林 濤， 鄒 娟， 殷學風

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硅酸鈣顏料對彩噴紙物理性能的影響

林 濤， 鄒 娟， 殷學風

(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)

對硅酸鈣干粉進行研磨處理，制得了一種高比表面積、高吸墨性能的彩色噴墨打印紙用顏料.對比不同彩噴紙專用顏料，探討了單獨使用硅酸鈣顏料及配合其他顏料使用時，硅酸鈣對彩噴紙物理性能的影響.結果表明，硅酸鈣與其他顏料混合使用時效果較好,硅酸鈣是良好的彩噴紙顏料.

硅酸鈣； 顏料； 彩色噴墨打印紙

0 引言

隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，彩色噴墨打印紙(后簡稱彩噴紙)進入到人們的生活和工作中，成為不可或缺的一部分[1].彩噴紙作為一種高附加值的特種紙，創(chuàng)造出了更加豐富多彩的美麗世界[2].由于其價格較低，打印效果好，被廣泛應用于廣告、雜志、照片等領域.高質量的彩噴紙要求纖維分布均勻、良好的平滑度和光澤度、適當的耐水性和耐光性、吸墨性強、良好的圖像保存性、色密度高、色彩飽和度高等特點[3].

顏料作為涂層的重要組成之一，一直是人們研究的熱點.目前已開發(fā)出二氧化硅、高嶺土、碳酸鈣、二氧化鈦、硅酸鹽、合成硅酸鹽及高分子樹脂等顏料[4,5].其中二氧化硅是較為理想的顏料，但由于價格昂貴通常與其他顏料混合使用[6].目前有較多的研究將多孔硅酸鈣用于造紙?zhí)盍霞皬U水處理等領域[7-9]，還未見有直接將尾礦硅酸鈣用于造紙顏料的研究.鉀長石尾礦硅酸鈣是一種白度較高、比表面積大的多孔材料，應用于涂布顏料，可能會形成多孔的涂層，適合于彩色噴墨打印.

本研究以石尾礦硅酸鈣為原料，直接對其進行研磨過篩處理，得到一種比表面積大、粒徑小、白度高的硅酸鈣微粒.以其高比表面積的特性，在彩噴紙涂料中用作涂布顏料.該研究的優(yōu)勢在于，充分利用廢棄礦產資源，降低涂布顏料成本，提高涂層的油墨吸收性，進而提高彩噴紙印刷質量.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

普通靜電復印紙(定量70 g/m2，白度81.91%，不透明度100.11%)，由國內某紙品公司提供；硅酸鈣(平均粒徑30μm，白度86.96%)，實驗室提供；彩噴紙專用二氧化硅(平均粒徑5.93μm，白度94.34%)，由國外某公司提供；彩噴紙專用高嶺土(平均粒徑6.47μm，白度89.28%)，由國外某公司提供；聚乙烯醇1788，由國內某公司提供；聚丙烯酸鈉(分析純)，由天津市科密歐化學試劑有限公司提供；羧甲基纖維素(CMC), 由天津市福晨化學試劑廠提供；熒光增白劑(OBA)，由國內某公司提供；聚二烯丙基二甲基氯化銨 (PolyDADMAC)，由國內某公司提供.

1.2 實驗儀器

MXD-E1100型實驗室高速分散機，上海沐軒實業(yè)有限公司；XQM-10型球磨機，長沙天創(chuàng)粉末技術有限公司；BT-9300H型激光粒度分布儀，丹東百特科技有限公司；IKA RW20型攪拌器，艾卡儀器設備有限公司；S4800型場發(fā)射掃描電鏡，日立集團；VEGA3 SBH 掃描電子顯微鏡，捷克TESCAN；Gemini VII2390型比表面積分析儀,麥克莫瑞提克儀器有限公司；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；WS-SD型白度計，溫州儀器儀表有限公司；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； YM-20型油墨吸收性測定儀，長春市紙張試驗機廠；GMB型光澤度儀，杭州輕通儀器開發(fā)公司；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；WJF-864型吹風機，廣州市萬家風電器有限公司.

