涂布箱纸板的光学性能与印刷适性

许 英 臧永华 任景慧

(天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

涂布箱纸板的光学性能与印刷适性

许 英 臧永华 任景慧

(天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457)

研究了重质碳酸钙 (GCC)、高岭土及它们不同比例混合使用和淀粉对涂布箱纸板白度、表面强度和印刷光泽度的影响。结果表明，涂布箱纸板的白度不仅依赖于颜料自身的白度，而且取决于原纸的白度，在褐色箱纸板上涂布时，全高岭土预涂的箱纸板白度高于全GCC预涂的。涂布箱纸板的表面强度和印刷光泽度均随着面涂层中GCC含量的增加而降低。在涂料中加入荧光增白剂(OBA)和淀粉可显著提高涂布箱纸板的白度，淀粉的加入也可提高涂布箱纸板的表面强度，但淀粉对印刷光泽度几乎没有影响。

涂布箱纸板;淀粉;白度;表面强度;印刷光泽度

一直以来，瓦楞纸箱的主要功能是包装和保护商品，因此，强度和耐久性是其主要测试指标。但近年来，瓦楞纸箱被广泛用于提供商品信息和宣传商品［1］。在较低的成本下获得良好的印刷质量，通过商品外包装提供商品信息，极大地促进了具有视觉吸引力的涂布箱纸板的发展［2］。涂布箱纸板通常是在白浆挂面的箱纸板上进行一次涂布或在褐色箱纸板上进行多次涂布。挂面箱纸板中漂白纤维的使用容易造成箱纸板脱层，并使生产过程复杂化［2］，另外漂白废水会污染环境，这些为涂布箱纸板的发展提供了广阔的空间。

大量采用再生纤维生产箱纸板是近年造纸工业的一个趋势［3-4］，但是箱纸板表面粗糙、白度较低、印刷适性较差。涂布可改善再生箱纸板的光泽度、油墨吸收性和表面平滑度等印刷适性特征，提高其印刷质量。

在褐色箱纸板上进行涂布时，为了达到较高的白度，通常需要提高涂布量或采用昂贵的TiO2为颜料［5］。为节约成本，本实验在涂料中加入了荧光增白剂 (OBA)，显著提高了涂布箱纸板的白度，节约了成本。实验研究了重质碳酸钙 (GCC)、高岭土及它们不同比例混合使用和OBA及淀粉对二次涂布箱纸板的白度、印刷表面强度、油墨吸收性和印刷光泽度的影响。

1 实验

1.1 原纸

箱纸板:定量141 g/m2，取自某箱纸板厂，具体性能指标见表1。

表1 箱纸板的性能指标

1.2 涂料组分

涂布级高岭土 (粉末，白度89%)，粒径小于2 μm的粒子的质量分数为90% ～92%，由茂名石化矿业有限公司提供;GCC(分散液，白度95%)两种 (粒径小于2 μm的粒子的质量分数分别为55%和98%)，分散剂，均由山东兖州东升精细化工有限公司提供;羧基丁苯胶乳 (Styronal 302G，平均粒径0．15 μm，玻璃化转变温度10℃)和 OBA(天来宝ABP-C)，由巴斯夫上海有限公司提供;淀粉为市售产品。

1.3 涂料制备

先用高速分散机对高岭土进行预分散，分散机转速3000 r/min，预分散液的固含量为68%，分散剂用量为0．3份 (对每100份颜料质量)。预涂和面涂涂料以高岭土和GCC(其中预涂层采用55级GCC，面涂层采用98级GCC)不同比例的混合物为颜料，以羧基丁苯胶乳为胶黏剂，将淀粉加至预涂层作为OBA的载体。用NaOH溶液将涂料的pH值调至8．0～8．5，预涂和面涂涂料的固含量均为60%。

