涂布顏料的使用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

該文綜述了涂布紙和涂布板紙使用的主要顏料（碳酸鈣和高嶺土）的性能和表現(xiàn)，考察了近年來涂布顏料的使用方法和配方的變化情況，密切關(guān)注了結(jié)構(gòu)性高嶺土涂料的最新發(fā)展，焦點在于它如何給紙和紙板涂布帶來價值，以及功能性高嶺土如何在特殊涂布如阻隔涂料中使用。

1 關(guān)于涂布用顏料

紙及紙板涂布加工的目的是覆蓋原紙的紙漿纖維，以便得到具有良好均勻性和平滑度的紙面；另外，通過涂布還能提高紙張的光澤度，改善紙張的不透明度等以滿足最終產(chǎn)品，如光澤涂布、綢紋涂布、無光澤涂布的質(zhì)量要求。

紙張涂布使用了包括滑石粉、氧化鈦、合成硅和塑料顏料等在內(nèi)的各種顏料，其中，碳酸鈣和高嶺土使用最多。碳酸鈣中又有重質(zhì)碳酸鈣（GCC）和輕質(zhì)碳酸鈣（PCC）之分，其主要效果是賦予紙張較高的白度。GCC根據(jù)粉碎方法及粒子尺寸進(jìn)行分類。一般來說，粒徑較大的GCC用作填料，或者用作涂布的預(yù)涂；粒徑較小的GCC由于有較高的光澤度被用于單面涂布或面涂。PCC也根據(jù)粒徑尺寸進(jìn)行分類，由于粒度分布較均一而被用于提高光學(xué)性能。通常涂布使用的是針狀霰石類和立方體菱形狀這2種PCC。霰石PCC賦予紙張光澤度和光學(xué)特性，菱形狀PPC賦予流動性及印刷適應(yīng)性。第3種結(jié)晶體是凝聚的偏三角面體，其用作填料的情況比用作涂布的情況多。

高嶺土的技術(shù)參數(shù)包括粒徑尺寸及粒徑形狀（縱橫比），同時隨著高嶺土產(chǎn)地的不同具有獨特的性能，例如：巴西產(chǎn)的capim瓷土來自天然，白度高，粒度分布窄；北美高嶺土可被加工成各種高縱橫比和微粒型品種。

圖1顯示了賦予紙張各種特性的高嶺土和碳酸鈣的電子顯微鏡照片（因Scalenohedral PCC大多用作填料，故未列出）。

圖1 碳酸鈣和高嶺土的電子顯微鏡照片

不同的顏料具有不同的特性，如高嶺土的粒徑形狀可改善紙張的表面性；GCC可提高紙張的白度，降低成本；PCC可給予涂層最佳的光學(xué)特性及松厚性。因此為了取得最佳效果，涂料配方中顏料常采用多種顏料混合，其中高嶺土和碳酸鈣是基礎(chǔ)。表1～3分別為賦予紙張?zhí)匦缘母邘X土和碳酸鈣的性能、造紙用高嶺土的類型及典型用途、造紙用碳酸鈣的類型及典型用途。

為了了解各種顏料原料的不同特性，分別做了高嶺土、GCC和PCC的中試涂布試驗，以對它們作基準(zhǔn)評估。其實，這種用單一顏料作為涂料的試驗例子是很罕見的，但是為了專門比較各種顏料品種，這次中試用這些顏料單獨進(jìn)行了涂布。涂料配方組成為顏料、膠粘劑和淀粉；原紙為高檔文化用紙，用輥式涂布機(jī)以車速1 000 m/min進(jìn)行涂布試驗。涂布量為14 g/m2，涂布后測定其物理性能，結(jié)果如表4所示。

表1 賦予紙張?zhí)匦缘母邘X土和碳酸鈣的性能

由表4可見：碳酸鈣涂料的固含量總體來說比高嶺土高，脫水性較差；粒度分布較窄的PCC以比GCC低的固含量涂布；高縱橫比的高嶺土需要以最低的固含量涂布?？傊焊邘X土在平滑度、光澤度以及印刷性能方面比碳酸鈣優(yōu)良；高嶺土的粒徑越細(xì)，光澤性能提高幅度越大，粒度分布越窄以及縱橫比越高，平滑性及印刷適應(yīng)性越好；PCC比GCC具有更好的平滑度和光澤度，而印刷適應(yīng)性方面較差；GCC與PCC二者都是粒徑越小光澤度越高，而印刷適應(yīng)性較差。

