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矿物填料应用,第四章 造纸用矿物填料和涂料,第三节 造纸颜料涂布 一、概述 一）历史 二）远景 三）主要类别 四）涂布过程 五）涂层的表面及结构 二、纸张涂布用的原料 一）纸张涂布用的涂布基材 1、组成 2、孔隙率、均一性及整饰 3、强度性质 4、耐久性 5、亮度和不透明度,二）纸张涂布用的颜料 1、高岭土 1）高岭土的矿物学 2）高岭土的物理和化学性质 3）涂布高岭土的等级 4）涂布高岭土的亮度 5）涂布高岭土的粒度 6）涂布高岭土的粘度 7）涂布高岭土的筛渣 8）涂布高岭土的pH值 9）涂布高岭土的游离水分 10）涂布高岭土的分散性 11）涂布高岭土的流变性 12）涂布高岭土的胶粘剂需要量 13）影响的涂布纸的性质,2、碳酸钙 1）碳酸钙的物理和化学性质 2）碳酸钙的等级 3）碳酸钙的分散 4）碳酸钙的流变性 5）受碳酸钙影响的涂布纸性质 3、二氧化钛 1）二氧化钛的性质 2）二氧化钛的分散 3）二氧化钛流变性 4）二氧化钛对涂布纸性质的影响 4、其他颜料 1）煅烧高岭土 2）氧化铝三水化合物 3）蒙脱土,第三节 造纸颜料涂布,颜料涂布纸的增长率超过总纸张的增长率，颜料涂布纸的产生已有几十年的历史，技术成熟，促进和推动了生产颜料涂布纸所需的材料、机械设备及工艺方法的不断改进和提高。在颜料涂布纸生产过程中，在颜料涂布纸所需的材料、机械设备及工艺方法等三个方面的改进，对颜料涂布纸的发展具有重要意义。,一、概述,在纸和纸板上涂敷涂料的主要目的：改进适印性及外观。颜料涂料是由颜料和胶粘剂组成。胶粘剂的作用是将颜料粒子相互粘合并将颜料粒子粘到原纸上；颜料是颜料涂料的主要组分。颜料、胶粘剂及添加剂，一般在配方中的含量20。,颜料涂布纸的表面比末涂布纸更均匀、更易接受印刷油墨，印刷过程容易，提高了印刷印质量。印刷质量的改进，尤其在图象处理或多色印刷的质量显著提高。颜料涂布与功能涂布的区别：颜料涂布是以提高印刷性能为目的；功能涂布用于除提高印刷性能之外的别的目的，不需加入颜料，或加入颜料不是主要目的。,一）历史,颜料涂布纸的起源不清楚。历史证明，几百年前就有使用颜料涂布纸的尝试。1850年开始少量生产。19世纪后半期，随着技术发展，开始有工业规模产生涂布纸的机械设备和方法。早期的涂布机是使用刷子涂刷涂料；涂布机的车速很慢，生产效率低，成本高。尽管如此，但颜料涂布纸的高度美感，还是受到大家的欢迎。,到1920年，颜料涂布纸已能大批量生产，估计在美国的消费量为100000 t，大致是总书籍纸的15。印刷颜料涂布纸时，可获得高印刷保真度和外观精美的质量，主要用于印刷协会年报和汽车等高价产品的广告册。大多数颜料涂布纸的定量在89148gm2的范围内。主要的涂布颜料是英国的涂布高岭土；常用的胶粘剂是动物胶。,19世纪30年代，社会发展导致颜料涂布纸明显增加。施加涂料也不是在纸机外操作，颜料涂布纸的生产成本大幅降低。高速热固凸版印刷技术的发明，实现了大批量、低成本的印刷。综合这些发展，1935年美国颜料涂布纸的消费量接近250000吨，,尽管第二次世界大战，使颜料涂布纸的发展受到影响，但颜料涂布纸的产量仍增加了3倍。在1950年，颜料涂布纸的产量高达100万吨；20世纪5060年代，颜料涂布纸增长速率稍慢，促仍继续增长。在1970年，美国颜料涂布纸的需要量达3275000吨，在35年间增加13倍，年增长率为8；涂布的表面积的增长速度超过10。,二）远景,1970年以来，由于美国对杂志领域的调整，使颜料涂布纸的需要量受到一定影响。年增长稳定在4左右，这种状态一直持需到20世纪80年代末。下表列出美国从1978到1990年，将要生产的颜料涂布纸的产量和价值。它不包括功能涂布纸和颜料涂布纸板的产量。,颜料涂布纸的发展及使用不仅仅只限于美国，在欧洲及其他地方也有大量的研究及生产，由于原材料的区域可用性和当地印刷商及出版商对使用要求不同，在品种结构和性能上与美国有点不同。因为颜料涂布纸的消费量被包括在印刷及书写纸中，许多国家都缺少颜料涂布纸的产量数字。,下表显示，1990年估计世界颜料涂布纸到的产量。基于这些数字，涂布印刷纸的发展远景十分广阔；增长率比整个造纸工业高，并且高于总的经济预期增长率。