鄒 娟 林 濤

(陜西科技大學輕工科學與工程學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室,陜西西安,710021)

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生物膠乳對彩噴紙性能的影響

鄒 娟 林 濤

(陜西科技大學輕工科學與工程學院,陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室,陜西西安,710021)

生物膠乳以價格低廉、低碳環(huán)保、能夠替代石化膠乳制備性能優(yōu)良的涂料等優(yōu)勢被應用于造紙工業(yè)中。將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇并應用于彩噴紙底涂和面涂涂料中,分析了其對彩噴紙物理性能(如白度、不透明度、表面粗糙度、光澤度等)及印刷性能(如油墨吸收性等)的影響。結果表明,生物膠乳的加入可提高彩噴紙的白度、不透明度、光澤度、表面粗糙度、油墨吸收性等,降低緊度、耐破度、表面強度等性能。生物膠乳在底涂和面涂涂料中的替代率分別為60%和40%時,彩噴紙性能最佳。

生物膠乳；聚乙烯醇；彩噴紙

彩色噴墨打印紙(以下簡稱“彩噴紙”)是紙張深加工的產(chǎn)物,是通過對普通印刷用紙表面進行特殊涂布處理制得的,其既能吸收水性油墨又能使墨滴不向周邊擴散,從而可較好地還原圖片的色彩和清晰度。隨著人們研究的不斷深入,彩噴紙已在廣告制作、辦公自動化、婚紗攝影、CAD效果圖、遙控測繪、印刷打樣等領域廣泛應用。目前,國產(chǎn)彩噴紙質量不低于進口產(chǎn)品,但市場價格比進口同類產(chǎn)品低20%～50%。因此,國產(chǎn)彩噴紙具有很強的市場競爭力,對其進行進一步研究具有重要意義。

彩噴紙專用膠黏劑是一種與顏料同樣重要的涂布化學品。聚乙烯醇是一類性能優(yōu)異的彩噴紙涂布膠黏劑[1-2]。截至目前,彩噴紙中使用的膠黏劑大都是聚乙烯醇。但從彩噴紙開發(fā)初期就提出,聚乙烯醇成本昂貴[3]。因此,人們一直希望找到理想的替代品[4-5]。生物膠乳是以淀粉為原料的一種新型紙張涂布膠黏劑,其以成本低廉、低碳環(huán)保,可部分或全部替代合成膠黏劑等優(yōu)異性能,逐漸被應用于造紙領域,其親水性特性正好滿足彩噴紙涂層的親水性要求[6-10]。但目前還未見關于生物膠乳應用于彩噴紙涂料中的報道。

本研究將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇,并應用于彩噴紙底涂和面涂涂料中,對彩噴紙的白度、平滑度、光澤度、表面粗糙度、油墨吸收性、表面強度等性能進行分析[11],綜合以上分析結果,以確定彩噴紙涂料中生物膠乳的最佳替代率。

1 實 驗

1.1 原料

靜電復印紙(定量70 g/m2,白度81.2%,不透明度100%,2次軟輥壓光后不透明度90.3%),廣東天章信息紙紙品有限公司提供；生物膠乳,課題組自制,性能指標見表1；聚乙烯醇1788,青島優(yōu)索化學科技有限公司提供；研磨碳酸鈣(GCC,粒徑≤2 μm的顆粒占比為93%),國內某公司提供；輕質碳酸鈣(PCC,粒徑≤1.2 μm的顆粒占比為95%),國內某公司提供；彩噴紙專用高嶺土(粒徑≤8 μm的顆粒占比為70%),國外某公司提供；彩噴紙專用SiO2(粒徑≤7 μm的顆粒占比為82%),國外某公司提供；羧甲基纖維素(CMC),天津市福晨化學試劑廠提供；聚丙烯酸鈉(分析純),天津市科密歐化學試劑有限公司提供；硬脂酸鈣(分析純),天津市大茂化學試劑廠提供；熒光增白劑(OBA,黃色粉末),江西洛特化工有限公司提供；聚二烯丙基二甲基氯化銨 (Poly-DADMAC),國內某公司提供；消泡劑,國內某公司提供。

