淺談刮刀涂布的幾個影響因素

何釩 杭州遠大紙業(yè)技術質量部 浙江 杭州（311420）

淺談刮刀涂布的幾個影響因素

何釩 杭州遠大紙業(yè)技術質量部 浙江 杭州（311420）

浙江省富陽市是我國的白板紙生產基地，本文結合富陽實際特點，介紹了涂料配制中的基本原理、計算方法以及涂布機的調整方法。

顏料體積濃度；臨界顏料體積濃度；膠粘劑的遷移；涂布機調整

隨著印刷包裝技術的日新月易，印刷企業(yè)對涂布紙的要求已越來越高。作為國內最大涂布白板紙生產基地的浙江省富陽市，一大批近年發(fā)展起來的大中型企業(yè)，都逐步從以前只抓產量、重效益的認識中轉變過來，積極引進優(yōu)良設備、學習先進技術、努力提高產品質量、提升品牌效應。如今的富陽造紙無論是裝備水平、產品檔次、管理理念都和幾年前不能相提并論。然而，硬件上去了，技術水平還不是很到位，不少生產企業(yè)對涂料到底要怎么配、怎樣操作才能減少涂布紙病、還缺乏認識，跟風嚴重，往往一家廠做的稍微好些，馬上有許多廠也照此按部就班，甚至抄個配方拿來就用。結果不但仿照的東西沒有做好，自己也受到很大影響，走了許多彎路也未找到切實的方法。

其實，不同的設備狀況、不同的化工原料、不同的操作方法，是無法用統(tǒng)一的模式完全復制的，只有掌握了涂料配方中的基本原理和涂布機的正確操作方法，才是提高涂布質量的根本途徑。本文就從這兩方面作個簡要介紹。

1 涂布配方的制定

一般來說，制定涂料配方要考慮涂布的次數、生產車速、橋箱溫度等設備因素，以及原紙的水分、平滑度、白度，表面吸水性等指標。大致而言應注意三個問題：a、涂料本身要穩(wěn)定，放置一段時間后不變質、不絮聚、無沉淀；b、能滿足涂布操作的要求，既有適當的固含量和流動性（粘度），又有良好的流變性，不至于產生各種涂布紙?。篶、能保證涂布紙的質量，可在紙上形成強度大、白度高、油墨吸收性好的涂層，同時賦予紙張較高的平滑度和光澤度[1]。常用配方見表1

掌握了涂料各組分大致比例后，具體制定配方時還有三個方面需要注意:

表1 常用刮刀涂布配方的絕干百分比組成

1.1 化工原料的關系

化工原料的選擇和使用很重要。富陽地區(qū)生產造紙化工產品的廠很多，但規(guī)模與技術都相對欠缺，質量參差不齊，因此必須經檢驗合格或試驗有效的才能使用。特別是對涂布影響較大的丁苯膠乳、涂布淀粉等膠粘劑，以及高嶺土、碳酸鈣等顏料，一旦確定下來輕易不要更換。

丁苯膠乳要求化學穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性良好，玻璃化溫度高、凝膠含量大于85%，自然晾干成膜應柔軟透明，有一定抗拉伸能力；涂布淀粉要選擇粘度低、糊化后不變黃的；高嶺土要選擇粘滯濃度大于68%以上，pH值接近中性，白度高、含鐵量較少的產品；碳酸鈣宜用高白度、礦源較軟的礦粉磨制為宜，因為白度高可提高遮蓋性，礦源軟不易磨損涂布刮刀；輕鈣遮蓋性較好，但成本較重鈣要高許多，要選擇白度好、沉降體積高的；煅燒高嶺土作為印刷時油墨吸收、干燥的促進劑，應根據需要合理使用；分散劑則要根據顏料的粘滯濃度在最佳分散劑加量點處使用，用量不能過大。分散盤的線速度面涂不低于27m/s，底涂不低于23m/s，電機功率要足，確保顏料完全分散；保水劑CMC應根據原紙吸水和車速快慢來確定用量，同時根據膠粘劑的遷移情況選用不同粘度范圍的產品；增白劑常用二苯乙烯三嗪衍生物，熒光強度30分以上的；抗水劑多采用三聚氰胺、碳酸鋯胺，使用時要根據紙張濕摩擦的大小以及印刷后網點是否清晰來確定用量。其他如消泡劑、防腐劑可根據需要適當添加。

