颜料性能及主要品种

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这里是指白色颜料。颜料是涂料印刷纸组分中的矿物质成分，占涂料总质量的70%或更多，是涂料印刷纸涂料成分中最重要的组分。

1．颜料基本物性及其对涂料、涂布纸性能的影响

1)白度及亮度

白度指颜料在400～700nm可见光照射下的反射率。它与亮度概念不同，却有时视为等同。颜料白度对涂布纸白度起决定作用，颜料白度高，涂布纸白度也高。

干亮度是颜料对蓝光(波长为457nm)的反射率与已知标准颜料对蓝光反射率之比，即：

干亮度=［蓝光(457nm)反射率／标准颜料MgO反射率］×100%

或以绝对反射率表示。

颜料的干亮度与涂布纸的亮度、白度及印刷对比度成正比关系。不同颜料的干亮度值参见表2-8。由于颜料的干亮度还与它的粒度、加工过程有关，不能相对比较各种颜料的白度或干亮度值。

表2-8 涂布白色颜料之性能

粒径大小及其分布可影响涂料之沉降稳定性、粘度、流动性及胶粘剂用量，对涂布后成纸的表面强度、光泽度、平滑度、白度和印刷性能等都有很大影响，涂料用的颜料粒度不能太大，一般在0．5～5μm左右，2μm以下颗粒占80%～100%为好。以高岭土为例，涂料用的适当粒径范围见图2-18所示。

1-用于高级纸和纸板的高级颜料 2-比1稍差些 3-标准质量 4-一般 5-气浮填料土 6-水洗填料土 7-水洗填料土

(1～4符合涂料土要求，5～7只可用做填料)

颜料粒径与涂层白度、光泽度、不透明度及涂层强度的关系见图2-19a，2-19b，2-19c，2-19d。

6)比表面积

比表面积指单位质量颜料颗粒表面积之和。该项性能指标与颗粒粒径大小直接有关，粒径越小，比表面积就越大。颜料粒子表面积对涂料粘度、流动性、保水性及胶粘剂用量和对涂布纸平滑度、光泽度、遮盖率、油墨接受率等有影响。

一般涂料用颜料的比表面积以9～22m²／g(BET法)为好。

7)吸油性

颜料的吸油性与其固有的化学结构、晶形及粒径大小相关，可用吸油值表示，即每克颜料所能吸附的指定粘度蓖麻油的毫升数。不同品种的纸对颜料的吸油性要求也不同。吸油性大，吸墨性好，但对光泽有一定影响，须根据需要选择一定吸油值范围的颜料。各种颜料的吸油值见表2-8。

8)硬度

粒子硬度大，涂布过程中对刮刀或刮棒磨耗大，其次也影响压光性能，光泽和平滑度。用于涂布的颜料，其机械磨耗值越小越好。

9)沉降体积或充填率

是颜料粒子相互堆积在一起所占的体积，见图2-20，它是有关颜料分散的一个重要性能，与颜料本身及分散程度有关。若颗粒较大，粒子间有较大空隙，使单位质量的沉降体积增大；若粒子分散得好，沉降时相互堆积密度也大，沉降体积下降。

颜料沉降体积低，表示：

(1)在较高固含量时有较低的粘度，可制得高浓涂料。

(2)也可反映颜料胶粘剂需求量。相对沉降体积低，空隙体积也降低，达到一定涂层表面强度所需要的胶粘剂量少。

(3)颜料有较高的比表面积，体系对光的折射能力增强，能赋于纸以较好的光学性能。

10)其它性能

颜料本身结构性能对涂料会有不同影响，如不同颜料制成的涂料，其粘度与固含量的关系不同。各种颜料有其固有的特性，对涂布纸的性能质量产生不同的影响。这将在颜料种类中论述。见图2-21所示。各种涂布颜料的主要性能数据列于表2-9，以供选料时参考。

表2-9 涂布纸质量与颜料物性的关系

可将高岭土按粒度及亮度差异，分成若干等级，以适合不同需要(参见表2-11及表2- 12)

