涂布颜料的使用现状和发展趋势

该文综述了涂布纸和涂布板纸使用的主要颜料（碳酸钙和高岭土）的性能和表现，考察了近年来涂布颜料的使用方法和配方的变化情况，密切关注了结构性高岭土涂料的最新发展，焦点在于它如何给纸和纸板涂布带来价值，以及功能性高岭土如何在特殊涂布如阻隔涂料中使用。

1 关于涂布用颜料

纸及纸板涂布加工的目的是覆盖原纸的纸浆纤维，以便得到具有良好均匀性和平滑度的纸面；另外，通过涂布还能提高纸张的光泽度，改善纸张的不透明度等以满足最终产品，如光泽涂布、绸纹涂布、无光泽涂布的质量要求。

纸张涂布使用了包括滑石粉、氧化钛、合成硅和塑料颜料等在内的各种颜料，其中，碳酸钙和高岭土使用最多。碳酸钙中又有重质碳酸钙（GCC）和轻质碳酸钙（PCC）之分，其主要效果是赋予纸张较高的白度。GCC根据粉碎方法及粒子尺寸进行分类。一般来说，粒径较大的GCC用作填料，或者用作涂布的预涂；粒径较小的GCC由于有较高的光泽度被用于单面涂布或面涂。PCC也根据粒径尺寸进行分类，由于粒度分布较均一而被用于提高光学性能。通常涂布使用的是针状霰石类和立方体菱形状这2种PCC。霰石PCC赋予纸张光泽度和光学特性，菱形状PPC赋予流动性及印刷适应性。第3种结晶体是凝聚的偏三角面体，其用作填料的情况比用作涂布的情况多。

高岭土的技术参数包括粒径尺寸及粒径形状（纵横比），同时随着高岭土产地的不同具有独特的性能，例如：巴西产的capim瓷土来自天然，白度高，粒度分布窄；北美高岭土可被加工成各种高纵横比和微粒型品种。

图1显示了赋予纸张各种特性的高岭土和碳酸钙的电子显微镜照片（因Scalenohedral PCC大多用作填料，故未列出）。

图1 碳酸钙和高岭土的电子显微镜照片

不同的颜料具有不同的特性，如高岭土的粒径形状可改善纸张的表面性；GCC可提高纸张的白度，降低成本；PCC可给予涂层最佳的光学特性及松厚性。因此为了取得最佳效果，涂料配方中颜料常采用多种颜料混合，其中高岭土和碳酸钙是基础。表1～3分别为赋予纸张特性的高岭土和碳酸钙的性能、造纸用高岭土的类型及典型用途、造纸用碳酸钙的类型及典型用途。

为了了解各种颜料原料的不同特性，分别做了高岭土、GCC和PCC的中试涂布试验，以对它们作基准评估。其实，这种用单一颜料作为涂料的试验例子是很罕见的，但是为了专门比较各种颜料品种，这次中试用这些颜料单独进行了涂布。涂料配方组成为颜料、胶粘剂和淀粉；原纸为高档文化用纸，用辊式涂布机以车速1 000 m/min进行涂布试验。涂布量为14 g/m2，涂布后测定其物理性能，结果如表4所示。

表1 赋予纸张特性的高岭土和碳酸钙的性能

由表4可见：碳酸钙涂料的固含量总体来说比高岭土高，脱水性较差；粒度分布较窄的PCC以比GCC低的固含量涂布；高纵横比的高岭土需要以最低的固含量涂布。总之：高岭土在平滑度、光泽度以及印刷性能方面比碳酸钙优良；高岭土的粒径越细，光泽性能提高幅度越大，粒度分布越窄以及纵横比越高，平滑性及印刷适应性越好；PCC比GCC具有更好的平滑度和光泽度，而印刷适应性方面较差；GCC与PCC二者都是粒径越小光泽度越高，而印刷适应性较差。

表2 造纸用高岭土的类型及典型用途1）

表3 造纸用碳酸钙的类型及典型用途1）

表4 造纸用高岭土、GCC和PCC的中试涂布试验结果

另外，一般来说，高岭土的不透明度比GCC好，而白度较差。通过提高窄粒度分布的高岭土和碳酸钙的光散乱度能同时提高白度和不透明度。PCC的光学特性受粒径尺寸的影响比GCC小，微粒的白度较高。因此，PCC总体的光学特性最佳。

图2总结了造纸用高岭土、GCC和PCC的特性。

2 涂布颜料使用的演变过程

过去10年间，在成熟市场上，印刷用纸继续减少，而且最近在之前呈现阶段性初级增长的中国以及东南亚各国，文化用纸的需求也在减少。与文化用纸相比，包装用纸的需求比较强劲，北美以及欧洲呈现微增趋势，亚洲（特别是中国），实现了初级阶段的强劲增长。

图2 造纸用高岭土、GCC和PCC的特性

但是，现在包装用纸的增速也出现了下降。这种市场变化对颜料的使用方法和需求产生了很大的影响。较多使用高岭土的纸种和地区受此减速的影响较大，需求减少过程中选择了向碳酸钙转移。其结果是在过去5年间高岭土和碳酸钙二者的用量都下降了，并且高岭土的下降幅度远远大于碳酸钙。根据预测，2012年以来，碳酸钙的年下降率为1.2%，而高岭土的年下降率为2.4%（实际上可能更多）。

在同一时期，也有一些纸厂还进行了在涂料配方中用成本较低的碳酸钙置换高岭土的工作。由于这种置换，不少工厂对纸的质量标准值也进行了调整。最近高岭土的用量一直处于平稳状态。根据分析推测，目前涂布纸/涂布板纸每年使用的高岭土大约为500万t，碳酸钙约为2 300万t，碳酸钙中75%为GCC。

