生物胶乳对彩喷纸性能的影响

邹 娟 林 涛

(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)



生物胶乳对彩喷纸性能的影响

邹 娟 林 涛

(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)

生物胶乳以价格低廉、低碳环保、能够替代石化胶乳制备性能优良的涂料等优势被应用于造纸工业中。将生物胶乳不同比例替代聚乙烯醇并应用于彩喷纸底涂和面涂涂料中,分析了其对彩喷纸物理性能(如白度、不透明度、表面粗糙度、光泽度等)及印刷性能(如油墨吸收性等)的影响。结果表明,生物胶乳的加入可提高彩喷纸的白度、不透明度、光泽度、表面粗糙度、油墨吸收性等,降低紧度、耐破度、表面强度等性能。生物胶乳在底涂和面涂涂料中的替代率分别为60%和40%时,彩喷纸性能最佳。

生物胶乳；聚乙烯醇；彩喷纸

彩色喷墨打印纸(以下简称“彩喷纸”)是纸张深加工的产物,是通过对普通印刷用纸表面进行特殊涂布处理制得的,其既能吸收水性油墨又能使墨滴不向周边扩散,从而可较好地还原图片的色彩和清晰度。随着人们研究的不断深入,彩喷纸已在广告制作、办公自动化、婚纱摄影、CAD效果图、遥控测绘、印刷打样等领域广泛应用。目前,国产彩喷纸质量不低于进口产品,但市场价格比进口同类产品低20%～50%。因此,国产彩喷纸具有很强的市场竞争力,对其进行进一步研究具有重要意义。

彩喷纸专用胶黏剂是一种与颜料同样重要的涂布化学品。聚乙烯醇是一类性能优异的彩喷纸涂布胶黏剂[1-2]。截至目前,彩喷纸中使用的胶黏剂大都是聚乙烯醇。但从彩喷纸开发初期就提出,聚乙烯醇成本昂贵[3]。因此,人们一直希望找到理想的替代品[4-5]。生物胶乳是以淀粉为原料的一种新型纸张涂布胶黏剂,其以成本低廉、低碳环保,可部分或全部替代合成胶黏剂等优异性能,逐渐被应用于造纸领域,其亲水性特性正好满足彩喷纸涂层的亲水性要求[6-10]。但目前还未见关于生物胶乳应用于彩喷纸涂料中的报道。

本研究将生物胶乳不同比例替代聚乙烯醇,并应用于彩喷纸底涂和面涂涂料中,对彩喷纸的白度、平滑度、光泽度、表面粗糙度、油墨吸收性、表面强度等性能进行分析[11],综合以上分析结果,以确定彩喷纸涂料中生物胶乳的最佳替代率。

1 实 验

1.1 原料

静电复印纸(定量70 g/m2,白度81.2%,不透明度100%,2次软辊压光后不透明度90.3%),广东天章信息纸纸品有限公司提供；生物胶乳,课题组自制,性能指标见表1；聚乙烯醇1788,青岛优索化学科技有限公司提供；研磨碳酸钙(GCC,粒径≤2 μm的颗粒占比为93%),国内某公司提供；轻质碳酸钙(PCC,粒径≤1.2 μm的颗粒占比为95%),国内某公司提供；彩喷纸专用高岭土(粒径≤8 μm的颗粒占比为70%),国外某公司提供；彩喷纸专用SiO2(粒径≤7 μm的颗粒占比为82%),国外某公司提供；羧甲基纤维素(CMC),天津市福晨化学试剂厂提供；聚丙烯酸钠(分析纯),天津市科密欧化学试剂有限公司提供；硬脂酸钙(分析纯),天津市大茂化学试剂厂提供；荧光增白剂(OBA,黄色粉末),江西洛特化工有限公司提供；聚二烯丙基二甲基氯化铵 (Poly-DADMAC),国内某公司提供；消泡剂,国内某公司提供。

