CN103590283B - 涂料及应用该涂料的涂布纸 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种造纸领域使用的涂料，其含有纳米微纤化纤维素、颜料、胶乳、辅助助剂和水，该纳米微纤化纤维素是将纤维素类原料解纤而得到的长度为100-2000nm，直径为3-200nm的纤维素的单微原纤维；该涂料中各物质的绝干质量份数为：纳米微纤化纤维素为0.02-10份，颜料为75-95份，胶乳为5-15份，辅助助剂为0.35-10份。本发明还提供一种应用上述涂料制得的涂布纸。本发明所述的涂料涂布于纸张表面，能够有效提升涂布纸的耐折性能，从而降低在纸张上施加厚重涂层引起开裂及涂层在原纸表面发生剥落、起泡、撕裂、脱落的风险。

Description

涂料及应用该涂料的涂布纸
技术领域
本发明涉及一种造纸领域使用的涂料及应用该涂料制得的涂布纸。
背景技术
在造纸领域，为了赋予纸张某些特殊的性能，通常在原纸的单面或者两面涂布涂料并干燥形成涂层。然而，现有涂料涂布存在以下问题：(1)涂层涂布过于厚重，涂层容易开裂导致产品不能使用；(2)涂层的抗剥落强度或者其他强度不佳，导致涂层容易在原纸表面发生剥落、起泡、撕裂、脱落等问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种有效解决上述问题的涂料。
另外，还有必要提供一种应用上述涂料制得的涂布纸。
一种涂料，其含有纳米微纤化纤维素、颜料、胶乳、辅助助剂和水，该纳米微纤化纤维素是将纤维素类原料解纤而得到的长度为100-2000nm，直径为3-200nm的纤维素的单微原纤维；该涂料中各物质的绝干质量份数为：纳米微纤化纤维素为0.02-10份，颜料为75-95份，胶乳为5-15份，辅助助剂为0.35-10份。
一种应用上述涂料涂布制得的涂布纸，该涂布纸包括原纸及形成于原纸表面的涂布层，该涂布层为单层或多层，该涂布层中含有纳米微纤化纤维素，该纳米微纤化纤维素是将纤维素类原料解纤而得到的长度为100-2000nm，直径为3-200nm的纤维素的单微原纤维。
本发明所述含有纳米微纤化纤维素的涂料涂布于纸张表面，能够有效提升涂布纸的耐折性能，从而降低在纸张上施加厚重涂层引起开裂的风险，同时也降低了涂层在原纸表面发生剥落、起泡、撕裂、脱落的风险；此外所述含有纳米微纤化纤维素的涂料涂布于纸张表面还能有效减小涂布纸的粗糙度，使涂布纸表面更平滑，能够满足中高档印刷需求及高档的食品及化妆品包装纸的要求。
具体实施方式
纤维素是由D-吡喃葡萄糖环经β-1,4苷键组成的直链多糖。本发明所述纳米微纤化纤维素(NanofibrillatedCellulose，NFC)，是将纤维素类原料解纤而得到的长度为100-2000nm，直径为3-200nm的纤维素的单微原纤维。本发明中，质量百分浓度为1%的NFC分散液的粘度为50-300CPS。
在业界，NFC也可称为纳米纤维素(nanocellulose)、纳米原纤化纤维素(nanofibrillarcellulose)、纳米纤丝纤维素、纤维素纳米纤维、纳米尺度原纤化纤维素、微纤丝纤维素(microfibrillarcellulose)、纤维素纳米纤丝（CNF）或微原纤化纤维素（microfibrillatedcellulose，MFC）。
该NFC可通过TEMPO催化氧化法制备的，但不限于该方法制备。该NFC还可通过以下方法制备：生物酶法、机械匀质法、球磨法、高压匀质化方法。制备过程中，纤维素的葡萄糖链C6位的羟基(-OH)能够被选择性的氧化成羧基(-COOH)，少量被氧化成醛基(-CHO)，从而与涂料或纸幅中一些官能团发生交联反应，改善纸张的品质。NFC柔韧性高，具有较长的长径比，尺寸较小，分子上具有羟基、羧基和醛基，可以稳定分散在涂料中，在水性涂料中具有良好的相容性，且不会引起涂料颗粒的絮凝；同时由于纳米微纤化纤维素NFC良好的成膜性能，在其他同等条件下，成纸的一些品质得到有益的提升。
所述NFC使用TEMPO催化氧化法制备，该方法包括如下步骤：
(1)取BKP浆(化学漂白浆，不含木质素)进行打浆处理，直到其游离度小于200ml。
(2)取绝干质量为6g的打浆后的浆料，加入氢氧化钠(NaOH)溶液(质量百分浓度为4%)调节浆料的pH为9，再分别加入绝干质量为10mg的Tempo(2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧自由基)水溶液(质量百分浓度为0.1%)和100mg的催化剂溴化钠(NaBr)溶液(质量百分浓度为1%)。
