涂料纸涂层的颜料性质在一定程度上决定了纸张印刷适性。超细碳酸钙和研磨碳酸钙等颜料由于其品质优、价格低而广泛的应用于纸张涂料中， 但是随着印刷技术的发展， 对纸张性能的要求越来越高， 普通涂料已经不能满足现今的印刷质量要求。将这些颜料的纳米级粒子加入纸张涂料体系中， 因其粒径小、比表面积大、表面层内原子所占比例大， 故可以与涂料体系中的聚合物胶黏剂充分地吸附、键合， 增强粒子与涂布原纸界面黏合， 得到高光泽度、高白度、高表面强度的涂布纸， 并改善纸的平滑度， 因而可以改善纸张涂层的印刷适性。本文结合涂料纸的质量指标， 总结了纳米颜料粒子对涂料纸吸墨性、吸水性、纸张白度以及力学性能的影响。

一、引言

纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点， 相应发展起来的纳米技术被公认为是2 1 世纪最具有发展潜力的科研领域。纳米粒子粒径极小， 比表面积大， 具有很高的表面能和化学活性， 可制造出与一般的分子物质不同的功能特殊的产品。

目前国外对涂料性能改进的研究， 更多集中在对涂料中颜料粒子的形状， 表面性能的改进， 以及添加助剂对整个涂料的性能影响。顺应科研趋势， 将纳米材料作为添加用助剂和填料粒子加入到纸张涂料中, 可以制备出具有特殊功能的纳米涂料， 从而大大改善涂布加工纸的纸张性能。

二、涂料纸及其涂层的质量指标

纸张的质量大体可归纳为以下几个方面: 外观质量、基本物理性能、力学性能、光学性能和化学性能， 纸张的用途不一样， 其质量要求也不一样。

1 . 涂料纸的质量指标

对于涂料纸， 在讨论其质量指标时， 通常都是指那些与涂布加工的操作与目的密切相关的指标， 这些指标与涂料纸的印刷质量密切相关， 主要包括了平滑度、白度、光泽度、不透明度、表面强度、油墨接受性与油墨吸收性。

平滑度决定了在压印瞬间涂布纸与着墨的印版或胶印橡皮布表面接触的紧密程度， 是影响油墨转移是否完全， 图文是否清晰的重要因素。高平滑度的涂料纸有利于形成均匀平滑的油墨膜， 同时也可节约油墨用量。白度在多色印刷时特别重要， 因为作为中性基调的白色可排除任何油墨色料可能受到的底调干扰， 能赋予印刷品更好的色调反差， 增强视觉印象。不透明度是决定涂布纸在印刷之后是否产生透印的主要因素， 在相同的印刷条件下， 涂料纸的不透明度越高产生透印的可能性也越小。涂料纸的表面强度是指涂料粒子间以及涂层与原纸之间的结合强度， 它反映了涂布纸在印刷过程中抗油墨分裂力的能力， 如果涂料纸的表面强度不高， 在印刷时涂层就可能被油墨粘下来， 纸张表面本应有油墨的地方则留下白斑， 不仅会影响印刷品的质量， 还会带来印刷生产故障。印刷用涂料纸要有一定的油墨吸收能力， 但如果油墨吸收能力过大， 会导致印迹无光泽， 甚至产生透印或粉化现象； 油墨吸收能力过小， 则会延长油墨干燥速度， 易导致印刷面被蹭脏。

2 . 涂料纸涂层的质量指标

涂布加工的主要目的是通过在原纸上覆盖涂层来改善原纸的性能， 提高印刷质量， 因而涂层的质量对于涂料纸能否获得预期的印刷质量有着决定性的作用。纸张涂层是由颜料、胶粘剂和水组成的高浓液相分散体系。颜料是涂料中最主要的成分， 其主要作用是提高涂料纸的平滑度、改善油墨吸收性，提高涂层白度、不透明度、光泽度以及改善纸的外观。颜料对涂层结构的影响主要体现在颜料粒子堆积的内部几何结构上， 其性能指标主要有形状、粒径及其分布、折射率、白度等。

