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涂布箱紙板的光學(xué)性能與印刷適性

2012-11-21 06:17:34臧永華任景慧
中國(guó)造紙 2012年4期

許 英 臧永華 任景慧

(天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300457)

涂布箱紙板的光學(xué)性能與印刷適性

許 英 臧永華 任景慧

(天津科技大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津,300457)

研究了重質(zhì)碳酸鈣 (GCC)、高嶺土及它們不同比例混合使用和淀粉對(duì)涂布箱紙板白度、表面強(qiáng)度和印刷光澤度的影響。結(jié)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(shí),全高嶺土預(yù)涂的箱紙板白度高于全GCC預(yù)涂的。涂布箱紙板的表面強(qiáng)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(qiáng)度,但淀粉對(duì)印刷光澤度幾乎沒(méi)有影響。

涂布箱紙板;淀粉;白度;表面強(qiáng)度;印刷光澤度

一直以來(lái),瓦楞紙箱的主要功能是包裝和保護(hù)商品,因此,強(qiáng)度和耐久性是其主要測(cè)試指標(biāo)。但近年來(lái),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(zhì)量,通過(guò)商品外包裝提供商品信息,極大地促進(jìn)了具有視覺(jué)吸引力的涂布箱紙板的發(fā)展[2]。涂布箱紙板通常是在白漿掛面的箱紙板上進(jìn)行一次涂布或在褐色箱紙板上進(jìn)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(chǎn)過(guò)程復(fù)雜化[2],另外漂白廢水會(huì)污染環(huán)境,這些為涂布箱紙板的發(fā)展提供了廣闊的空間。

大量采用再生纖維生產(chǎn)箱紙板是近年造紙工業(yè)的一個(gè)趨勢(shì)[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(zhì)量。

在褐色箱紙板上進(jìn)行涂布時(shí),為了達(dá)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(jié)約成本,本實(shí)驗(yàn)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(jié)約了成本。實(shí)驗(yàn)研究了重質(zhì)碳酸鈣 (GCC)、高嶺土及它們不同比例混合使用和OBA及淀粉對(duì)二次涂布箱紙板的白度、印刷表面強(qiáng)度、油墨吸收性和印刷光澤度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

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(biāo)見(jiàn)表1。

表1 箱紙板的性能指標(biāo)

1.2 涂料組分

涂布級(jí)高嶺土 (粉末,白度89%),粒徑小于2 μm的粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90% ~92%,由茂名石化礦業(yè)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(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為55%和98%),分散劑,均由山東兗州東升精細(xì)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(zhuǎn)變溫度10℃)和 OBA(天來(lái)寶ABP-C),由巴斯夫上海有限公司提供;淀粉為市售產(chǎn)品。

1.3 涂料制備

先用高速分散機(jī)對(duì)高嶺土進(jìn)行預(yù)分散,分散機(jī)轉(zhuǎn)速3000 r/min,預(yù)分散液的固含量為68%,分散劑用量為0.3份 (對(duì)每100份顏料質(zhì)量)。預(yù)涂和面涂涂料以高嶺土和GCC(其中預(yù)涂層采用55級(jí)GCC,面涂層采用98級(jí)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(yù)涂層作為OBA的載體。用NaOH溶液將涂料的pH值調(diào)至8.0~8.5,預(yù)涂和面涂涂料的固含量均為60%。

本實(shí)驗(yàn)中,準(zhǔn)備了4個(gè)不同系列的涂料,系列1是將高嶺土和55級(jí)GCC以不同的比例混合,以12份膠乳為膠黏劑,預(yù)涂于箱紙板上,測(cè)定箱紙板的白度;系列2的涂料配方見(jiàn)表2;系列3預(yù)涂高嶺土和55級(jí)GCC的比例為60∶40,改變面涂配方中98級(jí)GCC的含量,膠乳用量均為12份,探究面涂98級(jí)GCC含量對(duì)二次涂布箱紙板的印刷表面強(qiáng)度和印刷光澤度的影響;系列4預(yù)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(yù)涂膠乳用量為10份,淀粉用量為0~9份,探究預(yù)涂淀粉用量對(duì)二次涂布箱紙板的印刷表面強(qiáng)度和印刷光澤度的影響。

1.4 涂布、干燥與壓光

采用英國(guó)RK Print Coat Instruments鋼絲刮棒對(duì)箱紙板進(jìn)行單面兩次涂布,預(yù)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(fēng)干燥箱,在95℃條件下干燥。采用實(shí)驗(yàn)室用壓光機(jī)在壓力為3 MPa、溫度為80℃時(shí)對(duì)涂布箱紙板進(jìn)行軟輥壓光。