(3)然后缓慢加入90ml的氧化剂次氯酸钠溶液(质量百分浓度为10%)，开始搅拌，调节搅拌转速为800RPM。
(4)继续保持搅拌，向浆料中加入NaOH溶液(质量百分浓度为4%)调节浆料的pH为10-10.5之间，常温继续搅拌5小时。
(5)加入少量乙醇终止氧化反应，缓慢加入盐酸溶液(质量百分浓度为4%)调节浆料的pH为7，制得纤维悬浮液。
(6)将该纤维悬浮液经过一次或多次离心除去溶液中的盐类，并使用去离子水洗涤沉淀物。
(7)使用频率为20kHz，功率为25W的超声波处理所述悬浮液35分钟，得到一种半透明或全透明状的胶状悬浮液，即为NFC的水分散液。
一种应用上述NFC的涂料，该涂料含有NFC、颜料、胶乳、辅助助剂和水，其中该涂料中各物质的绝干质量份数为：NFC为0.02-10份，颜料为75-95份，胶乳为5-15份，辅助助剂为0.35-10份。该涂料还可添加有碱，所述碱的加入量以使涂料的pH为8-10.5。可以理解的，根据实际情况需要，该涂料中亦可不添加碱。该涂料的固含量为25%-75%。
所述颜料选自研磨碳酸钙(GCC)、沉淀碳酸钙(PCC)、高岭土、滑石粉一种或一种以上。所述颜料优选65%的颜料粒径小于2μm；更优选95%的颜料粒径小于2μm。
所述胶乳可为丁苯胶乳、丙苯胶乳、甲基丙烯酸甲酯丁苯胶乳、苯乙烯丙烯酸树脂与丙烯酸乳液、聚氨酯乳液等常规的纸张涂料的胶乳。
所述辅助助剂为常规的纸张涂料的辅助添加剂，具体可选择性的添加涂布淀粉、耐水化剂、润滑剂、消泡剂、分散剂、流变改质剂，荧光增白剂和染料中的一种或一种以上。以辅助添加剂总共为0.35-10质量份，其中各组分的质量份数为涂布淀粉0-7份，耐水化剂0.15-1份，润滑剂0.25-1份，消泡剂0.05-0.5份，分散剂0.05-0.5份，流变改质剂0-1份，荧光增白剂0-3份，染料0-1.5份。此外，这些辅助助剂的具体成份为纸张涂料惯用之成份。
所述碱用以调整涂料的pH值，优选为氢氧化钠或氢氧化钾，但不限于该两种碱。
上述涂料的制备方法，取75-95重量份的颜料、0.1-1重量份的碱、0.35-10重量份的辅助助剂、5-15重量份的胶乳、0.02-10重量份的NFC以及适量的水，混合均匀，即制得所述含有NFC的造纸用的涂料。该涂料的固含量为25%-75%，pH值为8-10.5。所述涂料的制备也可按一定次序添加所述原料，具体可按以下步骤进行：
取75-95重量份的颜料加水，放入混料槽充分分散20分钟；
缓慢加入0.1-1重量份的碱，调节体系的pH为8.5-10；
加入0.35-10重量份的辅助助剂；
加入5-15重量份的胶乳；
加入0.02-10重量份的NFC；
加入适量水(或不加)调节固含量，高速分散后，获得一种含有NFC的造纸用的涂料。
上述涂料的制备可在混料槽中进行，以2000rpm以上的速率进行分散。
本发明将NFC添加于涂料中，具有很多有益效果：
(a)NFC具有较长的长径比，具有柔韧性，添加NFC可提高涂层的抗耐折能力，从而降低原纸中纤维的含量，并可降低在纸张上施加厚重涂层引起开裂的风险。
(b)较少用量的NFC可改变涂料的粘度、高剪切粘度，可作为涂料的流变改质剂、成膜助剂。
(c)NFC是一种复杂的聚多糖类物质，它的分子上具有的羧基和醛基可用来发挥交联、辅助粘合剂的作用，从而增强涂料的性能。
(d)用量较多时，NFC可替代一部分合成胶乳，具有一定的经济价值和环保价值；
(e)NFC是一种纤维，其表面呈阴性，能够吸附涂料中的一些阳性的粒子，有利于颜料的分散。
一种应用所述涂料涂布制得的涂布纸，其包括原纸及形成于原纸表面的涂布层，该涂布层可为单层或多层。该涂布纸具有较高的抗耐折能力。
本发明所述含有NFC的涂料涂布于纸张表面，能够有效提升涂布纸的耐折性能，从而降低在纸张上施加厚重涂层引起开裂的风险，同时也降低了涂层在原纸表面发生剥落、起泡、撕裂、脱落的风险；此外所述含有NFC的涂料涂布于纸张表面还能有效减小涂布纸的粗糙度，使涂布纸表面更平滑，能够满足中高档印刷需求及高档的食品及化妆品包装纸的要求。
下面通过具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
本实施例在预涂层添加0.1份NFC，面涂层添加0.02份NFC。
