颜料涂布纸涂层结构的影响因素

西南造纸２００５年３４卷第６期纸或纸板涂布的主要作用是使其获得一个较好的外观和印刷适印性。因此，涂布改善了纸的平滑度、光泽度和不透明度，并使其具有较高的油墨吸收性。而这些性能都与涂层的结构有很大的关系。本文就影响涂层结构的一些因素做简要的论述。１颜料及其性能对涂层结构的影响［１～６］颜料是涂布纸涂层的主要成分，约占涂层体积分数的７０％以上，质量分数的８０％～９０％，因此，它对涂层结构具有很大影响。目前涂料中较常用的颜料有高岭土、碳酸钙（分为研磨碳酸钙和沉淀碳酸钙）、钛白粉和塑性颜料等。而颜料种类、晶形和粒径分布的不同，都会造成涂层表面的很大差异。目前使用最广泛的颜料是高岭土，且分布广，价格廉，使用效果好。高岭土的粒子形状为六角片状，具有较高的径厚比，可以更好的覆盖原纸表面。另外，碳酸钙颜料粒子由于其较大的表面积和疏松多孔性，涂层结构有较大的孔隙直径和总孔隙率，容易产生较开放的涂层表面。高岭土经煅烧后可具有一个充满空隙的结构，这就使其具有较好的光散射能力和不透明度，并能增强涂层的弹性。但是它能增加涂料的粘度和硬度，使磨损增加，因此不可单独使用，且用量不宜过多。涂层的不透明度与颜料散射系数相关，颜料的散射系数提高则涂层的散射系数随之提高，而对于某—波长的入射光颜料的散射系数对应一个最佳粒径。但是，并不是说颜料粒径越小越好，当粒径小于０．２μｍ时其散射系数明显的下降，所以应避免使用极细的粒子。同时，极细的颜料粒子能使纸具有高光泽度，但颜料比表面积增加，而涂层微孔体积基本不变，涂层微孔变小，使得印刷光泽度变低，这也说明颜料粒子应有一个下限。窄粒径分布的颜料能够使涂层结构具有较大的孔隙直径和总孔隙率，可以提高纸张的印刷光泽度，同时还能使涂层的散射能力提高，不透明度变大。２胶粘剂及其迁移对涂层结构的影响２．１胶粘剂种类及用量对涂层结构的影响涂料中胶乳的主要作用为粘结。涂料中的胶乳能通过静电作用及空间位阻效应分散颜料粒子的絮聚体，使涂料液稳定。而当涂层干燥时，胶乳能把颜料粒子粘结在一起，并能通过与纤维的钩连作用使涂层牢固地粘着在原纸表面［７］。胶粘剂的种类对涂层结构也可产生一些影响，天然胶粘剂（如淀粉、干酪素等）可产生较大的涂层空隙体积，涂层表面较开放，而合成胶粘剂（如胶乳、聚乙烯醇）因成膜性强则能使涂层空隙体积变小，涂层表面封闭。水溶性胶粘剂（如淀粉、干酪素、聚乙

烯醇）所产生的涂层表面比胶乳较粗糙［８］。对于丁苯胶乳来说，Ｔｇ（玻璃化温度）对涂布纸的结构具有较大影响。一般来说，Ｔｇ高，胶乳膜的收缩度小，涂层表面粗糙度则相应的减少。而丁苯胶乳的大粒径和高Ｔｇ则有利于涂层结构更加开放［９］。