本实验中，准备了4个不同系列的涂料，系列1是将高岭土和55级GCC以不同的比例混合，以12份胶乳为胶黏剂，预涂于箱纸板上，测定箱纸板的白度;系列2的涂料配方见表2;系列3预涂高岭土和55级GCC的比例为60∶40，改变面涂配方中98级GCC的含量，胶乳用量均为12份，探究面涂98级GCC含量对二次涂布箱纸板的印刷表面强度和印刷光泽度的影响;系列4预涂及面涂高岭土和GCC的比例均为60∶40，其中面涂胶乳用量为12份，OBA用量为0．6份，预涂胶乳用量为10份，淀粉用量为0～9份，探究预涂淀粉用量对二次涂布箱纸板的印刷表面强度和印刷光泽度的影响。

1.4 涂布、干燥与压光

采用英国RK Print Coat Instruments钢丝刮棒对箱纸板进行单面两次涂布，预涂涂布量为 (10±1)g/m2，面涂涂布量为 (17±1)g/m2，涂布后立即用热风干燥箱，在95℃条件下干燥。采用实验室用压光机在压力为3 MPa、温度为80℃时对涂布箱纸板进行软辊压光。

1.5 测试方法

在温度 (23±1)℃、相对湿度 (50±2)%的条件下对干燥后的试样进行预处理。采用L＆W Elrepho分光光度计和便携式光泽度计按照国家标准测定纸样的白度和光泽度 (75°)。采用IGT AIC2-5T 2000印刷适性仪测定表面强度，并对试样进行印刷，以测定试样的印刷光泽度。

2 结果与讨论

2.1 涂布箱纸板的白度

实验探讨了涂料配方对涂布箱纸板白度的影响。

2.1.1 预涂配方的优化

实验采用不同份额的55级GCC替代高岭土，以12份胶乳为胶黏剂，配制预涂涂料，经预涂后箱纸板的白度如图1所示。虽然55级GCC本身的白度高于高岭土，但经100%55级GCC预涂的箱纸板白度低于用100%高岭土预涂的箱纸板，而在采用40份55级GCC取代高岭土时，预涂箱纸板的白度最高，其值为56．8%。实验结果表明，55级GCC与高岭土混合时对涂层的白度有协同作用，这与Larsson等人的研究结果不一致［6-7］。他们认为颜料的混合只对不透明度有协同作用，而在白度方面没有观察到协同作用。另外，Janet采用高岭土和GCC在不含磨木浆的纸上涂布，全GCC涂布纸的白度大于全高岭土涂布纸的［8］。实验结果的不同主要与所用的原纸有关，对于本实验所用的低白度原纸来说，涂层的不透明度对白度的影响是至关重要的，当涂层的光散射系数或光吸收系数较高时，涂层的不透明度高，其中涂层的光散射系数起决定作用［9］。55级GCC白度较高，其光吸收系数低，而全55级GCC涂层的光散射系数也较低，故全55级GCC涂层不透明度低，覆盖性较差，纸张的白度增加值比全高岭土涂布的少，故采用全55级GCC预涂时白度最低［9］。涂层对光的散射取决于涂层的孔径和孔隙体积，当高岭土与55级GCC的混合比为60∶40时，预涂箱纸板的白度最高，在这种情况下，涂层光散射系数最高，涂层的孔隙体积与孔径的协同作用可能达到最佳。

图155 级GCC取代高岭土对预涂箱纸板白度的影响

2.1.2 二次涂布对箱纸板白度的影响

在100%55级GCC以及高岭土与55级GCC混合颜料 (60∶40)预涂的箱纸板上进行二次涂布，其中面涂涂料高岭土与98级GCC的配比分别为100∶0、60∶40、0∶100，胶乳用量均为12份。压光后，测定成纸白度以探究面涂配方对成纸白度的影响。从图1可知，100%55级GCC预涂箱纸板与60%高岭土和40%55级GCC预涂箱纸板相比，白度相差11个百分点，但用不同配方的面涂涂料进行二次涂布后，白度的最大差值仅为4．5个百分点 (见图2)。从图2可以看出，采用全GCC涂布时成纸白度稍低，但总体看来，预涂配方相同时，面涂配方对成纸白度影响不大。