颜料对涂料纸光学性能的主要影响在于， 颜料的白度和折射率越高， 涂料纸的白度和不透明度也越高， 对于相同种类的颜料， 减小粒径有利于提高涂料纸的光泽度和白度。颜料对涂料纸平滑度的主要影响在于： 外形为片状或盘状的颜料覆盖力较强， 有利于提高平滑度，对于相同种类的颜料， 减小粒径有利于提高平滑度。颜料对涂料纸油墨吸收性和表面强度的主要影响在于： 颜料外形的不规则性、粒径大小和分布决定了涂层的空隙率和形成涂层时对胶粘剂的需求量。

涂层的质量主要是指涂层的一些形态特征， 通常将其称为涂层结构， 主要包括涂料中各成分在涂层内部及表面的分布、涂层内微孔体积和微孔尺寸的分布以及涂层的厚度、紧度、表面粗糙度等。涂层结构中各成分的分布实际上主要是指胶粘剂的分布， 胶粘剂分布于颜料所形成的结构之中， 在涂层的不同位置存在着浓度分布的差异。但因为涂料中的添加剂用量很小， 研究其在涂层中的分布意义不大。

三、纳米材料在纸张涂布中的应用

将纳米技术应用于加工纸涂料方面， 可以很好的改善纸张的光学性质、改善涂料的流变性能、提高纸张涂层的耐老化性能。

由于纳米物质粒子的粒径很小， 因此可以大大改善纸张的光学性质， 其不透明度较高。例如将纳米级氧化铝作为纳米颜料粒子应用到涂料之中， 由于其粒子的粒度小， 且粒径尺寸的分布范围较窄， 因此可以保证其作为白料颜色的纯正， 从而改善涂布成纸的白度， 提高纸张的光泽度。此外， 某些纳米物质还能够产生特殊的光学效果， 如在发生散射时， 涂布成纸的颜色会随着人们观察角度的变化而变化， 因此可将其应用于生产具有特殊用途的涂布加工纸。

将纳米颜料粒子应用到涂料之中， 可以很好地改善涂料的流变性能。纳米颜料由于具有特殊的表面效应及量子尺寸效应，因此可以控制涂料的粒度性能、p H 值以及Z e t a 电位等，从而得到浓度高但粘度低的涂料。此外，纳米颜料的粒子粉末极细， 这对于涂料稳定性能的提高是非常有利的，可大大避免沉淀、分层等现象的发生。将纳米颜料添加到纸张涂料之中， 利用其对紫外线较强的屏蔽作用，能够显著提高纸张涂层的耐老化性能，使得纸张由于受到光照而发生老化的速度大大降低。但是如果想要获得最佳的紫外线屏蔽效果， 纳米颜料的粒径并不是越小越好， 而是有一定的范围要求。例如， 根据拉诺克米顿和韦伯公式， 锐钛型二氧化钛的粒径尺寸在7 0 – 1 8 0 n m 范围内，涂层对紫外线的散射能力最好。

四、纳米颜料粒子对涂料纸性能的影响

将纳米颜料粒子加入到涂布性能较好的颜料配方中， 发现其对涂层的诸多性能有所改善， 包括涂层的粘弹性， 涂层表面强度， 涂层吸水吸墨性能和力学性能，纸张的光学性能等。

1 . 纳米颜料粒子对涂料纸吸墨和吸水性的影响加入纳米组分后， 涂层表面强度明显提高， 油墨吸收性和吸水性下降， 这说明由于纳米组分的加入， 提高了涂层中各组分的结合力， 并且填充了涂层中细小孔隙， 这导致有较低的油墨吸收性和吸水值。

影响涂布纸油墨吸收性的主要因素是涂层的多孔结构。由于涂料中胶粘剂的改变， 使涂层的孔隙结构， 孔径大小， 孔径分布发生变化从而引起油墨吸收性的变化。另外颜料粒子排列紧密程度、孔径分布、颜料结构和润滑剂等因素也对油墨吸收性有直接影响。有研究油墨吸收性的结果表明， 加入纳米二氧化硅组分后， 所有的样品的油墨吸收性降低了。这说明涂层表面的孔隙由于有细小粒子的填充， 平均孔隙孔径减小， 油墨对涂层的渗透不如空白纸样。研究发现， 纳米组分平均粒径越小， 越易堵塞涂层表面的微孔， 发生渗透的毛细管作用就受到影响。

