硅酸钙颜料对彩喷纸物理性能的影响

林 涛， 邹 娟， 殷学风



硅酸钙颜料对彩喷纸物理性能的影响

林 涛， 邹 娟， 殷学风

(陕西科技大学 轻工科学与工程学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安 710021)

对硅酸钙干粉进行研磨处理，制得了一种高比表面积、高吸墨性能的彩色喷墨打印纸用颜料.对比不同彩喷纸专用颜料，探讨了单独使用硅酸钙颜料及配合其他颜料使用时，硅酸钙对彩喷纸物理性能的影响.结果表明，硅酸钙与其他颜料混合使用时效果较好,硅酸钙是良好的彩喷纸颜料.

硅酸钙； 颜料； 彩色喷墨打印纸

0 引言

随着工业技术的不断发展，彩色喷墨打印纸(后简称彩喷纸)进入到人们的生活和工作中，成为不可或缺的一部分[1].彩喷纸作为一种高附加值的特种纸，创造出了更加丰富多彩的美丽世界[2].由于其价格较低，打印效果好，被广泛应用于广告、杂志、照片等领域.高质量的彩喷纸要求纤维分布均匀、良好的平滑度和光泽度、适当的耐水性和耐光性、吸墨性强、良好的图像保存性、色密度高、色彩饱和度高等特点[3].

颜料作为涂层的重要组成之一，一直是人们研究的热点.目前已开发出二氧化硅、高岭土、碳酸钙、二氧化钛、硅酸盐、合成硅酸盐及高分子树脂等颜料[4,5].其中二氧化硅是较为理想的颜料，但由于价格昂贵通常与其他颜料混合使用[6].目前有较多的研究将多孔硅酸钙用于造纸填料及废水处理等领域[7-9]，还未见有直接将尾矿硅酸钙用于造纸颜料的研究.钾长石尾矿硅酸钙是一种白度较高、比表面积大的多孔材料，应用于涂布颜料，可能会形成多孔的涂层，适合于彩色喷墨打印.

本研究以石尾矿硅酸钙为原料，直接对其进行研磨过筛处理，得到一种比表面积大、粒径小、白度高的硅酸钙微粒.以其高比表面积的特性，在彩喷纸涂料中用作涂布颜料.该研究的优势在于，充分利用废弃矿产资源，降低涂布颜料成本，提高涂层的油墨吸收性，进而提高彩喷纸印刷质量.

1 实验部分

1.1 实验原料

普通静电复印纸(定量70 g/m2，白度81.91%，不透明度100.11%)，由国内某纸品公司提供；硅酸钙(平均粒径30μm，白度86.96%)，实验室提供；彩喷纸专用二氧化硅(平均粒径5.93μm，白度94.34%)，由国外某公司提供；彩喷纸专用高岭土(平均粒径6.47μm，白度89.28%)，由国外某公司提供；聚乙烯醇1788，由国内某公司提供；聚丙烯酸钠(分析纯)，由天津市科密欧化学试剂有限公司提供；羧甲基纤维素(CMC), 由天津市福晨化学试剂厂提供；荧光增白剂(OBA)，由国内某公司提供；聚二烯丙基二甲基氯化铵 (PolyDADMAC)，由国内某公司提供.

1.2 实验仪器

MXD-E1100型实验室高速分散机，上海沐轩实业有限公司；XQM-10型球磨机，长沙天创粉末技术有限公司；BT-9300H型激光粒度分布仪，丹东百特科技有限公司；IKA RW20型搅拌器，艾卡仪器设备有限公司；S4800型场发射扫描电镜，日立集团；VEGA3 SBH 扫描电子显微镜，捷克TESCAN；Gemini VII2390型比表面积分析仪,麦克莫瑞提克仪器有限公司；DC-BKP10000A型别克式平滑度分析仪，四川长江造纸仪器有限责任公司；WS-SD型白度计，温州仪器仪表有限公司；YQ-2-28型印刷适性分析仪，四川长江造纸仪器有限责任公司； YM-20型油墨吸收性测定仪，长春市纸张试验机厂；GMB型光泽度仪，杭州轻通仪器开发公司；K303型刮棒涂布机，RK Print Coat Instruments Ltd 公司；TDR-9070A型恒温干燥箱，陕西天美科学仪器有限公司；TD19-A型上光干燥机，咸阳通达轻工设备有限公司；WJF-864型吹风机，广州市万家风电器有限公司.

