一種新型生物基膠乳在涂布紙中的應用

高海明，戴 玲，張德合，隋曉飛，施立才，宣彬淮

（九洲生物技術（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215000）

一種新型生物基膠乳在涂布紙中的應用

高海明，戴 玲，張德合，隋曉飛，施立才，宣彬淮

（九洲生物技術（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215000）

研究了一種新型生物基膠乳取代一定比例的丁苯膠乳應用于灰底白紙板涂料，分析其對涂料指標、紙機運行性以及涂布紙成紙指標的影響。結果顯示：生物基膠乳可以等量替代丁苯膠乳，替代比例可以達到質量分數30%～35%，涂料的流變性、保水性良好，紙機上運行性良好；生物基膠乳替代質量分數30%～35%丁苯膠乳后的成紙物理性能良好，成紙的表面強度、印刷干強和濕強、成紙耐濕摩擦性能、表面抗水性能以及其他印刷性能等指標優(yōu)良；生物基膠乳在實驗室的應用評估數據對其在客戶紙機上的應用具有指導意義。

生物基膠乳；涂料；運行性；涂布紙

Abstract：A new type biology based latex was used to replace a certain proportion of styrene-butadiene latex applied to the grey-white paperboard coatings，and its influence on the coating index，the running ability of the paper machine and the paper index was analyzed.The results showed that the biology based latex can substitute styrene-butadiene latex by the same weight.The water retention and rheological properties of the coatings as well as the running ability of paper machine are all good when the mass fraction of biology based latex reached 30%to 35%.Meanwhile，the physical performance and the surface strength of the paper，the dry and wet strength of printing，the wet friction resistance of the paper，the surface water resistance，and other printing performances were also pretty good when the ratio of biology based latex reached 30%to 35%.The application evaluation data of bio-based latex in the laboratory is of guiding significance to the application of the products on the customer’s paper machine.

Key words：biology based latex；coating；running ability；coated paper

目前，隨著包裝業(yè)和造紙業(yè)的飛速發(fā)展，為了滿足紙張的印刷性能和紙張的加工性能要求，必須開發(fā)優(yōu)良的涂布加工紙助劑。涂料主要由顏料、膠粘劑和其他少量助劑組成，膠粘劑是涂料中的重要組成部分[1-2]，它在很大程度上決定著涂料的性能，如黏度、流變性、保水性等[3-5]。膠粘劑的主要作用是將顏料顆粒之間和顏料與原紙之間黏結起來以形成牢固的涂層，因此這就要求膠粘劑應對顏料有較強的黏結力，否則會出現掉毛掉粉現象[6]；其次，膠粘劑與顏料的適應性要好，并且要保證涂層具有合適的吸墨性和塑性，以提高成紙的光澤度和印刷光澤度等[7]；涂布膠粘劑中最常用及使用量最大的一般為丁苯膠乳，丁苯膠乳是由丁二烯和苯乙烯共聚合成[8-9]，從20世紀50年代開始作為膠粘劑用于紙張涂布，由于丁二烯和苯乙烯及其他小的單體主要來自于石油。隨著石油資源的日益短缺與人們環(huán)保意識的逐年提高，石油價格不斷上漲，導致丁苯膠乳的價格也日益攀升，造成涂布紙生產企業(yè)的生產壓力加大，因此，尋找丁苯膠乳的替代性膠粘劑成為各個造紙企業(yè)的關注熱點。

目前，實驗室研究和工廠實踐表明，淀粉基生物膠乳在涂料中用量有限，對合成膠乳的替代量一般低于50%。Bloernbergen等報道，當淀粉基生物膠乳在涂料中替代25%～50%的羧基丁苯膠乳或苯丙膠乳時，對成紙質量沒有明顯影響[10]。任清淵等發(fā)現，淀粉基生物膠乳在銅版紙預涂涂料中取代10%的丁苯膠乳時，涂層的表面強度、印刷光澤度、油墨吸收性良好，印刷密度均勻；而當取代量超過20%時，涂層的表面強度、印刷光澤度明顯下降，并出現印刷發(fā)花等問題[11]。仇如全等在涂布白卡紙底涂中以淀粉基生物膠乳替代30%的合成膠乳，成紙的印刷表面強度降低[12]。危志斌等將淀粉基生物膠乳用于銅版紙和白卡紙生產，發(fā)現其對石化膠乳的最大取代量為30%，用量增加會造成涂布紙表面強度降低、印刷發(fā)花等質量問題[13]。