２．２胶粘剂迁移对涂层结构的影响胶粘剂的迁移能够造成涂层内部结构分布的不均匀。迁移可以在两个方向上发生，即向原纸内部迁

移和向涂层表面的迁移。施涂和干燥是涂布过程中两个非常重要的阶段，也是胶粘剂发生迁移的两个阶段。而目前对于施涂阶段胶粘剂迁移的报道还不多，结果也有待讨论［１０］。

干燥过程中，由于涂料和原纸中大量的水分被蒸发，水的移动就使得胶粘剂的迁移受到很大影响。当干燥强烈时，涂层中的水分被迅速蒸

发，涂层中的胶粘剂向原纸内部迁移较少，涂料表面胶粘剂浓度相对较高，使得涂层的微孔体积减少，微孔变小，印刷光泽度降低。反之，干燥过于温和时，胶粘剂向原纸内部

迁移较多，涂层表面胶粘剂浓度过低，微孔变大，使得印刷时吸墨性过大。且表面强度低、光泽差。因此，适当地控制胶粘剂迁移是提高纸张表面强度和光泽度的关键［１１］。

狄宏伟，杨汝男（大连轻工业学院，辽宁大连１１６０３４）中图分类号：ＴＳ７２７文献标识码：Ｂ

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颜料涂布纸涂层结构的影响因素

３６ＳｏｕｔｈＷｅｓｔＰｕｌｐＡｎｄＰａｐｅｒ２００５．Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．６纸表面印刷密度的变化（印刷斑点）是个很普遍的印刷瑕疵。胶粘剂的迁移被认为是斑点产生的主要原因。具有较低油墨密度的区域含有较多的胶粘剂，而且不同的表面孔隙率能够导致斑点的产生。由于油墨的不均匀吸收所导致的印刷斑点与表面胶粘剂和颜料的不均匀分布直接相关。许多研究者认为涂层厚度的变化和印刷斑点之间具有某种联系［１２］。Ｇ．ＣＨＩＮＧＡ［１３］认为：印刷斑点并不是直接由开放和封闭的区域大小所决定，而是由于它们分布的不平均来决定的。Ｐ．ＲＡＪＡＬＡ等人［１４］通过对干燥模型的数据进行统计得出：当涂料中只含有胶乳作为胶粘剂时，斑点由非平面方向上不平均的涂层结构引起，这可能是由于相邻涂层的不均匀收缩引起的。而当涂料中的胶粘剂含有淀粉时，干燥时斑点产生的变化更大了。同时由胶粘剂迁移不均所引起的胶粘剂浓度不均增加了斑点的产生。Ｓ．ＢＩＴＬＡ等人［１５］认为：胶粘剂的迁移主要取决于颜料和胶乳的粒径比，而不是胶粘剂的浓度；具有较高颜料和胶乳粒径比的涂层能够产生较大的胶粘剂迁移。３涂料中的助剂对涂层结构的影响沉淀碳酸钙等一些颜料粒子较难分散，易产生粒子絮聚。而且由于很多颜料的粒径较小，易受分子作用力等吸引力的影响而二次絮聚。因此，必须使用分散剂并保证分散的效果和稳定性，以避免絮聚的粒子影响涂层结构和纸张的光学性能［２］。许多合成的水溶性聚合物可用作增稠剂通过与颜料的相互作用来提高涂料的保水性能。ＳＡＭＹＡＥＬ－ＳＨＥＲＢＩＮＹ［１６］通过对四种聚合增稠剂的研究认为：聚合增稠剂对颜料粒子的吸附力越大，产生的有效增稠作用越大，而吸附作用取决于聚合物的成分和颜料的表面结构。增稠剂对瓷土的吸附力要大于碳酸钙。而且增稠剂的加入能使涂布纸表面更加平滑均一。ＣＭＣ（羧甲基纤维素）凭借其优良的保水性可以有效地减少胶粘剂的迁移，改善涂层的覆盖性，提高涂层强度。而且可减少涂层的孔隙率，容易产生较松厚和开放的涂层［１２，１７］。４原纸对涂层结构的影响原纸是由纤维交织形成的网目构造体，其网络结构具有多孔性，必然导致涂布过程中颜料粒子等的渗透，因此对涂层的结构和涂布纸的性质的影响较大。原纸上涂布量的变化主要是由涂料量以及原纸表面的开放性决定。低开放性的原纸表面定义为含有细小和较浅空隙的表面。原纸的低开放性和高填料量可以使原纸被获得较高且均一的覆盖；而这可能是因为原纸结构使颜料的渗透减少。通过预压光以及提高填料和细小纤维的含量，可以使原纸表面获得较低的开放性［１８］。涂层覆盖和涂层分布在多孔的纸页上比在密实的纸页上更差。纸页的内部施胶对涂层覆盖和涂层的空隙性没有影响，因此，它不能决定涂料的覆盖性和涂层的均一性。纤维原料的选择和配比对涂布结构以及原纸和涂层间的作用具有很大的影响。涂布原纸中的长纤维含量决定了原纸的强度；而短纤维则决定其松厚度及不透明度等性能，并有助于提高原纸的匀度及表面平整度。含机械浆的涂布纸表面粗糙、孔隙率大、吸收性大；并且涂料中的水会引起纤维润胀和剥离，使原纸表面粗糙度和表面孔隙率增加。对含机浆原纸的预压光和提高填料含量可改善涂布纸的覆盖和涂布纸涂布量的均匀性，并可降低孔

隙半径和表面的粗糙度，防止更多的涂料渗透进入涂布原纸．一些研究者［１８～２０］在对ＳＧＷ、ＴＭＰ、ＰＧＷ等机械浆为原料的涂布原纸进行研究后认为：在涂布过程中虽然ＳＧＷ纸