1.5 測(cè)試方法

在溫度 (23±1)℃、相對(duì)濕度 (50±2)%的條件下對(duì)干燥后的試樣進(jìn)行預(yù)處理。采用L&W Elrepho分光光度計(jì)和便攜式光澤度計(jì)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定紙樣的白度和光澤度 (75°)。采用IGT AIC2-5T 2000印刷適性儀測(cè)定表面強(qiáng)度,并對(duì)試樣進(jìn)行印刷,以測(cè)定試樣的印刷光澤度。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂布箱紙板的白度

實(shí)驗(yàn)探討了涂料配方對(duì)涂布箱紙板白度的影響。

2.1.1 預(yù)涂配方的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)采用不同份額的55級(jí)GCC替代高嶺土,以12份膠乳為膠黏劑,配制預(yù)涂涂料,經(jīng)預(yù)涂后箱紙板的白度如圖1所示。雖然55級(jí)GCC本身的白度高于高嶺土,但經(jīng)100%55級(jí)GCC預(yù)涂的箱紙板白度低于用100%高嶺土預(yù)涂的箱紙板,而在采用40份55級(jí)GCC取代高嶺土?xí)r,預(yù)涂箱紙板的白度最高,其值為56.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,55級(jí)GCC與高嶺土混合時(shí)對(duì)涂層的白度有協(xié)同作用,這與Larsson等人的研究結(jié)果不一致[6-7]。他們認(rèn)為顏料的混合只對(duì)不透明度有協(xié)同作用,而在白度方面沒(méi)有觀察到協(xié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同主要與所用的原紙有關(guān),對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用的低白度原紙來(lái)說(shuō),涂層的不透明度對(duì)白度的影響是至關(guān)重要的,當(dāng)涂層的光散射系數(shù)或光吸收系數(shù)較高時(shí),涂層的不透明度高,其中涂層的光散射系數(shù)起決定作用[9]。55級(jí)GCC白度較高,其光吸收系數(shù)低,而全55級(jí)GCC涂層的光散射系數(shù)也較低,故全55級(jí)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(jí)GCC預(yù)涂時(shí)白度最低[9]。涂層對(duì)光的散射取決于涂層的孔徑和孔隙體積,當(dāng)高嶺土與55級(jí)GCC的混合比為60∶40時(shí),預(yù)涂箱紙板的白度最高,在這種情況下,涂層光散射系數(shù)最高,涂層的孔隙體積與孔徑的協(xié)同作用可能達(dá)到最佳。

圖155 級(jí)GCC取代高嶺土對(duì)預(yù)涂箱紙板白度的影響

2.1.2 二次涂布對(duì)箱紙板白度的影響

在100%55級(jí)GCC以及高嶺土與55級(jí)GCC混合顏料 (60∶40)預(yù)涂的箱紙板上進(jìn)行二次涂布,其中面涂涂料高嶺土與98級(jí)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(cè)定成紙白度以探究面涂配方對(duì)成紙白度的影響。從圖1可知,100%55級(jí)GCC預(yù)涂箱紙板與60%高嶺土和40%55級(jí)GCC預(yù)涂箱紙板相比,白度相差11個(gè)百分點(diǎn),但用不同配方的面涂涂料進(jìn)行二次涂布后,白度的最大差值僅為4.5個(gè)百分點(diǎn) (見(jiàn)圖2)。從圖2可以看出,采用全GCC涂布時(shí)成紙白度稍低,但總體看來(lái),預(yù)涂配方相同時(shí),面涂配方對(duì)成紙白度影響不大。

圖2 不同面涂配方對(duì)涂布箱紙板白度的影響

2.1.3 OBA對(duì)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(dá)到74% ~82%[1],而在褐色箱紙板上涂布時(shí),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(jié)約生產(chǎn)成本,并進(jìn)一步提高涂布褐色箱紙板的白度,實(shí)驗(yàn)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(yù)涂及面涂涂料配方

圖3所示為OBA對(duì)二次涂布箱紙板白度的影響。由圖3可知,只添加OBA時(shí),二次涂布箱紙板的白度為75.6%,僅比不添加OBA者高2.3個(gè)百分點(diǎn)。OBA與淀粉共同使用時(shí),成紙白度比空白樣高近7個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)镺BA將不可見(jiàn)的紫外光轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)光的過(guò)程中會(huì)發(fā)生構(gòu)象的轉(zhuǎn)變,而只有構(gòu)象未發(fā)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(huì)隨水遷移到預(yù)涂層甚至原紙中[11]。在預(yù)涂層中加入淀粉后,它會(huì)從預(yù)涂層遷移到面層中[12],與OBA結(jié)合,減少OBA的遷移量,并防止OBA發(fā)生構(gòu)象的變化,從而使OBA具有較高的增白效率。