这种高速增长，受欠发达国家中教育水平的提高、工余间暇时间的增加、生活富裕、以及发展中国家文化程度的高速增长等因素的促进。,电子技术的发展，对颜料涂布纸的生产不利影响，大多数人预测涂布纸将会被代替，任何替代将是许多年以后的事情。尽管如此，涂布纸在硬质印件方面的应用，在使用方便、价格低廉、质量美观、轻便携带等优点，其他做法很难与之相比。,三）主要类别,颜料涂布纸主要类型：单面涂布(C1S)和双面操布(C2S)。C1S纸：主要用作标签、包装材料及只有涂布面被印刷的那一类物品，在美国，它的生产量占总颜料涂布纸的10左右。C2S纸：根据亮度、纤维配比及光泽度等，划分为五个等级。1号纸：最亮，含100的化学浆；5号纸：亮度最低，含一定的机械浆。,美国造纸协会根据亮度对涂布纸分级:1号涂布纸：亮度85；5号涂布纸：亮度72.9。5号涂布纸约占美国颜料涂布纸总产量的50，占双面涂布纸总产量的56。5号双面涂布纸，又称为刊物纸，有70用于出版杂志，其余的用于期刊、目录及商业印刷。,自20世纪50年代以来，主要研究刊物用颜料涂布纸。由于邮寄和分发费用高速增加，促使以降低定量来降低运输价格。在邮资增加两倍的时期，纸张定量降低了30，抵销了增加费用的1/3。降低纸的张定量，必须保证对印刷质量没有任何影响。,四）涂布过程,颜料涂布中使用三种基本物质：颜料主要是高岭土、碳酸钙及二氧化钛；胶粘剂或粘合剂用作粘结颜料，主要使用的是淀粉、干酷素、大豆蛋白及乳液或胶乳合成树脂；载体水。,颜料涂布系统：静电方法，该方法，在强的静电场中，涂布物料沉积在纸张上；水性系统法，是最简单、最便宜和最有效的涂布方法，并且是在任何情况下被使用的唯一方法。,看起来，涂敷涂料到纸张上好像是相当简单的操作，如果不考虑质量的话，的确如此。但是，涂布纸必须满足规定的操作要求，由于设备规模、运转速度等，使操作变得复杂。尽管多年来对这些方面进行研究，但仍然有许多技术问题需要进行研究。,生产颜料涂布纸时要考虑的因素：原纸、颜料及粘合剂等材料的选择；制备涂料的步骤；涂料的流变性；施涂涂料的方法；干燥速率；成纸的规格及使用要求。,涂施颜料涂料到纸和纸板上的主要目的是改进适印性。由于纸的表面同印刷油墨直接接触，据此认为是颜料涂料控制适印性的结论过于简单。事实上，适印性只是部分受涂料影响，涂层表面的连续性、不均匀性对适印性影响很大；而原纸（或称“涂布基材”）的质量，对适印性的影响是最重要因素。,涂布基材约占双面涂布纸重量的70和体积的90。它是由纤维形成的多孔物，大多数空隙尺寸微小，构成一个不规则的空隙面积组成的不连续表面。通过涂施颜料涂料，可改进表面的均一性。然而，涂布基材表面的变化，会影响涂层的厚度及结构，尽管表面经施涂涂料，但仍然会存在一些表面不均匀。,涂布基材的缺陷：成形差和网印，导致被涂层加重。尤其是涂布量较低时，要生产高质量的涂布纸，必须使用优质基纸。影响涂布纸性能及外观的因素：除涂布基材外，还包括涂料配方的组成，涂布方法，涂布机的操作条件，整饰程序等。这些因素的结合方式，决定涂层的性质及涂布纸的性能。,五）涂层的表面及结构,由于单根纤维之间及纤维凝聚体之间的断开面积，引起涂布基材产生许多凹陷。纤维之间的断开面积影响涂布基材的微观粗糙度，最小尺寸5m；纸张表面的纤维凝聚体之间的断开面积的宏观粗度，约在25300m之间。,除这些表面不平度外，在纤维网络内还有许多的空隙及孔隙；它们的直径约15 m。因此，原纸的粗度决定于纤维凝聚物的宏观粗度；或决定于单根纤维的尺寸及纤维间隙的微观粗度。,颜料涂布的任务是用颜料涂料覆盖纤维及纤维絮凝体，产生一个新的平整表面。在纸张涂布中，使用颜料的平均粒度1m。最常用的纸张涂布颜料是薄片形状的高岭土，高岭土薄层的径厚比约为101，或1m0.1m。高岭土薄片在涂层中平卧，涂层的表面的不平度只有0.5m左右。高岭土表面的粗度只是涂布基材厚度的几百分之一。,在颜料涂布中使用的二氧化钛和碳酸钙颜料，粒子小于0.5m，具有各向同性。因此，制备的涂层与高岭土涂层显示同一数量级的平滑度。应该提到的是，虽然颜料粒度的比造纸纤维小得多，但它们仍然是在使用的光线折射范围之内，因此，它们会影响纸张的光泽度和不透明度等光学性质。,颜料粒子需要胶粘剂或粘合剂将其粘合在一起，并将粒子粘到涂布基材上。胶粘剂对涂层的外形和孔隙度有一定的影响。