表面较暗、较粗糙，但其表面较稳定，比ＴＭＰ有较好的原纸匀度，因此ＳＧＷ的纤维覆盖性和涂布量的均一性比ＴＭＰ的要好。ＰＧＷ的纸

页表面比ＴＭＰ的更稳定一些，能使涂布纸的表面更光滑，涂层更均一。

增加填料量以及对原纸进行预压光可以改善ＳＧＷ和ＴＭＰ原纸的纤维

覆盖和涂布的均—性，有利于产生更加封闭的原纸表面。对ＴＭＰ纸进行预压光与ＳＧＷ和ＰＧＷ纸相比，

减少了大孔的数量，因而可增加细小孔的数量。

当水或涂料接触到纸的时候纤维的润胀能够引起原纸结构的不可逆变化。这些变化能够对纸的表面粗糙度和涂层产生很大影响。对于低定量涂布纸（ＬＷＣ）来说，这些变

化在刮刀后变得很小，甚至不存在。

有研究认为：对于具有较高吸水性的纸页来说，润胀发生在刮刀之前，

但是对于较低吸水性的纸页润胀发生在刮刀以后。经刮刀后的纤维润胀也出现在含机械浆的原纸中。对于浸压式的常规刮刀涂布器，原纸

纤维与涂料的接触时间较长，涂料中的液相能被原纸吸收，纤维会在进刮刀前润胀。对于短驻留涂布器，

纤维在进刮刀前润胀的可能性明显低于浸压式的常规刮刀涂布器［２１］。

５压光原纸在涂布时，虽然涂层可获

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３７西南造纸２００５年３４卷第６期Ｑ（ａ，ｂ）＝ｎｉ＝１!（Ｈｉ－"ｉ）２＝ｎｉ＝１!（Ｈｉ－ｂ－ａＶｉ）２

描述了全部实测值偏离回归直线的程度。用最小二乘法确定使Ｑ（ａ，ｂ）为最小时的ｂ和ａ，这样得到的一条直线是与点（Ｖｉ，Ｈｉ）偏离最小的一条直线［４］。

根据现场经验，曲线在大、中、小水分各区的斜率是不同的，所以应分段线性。对同一品种，当克重、厚度不同时，实际标定的曲线亦不同。实践证明，采用这种线性化处理能使在线测量的误差≤±１水分。以下是１９９０年

７月至８月间在浙江上虞化纤厂实测的数据，根据绝对误差ΔＸ，计算得出标准逆差σ＝０．７５４＜１．

７软件设计软件中，Ａ／Ｄ每隔２００μＳ采样一次Ｖ（图４）。连续采样２５次（５ｍｓ），将５ｍｓ内Ｖ的平均值Ｖｉ送至Ｄ／Ａ作Ｖ／Ｉ转换，然后将Ｖｉ代入一元线性回归方程中，算出对应的水分值Ｈｉ，存入内存暂存区；将５ｓ内所有Ｈｉ的平均值送至显示缓冲区，显示器显示５ｓ内经过传感器的物料的平均水份，如此循环，实现在线检测。框图如图５所示。８结束语我们研制的微波水分仪的用户已经遍及全国二十几个厂家，测量的对象包括纸板、涂布纸、浆粕板、书写纸、褐藻酸（颗粒状）等，适用性很广。实践证明，它解决了以往国内同类产品存在的漂移大、标定复杂和器件互换性差等问题，并弥补了红外水分仪测厚料精度差、在线测量稳定性差等不足。尤其是扫描式微波在线水分仪，可监测任一瞬间物料各点的水分，为水分仪的进一步开发应用提供了广阔的前景。本文在写作过程中，得到宗华工程师的支持和帮助，在此表示感谢。参考文献［１］李福彬译．〔苏〕Ｅ．Ｃ．克里切夫斯基．水分检测的原理与装置．［２］汤世贤．微波测量．国防工业出版，

［３］宗华．微机控制下微波功率的替代测量．电子测量与仪器学报，１９８７，１（４）：

［４］萧亮壮、谭锐先．概率与数理统计．国防工业出版社，

得涂布设备的平整，但仍然是不平滑和无光泽的，涂层也不够紧密。而且由于原纸表面的凹凸不平，涂布

后的纸张表面并不平整。为了保证高质量的印刷图像和高印刷光泽度，纸张的光泽度也必须足够的高。

因此，涂布纸要在压光机上进行最后的压光。软辊压光比刚性压光更能使纸页被压实，纤维之间结合的

更好，成纸强度也好［４］。增加辊面温度会产生更多紧缩的表面微孔结构；结果引起更快的油墨固着和更高的油墨扩散，因此当压榨辊温度