表1 生物胶乳常规性能指标

注 生物胶乳的黏度于25℃下测量。

表2 涂料配方

1.2 实验仪器

IKA RW20型搅拌器,艾卡仪器设备有限公司；MXD-E1100型实验室高速分散机,上海沐轩实业有限公司；YLJYE-100型恒温水浴锅,北京科伟永兴仪器有限公司；P70D23N1P-G5(WO)型微波炉,格兰仕微波炉电器有限公司；LVDV2+型黏度计,美国BROOKFIELD；AA-GWR250型涂料保水度仪,美国Kaltec；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；GMB型光泽度仪,杭州轻通仪器开发公司；PHS-3C 型酸度计,上海仪电科学仪器股份有限公司；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；WS-SD型白度计,温州仪器仪表有限公司；YM-20型油墨吸收性测定仪,长春市纸张试验机厂；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；LCA型压光机,DT PAPER SCIENCE；DC-NPYS1200型电脑测控耐破度仪,四川长江造纸仪器有限公司；DC-HJY03型电脑测控厚度紧度仪,四川省长江造纸仪器厂。

1.3 实验方法

1.3.1 涂料的制备及涂料性能测试

表2为彩喷纸底涂和面涂的涂料配方。涂料的具体制备过程：向颜料中加分散剂,并高速分散30～60 min,随后加入一定量的胶黏剂及其他添加剂,高速分散一段时间,制得底涂涂料和面涂涂料。制得的涂料为米白色液体。称取3～4 g涂料,于105℃的恒温干燥箱中干燥至质量恒定,测得涂料的固含量；室温下,采用旋转黏度计测涂料黏度；采用保水度仪测涂料的失水值,从而分析涂料保水值。

1.3.2 涂布

在实验室涂布机上进行刮棒涂布。采用不同的底涂及面涂涂料对原纸进行涂布,每次均进行单面1次涂布,总涂布量控制在15～16 g/m2。

1.3.3 干燥及压光

涂布完成后,对彩喷纸进行热风干燥一定时间,然后再放入50℃恒温干燥箱中干燥10 s,取出压平,然后置于实验室自然干燥。

在50℃、6 MPa的条件下,对干燥至90%以上的彩喷纸进行2次软辊压光处理。

1.3.4 涂布纸性能测试

按照国家标准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等对彩喷纸的各项物理性能进行分析。

2 结果与讨论

将生物胶乳不同比例替代聚乙烯醇,研究了生物胶乳对涂料性能(如固含量、黏度、保水值等)和彩喷纸性能(如白度、不透明度、光泽度、表面粗糙度、油墨吸收性、表面强度等)的影响,以确定生物胶乳的最佳替代率。

2.1 生物胶乳对涂料性能的影响

生物胶乳对涂料性能的影响如表3所示。聚乙烯醇黏度高,用其很难制备得到高固含量的涂料,而生物胶乳为低黏度胶黏剂,它的加入使涂料黏度显著降低,利于制备高固含量的涂料,从而适应现代涂布要求。保水度仪通过压力作用测得涂料的失水值,而失水值与保水值呈反比[12]。涂料的保水值受胶黏剂、涂料pH值等诸多因素的影响[13]。整个实验过程在保证其他条件不变的基础上,仅改变了胶黏剂中生物胶乳的替代率,以分析生物胶乳的加入对涂料保水性能的影响。结果显示,随生物胶乳替代率的增大,涂料失水值下降,即保水值升高。因此,生物胶乳的加入能够提高涂料保水值。进而推断,生物胶乳的保水性能优于聚乙烯醇。

