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研究生:賴仁堯
研究生(外文):Lai,Jen-Yao
論文名稱:奈米級絹雲母顏料之研製與其在塗布紙之應用
論文名稱(外文):Preparation of Nano-Sericite for Coating Colors and Its Application on Coated Paper
指導教授:王秀華王秀華引用關係
指導教授(外文):Wang,Hsiu-Hwa
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:木材工業系
學門:農業科學學門
學類:林業學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:102
中文關鍵詞:輕量塗布紙(輕塗紙)顏料絹雲母離子交換機械研磨奈米級絹雲母粒徑保水度低剪力黏度印刷適性光澤度。
外文關鍵詞:Light weight coated(LWC)paper、Pigment、Sericite、 Ion exchange、Mechanical grinding、Nano-sericite、Particle size
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輕量塗布紙(Light weight coated paper,LWC,簡稱輕塗紙),近年來之產量和消費量較其他文化用紙有相當大幅成長。由於塗布量小,原紙基重又低,占塗料中最大宗之顏料,其特質對輕塗紙性質影響至大。本研究開發奈米級絹雲母以為塗布紙新顏料,令絹雲母行層間陽離子交換,或傳統機械研磨,研製具高比表面積、微小粒徑及高扁平比等特質之奈米絹雲母,測試其性質,並以之為輕塗紙之顏料,評估成品性質,探討其與他種顏料結果之異同。離子交換係採用熔融共熱法或攪拌加熱法,令絹雲母與熔融之硝酸鋰共熱24及48小時,或於5M之硝酸鋰溶液中攪拌加熱24小時,使鋰離子置換出層間鉀離子後,比較絹雲母粉體比表面積及層間距離之不同;機械研磨法則利用攪拌式研磨機研磨絹雲母試樣,探討其粒徑變化並分析研磨後之污染物種類、含量及去除途徑。
離子交換後,絹雲母之比表面積及層間距離隨共熱時間及硝酸鋰用量而增加,此法所得最佳比表面積39.714m2/g,表面平均直徑(Surface mean diameter)0.58μm。
機械研磨後,絹雲母之粒徑隨研磨時間延長而減小。較大粒徑磨球(1㎜)對絹雲母粒徑之縮減效果,不如小粒徑者(0.3㎜)。礦漿中鉀離子之游離量隨絹雲母粒徑減少而增加。本研究所得絹雲母最小粒徑約170nm,厚2-3nm,屬奈米級顏料。研磨後主要污染物為鐵及鉻,次要污染物為鈦及鎳。以草酸與硝酸溶液皆可除去鐵污染物,而0.5M草酸之效果優於5%硝酸溶液者。鐵含量可由3.5%降至0.3%;鉻離子含量則由0.2%降至0.043%。
應用奈米絹雲母為塗布用顏料時,塗料保水性較使用一般絹雲母、白土及碳酸鈣者優越許多,開發新產品之潛力無窮。惟須特別留意低剪力黏度之控制,當絹雲母取代量僅7.5%,即令塗料之低剪力黏度大幅增至2.54×105cps,塗料幾無流動性,不適於塗布。因此,建議奈米絹雲母最高使用量5%為宜。
含奈米絹雲母之輕塗紙品,光澤度及平滑度之優勢十分明顯,惟顏料本身白度較低,塗層孔隙度低,故白度、不透明度較不佳。使用奈米絹雲母雖有助益於印後光澤度之發展,然造成塗層乾撥強度略低於一般顏料者,故需特別留意接著劑之配合。
Comparing to other fine grades paper, light weight coated(LWC)paper has shown significant growth lately both in production and consumption. Restricted by low coating amount, LWC properties are consequently affected by the characteristics and application of the pigment, which as the major component of the colors. The objectives of this study are to develop nano-grade sericite. As a new pigment for LWC paper. The first grade sericite produced in Taitung,Taiwan was ground down in a conventional mill or conducted with cation exchange to achieve high specific surface area, minute particle size, and high aspect ratio as well. Two methods: stir-heating and high temperature fusion were adopted for ion exchange. High temperature fusion method of LiNO3 was fused into sericite’s laminates through for 24 and 48 hours, which 5 M LiNO3 solution was used to stir-heat sericite specimens for 24 hours. Changes in specific surface area and distance between layers of sericite after ion exchange. Mechanical grinding was used with the help of a ball mill. Variation particle size and contaminants derived from milling were analyzed before implementing as pollutant elimination process.
The specific surface area and interlayer layer distance of the nano-sericite ,after ion exchange, increase with the extension of heating time and LiNO3 charges. The best specific surface area obtained is 39.714m2/ g, while surface mean diameter is 0.58μm.
After mechanical grinding, the particle size of sericite decreased. Milling balls with with larger diameter(1㎜) displayed less significant effect on size reducing than the smaller ones(0.3㎜). The amount of free potassium in the slarry increased with reducing particle size of sericite. The smallest particle size obtained in this study is 170nm , with thickness of about 2-3nm.Nanograde sericite can be produced through the processes used in this study. Iron and chromium were found to be the major contaminants, followed by titanium and nickel. Oxalic acid and nitric acid solution were found capable of removing iron and chromium. Oxalic acid of 0.5M showed better result than 5% nitric acid solution. Iron remnant was found decreasing from 3.5% to 0.31%,which chromium decreased from 0.2% to 0.043%.
Coating color’s water retention was better when nano-sericite was applied as part of the pigment than using regular sericite, clay, and calcium carbonate. High potential in developing new product from adapting nono-sericite is expectable. The control of coating color’s low shear viscosity is vary critical in this regard, because the low shear viscosity will leap to 2.54×105cps, with an addition of 7.5% nano-sericite, when colors are nearly implausible. It is suggested the maximum charge of nano-sericite is less than 5%.
Sheet smoothness, gloss and printed gloss of LWC paper prepared with small amount of nano-sericite are superior due to its special morphology. The brightness and opacity of the paper are generally not very high due partially to the low porosity of the coating layer .Coating layer’s dry pick was recorded slightly lower than those with the addition of regular sericite, clay and calcium carbonate. The selection of suitable binder with adequate amount is therefore very important when nano-sericite is involved as part of the pigment.
摘要----------------------------------------------------------------Ⅰ
Abstract -----------------------------------------------------------Ⅲ
誌謝----------------------------------------------------------------VI
目錄--------------------------------------------------------------VIII
圖表目錄-------------------------------------------------------------X