表1 生物膠乳常規(guī)性能指標

注 生物膠乳的黏度于25℃下測量。

表2 涂料配方

1.2 實驗儀器

IKA RW20型攪拌器,艾卡儀器設備有限公司；MXD-E1100型實驗室高速分散機,上海沐軒實業(yè)有限公司；YLJYE-100型恒溫水浴鍋,北京科偉永興儀器有限公司；P70D23N1P-G5(WO)型微波爐,格蘭仕微波爐電器有限公司；LVDV2+型黏度計,美國BROOKFIELD；AA-GWR250型涂料保水度儀,美國Kaltec；DC-BKP10000A型別克式平滑度分析儀,四川長江造紙儀器有限責任公司；GMB型光澤度儀,杭州輕通儀器開發(fā)公司；PHS-3C 型酸度計,上海儀電科學儀器股份有限公司；YQ-2-28型印刷適性分析儀,四川長江造紙儀器有限責任公司；WS-SD型白度計,溫州儀器儀表有限公司；YM-20型油墨吸收性測定儀,長春市紙張試驗機廠；K303型刮棒涂布機,RK Print Coat Instruments Ltd 公司；TDR-9070A型恒溫干燥箱,陜西天美科學儀器有限公司；TD19-A型上光干燥機,咸陽通達輕工設備有限公司；LCA型壓光機,DT PAPER SCIENCE；DC-NPYS1200型電腦測控耐破度儀,四川長江造紙儀器有限公司；DC-HJY03型電腦測控厚度緊度儀,四川省長江造紙儀器廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 涂料的制備及涂料性能測試

表2為彩噴紙底涂和面涂的涂料配方。涂料的具體制備過程：向顏料中加分散劑,并高速分散30～60 min,隨后加入一定量的膠黏劑及其他添加劑,高速分散一段時間,制得底涂涂料和面涂涂料。制得的涂料為米白色液體。稱取3～4 g涂料,于105℃的恒溫干燥箱中干燥至質量恒定,測得涂料的固含量；室溫下,采用旋轉黏度計測涂料黏度；采用保水度儀測涂料的失水值,從而分析涂料保水值。

1.3.2 涂布

在實驗室涂布機上進行刮棒涂布。采用不同的底涂及面涂涂料對原紙進行涂布,每次均進行單面1次涂布,總涂布量控制在15～16 g/m2。

1.3.3 干燥及壓光

涂布完成后,對彩噴紙進行熱風干燥一定時間,然后再放入50℃恒溫干燥箱中干燥10 s,取出壓平,然后置于實驗室自然干燥。

在50℃、6 MPa的條件下,對干燥至90%以上的彩噴紙進行2次軟輥壓光處理。

1.3.4 涂布紙性能測試

按照國家標準GB/T 456—2002、GB/T 8941—2007、GB/T 1543—2005、 GB/T 8940—2002、GB/T 131—2006、 GB/T 451.3—2002、GB/T 12911—1991、 GB/T 22365—2008等對彩噴紙的各項物理性能進行分析。

2 結果與討論

將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇,研究了生物膠乳對涂料性能(如固含量、黏度、保水值等)和彩噴紙性能(如白度、不透明度、光澤度、表面粗糙度、油墨吸收性、表面強度等)的影響,以確定生物膠乳的最佳替代率。

2.1 生物膠乳對涂料性能的影響

生物膠乳對涂料性能的影響如表3所示。聚乙烯醇黏度高,用其很難制備得到高固含量的涂料,而生物膠乳為低黏度膠黏劑,它的加入使涂料黏度顯著降低,利于制備高固含量的涂料,從而適應現(xiàn)代涂布要求。保水度儀通過壓力作用測得涂料的失水值,而失水值與保水值呈反比[12]。涂料的保水值受膠黏劑、涂料pH值等諸多因素的影響[13]。整個實驗過程在保證其他條件不變的基礎上,僅改變了膠黏劑中生物膠乳的替代率,以分析生物膠乳的加入對涂料保水性能的影響。結果顯示,隨生物膠乳替代率的增大,涂料失水值下降,即保水值升高。因此,生物膠乳的加入能夠提高涂料保水值。進而推斷,生物膠乳的保水性能優(yōu)于聚乙烯醇。