表2 造紙用高嶺土的類型及典型用途1）

表3 造紙用碳酸鈣的類型及典型用途1）

表4 造紙用高嶺土、GCC和PCC的中試涂布試驗結(jié)果

另外，一般來說，高嶺土的不透明度比GCC好，而白度較差。通過提高窄粒度分布的高嶺土和碳酸鈣的光散亂度能同時提高白度和不透明度。PCC的光學(xué)特性受粒徑尺寸的影響比GCC小，微粒的白度較高。因此，PCC總體的光學(xué)特性最佳。

圖2總結(jié)了造紙用高嶺土、GCC和PCC的特性。

2 涂布顏料使用的演變過程

過去10年間，在成熟市場上，印刷用紙繼續(xù)減少，而且最近在之前呈現(xiàn)階段性初級增長的中國以及東南亞各國，文化用紙的需求也在減少。與文化用紙相比，包裝用紙的需求比較強(qiáng)勁，北美以及歐洲呈現(xiàn)微增趨勢，亞洲（特別是中國），實現(xiàn)了初級階段的強(qiáng)勁增長。

圖2 造紙用高嶺土、GCC和PCC的特性

但是，現(xiàn)在包裝用紙的增速也出現(xiàn)了下降。這種市場變化對顏料的使用方法和需求產(chǎn)生了很大的影響。較多使用高嶺土的紙種和地區(qū)受此減速的影響較大，需求減少過程中選擇了向碳酸鈣轉(zhuǎn)移。其結(jié)果是在過去5年間高嶺土和碳酸鈣二者的用量都下降了，并且高嶺土的下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳酸鈣。根據(jù)預(yù)測，2012年以來，碳酸鈣的年下降率為1.2%，而高嶺土的年下降率為2.4%（實際上可能更多）。

在同一時期，也有一些紙廠還進(jìn)行了在涂料配方中用成本較低的碳酸鈣置換高嶺土的工作。由于這種置換，不少工廠對紙的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值也進(jìn)行了調(diào)整。最近高嶺土的用量一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。根據(jù)分析推測，目前涂布紙/涂布板紙每年使用的高嶺土大約為500萬t，碳酸鈣約為2 300萬t，碳酸鈣中75%為GCC。

圖3顯示了過去幾年中涂布紙所用的高嶺土和碳酸鈣使用比例的變化趨勢。

圖3 高嶺土和碳酸鈣使用比例的變化趨勢

表5顯示了高嶺土在不同紙種、不同地區(qū)中的使用比例。

涂料配方中高嶺土和碳酸鈣的使用比例受不同地區(qū)市場價格及涂料配方的影響很大。北美通常為單涂，由于北美在全世界中高嶺土和碳酸鈣的價差最小，因此涂料中高嶺土的配比率較高。相反，在以多次涂布為主、高嶺土和碳酸鈣價差較大的歐洲，高嶺土的使用比例較低。在亞洲，除了日本之外，由于中檔紙種極少，多次涂布，高嶺土和碳酸鈣的價差在世界上最大，涂料配比中的高嶺土比例為世界上最低。碳酸鈣多數(shù)在鄰近地區(qū)或在紙廠在線生產(chǎn)。日本單涂較多，加上高嶺土和碳酸鈣的價差與其他亞洲諸國相比較小，因此與北美較類似，但是近年來，正在向歐洲及其他亞洲各國的涂料配比靠近。

通常碳酸鈣是作為主要顏料連續(xù)使用的，而高嶺土常常是為了滿足遮蓋性及表面物理性能的質(zhì)量要求而使用的。并且，在需要調(diào)整空隙的特種紙中，高嶺土的使用價值也受到了較高的評價。

表5 高嶺土在不同紙種、不同地區(qū)中的使用比例

3 涂布顏料的應(yīng)用和開發(fā)

以往的顏料開發(fā)與紙機(jī)的開發(fā)及品質(zhì)要求緊密相連，但現(xiàn)在的開發(fā)目的很明顯主要是為了降低成本。與此相反，為了滿足紙廠產(chǎn)品組合的多樣化以及市場要求，在特種紙的顏料產(chǎn)品開發(fā)方面持續(xù)進(jìn)行了積極的努力。