1.3 實驗方法

1.3.1 顏料的前期處理

原料硅酸鈣粒徑為30μm，將硅酸鈣、水和研磨介質按照質量比為1∶1∶4的比例放入球磨罐中，在轉速為300 r/min條件下研磨90 min.研磨完成后對硅酸鈣進行干燥、過篩處理，存放待用[10-12].

1.3.2 顏料的分析表征

采用激光粒度分布儀對硅酸鈣、二氧化硅和高嶺土進行粒徑分析表征，測試溫度25 ℃，介質為去離子水.

采用場發(fā)射掃描電鏡對硅酸鈣、二氧化硅、高嶺土的微觀形貌進行表征，加速電壓3.0 KV.

采用BET比表面積分析法對硅酸鈣、二氧化硅、高嶺土的比表面積進行分析表征，液氮冷凍.

1.3.3 硅酸鈣陽離子改性

按一定濃度將去離子水和硅酸鈣充分混合，在高速分散機中分散，濃度控制在35%，加入相對顏料絕干質量5%～10%的PolyDADMAC，高速分散30 min[13,14].

1.3.4 顏料的分散

取一定量分散劑聚丙烯酸鈉加入去離子水中混合均勻，加入一定量的改性硅酸鈣，在轉速為3 500 r/min條件下分散45 min；加入一定量二氧化硅和高嶺土繼續(xù)進行分散，轉速3 000 r/min，分散時間30 min.

1.3.5 涂料配制

按一定比例加入顏料分散液、膠黏劑PVA1788及其他助劑，高速分散充分混合一段時間，出料，制得涂料.涂料中顏料與膠黏劑比值20∶11，固含量為35%[15,16].

1.3.6 紙頁的涂布加工

在實驗室涂布機上，進行刮棒涂布.每次均進行單面一次涂布，涂布量控制在10～11 g/m2左右[17].涂布完成后先采用熱風干燥，再在105 ℃下烘缸干燥至90%以上，取出壓平.

1.3.7 成紙性能測試

按照國家標準GB/T 7974，GB/T 8941，GB/T451.2，GB/T1543，GB/T 456-2002，GB 12911-91等對涂布紙的白度、平滑度、光澤度、表面強度、不透明度、油墨吸收性等各項物理性能進行測定.

掃描電鏡表征涂層表面形貌，加速電壓30.0 KV.

2 結果與討論

2.1 顏料分析及表征

掃描電鏡對硅酸鈣、彩噴紙專用二氧化硅、彩噴紙專用高嶺土的微觀表面結構進行了表征，結果如圖1所示.掃描電鏡下可直觀的看出該硅酸鈣同二氧化硅一樣為分散堆積體，高嶺土是片狀結構堆積成層狀.

(a)硅酸鈣

(b)二氧化硅

(c)高嶺土圖1 掃描電鏡下硅酸鈣、二氧化硅、高嶺土的微觀形貌

顏料粒徑及比表面積分析結果如表1所示.

表1 顏料粒徑及比表面積

硅酸鈣的比表面積介于高嶺土和二氧化硅之間.分析采用的二氧化硅和高嶺土均為目前較為理想的彩噴紙顏料，大的比表面積有利于油墨的吸收定著，因此單從表面結構來看，硅酸鈣是理想的彩噴紙顏料.

2.2 不同顏料對彩噴紙性能的影響

分別以硅酸鈣、二氧化硅、高嶺土為彩噴紙顏料，制備出涂料進行涂布試驗，涂層表面如圖2所示.

(a)硅酸鈣涂層

(b)二氧化硅涂層

(c)高嶺土涂層圖2 掃描電鏡下單獨以硅酸鈣、二氧化硅、高嶺土為顏料制得的涂料涂布后的涂層表面結構

對成紙物理性能及印刷性能進行分析表征，檢測結果如表2所示.1號樣品中顏料為高嶺土100%，2號樣品中顏料為硅酸鈣100%，3號樣品中顏料為二氧化硅100%.

