滑石粉在涂布白紙板面涂涂料中的應(yīng)用研究

蘇艷群 楊 揚 劉金剛 王 武

(1.中國制漿造紙研究院,北京,100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102；3.涼山州錫城滑石礦業(yè)股份有限公司,四川涼山,615000)

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·滑石粉涂布應(yīng)用·

滑石粉在涂布白紙板面涂涂料中的應(yīng)用研究

蘇艷群1,2楊 揚1,2劉金剛1,2王 武3

(1.中國制漿造紙研究院,北京,100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102；3.涼山州錫城滑石礦業(yè)股份有限公司,四川涼山,615000)

采用滑石粉取代涂布白紙板面涂涂料中的高嶺土,對比分析滑石粉不同用量對涂料流變性能及涂布白紙板成紙性能的影響。結(jié)果表明,隨著滑石粉取代量的不斷增加,雖然涂料的低剪切黏度有小幅度增加,但涂料的高剪切黏度卻呈降低趨勢；滑石粉取代高嶺土后,對涂布白紙板的白度、平滑度以及表面吸水性能未產(chǎn)生明顯影響,但明顯提高了涂布白紙板印刷光澤度與光澤度的差值和印刷表面強度。在紙機試驗條件下,以滑石粉取代高嶺土用于涂布白紙板面涂時也明顯提高印刷光澤度與光澤度的差值和印刷表面強度。

滑石粉；高嶺土；涂布白紙板；面涂

(*E-mail: yanqunsu@126.com)

隨著紙和紙板生產(chǎn)量的不斷增長,白色礦物顏料的消費量也在不斷增長,這種消費量的增長,使得本就短缺的優(yōu)質(zhì)水洗高嶺土供應(yīng)變得更加緊張。因此,有必要尋找一種質(zhì)優(yōu)價廉的水洗高嶺土替代品來滿足涂布紙和紙板正常生產(chǎn)的需要。

許多實驗研究和生產(chǎn)實踐表明,滑石粉是可以代替水洗高嶺土生產(chǎn)涂布紙和涂布紙板的優(yōu)質(zhì)顏料[1-3]。滑石粉粒子形態(tài)與高嶺土相似,均具有片狀結(jié)構(gòu)和較大的長徑比,這些性能可以提供給涂布紙較好的纖維遮蓋率和光學(xué)性能,可部分或全部替代高嶺土用于不同光澤度要求的顏料涂布印刷紙和紙板。

在本研究中,分別在實驗室實驗和紙機生產(chǎn)試驗兩種條件下,采用滑石粉取代涂布白紙板面層涂料中的高嶺土,對比分析滑石粉不同用量對涂料流變性能及涂布白紙板成紙性能的影響,以評估滑石粉取代高嶺土在涂布白紙板面層涂料中應(yīng)用的可行性。

1 實 驗

1.1 實驗原料

高嶺土,產(chǎn)自茂名；95級重質(zhì)碳酸鈣(GCC),兗州高旭化工有限公司；滑石粉T90,涼山州錫城滑石礦業(yè)股份有限公司；丁苯膠乳,陶氏化工有限公司；保水劑CMC,江陰市恒達化工有限公司；分散劑；潤滑劑；抗水劑；消泡劑；涂布原紙板(含預(yù)涂層),杭州華勝紙業(yè)有限公司。

1.2 實驗儀器

SediGraph Ⅲ V1.04粒度儀,美國；NDJ-5S黏度計,上海；GFJ-0.4高速分散機,上海；日立S-3400N掃描電鏡,日本；25FC-200E超級壓光機,日本 ；Gemini2旋轉(zhuǎn)流變儀,英國；KRK2223實驗涂布機,日本。

1.3 實驗方法

1.3.1 顏料基本性能測定

按照GB/T 14563 高嶺土及其試驗方法測定了滑石粉和高嶺土的粒度、白度、色度、pH值、325目篩余物、磨耗值、吸油值以及最佳分散條件。同時拍攝了滑石粉和高嶺土的電鏡照片。

1.3.2 面涂涂料制備和性能測定

按照表1所示配方制備了實驗室面涂涂料,涂料固含量為61.0%。

表1 實驗室面涂涂料配方組成 份

涂料低剪切黏度：采用NDJ-5S黏度計測定,測定溫度為25℃,測定轉(zhuǎn)速為60 r/min。

涂料高剪切黏度：采用Gemini2旋轉(zhuǎn)流變儀測定,錐板,剪切速率1～20000 s-1。

1.3.3 紙張涂布和涂布紙性能測定

實驗室紙張涂布：在KRK2223實驗涂布機上進行。采用刮刀涂布,通過調(diào)整刮刀角度獲得要求的涂布量,面涂涂布量為10 g/m2。

實驗室紙張壓光：在25FC-200E實驗超級壓光機上進行,壓光溫度70℃,轉(zhuǎn)速30 r/min。

按照GB/T 10335.4—2004涂布紙和紙板中規(guī)定的方法測定涂布白紙板的常規(guī)物理性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 滑石粉的基本性能