表2-11 美国高岭土分级

(2)剥离土的制作 剥离土是将叠状堆积的瓷土剥离成单个或小片状土(见图2-22b及图2-24)，其工艺有以下三种：

湿磨法：配成40%的瓷土分散液(加分散剂)，经砂磨后过筛、沉淀分级。

挤压法：瓷土浆液经过高压匀浆泵20～30MPa的压力挤压后，从喷嘴喷出，使瓷土晶体叠层松动。然后将浆液喷到叶轮上，突然地改向使其剥离。

化学药剂浸泡法：用尿素或乙酰胺饱和液浸泡瓷土，加热到30～80℃，加入少量分散剂(如六偏磷酸钠)高速搅拌，使之剥离。

构成

高岭土是以高岭石族为主成分的粘土类矿物，属单斜晶系，呈六角形片状结构(图2-25a)，六角形越规则，表现的粘度越低。它的复合分子式是Al₂O₃·SiO₂·2H₂O，由硅氧层连接变形的三水铝层构成(见图2-25b)。其理论化学成分如下：Al₂O₃ 39．51%，SiO₂ 46．54%，H₂O 13．95%。

美国、英国、日本高岭土与我国高岭土的化学成分比较见表2-13。

表2-13 美国、英国、日本高岭土与我国高岭土化学成分比较 单位：%

表2-14～表2-17列出了美国、英国、日本及我国的涂料用高岭土性能。

表2-14 英国ECC高岭土性能

(2)对涂布纸遮盖率的影响见图2-27b所示，剥离土的-2μm粒子在80%以上时遮盖率随-2μm粒子含量的增加而减小，非剥离土的粒度对遮盖率的影响不大。

(3)对涂布纸印刷性能的影响见图2-27c所示，剥离土比非剥离土有较高的印刷速率，与对涂布纸遮盖率的影响类似，剥离土的-2μm粒子在80%以上时，印刷速率随-2μm粒子含量的增加而降低，非剥离土的粒度对印刷速率影响不大。

使用

是涂料印刷纸的重要颜料成分，也用于特种纸作辅助颜料，如无碳复写纸的接受层(CF纸)等。

2)煅烧高岭土

结构与组成

煅烧高岭土是由高岭土高温煅烧而成，其颗粒形态见图2-22d所示，化学组成类似于高岭土，主要成分为SiO₂与Al₂O₃。两种煅烧高岭土的化学成分如表2-18所示。

表2-18 煅烧高岭土的化学成分含量 单位：%

这类沉淀产品的粒度分布与粒形等可以人工控制，作为涂布颜料，目的在于提高涂料不透明度和白度，并适应涂布之要求，如粘度从低到高、用胶量从少到多，人们可以选用与涂布纸要求相适应的碳酸钙品种。

典型性质

碳酸钙的化学分子式：CaCO；相对分子质量：100．04

(1)天然研磨碳酸钙和沉淀碳酸钙的典型性质如表2-22所示。

表2-22 研磨碳酸钙和沉淀碳酸钙的典型性质

a．沉淀碳酸钙 b．研磨碳酸钙

(4)美国两种研磨碳酸钙的粒度分布及典型物理性质见图2-30及表2-24。

表2-24 美国两种研磨碳酸钙的典型物理性质

(5)涂料用碳酸钙的粒径范围。

鉴于颜料粒径对涂布纸白度、光泽度、不透明度等的影响，涂布用碳酸钙的粒径范围以0．5μm以下的占90%较好，并希望严格调节粒径分布在狭小的范围内，0．1μm以下的则难以使用。表2-25为三种不同有效粒径的碳酸钙对光泽度影响。

表2-25 三种不同粒径分布的碳酸钙成品的光泽度

基本配方：高岭土绝干100份，SBR胶12份，乙基化淀粉4份，固含量62%。

表2-26 四种碳酸钙70%固含量分散液的粘度(25℃，^＃1转子，20r／min)

(2)对涂布纸性能的影响 碳酸钙比高岭土色白，油墨接受性也好，故它与高岭土配合使用可以改良涂布纸的白度、不透明度和印刷效果，但光泽差。近来已有光泽碳酸钙出现，然而限于价格未能普遍采用。图2-34a、b、c、d分别表示使用各种胶粘剂时，碳酸钙与高岭土一起对改善涂布纸白度、不透明度、光泽度、油墨接受性的作用。

又以几种比例的碳酸钙与高岭土混合制成涂料，涂布后成纸的性能变化情况如图2-35所示，图中除了上述性能外，还提供了光泽度数据，说明碳酸钙的加入降低涂布纸和油墨光泽度，而适当加入碳酸钙则可提高成纸的拉毛强度。

