涂布箱紙板的光學性能與印刷適性

許 英 臧永華 任景慧

(天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

涂布箱紙板的光學性能與印刷適性

許 英 臧永華 任景慧

(天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

研究了重質碳酸鈣 (GCC)、高嶺土及它們不同比例混合使用和淀粉對涂布箱紙板白度、表面強度和印刷光澤度的影響。結果表明，涂布箱紙板的白度不僅依賴于顏料自身的白度，而且取決于原紙的白度，在褐色箱紙板上涂布時，全高嶺土預涂的箱紙板白度高于全GCC預涂的。涂布箱紙板的表面強度和印刷光澤度均隨著面涂層中GCC含量的增加而降低。在涂料中加入熒光增白劑(OBA)和淀粉可顯著提高涂布箱紙板的白度，淀粉的加入也可提高涂布箱紙板的表面強度，但淀粉對印刷光澤度幾乎沒有影響。

涂布箱紙板;淀粉;白度;表面強度;印刷光澤度

一直以來，瓦楞紙箱的主要功能是包裝和保護商品，因此，強度和耐久性是其主要測試指標。但近年來，瓦楞紙箱被廣泛用于提供商品信息和宣傳商品［1］。在較低的成本下獲得良好的印刷質量，通過商品外包裝提供商品信息，極大地促進了具有視覺吸引力的涂布箱紙板的發展［2］。涂布箱紙板通常是在白漿掛面的箱紙板上進行一次涂布或在褐色箱紙板上進行多次涂布。掛面箱紙板中漂白纖維的使用容易造成箱紙板脫層，并使生產過程復雜化［2］，另外漂白廢水會污染環境，這些為涂布箱紙板的發展提供了廣闊的空間。

大量采用再生纖維生產箱紙板是近年造紙工業的一個趨勢［3-4］，但是箱紙板表面粗糙、白度較低、印刷適性較差。涂布可改善再生箱紙板的光澤度、油墨吸收性和表面平滑度等印刷適性特征，提高其印刷質量。

在褐色箱紙板上進行涂布時，為了達到較高的白度，通常需要提高涂布量或采用昂貴的TiO2為顏料［5］。為節約成本，本實驗在涂料中加入了熒光增白劑 (OBA)，顯著提高了涂布箱紙板的白度，節約了成本。實驗研究了重質碳酸鈣 (GCC)、高嶺土及它們不同比例混合使用和OBA及淀粉對二次涂布箱紙板的白度、印刷表面強度、油墨吸收性和印刷光澤度的影響。

1 實驗

1.1 原紙

箱紙板:定量141 g/m2，取自某箱紙板廠，具體性能指標見表1。

表1 箱紙板的性能指標

1.2 涂料組分

涂布級高嶺土 (粉末，白度89%)，粒徑小于2 μm的粒子的質量分數為90% ～92%，由茂名石化礦業有限公司提供;GCC(分散液，白度95%)兩種 (粒徑小于2 μm的粒子的質量分數分別為55%和98%)，分散劑，均由山東兗州東升精細化工有限公司提供;羧基丁苯膠乳 (Styronal 302G，平均粒徑0．15 μm，玻璃化轉變溫度10℃)和 OBA(天來寶ABP-C)，由巴斯夫上海有限公司提供;淀粉為市售產品。

1.3 涂料制備

先用高速分散機對高嶺土進行預分散，分散機轉速3000 r/min，預分散液的固含量為68%，分散劑用量為0．3份 (對每100份顏料質量)。預涂和面涂涂料以高嶺土和GCC(其中預涂層采用55級GCC，面涂層采用98級GCC)不同比例的混合物為顏料，以羧基丁苯膠乳為膠黏劑，將淀粉加至預涂層作為OBA的載體。用NaOH溶液將涂料的pH值調至8．0～8．5，預涂和面涂涂料的固含量均為60%。

本實驗中，準備了4個不同系列的涂料，系列1是將高嶺土和55級GCC以不同的比例混合，以12份膠乳為膠黏劑，預涂于箱紙板上，測定箱紙板的白度;系列2的涂料配方見表2;系列3預涂高嶺土和55級GCC的比例為60∶40，改變面涂配方中98級GCC的含量，膠乳用量均為12份，探究面涂98級GCC含量對二次涂布箱紙板的印刷表面強度和印刷光澤度的影響;系列4預涂及面涂高嶺土和GCC的比例均為60∶40，其中面涂膠乳用量為12份，OBA用量為0．6份，預涂膠乳用量為10份，淀粉用量為0～9份，探究預涂淀粉用量對二次涂布箱紙板的印刷表面強度和印刷光澤度的影響。