對于造紙涂布用面涂顏料而言,一般要求顏料具有的白度盡量高、雜質(zhì)含量低以及易于分散等特征。圖1給出了高嶺土和滑石粉的掃描電鏡照片。表2給出了高嶺土和滑石粉兩種造紙涂布用面涂級顏料的基本性能。

從圖1看出,高嶺土完全由薄片狀結(jié)構(gòu)的粒子組成,而滑石粉粒子雖然整體看也是呈片狀結(jié)構(gòu),但其中的片狀有薄有厚。兩種顏料雖然在形態(tài)結(jié)構(gòu)上存在差異,但均為片狀結(jié)構(gòu)顏料,為獲得較好的涂布性能提供可能。

從表2可以看出,高嶺土和滑石粉T90主要在白度性能上表現(xiàn)出一定差異性,在顏料分散性、粒度分布以及雜質(zhì)含量(325目篩余物)方面并沒有表現(xiàn)出明顯差異性。具有較高白度的滑石粉T90用于紙張面涂涂料中時,有助于減少面涂涂料中增白劑的用量,進而為降低涂布白紙板的生產(chǎn)成本提供可能。

2.2 實驗室條件下滑石粉取代高嶺土對涂料性能的影響

根據(jù)表1面涂涂料配方制備了相應(yīng)的涂料,其性能如表3所示。從表3的結(jié)果看,在涂料固含量相近的條件下,隨著涂料配方中滑石粉用量的不斷增加，涂料的低剪切黏度呈增加趨勢,但增加幅度有限。圖2給出了4種面涂涂料的高剪切流變性能。根據(jù)圖2給出的結(jié)果,整體上看,當(dāng)涂料配方中的高嶺土不斷被滑石粉取代時，隨著剪切速率的不斷增加，涂料的高剪切黏度變化趨勢基本一致；但從局部高剪切速率范圍看(圖2中的小圖),隨著滑石粉取用量的不斷增加,涂料的高剪切黏度不斷降低。

表2 顏料的基本性能

表3 面涂涂料性能

總的來看,滑石粉取代面涂涂料中的高嶺土?xí)r,隨著取代量的不斷增加,雖然涂料的低剪切黏度有小幅度增加,但涂料的高剪切黏度卻呈降低趨勢,這一點表明，采用滑石粉取代高嶺土不僅不會對涂料的涂布運轉(zhuǎn)性能產(chǎn)生不利影響,相反在保證同樣高剪切黏度的條件下,用滑石粉取代高嶺土后可以進一步提高涂料的固含量，以獲得更好的涂布效果。

圖2 涂料高剪切黏度

2.3 實驗室條件下滑石粉取代高嶺土對涂布白紙板性能的影響

涂布采用刮刀在含預(yù)涂層的白紙板原紙上進行,涂布量控制在10～12 g/m2。按照涂料配方1#～4#涂布后對應(yīng)的紙樣編號為1#～4#。涂布后紙板性能如表4所示。從表4可知，滑石粉取代高嶺土后,對涂布白紙板的白度、平滑度以及表面吸水性能未產(chǎn)生明顯影響,但對其光澤度性能和印刷表面強度產(chǎn)生了一定影響。

圖3所示為實驗室條件下，滑石粉取代高嶺土對涂布白紙板光澤度的影響。從圖3可以看出,隨著滑石粉取代高嶺土量的不斷增加,雖然涂布白紙板的光澤度不斷降低,但其光澤度差值不斷增加,因此最終的印刷光澤度并沒有表現(xiàn)出明顯降低。這一結(jié)果表明，滑石粉用于涂布白紙板的面涂較高嶺土更易形成致密的涂層結(jié)構(gòu),從而有利于最終印刷光澤度的提高。

圖3 滑石粉用量對光澤度的影響

圖4所示為實驗室條件下滑石粉取代高嶺土對涂布白紙板印刷表面強度的影響。從圖4可以看出,滑石粉取代高嶺土對涂布白紙板印刷表面強度的正面影響是比較明顯的。這一結(jié)果表明,在涂布白紙板印刷表面強度不變的條件下,采用滑石粉取代高嶺土可以適當(dāng)降低涂料配方中的膠乳用量,一方面可以達到降低生產(chǎn)成本的目的,同時也可以進一步彌補含滑石粉涂料所導(dǎo)致的光澤度低的問題。

圖4 滑石粉用量對印刷表面強度的影響

2.4 紙機試驗條件下滑石粉取代高嶺土對涂布白紙板性能的影響

在實驗室條件下,當(dāng)面涂涂料配方中95GCC用量不變的條件下,從涂料性能和涂布白紙板性能綜合來看,以滑石粉部分或完全取代配方中的高嶺土是可行的。為了進一步確認(rèn)和分析這種可行性,進行了生產(chǎn)試驗。生產(chǎn)試驗所采用的面涂涂料配方如表5所示,所配涂料固含量為57.5%。試驗紙機基本條件：幅寬2.8 m,車速275 m/min,三次刮刀涂布,底涂涂布量9～10 g/m2，中涂涂布量24～28 g/m2,面涂涂布量8～15 g/m2。生產(chǎn)試驗涂布白紙板的性能如表6所示。