表2 常用化工原料主要質量指標

1.2 顏料體積濃度（PVC）和臨界顏料體積濃度（CPVC）

顏料體積濃度（PVC）是指涂料中顏料的體積與配方中所有非揮發(fā)分的總體積比，用下式表示：

當膠粘劑加入到顏料中，顏料粒子間的空氣逐漸被膠料取代，隨著膠粘劑不斷加入，顏料粒子間的空隙不斷減少，當膠粘劑完全覆蓋所有顏料并恰好填滿全部空隙時的顏料體積濃度，稱為臨界顏料體積濃度，用CPVC表示，顏料的臨界體積濃度可以通過吸油量和其密度來計算：

其中A為吸油量

93.5為亞麻油的質量

P為粒子密度

顯然，當PVC＞CPVC時，膠粘劑無法填滿顏料周圍所有的空隙，顏料顆粒只是松散地存在于涂膜中，從而使涂膜質量變差，引起紙張表面強度差、印刷脫粉糊版等質量問題；當PVC＜CPVC時，膠粘劑完全包裹顏料顆粒以后還有剩余，涂布時易產生掛流發(fā)花或橘皮現象，干燥時多余的膠粘劑過度收縮，可造成紙張涂層表面粗糙度、吸墨性降低等。[2]表3列出了幾種常見涂布顏料的臨界顏料體積濃度，根據其配用比例即可算出涂料中混合顏料的CPVC。

表3 常見顏料吸油量及CPVC

實際生產操作都是根據顏料的粒徑分布、結構形狀、比表面積以及膠粘劑性質來選擇PVC=CPVC或兩者相近的，因為在CPVC附近，膠粘劑和顏料剛好完全結合，涂料各種性能會有明顯突變，不但涂層的光學性能、理化指標達到最佳，而且成本也是最低的。[2]因此計算膠粘劑含量或顏基比時，一定要考慮臨界顏料體積濃度這一重要因素。圖1是涂布層幾個重要性能與顏料體積濃度變化關系

1.3 膠粘劑的遷移

涂料中使用的丁苯膠乳、聚乙烯醇、涂布淀粉等水溶性膠粘劑，經過涂布加工后在涂層里的分布是不均勻的，產生這種分布不均勻的原因就是膠粘劑發(fā)生了遷移。

在涂料層形成過程中，膠粘劑是朝原紙內部和涂層表面兩個方面遷移的。原紙是由纖維相互交織而形成的網絡狀結構，具有一定吸水性。涂料被涂布到原紙表面后，涂料中的水分會向原紙內部滲透，膠粘劑也受水的攜帶一起向原紙方向遷移，靠近原紙表面的涂料濃度不斷增加，顏料粒子彼此靠攏，形成類似毛細管的濾餅，最終影響膠粘劑遷移。因而原紙表面吸水性cobb值是決定膠粘劑向原紙內部遷移的重要因素。增加原紙纖維間的密度、降低原紙水分都會減少膠粘劑向內部的遷移。

干燥時，濕涂膜受熱風吹烤，表面水分最先蒸發(fā)干燥，隨著水分減少，表面溫度下降，濃度和密度增加，表面張力逐步升高，涂層中水分在表面張力和水分蒸發(fā)的推動下，帶著膠粘劑又向表面遷移。隨著干燥的不斷進行，高分子膠粘劑首先會由于失去水分而使遷移運動逐漸停止，微粒慢慢變形、逐步靠近，達到最低成膜溫度后，分子鏈段在接觸的部位相互擴散形成連續(xù)相，最終成膜。膠膜的形成并不是成膜過程的結束，只是膠粘劑粒子自由運動的停止，粒子內部分子鏈會進一步自粘，達到一定強度后慢慢老化。膠粘劑粒子大小、顏料粒子大小、涂料固含量、干燥條件都是影響膠粘劑向涂層表面遷移的主要因素。

另外，膠乳的玻璃化溫度Tg和顆粒大小也有一定影響。玻璃化溫度是指高聚物分子中鏈段開始運動或凍結的溫度，Tg高低直接決定成膜時膠乳微粒的高塑性變化和凝聚能力。Tg越低聚合物越易發(fā)生形變，顏料堆砌越緊密；膠乳顆粒越小越容易運動，遷移能力越強，更容易進入顏料粒子間的空隙，影響涂層的油墨吸收和光澤度。[3]所以生產中一定要合理掌握原紙吸水性、涂料保水性以及橋箱干燥溫度，才能控制好膠黏劑的適當遷移，提高紙張的表面強度。圖2為影響膠粘劑遷移的幾個因素。

圖2 各指標對遷移的影響示意圖

2 涂布機的操作

實際生產中，經常會遇到化工原料、涂布配方、涂料配制等都沒有改變，而涂層表面出現各種各樣的問題，影響紙張的最終質量。這些很可能是由于涂布機操作不當引起的，僅靠調整涂料化工是難以解決的。下面以富陽地區(qū)常用的刮刀涂布機（見圖3），為例加以說明。