1.4 涂布、干燥與壓光

采用英國RK Print Coat Instruments鋼絲刮棒對箱紙板進行單面兩次涂布，預涂涂布量為 (10±1)g/m2，面涂涂布量為 (17±1)g/m2，涂布后立即用熱風干燥箱，在95℃條件下干燥。采用實驗室用壓光機在壓力為3 MPa、溫度為80℃時對涂布箱紙板進行軟輥壓光。

1.5 測試方法

在溫度 (23±1)℃、相對濕度 (50±2)%的條件下對干燥后的試樣進行預處理。采用L＆W Elrepho分光光度計和便攜式光澤度計按照國家標準測定紙樣的白度和光澤度 (75°)。采用IGT AIC2-5T 2000印刷適性儀測定表面強度，并對試樣進行印刷，以測定試樣的印刷光澤度。

2 結果與討論

2.1 涂布箱紙板的白度

實驗探討了涂料配方對涂布箱紙板白度的影響。

2.1.1 預涂配方的優化

實驗采用不同份額的55級GCC替代高嶺土，以12份膠乳為膠黏劑，配制預涂涂料，經預涂后箱紙板的白度如圖1所示。雖然55級GCC本身的白度高于高嶺土，但經100%55級GCC預涂的箱紙板白度低于用100%高嶺土預涂的箱紙板，而在采用40份55級GCC取代高嶺土時，預涂箱紙板的白度最高，其值為56．8%。實驗結果表明，55級GCC與高嶺土混合時對涂層的白度有協同作用，這與Larsson等人的研究結果不一致［6-7］。他們認為顏料的混合只對不透明度有協同作用，而在白度方面沒有觀察到協同作用。另外，Janet采用高嶺土和GCC在不含磨木漿的紙上涂布，全GCC涂布紙的白度大于全高嶺土涂布紙的［8］。實驗結果的不同主要與所用的原紙有關，對于本實驗所用的低白度原紙來說，涂層的不透明度對白度的影響是至關重要的，當涂層的光散射系數或光吸收系數較高時，涂層的不透明度高，其中涂層的光散射系數起決定作用［9］。55級GCC白度較高，其光吸收系數低，而全55級GCC涂層的光散射系數也較低，故全55級GCC涂層不透明度低，覆蓋性較差，紙張的白度增加值比全高嶺土涂布的少，故采用全55級GCC預涂時白度最低［9］。涂層對光的散射取決于涂層的孔徑和孔隙體積，當高嶺土與55級GCC的混合比為60∶40時，預涂箱紙板的白度最高，在這種情況下，涂層光散射系數最高，涂層的孔隙體積與孔徑的協同作用可能達到最佳。

圖155 級GCC取代高嶺土對預涂箱紙板白度的影響

2.1.2 二次涂布對箱紙板白度的影響

在100%55級GCC以及高嶺土與55級GCC混合顏料 (60∶40)預涂的箱紙板上進行二次涂布，其中面涂涂料高嶺土與98級GCC的配比分別為100∶0、60∶40、0∶100，膠乳用量均為12份。壓光后，測定成紙白度以探究面涂配方對成紙白度的影響。從圖1可知，100%55級GCC預涂箱紙板與60%高嶺土和40%55級GCC預涂箱紙板相比，白度相差11個百分點，但用不同配方的面涂涂料進行二次涂布后，白度的最大差值僅為4．5個百分點 (見圖2)。從圖2可以看出，采用全GCC涂布時成紙白度稍低，但總體看來，預涂配方相同時，面涂配方對成紙白度影響不大。

圖2 不同面涂配方對涂布箱紙板白度的影響

2.1.3 OBA對二次涂布箱紙板白度的影響

一般情況下，涂布掛面箱紙板的白度需達到74% ～82%［1］，而在褐色箱紙板上涂布時，為獲得較高的白度，需提高涂布量或加入具有較高遮蓋力的TiO2［5］。為了節約生產成本，并進一步提高涂布褐色箱紙板的白度，實驗中將OBA添加到面涂涂料中，并以淀粉為載體，涂料配方如表2所示。

