本控制方面為面涂涂料配方的制定提供了更大的自由度。該文將針對以廢紙為原料生產(chǎn)的紙板原紙，通過實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)和實(shí)驗(yàn)室評估，介紹了面層涂料中的高嶺土添加量可以降低到何種程度，而仍能改善遮蓋率和均一性；探討了預(yù)涂涂料配方對白度均一性、印刷適印性和上光劑吸收性等成紙性能的影響。

1 序言

碳酸鈣在多次涂布紙板的涂料配方中的比例目前有增加的趨勢。隨之而來，對涂布表面的可視粗糙度（Micro-roughness）的控制變得越來越重要。這提高了對涂料配方中剩余高嶺土的遮蓋率要求。因此，在二次涂布工藝中，在預(yù)涂中發(fā)揮高嶺土的功能比面涂更有意義。就是說，在預(yù)涂涂料配方的大粒徑碳酸鈣中加入高嶺土來提高品質(zhì)，為面涂涂料配方的成本控制增加更大的自由度。

本文將針對以廢紙為原料生產(chǎn)的紙板原紙，通過實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)和實(shí)驗(yàn)室評估，介紹在預(yù)涂涂料中添加少量高嶺土以改善遮蓋率和均一性的方法；探討了預(yù)涂涂料配方對成紙性能，包括白度均一性、印刷性能和上光劑吸收性的影響，還介紹了面涂涂料中膠乳用量的影響。

2 預(yù)涂遮蓋性和疏松性的改善機(jī)理

高嶺土粒子形狀對遮蓋性的影響如圖1所示。

圖1 粒子形狀對遮蓋性及疏松性的影響

高嶺土的這種效果即使在配比很低時也能得到體現(xiàn)。長寬比更高的高嶺土與GCC配合使用，能增加涂布層的疏松性，提高遮蓋性，增加光散射，由此也提高了光學(xué)適印性，能更好地遮蔽用作紙容器紙板的原紙粗糙度。

3 實(shí)驗(yàn)——二次涂布白紙板的預(yù)涂影響

3.1 涂料配方

不同配方的預(yù)涂涂料的配制在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。為了優(yōu)先比較對較低白度原紙的粗糙度產(chǎn)生較大影響的遮蓋性，原紙選用了使用廢紙為原料生產(chǎn)的白紙板。并且，該原紙的粗糙度為5.2 μm，D 65-UV白度為59.5。面涂及預(yù)涂的涂料配方如表1所示。

預(yù)涂采用軟刮刀涂布（速度450 m/min），涂料固含量為66.5%。涂料配方方面，分別準(zhǔn)備了100%的GCC 60（2 μm以下≥60%），在GCC 60中分別加入25%和50%的巴西產(chǎn)粗粒徑高嶺土（2 μm以下≥55%，長寬比為45，ISO白度為88%）的樣品。所有樣品中都添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的膠乳、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的淀粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的架橋劑，涂布量為12 g/m2。

面涂用實(shí)驗(yàn)室模擬機(jī)進(jìn)行刮刀涂布，涂布量同樣設(shè)定為12 g/m2。涂料配方選擇了2種：普通配方，微粒徑高嶺土（UFGK）和GCC 95（2 μm以下≥95%），質(zhì)量配比為15∶85；另一種是100%超細(xì)粒徑GCC 99（2 μm以下≥99%）。并且分別添加14%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膠乳及0.3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC。此外，100% GCC 99涂料配方中的膠乳用量將在8%～14%之間變化。

3.2 白紙板光澤度、平滑度和白度的評價結(jié)果

白板紙壓光處理前物理性能如表2所示（面涂涂料中的膠乳為質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%）。

表1 涂料配方

表2 涂布白紙板的物理性能

從結(jié)果得知，不同的涂料配方、光學(xué)和物理遮蓋性方面存在明顯差異。與100%GCC的預(yù)涂涂料相比，加入了高嶺土樣品的白紙板光澤度和平滑度明顯提高。而遮蓋性在高嶺土比例變化時未看到明顯的差異。這一趨勢在過去的實(shí)驗(yàn)中已得到確認(rèn)。另外，從提高光澤度和平滑度的角度來看，再次確認(rèn)了預(yù)涂涂料中加入高嶺土及100%GCC的面涂涂料配比組合比普通組合，即100%GCC的預(yù)涂涂料及微粒徑GCC和高嶺土的面涂涂料配比組合更好。