圖3所示為三種顏料單獨使用時成紙平滑度.2號樣品的平滑度與1號樣品相當且均高于3號樣品的平滑度.由圖2可直觀的看出高嶺土與硅酸鈣涂層表面平整度相近，且均比二氧化硅涂層表面平整.

表2 紙張相關物性及印刷適應性測試結果

續(xù)表2

序號配方白度/%ISO平滑度/s光澤度/%表面強度/(m/s)2CaSiO3:100PVA:55CMC:0.9OBA:0.05103.7141.91.743SiO2:100PVA:55CMC:0.9OBA:0.05108.511.41.81.6

圖3 不同顏料對紙張平滑度的影響

根據以上信息可以看出，樣品經稍加壓平，高嶺土和硅酸鈣彩噴紙可整飾性強，對成紙平滑度的影響優(yōu)于二氧化硅，而二氧化硅是目前較為理想的彩噴紙顏料.總體來說，三種樣品的成紙平滑度差別不大，單從平滑度來講，將硅酸鈣用作彩噴紙顏料是可行的.

圖4是三種顏料單獨使用時成紙的白度.從幾組樣品對比可看出，將硅酸鈣作為顏料所形成的涂層白度不如高嶺土和二氧化硅.靜電復印紙的白度為81.08%～82.08%，使用三種顏料中的任何一種都使成紙白度有了明顯提高.因此將這三種顏料用于彩噴紙涂料中，其覆蓋能力均較好，利于涂層白度的提高.

圖4 不同顏料對紙張白度的影響

圖5為三種顏料單獨使用時成紙的光澤度.對比樣品1、樣品2和樣品3，三種顏料中，高嶺土涂層的光澤度最佳，硅酸鈣涂層的光澤度稍高于二氧化硅涂層.由于原紙采用靜電復印紙，且涂布后未經壓光處理，所以涂布紙最終呈現無光特性.由圖1所示，硅酸鈣和二氧化硅為自由堆積的多孔結構，但相比之下，高嶺土的比表面積低于硅酸鈣和二氧化硅，高嶺土為層狀結構，由片狀堆積而成，覆蓋能力較好，涂布完成后，涂層平整度好，光澤度好.而硅酸鈣平均粒徑和二氧化硅平均粒徑相近，粒形相似，使得二者涂層表面光澤度相當.因此，從光澤度來看，該硅酸鈣樣品用于彩噴紙是可行的.

圖5 不同顏料對紙張光澤度的影響

圖6是三種顏料單獨使用時成紙的表面強度.由圖6可看出，硅酸鈣涂層的表面強度明顯高于二氧化硅涂層的表面強度，低于高嶺土涂層的表面強度，主要原因是顏料比表面積間的差異.膠黏劑加入涂料中后滲透到顏料顆粒之間，將顏料微粒粘結到一起，顏料比表面積越大，與膠黏劑的粘接面積也就越大，在相同膠黏劑用量的情況下，表面強度更低.硅酸鈣涂層的表面強度介于高嶺土和二氧化硅之間.因此，從表面強度來看，打印中不掉粉，該硅酸鈣樣品用于彩噴紙是可行的.

圖6 不同顏料對紙張表面強度的影響

2.3 混合顏料對彩噴紙性能的影響

高嶺土覆蓋效果好，能提高涂層的平滑度；二氧化硅是吸墨性能好的彩噴紙顏料，為彩噴紙常用顏料；硅酸鈣是由尾礦中提取出的可再利用材料，比表面積大，白度高.因此將硅酸鈣與二氧化硅復合作為彩噴紙顏料(3號樣品)，與高嶺土和二氧化硅混合體系(1號樣品)進行對比，討論高嶺土和硅酸鈣作為輔助顏料時各自的特點.同時，鑒于幾種顏料的分布特點，將硅酸鈣、二氧化硅混合體系與三種顏料混合體系(2號樣品)進行對比，討論了幾種體系對成紙性能的影響.以普通靜電復印紙為原紙進行涂布試驗，經涂布干燥后，按照標準測試涂布紙相關成紙性能的結果如表3所示.

