造紙涂料過篩除氣效果及影響因素研究

李洪才 劉金剛 王比松

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102)

·涂料除氣·

造紙涂料過篩除氣效果及影響因素研究

李洪才1,2劉金剛1,2王比松1,2

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102)

分析了除氣前造紙涂料中氣泡的分布特點，研究了不同目數(shù)篩網(wǎng)及不同篩網(wǎng)組合方式對振篩除氣的影響，并進行了工廠中試試驗。結(jié)果表明，在實驗所選組合方式中，325- 400- 400目的組合方式最佳，且中試振動篩與實驗室振動篩的除氣效果相近，但中試振動篩的過篩速率更高。

振動篩；除氣；涂料

(*E-mail：lihongcai003@126.com)

造紙涂料主要由顏料、膠黏劑、水和助劑組成，各成分本身就含有一定量的氣體，配料時攪拌會產(chǎn)生大量氣泡，嚴重時會發(fā)生溢流。起泡能使化學藥品失去作用，還會增加環(huán)境負荷。特別是在現(xiàn)代的高速涂布中，由于涂料含氣量的增加，給涂布機的運行性能帶來很大影響，尤其是對簾式涂布，氣泡的存在會影響幕簾的穩(wěn)定性[1-2]。并且涂料中的氣體將會影響涂料對原紙的覆蓋，產(chǎn)生涂布不均現(xiàn)象；因供料不足產(chǎn)生掃帚形的條紋或沿流動方向的網(wǎng)痕；氣體堵塞原紙的孔隙，在表面產(chǎn)生氣泡凹痕等[3]。

不同涂布方式所允許的涂料含氣量不同，見表1[4]。對刮刀涂布來說，涂料在通過刮刀刀刃處時，氣泡會受到刮刀剪切作用而破裂；在薄膜涂布中，兩輥之間的摩擦和剪切力會使氣泡壓破，從而達到除氣效果，因此兩者都允許涂料中含有一定量的氣泡。然而對于簾式涂布來說，在幕簾形成及涂料轉(zhuǎn)移到紙幅上時無外加機械力作用，氣泡不會破裂[5- 6]。如表1所示，簾式涂布要求涂料中的含氣量<0.5%，并且不允許有大氣泡存在。

表1 不同涂布方式所允許的涂料含氣量

目前常用的涂料除氣裝置為真空除氣裝置和旋風式離心除氣器。真空除氣裝置存在涂料停留時間較短的問題，而旋風式離心除氣器除氣效率偏低。實驗中發(fā)現(xiàn)較高目數(shù)的篩網(wǎng)能除去部分氣泡。但篩網(wǎng)除氣效果如何，提高篩網(wǎng)目數(shù)對除氣有何影響尚不得知。本實驗主要考察了篩網(wǎng)目數(shù)和篩網(wǎng)組合方式對振篩除氣效果的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料

高嶺土MMO1，茂名高嶺土科技公司；95級重質(zhì)碳酸鈣，兗州高旭化工有限公司；丁苯膠乳，陶氏化工有限公司；增稠劑；表面活性劑。

圖1 實驗室用檢驗分級篩

圖2 涂料除氣前制得的涂料膜

1.2 實驗儀器

GFJ- 0.4高速分散機；改良的檢驗分級篩，振動頻率1500 Hz，如圖1所示；NDJ-5S黏度計；WS70-1紅外干燥器；玻璃片；EPSON V700掃描儀；ImageJ軟件。

1.3 實驗方法

1.3.1 涂料制備

實驗室階段所用涂料為自行配置。配方為：高嶺土20份，95級重質(zhì)碳酸鈣80份，丁苯膠乳12份，增稠劑0.4份，表面活性劑0.3份。其中涂料固含量60%，黏度1300 mPa·s。

中試試驗所用涂料為工廠生產(chǎn)所用以高嶺土為主的涂料，涂料黏度為980 mPa·s，固含量55.2%。

實驗過程中，涂料均處于室溫。

1.3.2 涂料的除氣

實驗室階段采用改良的檢驗分級篩進行除氣，檢驗分級篩可以更換不同目數(shù)的篩網(wǎng)，篩網(wǎng)直徑200 mm。實驗時，待涂料過濾速度穩(wěn)定后才開始計時并接料，單位時間單位面積通過的涂料量即為過篩速率，單位為kg/(h·m2)。