制备预涂涂料：取75份GCC，加入NaOH调节涂料pH为9.5，添加7.5份胶乳，0.1份NFC；继续添加7.6份辅助助剂，该辅助助剂包括7份涂布淀粉、0.05份分散剂，0.05份润滑剂，0.1份消泡剂和0.4份耐水化剂，加水调节涂料固含量为64%；高速分散20分钟后制得预涂涂料。
制备面涂涂料：取90份颜料，包括85份GCC及5份高岭土；pH通过添加NaOH调节到9左右；添加10份胶乳，0.02份NFC；继续添加2.25份辅助助剂，该辅助助剂包括0.2份分散剂、1份润滑剂、0.05份消泡剂和1份耐水化剂；调节涂料固含量为75%，高速分散20分钟后制得面涂涂料。
涂布制备涂布纸：取一种未涂布纸张，其克重为69g/m2；取预涂涂料进行涂布纸预涂布，涂布量为13g/m2；然后再取上述面涂涂料，在预涂层表面进行一次面涂，涂布量为12g/m2；最后将成纸进行压光整饰，制得涂布纸。
对比例1
参照实施例1的方法步骤、工艺参数制备预涂涂料、面涂涂料并涂布制备涂布纸，但该预涂涂料和面涂涂料均不添加NFC。
实施例1和对比例1所制得的涂料和涂布纸进行性能测试，性能测试结果如表一所示。
表一
测试项目 对比例1 实施例1
预涂涂料静态粘度cps 1082 1432
面涂涂料静态粘度cps 1782 2089
预涂涂料高剪切粘度cps 22.4 24.7
面涂涂料高剪切粘度cps 34.4 36.8
基重g/m2 93.6 94.3
厚度μm 84.4 84.6
粗糙度μm 1.02 0.94
平滑度s 630 723
透气度s 4789 4828
耐折次数(1.5公斤) 21 29
涂层折口爆裂 4 3
光泽度% 68.7 70.1
印后光泽度% 77.2 81.5
注：涂层折口爆裂是实验室开发的一种测试方法，评估纸张在折叠时，其折口涂层断裂及掉粉掉块情况，按照断裂及掉块情况评估，1为最好(掉粉最少)，10为最差(掉粉最多)。
由表一可知：相较于普通涂料涂布制得的涂布纸，添加有NFC涂料涂布制得的涂布纸的耐折次数提升了38%，纸张表面比较平滑、粗糙度小于1μm，光泽度略有提升，且折口爆裂提升了一个等级。
实施例2
本实施例在预涂层添加0.2份NFC。
制备预涂涂料：取75份GCC，加入NaOH调节涂料pH为9.5，添加10.5份合成胶乳，0.2份NFC；继续添加辅助助剂，该辅助助剂包括0.05份分散剂，0.05份润滑剂，0.1份消泡剂和0.4份耐水化剂，加水调节涂料固含量为64%；高速分散20分钟后制得预涂涂料。
制备面涂涂料：取90份颜料，包括85份GCC及5份沉淀碳酸钙；pH通过添加NaOH调节到9.5左右；添加11份合成胶乳；继续添加辅助助剂，该辅助助剂包括0.05份分散剂、0.6份润滑剂、0.05份消泡剂和0.6份耐水化剂；调节涂料固含量为67%，高速分散20分钟后制得面涂涂料。
涂布制备涂布纸：取一种未涂布纸张，其克重为105g/m2；取预涂涂料进行涂布纸预涂布，涂布量为13g/m2；然后再取上述面涂涂料，在预涂层表面进行一次面涂，涂布量为12g/m2；最后将成纸进行压光整饰，制得涂布纸。
对比例2
参照实施例2的方法步骤、工艺参数制备预涂涂料、面涂涂料并涂布制备涂布纸，但该预涂涂料和面涂涂料均不添加NFC。
实施例2和对比例2所制得的涂料和涂布纸进行性能测试，性能测试结果如表二所示。
表二
测试项目 对比例2 实施例2
预涂涂料静态粘度cps 1082 1082
面涂涂料静态粘度cps 1349 1564
预涂涂料高剪切粘度cps 22.4 22.4
面涂涂料高剪切粘度cps 24.5 26.9
基重g/m2 131.6 132.1
厚度μm 134.8 133.9
粗糙度μm 0.91 0.81
平滑度s 186 183
透气度s 2198 2210
耐折次数(1.5公斤) 13 23
涂层折口爆裂 3 2
光泽度% 61.8 62.5
印后光泽度% 81.9 82.7
由表二可知：相较于普通涂料涂布制得的涂布纸，添加有NFC涂料涂布制得的涂布纸的耐折次数提升了77%，纸张表面比较平滑、粗糙度小于1μm，光泽度略有提升，且折口爆裂提升了一个等级。
实施例3
本实施例在涂料中添加10份NFC。
制备涂料：取95份GCC，加入NaOH调节涂料pH至9左右，添加5份合成胶乳，10份NFC；继续添加辅助助剂，该辅助助剂包括0.05份分散剂，0.6份润滑剂，0.05份消泡剂和0.3份耐水化剂，加水调节涂料固含量为25%；高速分散20分钟后制得涂料。
