簾式涂布幕簾穩(wěn)定性影響因素研究

李洪才 孫 軍 劉金剛 王比松

(1.中國(guó)制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，100102)

·簾式涂布·

簾式涂布幕簾穩(wěn)定性影響因素研究

李洪才1，2孫 軍1，2劉金剛1，2王比松1，2

(1.中國(guó)制漿造紙研究院，北京，100102；2.制漿造紙國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京，100102)

研究了簾式涂布中導(dǎo)桿、增稠劑、涂料固含量、顏料配比對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，增加幕簾與導(dǎo)桿的結(jié)合力，可提高幕簾的穩(wěn)定性；對(duì)于沒有加入表面活性劑的涂料來說，未加聚乙烯醇(PVA)時(shí)的可操作最小流量為1.64 cm2/s，PVA用量為1.5份時(shí)的可操作最小流量為3.07 cm2/s；對(duì)于加入了表面活性劑的涂料來說，PVA用量為0.5份時(shí)的可操作最小流量為1.95 cm2/s，PVA用量為1.5份時(shí)的可操作最小流量為1.55 cm2/s；涂料固含量對(duì)幕簾穩(wěn)定性影響有限；高嶺土用量為20份時(shí)的可操作最小流量為1.92 cm2/s，高嶺土用量為40份時(shí)的可操作最小流量為2.24 cm2/s。

幕簾穩(wěn)定性；導(dǎo)桿；增稠劑；固含量；顏料配比

近年來隨著涂布技術(shù)的發(fā)展，各種涂布技術(shù)在生產(chǎn)過程中逐漸暴露出自身的缺點(diǎn)。刮刀涂布作為最主要的涂布方式，能夠滿足高速涂布的要求，但在高固含量涂料的情況下，易出現(xiàn)諸如刮痕、斷紙、刮刀磨損等運(yùn)轉(zhuǎn)性問題；與刮刀涂布相比，計(jì)量施膠壓榨涂布在斷紙、涂層對(duì)原紙的覆蓋性方面都有很大的改善，但在高速涂布及高固含量涂料的情況下，存在著計(jì)量棒壓區(qū)涂料飛濺和轉(zhuǎn)移區(qū)涂料霧化、產(chǎn)生橘皮紋等問題；噴霧涂布存在著涂料固含量低、黏度小及干燥負(fù)荷大、成本高等難題。在這種情況下，簾式涂布的高覆蓋性及無刮痕、橘皮紋等紙病的優(yōu)點(diǎn)引起人們的關(guān)注。但簾式涂布也面臨諸多問題，其中幕簾穩(wěn)定性就是影響簾式涂布應(yīng)用的主要因素之一。

表面張力是影響幕簾穩(wěn)定性的重要因素，相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，孫軍等人[1]研究了表面活性劑的動(dòng)態(tài)表面張力及發(fā)泡性對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響；有文獻(xiàn)研究了表面活性劑對(duì)簾式涂布運(yùn)轉(zhuǎn)性及成紙質(zhì)量的影響[2]。而其他因素，如導(dǎo)桿、增稠劑、涂料固含量、顏料配比等對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響卻鮮有報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)主要探討了上述因素在簾式涂布中對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料

高嶺土MMO1(茂名高嶺土科技公司)，95級(jí)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)，聚乙烯醇(PVA，醇解度99%，聚合度1700)，增白劑(聚益精細(xì)化工有限公司)，消泡劑(聚益精細(xì)化工有限公司)，潤(rùn)滑劑(常州市武進(jìn)運(yùn)波化工有限公司)，抗水劑(聚益精細(xì)化工有限公司)，表面活性劑。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

GFJ- 0.4高速分散機(jī)，NDJ-5S旋轉(zhuǎn)黏度儀，A201表面張力儀，自制簾式涂布縫隙模頭(見圖1(a)，模頭幅寬40.5 cm，縫隙寬度0.35 mm)，螺桿泵(流量0.4 m3/h，壓力0.4 MPa)。

