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纳米TiO2作为一种重要的无机纳米材料,已广泛应用于光学器件的开发、太阳能电池、塑料、油墨、涂料和环保等领域[1-2]。随着社会的发展,人们对涂布加工纸性能的要求不断提高,无机纳米颜料在造纸工业中的应用已引起了广泛关注[3-4]。纸张涂料是由无机颜料粒子分散液、胶乳高分子质量流变助剂组成的一种紧密的立体网络结构。将纳米TiO2加入到纸张涂料体系中,在改善纸张光学性能的同时,因其粒径小、比表面积大、表面层内原子所占比例大,可与涂料体系中的聚合物胶体充分作用,增强粒子与基体的界面黏合,因而可以改善纸张涂层的印刷适性。但纳米TiO2的表面极性强,表面能高,处于热力学不稳定状态,极易发生粒子团聚,使其比表面积减小,表面活性降低,其表面与界面特性又趋同于常规粒子材料。表面改性是解决这一问题的方法之一。

目前,关于纳米TiO2在涂布纸中的应用已有报道[5-6],但大多数是将纳米TiO2直接应用于颜料涂布中,没有从纳米TiO2本身的物化性质角度进行研究。本实验在对纸张涂料用纳米TiO2进行表面改性研究的基础上[7-8],主要研究了改性纳米TiO2样品对纸张涂料流变性和涂布纸性能的影响,为无机纳米颜料在纸张涂料中的应用提供参考。

1实验部分

1·1实验原料

原纸(白纸板):定量225·8g·m-2;紧度0·75g·m-3;白度75·72%;不透明度98·63%;PPS粗糙度7·44μm;光泽度11·7%。

主要颜料:高岭土(Kaofine90),重质CaCO3(底涂60),普通CaCO3(面涂90)由广东珠海红塔仁恒纸业有限公司提供;未改性锐钛矿纳米TiO2,由杭州万景新材料有限公司提供。表面改性剂为羧基功能基铝锆偶联剂(自制);涂料其他组分由广东珠海红塔仁恒纸业有限公司提供。

1·2涂料组成

底涂配方:底涂CaCO380份,高岭土20份,分散剂用量0·4%(对绝干颜料质量,下同),SBR胶乳用量12%,CMC用量0·4%,润滑剂用量0·5%,淀粉用量6%,其他适量。底涂固含量为60%。

面涂配方:高岭土70份,面涂CaCO3和纳米TiO2共30份(按所需比例加入涂料),分散剂用量0·4%,SBR用量12%,CMC用量0·3%,润滑剂用量0·5%,抗水剂用量0·5%,其他适量。面涂固含量为50%。

涂料制备可见文献[9]。

1·3分析测试

采用英国Malvern公司ZEN3600型纳米粒度仪测定改性前后纳米TiO2的粒度分布和平均粒径。采用美国TA公司的AR550型流变仪测试涂料的稳态剪切流变行为和动态黏弹性,用来表征的物理量分别是弹性模量G′(Pa)、黏性模量G″(Pa)和相位角δ(°)。采用K303Multicoater涂布机对白纸板进行涂布,按国家标准对涂布纸性能进行检测。涂布纸的表面结构采用日本日立公司S-3700N型扫描电子显微镜(SEM)和美国Veeco公司原子力显微镜(AFM)进行观察,AFM的操作模式为轻敲模式(tappingmode)。

2·结果与讨论

2·1纳米TiO2的粒度分布

改性前后纳米TiO2粒度的体积分布曲线如图1所示。