不加胶粘剂的高岭土涂层中，孔隙0.1m，或是高岭土平均粒度的110；加入胶粘剂的涂层中，孔隙尺寸为0.10.2m。,涂料中的孔隙度(约0.10.2 m)只是涂布基材中的孔隙度(约15m)的110或更小。因此，颜料涂布使涂布基材的孔隙度降低1/10，是在印刷过程中油墨保留的一个重要因素。用0.45kg的涂料涂在平滑表面时，覆盖面积为306m2，涂层厚度约1m；如果涂施到一种表面纤维均分布的涂布基材上，只填满纤维的间隙而不覆盖纤维时，需要3.714.89gm2的涂料。,如果涂布基材表面有纤维凝聚体，厚度为25m，则需要1437.0gm2的涂料，才刚好能填满所有的凹陷。涂布基材表面的凹陷主要是由纤维造成的微观粗度，所需覆盖形成平整表面的涂料量比覆盖由纤维凝聚体造成的宏观粗度需要的涂料少。,倘若颜料涂料试施涂到一个平滑无孔的基面上时，在高倍放大镜下观察，涂层的厚度厚度均匀和表面平滑。倘若颜料涂料试施涂到一个平滑有孔的基面上时，涂层的厚度比较均匀，但它的平滑度决定涂料的固含量和基面孔隙度。,倘若颜料涂料施涂到纸张涂布基材上时，产生的涂料厚度是不均一的，即各处的涂层厚度均不相同。有些地方可能完全没有涂料，而另一些地方可能涂层很厚。典型的机内涂布纸上涂料分布的情况见图。从图中所看到，要填满涂布基材的粗糙表面需要大量的涂料。,颜料涂布为水基涂料，涂料是施涂到干的涂布基材上。水基涂料与干的涂布基材接触时，涂布基材会产生膨胀，增加了纸面的粗糙度，因此需要消耗更多的涂。,许多研究结果表明，要获得性能最佳的颜料涂布纸，关键在于控制涂层结构。早在1938年，涂层结构就巳开始受到注意。直到1956年，制浆造纸工业技术协会将涂层结构作为第一个正式研究项目。研究项目：颜料的配合和固体浓度对颜料粒子的充填和涂布纸的性质的影响。,几乎没有关于颜料水分散体(粉浆)性质对成纸涂层结构影响的资料。胶粘剂对涂层结构影响；空隙面积与容积、空隙大小及分布影响涂层的结构。Alince和Lepoutre指出“颜料涂层具有微孔隙，这些孔隙是散射物质，它们的大小及数目决定光散射效率”。,在研究影响轻量涂布纸(LWC)涂层结构的因素过程中，涂膜与涂布基材接触时，涂膜快速固定，对表面覆盖及适印性产生重要影响。有证据表明，用不同的凝结剂及絮凝剂预处理纸张基材，可加速涂料在涂布基材表面上的固定，并改进涂料的保留及纤维的覆盖。,25年的研究，获得许多关于涂层结构及影响涂层结构因素的资料。还有许多需问题有待解决，特别是关于涂层结构与涂布纸操作性能的关系。,二、纸张涂布用的原料,颜料涂布纸由三种物料所组成：原纸或涂布基材料及胶粘剂。按重量计算，涂布基材占70，颜料占25，胶粘剂占5。按所占估计，的体涂布基材90，颜料占9%及胶粘剂占1。另外，还有一些如分散剂、润滑剂等物料所占比例更小。下面对各种物料分别进行评论。,一）纸张涂布用的涂布基材,涂布基材的质量，是决定颜料涂布纸质量重要因素。涂布基材的质量要求：均一性、匀度、孔隙度、回弹性、强度、水分、亮度、不透明度、整饰度及表面平滑度。涂布基材的组成：含20-50的长纤维，40-70的短纤维或机械浆，及10-15的颜料填料。,1、组成 1）原纸纤维类型 长纤维浆决定成纸的强度和耐折度的指标，用快速生长的针叶木生产的纤维尺寸，基本上不含机械浆，但用在轻量涂布纸时，会引起涂布困难。短纤维提供松厚度、回弹性、及外观，有助于纤维纸幅的物理均一性及为涂布提供一个更平整的表面。要求基材纤维高度结合，可减少颜料涂层侵入纤维，防止涂布纸在印刷过程中拉毛。,2）填料 基材中的填料，增加涂布基材对涂料的接收性，有助于涂布纸的光学性质。3）施胶 刊物纸不施胶；单面涂布标签纸采用重施胶；用于低固含量涂布的涂布基材，采用中度施胶。,2、孔隙率、均一性及整饰 涂布基材的空隙体积约占总体积的50。空隙大小影响涂布基材的孔隙率，以及接受颜料涂料的方式。由非精磨纤维浆制成的纸页中，空隙直径可从1m到100m；精磨纤维浆及加入机械浆，短纤维的含量较多，涂布基材的纤维结构显著收缩，从而降低了空隙体积。,1）涂布基材表面均一性是获得均一的涂布表面的首要条件。在涂布基材纵、横方向，要求纸的紧度、厚度、整饰度、平滑度及孔隙率等方面应尽可能的均一。具有不均匀的云彩花的基材，吸收涂料不均匀，导致斑点；在2cm间距之内，不透明有2%的变化，就可出现不均匀现象；在纸上不明显的网痕或毛毯痕，在涂布纸上会清晰可见。