表2 預涂及面涂涂料配方

圖3所示為OBA對二次涂布箱紙板白度的影響。由圖3可知，只添加OBA時，二次涂布箱紙板的白度為75．6%，僅比不添加OBA者高2．3個百分點。OBA與淀粉共同使用時，成紙白度比空白樣高近7個百分點。這是因為OBA將不可見的紫外光轉變為藍光的過程中會發生構象的轉變，而只有構象未發生變化的OBA才具有熒光作用［10］，另外OBA是一種水溶性分子，會隨水遷移到預涂層甚至原紙中［11］。在預涂層中加入淀粉后，它會從預涂層遷移到面層中［12］，與OBA結合，減少OBA的遷移量，并防止OBA發生構象的變化，從而使OBA具有較高的增白效率。

圖3 OBA對二次涂布箱紙板白度的影響

2.2 涂布箱紙板的印刷表面強度

2.2.1 顏料配比對二次涂布箱紙板印刷表面強度的影響

在印刷過程中，當油墨作用于紙或紙板表面的外向拉力大于紙或紙板表面的內聚力時，引起表面的剝裂，對于涂布紙或紙板則主要是表面掉粉或起泡分層甚至紙層撕破。其中，掉粉是指黏稠的膠印油墨在離開壓印區時，從涂層中剝離顏料顆粒 (有時甚至包含纖維)，并使之黏在橡皮布或者印版表面，導致隨后的印刷品在同一位置反復出現印刷斑點［13］。另外掉粉也會造成堆墨，使印刷品上的圖像變得粗糙模糊、出現糊版現象［6］。影響涂布紙表面強度的因素有印刷方式、印刷壓力、印刷速度、油墨黏度及墨層厚度，常用IGT印刷表面強度來測試涂布紙抵抗掉粉的能力。

圖4 面涂涂料中GCC用量對涂布箱紙板表面強度的影響

圖4所示為二次涂布面涂涂料中98級GCC用量對箱紙板表面強度的影響。從圖4可以看出，隨著98級GCC加入量的增加，二次涂布箱紙板的表面強度不斷下降。過去的一些研究認為，影響涂布紙表面強度的因素主要有顏料的膠黏劑需求量、膠黏劑的性質 (玻璃化轉變溫度、粒徑、羧基含量)、涂層孔隙結構 (顏料粒徑、形狀、表面積)［14］和紙面粗糙度［6，15］，涂料中膠黏劑含量較高的紙張具有較高的表面強度［13］。但是 Swanson［16］的研究表明，要達到相同的表面強度或濕表面強度，GCC所需的膠黏劑量少于高嶺土，與本實驗結果不符。4種不同紙樣的表面粗糙度分別為 4．07、4．08、4．24、4．12 μm，對表面強度的影響也很小。Husband等人［17］認為涂層的表面強度不是它的實際強度，而是油墨與涂層相互作用的結果，油墨連接料 (油性)向涂層的滲透會破壞膠黏劑與礦物顏料之間的范德華力，從而降低涂層的表面強度。綜合上述分析，涂布箱紙板表面強度降低可能有兩方面的原因:一是由于涂層中GCC含量的增加，使得涂層孔隙度增大，油墨滲透速度快，滲透量也增加，油墨連接料向涂層中滲透，增加了油墨的黏性，也會降低表面強度;二是98級GCC中小粒徑粒子過多使得涂層間結合強度變差所致，Husband等人［17］采用不同粒徑的高嶺土涂布，研究表明，在相同膠黏劑用量下，高嶺土的粒徑越大，表面強度越高。

2.2.2 預涂層淀粉含量對二次涂布箱紙板表面強度的影響

隨著預涂層中淀粉含量的增加，二次涂布箱紙板的表面強度增加，實驗結果如圖5所示。涂布箱紙板的表面強度增大，這是因為淀粉是一種水溶性膠黏劑，它會隨水遷移到面涂層［12］，增加了顏料粒子之間的黏結強度。另外，在預涂層添加淀粉，會降低紙面的孔隙度［18］，使得涂層表面更加封閉，印刷油墨的滲透速度降低，從而使涂布箱紙板的表面強度大幅度增加。