图3显示了过去几年中涂布纸所用的高岭土和碳酸钙使用比例的变化趋势。

图3 高岭土和碳酸钙使用比例的变化趋势

表5显示了高岭土在不同纸种、不同地区中的使用比例。

涂料配方中高岭土和碳酸钙的使用比例受不同地区市场价格及涂料配方的影响很大。北美通常为单涂，由于北美在全世界中高岭土和碳酸钙的价差最小，因此涂料中高岭土的配比率较高。相反，在以多次涂布为主、高岭土和碳酸钙价差较大的欧洲，高岭土的使用比例较低。在亚洲，除了日本之外，由于中档纸种极少，多次涂布，高岭土和碳酸钙的价差在世界上最大，涂料配比中的高岭土比例为世界上最低。碳酸钙多数在邻近地区或在纸厂在线生产。日本单涂较多，加上高岭土和碳酸钙的价差与其他亚洲诸国相比较小，因此与北美较类似，但是近年来，正在向欧洲及其他亚洲各国的涂料配比靠近。

通常碳酸钙是作为主要颜料连续使用的，而高岭土常常是为了满足遮盖性及表面物理性能的质量要求而使用的。并且，在需要调整空隙的特种纸中，高岭土的使用价值也受到了较高的评价。

表5 高岭土在不同纸种、不同地区中的使用比例

3 涂布颜料的应用和开发

以往的颜料开发与纸机的开发及品质要求紧密相连，但现在的开发目的很明显主要是为了降低成本。与此相反，为了满足纸厂产品组合的多样化以及市场要求，在特种纸的颜料产品开发方面持续进行了积极的努力。

在考虑降低成本时，一般的做法是单纯地选择含有颜料的廉价原材料。但是由于颜料成本对于纸张整体而言所占比重较小，影响有限，因此有时候需要探索其他的途径。通过与碳酸钙的配合，高岭土的粒径形状可以获得高松厚度的结构，遮盖性及表面物理性能这2方面都可以改善。因此，虽然高岭土价格比碳酸钙高，但对纸厂而言仍有利可图。图4显示了其中的案例。

图4 遮盖性和松厚性的价值

关于高岭土的遮盖效果，迄今为止可以找到很多已公开的资料，新的例子是，用少量煅烧高岭土和含水高岭土配合形成涂布层的结构化，图5介绍了其在白度极低的挂面纸板上的使用效果。

结构化涂层在大幅度减少面层涂布量的同时可以确保同等的光学特性。在低涂布量的条件下，含水高岭土和煅烧高岭土的配合显示了优越的遮盖性。白浆挂面纸板的高涂布量单面涂布的品质得到改善，具有与双面涂布相匹敌的效果。在欧洲的案例中，代替纸浆纤维降低的原材料成本约为40%。

众所周知，提高遮盖性的探索非常重要，但对特种纸空隙的调整还需要进行复杂的应用开发。特种纸的涂料成本较高，其效果受涂料保持性的影响较大，例如玻璃纸之类的剥离纸所用的有机硅和亲水性阻隔材料的保持性改善。在所有案例中，功能材料层下面配合的高岭土层均支持了这些功能材料的保持，最终能够降低成本。高岭土的效果如图6所示（图6中：“玻璃纸案例”中1～4检测点的“涂布颜料配方”见表6；“防潮纸案例”中各检测点的“涂布颜料”见表 7）。

图5 用松厚性涂层代替白色挂面纸板的纸浆纤维

图6 保持性的改善

表6 玻璃纸涂布颜料配方

表7 防潮纸涂布颜料

玻璃纸的案例中，尽管涂布量非常低，高岭土的配比在临界颜料堆积浓度以下，但通过使用高纯度高纵横比的高岭土及聚乙烯醇胶粘剂，有机硅层的保持性获得了大幅度改善。通过在预涂中使用高岭土，阻隔性材料改善了最终的阻隔性，在维持功能的前提下，大幅度降低了面层使用的阻隔材料。

综合价值不仅是阻隔材料的保持，而且还由于含有高岭土的扁平矿物（颜料）降低了面涂涂料中配入的阻隔材料的透过性，取得了功能性改善和成本降低（转换成聚合物）2种效果。

虽然已开发了多种阻隔性功能材料，但还是建议采用双涂方式。其理念是，在前期的预涂阶段给与适度的保持性，通过保持在面涂中使用的有效的高价阻隔材料，进一步提高阻隔性能。高纵横比的矿物材料用于面、底涂中，根据压痕折叠、热封及特殊阻隔性等最终用途效选择颜料和胶粘剂比例。图7显示了其中的一个案例。

案例的成本方面与使用聚乙烯醇相同，但循环性和使用来自石油的原料比例较低，比较环保。随着消费者对环保意识的提高，开发具有可持续性的颜料应也将成为趋势。

图7 洗涤剂包装纸板的亲水阻隔材料应用

4 总结

（1）碳酸钙成本低，在提高纸张白度方面被广泛使用。

（2）高岭土除了单涂，具有成为需要改善表面特性或调整孔隙度这些特性的添加材料的趋势。

（3）高岭土的应用开发着眼于应用性及效果，包括以下方面：①用以高岭土为基础的结构化涂层以物理和光学性能覆盖原纸表面的凹凸或低白度的原纸；②选择源自天然的重金属含量低、纵横比高的高岭土，在剥离纸中应用的有机硅层保护和硬化；③高岭土和提高性能后的扁平矿物阻隔材料配方，以及考虑环保要求的包装产品的水分保持/耐水性和耐油性等功能。