另外，不管是在預(yù)涂涂料還是面涂涂料中加入高嶺土，在低白度的白紙板原紙上涂布都能提高其白度。該趨勢與加入的高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比例關(guān)系，預(yù)涂涂料中加入50%高嶺土的樣品，其白度最高，與預(yù)涂涂料為100%GCC相比，白度提高約4百分點(diǎn)。為了進(jìn)一步分析涂布白紙板的光學(xué)均一性，通過掃描儀（Image J 3）進(jìn)行繪圖分析，結(jié)果用圖2中的灰色標(biāo)度圖和變動系數(shù)表示。

由圖2可見，面涂涂料或底涂涂料樣品中未加高嶺土，其光學(xué)不均一性較大，加入了高嶺土后得到了改善。

圖2 遮蓋性的比較

3.3 印刷適印性評價結(jié)果

通過在壓光處理前的涂布白紙板上進(jìn)行柔性凸版印刷及膠版印刷進(jìn)行印刷適印性的評價。柔性凸版印刷設(shè)定了2個條件，即采用了160線/cm×油墨6 cm3/m2及品質(zhì)要求較高的200線/cm×油墨5 cm3/m2。膠版印刷評價時，將印刷濃度固定在1.5。結(jié)果如表3所示。

由于使用了高嶺土，顯示印刷光澤得到改善，特別當(dāng)在底涂中加入高嶺土?xí)r，遮蓋性得到提高。大粒徑GCC+高嶺土的底涂涂料和100%高嶺土的面涂涂料的組合在柔性凸版印刷及膠版印刷2方面，都表現(xiàn)出最好的印刷光澤度。與均為100%GCC的面涂涂料和底涂涂料配方相比，膠版印刷光澤度提高3百分點(diǎn)，柔性凸版印刷光澤度提高5～6百分點(diǎn)。此外，與100%GCC的普通涂料配方的底涂涂料和超細(xì)粒徑GCC和微粒徑高嶺土的面涂涂料的樣品相比，膠版印刷光澤度提高2百分點(diǎn)，柔性凸版印刷光澤度提高3～4百分點(diǎn)。對涂布白紙板的印刷光澤度來說，底涂涂料中加入高嶺土有助于印刷光澤度的改善，但超過25%時，效果甚微，甚至是下降。

3.4 上光加工的評價結(jié)果

眾所周知，上光加工也受到涂布表面粗糙度及孔隙度的影響，而如何影響則通過另外途徑進(jìn)行研究。上光加工特性用IGT印刷機(jī)涂布0.3～2.2 g/m2的油性膠版上光劑進(jìn)行測定。上光劑光澤度的評價使用了Surfoptic SIRS 75成像反射儀。本方法通過2條激光線，用與TAPPI光澤度相同的75°測定表面光澤、實(shí)效曲折率、微觀粗糙度及可視粗糙度，與人的視力一樣，受光角狹窄（TAPPI 75°為10°，本儀器為1°），對高光澤度的上光表面獲得了精細(xì)的結(jié)果。上光劑最多的所有樣本（2.0～2.2 g/m2）曲折指數(shù)為1 535±0.003，說明涂布的上光劑完全遮蓋了紙板表面。用TAPPI 75°測定的上光光澤度結(jié)果相同，而用高靈敏度的Surfopic測定，可以分辨可視粗糙度產(chǎn)生的數(shù)值差異。該差異可以看作是由紙板光澤度及孔隙度產(chǎn)生的。

涂布白紙板的孔隙度，利用IGT Print Penetration Set測定滲透了含有蘇丹（Sudan）紅染料的鄰苯二甲酸二丁基油液滴的領(lǐng)域。測定條件為壓力10 kfg及速度0.5 m。這取決于面涂膠粘劑比例和，一定孔隙量所必需的膠粘劑量（膠乳添加增量=孔隙增量）。結(jié)果如圖3所示。

