涂層的抗壓性能及其內(nèi)部抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法

涂層的抗壓性能及其內(nèi)部抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法

涂布紙或紙板折疊時(shí)出現(xiàn)的裂痕是一種質(zhì)量缺陷。紙或紙板折疊時(shí)，折疊處會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力和張應(yīng)力，但是目前還沒(méi)有測(cè)定涂層抗壓強(qiáng)度的方法。該文的目的是探求一種測(cè)定涂層抗壓強(qiáng)度的方法，并研究不同礦物涂料的抗壓性能。試驗(yàn)采用短距壓縮強(qiáng)度測(cè)定（SCT）法測(cè)定獨(dú)立涂層的內(nèi)部抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明測(cè)定涂層的內(nèi)部抗壓強(qiáng)度，SCT法是適用的。試驗(yàn)采用不同的顏料組分（高嶺土和碳酸鈣礦物顏料）用于研究顏料顆粒形狀對(duì)涂料抗壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度的影響，所用膠乳具有不同的玻璃化溫度。結(jié)果表明，顏料顆粒形狀會(huì)影響涂層的強(qiáng)度；與球形或針狀碳酸鈣顏料相比，片狀高嶺土可以使涂層具有較好的強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度會(huì)隨著涂料中碳酸鈣尤其是沉淀碳酸鈣加入量的增加而降低。同時(shí)研究了丁苯黏結(jié)劑對(duì)涂層抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明涂層抗壓強(qiáng)度隨黏結(jié)劑用量的增加而增大，涂層抗壓強(qiáng)度是抗張強(qiáng)度的3倍。

涂布紙或紙板折疊時(shí)出現(xiàn)的裂痕不僅僅是一種外觀缺陷，也可能導(dǎo)致紙張故障。紙張折疊時(shí)，折疊處表面和內(nèi)部的涂料會(huì)受到不同的應(yīng)力。折疊處表面的涂料受到張應(yīng)力，而內(nèi)部的涂料則受到壓應(yīng)力。

在宏觀層面，涂層是一種混合物。其強(qiáng)度取決于黏合劑的機(jī)械性能、孔隙結(jié)構(gòu)以及黏合劑與顏料之間的總結(jié)合面積。水和溶劑通過(guò)改變黏結(jié)劑的機(jī)械性能或減弱顏料與黏結(jié)劑之間的結(jié)合將會(huì)改變涂層的結(jié)構(gòu)。在微觀層面上，涂層是由顏料-黏結(jié)劑-顏料組成的。顏料與黏結(jié)劑結(jié)合處的強(qiáng)度取決于黏結(jié)劑的機(jī)械性能以及黏結(jié)劑、顏料的表面化學(xué)性能。

大部分有關(guān)涂層強(qiáng)度的研究考慮了顏料和黏結(jié)劑對(duì)抗張強(qiáng)度的影響。涂層的強(qiáng)度取決于涂料中所用顏料類(lèi)型以及黏結(jié)劑的用量。由于膠乳的成本比無(wú)機(jī)顏料高很多，通常膠乳的用量要盡可能地少。因此，對(duì)影響涂層強(qiáng)度性能的因素而言，如顏料顆粒的形狀、膠乳的玻璃化溫度以及涂層的多孔性等變得更為重要。

短距壓縮強(qiáng)度測(cè)定（SCT）法是測(cè)定紙板抗壓強(qiáng)度的方法，也可用于薄紙紙張樣品抗壓強(qiáng)度的測(cè)定。用于測(cè)定薄紙紙張樣品抗壓強(qiáng)度的測(cè)定時(shí)，測(cè)距較小，一般為0.7 mm，以避免測(cè)試紙樣的彎曲，因僅放置1個(gè)樣品，SCT法被認(rèn)為是測(cè)定抗壓強(qiáng)度較可靠的方法。

本研究將試驗(yàn)分為2部分。第1部分，探索了制備獨(dú)立涂層的方法并檢驗(yàn)SCT法是否適用于涂層抗壓強(qiáng)度的測(cè)定。第2部分，研究了顏料顆粒的類(lèi)型及丁苯膠乳黏結(jié)劑的玻璃化溫度（Tg）對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

1 原料及方法

1.1 原料

顏料和黏結(jié)劑的類(lèi)型及用量會(huì)影響涂層的強(qiáng)度。試驗(yàn)選擇原料時(shí)考慮了這2個(gè)因素。而研究顏料顆粒的形狀是如何影響涂層抗壓強(qiáng)度的是本文的重點(diǎn)。