,2）涂布基材适当的整饰度和高的平滑度，是保证颜料涂料在原纸上均匀分布的必要条件。涂布基材的平滑，不能通过采用过度的压光得到，压光成形的不良涂布基材，只不过把高点转变成硬点，这会导致涂料的不均匀吸收，引起涂层厚度变化。涂布基材不需高的整饰度，而是应该可以控制，保证涂料覆盖均匀及足够的转移。,3、强度性质 涂布基材的强度决定着成品涂布纸的大多数强度。涂布基材的抗张强度、撕裂度及耐折度等指标，表示涂布纸在与印刷过程中承受应力的能力。为防止涂布纸在印刷过程中的撕裂或断裂，希望涂布基材纤维有较高的结合。,耐破强度是评价纸张在印刷过程中发生撕裂倾向的一个可靠的指示。74gm2的涂布原纸(40化学浆及60不含磨木浆的脱墨浆料)，耐破强度最小为18。使用阳离子淀粉或湿强度树脂，可提高涂布基材的结合强度。提高纤维浆料的机械处理，会增加原纸的总体强度；增加填料含量，会引起涂布基材强度降低，但有利于颜料涂布往涂布基材上转移。,4、耐久性 涂布基材要有一定的原始强度，有利于涂布、印刷和粘合操作；还延长涂布纸的留存时间和完整性。Barrow指出，在酸性条件下制造的涂布基材比中性或碱性的涂布基材对由于老化而产生的损坏敏感得多。,含有碱性填料(如碳酸钙)的涂布基材，制造的涂布纸具有较强的耐老化损坏能力，其寿命是用酸法生产的涂布基材制造的涂布纸的2-4倍。很多档案资料、教科书及其他参考资料，的涂布纸，大多使用中性或碱法生产的涂布基材制造的耐久性很好涂布纸。,5、亮度和不透明度 涂布基材的亮度重要性相对较小。因为在涂布过程中，涂布基材被涂布层覆盖。如果涂敷大量的，或很不透明的涂料时，高亮度失去意义。涂布基材的亮度会影响涂布纸的亮度。例如，涂布量低时，涂层膜比较薄，即使是最厚的涂层，尘埃斑点和杂质也会显露；原纸的亮度应接近颜料涂层的亮度，否则涂布纸也会出现斑点。,涂层和原纸亮度之间的差别，会使涂层中的花涂、漏涂或其他缺陷加重。有时需要在低亮度的原纸(如纸盒或瓦楞箱)上涂施涂料，如果原纸是由半漂化学浆、磨木浆或甚至是未漂牛皮浆制造时，需涂施较大的量涂料(如20左右)，获得具有象二氧化钛颜料那样高的遮盖率。,原纸的不适明度，对轻量涂布纸很重要。原纸使用的纤维类型，影响不透明度，例如，磨石磨木浆的不透明度比化学浆的好；原纸中的填料，可增加原纸的不透明度，但导致强度损失。不透明度与定量呈正相关。对于轻量涂布纸，希望通过增加定量来提高不透明度的可能性不大；胶粘剂从颜料涂料过量地渗入原纸中，使不透明度降低。,二）纸张涂布用的颜料,颜料是颜料涂料的主要组分。最主要的颜料是高岭土。其他颜料包括：碳酸钙、二氧化钛、氢氧化铝、无定形二氧化硅、煅烧高岭土、滑石粉、氧化锌、硫酸钡及塑料颜料。,颜料的重要性质：粒子的形状：这影响充填倾向。分散：分散不好，降低颜料的效果.化学成分：在设计颜料组合方面可能是更重要的。粒子充填：影响颜料的流动性。,美国纸张涂布颜料的消耗量(1978),由上表可以看出，由于二氧化钛的价格高，占有较大的美元金额，但高岭土无论是在用量上，还是在美元总金额上，均居首位。每种颜料有许多类别，这种类别所占的份格不同，每种颜料的单位价格是估计平均数。这些颜料也可用作纸张的内部填料；对于这种用途的数量和价值没有计算在内。,1、高岭土,高岭土是纸张涂布最重要矿物。高岭土是一种粘土矿物。许多高岭土矿床纯度较高，天然纯白，或近于白色，只需简单加工处理即可使用；大多数高岭土矿床白度较差，需要通过增白处理，增加其白度和亮度，才能用于纸张涂布。一些高岭土矿床，高岭土的含量只有10左右，需要进行洗选提纯，获得造纸工业使用的高岭土产品。,1）高岭土的矿物学 高岭石由铝氧八面体层和硅氧四面体层构成的层状晶体结构。高岭石的晶体结构见图。所有颜料涂布用的高岭土，均通过干法或湿法精选加工而成。湿法产品比干法产品更均一，杂质含量更少，亮度和白度更高；干法产品则更反映高岭土原矿原有的性质。涂布级高岭土是由湿法生产；干法高岭土则用于轻量涂布纸的涂施。,高质量的涂布高岭土，需采用专门的方法以生产。例如，英国有一种蓝-白色调的高岭土，产品亮度达85-90，；佐治亚有一种浅黄色或带淡黄色的高岭土，产品亮度为85-88的涂布。它们是通过除去原料中的二氧化钛(主要污染物)，获得了高亮度产品，提高了高岭土在颜料涂布中的光学性能。