图2 不同面涂配方对涂布箱纸板白度的影响

2.1.3 OBA对二次涂布箱纸板白度的影响

一般情况下，涂布挂面箱纸板的白度需达到74% ～82%［1］，而在褐色箱纸板上涂布时，为获得较高的白度，需提高涂布量或加入具有较高遮盖力的TiO2［5］。为了节约生产成本，并进一步提高涂布褐色箱纸板的白度，实验中将OBA添加到面涂涂料中，并以淀粉为载体，涂料配方如表2所示。

表2 预涂及面涂涂料配方

图3所示为OBA对二次涂布箱纸板白度的影响。由图3可知，只添加OBA时，二次涂布箱纸板的白度为75．6%，仅比不添加OBA者高2．3个百分点。OBA与淀粉共同使用时，成纸白度比空白样高近7个百分点。这是因为OBA将不可见的紫外光转变为蓝光的过程中会发生构象的转变，而只有构象未发生变化的OBA才具有荧光作用［10］，另外OBA是一种水溶性分子，会随水迁移到预涂层甚至原纸中［11］。在预涂层中加入淀粉后，它会从预涂层迁移到面层中［12］，与OBA结合，减少OBA的迁移量，并防止OBA发生构象的变化，从而使OBA具有较高的增白效率。

图3 OBA对二次涂布箱纸板白度的影响

2.2 涂布箱纸板的印刷表面强度

2.2.1 颜料配比对二次涂布箱纸板印刷表面强度的影响

在印刷过程中，当油墨作用于纸或纸板表面的外向拉力大于纸或纸板表面的内聚力时，引起表面的剥裂，对于涂布纸或纸板则主要是表面掉粉或起泡分层甚至纸层撕破。其中，掉粉是指黏稠的胶印油墨在离开压印区时，从涂层中剥离颜料颗粒 (有时甚至包含纤维)，并使之黏在橡皮布或者印版表面，导致随后的印刷品在同一位置反复出现印刷斑点［13］。另外掉粉也会造成堆墨，使印刷品上的图像变得粗糙模糊、出现糊版现象［6］。影响涂布纸表面强度的因素有印刷方式、印刷压力、印刷速度、油墨黏度及墨层厚度，常用IGT印刷表面强度来测试涂布纸抵抗掉粉的能力。

图4 面涂涂料中GCC用量对涂布箱纸板表面强度的影响

图4所示为二次涂布面涂涂料中98级GCC用量对箱纸板表面强度的影响。从图4可以看出，随着98级GCC加入量的增加，二次涂布箱纸板的表面强度不断下降。过去的一些研究认为，影响涂布纸表面强度的因素主要有颜料的胶黏剂需求量、胶黏剂的性质 (玻璃化转变温度、粒径、羧基含量)、涂层孔隙结构 (颜料粒径、形状、表面积)［14］和纸面粗糙度［6，15］，涂料中胶黏剂含量较高的纸张具有较高的表面强度［13］。但是 Swanson［16］的研究表明，要达到相同的表面强度或湿表面强度，GCC所需的胶黏剂量少于高岭土，与本实验结果不符。4种不同纸样的表面粗糙度分别为 4．07、4．08、4．24、4．12 μm，对表面强度的影响也很小。Husband等人［17］认为涂层的表面强度不是它的实际强度，而是油墨与涂层相互作用的结果，油墨连接料 (油性)向涂层的渗透会破坏胶黏剂与矿物颜料之间的范德华力，从而降低涂层的表面强度。综合上述分析，涂布箱纸板表面强度降低可能有两方面的原因:一是由于涂层中GCC含量的增加，使得涂层孔隙度增大，油墨渗透速度快，渗透量也增加，油墨连接料向涂层中渗透，增加了油墨的黏性，也会降低表面强度;二是98级GCC中小粒径粒子过多使得涂层间结合强度变差所致，Husband等人［17］采用不同粒径的高岭土涂布，研究表明，在相同胶黏剂用量下，高岭土的粒径越大，表面强度越高。