簾式涂布流程見圖1(b)。

圖1 模頭側(cè)視圖和簾式涂布流程圖

圖2 改進(jìn)前和改進(jìn)后的導(dǎo)桿

1.3涂料配方

顏料100份，其中高嶺土20～80份，重質(zhì)碳酸鈣80～20份；丁苯膠乳15份，PVA 1份，增白劑1份，消泡劑0.3份，潤(rùn)滑劑0.8份，抗水劑0.7份，表面活性劑0.3份。

1.4幕簾穩(wěn)定性判斷方法

實(shí)驗(yàn)過程中，螺桿泵與變頻器連接，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來調(diào)節(jié)流量。隨著涂料流量的降低，幕簾與導(dǎo)桿的脫離位置會(huì)逐漸上升，上升到一定的位置，幕簾會(huì)突然脫離導(dǎo)桿，造成幕簾的破裂。涂料流量由大到小的變化過程中，幕簾與導(dǎo)桿有兩個(gè)重要的脫離點(diǎn)：一是幕簾突然脫離兩邊導(dǎo)桿的流量，定義為最小流量，用單位長(zhǎng)度的流量來表示；最小流量值越小，幕簾穩(wěn)定性越高，涂料最小流量是通過大流量逐漸降低來獲得的[1]。二是幕簾到達(dá)距離模頭縫隙以下15 cm 處即涂布走紙位置的流量，定義為可操作最小流量，用單位長(zhǎng)度的流量來表示。考慮到實(shí)用情況，以可操作最小流量為主來判斷幕簾的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1導(dǎo)桿對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響

本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，幕簾導(dǎo)桿邊緣處是幕簾穩(wěn)定的薄弱區(qū)，此處發(fā)生斷簾的頻率較高，通過對(duì)導(dǎo)桿進(jìn)行改進(jìn)，可提高幕簾的穩(wěn)定性，降低可操作最小流量。實(shí)驗(yàn)室中對(duì)不同導(dǎo)桿的作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同導(dǎo)桿的可操作最小流量和最小流量

改進(jìn)前后的導(dǎo)桿見圖2，造成導(dǎo)桿改進(jìn)前后可操作最小流量和最小流量變化的主要原因是幕簾與導(dǎo)桿的接觸面積不同，改進(jìn)后的導(dǎo)桿與幕簾的接觸寬度d變大，使得幕簾能夠與導(dǎo)桿更好的附著，利于幕簾穩(wěn)定性的提高。但Hiroyasu Furukawa等人[3]的研究卻發(fā)現(xiàn)，幕簾斷裂位置隨機(jī)發(fā)生在整個(gè)橫幅方向上，認(rèn)為導(dǎo)桿對(duì)幕簾穩(wěn)定性影響不大。Hiroyasu Furukawa的結(jié)論與本研究的結(jié)論不同，這可能是所用涂料的潤(rùn)濕性差異造成的。Hiroyasu Furukawa的研究中所用的涂料潤(rùn)濕性好，其與導(dǎo)桿的結(jié)合較好，導(dǎo)桿與幕簾的邊緣處不易破裂，因而幕簾斷裂位置隨機(jī)發(fā)生在整個(gè)橫幅方向上。而本實(shí)驗(yàn)所用涂料潤(rùn)濕性較差，導(dǎo)桿與幕簾邊緣處的結(jié)合較弱，此處發(fā)生斷簾的頻率較高，則需要改進(jìn)導(dǎo)桿或添加助劑來改善涂料的潤(rùn)濕性。

圖3 幕簾邊界處受力情況

圖3為幕簾邊界處受力情況，幕簾穩(wěn)定性取決于兩方面，一方面是幕簾底部的穩(wěn)定性，此時(shí)要求ρv2H>2σ[4]；另一方面，在導(dǎo)桿邊緣處，從力的平衡來看，若想保持幕簾的穩(wěn)定，導(dǎo)桿與幕簾之間的吸附力必須大于2σ，即吸附力>2σ。