,2）高岭土的物理和化学性质 高岭土具有许多优异的物理和化学性质，这些性质包括：白的颜色，细的粒度，粒子的薄层结构，低的磨耗性及化学惰性等。下表列出佐治亚高岭土有代表性的物理性质。,佐治亚高岭土的化学组成，见表，铁和钛含量在一定范围变化，铁和钛影响颜色，高岭土从淡黄微红浅褐色。可溶性铁用硫酸和连二亚硫酸锌或连二亚硫酸钠的组合溶出，铁降至0.2-1；含钛矿物用浮选或磁选分离，钛降至1-2，不影响涂布高岭土的质量。高岭土的阳离子交换量1meq100g.大于此数值，表示蒙脱土存在，少量的蒙脱土对高岭土的粘度会产生显著影响。,高岭土的比表面积，取决于粒度、粒度分布、径厚比及外形能，一般在7m2/g 30m2/g范围。高岭土的粒度分布，是影响颜料涂布性能的最重要因素。典型的高岭土填料和涂布的粒度分布曲线见图。两种类型的高岭土，主要的区别在于单一薄片和薄片叠层的百分含量。涂布高岭土，单一薄片的重量百分含量在75-90以上。,3）涂布高岭土的等级 美国用于纸张涂布的各个等级的高岭土消耗量的估计量见表。各等级高岭土产品所占比例：2号等级：48%(约占总量的一半)；l号等级：28；离层型：12；细粒离层型：7；细粒l号：3；3号等级：1。,标准亮度的高岭土，占使用高岭土总量的78；经加工处理的高亮度等级的高岭土，占使用高岭土总量的22。不同等级之间，价格相差很大，反映在性能上，对涂布成纸质量影响也很大,涂布高岭土的等级是依据亮度、粒度分布和形态比来划分的。不同等级高岭土的亮度和粒度(2m的含量)见表。1号土：用于高光泽、亮度和平滑度的高质量光泽涂布纸；2号土：用于标准刊物品种的涂布纸;3号土：用于中等整饰的的涂布纸。,细粒1号土：用于大光泽度和保留油墨的涂布纸；普通离层土：用于轻量刊物纸张，它能改进表面的连续性和粗糙度；它能得到油墨和清漆保留极好的涂层。细粒离层土：得到最大的光泽度和不透明度的涂布纸；高亮度土：是为有最高表面整饰和光学性质的，优质高光泽美术涂布纸而设计的。,高亮度和离层级涂布高岭土的总需求量，比标准等级的涂布高岭土增长更迅速，反映了对涂布纸质量的追求，在不断提高。例如，在改善高岭土处理工艺，使亮度达到90，并不会导致粒度或外形发生变化。除粒度和亮度是决定高岭土质量的主要因素外，粘度、pH值、流动性和筛渣等性质，在加工均要严加控制。,4）涂布高岭土的亮度 高岭土的亮度相差1，可能导致涂布纸的亮度相差1.2，或更小。用于涂布高岭土的亮度测定仪主要是白度仪，它能获得令人非常满意结果。通过在457nm(蓝色光)下，测定样品的白度、亮度。要求样品制备的均一性。必须在标准条件下，将粉碎物料均匀压实成颜料饼，供测试用。,5）涂布高岭土的粒度 粒度分布是涂布高岭土的一个重要指标，它影响粘度、亮度、不透明度、光泽度、平滑度和油墨接收性。基于斯托克定律沉降法测定粒度。结果用“当量球体直径”表示。尽管高岭上的粒子不是球形，但沉降分析的结果与涂布性能的性质有关。此法适合测1m的粒子.测1m的粒子使用离心法。,6）涂布高岭土的粘度 高岭土泥浆的粘度很重要，它是在一定的剪切速度下测定。高岭土泥浆的粘度应在准确的固含量下测定。例如，常规涂布高岭土在67固含量的条件下，低剪切速度(20转/分钟)，粘度控制在300cP以内。离层高岭土的粘度比常规高岭土高。,7）涂布高岭土的筛渣 筛渣表示从高岭土中除去污染或大粒子的程度。测定325目(44m)的粒子：2号涂布高岭土的筛渣量0.008；1号涂布高岭土的筛渣量0.00 5。,8）涂布高岭土的pH值 涂布高岭土的pH范围：湿法加工的高岭土，pH从；干法加工的高岭土，pH从。,9）涂布高岭土的游离水分 商品高岭土中水分要求：湿法生产的高岭土，水分1；干法生产的高岭土，水分为1-3；块状高岭土，水分为2-6。在105下，任何挥发的物质均被算作水分。,10）涂布高岭土的分散性 高岭土粒子必须被完全分散于水中。在适合的设备和分散剂的情况下，可以使高岭土例子完全分散。最有效的分散剂：碱金属磷酸盐和硅酸盐；分散剂的最佳用量：在高固含量情况下，泥浆能获得最低粘度的量。,分散剂的用量与剪切力有关，高剪切下用量低，低剪切下用量高。分散程度与搅拌强度和搅拌时间有关,强度是分离絮凝和聚结粒子的保证；时间是全部聚集体分散的保证。但是，增加搅拌时间并不能补偿搅拌强度的不足。