表3 涂料性能

2.2 生物胶乳对彩喷纸白度的影响

生物胶乳对彩喷纸白度的影响如图1所示。从图1可以看出,当生物胶乳仅用于底涂涂料时,底涂替代率低于20%时,成纸白度随生物胶乳替代率的增大而提高,底涂替代率达20%以上时,生物胶乳替代率对成纸白度影响不大,其中底涂替代率为40%对应的成纸白度最高。当生物胶乳仅用于面涂涂料时,成纸白度随生物胶乳替代率的增大逐渐提高,面涂替代率为60%对应的成纸白度最高。当生物胶乳同时用于底涂和面涂涂料中时,由于涂料间各成分的迁移以及多种因素的协同作用使成纸白度不随生物胶乳替代率的增大呈规律变化。以上结果表明,生物胶乳对彩喷纸的白度有一定影响。涂布后,彩喷纸白度显著高于原纸白度的主要原因在于涂料中的荧光增白剂和生物胶乳中TiO2的作用。TiO2和荧光增白剂是涂料配方中最常用的2种添加剂,用以提高纸品的白度和亮度。荧光增白剂主要是通过对二苯乙烯的作用来增白纸张。在干燥过程中,生物胶乳随水分迁移,并与荧光增白剂结合,作为荧光增白剂的载体,减少其迁移,从而提高增白效果[14]。TiO2的加入使颗粒间产生一定距离,提高光散射效率,从而达到提高白度的作用[15]。

图1 生物胶乳对彩喷纸白度的影响

2.3 生物胶乳对彩喷纸不透明度的影响

生物胶乳对彩喷纸不透明度的影响如图2所示。已知原纸经2次软辊压光后不透明度为90.3%。从图2可以看出,生物胶乳对彩喷纸不透明度的影响在面涂涂料中效果更为显著,将生物胶乳不同比例替代聚乙烯醇后,彩喷纸不透明度均显著高于全聚乙烯醇涂料的彩喷纸。当底涂替代率低于60%时,面涂替代率相同的彩喷纸不透明度变化不大；但面涂替代率不同,彩喷纸不透明度略有不同,且随面涂替代率的增大,彩喷纸不透明度提高。当底涂替代率高于60%时,面涂替代率对彩喷纸不透明度影响显著,其中,面涂替代率为60%时,彩喷纸不透明度最高。加入生物胶乳后,彩喷纸不透明度显著提高的主要原因在于生物胶乳制备过程中加入了TiO2作为功能添加剂,使生物胶乳具有一定的覆盖能力,而聚乙烯醇溶液是透明液体。因此,在涂料制备过程中,将生物胶乳替代部分聚乙烯醇必然使涂料的覆盖能力提高。

图2 生物胶乳对彩喷纸不透明度的影响

2.4 生物胶乳对彩喷纸光泽度的影响

生物胶乳对彩喷纸光泽度的影响如图3所示。根据GB/T 21301—2007喷墨打印纸国家标准,75°光泽度在11%～54%范围内的纸张为亚光纸。由图3可知,本实验所用涂料配方及涂布工艺操作条件下制得的彩喷纸样品的75°光泽度均在28%以下,属于亚光纸。当生物胶乳仅用于底涂涂料中,且替代率分别为20%和60%时,涂布纸的光泽度与全聚乙烯醇涂料的涂布产品相近。当生物胶乳同时用于面涂和底涂涂料中时,由于各成分间的协同作用,胶黏剂在涂层中不均匀分布,整体情况更为复杂。2种胶黏剂的占比不同,涂料中各成分排列结构会发生改变,不同胶黏剂用量及类型都会使涂层孔结构发生变化,最终使得涂层结构、孔隙结构及光学性能不同。总体来说,生物胶乳加入之后所得的彩喷纸仍然是亚光纸,未对其光泽度造成非常明显的影响。