對(duì)于表面張力相同的涂料而言，低剪切黏度大的涂料潤(rùn)濕性比較差，涂料與導(dǎo)桿的結(jié)合力弱，導(dǎo)桿邊緣處更易發(fā)生破簾。因而降低涂料表面張力的同時(shí)，還應(yīng)提高涂料與導(dǎo)桿的附著力。某些簾式涂布頭在導(dǎo)桿邊緣處添加稀釋水，就是基于提高涂料潤(rùn)濕性，進(jìn)而提高涂料與導(dǎo)桿附著力的考慮。

2.2增稠劑對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響

據(jù)文獻(xiàn)[5]報(bào)道，涂料中添加PVA后，涂料的靜態(tài)表面張力變化不大；PVA用量達(dá)到3份以上時(shí)，涂料的動(dòng)態(tài)表面張力略有增加。增稠劑的添加會(huì)對(duì)顏料粒子的絮聚產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響涂料的延展黏度和低剪切黏度，最終影響幕簾的穩(wěn)定性。

普遍認(rèn)為延展黏度的增加有利于幕簾穩(wěn)定性的提高，Melisa Z Becerra等人[6]研究發(fā)現(xiàn)，通過添加少量高分子聚合物提高涂料的延展黏度，同時(shí)對(duì)低剪切黏度影響不大，可以顯著提高幕簾的穩(wěn)定性。

低剪切黏度對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響，目前存在爭(zhēng)議。Miyamoto等人[7]認(rèn)為，低剪切黏度增加會(huì)影響導(dǎo)桿邊界層處的穩(wěn)定性，不利于幕簾的穩(wěn)定性；Hiroyasu Furukawa等人[3]認(rèn)為，較高的低剪切黏度可以阻止幕簾的斷裂；而Greiller[8]的結(jié)論是，低剪切黏度存在某個(gè)最佳范圍，高于或低于該范圍均不利于幕簾的穩(wěn)定性。這可能是各研究所用涂料存在差異造成的，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用涂料而言，低剪切黏度增加時(shí)，涂料的潤(rùn)濕性變差，涂料與導(dǎo)桿的作用力變?nèi)?，不利于幕簾穩(wěn)定性的提高。當(dāng)涂料低剪切黏度增大時(shí)，幕簾破裂的位置多發(fā)生于導(dǎo)桿邊緣處也證明了這一點(diǎn)。

2.2.1涂料未加表面活性劑時(shí)PVA對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響

圖4 涂料未加表面活性劑時(shí)PVA用量與幕簾穩(wěn)定性的關(guān)系

圖4為涂料未加表面活性劑時(shí)PVA用量與幕簾穩(wěn)定性的關(guān)系。從圖4可以看出，在未加表面活性劑的涂料中，可操作最小流量由PVA用量為0時(shí)的1.64 cm2/s逐漸增加到PVA用量1.5份時(shí)的3.07 cm2/s，這可以說明在沒有表面活性劑作用的情況下，PVA用量的增加對(duì)幕簾的穩(wěn)定性不利。孫軍等人[9]研究表明，涂料的延展黏度隨著PVA用量的增加而增加，雖然延展黏度的提高對(duì)幕簾穩(wěn)定性的提高有利，但低剪切黏度的增加會(huì)使涂料同導(dǎo)桿的潤(rùn)濕時(shí)間增長(zhǎng)，由于沒有表面活性劑的加入，涂料的潤(rùn)濕性不夠，這樣便對(duì)幕簾的穩(wěn)定性造成了不利的影響。因此，在未加表面活性劑的情況下，PVA用量的增加不利于幕簾穩(wěn)定性的提高。