表4 實驗室條件下滑石粉取代高嶺土涂布白紙板的性能

注 *光譯度差值指印刷光澤度與光澤度的差值；**印刷表面強度采用中黏度油墨測定；下同。

表5 生產(chǎn)試驗面涂涂料配方組成 份

表6 生產(chǎn)試驗涂布白紙板性能

從表6可以看出,滑石粉取代高嶺土后對涂布白紙板性能的影響與實驗室的結(jié)果基本一致,以24份滑石粉取代面涂涂料中的高嶺土后,成品涂布白紙板的光澤度雖然有所降低,但印刷光澤度沒有出現(xiàn)降低,且光澤度差值從40%提高到49%,出現(xiàn)這一結(jié)果的可能原因是滑石粉取代高嶺土后形成的涂層結(jié)構(gòu)更加緊密所致。以滑石粉取代高嶺土后,涂布白紙板的印刷表面強度有顯著提高,從1.85 m/s增加至2.16 m/s。此外,本次生產(chǎn)試驗的涂布白紙板作為正常產(chǎn)品發(fā)貨給用戶后,在后續(xù)跟蹤調(diào)查過程中并沒有得到產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生變化以及印刷效果有異常的反饋。

3 結(jié) 論

采用滑石粉取代涂布白紙板面層涂料中的高嶺土，對比分析了滑石粉不同用量對涂料流度性能及涂布白紙板性能的影響。

3.1 與高嶺土相比,滑石粉顏料的分散性和粒度分布并沒有明顯的差異性,但具有白度相對較高的特點。

3.2 實驗室條件下,滑石粉取代涂布白紙板面涂涂料中的高嶺土?xí)r,隨著取代量的不斷增加,雖然涂料的低剪切黏度有小幅度增加,但涂料的高剪切黏度卻呈降低趨勢。

3.3 實驗室條件下,滑石粉取代高嶺土后,對涂布白紙板的白度、平滑度以及表面吸水性能未產(chǎn)生明顯影響,但可以明顯提高涂布白紙板的光澤度差值和印刷表面強度。

3.4 在紙機生產(chǎn)試驗條件下,以滑石粉取代高嶺土,涂布白紙板的印刷光澤度與光澤度的差值和印刷表面強度得到明顯提高。

[1] Zhang Shuxia. Preliminary study of talcum used as a coating pigment[J]. Tianjin Pulp and Paper, 2013 (2): 14. 張淑霞. 關(guān)于滑石粉用作涂布顏料的初探[J]. 天津造紙, 2013 (2): 14.

[2] PENG Jian-jun. Coating talc does not have to have poor rheology[J]. World Pullp and Paper, 2004, 23(6): 13. 彭建軍. 涂布滑石粉流變性的改進[J]. 國際造紙, 2004, 23(6): 13.

[3] WANG Li-jun, CHNAG-keun KIM. Improvement of ink gloss and ink scuffing of matte coated paper[J]. China Pulp & Paper, 2006, 25(11): 1. 王立軍, 金昌根. 改善無光澤涂布紙印刷光澤度和油墨耐摩擦性的研究[J]. 中國造紙, 2006, 25(11): 1.

[4] Song Baoxiang, Di Hongwei. The functional properties, application prospect and development of talc used in paper industry[J]. China Pulp and Paper Industry, 2008, 29(15): 48. 宋寶祥, 狄宏偉. 造紙滑石的功能特性及其產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用前景[J]. 中華紙業(yè), 2008, 29(15): 48.

(責(zé)任編輯：常 青)

Application of Talc in the Top Coating of Coated Paperboard

SU Yan-qun1，2,*YANG Yang1,2LIU Jin-gang1,2WANG Wu3

(1.Chian National Pulp and Paper Research Institute, Beijing, 100102; 2.National Engineering Lab for Pulp and Paper,Beijing, 100102； 3.LiangshanXichengTalcMiningLimitedCompany,Liangshan,SichuanProvince, 615000)

The rheology of coatings and the properties of the coated board were studied when the kaolin in the top coating formula was replaced by the talc. The results showed that the low shear viscosity of the coatings incresed slightly and the high shear viscosity fell obviously with the amount of talc increasing . The brightness, smoothness and surface water absorption of the coated board were almost unchanged when kaolin was substituted by talc. However, the delta gloss and printing surface strength were improved distinctly. In the paper machine trial, the delta gloss and printing surface strength of the coated board were also increased obviously when talc took the place of kaolin in the top coating formula.

talc; kaolin; coated paperboard; top coating

蘇艷群女士，高級工程師；主要研究方向：顏料加工、濕部化學(xué)、涂布加工等。

2014- 12- 13(修改稿)

TS727

A

0254- 508X(2015)05- 0001- 04