中試試驗在河北某廠涂布車間進行，采用Φ1.2 m振動篩進行除氣，篩網(wǎng)目數(shù)為250目和300目，過篩速率根據(jù)涂料泵的流量換算而來。

1.3.3 含氣量及氣泡分布的測定

測定前用勺子輕輕將涂料攪拌均勻，將一定量的涂料用玻璃制片的方法壓成具有一定厚度的薄膜，氣泡被壓變形，從涂料中顯現(xiàn)出來，但其體積不發(fā)生變化，然后再將制成的涂料薄膜掃描成圖像，通過ImageJ軟件對圖像進行處理，根據(jù)氣泡的面積百分比計算出涂料的含氣量，并對變形后氣泡的尺寸以及尺寸分布進行統(tǒng)計分析[7]。涂料膜的厚度可以用已知體積的油墨進行標定，根據(jù)氣泡變形后的尺寸和涂料膜的厚度可以計算出氣泡的實際尺寸。測定時選定相同面積的涂料膜圖像進行分析，統(tǒng)計各范圍氣泡的數(shù)量及總體積，以便于各樣品間的比較。

1.3.4 除氣效率的計算

除氣效率計算公式[8]見式(1)：

(1)

式中：η為除氣效率，%；V、V1、V2分別為不含氣泡涂料和涂料除氣前后氣體的體積，mL。

由于ρ=M/V

ρ1=(M+M1)/(V+V1)

ρ2=(M+M2)/(V+V2)

A1=(1-ρ1/ρ)×100%

錨桿機注漿是根據(jù)其設(shè)備性能進行的鉆孔操作，從應(yīng)用效果來看，該流程能夠為水泥漿灌輸提供對應(yīng)通道。技術(shù)難度較大，但是對穩(wěn)定工程基礎(chǔ)可起到重要推進效果，建筑的安全性、可靠性是施工第一要求，所以要對基坑錨桿機注漿十分重視，需要注意的是，地下環(huán)境較為復(fù)雜，技術(shù)人員在作業(yè)時要提高對周圍的觀察，如果發(fā)現(xiàn)四周存在疑似障礙物，要立刻停止對應(yīng)工作，并針對障礙物進行合理分析，確定其影響程度低才能繼續(xù)后續(xù)處理。具體工藝操作流程要嚴格按照工程標準執(zhí)行，不能貪圖一時簡單而忽略重復(fù)灌漿的重要性，只有將規(guī)則落實到細節(jié)，才能保證土建工程的有效性。

A2=(1-ρ2/ρ)×100%

其中：ρ、ρ1、ρ2分別為涂料以及涂料除氣前后的密度；M、M1、M2分別為涂料和涂料除氣前后氣體的質(zhì)量，g；A1、A2分別為涂料除氣前后的含氣量，%。

整理得式(2)：

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 涂料中氣泡的數(shù)量分布及體積分布

圖3 涂料中氣泡數(shù)量和體積分布

圖2所示為涂料除氣前制得的涂料膜，對其進行氣泡數(shù)量分布及體積分布統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，氣泡直徑大多分布在50～175 μm之間。然而，由氣泡含量分布可以看出，雖然大氣泡的數(shù)量所占比例很少，但其體積所占的比例卻很高，如250 μm以上的氣泡數(shù)量只占總數(shù)的6.0%，但其體積卻占到了總量的54.4%。振篩除氣的主要原理就是通過機械截留作用將氣泡除去，正是由于涂料中氣泡數(shù)量和體積的這種分布特點，使得涂料的振篩除氣成為可能。

2.2 篩網(wǎng)目數(shù)對除氣效果的影響

2.2.1 250目篩網(wǎng)除氣效果

表2為250目篩網(wǎng)的除氣效果。由表2可知，250目篩網(wǎng)的除氣效率可達62.8%，略低于旋風式離心除氣器(除氣效率為70%左右[9])，過篩速率為700 kg/(h·m2)，過篩速率偏低，但如果涂料沒有回流，也基本能滿足生產(chǎn)的需要。