圖3 白紙板的白紙光澤度及孔隙度產(chǎn)生的上光光澤度

表3 膠版及柔性凸版印刷光澤度

由圖3可見，在上光劑涂布量不變時，上光光澤度最高的不是高嶺土加在面涂涂料中而是加在底涂涂料中的配方。相反，上光光澤度最低的是未加高嶺土的100%GCC的涂料配方。從這一結(jié)果可以知道，最合適的上光光澤度取決于涂布白紙板的可視粗糙度及孔隙度。我們推測，底涂涂料中添加高嶺土有助于白紙板原紙的遮蓋，降低可視粗糙度；并且，影響面涂涂料中膠乳的遷移，即使使用100%GCC也能降低孔隙度。

為了更深入地探討上光加工適印性，以25%高嶺土的底涂涂料及100%GCC的面涂涂料的白紙板樣品為基礎(chǔ)，進(jìn)行針對膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和光澤度之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表4所示。

表4 膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和光澤度之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

膠乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對上光加工適印性的效果，取決于2種相反的因素，即低膠乳添加量引起的白紙板光澤度改善及孔隙度增加。因此，膠粘劑的減少對上光加工特性有益，但超過一定程度時，白紙板光澤度提高的同時，涂布層的結(jié)構(gòu)變得開放，孔隙度增加，其結(jié)果是涂布后的上光表面變得粗糙，上光光澤度下降。

圖4為涂布白紙板表面的掃描電鏡（SEM）照片。

從圖4的SEM照片可以看出，100%GCC的面涂涂料配方可以降低膠粘劑用量。該樣品的表面與添加了微粒徑高嶺土的配方相比，涂料呈現(xiàn)致密狀態(tài)，能更有效地發(fā)揮膠粘劑的功能，孔隙度較低。這一結(jié)果與減少高檔涂布紙中膠粘劑可能性的研究結(jié)果類似，即使在面涂涂料中去掉高嶺土，并減少1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膠乳時，依然能夠維持強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

本文研究確認(rèn)了在白紙板的二次涂布過程中，底涂涂料中加入高嶺土比面涂涂料中加入高嶺土更有利，以及比較了與面涂涂料、底涂涂料均為100% GCC的配方的優(yōu)缺點(diǎn)。

表5顯示了二次涂布白紙板的評價結(jié)果。

表5 二次涂布白紙板的評價結(jié)果

由表5（樣品1和樣品2）可見，將面涂涂料[w（GCC 95）=85%+w（UFGK）=15%]及底涂涂料[w（GCC 60）=100%+普通膠粘劑]轉(zhuǎn)換為面、底涂涂料均為100%GCC的優(yōu)點(diǎn)是，通過高嶺土的置換降低了成本，并且減少了膠粘劑用量；缺點(diǎn)是，白紙板光澤度、印刷光澤度和遮蓋性下降。因此，使用漂白漿的高檔紙板，其缺點(diǎn)可能比較少。

由表5（樣品3和樣品4）還可見，在底涂使用高嶺土的效果比面涂更加確定?？梢源_認(rèn)，底涂添加高嶺土的配方與100%GCC及普通配方相比，平滑度、白紙板光澤度、印刷光澤度、上光光澤度及遮蓋性等方面都得到改善。

雖然改善成紙質(zhì)量方面的優(yōu)越性毫無疑問，但涂料成本方面存在著爭議。表6評價了歐洲使用的普通涂料成本。底涂涂料為高嶺土的配方，面涂涂料中減少了1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膠乳及50%的增黏劑。因此，涂料的合計(jì)成本如圖5所示，底涂中添加25%粗粒徑高嶺土增加的成本由于這些添加劑的降低被抵消。

由于成本因地域及工廠不同而不同，這一估算的普遍性可能受到質(zhì)疑；但我們認(rèn)為，通過在底涂中添加高嶺土來改善成紙品質(zhì)不會顯著增加生產(chǎn)成本；如果從維持成紙品質(zhì)的角度考慮，也有可能降低生產(chǎn)成本。（杜偉民編譯）

表6 涂料配方

圖5 成本估算

凱米拉收購巴斯夫AKD乳液全球業(yè)務(wù)的交易完成

凱米拉日前宣布并購巴斯夫公司AKD乳液全球業(yè)務(wù)已于2014年5月5日完成。此次并購強(qiáng)化了凱米拉作為造紙工業(yè)（特別是歐洲大陸市場）施膠產(chǎn)品供應(yīng)商的地位。

交易雙方同意不公布協(xié)議的財(cái)務(wù)細(xì)節(jié)。（李海明）