图3 生物胶乳对彩喷纸光泽度的影响

2.5 生物胶乳对彩喷纸表面粗糙度的影响

生物胶乳对彩喷纸表面粗糙度的影响如图4所示。由图4可知,当生物胶乳仅用于底涂涂料时,随生物胶乳替代率的增大,彩喷纸的表面粗糙度均有不同程度的增大。当生物胶乳仅用于面涂涂料时,彩喷纸表面粗糙度随生物胶乳替代率的增大呈先上升后下降的趋势；比较发现,面涂替代率为60%时对应的彩喷纸粗糙度最低,且低于全聚乙烯醇的彩喷纸。当生物胶乳同时用于底涂和面涂涂料中时,面涂替代率为60%时,彩喷纸表面粗糙度最低。当生物胶乳部分替代聚乙烯醇时,生物胶乳与聚乙烯醇在涂料中协同作用,在底涂涂料中,颜料比表面积大且呈片状堆积,利于形成平整的表面。但是,生物胶乳的粒径范围大于聚乙烯醇,随着生物胶乳替代率的增大,胶粒分布于颜料孔隙、颜料表面及各成分之间,较大的生物胶乳胶粒堆积在表面使涂层粗糙度增大；在面涂涂料中,SiO2比表面积大且呈自由堆积状,形成的涂层表面本身就较为粗糙,聚乙烯醇不利于充分填充表面的孔隙,而较大粒径的生物胶乳胶粒可填充于颜料孔隙和颜料颗粒之间,并使涂料中各成分连接在一起,恰好提高了涂层表面的平整度,并且面涂涂料中加之胶黏剂用量(55 g)大于底涂涂料(胶黏剂用量50 g),更多的胶粒填充于不平整的表面。当生物胶乳的替代率为60%时,胶粒的分布恰好使涂层的表面整饰性更好,彩喷纸表面粗糙度更低。

图4 生物胶乳对彩喷纸PPS表面粗糙度的影响

2.6 生物胶乳对彩喷纸紧度的影响

生物胶乳对彩喷纸紧度的影响如图5所示。从图5可以看出,经过2次软辊压光后,全聚乙烯醇彩喷纸的紧度接近1.12 g/cm3。将生物胶乳不同比例替代聚乙烯醇后,成纸紧度不同程度降低。当生物胶乳仅用于底涂涂料中时,随着生物胶乳替代率的增大,成纸紧度整体呈下降趋势。当生物胶乳仅用于面涂涂料中时,随生物胶乳替代率的增大,成纸紧度先降低后升高。当生物胶乳同时用于底涂和面涂涂料中,且面涂替代率为60%、底涂替代率为80%时,成纸紧度略高于全聚乙烯醇纸样。生物胶乳的黏结性能低于聚乙烯醇,将其替代部分聚乙烯醇应用于彩喷纸涂料之后,其对涂料中各成分的黏结效果低于全聚乙烯醇,使得成纸紧度降低。涂料中生物胶乳替代率不同使得成纸涂层孔结构发生变化,孔隙率、松厚度等随之改变,导致成纸紧度变化无规律。

图5 生物胶乳对彩喷纸紧度的影响

2.7 生物胶乳对彩喷纸耐破度的影响

生物胶乳对彩喷纸耐破度的影响如图6所示。由图6可知,当生物胶乳仅用于底涂涂料中时,随生物胶乳替代率的增大,彩喷纸耐破度下降。当生物胶乳仅用于面涂涂料中时,彩喷纸的耐破度均有所降低,生物胶乳替代率为40%时的彩喷纸耐破度相对降低得最少。当生物胶乳同时用于底涂和面涂涂料中时,底涂替代率为80%、面涂替代率为20%时的彩喷纸耐破度最高。由于生物胶乳的黏结强度低于聚乙烯醇,因此生物胶乳的加入使得彩喷纸的耐破度降低。但整体来说,面涂替代率为40%以下时,均不会对彩喷纸质量产生较大的不利影响。