表2 250目篩網(wǎng)的除氣效果

圖4 250目篩網(wǎng)除氣前后涂料中 各尺寸范圍氣泡的數(shù)量分布

圖4和圖5分別為250目篩網(wǎng)除氣前后涂料中各尺寸范圍氣泡的數(shù)量和總體積分布圖。由圖4可以看出，250目篩網(wǎng)可有效去除125 μm以上的氣泡，而除氣后的涂料中小氣泡的數(shù)量反而增加。250目篩網(wǎng)的孔徑為56 μm，但其只能有效去除125 μm以上的氣泡，且還有一定數(shù)量的大氣泡，其原因是，在涂料流的作用下，氣泡容易變形從而通過篩網(wǎng)。除氣后小氣泡的數(shù)量增加可能是由于大氣泡經(jīng)過篩網(wǎng)時會被篩網(wǎng)分裂成小氣泡。由圖5可知，涂料除氣前雖然大氣泡的數(shù)量較少，但其所占的體積卻很大，而振篩除氣的作用主要就是去除這部分大氣泡，其對于小氣泡的去除能力很有限，甚至還會增加小氣泡的數(shù)量。

圖5 250目篩網(wǎng)除氣前后涂料中 各尺寸范圍氣泡的總體積分布

此外，需要指出的是，250目篩網(wǎng)能有效去除125 μm以上的氣泡，并不意味著125 μm以上的氣泡能全部被去除，而125 μm以下的則全部都不能去除。125 μm以上的氣泡也可能因氣泡變形或分裂通過篩孔，125 μm以下的也可能因吸附在大氣泡上或其他原因而被截留下來除去。因此，振篩除氣要經(jīng)過多個篩網(wǎng)的截留作用才能得到理想的除氣效果。

2.2.2 325目篩網(wǎng)除氣效果

表3 325目篩網(wǎng)的除氣效果

表3為325目篩網(wǎng)的除氣效果。由表3可知，325目篩網(wǎng)的除氣效率約為74.5%，與旋風式離心除氣器的除氣效率相當。過篩速率為445 kg/(h·m2)，過篩速率偏低。

圖6和圖7分別為325目篩網(wǎng)除氣前后的氣泡數(shù)量和總體積分布圖，由圖6和圖7可知，325目篩網(wǎng)能有效去除75 μm以上的氣泡。與250目篩網(wǎng)一樣，涂料過篩后小氣泡的數(shù)量增加；能有效去除氣泡的直徑也低于篩網(wǎng)的孔徑(45 μm)，其原因如上。

圖6 325目篩網(wǎng)除氣前后涂料中 各尺寸范圍氣泡的數(shù)量分布

圖7 325目篩網(wǎng)除氣前后涂料中 各尺寸范圍氣泡的總體積分布

2.2.3 400目篩網(wǎng)除氣效果

表4 400目篩網(wǎng)的除氣效果

表4為400目篩網(wǎng)的除氣效果。由表4可知，400目篩網(wǎng)的除氣效率約為87.5%，高于旋風式離心除氣器的除氣效率。過篩速率為343 kg/(h·m2)，過篩速率偏低。

圖8和圖9分別為400目篩網(wǎng)除氣前后的氣泡數(shù)量和總體積分布圖，由圖8和圖9可知，400目篩網(wǎng)能有效去除50 μm以上的氣泡。與250目和325目篩網(wǎng)一樣，涂料過篩后小氣泡的數(shù)量增加；能有效去除氣泡的直徑也低于篩網(wǎng)的孔徑(37 μm)，其原因如上。