1.3 实验方法

1.3.1 颜料的前期处理

原料硅酸钙粒径为30μm，将硅酸钙、水和研磨介质按照质量比为1∶1∶4的比例放入球磨罐中，在转速为300 r/min条件下研磨90 min.研磨完成后对硅酸钙进行干燥、过筛处理，存放待用[10-12].

1.3.2 颜料的分析表征

采用激光粒度分布仪对硅酸钙、二氧化硅和高岭土进行粒径分析表征，测试温度25 ℃，介质为去离子水.

采用场发射扫描电镜对硅酸钙、二氧化硅、高岭土的微观形貌进行表征，加速电压3.0 KV.

采用BET比表面积分析法对硅酸钙、二氧化硅、高岭土的比表面积进行分析表征，液氮冷冻.

1.3.3 硅酸钙阳离子改性

按一定浓度将去离子水和硅酸钙充分混合，在高速分散机中分散，浓度控制在35%，加入相对颜料绝干质量5%～10%的PolyDADMAC，高速分散30 min[13,14].

1.3.4 颜料的分散

取一定量分散剂聚丙烯酸钠加入去离子水中混合均匀，加入一定量的改性硅酸钙，在转速为3 500 r/min条件下分散45 min；加入一定量二氧化硅和高岭土继续进行分散，转速3 000 r/min，分散时间30 min.

1.3.5 涂料配制

按一定比例加入颜料分散液、胶黏剂PVA1788及其他助剂，高速分散充分混合一段时间，出料，制得涂料.涂料中颜料与胶黏剂比值20∶11，固含量为35%[15,16].

1.3.6 纸页的涂布加工

在实验室涂布机上，进行刮棒涂布.每次均进行单面一次涂布，涂布量控制在10～11 g/m2左右[17].涂布完成后先采用热风干燥，再在105 ℃下烘缸干燥至90%以上，取出压平.

1.3.7 成纸性能测试

按照国家标准GB/T 7974，GB/T 8941，GB/T451.2，GB/T1543，GB/T 456-2002，GB 12911-91等对涂布纸的白度、平滑度、光泽度、表面强度、不透明度、油墨吸收性等各项物理性能进行测定.

扫描电镜表征涂层表面形貌，加速电压30.0 KV.

2 结果与讨论

2.1 颜料分析及表征

扫描电镜对硅酸钙、彩喷纸专用二氧化硅、彩喷纸专用高岭土的微观表面结构进行了表征，结果如图1所示.扫描电镜下可直观的看出该硅酸钙同二氧化硅一样为分散堆积体，高岭土是片状结构堆积成层状.

(a)硅酸钙

(b)二氧化硅

(c)高岭土图1 扫描电镜下硅酸钙、二氧化硅、高岭土的微观形貌

颜料粒径及比表面积分析结果如表1所示.

表1 颜料粒径及比表面积

硅酸钙的比表面积介于高岭土和二氧化硅之间.分析采用的二氧化硅和高岭土均为目前较为理想的彩喷纸颜料，大的比表面积有利于油墨的吸收定着，因此单从表面结构来看，硅酸钙是理想的彩喷纸颜料.

2.2 不同颜料对彩喷纸性能的影响

分别以硅酸钙、二氧化硅、高岭土为彩喷纸颜料，制备出涂料进行涂布试验，涂层表面如图2所示.

(a)硅酸钙涂层

(b)二氧化硅涂层

(c)高岭土涂层图2 扫描电镜下单独以硅酸钙、二氧化硅、高岭土为颜料制得的涂料涂布后的涂层表面结构

对成纸物理性能及印刷性能进行分析表征，检测结果如表2所示.1号样品中颜料为高岭土100%，2号样品中颜料为硅酸钙100%，3号样品中颜料为二氧化硅100%.

