填料-造纸涂料.ppt
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1、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
2、 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
3、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。1
4、850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
5、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
6、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、
7、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
8、: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
9、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
10、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,
11、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
12、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
13、.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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、,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
20、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
21、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,
22、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
23、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
24、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
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