國外丁苯膠乳價格昂貴，國內丁苯膠乳質量欠佳，加之原料丁二烯和苯乙烯價格波動較大等因素，給廣大造紙廠家?guī)砹松a和銷售的困難。九洲生物技術（蘇州）有限公司具有十幾年膠粘劑產品的研發(fā)經驗，根據市場客戶和產品創(chuàng)新發(fā)展的需要，成功開發(fā)出一種新型的生物基膠乳PME，能夠達到以質量分數35%的比例替代目前使用的丁苯膠乳產品，改善了紙張品質，節(jié)降了生產成本。

1 實驗

1.1 實驗原料

涂料組分：高嶺土（粉末），粒度≤2 μm的達93%以上，由茂名石化礦業(yè)有限公司提供；重質碳酸鈣（GCC，分散液），粒度≤2 μm 的達 95%以上和粒度≤2 μm的達70%以上，取自富陽某廠；羧基丁苯膠乳（Styronal 302G）（以下簡稱“丁苯膠乳”），作為膠粘劑，平均粒徑 0.15 μm，玻璃化溫度（Tg）10 ℃，由巴斯夫上海公司提供；生物基膠乳PME（以下簡稱“PME”）、分散劑、潤滑劑以及抗水劑等涂料助劑，均為九洲生物技術 （蘇州）有限公司自產；聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素（CMC）及未涂灰底白紙板原紙，均取自富陽某造紙廠。

1.2 實驗設備

高速分散機，型號Model 2.5，T K，日本；黏度計，型號LVDV-II+Pro，美國；快速水分儀，型號XM60，瑞士；pH計，型號S220-B+Power Pro，梅特勒；激光粒度分布儀器，型號BT-9300H，中國；實驗室涂布機，型號K303，英國；高剪切黏度儀，型號DV-10，美國；保水度儀，型號AAGWR-250，美國；烘干機，型號L-3D，日本；中試壓光機，型號NYG300，中國；平滑度儀，型號BEEK，日本；PPS粗糙度儀，型號 Technidyne，美國；光澤度儀，型號Technidyne，美國；印刷適性儀，型號RI-2，日本；Cobb 測試儀，型號 ZB-COBB125，中國；IGT印刷適性儀，型號AIC2-5T2000，芬蘭；濕摩擦儀（耐磨耗試驗機），型號 Taber 5135，美國；濁度儀，型號2100AN，美國。

1.3 實驗方法

1.3.1 涂料配制

高嶺土分散：高嶺土采用高速分散器在4 500 r/min轉速下分散30 min，固含量為68%，分散劑用量為質量分數0.3%（相對絕干顏料的質量）。

PVA蒸煮：將涂布中PVA-05配制成12%質量分數的水溶液，置于溫度95℃的恒溫水浴鍋中蒸煮30 min待完全溶解，蒸煮過程中用攪拌器恒速攪動，蒸煮完成待冷卻后補加蒸發(fā)失去的水分，備用。

CMC蒸煮：將涂布中CMC配制成10%質量分數的水溶液，置于溫度70℃的恒溫水浴鍋中糊化30 min，糊化過程中用攪拌器恒速攪動，糊化完成待冷卻后補加蒸發(fā)失去的水分，備用。

淀粉糊化：將涂布淀粉配制成30%質量分數的水溶液，置于溫度70℃的恒溫水浴鍋中糊化30 min，糊化過程中用攪拌器恒速攪動，糊化完成待冷卻后補加蒸發(fā)失去的水分，備用。

最后將高嶺土預分散液、碳酸鈣、羧基丁苯膠乳、CMC、增白劑和蒸餾水按照一定配比加入到分散桶中，攪拌均勻并用NaOH溶液調節(jié)涂料的pH至8.0～8.5，得到成品涂料。