图3所示为三种颜料单独使用时成纸平滑度.2号样品的平滑度与1号样品相当且均高于3号样品的平滑度.由图2可直观的看出高岭土与硅酸钙涂层表面平整度相近，且均比二氧化硅涂层表面平整.

表2 纸张相关物性及印刷适应性测试结果

续表2

序号配方白度/%ISO平滑度/s光泽度/%表面强度/(m/s)2CaSiO3:100PVA:55CMC:0.9OBA:0.05103.7141.91.743SiO2:100PVA:55CMC:0.9OBA:0.05108.511.41.81.6

图3 不同颜料对纸张平滑度的影响

根据以上信息可以看出，样品经稍加压平，高岭土和硅酸钙彩喷纸可整饰性强，对成纸平滑度的影响优于二氧化硅，而二氧化硅是目前较为理想的彩喷纸颜料.总体来说，三种样品的成纸平滑度差别不大，单从平滑度来讲，将硅酸钙用作彩喷纸颜料是可行的.

图4是三种颜料单独使用时成纸的白度.从几组样品对比可看出，将硅酸钙作为颜料所形成的涂层白度不如高岭土和二氧化硅.静电复印纸的白度为81.08%～82.08%，使用三种颜料中的任何一种都使成纸白度有了明显提高.因此将这三种颜料用于彩喷纸涂料中，其覆盖能力均较好，利于涂层白度的提高.

图4 不同颜料对纸张白度的影响

图5为三种颜料单独使用时成纸的光泽度.对比样品1、样品2和样品3，三种颜料中，高岭土涂层的光泽度最佳，硅酸钙涂层的光泽度稍高于二氧化硅涂层.由于原纸采用静电复印纸，且涂布后未经压光处理，所以涂布纸最终呈现无光特性.由图1所示，硅酸钙和二氧化硅为自由堆积的多孔结构，但相比之下，高岭土的比表面积低于硅酸钙和二氧化硅，高岭土为层状结构，由片状堆积而成，覆盖能力较好，涂布完成后，涂层平整度好，光泽度好.而硅酸钙平均粒径和二氧化硅平均粒径相近，粒形相似，使得二者涂层表面光泽度相当.因此，从光泽度来看，该硅酸钙样品用于彩喷纸是可行的.

图5 不同颜料对纸张光泽度的影响

图6是三种颜料单独使用时成纸的表面强度.由图6可看出，硅酸钙涂层的表面强度明显高于二氧化硅涂层的表面强度，低于高岭土涂层的表面强度，主要原因是颜料比表面积间的差异.胶黏剂加入涂料中后渗透到颜料颗粒之间，将颜料微粒粘结到一起，颜料比表面积越大，与胶黏剂的粘接面积也就越大，在相同胶黏剂用量的情况下，表面强度更低.硅酸钙涂层的表面强度介于高岭土和二氧化硅之间.因此，从表面强度来看，打印中不掉粉，该硅酸钙样品用于彩喷纸是可行的.

图6 不同颜料对纸张表面强度的影响

2.3 混合颜料对彩喷纸性能的影响

高岭土覆盖效果好，能提高涂层的平滑度；二氧化硅是吸墨性能好的彩喷纸颜料，为彩喷纸常用颜料；硅酸钙是由尾矿中提取出的可再利用材料，比表面积大，白度高.因此将硅酸钙与二氧化硅复合作为彩喷纸颜料(3号样品)，与高岭土和二氧化硅混合体系(1号样品)进行对比，讨论高岭土和硅酸钙作为辅助颜料时各自的特点.同时，鉴于几种颜料的分布特点，将硅酸钙、二氧化硅混合体系与三种颜料混合体系(2号样品)进行对比，讨论了几种体系对成纸性能的影响.以普通静电复印纸为原纸进行涂布试验，经涂布干燥后，按照标准测试涂布纸相关成纸性能的结果如表3所示.