高岭土比较容易分散，一般使用转速为915r/min的高速搅拌器，固含量为70的高岭土基本上完全分散。,对不同的涂布颜料，要使之完全分散,所需的搅拌强度是不同的。用聚磷酸盐分散的泥浆，在一定的温度、时间和酸度条件下，颗粒会从新凝聚。如果高岭土泥浆要长期存放的话，必须增加分散剂的用量。聚丙烯酸钠代替一部分或全部磷酸盐,能够延长泥浆的储存稳定性。,11）涂布高岭土的流变性 高岭土-水悬浮液的流变性较复杂。比表面积、粒度和颗粒分布是影响高固含量高岭土悬浮液流变性的重要因素。比表面积，主要影响泥浆的低剪切流变性，比表面积减小粘度增加。粒度分布和充填状态，主要影响泥浆的高剪切流变性。,下图为高岭土泥浆的粘度和固含量之间的关系图。图中的充填程度说明，单分散体系的固含量较低，多分散体系的固含量较高。在相同的固含量情况下，多分散体系的粘度比单分散体系的粘度低。,高岭土泥浆的流体型式：牛顿流体，假塑性流体，触变性流体和胀流型流体。牛顿流体：在所有的剪切速率下，粘度保持不变；触变性流体：增加剪切速率时，粘度降低；胀流型流体：增加剪切速率，粘度增加时显现出胀流性。胀流型泥浆，在很低剪切速率下，会抵制流动。,12）涂布高岭土的胶粘剂需要量 胶结剂的用量，把颜料粒子充分地粘在一起，并把粒子粘到原纸上，所需要的胶粘剂量。与其他涂布颜料相比，高岭土的胶粘剂用量相对较少。影响胶粘剂用量的因素很多，因此没有一个固定的数值。用下图来说明胶粘剂用量与高岭土体积浓度之间的关系。,13）影响的涂布纸的性质 高岭土的亮度、不适明度、光泽度、平滑度和油墨吸收性等对涂布纸的性能产生影响。涂层结构对亮度影响更大。涂料中各组分之间折射率差，影响涂布纸的不透明度。涂层中高岭土粒子充分分散液非常重要。过量的粘合剂会降低涂布纸的亮度。,涂层的不透明度，受高岭土粒子充填和空隙体积的影响；高岭土的粒度、粒度分布及形态比等,是影响不透明度的主要因素；增加孔隙体积，对不透明度有利；粒子定向排列和增加充填，对某些性质有利，但对不透明度产生不利影响；粘结剂降低空隙面积，降低不透明度;压光降低不透明度，过度压光会产生变黑效应。,高岭土的粒度，影响涂布纸的光泽度,粒子越细光泽度越高；粗颗粒降低光泽度的效应比细颗粒提高光泽度的效应大；末分散颗粒团会降低光泽度。完全分散的细粒高岭土可以获得最高的光泽度。光泽度受孔隙体积的影响；提高粘合剂用量会降低光泽度。,不同等级高岭土涂层，对油墨接收性差别很大。细颗粒高岭土具有好的油墨接收性；粘合剂用量对高岭土涂层的油墨接收性影响更大；降低高岭土的粒度，增加油墨渗透性。那些能够赋予良好光学效应、光泽度及油墨保留的高岭土的性质，与能够促进良好的流动性、膜的强度及油墨渗透的那些高岭土的性质完全相反。因此，选择涂布高岭土时，必须以最后所希望获得的涂层性质为依据，进行综合考虑。,2、碳酸钙,碳酸钙粉，很早以前就被用作颜料。用作纸张涂布的碳酸钙有两种类型:由石灰石研磨而成的天然产品和由化学沉淀制造的合成产品。天然碳酸钙比沉淀碳酸钙粒度大。两种类型中，由于粒度和晶形的不同，可分为几个等级。沉淀碳酸钙的粒度和粒形可以有较大的变化。,多年来，在纸张涂布中，碳酸钙的应用受酸性抄纸中不稳定的影响。含有碳酸钙的涂布损纸，在回用以前需要专门的处理。现在发展的中性和碱性抄纸，使碳酸钙用于颜料涂布的用量在高速增长。,1）碳酸钙的物理和化学性质 不同类型的碳酸钙，物理性质不同。涂布级碳轻钙的最重要的指标是白度、有害杂质含量和磨耗性。粒度和晶形是影响使用性能。沉淀产品表面的化学活性高。,碳酸钙的物理性质和化学性质分别见表。沉淀产品与研磨产品之间的的差别是镁和二氧化硅含量。,2）碳酸钙的等级 涂布用碳酸钙的粒度从0.1-30m。细粒产品为沉淀碳酸钙；粗粒产品为普通研磨产品。碳酸钙与高岭土一起用于生产暗光和无光整饰的涂布纸。在20世纪60年代，粗粒碳酸钙用作双涂布系统中的第一次涂布颜料，在刮刀涂布的预涂中，可以减轻条纹及刮刀刮痕。,20世纪70年代，欧洲开发了光泽度的研磨碳酸钙颜料，接近或超过沉淀碳酸钙的光泽度。1978年，美国开始生产超细研磨碳酸钙，并且使用在不断增加。下表中列出了美国纸张涂布用碳酸钙的估计消耗量。虽然涂布用碳酸钙使用量不断增长，但与纸张涂布高岭土相比总量仍然是小的。,碳酸钙颜料等级是根据生产方法、粒度分布，晶型和或粒形来划分的。