表3 涂布紙相關物性及印刷適應性測試結果

圖7為顏料分布平面模型圖.不同的顏料粒子均勻分布在分散介質中，小顆粒填充于大顆粒縫隙之間，分散顆粒填充于層狀顏料之間，使顏料間的空隙減少，涂層更加平整.高嶺土與二氧化硅分散體系的排列模型如圖7(a)所示，高嶺土為層狀結構，占用面積較大，二氧化硅分布于各高嶺土縫隙間；將硅酸鈣和二氧化硅同時與高嶺土混合，如圖7(b)所示，使得顏料縫隙填充的更加豐滿，顏料之間緊密排列；如圖7(c)所示為硅酸鈣與二氧化硅分散體系的排列模型，由于二者均為分散堆積體，因此縱橫排列十分均勻.

(a)高嶺土和二氧化硅混合

(b)硅酸鈣、高嶺土和二氧化硅混合

(c)硅酸鈣和二氧化硅混合

圖7 混合顏料分布平面模型

2.3.1 涂布紙白度

圖8為使用幾種混合顏料對成紙白度的影響.從白度測試結果來看，3號樣品相對于1號和2號樣品，涂層白度有所下降.高嶺土為層狀結構，覆蓋能力較強，而硅酸鈣為分散堆積體，覆蓋能力明顯不如高嶺土.因此3號樣品白度低于1號.不同顏料協同作為涂布顏料時，由于粒徑的差異、比表面積的差異及顏料結構的不同，三種顏料能夠在彼此之間的空間良好排列，覆蓋能力最佳，因此，2號樣品的白度高于3號樣品.根據GB/T 21301-2007，噴墨打印紙的使用面白度的基本要求為大于等于85%，白度越高圖像效果越好.樣品白度值遠高于此標準，硅酸鈣可作為彩噴紙顏料，不會對成紙白度產生顯著的不利影響.

圖8 硅酸鈣用量對白度的影響

2.3.2 涂布紙不透明度

圖9為使用幾種混合顏料對成紙不透明度的影響.對比三種體系的不透明度，3號樣品的不透明度遠超于1號和2號樣品.所用原料硅酸鈣為高比表面積物質，其比表面積比高嶺土要高，比表面積越大，對光的折射和散射能力越強，故而光透過率越低.3號樣品中顏料為硅酸鈣和二氧化硅，二者比表面積均較大，光的透過率低；2號樣品中含有三種不同的顏料，相對于3號樣品來說，顏料總體比表面積下降，不透明度低于3號；1號樣品相對于3號樣品，將硅酸鈣換成了高嶺土，然而高嶺土為層狀結構，比表面積小，對光的折射和散射能力明顯低于硅酸鈣，因此1號樣品的不透明度明顯低于3號樣品.根據GB/T21301-2007，彩噴紙的不透明度應大于等于90%，并且硅酸鈣與其他顏料的混合體系不透明度還要優(yōu)于高嶺土和二氧化硅.因此，硅酸鈣可作為彩噴紙顏料使用.

圖9 硅酸鈣用量對不透明度的影響

2.3.3 涂布紙平滑度

圖10為使用幾種混合顏料對成紙平滑度的影響.由圖10看出，3號樣品與1號樣品平滑度相近，略低于2號樣品.各實驗樣品之間平滑度差別不是很大，證明硅酸鈣用作彩噴紙顏料對涂層不會有明顯的不利影響.造成各樣品之間細小差異的原因在于不同顏料混合使用，顆粒之間填充程度不同，使最終涂層的平整度不同.2號樣品中硅酸鈣和二氧化硅均勻填充于高嶺土縫隙間，當涂料均勻涂于紙基上時，形成具有少量縫隙的平整表面，因而平滑度優(yōu)于3號樣品；而1號樣品雖有遮蓋效果很好的高嶺土，但顏料間縫隙較大，3號樣品縱橫向均分布十分均勻，但顏料遮蓋效果不如高嶺土，兩個體系各自的缺點使得最終平滑度相近.總的來說，幾種樣品之間無明顯差異，故硅酸鈣可用作彩噴紙顏料使用.