圖5 預涂涂料中淀粉用量對涂布箱紙板表面強度的影響

2.3 涂布箱紙板的印刷光澤度

2.3.1 顏料配比對二次涂布箱紙板印刷光澤度的影響

圖6 面涂涂料中98級GCC用量對涂布箱紙板印刷光澤度的影響

圖6所示為面涂涂料中98級GCC的用量對涂布箱紙板印刷光澤度的影響。從圖6可以看出，印刷光澤度隨98級GCC用量的增加而下降。一些研究表明，印刷光澤度主要受涂層光澤度和油墨吸收性的影響［19-20］，印刷光澤度可能隨著涂層油墨吸收性的減小而增大，也可能隨著涂層光澤度的增大而增大。涂層對油墨連接料的快速吸收使得油墨固化速率快、油墨在紙張表面的流動時間短，墨膜比較粗糙，印刷光澤度低［19］。而當涂層光澤度較高時，印刷油墨量較低也可填充凹凸不平的紙面，從而使墨層較為平滑，印刷光澤度高［20］。

圖7所示為面涂涂料中98級GCC用量對二次涂布箱紙板光澤度和油墨吸收性 (K＆N值)的影響。從圖7也可以看出，二次涂布箱紙板的光澤度隨面涂層涂料中98級GCC用量的增加而下降，變化幅度很大。油墨吸收性則呈現先上升，隨后略有下降的趨勢，面涂顏料為純高嶺土或高嶺土用量為80份時，成紙的油墨吸收性較低，K＆N值為20%左右，而當GCC的用量大于40份時，K＆N值增加了約4個百分點，在本實驗中，涂布箱紙板的光澤度對印刷光澤度影響較大。

圖7 面涂涂料中98級GCC用量對二次涂布箱紙板光澤度和油墨吸收性的影響

另外，涂層的油墨吸收性是影響紙張印刷適性的主要因素之一［21］，油墨吸收能力過小會減慢油墨固化速率，導致背面蹭臟，油墨吸收能力過大則會導致印品無光澤，甚至產生透印或粉化現象。

2.3.2 淀粉對涂布箱紙板印刷光澤度的影響

表3所示為預涂涂料中淀粉用量對二次涂布箱紙板印刷光澤度、光澤度和油墨吸收性的影響。從表3可以看出，隨著預涂層淀粉含量的增加，二次涂布箱紙板的印刷光澤度、K＆N值和光澤度基本沒有變化。

表3 預涂涂料中淀粉用量對二次涂布箱紙板印刷光澤度、光澤度和油墨吸收性的影響

3 結論

對箱紙板進行單面二次涂布，研究不同的顏料配比、熒光增白劑 (OBA)和淀粉對二次涂布箱紙板印刷適性的影響。結果發現，涂布箱紙板的白度不僅依賴于顏料自身白度，而且取決于原箱紙板的白度，在原箱紙板白度較低時，全高嶺土涂布箱紙板的白度大于全重質碳酸鈣 (GCC)涂布箱紙板的白度，高嶺土和GCC混合對涂布箱紙板的白度有協同作用。在涂料中加入OBA和淀粉可顯著提高涂布箱紙板的白度。涂布箱紙板的表面強度和印刷光澤度均隨著面涂層中GCC含量的增加而降低，由于預涂層中淀粉向面涂層遷移，隨著預涂層淀粉加入量的增加，涂布箱紙板的表面強度不斷增大，淀粉的加入對印刷光澤度幾乎沒有影響。

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The Printability of Double Coated Recycled Linerboard

XU Ying ZANG Yong-hua*REN Jing-hui
(College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin Key Lab of Pulp and Paper，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin，300457)
(*E-mail:yonghuazang@tust．edu．cn)

Influences of coatings compositions on the brightness，surface strength and print gloss of coated recycled linerboard were examined．The results showed that brightness of single coated linerboard not only depend on the brightness of the pigment，but also on the brightness of the base paper．The addition of OBA and starch to coating color can significantly improve the brightness of coated linerboard．The surface strength and print gloss decrease with the increasing of fine GCC in the top coating color．The addition of starch in the pre-coating color can improve the surface strength of double coated linerboard，but has little effect on the print gloss．

coated recycled linerboard;starch;brightness;surface strength;print gloss

TS764．5

A

0254-508X(2012)04-0001-05

2011-12-22(修改稿)

本課題由國家自然科學基金 (50773052);科技部國際合作項目

許 英女士，在讀碩士研究生;主要研究方向:涂布紙產品開發，高得率漿的性能和紙張印刷適性。

(責任編輯:趙旸宇)