圖8 400目篩網(wǎng)除氣前后涂料中 各尺寸范圍氣泡的數(shù)量分布

圖9 400目篩網(wǎng)除氣前后涂料中 各尺寸范圍氣泡的總體積分布

2.3 篩網(wǎng)組合方式的影響

涂料依次通過幾個相同目數(shù)篩網(wǎng)時，過篩速率會逐漸增加，這是由于：①涂料中的氣泡逐漸減少，使得氣泡對篩網(wǎng)的堵塞作用減弱，單位時間通過的涂料體積增加；②隨著涂料中氣泡的減少，涂料密度逐漸增加，單位時間內(nèi)通過的涂料體積不變或者增加，因而過篩速率增加；③涂料在過篩過程中受到剪切力的作用，黏度逐漸降低，也使得過篩速率增加。如果使用相同目數(shù)的篩網(wǎng)過濾，勢必會浪費下層篩網(wǎng)過篩能力，因此先用目數(shù)較低的篩網(wǎng)過濾，再用目數(shù)較高的篩網(wǎng)過濾，以使篩網(wǎng)的過篩能力最大化。

然而，由不同目數(shù)篩網(wǎng)的除氣效果可知，篩網(wǎng)會將大氣泡分散為小氣泡，氣泡被分散之后不利于后續(xù)的除氣，因此第一道篩網(wǎng)應(yīng)該采用目數(shù)較高的篩網(wǎng)，增加篩網(wǎng)的截留作用，減少對氣泡的分散作用。據(jù)此，對不同目數(shù)篩網(wǎng)組合方式的除氣效果進行了評估，如表5所示。

表5 不同目數(shù)篩網(wǎng)組合方式的除氣效果

由表5可知，在實驗所選組合方式中，325- 400- 400目的篩網(wǎng)組合方式除氣效果最好，但其過篩速率也最低。圖10和圖11為該組合方式除氣前后的氣泡數(shù)量和總體積分布圖。

圖10 325- 400- 400目篩網(wǎng)除氣前后涂料中 各尺寸范圍氣泡的數(shù)量分布

圖11 325- 400- 400目篩網(wǎng)除氣前后涂料中 各尺寸范圍氣泡的總體積分布

由圖10和圖11可知，325- 400- 400目組合可將涂料的含氣量降至0.5%以下，且氣泡幾乎全部為100 μm以下的小氣泡，效果明顯好于其他組合方式。然而實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當用力擠壓剛過完篩涂料制成的涂料片時，其中出現(xiàn)很多極微小的氣泡，這部分氣泡是無法通過壓片法測得的。因此，實際的含氣量要稍微高一些。涂料膜的厚度在30 μm左右，這些無法測得的氣泡直徑也一定小于30 μm。據(jù)文獻報道[10]，當氣泡直徑小于20 μm時，氣泡破裂后形成的缺陷肉眼看不見，不會對涂布紙造成影響，因而這部分氣泡對涂布不會產(chǎn)生影響或影響較小。振動篩除了機械截留氣泡除氣外，還可以將氣泡分散成對涂布無影響或影響較小的小氣泡。

2.4 工廠中試試驗

中試試驗結(jié)果如表6所示。從表6可知，與實驗室數(shù)據(jù)相比，中試振動篩除氣效率偏低，300目的為60.0%，250目的為55.7%；而實驗室的325目為74.5%，250目為62.8%。但中試的過篩速率比實驗室過篩速率卻要高很多，達7000 kg/(h·m2)左右。其原因主要有：①中試振動篩篩網(wǎng)為300目，而實驗室篩網(wǎng)為325目；②實驗室所用涂料黏度為1300 mPa·s，高于中試試驗涂料黏度(980 mPa·s)，根據(jù)以往實驗結(jié)果[5]，黏度低時不利于除氣，但有利于過篩速率的提高。此外，中試試驗振動篩過篩速率極高，接料時不可避免地會再次沖擊產(chǎn)生氣泡。綜合上述因素，中試試驗除氣效果與實驗室除氣效果應(yīng)該相差不大。該廠原來使用125目篩網(wǎng)，經(jīng)改進之后換為300目篩網(wǎng)，過篩速率未受到影響，但氣泡含量卻顯著降低，涂布紙刮痕明顯減少，顯著增加了產(chǎn)品的成品率。

表6 中試試驗的除氣效果

3 結(jié) 論

3.1 造紙涂料在除氣前，涂料中雖然大氣泡的數(shù)量所占比例很小，但其所占的體積卻很大。振動篩一方面可以通過機械截留作用除去大氣泡，另一方面可以將大氣泡分散成對涂布無影響的小氣泡。