表3 涂料性能

2.2 生物膠乳對彩噴紙白度的影響

生物膠乳對彩噴紙白度的影響如圖1所示。從圖1可以看出,當生物膠乳僅用于底涂涂料時,底涂替代率低于20%時,成紙白度隨生物膠乳替代率的增大而提高,底涂替代率達20%以上時,生物膠乳替代率對成紙白度影響不大,其中底涂替代率為40%對應的成紙白度最高。當生物膠乳僅用于面涂涂料時,成紙白度隨生物膠乳替代率的增大逐漸提高,面涂替代率為60%對應的成紙白度最高。當生物膠乳同時用于底涂和面涂涂料中時,由于涂料間各成分的遷移以及多種因素的協(xié)同作用使成紙白度不隨生物膠乳替代率的增大呈規(guī)律變化。以上結果表明,生物膠乳對彩噴紙的白度有一定影響。涂布后,彩噴紙白度顯著高于原紙白度的主要原因在于涂料中的熒光增白劑和生物膠乳中TiO2的作用。TiO2和熒光增白劑是涂料配方中最常用的2種添加劑,用以提高紙品的白度和亮度。熒光增白劑主要是通過對二苯乙烯的作用來增白紙張。在干燥過程中,生物膠乳隨水分遷移,并與熒光增白劑結合,作為熒光增白劑的載體,減少其遷移,從而提高增白效果[14]。TiO2的加入使顆粒間產(chǎn)生一定距離,提高光散射效率,從而達到提高白度的作用[15]。

圖1 生物膠乳對彩噴紙白度的影響

2.3 生物膠乳對彩噴紙不透明度的影響

生物膠乳對彩噴紙不透明度的影響如圖2所示。已知原紙經(jīng)2次軟輥壓光后不透明度為90.3%。從圖2可以看出,生物膠乳對彩噴紙不透明度的影響在面涂涂料中效果更為顯著,將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇后,彩噴紙不透明度均顯著高于全聚乙烯醇涂料的彩噴紙。當?shù)淄刻娲实陀?0%時,面涂替代率相同的彩噴紙不透明度變化不大；但面涂替代率不同,彩噴紙不透明度略有不同,且隨面涂替代率的增大,彩噴紙不透明度提高。當?shù)淄刻娲矢哂?0%時,面涂替代率對彩噴紙不透明度影響顯著,其中,面涂替代率為60%時,彩噴紙不透明度最高。加入生物膠乳后,彩噴紙不透明度顯著提高的主要原因在于生物膠乳制備過程中加入了TiO2作為功能添加劑,使生物膠乳具有一定的覆蓋能力,而聚乙烯醇溶液是透明液體。因此,在涂料制備過程中,將生物膠乳替代部分聚乙烯醇必然使涂料的覆蓋能力提高。

圖2 生物膠乳對彩噴紙不透明度的影響

2.4 生物膠乳對彩噴紙光澤度的影響

生物膠乳對彩噴紙光澤度的影響如圖3所示。根據(jù)GB/T 21301—2007噴墨打印紙國家標準,75°光澤度在11%～54%范圍內的紙張為亞光紙。由圖3可知,本實驗所用涂料配方及涂布工藝操作條件下制得的彩噴紙樣品的75°光澤度均在28%以下,屬于亞光紙。當生物膠乳僅用于底涂涂料中,且替代率分別為20%和60%時,涂布紙的光澤度與全聚乙烯醇涂料的涂布產(chǎn)品相近。當生物膠乳同時用于面涂和底涂涂料中時,由于各成分間的協(xié)同作用,膠黏劑在涂層中不均勻分布,整體情況更為復雜。2種膠黏劑的占比不同,涂料中各成分排列結構會發(fā)生改變,不同膠黏劑用量及類型都會使涂層孔結構發(fā)生變化,最終使得涂層結構、孔隙結構及光學性能不同?？傮w來說,生物膠乳加入之后所得的彩噴紙仍然是亞光紙,未對其光澤度造成非常明顯的影響。

圖3 生物膠乳對彩噴紙光澤度的影響

2.5 生物膠乳對彩噴紙表面粗糙度的影響

生物膠乳對彩噴紙表面粗糙度的影響如圖4所示。由圖4可知,當生物膠乳僅用于底涂涂料時,隨生物膠乳替代率的增大,彩噴紙的表面粗糙度均有不同程度的增大。當生物膠乳僅用于面涂涂料時,彩噴紙表面粗糙度隨生物膠乳替代率的增大呈先上升后下降的趨勢；比較發(fā)現(xiàn),面涂替代率為60%時對應的彩噴紙粗糙度最低,且低于全聚乙烯醇的彩噴紙。當生物膠乳同時用于底涂和面涂涂料中時,面涂替代率為60%時,彩噴紙表面粗糙度最低。當生物膠乳部分替代聚乙烯醇時,生物膠乳與聚乙烯醇在涂料中協(xié)同作用,在底涂涂料中,顏料比表面積大且呈片狀堆積,利于形成平整的表面。但是,生物膠乳的粒徑范圍大于聚乙烯醇,隨著生物膠乳替代率的增大,膠粒分布于顏料孔隙、顏料表面及各成分之間,較大的生物膠乳膠粒堆積在表面使涂層粗糙度增大；在面涂涂料中,SiO2比表面積大且呈自由堆積狀,形成的涂層表面本身就較為粗糙,聚乙烯醇不利于充分填充表面的孔隙,而較大粒徑的生物膠乳膠粒可填充于顏料孔隙和顏料顆粒之間,并使涂料中各成分連接在一起,恰好提高了涂層表面的平整度,并且面涂涂料中加之膠黏劑用量(55 g)大于底涂涂料(膠黏劑用量50 g),更多的膠粒填充于不平整的表面。當生物膠乳的替代率為60%時,膠粒的分布恰好使涂層的表面整飾性更好,彩噴紙表面粗糙度更低。