标准涂布等级碳酸钙的粒度分布曲线见图，主要根据最大粒子的粒径及中位粒径作为判据。在细粒碳酸钙中，粗粒碳酸钙粒子的含量，是影响颜料涂层光泽度的重要因素。大于5m的颜料粒子或聚集体急剧地降低光泽度。因此，从图中可以知道，细粒级碳酸钙导致暗光或无光的整饰。,3）碳酸钙的分散 天然碳酸钙很容易被润湿，并在水中处于一种基本无凝集的分散状态；沉淀碳酸钙在水中易产生颗粒凝聚体，较难分散，需要施加高剪切力破坏粒子聚集体。在涂料中存在碳酸钙粒子聚集体，会导致涂布纸的光学性质降低。,在碳酸钙浆料中加入分散剂，有利于凝聚体的分散。无机聚磷酸盐化合物是碳酸钙有效的分散剂。聚磷酸盐与碳酸钙会随温度升高而加速反应，为了保持较好的分散性，需要定期补充分散剂。如果用聚丙烯酸盐作分散剂，泥浆在长时间或高温条件下，可以保持稳定。,天然碳酸钙的分散不存在问题，干产品在水中容易分散。天然超细碳酸钙常以泥浆形式供货，一般要求泥浆的固含量控制在7176范围，并需要在泥浆中加入聚丙烯酸盐的有机分散剂，保证泥浆的长期稳定性。,4）碳酸钙的流变性 天然碳酸钙与沉淀碳酸钙的流变性，在低剪切力下不明显。例如，固含量为70的泥浆，使用布氏粘度计在低剪切速率下测得的数据列于下表中(用分散剂调节到最低粘度)。使用Hercules粘度计在高剪切速率下测得的数据见图。,由图可知，低表面积的细磨碳酸钙(FGL)具有最低的高剪切粘度；两种沉淀产品，文石(PCCA)的针状粒子使粘度较高，方解石(PCCC)的圆柱状粒子，具有较高的形态比；超细研磨碳酸钙(UFGL)的表面积最大，但粘度居中。显然，除比表面积以外，还有其他参数影响沉淀碳酸钙的高剪切粘度。,在纸张涂料配方中，碳酸钙一般与高岭土配合使用，碳酸钙通常占颜料组成的5-50。因此，注意对比沉淀碳酸钙和高岭土的混合物与研磨石灰石和高岭土的混合物在流实性方面的差别是特别重要的。下表中列出的数据，是涂料中碳酸钙与高岭土不同比例配合时，在低剪切的高剪切粘度的变化。,由表可知，沉淀碳酸钙的粘度增加，天然碳酸钙的粘度降低，在高剪切下降低更明显，且粘度与碳酸钙的量成正比关系。用细磨石灰石(FGL)获得的粘度最低，但因降低纸页光泽度，其用量受限制。超细研磨碳酸钙与高岭土配合与单独高岭土的粘度对比，超细研磨碳酸钙与高岭土配合的泥浆，提高了涂料的粘度，达到了改进覆盖和降低粘合剂用量效果。,5）受碳酸钙影响的涂布纸性质 实验室涂布机涂施实验结果表明，碳酸钙与高岭土混合使用，原纸毯面的涂料混合物从11.8g/m2到68.13/m2，涂布纸在263kN/m下压光后的测试结果见下表。成品涂布纸的性质也列于同一表中。显然，用碳酸钙取代部分1号高岭土，可增加亮度，而且沉淀碳酸钙对亮度的增加大于研磨碳酸钙。,如果使用标准亮度的高岭土，碳酸钙比基本高岭土的亮度稍低；碳酸钙的使用对不透明度没有显示显著的效应；加入碳轻钙减少纸页的光泽度；细磨石灰石对光泽度下降最大，说明细磨碳酸钙在获得暗光或无光整饰方面的价值。,K和N油墨指数(规定为上油墨前和上油墨后亮度值比率的百分数)显示吸墨性随碳酸钙的加入而增加。沉淀碳酸钙的吸墨性更佳，比使用研磨碳酸钙石灰石的增加一倍以上。IGT拉毛强度(印刷性能测定仪测定)随碳酸钙而增加。在拉毛强度相同的情况下，含碳酸钙的配方可增强光学性质。,使用碳酸钙的颜料，可节约40胶粘剂，可以提高0.4的亮度和0.3的不透明度。Baffow等人研究指出，在纸张纤维中存在碱性物质(如碳酸钙)，可以增加纸张的使用寿命，可用于参考资料、档案文件的耐久性纸品。,3、二氧化钛,白色颜料中二氧化钛具有最高的折射率。在纸张涂布中，应用二氧化钛显著提高亮度和不透明度。二氧化钛有两种类型：即锐铁矿型和金红石型，针对特殊目的和用途，每种类型都具有若干种改型。,美国在纸张涂布中二氧化钛的估计消耗量列于下表中。纸张涂布颜料中，二氧化钛在用量上位居第三位，而在总的产值方面居第二位：即用量占总量的3，但产值却占总产值的17。锐铁矿型二氧化钛的用量是金红石型二氧化钛的用量的两倍。,1）二氧化钛的性质 锐钛矿和金红石颜料的技术规格(美国)：型号I为锐钛矿二氧化钛，二氧化钛的含量91；型号、和为金红石二氧化钛颜料：型号规定二氧化钛含量92；型号和规定二氧化钛不少于80。型号I和在105至110，烧失不超过0.7；型号和烧失为1-1.5。