涂料主要成分：^＃1瓷土研磨碳酸钙100份；淀粉4份；胶乳16份；固含量：64%。

(3)碳酸钙的胶粘剂需求量 图2-36显示了碳酸钙和高岭土混合的各种胶粘剂需求量。由图可知，随著碳酸钙用量的增加，胶粘剂需求量也增加。

研磨与沉淀碳酸钙性能比较

研磨与沉淀碳酸钙对涂料和涂布纸性能影响有所差别，综合如表2-27所示。

表2-27 研磨与沉淀碳酸钙性能比较

制备

二氧化钛主要从钛铁矿中提取，钛铁矿的二氧化钛含量35%～55%。制备工艺有硫化法和氯化法。

(1)硫化法(气相过程)。

锐钛型和金红石型二氧化钛的性能见表2-29。

表2-29 锐钛型和金红石型二氧化钛的性能比较

若钛白粉与荧光增白剂一起使用时，增亮剂作用减弱。特别是金红石型，它在紫外段的反射率很低。

(iii)分散性：二氧化钛易于分散，用0．2%～0．3%的焦磷酸钠(TSPP)就可使TiO₂很好分散，能改善涂料流动性和保水性，但粘度上升。分散高岭土前先分散TiO₂较好，在4000s剪切时，接近牛顿型分散。

相比之下，锐钛型二氧化钛的分散性较好，易调制成高浓浆状，而金红石型则具有油分散性，在水中较难分散，用多磷酸盐及阿拉伯树胶可将其分散。

(Ⅳ)磨损性：由于金红石型的密度较高，故多磨损25%，造成切纸刀、印刷机等较易磨损，如图2-41所示。

(V)耐光性：二氧化钛易失去氧，产生色的变化，呈褐色或蓝灰色。尤其是锐钛型，在还原剂存在的条件下，经紫外线作用会加速此过程，如有甲醛存在，TiO₂易失去一小部分氧，在颜料电性能和视觉上发生变化或变色，特别是在阳光下易变色。金红石型较稳定，耐光耐晒。

对涂料及涂布纸性能影响

可提高涂布纸油墨吸收性和印刷对比度，降低印刷光泽(高配合率)。二氧化钛的高折射率、最佳粒径和狭窄的粒径分布可赋予纸张及涂布纸以高度的光散性，从而增加了纸及涂布纸的不透明度和白度。图2-42a及图2-42b分别是在高岭土涂料中加入不同量的二氧化钛对纸张不透明度和白度的影响(随涂布量而变化的情况)。

应用

钛白粉通常与其它颜料配合使用，以提高纸的不透明度和遮盖率。虽然它是昂贵的，但用量远较其它颜料少，在轻量涂布纸或需遮盖力较好的牛皮纸板涂布中可配以适量(如10%～20%)，以达到遮光要求。

实际应用对比试验结果如图2-43所示。由图可以看出，在同一条件下，金红石型比锐钛型更有效；随著二氧化钛用量的增加，同一涂布量的涂布纸有更高的亮度和不透明度。上蜡与不上蜡的面包包装纸的遮光性能基本相同，说明二氧化钛的湿遮盖性较好。

a．高岭土与TiO₂结合用于涂布牛皮板纸 b．与a同样的结合用于涂布白板纸 c．与a同样的结合用于面包包装纸 d．不上蜡面包包装纸的遮盖力 e．面包包装纸上蜡后的遮光性 f．不同用量比例涂量与亮度的关系

注：涂料配比：颜料-钛白粉／高岭土；胶粘剂-蛋白胶／丁苯胶=75／25。胶粘剂用量：16份／100份颜料；涂料固含量：55%。曲线I^＃-2±，曲线Ⅱ-高光泽土。

由于钛白粉的价格问题，目前一系列的研究开发都针对著用廉价颜料来代替，称作钛白粉的补充剂，如煅烧土、碳酸钙、氢氧化铝、硅酸铝等。近年来碱性施胶的发展，低定量涂布纸的发展等使碳酸钙作为钛白粉的补充剂越来越多。

5)滑石粉

发展史

滑石粉在1922年前就已使用，因颗粒粗和滑腻的性质只用做高档纸的填料。50年代后期发展了新的研磨技术，使“超微粉碎”的滑石粉具备了用于涂料的条件。但至今未大规模使用，只有局部的开发研究工作。

制备

由滑石经超细粉碎而成，分很多等级。

一般性质

理论化学式：硅酸镁水合物3MgO·4SiO₂·H₂O。理论含量：MgO31．89%；SiO₂66．36%；H₂O 4．75%。

结构：纯滑石很少。工业滑石是再生的矿物，由透闪石、大理石、绿泥石、云母变化而来，比纯滑石硬得多。它们在自然界中以块状形式存在，水镁石层夹在两个氧化硅层之间(见滑石晶体结构图2-44)。