加入纳米组分的样品相比不加入纳米组分的样品表面吸水重量减小， 涂层表面结构的紧密程度增加， 亲水性能降低。其结果与油墨吸收性变化均势相近， 原因也与油墨吸收性减小的机理相同， 即由于纸张表面涂层的孔隙减小， 造成了对液体的吸收性减小。

2 . 纳米颜料粒子对涂料纸力学性能的影响

涂料纸的力学性能表现在原纸和涂层结合的强度和涂层自身的强度两个方面。原纸和涂层结合的强度是由涂层中的组分与原纸的粘附作用所决定的。纳米组分对涂布纸的力学和印刷性能改善的机理主要是因为纳米材料所特有的纳米效应， 即表面效应和小尺寸效应。例如加入了纳米碳酸钙后， 涂层的力学强度提高， 造成这种现象的原因主要是由于纳米碳酸钙粒径小、比表面积大、活性高， 与涂料中的水性高分子聚合物分子和颜料粒子有较大的接触面积并与其牢固结合， 提高了涂层的力学性能。

混合涂布系统中， 把纳米粒子、高岭土和碳酸钙粒子有机结合在一起， 涂层干燥后粒子间相互之间距离减小， 形成一个致密的网状结构， 提高了涂层的强度。另外由于纳米材料的表面效应， 即当粒子尺寸减小到纳米级， 材料表面原子数和表面积都迅速增加， 很容易与其他原子相结合而稳定下来， 所以有极高的化学活性， 表面能相应成倍增加， 因此也易于与其它粒子发生较强的化学键联接， 提高了涂层复合体的强度。

纸张涂层力学性能的改善的首要前提是纳米组分在涂料和涂层中均匀分散， 不仅要求纳米粒子间无团聚态， 而且以在涂料和涂层中呈均匀分布为最佳， 否则团聚态的大粒子会成为涂层结构的缺陷， 对涂层性能如表面强度和涂层平滑度造成不利影响。

综合来说， 纳米组分对涂布纸的力学性能提高主要是表现在提高涂层自身的强度上， 而对原纸和涂层结合的强度和原纸的力学强度影响不大。

3 . 纳米颜料粒子对涂料纸纸张白度的影响有研究发现在相同的涂布量下， 加入纳米组分后的各组纸样的白度只比空白纸样提高不到1 ％ ， 有的甚至略有下降。这表明纳米组分对涂层的光学性能影响并不明显， 没有表现出差异性， 所以纳米组分对纸张白度的改善能力有限， 并不能有效地提高涂层白度。其原因可能是因为经济原因， 涂料中纳米组分加入量很少， 涂层中颜料粒子占绝大多数， 并且均为不透明粒子， 纳米粒子虽然对可见光有较好散射效果， 但只有在加入量增大到一定程度时才有可能对白度有明显影响。

但是纳米级粒子的粒径小， 比表面积大， 纳米涂层的吸墨性能好、表面光滑， 又对纸的光学性质如不透明度、光泽及印刷光泽度的提高有利。

五、结束语

纳米粒子在涂料中具有广阔的应用前景， 但纳米颜料粒子在涂料中的团聚与分散问题是其亟需解决的问题。一方面， 要防止纳米颗粒进一步发生团聚， 另一方面， 又要保持纳米颗粒在涂料中的特殊功能。从目前技术发展趋势来看， 利用偶联剂等表面改性剂对纳米粒子进行处理， 增加纳米粒子与纸张涂料中其他组分粒子的界面结合力， 再通过超声波形式分散， 并使用特定的表面活性剂， 使纳米颗粒在介质中达到均衡分散状态， 能有效地解决纳米粒子易团聚问题。