涂料配方：PME按照推廣客戶現用底涂配方對丁苯膠乳分別按0%、30%、35%和40%質量分數的比例進行取代評估，配方如表1所示。面涂配方采用客戶的成品涂料。

表1 PME取代配方評估

1.3.2 涂布、干燥和壓光

用刮棒式涂布器對原紙進行單面2次性涂布，涂完后在烘干機 L-3D干燥（溫度105℃）。采用實驗室壓光機在壓力4.5 MPa、溫度80℃的條件下，對涂布紙涂布面進行2次軟輥壓光。試樣壓光后，在（23±1）℃和（50±2）%恒溫恒濕條件下放置 24 h。

1.4 分析測試

1.4.1 涂料物理性能檢測

低剪切黏度的檢測：旋轉黏度計轉速100 r/min，測試溫度 25℃。涂料保水度的檢測：測試時間120 s、壓力0.5 MPa、溫度25℃。高剪切黏度的檢測：選擇直徑為40 mm的平行板作為測試單元，測定溫度為25℃，測試板與樣品臺之間的間隙為 200 μm，剪切速率范圍設為 1～50 000 s-1。

1.4.2 紙張的基本物理性能測試

濕摩擦的檢測方法：將被測涂布紙定量取樣制成紙樣，并將紙樣固定在耐磨耗試驗機的樣件盤中，向樣件盤中加水30 mL，之后將樣件盤放入磨耗儀中對紙樣進行磨耗，設置為10圈，磨耗完成，檢測樣件盤中液體濁度；數值越大，涂層的抗?jié)衲Σ列阅茉讲?，涂層越容易遇濕瓦解?/p>

紙張的其他基本物理性能均參照相關國家標準檢測。

2 結果與討論

2.1 2類膠乳基本物理性能比較

膠乳基本物理性能如表2所示。

表2 樣品基本物理性能

由表2可知，PME的黏度、pH和固含量與丁苯膠乳相差不大，Tg高于丁苯膠乳，粒徑小于丁苯膠乳。粒徑小有利于成紙IGT強度的提升，而Tg高有助于改善成紙油墨吸收性和表面性能[14]。

2.2 涂料基本物理性能比較

涂料基本物理性能如表3所示。

從表3可以看出，PME在涂料底涂配方中分別以質量分數30%、35%和40%的比例取代丁苯膠乳后，涂料的pH、保水性和高剪切黏度等基本保持不變，低剪切黏度變好。整體上基本不改變原有涂料體系的性能，保證了使用PME后的涂料能夠按照原有體系工藝參數順利實現涂布，滿足客戶的使用要求。

表3 涂料基本物理性能

2.3 添加不同比例的生物膠乳對成紙物理性能的影響

將經過壓光后的紙張按照標準的要求在恒溫恒濕室內放置24 h后，測量紙張的物理性能，測量結果如表4所示。

表4 成紙基本物理性能檢測結果

由表4可知，在原紙的定量與涂布量相近的情況下，PME分別以30%、35%和40%質量分數的比例取代丁苯膠乳后，成紙的白度、K&N值和Cobb值未見明顯變化。

圖1～3直觀地顯示了在原紙的定量與涂布量相近的情況下，PME分別以30%、35%和40%質量分數的比例取代丁苯膠乳后，PME對其成紙光澤度、強度和抗?jié)衲Σ列阅艿挠绊戁厔荨?/p>

由圖1可見，隨著PME取代量的增加，成紙光澤度有下降的趨勢，其中當PME以40%質量分數的比例取代丁苯膠乳時，成紙光澤度下降達到3百分點。這可能是因為丁苯膠乳具有熱可塑性，而PME由于部分生物基的組分，其熱可塑性略低于石油基產品，從而導致其光澤度呈下降趨勢。

圖1 PME對成紙光澤度的影響

如圖2所示，PME小比例取代時，對成紙IGT強度影響不大，如分別以PME的30%和35%質量分數的比例取代丁苯膠乳時，成紙IGT強度基本不變，而當PME取代質量分數的比例達到40%時，成紙IGT強度下降明顯。

圖2 PME對成紙IGT強度的影響

如圖3所示，PME小比例取代時，對成紙抗?jié)衲Σ列阅苡绊懖淮?，而當PME取代比例達到40%時，成紙抗?jié)衲Σ列阅茏儾?，不利于后續(xù)的膠版印刷。