3.2 實驗室條件下，250目、325目和400目篩網(wǎng)的除氣效率分別達62.8%、74.5%和87.5%，分別能有效去除125 μm、75 μm和50 μm以上的氣泡。

3.3 實驗所選組合方式中，325- 400- 400目的篩網(wǎng)組合方式除氣效果最佳，除氣效率高達98.1%。涂料除氣后，一部分氣泡被截留除去，一部分被分散成對涂布無影響或影響較小的小氣泡。

3.4 工廠中試結(jié)果表明，中試振動篩除氣效果與實驗室振動篩相似，但過篩速率卻遠遠高于實驗室振動篩。

[1] LI Qiang, LIU Jin-gang, WANG Bi-song. The Effect of Air on Operation Stability of the Curtain Coating[J]. China Pulp & Paper, 2011, 30 (7): 66. 李 強, 劉金剛, 王比松. 空氣對簾式涂布運行穩(wěn)定性的影響[J]. 中國造紙, 2011, 30 (7): 66.

[2] SUN Jun, LIU Jin-gang. The Stability of Curtain in Curtain Coating [J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(6): 63. 孫 軍, 劉金剛. 簾式涂布中幕簾穩(wěn)定性的影響因素[J]. 中國造紙, 2009, 28(6): 63.

[3] WANG Hai-song, LIU Jin-gang, LI Xiong-gang. Influence of Air in Color on Quality and Runnability of Coating [J].Paper and PaperMaking, 2004 (4): 33. 王海松, 劉金剛, 李雄剛. 涂料中氣體對涂布紙質(zhì)量和涂布機運行性能的影響[J]. 紙和造紙, 2004 (4): 33.

[4] Product Description of ACAV[S]. ACA Systemslimited companyof Finland, 2004. ACAV超高剪切黏度計產(chǎn)品說明書[S]. 芬蘭ACA Systems有限公司, 2004.

[5] John A Taylor. Reformulating for Curtain Coating: Analyzing how curtain physics and fluid properties impact performance and use[J]. Adhesives Age, 2003, 46(4): 26.

[6] Hirofumi Morita. The DF coater—coating technology of the new generation[J]. Together Paper Technology Journal, 2003 (s1): 56.

[7] LI Qiang. The Analysis of Air Entrainment in the Color of Curtain Coating and the Research on Deaeration Methods[D]. Beijing: China National Pulp and Paper Research Institute, 2011. 李 強. 簾式涂布涂料中空氣夾帶的分析及除氣方法的研究[D]. 北京: 中國制漿造紙研究院, 2011.

[8] LIU Yin-dun. The evaluation of deaeratorquality[J]. Petroleum Machinery, 1995, 23(8): 3. 劉銀盾. 除氣器質(zhì)量的評估[J]. 石油機械， 1995, 23(8): 3.

[9] Robert Urscheler. Evaluation of air removal methods in coating colors: http://msdssearch.dow.com/publishedLiteratureDOWCOM/dh_0040/0901b8303800402ad.pdf?filepath=emulpoly/pdfs/noreg/191- 00562.pdf&fromPage=GetDoc.

(責任編輯：常 青)

Deaeration of Coatings by Sieving and the Impact Factors

LI Hong-cai1,2,*LIU Jin-gang1,2WANG Bi-song1,2

(1.ChinaNationalPulpandPaperResearchInstitute,Beijing, 100102；2.NationalEngineeringLabforPulpandPaper，Beijing， 100102)

The distribution characters of air bubbles in the coatings was analyzed. The effects of sieving by using screens with different meshes and arrangements on deaeration were studied. Large-scale trials were carried out in the mill. Results showed that the deaeration efficiency was the best when sieving with screens arrangement of 325mesh- 400 mesh- 400 mesh. The results using mill’s vibration screen were similar to that using laboratory vibration screen. But the treatment rate was higher for mill’s vibration screen.

vibration screen; deaeration; coating material

李洪才先生；在讀碩士研究生；研究方向：紙張涂布工藝。

2013- 10- 16(修改稿)

TS735+.1

A

0254- 508X(2014)02- 0006- 05