2.2.2涂料添加表面活性劑時(shí)PVA對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響

圖5為涂料添加表面活性劑時(shí)PVA用量與幕簾穩(wěn)定性的關(guān)系。從圖4與圖5可以看出，表面活性劑的作用很明顯，對(duì)于各個(gè)測(cè)量點(diǎn)來說，加入表面活性劑時(shí)涂料的可操作最小流量均小于未加表面活性劑時(shí)的可操作最小流量。

圖5 涂料添加表面活性劑時(shí)PVA用量與幕簾穩(wěn)定性的關(guān)系

從圖5中可知，PVA用量由0.5份增加到1.5份時(shí)，可操作最小流量從1.95 cm2/s逐漸減少到1.55 cm2/s。孫軍等人[9]研究表明，涂料的延展黏度隨著PVA用量的增加而增加，延展黏度的增加可以增加幕簾和導(dǎo)桿脫離的困難程度，在一定程度上利于提高幕簾的穩(wěn)定性。雖然未加PVA涂料的可操作最小流量與添加了1.5份PVA涂料的可操作最小流量相當(dāng)，但實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，未加PVA的幕簾薄弱區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于加了PVA的幕簾薄弱區(qū)域，而且幕簾極易破裂，更重要的是PVA的作用主要體現(xiàn)在幕簾同紙幅接觸的瞬間，幕簾必須擁有足夠好的抗拉伸能力，也就是涂料要有很好的延展黏度，故實(shí)驗(yàn)過程中，加入PVA是有必要的。

Hiroyasu Furukawa等人[3]也得出了類似的結(jié)論，當(dāng)PVA用量較少時(shí)，隨著PVA用量的增加，幕簾的穩(wěn)定性提高。但PVA用量超過一定量后，由于涂料發(fā)生了過多絮聚，反而會(huì)影響幕簾穩(wěn)定性。

2.3涂料固含量對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響

表2與圖6為涂料固含量與幕簾穩(wěn)定性的關(guān)系。由表2可以看出，隨著涂料固含量的升高，幕簾的可操作最小流量總體的趨勢(shì)上是逐漸減少的，即幕簾的穩(wěn)定性是逐漸提高的，但變化不是很大，且涂料固含量在53.3%時(shí)的可操作最小流量要比涂料固含量為55.3%時(shí)的低。孫軍等人[9]研究了涂料固含量對(duì)涂料延展黏度的影響，發(fā)現(xiàn)涂料固含量的增加會(huì)帶來延展黏度的增加。延展黏度的增加利于幕簾穩(wěn)定性的提高，利于可操作最小流量的降低。但是，另一方面，涂料固含量升高使低剪切黏度升高，如表2所示，涂料固含量為53.3%時(shí)的低剪切黏度為805 mPa·s，而涂料固含量為59.3%時(shí)的低剪切黏度為1492 mPa·s，低剪切黏度的升高不利于潤(rùn)濕速率的提高，在一定程度上不利于幕簾穩(wěn)定性的提高。兩方面因素綜合影響，造成了可操作最小流量相差不大，而且出現(xiàn)波動(dòng)。

表2 涂料固含量與幕簾穩(wěn)定性的關(guān)系

圖6 涂料固含量與幕簾穩(wěn)定性的關(guān)系

2.4顏料配比對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響

圖7 顏料配比對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響

圖7為高嶺土用量與幕簾穩(wěn)定性的關(guān)系。由圖7可知，高嶺土用量由20份增加到40份，幕簾的可操作最小流量逐漸升高，即幕簾的穩(wěn)定性逐漸降低，但是影響程度不是很大，可操作最小流量從高嶺土用量20份時(shí)的1.92 cm2/s，逐漸增長(zhǎng)到40份時(shí)的2.24 cm2/s。孫軍等人[9]研究了不同顏料配比對(duì)涂料延展黏度的影響，發(fā)現(xiàn)涂料低剪切黏度隨高嶺土用量的增加而明顯增加，而對(duì)于涂料延展黏度卻呈現(xiàn)出相反的結(jié)果。一方面，高嶺土用量的增加帶來了涂料低剪切黏度增加，給動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕帶來不利。另一方面，高嶺土用量的增加使得涂料延展黏度降低，故而高嶺土用量的增加會(huì)對(duì)幕簾的穩(wěn)定性造成不利的影響。EunHeui Choi等人[5]的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，100%重質(zhì)碳酸鈣涂料的幕簾穩(wěn)定性優(yōu)于100%高嶺土涂料的幕簾穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