圖3 PME對成紙抗?jié)衲Σ列阅艿挠绊?/p>

綜合以上，PME可以在客戶處以35%的質量分數的比例取代客戶現用丁苯膠乳。

3 產品應用案例

3.1 紙機相關參數

紙機相關參數如下：紙機車速為260 m/min；紙機幅寬為2 880 mm；施膠方式為正面膜轉移式施膠，背面刮刀施膠；涂布方式為正面2次刮刀涂布。

3.2 中試過程

中試紙種為定量300 g/m2灰底白紙板；中試時間：2016年12月8～13日。

為了謹慎起見，在客戶處，PME開始以25%質量分數的比例替代客戶現用丁苯膠乳，運行幾個小時，檢測回流涂料物理性能和成紙物理性能，之后，PME的替代比例逐漸調整至質量分數30%和35%。

3.3 涂料物理性能

中試過程中，新配涂料物理性能和回流涂料物理性能分別如表5和表6所示。

表5 涂料槽涂料基本物理性能

表6 回流涂料基本物理性能

由表5和表6可知，PME分別以25%、30%和35%質量分數的取代比例取代丁苯膠乳后，涂料的低剪切黏度、pH、保水性和高剪切黏度等基本保持不變，涂料流變性及保水性良好，整體上基本不改變原有涂料體系的性能，保證了使用PME后的涂料能夠按照原有體系工藝參數順利實現涂布作業(yè)，滿足了客戶的使用要求。并且從紙機回料槽所取回流涂料基本物理性能對比，也相差不大，運行性良好，滿足了客戶紙機要求。

3.4 成紙的物理性能

將生產上下機成品紙按照標準的要求在恒溫恒濕室內放置24 h后，測量紙張物理性能，測試結果如表7所示。

表7 中試成品紙的物理性能

從表7可以看出，PME在底涂中分別以25%、30%和35%質量分數的比例取代丁苯膠乳后，成紙表面的物理性能沒有發(fā)生太大的變化，成紙強度性能基本相當，成紙物理性能良好，成紙的表面強度、印刷干強和濕強、成紙耐濕摩擦性能、表面抗水性能以及其他印刷性能等指標優(yōu)良。后續(xù)客戶將不同的中試紙樣送到印刷廠進行印刷試驗，據客戶反饋紙張印刷效果良好，色彩明亮。產品的使用效果得到客戶認可。

3.5 生產成本比較

最重要的是，PME價格比丁苯膠乳便宜2 000元/t左右，客戶底涂現用丁苯膠乳噸紙用量18 kg，生物基膠乳PME以30%～35%質量分數的比例取代丁苯膠乳，大約給客戶帶來噸紙15～18元的成本節(jié)降，極大降低了客戶的生產成本。如按照客戶年產10萬t計算，每年可節(jié)約生產成本150萬～180萬元，優(yōu)勢明顯。

4 結論

（1）PME可以等量替代丁苯膠乳，替代比例可以達到質量分數30%～35%，涂料的流變性、保水性良好，紙機上運行性良好。

（2）PME以質量分數30%～35%的比例替代丁苯膠乳后的成紙物理性能良好，成紙的表面強度、印刷干強和濕強、成紙耐濕摩擦性能、表面抗水性能以及其他印刷性能等指標優(yōu)良。

（3）PME部分代替丁苯膠乳在實驗室的應用評估數據對其在客戶紙機上的應用具有指導意義。

（4）PME部分代替丁苯膠乳能夠給涂布紙廠家?guī)砩a成本的大幅下降，得到市場和客戶認可。

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Application of a New Biology Based Latex in Coated Paper

GAO Hai-ming，DAI Ling，ZHANG De-he，SUI Xiao-fei，SHI Li-cai，Xuan Bin-huai
（Nine Continent Biotechnology（Suzhou）Co.，Ltd.，Suzhou 215000，China）

TS727+.3

A

1007-2225（2017）04-0008-05

2017-05-28（修回）

高海明先生（1987-），碩士，工程師；專攻方向：涂料化學品開發(fā)及應用；E-mail：gaohm@nccchina.cn。

本文文獻格式：高海明，戴玲，張德合，等．一種新型生物基膠乳在涂布紙中的應用[J]．造紙化學品，2017，29（4）∶8-12．