表3 涂布纸相关物性及印刷适应性测试结果

图7为颜料分布平面模型图.不同的颜料粒子均匀分布在分散介质中，小颗粒填充于大颗粒缝隙之间，分散颗粒填充于层状颜料之间，使颜料间的空隙减少，涂层更加平整.高岭土与二氧化硅分散体系的排列模型如图7(a)所示，高岭土为层状结构，占用面积较大，二氧化硅分布于各高岭土缝隙间；将硅酸钙和二氧化硅同时与高岭土混合，如图7(b)所示，使得颜料缝隙填充的更加丰满，颜料之间紧密排列；如图7(c)所示为硅酸钙与二氧化硅分散体系的排列模型，由于二者均为分散堆积体，因此纵横排列十分均匀.

(a)高岭土和二氧化硅混合

(b)硅酸钙、高岭土和二氧化硅混合

(c)硅酸钙和二氧化硅混合

图7 混合颜料分布平面模型

2.3.1 涂布纸白度

图8为使用几种混合颜料对成纸白度的影响.从白度测试结果来看，3号样品相对于1号和2号样品，涂层白度有所下降.高岭土为层状结构，覆盖能力较强，而硅酸钙为分散堆积体，覆盖能力明显不如高岭土.因此3号样品白度低于1号.不同颜料协同作为涂布颜料时，由于粒径的差异、比表面积的差异及颜料结构的不同，三种颜料能够在彼此之间的空间良好排列，覆盖能力最佳，因此，2号样品的白度高于3号样品.根据GB/T 21301-2007，喷墨打印纸的使用面白度的基本要求为大于等于85%，白度越高图像效果越好.样品白度值远高于此标准，硅酸钙可作为彩喷纸颜料，不会对成纸白度产生显著的不利影响.

图8 硅酸钙用量对白度的影响

2.3.2 涂布纸不透明度

图9为使用几种混合颜料对成纸不透明度的影响.对比三种体系的不透明度，3号样品的不透明度远超于1号和2号样品.所用原料硅酸钙为高比表面积物质，其比表面积比高岭土要高，比表面积越大，对光的折射和散射能力越强，故而光透过率越低.3号样品中颜料为硅酸钙和二氧化硅，二者比表面积均较大，光的透过率低；2号样品中含有三种不同的颜料，相对于3号样品来说，颜料总体比表面积下降，不透明度低于3号；1号样品相对于3号样品，将硅酸钙换成了高岭土，然而高岭土为层状结构，比表面积小，对光的折射和散射能力明显低于硅酸钙，因此1号样品的不透明度明显低于3号样品.根据GB/T21301-2007，彩喷纸的不透明度应大于等于90%，并且硅酸钙与其他颜料的混合体系不透明度还要优于高岭土和二氧化硅.因此，硅酸钙可作为彩喷纸颜料使用.

图9 硅酸钙用量对不透明度的影响

2.3.3 涂布纸平滑度

图10为使用几种混合颜料对成纸平滑度的影响.由图10看出，3号样品与1号样品平滑度相近，略低于2号样品.各实验样品之间平滑度差别不是很大，证明硅酸钙用作彩喷纸颜料对涂层不会有明显的不利影响.造成各样品之间细小差异的原因在于不同颜料混合使用，颗粒之间填充程度不同，使最终涂层的平整度不同.2号样品中硅酸钙和二氧化硅均匀填充于高岭土缝隙间，当涂料均匀涂于纸基上时，形成具有少量缝隙的平整表面，因而平滑度优于3号样品；而1号样品虽有遮盖效果很好的高岭土，但颜料间缝隙较大，3号样品纵横向均分布十分均匀，但颜料遮盖效果不如高岭土，两个体系各自的缺点使得最终平滑度相近.总的来说，几种样品之间无明显差异，故硅酸钙可用作彩喷纸颜料使用.