(1)增加幕簾與導(dǎo)桿的結(jié)合力，有利于幕簾穩(wěn)定性的提高。

(2)對(duì)于未加表面活性劑的涂料來說，未加聚乙烯醇(PVA)時(shí)的可操作最小流量為1.64 cm2/s，PVA用量為1.5份時(shí)的可操作最小流量為3.07 cm2/s；對(duì)于加入表面活性劑的涂料來說，PVA用量為0.5份時(shí)的可操作最小流量為1.95 cm2/s，PVA用量為1.5份時(shí)的可操作最小流量為1.55 cm2/s。

(3)涂料固含量對(duì)幕簾穩(wěn)定性影響有限。

(4)高嶺土用量為20份時(shí)的可操作最小流量為1.92 cm2/s，高嶺土用量為40份時(shí)的可操作最小流量為2.24 cm2/s。高嶺土用量增加，幕簾穩(wěn)定性降低，但影響不是很大。

[1] SUN Jun, LIU Jin-gang, WANG Bi-song, et al. The Application of Surfactants in Curtain Coating[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(7): 19． 孫 軍, 劉金剛, 王比松, 等. 表面活性劑在簾式涂布中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)造紙, 2010, 29(7)： 19．

[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(guó)造紙, 2009, 28(6): 63．

[3] Hiroyasu Furukawa, Hiroshi Kanai, Magonori Nagase, et al. Effect of Liquid Properties on Curtain Stability in Low Flow Rate[J]. ISIJ International, 2013, 53(1): 119.

[4] Peter M Schweizer. Curtain coating-stability a critical operating parameter[J]. Paper Technology, 2004, 45(2): 28．

[5] EunHeui Choi, ChaeHoon Kim, HyeJoungYoun, et al. Influence of PVA and CMC on the Properties of Pigment Coating Colors and Their Effects on Curtain Stability[J]. BioResources, 2015, 10(4): 7188．

[6] Melisa Z Becerra, Marcio S Carvalho. STABILITY OF VISCOELASTIC LIQUID CURTAIN[C]//Proceedings of COBEM. Granado, RS, Brazil: ABCM, 2009.

[7] Miyamoto K, Katagiri Y. Liquid Film Coating[M].London: Chapman & Hall, 1997．

[8] Greiller J F. Method of Making Photographic Elements: US, 3632374[P]. 1972- 01- 04．

(責(zé)任編輯：董鳳霞)

StudyontheFactorsAffectingCurtainStabilityinCurtainCoating

LI Hong-cai1,2,*SUN Jun1,2LIU Jin-gang1,2WANG Bi-song1,2

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

The influences of guide rod, thickener, coatings solid content and pigments formulation of coatings on curtain stability in curtain coating were studied. The results showed that the stability of curtain could be improved by increasing the binding force between coatings and guide rod. For the coatings without surfactant, when PVA dosage was 1.5 parts, the operational minimum flow increase from 1.64 cm2/s to 3.07 cm2/s; for coatings with surfactant, when PVA dosage increased from 0.5 part to 1.5 parts, the operational minimum flow decreased from 1.95 cm2/s to 1.55 cm2/s. Coatings solid content had a little effects on curtain stability. When clay content increased from 20 parts to 40 parts, the operational minimum flow increased from 1.92 cm2/s to 2.24 cm2/s．

stability of curtain; guide rod; thickener; solid content; proportion of pigments

李洪才先生，工程師；主要研究方向：涂布技術(shù)。

TS735+.1

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.09.001

2017- 04- 07(修改稿)

(*E-mail: lihongcai003@126.com)