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图4是含10份纳米TiO2的纸张涂料的动态黏弹性变化曲线。如图4(c)所示,各配方涂料的相位角最大不超过30°,涂料均表现出较强的弹性固体特性,而黏性液体特性相对较弱,且含改性纳米TiO2的涂料具有较低的相位角。

另外,从图4(a)、(b)可以看出,与未改性纳米TiO2相比,加入改性纳米TiO2的纸张涂料具有较大的弹性模量和黏性模量,且在相对较高的频率区开始出现弹性模量平台。这说明改性纳米TiO2有助于提高涂料网络结构的稳定性。其原因是,改性后纳米TiO2粒径减小,比表面积增大,不同粒子间、粒子与胶黏剂分子间的相互作用增强,从而增大了涂料体系网络结构的强度。这种网络结构强度越大,动态频率扫描的模量也就越大。

2·3涂布纸性能分析

改性纳米TiO2用量对涂布纸性能的影响如表1所示。由表1可知,随着改性纳米TiO2用量的加大,涂布纸的白度和不透明度都有一定程度的提高,这与改性纳米TiO2本身的高白度和高折射率有很大关系。不透明性是印刷用纸的最重要性质之一,纳米TiO2主要利用折射、反射和衍射3种机理来散射光,从而为纸张提供不透明性[11]。首先,Frensel定律将折射率和能够达到的光散射幅度联系了起来,其大小与介质和颜料折射率之间差值的平方呈正比。在市场上能够买到的所有颜料中,TiO2具有最高的折射率,从而使其与空气之间的折射率差值最大。其次,与高岭土或碳酸盐比较,在可见光范围内,TiO2具有较高的反射率。再次,改性后纳米TiO2较小的团聚体颗粒能够衍射较多的光。因此,与其他颜料相比,TiO2具有较高的散射系数。按照Kubelka-Munk理论,涂层的散射系数是各组分散射系数的加权和,符合如下关系

S(W)=S1W1+S2W2+…+SnWn(2)

式中S是涂层的散射系数,W是涂层的定量,S1~n是涂层中各组分的散射系数,W1~n是涂层中各组分的定量。所以,具有高散射系数组分的加入可以提高涂层的散射系数,从而使涂布纸的白度和不透明度得到改善。但本实验中各配方涂布纸的不透明度差别不大,这既与涂布量较大有关也与原纸的定量较高有关。

此外,涂布纸的白度、不透明度和光泽度等光学指标还与涂层的结构有很大关系[12]。而颜料的粒度、粒度分布、粒子形状及涂料组分之间的相互作用等会对涂层结构产生重要影响[13]。

有研究者指出,可见光的最佳散射要求颗粒的直径大约等于光波长的一半[14]。由于造纸工业对不透明性(572nm)和白度(457nm)二者都要考虑,所以没有一种颗粒大小是最佳的。为了达到在绿色和蓝色波长中最有效的散射,较普遍的看法是白色颜料的最佳粒径为200~350nm。当粒径小于200nm时,颗粒不能使入射光弯曲而导致散射,又会导致白度和不透明度的下降。唐艳军等[15]对改性纳米CaCO3对涂布纸性能影响的研究证实了这一点。而本实验中结果却相反。这除了与纳米TiO2本身的性质有关外,还与改性纳米TiO2对涂层结构的调整有关。涂层松厚度和空隙结构的改善也可以提高涂层对光的散射能力,进而改善纸张的白度和不透明度。