涂布制备涂布纸：取一种未涂布纸张，其克重为50g/m2；取上述涂料进行一次涂布，涂布量为4g/m2；最后将成纸进行压光整饰，制得涂布纸。
对比例3
参照实施例3的方法步骤、工艺参数制备涂料并涂布制备涂布纸，但该涂料不添加NFC。
实施例3和对比例3所制得的涂料和涂布纸进行性能测试，性能测试结果如表三所示。
表三
测试项目 对比例3 实施例3
涂料高剪切粘度cps 20.9 50.4
基重g/m2 55.0 54.2
厚度μm 73.1 72.5
透气度s 142.7 137.7
平滑度s 23 27
粗糙度μm 6.37 6.09
耐折次数(1.5公斤) 9 15
折口爆裂 1 1
光泽度% 5.1 5.8
由表三可知：相较于普通涂料涂布制得的涂布纸，添加有NFC涂料涂布制得的涂布纸的耐折次数提升了67%，纸张表面比较平滑，粗糙度有所下降，光泽度略有提升，且折口爆裂保持了最高等级。
另外，本领域技术人员还可在本发明权利要求公开的范围和精神内做其它形式和细节上的各种修改、添加和替换。当然，这些依据本发明精神所做的各种修改、添加和替换等变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种涂料，其含有颜料、胶乳、辅助助剂和水，其特征在于：该涂料还含有纳米微纤化纤维素，该纳米微纤化纤维素是将纤维素类原料解纤而得到的长度为100-2000nm，直径为3-200nm的纤维素的单微原纤维；该涂料中各物质的绝干质量份数为：纳米微纤化纤维素为0.02-10份，颜料为75-95份，胶乳为5-15份，辅助助剂为0.35-10份。
2.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：该纳米微纤化纤维素的分子上具有羟基、羧基和醛基。
3.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：质量百分浓度为1％的纳米微纤化纤维素分散液的粘度为50-300cps。
4.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：颜料选自研磨碳酸钙、沉淀碳酸钙、高岭土、滑石粉一种或一种以上。
5.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述颜料中65％的颜料的粒径小于2μm。
6.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述颜料中95％的颜料的粒径小于2μm。
7.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述辅助助剂选自涂布淀粉、耐水化剂、润滑剂、消泡剂、分散剂、流变改质剂，荧光增白剂和染料中的一种或一种以上。
8.如权利要求7所述的涂料，其特征在于：以辅助添加剂总共为0.35-10质量份，其中各组分的质量份数为涂布淀粉0-7份，耐水化剂0.15-1份，润滑剂0.25-1份，消泡剂0.05-0.5份，分散剂0.05-0.5份，流变改质剂0-1份，荧光增白剂0-3份，染料0-1.5份。
9.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：该涂料的固含量为25％-75％。
10.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述胶乳为丁苯胶乳、丙苯胶乳、甲基丙烯酸甲酯丁苯胶乳、苯乙烯丙烯酸树脂与丙烯酸乳液的混合物、或聚氨酯乳液。
11.如权利要求1所述的涂料，其特征在于：该涂料还含有碱，所述碱的加入量使涂料的pH为8-10.5。
12.如权利要求11所述的涂料，其特征在于：所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
13.一种应用权利要求1-12中任意一项所述涂料涂布制得的涂布纸，该涂布纸包括原纸及形成于原纸表面的涂布层，该涂布层为单层或多层，该涂布层中含有纳米微纤化纤维素，该纳米微纤化纤维素是将纤维素类原料解纤而得到的长度为100-2000nm，直径为3-200nm的纤维素的单微原纤维。
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