圖4 生物膠乳對彩噴紙PPS表面粗糙度的影響

2.6 生物膠乳對彩噴紙緊度的影響

生物膠乳對彩噴紙緊度的影響如圖5所示。從圖5可以看出,經(jīng)過2次軟輥壓光后,全聚乙烯醇彩噴紙的緊度接近1.12 g/cm3。將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇后,成紙緊度不同程度降低。當生物膠乳僅用于底涂涂料中時,隨著生物膠乳替代率的增大,成紙緊度整體呈下降趨勢。當生物膠乳僅用于面涂涂料中時,隨生物膠乳替代率的增大,成紙緊度先降低后升高。當生物膠乳同時用于底涂和面涂涂料中,且面涂替代率為60%、底涂替代率為80%時,成紙緊度略高于全聚乙烯醇紙樣。生物膠乳的黏結性能低于聚乙烯醇,將其替代部分聚乙烯醇應用于彩噴紙涂料之后,其對涂料中各成分的黏結效果低于全聚乙烯醇,使得成紙緊度降低。涂料中生物膠乳替代率不同使得成紙涂層孔結構發(fā)生變化,孔隙率、松厚度等隨之改變,導致成紙緊度變化無規(guī)律。

圖5 生物膠乳對彩噴紙緊度的影響

2.7 生物膠乳對彩噴紙耐破度的影響

生物膠乳對彩噴紙耐破度的影響如圖6所示。由圖6可知,當生物膠乳僅用于底涂涂料中時,隨生物膠乳替代率的增大,彩噴紙耐破度下降。當生物膠乳僅用于面涂涂料中時,彩噴紙的耐破度均有所降低,生物膠乳替代率為40%時的彩噴紙耐破度相對降低得最少。當生物膠乳同時用于底涂和面涂涂料中時,底涂替代率為80%、面涂替代率為20%時的彩噴紙耐破度最高。由于生物膠乳的黏結強度低于聚乙烯醇,因此生物膠乳的加入使得彩噴紙的耐破度降低。但整體來說,面涂替代率為40%以下時,均不會對彩噴紙質量產(chǎn)生較大的不利影響。

圖6 生物膠乳對彩噴紙耐破度的影響

2.8 生物膠乳對彩噴紙表面強度的影響

生物膠乳對彩噴紙表面強度的影響如圖7所示。由圖7可知,將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇會使彩噴紙表面強度整體呈下降趨勢。當生物膠乳僅用于底涂涂料中時,隨生物膠乳替代率的增大,彩噴紙的表面強度先下降后逐漸升高,其中當生物膠乳替代率為40%時,彩噴紙表面強度最低。當生物膠乳僅用于面涂涂料時,生物膠乳替代率對彩噴紙表面強度影響較大,替代率為20%時,彩噴紙的表面強度顯著高于全聚乙烯醇的彩噴紙。當生物膠乳同時用于底涂和面涂涂料中時,面涂替代率為20%的彩噴紙表面強度較高,整體優(yōu)于其他幾組涂布產(chǎn)品。生物膠乳黏結性能次于聚乙烯醇,因此生物膠乳替代聚乙烯醇后,涂層表面強度下降。涂布紙表面強度主要取決于底涂,面涂對其表面強度影響較小。面涂涂料中生物膠乳替代20%的聚乙烯醇后彩噴紙表面強度有所增大,這是由于生物膠乳對涂層起到了一定的覆蓋作用,大量的聚乙烯醇使涂料充分黏結在一起,生物膠乳與聚乙烯醇形成良好的協(xié)同作用,表面強度提高。繼續(xù)增大生物膠乳替代率,聚乙烯醇用量降低,黏結強度下降,涂層強度隨之下降。整體來說,底涂替代率為80%以下,彩噴紙表面強度均較好,不會產(chǎn)生掉毛、掉粉現(xiàn)象,也不會對印刷品產(chǎn)生較大影響。