壹、序論-------------------------------------------------------------1

貳、文獻回顧----------------------------------------------------------6
ㄧ、絹雲母概述-------------------------------------------------------6
二、白土(Clay)概述------------------------------------------------14
三、碳酸鈣概述------------------------------------------------------16
四、粒徑縮減方法----------------------------------------------------19
五、絹雲母之離子交換-------------------------------------------------23
六、顏料粒徑之概分與影響---------------------------------------------25

参、絹雲母之研磨-----------------------------------------------------28
ㄧ、試驗儀器與材料---------------------------------------------------28
二、試驗方法--------------------------------------------------------28
(ㄧ)絹雲母之前處理------------------------------------------------28
(二)絹雲母粉體之研磨----------------------------------------------29
(三)感應耦合電漿光譜儀(ICP)成分分析-------------------------------29
(四)粒徑分佈(Particle size distribution)測定--------------------31
(五)絹雲母之酸純化------------------------------------------------31
三、結果與討論------------------------------------------------------32

肆、絹雲母之離子交換--------------------------------------------------43
ㄧ、試驗儀器與材料---------------------------------------------------43
二、試驗方法--------------------------------------------------------43
(一)絹雲母之前處理------------------------------------------------43
(二)絹雲母樣品之熱前處理-------------------------------------------43
(三)絹雲母之離子交換----------------------------------------------44
(四)絹雲母之液相吸附試驗-------------------------------------------47
(五)BET(Brunauer, Emmett, Teller)法比表面積測定-----------------50
三、結果與討論------------------------------------------------------51

伍、塗料之基本性質----------------------------------------------------58
ㄧ、試驗儀器與材料---------------------------------------------------58
二、試驗方法--------------------------------------------------------60
(一)塗料配製-----------------------------------------------------60
(二)塗料液性質測定------------------------------------------------61
三、結果與討論------------------------------------------------------63

陸、塗布紙之性質-----------------------------------------------------73
ㄧ、試驗儀器與材料---------------------------------------------------73
二、試驗方法--------------------------------------------------------73
(一)塗料配製-----------------------------------------------------73
(二)原紙塗布-----------------------------------------------------73
(三)塗布紙壓光---------------------------------------------------74
(四)塗布紙性質測定------------------------------------------------74
三、結果與討論------------------------------------------------------76

柒、結論------------------------------------------------------------94

參考文獻------------------------------------------------------------96

作者簡介-----------------------------------------------------------102
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