試驗(yàn)選用尺寸及尺寸分布盡可能相近、而形狀不同的顏料顆粒。試驗(yàn)選用了一組碳酸鈣，其單個(gè)顆粒的長(zhǎng)度與目標(biāo)高嶺土顆?；鞠嗤?。顏料選擇時(shí)，使用了掃描電子顯微鏡進(jìn)行視覺(jué)判斷。顏料的粒度中值如表1所示（高嶺土粒度中值的不同是高嶺土形狀不同導(dǎo)致的。高嶺土的長(zhǎng)寬比為25）。

表1 試驗(yàn)所用顏料顆粒的尺寸

為了研究黏結(jié)劑玻璃化溫度（Tg）對(duì)涂層的的影響，選擇了2種不同的高功能化羧基丁苯膠乳，二者的差別在于苯乙烯與丁二烯的比例，如表2。

表2 膠乳的玻璃化溫度

每100組顏料中，有10組使用了膠乳。涂料配方使用羧甲基纖維素鈉作為增稠劑。

1.2 方法

用RK涂布機(jī)制備涂層。選用涂層的基材是厚度為20 μm的玻璃紙。干燥后，涂層膜較易與基材分離。存在的問(wèn)題是干燥時(shí)涂層有卷曲的趨勢(shì)。濕涂層的厚度約200 μm，以使干燥后干燥涂層的厚度達(dá)到100 μm。干燥涂層的厚度應(yīng)足夠厚才能夠滿足抗壓強(qiáng)度測(cè)定的要求，而不產(chǎn)生褶皺。理論計(jì)算得知100 μm的厚度足以用于抗壓強(qiáng)度的測(cè)定。涂層膜在熱氣流（190℃）下干燥3 min，而后在室溫下放置至少2 h。干燥后，將玻璃紙剝離掉，將涂層膜切成15 mm寬的長(zhǎng)條，測(cè)定每個(gè)長(zhǎng)條涂層膜的厚度。用抗壓強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定抗壓強(qiáng)度。速度為3 mm/min，跨距為0.7 mm。測(cè)定儀對(duì)測(cè)試樣品單位寬度施加的壓力用kN/m表示。為了得到用單位面積上的壓力（MPa）表示的抗壓強(qiáng)度，用測(cè)試樣品的厚度除以測(cè)定值。每個(gè)樣品測(cè)試20次以計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

用15 mm寬的涂層膜長(zhǎng)條測(cè)定其抗張強(qiáng)度，拉伸速率為10 mm/min。用裂斷時(shí)的負(fù)載（N）除以樣品的橫截面積計(jì)算得到抗張強(qiáng)度。每一樣品重復(fù)測(cè)定抗張強(qiáng)度10次以計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。所有試驗(yàn)均在23℃和50%相對(duì)濕度條件下操作（本研究中，涂層的強(qiáng)度主要是指抗張強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，而不是拉毛強(qiáng)度）。

2 結(jié)果

2.1 抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法

根據(jù)文獻(xiàn)資料，還沒(méi)有采用SCT法測(cè)定涂層抗壓強(qiáng)度的先例。試驗(yàn)第1步是確定SCT法的可靠性及再現(xiàn)性。制備3組不同的涂層，測(cè)定每組抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。

表3 3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差

由表3可見(jiàn)，平均值差別不大，說(shuō)明SCT方法可靠性較好。

2.2 涂層的抗壓性能

因SCT法可靠性較好，所以本研究采用該方法測(cè)定用不同顏料和膠乳制備的涂層的抗壓強(qiáng)度；同時(shí)測(cè)定了涂層的抗張強(qiáng)度并將其與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較，以探究二者是否具有相同的變化趨勢(shì)。

與球形或針狀碳酸鈣顏料相比，片狀高嶺土顏料制備的涂層強(qiáng)度較好。圖1顯示了涂層抗壓強(qiáng)度與涂料中碳酸鈣加入量的關(guān)系（膠乳的加入量為10%）。

圖1 涂層抗壓強(qiáng)度與涂料中碳酸鈣顏料加入量的關(guān)系

圖1表明：純凈的高嶺土涂料具有較高的抗壓強(qiáng)度，碳酸鈣的添加會(huì)降低抗壓強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度隨涂料中碳酸鈣相對(duì)比例的增大而大幅度降低；與球形研磨碳酸鈣（GCC）相比，涂料中加入針狀研磨碳酸鈣（PCC）的涂層抗壓強(qiáng)度較小。

圖1還表明，玻璃化溫度（Tg）較高的膠乳能使涂層具有較高的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)涂料中加入碳酸鈣時(shí)，較硬的膠乳比較軟的膠乳能承受更大的壓應(yīng)力變化。