原紙通過涂布機背輥同上料棍接觸時，背輥和上料輥中間有一個計量夾區(qū)（圖中3的位置），這個夾區(qū)是涂料和紙幅最初接觸的區(qū)域，也是直接決定著涂料轉移到紙面的量（涂布量）和上料勻度的地方。一般情況下，生產250-450g/m2的涂布紙板，其厚度在0.27-0.58mm之間變化，背輥與上料輥的間距在0.9-1.0mm；上料輥轉速在紙幅速度的15%-35%之間調整為適當。原紙粗糙度越低，涂布量越低；原紙吸水性越差，涂布量越低。對于涂布效果而言，涂料固含量掌握在62%-65%，面涂可稍低點，粘度控制在1000-1400mPa.s之間，進涂布機前原紙粗糙度控制在5-7μm，水分控制在7%-9%，吸水性控制在50-80g/m2為宜[4]。

開機生產前須檢查所有微調螺桿（圖中7），用5/100mm的塞尺檢查微調桿頂端間隙是否均勻一致，出紙后再根據成紙的橫幅涂布量進一步微調，以保證紙面不出現色差和物性相差太大等現象。微調螺桿的向前或向后都會改變刮刀在此點及相鄰點的受力情況，從而影響涂布量。因此橫幅調節(jié)主要是在開機前剛出紙和原紙改變時進行，一旦穩(wěn)定下來便不需調整。

硬刮刀涂布時，刮刀沒有發(fā)生形變，涂料經過刮刀時會使本來凹凸不平的紙面填充地較為平整，涂布后的紙勻度略差，平滑度、光澤度較低，但平整性好，因此常用于底涂。軟刮刀對紙面的壓力主要由刮刀的彈性變形來提供，在紙張表面有高低不平變化時，其壓力也會相應改變，適應性較強，并且刮刀角度較小，涂料的液態(tài)應力在刮刀與紙幅接觸前就已形成，更加有利于均勻涂布。而且軟刮刀涂布后紙的涂布量基本一致，光澤度高，平滑度好，印刷性能較強，因此常用于面涂。

刮刀經過一段時間使用磨損后，必須通過調節(jié)刮刀梁（圖中4）的角度來維持涂布量不變。軟刮刀受力發(fā)生形變，實際使用的刮刀角度（稱有效角度）是小于理論角度的，有效角度的變化直接影響涂布量的變化。刮刀梁角度盡管不同于刮刀有效角度，但調節(jié)刮刀梁的角度卻可以改變刮刀的角度。硬刮刀使用時沒有發(fā)生形變，刮刀本身的制造角度和有效角度是一致的，也是刮刀梁調整時要保持的角度，所以生產中定期檢查校正刮刀角度是必不可少的。

涂布機背輥一旦發(fā)生變形，就很難保證橫幅涂布量的均勻，所以使用大約2-4周就要更換一次，換下的輥子須送去研磨。當輥徑減小到一定程度后必須包膠，以φ600mm的背輥為例，當直徑小于585mm時，要考慮重新包膠，包膠硬度一般是75P&J[5]。輥徑和包膠的硬度都會直接影響到涂布效果。刮刀要定時更換，普通涂布鋼刮刀壽命6-8小時，國產陶瓷刮刀5-7天為合理。使用時間太長，磨損面過大，涂布后紙面不夠細膩，印刷后易產生著墨不良的現象。當車速在250m/min左右時，軟刮刀下機后磨損面在2mm以內，硬刮刀基本還是上機前的狀態(tài)。

3 結束語

以上介紹了涂料配制中的幾個基本原理及涂布機的簡要調整，希望能對廣大讀者在涂料配制和涂布機調整方面有所幫助。這些僅是涂布操作的基本知識，生產實踐中還要根據不同情況具體分析，結合多種方法進行調節(jié)，以提高涂布紙質量。

[1]錢鷺生，曹麗云，凌永龍編.涂布加工紙技術手冊。北京:中國輕工業(yè)出版社，2006

[2]王海松，曹振雷，劉金剛.顏料涂布紙的涂層結構與性能[J]，中國造紙，2005,24（8）：47

[3]楊仁黨，陳克復.膠乳的作用及對紙張涂料性能的影響[J]，中國膠粘劑，2001,11（5）：16

[4]凌永龍.組合刮刀涂布機的工作原理和操作[G]，昆明，中國涂布年會，1992

[5]陳克復.制漿造紙機械與設備[M]，北京：中國輕工業(yè)出版社，2005

2011-05-13