圖10 硅酸鈣用量對平滑度的影響

2.3.4 涂布紙油墨吸收性

圖11為使用幾種混合顏料對成紙油墨吸收性的影響.由圖11可以得出，從油墨吸收性結果看，3號樣品的油墨吸收性明顯優(yōu)于其他兩組.這是由于硅酸鈣比表面積大于高嶺土，吸墨和固墨性能也優(yōu)于高嶺土.當硅酸鈣與二氧化硅混合體系用于彩噴紙涂料中，最終的涂層吸墨性必然高于1號和2號樣品.涂層油墨吸收性越好，打印出的圖像清晰度越高.因此，硅酸鈣可提高涂層油墨吸收性，可作為彩噴紙顏料使用.

圖11 硅酸鈣用量對油墨吸收性的影響

2.3.5 對光澤度的影響

圖12為使用幾種混合顏料對成紙光澤度的影響.由于全部實驗樣品在涂布完成后均未進行壓光處理，故全部為無光紙，光澤度低于10%.由圖12可看出，3號樣品的光澤度低于其他兩組.產生該結果的主要原因是顏料覆蓋能力不同，高嶺土顆粒為大的片狀結構，易定向覆蓋于涂層，覆蓋能力強，平整度好，而3號樣品中顏料定向排列能力不如高嶺土，因此3號的光澤度低于1號樣品；三種顏料混合使用，能形成良好的平整排列，覆蓋效果最好，而3號樣品沒有高嶺土的良好覆蓋能力，顏料間縫隙較多，涂層平整度不夠好，因此，3號樣品的光澤度低于2號樣品.但樣品間光澤度的差異較弱，因此，硅酸鈣可作為彩噴紙顏料使用.

圖12 硅酸鈣用量對光澤度的影響

2.3.6 涂布紙表面強度

圖13為使用幾種混合顏料對成紙表面強度的影響.由圖13可看出，3號樣品的表面強度與2號樣品相近，但低于1號樣品.產生這一結果的主要原因是顏料間的比表面積的差異.高嶺土比表面積小，相同膠黏劑用量下，表面強度大；硅酸鈣和二氧化硅比表面積大，膠黏劑與顏料的接觸面積大，相同的膠黏劑用量情況下，表面強度小.3號和2號樣品比表面積差別不大，因此結果十分接近，而1號樣品中含有大量的高嶺土，比表面積明顯低于3號樣品.但總體來說，三者差別不大，硅酸鈣可作為彩噴紙顏料使用.

圖13 硅酸鈣用量對表面強度的影響

3 結論

通過顏料的不同配比應用試驗，將硅酸鈣對彩噴紙的物理性能及印刷性能的影響總結如下：

(1)硅酸鈣作為彩噴紙顏料時，涂布紙的平滑度、光澤度均與使用彩噴紙用高嶺土和二氧化硅時相近.白度相對較低，但均在標準范圍內.表面強度優(yōu)于高嶺土.

(2)硅酸鈣與二氧化硅混合使用時，成紙的不透明度、平滑度、油墨吸收性均增大，表面強度、白度、光澤度下降；硅酸鈣、二氧化硅、高嶺土三種顏料混合使用，成紙的白度、不透明度、平滑度、油墨吸收性、光澤度均增大，表面強度有所下降.

(3)硅酸鈣可作為彩噴紙顏料使用.

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【責任編輯：陳 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

陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目(13JS014)

林 濤(1974-)，男，湖北京山人，副教授，博士，研究方向：膨潤土改性劑應用、造紙新技術

1000-5811(2016)06-0007-07

TS727+. 3

A