图10 硅酸钙用量对平滑度的影响

2.3.4 涂布纸油墨吸收性

图11为使用几种混合颜料对成纸油墨吸收性的影响.由图11可以得出，从油墨吸收性结果看，3号样品的油墨吸收性明显优于其他两组.这是由于硅酸钙比表面积大于高岭土，吸墨和固墨性能也优于高岭土.当硅酸钙与二氧化硅混合体系用于彩喷纸涂料中，最终的涂层吸墨性必然高于1号和2号样品.涂层油墨吸收性越好，打印出的图像清晰度越高.因此，硅酸钙可提高涂层油墨吸收性，可作为彩喷纸颜料使用.

图11 硅酸钙用量对油墨吸收性的影响

2.3.5 对光泽度的影响

图12为使用几种混合颜料对成纸光泽度的影响.由于全部实验样品在涂布完成后均未进行压光处理，故全部为无光纸，光泽度低于10%.由图12可看出，3号样品的光泽度低于其他两组.产生该结果的主要原因是颜料覆盖能力不同，高岭土颗粒为大的片状结构，易定向覆盖于涂层，覆盖能力强，平整度好，而3号样品中颜料定向排列能力不如高岭土，因此3号的光泽度低于1号样品；三种颜料混合使用，能形成良好的平整排列，覆盖效果最好，而3号样品没有高岭土的良好覆盖能力，颜料间缝隙较多，涂层平整度不够好，因此，3号样品的光泽度低于2号样品.但样品间光泽度的差异较弱，因此，硅酸钙可作为彩喷纸颜料使用.

图12 硅酸钙用量对光泽度的影响

2.3.6 涂布纸表面强度

图13为使用几种混合颜料对成纸表面强度的影响.由图13可看出，3号样品的表面强度与2号样品相近，但低于1号样品.产生这一结果的主要原因是颜料间的比表面积的差异.高岭土比表面积小，相同胶黏剂用量下，表面强度大；硅酸钙和二氧化硅比表面积大，胶黏剂与颜料的接触面积大，相同的胶黏剂用量情况下，表面强度小.3号和2号样品比表面积差别不大，因此结果十分接近，而1号样品中含有大量的高岭土，比表面积明显低于3号样品.但总体来说，三者差别不大，硅酸钙可作为彩喷纸颜料使用.

图13 硅酸钙用量对表面强度的影响

3 结论

通过颜料的不同配比应用试验，将硅酸钙对彩喷纸的物理性能及印刷性能的影响总结如下：

(1)硅酸钙作为彩喷纸颜料时，涂布纸的平滑度、光泽度均与使用彩喷纸用高岭土和二氧化硅时相近.白度相对较低，但均在标准范围内.表面强度优于高岭土.

(2)硅酸钙与二氧化硅混合使用时，成纸的不透明度、平滑度、油墨吸收性均增大，表面强度、白度、光泽度下降；硅酸钙、二氧化硅、高岭土三种颜料混合使用，成纸的白度、不透明度、平滑度、油墨吸收性、光泽度均增大，表面强度有所下降.

(3)硅酸钙可作为彩喷纸颜料使用.

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【责任编辑：陈 佳】

Effects of calcium silicate pigment on the physical properties of colorful ink-jet printing paper

LIN Tao， ZOU Juan， YIN Xue-feng

(College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

There has obtained a kind of pigment which can be used for colorful ink-jet printing paper with the properties of high specific surface area and high ink absorption performance by ball-milling method.Furthermore,effects of various pigments,including two specialized ink-jet paper pigments,on the physical properties of colorful ink-jet printing paper were compared,as well as the various pigments were used alone or mixed together. In conclusion,calcium silicate cooperates well with other pigments,and can be used as a pigment for colorful ink-jet printing paper.

calcium silicate; pigment; colorful ink-jet printing paper

2016-08-24

陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(13JS014)

林 涛(1974-)，男，湖北京山人，副教授，博士，研究方向：膨润土改性剂应用、造纸新技术

1000-5811(2016)06-0007-07

TS727+. 3

A