2.2.2 预涂层淀粉含量对二次涂布箱纸板表面强度的影响

随着预涂层中淀粉含量的增加，二次涂布箱纸板的表面强度增加，实验结果如图5所示。涂布箱纸板的表面强度增大，这是因为淀粉是一种水溶性胶黏剂，它会随水迁移到面涂层［12］，增加了颜料粒子之间的黏结强度。另外，在预涂层添加淀粉，会降低纸面的孔隙度［18］，使得涂层表面更加封闭，印刷油墨的渗透速度降低，从而使涂布箱纸板的表面强度大幅度增加。

图5 预涂涂料中淀粉用量对涂布箱纸板表面强度的影响

2.3 涂布箱纸板的印刷光泽度

2.3.1 颜料配比对二次涂布箱纸板印刷光泽度的影响

图6 面涂涂料中98级GCC用量对涂布箱纸板印刷光泽度的影响

图6所示为面涂涂料中98级GCC的用量对涂布箱纸板印刷光泽度的影响。从图6可以看出，印刷光泽度随98级GCC用量的增加而下降。一些研究表明，印刷光泽度主要受涂层光泽度和油墨吸收性的影响［19-20］，印刷光泽度可能随着涂层油墨吸收性的减小而增大，也可能随着涂层光泽度的增大而增大。涂层对油墨连接料的快速吸收使得油墨固化速率快、油墨在纸张表面的流动时间短，墨膜比较粗糙，印刷光泽度低［19］。而当涂层光泽度较高时，印刷油墨量较低也可填充凹凸不平的纸面，从而使墨层较为平滑，印刷光泽度高［20］。

图7所示为面涂涂料中98级GCC用量对二次涂布箱纸板光泽度和油墨吸收性 (K＆N值)的影响。从图7也可以看出，二次涂布箱纸板的光泽度随面涂层涂料中98级GCC用量的增加而下降，变化幅度很大。油墨吸收性则呈现先上升，随后略有下降的趋势，面涂颜料为纯高岭土或高岭土用量为80份时，成纸的油墨吸收性较低，K＆N值为20%左右，而当GCC的用量大于40份时，K＆N值增加了约4个百分点，在本实验中，涂布箱纸板的光泽度对印刷光泽度影响较大。

图7 面涂涂料中98级GCC用量对二次涂布箱纸板光泽度和油墨吸收性的影响

另外，涂层的油墨吸收性是影响纸张印刷适性的主要因素之一［21］，油墨吸收能力过小会减慢油墨固化速率，导致背面蹭脏，油墨吸收能力过大则会导致印品无光泽，甚至产生透印或粉化现象。

2.3.2 淀粉对涂布箱纸板印刷光泽度的影响

表3所示为预涂涂料中淀粉用量对二次涂布箱纸板印刷光泽度、光泽度和油墨吸收性的影响。从表3可以看出，随着预涂层淀粉含量的增加，二次涂布箱纸板的印刷光泽度、K＆N值和光泽度基本没有变化。

表3 预涂涂料中淀粉用量对二次涂布箱纸板印刷光泽度、光泽度和油墨吸收性的影响

3 结论

对箱纸板进行单面二次涂布，研究不同的颜料配比、荧光增白剂 (OBA)和淀粉对二次涂布箱纸板印刷适性的影响。结果发现，涂布箱纸板的白度不仅依赖于颜料自身白度，而且取决于原箱纸板的白度，在原箱纸板白度较低时，全高岭土涂布箱纸板的白度大于全重质碳酸钙 (GCC)涂布箱纸板的白度，高岭土和GCC混合对涂布箱纸板的白度有协同作用。在涂料中加入OBA和淀粉可显著提高涂布箱纸板的白度。涂布箱纸板的表面强度和印刷光泽度均随着面涂层中GCC含量的增加而降低，由于预涂层中淀粉向面涂层迁移，随着预涂层淀粉加入量的增加，涂布箱纸板的表面强度不断增大，淀粉的加入对印刷光泽度几乎没有影响。

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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)

本课题由国家自然科学基金 (50773052);科技部国际合作项目

许 英女士，在读硕士研究生;主要研究方向:涂布纸产品开发，高得率浆的性能和纸张印刷适性。

(责任编辑:赵旸宇)