图6 生物胶乳对彩喷纸耐破度的影响

2.8 生物胶乳对彩喷纸表面强度的影响

生物胶乳对彩喷纸表面强度的影响如图7所示。由图7可知,将生物胶乳不同比例替代聚乙烯醇会使彩喷纸表面强度整体呈下降趋势。当生物胶乳仅用于底涂涂料中时,随生物胶乳替代率的增大,彩喷纸的表面强度先下降后逐渐升高,其中当生物胶乳替代率为40%时,彩喷纸表面强度最低。当生物胶乳仅用于面涂涂料时,生物胶乳替代率对彩喷纸表面强度影响较大,替代率为20%时,彩喷纸的表面强度显著高于全聚乙烯醇的彩喷纸。当生物胶乳同时用于底涂和面涂涂料中时,面涂替代率为20%的彩喷纸表面强度较高,整体优于其他几组涂布产品。生物胶乳黏结性能次于聚乙烯醇,因此生物胶乳替代聚乙烯醇后,涂层表面强度下降。涂布纸表面强度主要取决于底涂,面涂对其表面强度影响较小。面涂涂料中生物胶乳替代20%的聚乙烯醇后彩喷纸表面强度有所增大,这是由于生物胶乳对涂层起到了一定的覆盖作用,大量的聚乙烯醇使涂料充分黏结在一起,生物胶乳与聚乙烯醇形成良好的协同作用,表面强度提高。继续增大生物胶乳替代率,聚乙烯醇用量降低,黏结强度下降,涂层强度随之下降。整体来说,底涂替代率为80%以下,彩喷纸表面强度均较好,不会产生掉毛、掉粉现象,也不会对印刷品产生较大影响。

图7 生物胶乳对彩喷纸表面强度的影响

2.9 生物胶乳对彩喷纸油墨吸收性的影响

油墨吸收性(Y)由公式：Y=100%×(Y0-Y1)/Y0+Yk计算得到,其中Y0为试样涂油墨前表面绿光反射因数,Y1为试样涂油墨后墨迹中心区域绿光反射因数,Yk为油墨修正系数,用以消除油墨批次间的差异。油墨吸收性是彩喷纸的一项重要指标,过高或过低都会影响印刷品质量。陈健文[16]指出,彩喷纸的油墨吸收性在40%～60%为较理想的范围,在该范围内适当提高油墨吸收性可使印刷品图像效果更佳。生物胶乳对彩喷纸油墨吸收性的影响如图8所示。从图8可看出,将生物胶乳不同比例替代聚乙烯醇能够不同程度地提高彩喷纸的油墨吸收性。当生物胶乳仅用于底涂涂料中时,彩喷纸的油墨吸收性先提高后略有降低,生物胶乳替代率为40%时,彩喷纸油墨吸收性最佳。当生物胶乳仅用于面涂涂料中时,其替代率为20%时,彩喷纸油墨吸收性最佳。当生物胶乳同时用于底涂和面涂涂料时,仍然是面涂替代率为20%的彩喷纸油墨吸收性整体较佳。面涂涂料不变,随底涂替代率的不同,彩喷纸油墨吸收性变化较为显著。油墨吸收性提高的主要原因是生物胶乳是以淀粉为原料,经改性制得的一种新的黏结性、流平性等性能优良的纸张涂布胶黏剂,其亲水特性有利于水性油墨的吸收和定着。其次,生物胶乳中加入了微量TiO2作为功能添加剂,TiO2本身是一种白色颜料,加入生物胶乳中,可提高涂层孔隙率,进一步提高油墨吸收性,且利于油墨定着。

图8 生物胶乳对彩喷纸油墨吸收性的影响

3 结 论

生物胶乳是以淀粉为原料制成的一种不同于一般淀粉胶黏剂的独特液体,其以胶粒粒子形式分散在水溶液中,可形成胶乳稳定分散体系。将生物胶乳不同比例替代聚乙烯醇并用于彩色喷墨打印纸(以下简称“彩喷纸”)涂料中,分析了其对涂料性能及彩喷纸物理性能的影响。

3.1 将生物胶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 随生物胶乳替代率的增大,彩喷纸的白度、不透明度、光泽度、表面粗糙度、油墨吸收性提高,紧度、耐破度、表面强度降低。

3.3 综合成纸强度、印刷适性、光学性能及其他物理性能,生物胶乳在底涂涂料中替代率为60%、面涂涂料中替代率为40%时,既能保证成纸质量又能降低生产成本,提高涂料性能。生物胶乳可作为胶黏剂应用于彩喷纸涂料中。

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(责任编辑：陈丽卿)

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

陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(13JS014)。

邹 娟,女,1991年生；在读硕士研究生；主要研究方向：纸张涂布胶黏剂的开发及应用。 E-mail:18292001816@163.com

TS727+.5

A

1000- 6842(2017)02- 0022- 06