圖7 生物膠乳對彩噴紙表面強度的影響

2.9 生物膠乳對彩噴紙油墨吸收性的影響

油墨吸收性(Y)由公式：Y=100%×(Y0-Y1)/Y0+Yk計算得到,其中Y0為試樣涂油墨前表面綠光反射因數(shù),Y1為試樣涂油墨后墨跡中心區(qū)域綠光反射因數(shù),Yk為油墨修正系數(shù),用以消除油墨批次間的差異。油墨吸收性是彩噴紙的一項重要指標,過高或過低都會影響印刷品質量。陳健文[16]指出,彩噴紙的油墨吸收性在40%～60%為較理想的范圍,在該范圍內適當提高油墨吸收性可使印刷品圖像效果更佳。生物膠乳對彩噴紙油墨吸收性的影響如圖8所示。從圖8可看出,將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇能夠不同程度地提高彩噴紙的油墨吸收性。當生物膠乳僅用于底涂涂料中時,彩噴紙的油墨吸收性先提高后略有降低,生物膠乳替代率為40%時,彩噴紙油墨吸收性最佳。當生物膠乳僅用于面涂涂料中時,其替代率為20%時,彩噴紙油墨吸收性最佳。當生物膠乳同時用于底涂和面涂涂料時,仍然是面涂替代率為20%的彩噴紙油墨吸收性整體較佳。面涂涂料不變,隨底涂替代率的不同,彩噴紙油墨吸收性變化較為顯著。油墨吸收性提高的主要原因是生物膠乳是以淀粉為原料,經(jīng)改性制得的一種新的黏結性、流平性等性能優(yōu)良的紙張涂布膠黏劑,其親水特性有利于水性油墨的吸收和定著。其次,生物膠乳中加入了微量TiO2作為功能添加劑,TiO2本身是一種白色顏料,加入生物膠乳中,可提高涂層孔隙率,進一步提高油墨吸收性,且利于油墨定著。

圖8 生物膠乳對彩噴紙油墨吸收性的影響

3 結 論

生物膠乳是以淀粉為原料制成的一種不同于一般淀粉膠黏劑的獨特液體,其以膠粒粒子形式分散在水溶液中,可形成膠乳穩(wěn)定分散體系。將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇并用于彩色噴墨打印紙(以下簡稱“彩噴紙”)涂料中,分析了其對涂料性能及彩噴紙物理性能的影響。

3.1 將生物膠乳不同比例替代聚乙烯醇可提高涂料固含量和保水值,降低涂料黏度。

3.2 隨生物膠乳替代率的增大,彩噴紙的白度、不透明度、光澤度、表面粗糙度、油墨吸收性提高,緊度、耐破度、表面強度降低。

3.3 綜合成紙強度、印刷適性、光學性能及其他物理性能,生物膠乳在底涂涂料中替代率為60%、面涂涂料中替代率為40%時,既能保證成紙質量又能降低生產(chǎn)成本,提高涂料性能。生物膠乳可作為膠黏劑應用于彩噴紙涂料中。

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(責任編輯：陳麗卿)

Effects of Biolatex Binders on the Properties of Color Ink-jet Printing Paper

ZOU Juan*LIN Tao

(CollegeofLightIndustryScienceandEngineering,ShaanxiProvinceKeyLaboratoryofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021) (*E-mail： 18292001816@163.com)

Biobased latex (biolatex) has been used as adhesive in papermaking industry, due to its advantages of low cost and environmental friendly. The biolatex can be the substitute for petrochemical-based latex used in paper and paperboard coatings preparation. The objective of this study was to analyze the physical properties of color ink-jet printing paper in which the biolatex replaced polyvinyl alcohol (PVA) in the coatings used for precoating and topcoating. In this paper, effects of biolatex on the physical properties of color ink-jet printing paper, such as brightness, opacity, PPS roughness, gloss, and ink absorption, IGT surface strength were studied. The results showed that the increase of biolatex substitution ratio resulted in higher paper brightness, opacity, gloss, PPS roughness, and ink absorption; but the paper density, bursting strength and surface strength decreased. It was also found that, the best substitution ratio of biolatex was 60% and 40% in the coatings for precoating and topcoating respectively.

biolatex; PVA; color ink-jet printing paper

2016- 08- 02

陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(13JS014)。

鄒 娟,女,1991年生；在讀碩士研究生；主要研究方向：紙張涂布膠黏劑的開發(fā)及應用。 E-mail:18292001816@163.com

TS727+.5

A

1000- 6842(2017)02- 0022- 06