涂料中的黏合劑使顏料顆粒黏合在一起，并使涂料黏附在紙張上，從而使涂層具有較大的強(qiáng)度。當(dāng)黏合劑用量增加時(shí)，涂層的強(qiáng)度也應(yīng)該增大。當(dāng)膠乳用量由8%增加到12%時(shí)，內(nèi)部抗張強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也隨著膠乳用量的增加而線性增大，如圖2所示（此時(shí)高嶺土含量為100%，乳膠Tg=20℃）。

圖2 抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度與膠乳加入量的關(guān)系

圖3顯示了涂層抗張強(qiáng)度與碳酸鈣加入量的關(guān)系[（膠乳的加入量為10%（相對(duì)于顏料）]。

圖3 涂層抗張強(qiáng)度與涂料中碳酸鈣顏料加入量的關(guān)系

試驗(yàn)同時(shí)研究了涂層膜的抗張強(qiáng)度以探究涂料是否與壓應(yīng)力條件下具有相同的變化趨勢(shì)。圖1～3表明加入碳酸鈣的涂層膜的抗張強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度具有相同的變化趨勢(shì)。片狀高嶺土可使涂層膜具有最大抗張強(qiáng)度，這與文獻(xiàn)研究結(jié)論是一致的。當(dāng)涂料中加入碳酸鈣時(shí)，抗張強(qiáng)度會(huì)降低。當(dāng)碳酸鈣的加入量為40%時(shí)，其對(duì)抗張強(qiáng)度的影響較大。加入量大于40%時(shí)，抗張強(qiáng)度變化基本平穩(wěn)，加入量繼續(xù)增多其對(duì)抗張強(qiáng)度的影響較小。

對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，與較軟的膠乳相比，較硬的膠乳使涂層具有較大的挺度。當(dāng)在涂料中加入碳酸鈣時(shí)，較硬膠乳使抗張強(qiáng)度降低的幅度比較軟的膠乳大。

圖4顯示了抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度的比值與涂料中GCC加入量的關(guān)系[（膠乳的加入量為10%（相對(duì)于顏料）]。

圖4 抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度的比值與涂料中GCC加入量的關(guān)系

圖4表明，當(dāng)涂層涂料為高嶺土?xí)r涂層的抗壓強(qiáng)度是抗張強(qiáng)度的3倍多。二者的比值隨著涂料中碳酸鈣加入量的增加而增大。這是由于因碳酸鈣的加入導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低的幅度比抗張強(qiáng)度小所至。

3 討論

本試驗(yàn)表明可以制備獨(dú)立涂層膜，并且通常用于測(cè)定紙板抗壓強(qiáng)度的SCT法也可用于測(cè)定獨(dú)立涂層膜內(nèi)部抗壓強(qiáng)度。重復(fù)測(cè)定后計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說(shuō)明該方法是可再現(xiàn)的，得到的結(jié)果也被認(rèn)為是可靠的。

高嶺土涂料制備的涂層膜具有最大的內(nèi)部抗壓強(qiáng)度，當(dāng)在其中加入碳酸鈣時(shí)，抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。根據(jù)先前的研究，與塊狀或球形顏料顆粒相比，片狀高嶺土顆?？梢允雇繉荧@得更大的抗張強(qiáng)度。本研究結(jié)果表明片狀高嶺土形成了一種可以很好地抵抗壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。在刮刀涂布過(guò)程中，刮刀的幾何結(jié)構(gòu)會(huì)影響涂層的性能。高嶺土顆粒會(huì)沿著涂布機(jī)運(yùn)行方向排列，形成一種緊密結(jié)構(gòu)，并且具有較小的孔隙率。如果高嶺土顆粒沿著涂布機(jī)運(yùn)行方向排列，抗張強(qiáng)度將增加，但是若高嶺土顆粒排列不佳將會(huì)降低抗張強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)涂料中加入碳酸鈣時(shí)將會(huì)降低內(nèi)部抗壓強(qiáng)度。GCC和PCC對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響基本相似，但是針狀PCC降低抗壓強(qiáng)度的幅度較大。GCC或多或少含有一些球形顆粒。當(dāng)GCC加入到涂料中時(shí)，高嶺土顆粒不能緊密排列。當(dāng)70%高嶺土和30%GCC的混合涂料未進(jìn)行超級(jí)壓光時(shí)，孔隙尺寸和孔隙數(shù)量最大。這也就意味著孔隙尺寸和孔隙形狀或許會(huì)影響強(qiáng)度。當(dāng)涂料中加入特殊類(lèi)型的碳酸鈣時(shí)，孔隙尺寸和孔隙形狀或許也是抗壓強(qiáng)度大幅度減小的原因。碳酸鈣的加入量達(dá)到40%時(shí)，強(qiáng)度降低幅度相對(duì)較大。這意味著純凈高嶺土涂料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，但是這一強(qiáng)度易被加入到填料中的其他類(lèi)型顏料所破壞。