结晶形式：单斜晶系，呈薄鳞片或叶片状。白度：80%～90%；折射率：1．57；相对密度：2．6～2．8；硬度：1。

滑石粉与高岭土的物理性能的比较见表2-30所示。

表2-30 滑石粉与高岭土物理性能比较

一般性质

化学组成：3CaO·Al₂O₃·3CaSO4·32H₂O(硫酸铝酸钙复盐)。

理论含量：CaO 13．6%；Al₂O₃ 8．25%；CaSO₄ 33%；H₂O 45．15%。

若在100℃干燥后，测得成分为：Al(OH)₃ 17．06%；CaSO₄·2H₂O 53．63%；Ca(OH)₂ 29．31%。

结晶形状：为白色针状结晶，长度1～2μm，宽度0．1～0．2μm。见图2-46。

相对密度：1．5～1．6；白度(115℃干燥)：94%～98%；平均粒径：0．5μm；粒子分布：见图2-17；浆糊状固含量：20%～30%；比表面积：18～30m²／g；pH值：11～12．5，在这种高pH值下，离解可受抑制，但对胶粘剂不利。

国内外缎白的质量指标见表2-32a和表2-32b所示。

表2-32a 美国及我国缎白的质量指标

对涂料和涂布纸性能影响

(1)氢氧化铝的颗粒松软且细，分散性能良好，与多磷酸盐和聚丙烯酸结合，可得较好的分散，但不能用焦磷酸钠作分散剂，因它会使涂料粘度及保水性上升。其胶粘剂用量要求类似于钛白粉(亚微米级)或^＃2高岭土(较粗级的)。

(2)G．E．亮度近乎100%，为蓝白色调，其制成的涂布纸只需轻轻一压，就可得到较好光泽度的成品，它可促进纸的光泽度和印刷光泽度，也能提高纸的平滑度及油墨吸收性。配用氢氧化铝后涂布纸的性能见表2-34a及表2-34b所示：

表2-34a 以干酪素为胶粘剂，配用氢氧化铝后涂布纸的性能

一般性质

它们是硅的化合物，其主要性能如表2-35所示。

表2-35 沉淀二氧化硅和硅酸盐的一般物化性质

相对密度：实心的为1．03(是瓷土的40%)；空心的为0．81(是瓷土的30%)

折射率：1．59(高于高岭土，低于CaCO₃)

对涂料及涂布纸性质的影响

塑料颜料的粒子大小可按需控制，可提供最佳光散射和光泽并可增加油墨光泽。在近紫外线部分反射比高岭土多，使颜料有蓝白光，可提高光学亮度。苯乙烯具可塑性，在一定温度下超压可得到良好光泽的纸。

应用

因其密度特别小，加上赋予纸的这些性能而特别适用于低定量纸，可制得具优越光学和印刷性能的低定量纸，但价格较昂贵。

12)结构或工程颜料

结构或工程颜料是最近国外市场上出现的一种新型颜料，其粒子形状见图2-50，可归为半合成颜料。

它是以细小的颜料颗粒(如瓷土)为基体，通过简单的化学絮凝或结构改变而得的一种颜料，具有低的松密度。高结构颜料具有高的散射系数，可作二氧化钛和煅烧土的替代品，而磨耗只是它们的一小部分，其价格与煅烧土差不多。低结构颜料可单独使用(固含量为63%～70%)，用于轮转印刷纸中可得到良好的印刷质量，价格与含水高岭土差不多。

4．各种颜料的性能比较及现状

各种颜料对涂布纸性能的影响不全相同，它们的优缺点如表2-36所示。

表2-36 颜料优缺点比较

上述颜料中，瓷土和碳酸钙应用最为广泛，缎白、硫酸钡和氧化锌目前只用于特殊纸中。滑石粉和云母曾被长期使用，但如今已不再盛行。却有一些颇新的化学合成颜料问世，如塑料颜料、氢氧化铝、沉淀二氧化硅及硅酸盐，这些颜料意在作为钛白粉的补充及扩展，以降低涂料成本。值得一提的是，高岭土产品正在向提高纯度和严密控制两方面发展；超细研磨碳酸钙的制造是一种高度精炼技术，目前正处于继续发展中。

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