在考慮降低成本時，一般的做法是單純地選擇含有顏料的廉價原材料。但是由于顏料成本對于紙張整體而言所占比重較小，影響有限，因此有時候需要探索其他的途徑。通過與碳酸鈣的配合，高嶺土的粒徑形狀可以獲得高松厚度的結(jié)構(gòu)，遮蓋性及表面物理性能這2方面都可以改善。因此，雖然高嶺土價格比碳酸鈣高，但對紙廠而言仍有利可圖。圖4顯示了其中的案例。

圖4 遮蓋性和松厚性的價值

關(guān)于高嶺土的遮蓋效果，迄今為止可以找到很多已公開的資料，新的例子是，用少量煅燒高嶺土和含水高嶺土配合形成涂布層的結(jié)構(gòu)化，圖5介紹了其在白度極低的掛面紙板上的使用效果。

結(jié)構(gòu)化涂層在大幅度減少面層涂布量的同時可以確保同等的光學(xué)特性。在低涂布量的條件下，含水高嶺土和煅燒高嶺土的配合顯示了優(yōu)越的遮蓋性。白漿掛面紙板的高涂布量單面涂布的品質(zhì)得到改善，具有與雙面涂布相匹敵的效果。在歐洲的案例中，代替紙漿纖維降低的原材料成本約為40%。

眾所周知，提高遮蓋性的探索非常重要，但對特種紙空隙的調(diào)整還需要進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)用開發(fā)。特種紙的涂料成本較高，其效果受涂料保持性的影響較大，例如玻璃紙之類的剝離紙所用的有機(jī)硅和親水性阻隔材料的保持性改善。在所有案例中，功能材料層下面配合的高嶺土層均支持了這些功能材料的保持，最終能夠降低成本。高嶺土的效果如圖6所示（圖6中：“玻璃紙案例”中1～4檢測點的“涂布顏料配方”見表6；“防潮紙案例”中各檢測點的“涂布顏料”見表 7）。

圖5 用松厚性涂層代替白色掛面紙板的紙漿纖維

圖6 保持性的改善

表6 玻璃紙涂布顏料配方

表7 防潮紙涂布顏料

玻璃紙的案例中，盡管涂布量非常低，高嶺土的配比在臨界顏料堆積濃度以下，但通過使用高純度高縱橫比的高嶺土及聚乙烯醇膠粘劑，有機(jī)硅層的保持性獲得了大幅度改善。通過在預(yù)涂中使用高嶺土，阻隔性材料改善了最終的阻隔性，在維持功能的前提下，大幅度降低了面層使用的阻隔材料。

綜合價值不僅是阻隔材料的保持，而且還由于含有高嶺土的扁平礦物（顏料）降低了面涂涂料中配入的阻隔材料的透過性，取得了功能性改善和成本降低（轉(zhuǎn)換成聚合物）2種效果。

雖然已開發(fā)了多種阻隔性功能材料，但還是建議采用雙涂方式。其理念是，在前期的預(yù)涂階段給與適度的保持性，通過保持在面涂中使用的有效的高價阻隔材料，進(jìn)一步提高阻隔性能。高縱橫比的礦物材料用于面、底涂中，根據(jù)壓痕折疊、熱封及特殊阻隔性等最終用途效選擇顏料和膠粘劑比例。圖7顯示了其中的一個案例。

案例的成本方面與使用聚乙烯醇相同，但循環(huán)性和使用來自石油的原料比例較低，比較環(huán)保。隨著消費者對環(huán)保意識的提高，開發(fā)具有可持續(xù)性的顏料應(yīng)也將成為趨勢。

圖7 洗滌劑包裝紙板的親水阻隔材料應(yīng)用

4 總結(jié)

（1）碳酸鈣成本低，在提高紙張白度方面被廣泛使用。

（2）高嶺土除了單涂，具有成為需要改善表面特性或調(diào)整孔隙度這些特性的添加材料的趨勢。

（3）高嶺土的應(yīng)用開發(fā)著眼于應(yīng)用性及效果，包括以下方面：①用以高嶺土為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)化涂層以物理和光學(xué)性能覆蓋原紙表面的凹凸或低白度的原紙；②選擇源自天然的重金屬含量低、縱橫比高的高嶺土，在剝離紙中應(yīng)用的有機(jī)硅層保護(hù)和硬化；③高嶺土和提高性能后的扁平礦物阻隔材料配方，以及考慮環(huán)保要求的包裝產(chǎn)品的水分保持/耐水性和耐油性等功能。