試驗(yàn)結(jié)果表明添加PCC的涂層強(qiáng)度比添加GCC的涂層小。原因可能是針狀PCC顆粒排列不緊密，使涂層具有多孔性結(jié)構(gòu)。前人的研究也得出了相同的結(jié)論：與柱狀PCC顆粒相比，針狀PCC使得涂層具有更大的孔隙率。與柱狀PCC相比，z向強(qiáng)度與針狀PCC的相關(guān)性較小。PCC顆粒比GCC顆粒易碎，這或許會(huì)降低涂層的抗張強(qiáng)度。為了形成強(qiáng)度較大的涂層，與球形GCC顆粒相比，針狀PCC或許需要更多的黏結(jié)劑。較多的黏結(jié)劑可以使涂層結(jié)構(gòu)更為緊密，因此強(qiáng)度增大。

涂層的強(qiáng)度取決于多孔結(jié)構(gòu)、顏料與黏結(jié)劑之間的結(jié)合以及黏結(jié)劑的性能。先前的研究表明，黏結(jié)劑的類(lèi)型及用量會(huì)大大影響涂層強(qiáng)度，并且抗張強(qiáng)度會(huì)隨著膠乳用量的增加而增大。本試驗(yàn)結(jié)果表明抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨膠乳用量的增加而增大。較多的膠乳提供了較大的黏結(jié)力，因此顏料顆粒可以更好地結(jié)合，從而提高強(qiáng)度。膠乳的用量也會(huì)影響涂層的多孔性。較多的膠乳可以填充涂層中的孔隙，因此提高強(qiáng)度。

玻璃化溫度會(huì)大大影響涂層的強(qiáng)度。抗張強(qiáng)度隨Tg的增大而增大。本研究中，抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨Tg的增大而增大。即使Tg的變化較小也會(huì)影響抗壓強(qiáng)度。Tg較小的膠乳可以形成柔軟的、有彈性的膜。這也意味著使用性能較佳的膠乳可以平衡涂料的其他性能，得到理想強(qiáng)度的涂層。

當(dāng)高嶺土涂料中加入碳酸鈣時(shí)，較硬的膠乳對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較大。并且較硬膠乳對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響比較軟膠乳對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響大。

涂層的抗壓強(qiáng)度是其抗張強(qiáng)度的3倍。單純高嶺土制備的涂層，抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度的比值最小。在涂料中加入碳酸鈣，將會(huì)增加抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度的比值。這是由于因碳酸鈣的加入導(dǎo)致的抗壓強(qiáng)度的降低幅度小于抗張強(qiáng)度的降低幅度。排列整齊的片狀涂料可使涂層具有較好的內(nèi)部強(qiáng)度。然而，當(dāng)在涂料中加入碳酸鈣顆粒時(shí)，強(qiáng)度會(huì)迅速降低?？梢酝茰y(cè)，整齊排列的片狀顆粒比球形GCC具有更好的抗壓強(qiáng)度性能，但是抗張強(qiáng)度性能低于后者。

紙張折疊時(shí)，為了避免裂痕問(wèn)題，涂料的抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度應(yīng)不具有較大的相關(guān)性。如試驗(yàn)結(jié)果所示，碳酸鈣對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響比對(duì)抗張強(qiáng)度的影響小。了解了涂層的抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度，有助于采取措施優(yōu)化涂層的機(jī)械性能以減小紙張折疊時(shí)出現(xiàn)的裂痕。然而，仍需進(jìn)一步的研究以確定抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度的關(guān)系及紙張折疊時(shí)出現(xiàn)的裂痕問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文探索了一種測(cè)定涂層內(nèi)部抗壓強(qiáng)度的方法。結(jié)果表明SCT法對(duì)于獨(dú)立涂層抗壓強(qiáng)度的測(cè)定是適用的。測(cè)定結(jié)果具有較好的精確性和可再現(xiàn)性。

研究結(jié)果進(jìn)一步表明顏料顆粒的形狀對(duì)涂層的抗壓性能有較大影響，這也驗(yàn)證了早期研究的結(jié)論。本研究采用的特定級(jí)分的碳酸鈣使抗壓強(qiáng)度的降低幅度大于抗張強(qiáng)度的降低幅度。高嶺土顏料使得涂層具有較好的內(nèi)部抗壓強(qiáng)度。涂料中加入碳酸鈣將會(huì)降低涂層的內(nèi)部抗壓強(qiáng)度。選用適當(dāng)玻璃化溫度（Tg）的膠乳是改善抗壓強(qiáng)度較為有效的方法之一。抗壓強(qiáng)度會(huì)隨Tg的增大而增大。Tg也會(huì)影響涂層的挺度，Tg較高時(shí)，涂層挺度較好。

（馬倩倩 編譯）