所有这些型号中留在325目以上的颗粒其重量不应超过0.02。,2）二氧化钛的分散 二氧化钛颜料的价格较其他涂布颜料高。因此，为保证其使用价值，充分分散非常重要。选择最合适的分散剂以及适当装置和条件。不同牌号的二氧化钛，所需的分散剂用量不同。例如在蒸馏水内分散，用磷酸盐或有机分散剂，获得实验数据见下图。,3）二氧化钛流变性 在纸张涂料配方中，流变性基本上取决于主要的颜料成分(通常为高岭土)及其胶粘剂。一般来说，二氧化钛对涂料混合物的流变性影响很小或甚至无影响。将二氧化钛加到其他涂料混合物中时,如果粘度突然增高，表明体系不稳定，需要调整分散剂的类型和/或用量。,4）二氧化钛对涂布纸性质的影响 二氧化钛颜料提高涂布纸的不透明度和亮度。为获得所需的光学数据，需通过试验确定涂料配方。二氧化钛类型和数量对中等亮度的纸板(63亮度)和未漂白纸浆(13亮度)的涂布纸亮度的影响见图。,从图中可明显看出，和锐钛矿TiO2相比，金红石TiO2对涂布纸亮度的提高要高得多。和高亮度的涂布基材相比较，二氧化钛-高岭土涂料混合物，涂布低亮度的涂布基材时，能明显增加亮度。应用较高亮度的高岭土，也能增加涂布纸的亮度。涂布到亮度为70的面包包装纸上的轻量TiO2高岭土，涂层的亮度数据见图。,和高岭上组合使用时，二氧化钛类型和用量对轻量涂布纸不透明度要产生影响(如图)。轻量涂布纸中，金红石二氧化钛比锐钛矿二氧化钛对不透明度有更大的贡献。应用高亮度高岭土能提高涂布纸的亮度，但不能改善不透明度。不透明度与胶料体系与颜料体系之间的折射率差有关，用高亮度高岭土代替低亮度高岭土，对不透明度几乎没有影响。,上述涂布体系的相对成本如图所示。可以看到，由于金红石TiO2对光学性质有较大的作用，虽然金红石TiO2较锐钛矿TiO2的价格高。当要求亮度在70-80范围内时，金红石TiO2更经济。二氧化钛颜料与其他颜料相比，成本更高，用二氧化钛代替低成本的颜料是不经济的。因此，在选用二氧化钛前，必须认真分析其产生的技术经济效益。,4、其他颜料,纸张涂布中还用一些其他颜料，但它们仅占总用量的1和总产值的4。这些颜料在美国纸张涂布中的估计消耗量见表。煅烧高岭土占最大分量。,1）煅烧高岭土 煅烧高岭土由高岭土经热处理而成。煅烧高岭土有两种产品：部分煅烧高岭土和完全煅烧高岭土。前者在650-1000下加热处理，为脱羟基产品，比重；后者经1000-1050的高温处理，产品比重为2.7，亮度高，磨蚀性大。煅烧高岭土用作二氧化钛的补充剂。,部分煅烧高岭土的粘度大，用量小于颜料总量的30，在高固含量和高速涂布的涂料中使用受到限制。在涂料配方中，加入部分煅烧高岭土可增加松厚度，提高不透明度，减少压光时亮度和不透明度的损失，增加油墨吸收性，并改进印刷性能。在低定量涂布纸中，可增加不透明度和回弹性。完全煅烧高岭土具有高的亮度和增加光散射性质，在涂料配方中加入量为10-15，可降低油墨透印和改进不透明度。,2）氧化铝三水化合物 对于纸张涂布，氧化铝三水化合物有助于提高亮度、不透明度、光泽度、平滑度、油墨吸收快和阻燃性。用于无碳复写(NCR)纸的涂布中，可改善染料和涂料中其他组分的性能。在150下，氧化铝三水化合物开始失去结合水，其结合水占体积的35，失水后产生水蒸气，吸收能量而具有阻燃效果。,3）蒙脱土 蒙脱土的组成矿物为蒙脱石。蒙脱石具有极细的粒度、很高的表面积、高的碱交换能力吸吸水能力。蒙脱土可以用作复写纸的催化剂。复写纸的接受面用含有20-25的蒙脱土与粘结剂制成的涂料涂布；转印面用含有带内酯结构的三乙炔基甲烷衍生物的微胶囊滴的淀粉的涂料涂布。书写或打字破坏染料珠滴，渗入蒙脱土涂布层，催化它们转化为着色的文字或符号。,颜料涂布中，蒙脱土的使用量很少,在某些颜料涂料配方中，添加少量的蒙脱土,可降低涂料的剪切粘度。例如，在高固含量的涂料中，加入1或更少的蒙脱土，可显著地降低涂料的剪切粘度。蒙脱土对涂层具有保水作用，减缓它往纸张基材迁移的速度。,4）次要颜料 纸张涂布中还应用少量其他颜料。硫酸钡用于照相纸涂布中，其纯度和化学情性高，不会与照相液和化学物质发生反应，但单位遮盖力的成本高。滑石用于冲击印刷纸的涂布中，它将剥离性能，可防止污迹和粘合。二氧化锌从前曾用于提高亮度和不透明度，现已被二氧化钛所取代。然而，二氧化锌在电子照相纸制造中有重要左右。,