圖3 OBA對(duì)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(qiáng)度

2.2.1 顏料配比對(duì)二次涂布箱紙板印刷表面強(qiáng)度的影響

在印刷過(guò)程中,當(dāng)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(nèi)聚力時(shí),引起表面的剝裂,對(duì)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(kāi)壓印區(qū)時(shí),從涂層中剝離顏料顆粒 (有時(shí)甚至包含纖維),并使之黏在橡皮布或者印版表面,導(dǎo)致隨后的印刷品在同一位置反復(fù)出現(xiàn)印刷斑點(diǎn)[13]。另外掉粉也會(huì)造成堆墨,使印刷品上的圖像變得粗糙模糊、出現(xiàn)糊版現(xiàn)象[6]。影響涂布紙表面強(qiáng)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(qiáng)度來(lái)測(cè)試涂布紙抵抗掉粉的能力。

圖4 面涂涂料中GCC用量對(duì)涂布箱紙板表面強(qiáng)度的影響

圖4所示為二次涂布面涂涂料中98級(jí)GCC用量對(duì)箱紙板表面強(qiáng)度的影響。從圖4可以看出,隨著98級(jí)GCC加入量的增加,二次涂布箱紙板的表面強(qiáng)度不斷下降。過(guò)去的一些研究認(rèn)為,影響涂布紙表面強(qiáng)度的因素主要有顏料的膠黏劑需求量、膠黏劑的性質(zhì) (玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、粒徑、羧基含量)、涂層孔隙結(jié)構(gòu) (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(qiáng)度[13]。但是 Swanson[16]的研究表明,要達(dá)到相同的表面強(qiáng)度或濕表面強(qiáng)度,GCC所需的膠黏劑量少于高嶺土,與本實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)表面強(qiáng)度的影響也很小。Husband等人[17]認(rèn)為涂層的表面強(qiáng)度不是它的實(shí)際強(qiáng)度,而是油墨與涂層相互作用的結(jié)果,油墨連接料 (油性)向涂層的滲透會(huì)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(qiáng)度。綜合上述分析,涂布箱紙板表面強(qiáng)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(huì)降低表面強(qiáng)度;二是98級(jí)GCC中小粒徑粒子過(guò)多使得涂層間結(jié)合強(qiáng)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(qiáng)度越高。

2.2.2 預(yù)涂層淀粉含量對(duì)二次涂布箱紙板表面強(qiáng)度的影響

隨著預(yù)涂層中淀粉含量的增加,二次涂布箱紙板的表面強(qiáng)度增加,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。涂布箱紙板的表面強(qiáng)度增大,這是因?yàn)榈矸凼且环N水溶性膠黏劑,它會(huì)隨水遷移到面涂層[12],增加了顏料粒子之間的黏結(jié)強(qiáng)度。另外,在預(yù)涂層添加淀粉,會(huì)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(qiáng)度大幅度增加。

圖5 預(yù)涂涂料中淀粉用量對(duì)涂布箱紙板表面強(qiáng)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(duì)二次涂布箱紙板印刷光澤度的影響

圖6 面涂涂料中98級(jí)GCC用量對(duì)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(jí)GCC的用量對(duì)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(jí)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(duì)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(dòng)時(shí)間短,墨膜比較粗糙,印刷光澤度低[19]。而當(dāng)涂層光澤度較高時(shí),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(jí)GCC用量對(duì)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(jí)GCC用量的增加而下降,變化幅度很大。油墨吸收性則呈現(xiàn)先上升,隨后略有下降的趨勢(shì),面涂顏料為純高嶺土或高嶺土用量為80份時(shí),成紙的油墨吸收性較低,K&N值為20%左右,而當(dāng)GCC的用量大于40份時(shí),K&N值增加了約4個(gè)百分點(diǎn),在本實(shí)驗(yàn)中,涂布箱紙板的光澤度對(duì)印刷光澤度影響較大。

圖7 面涂涂料中98級(jí)GCC用量對(duì)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(guò)小會(huì)減慢油墨固化速率,導(dǎo)致背面蹭臟,油墨吸收能力過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致印品無(wú)光澤,甚至產(chǎn)生透印或粉化現(xiàn)象。

2.3.2 淀粉對(duì)涂布箱紙板印刷光澤度的影響

表3所示為預(yù)涂涂料中淀粉用量對(duì)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(yù)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(méi)有變化。

表3 預(yù)涂涂料中淀粉用量對(duì)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(jié)論

對(duì)箱紙板進(jìn)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(duì)二次涂布箱紙板印刷適性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),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(shí),全高嶺土涂布箱紙板的白度大于全重質(zhì)碳酸鈣 (GCC)涂布箱紙板的白度,高嶺土和GCC混合對(duì)涂布箱紙板的白度有協(xié)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(qiáng)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(yù)涂層中淀粉向面涂層遷移,隨著預(yù)涂層淀粉加入量的增加,涂布箱紙板的表面強(qiáng)度不斷增大,淀粉的加入對(duì)印刷光澤度幾乎沒(méi)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(guó)家自然科學(xué)基金 (50773052);科技部國(guó)際合作項(xiàng)目

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

(責(zé)任編輯:趙旸宇)

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