新型涂布膠粘劑FennoBind K6S取代部分面涂丁苯膠乳及相應(yīng)顏料優(yōu)化的應(yīng)用研究

顏家松，辛穎

（凱米拉（上海）管理有限公司，上海201112）

涂料技術(shù)的發(fā)展受現(xiàn)代涂布和印刷技術(shù)，以及環(huán)保和成本的驅(qū)動(dòng)[1]。膠粘劑是紙張涂料中繼顏料之后第2主要的成分，占涂料總質(zhì)量的10%～20%；而從成本上看，許多配方中膠粘劑成本占總成本的50%以上。目前，應(yīng)用于造紙涂料的膠粘劑主要有淀粉、聚乙烯醇、生物膠乳、丁苯膠乳和苯丙類(lèi)膠乳等，行業(yè)內(nèi)對(duì)它們的研究也較多[2-5]。其中丁苯膠乳因其良好的流變性能、較高的固含量和膠粘能力、良好的可印刷性等優(yōu)點(diǎn)，較好地適應(yīng)了高車(chē)速、高固含量的涂布技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，在造紙涂料膠粘劑領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。

一種專(zhuān)利的新型涂料膠粘劑FennoBind K6S被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這種膠粘劑的特點(diǎn)在于其無(wú)表面活性劑乳化合成技術(shù)，相比常規(guī)丁苯膠乳，這種技術(shù)合成的膠粒粒徑超細(xì)（見(jiàn)圖1和圖2），對(duì)剪切力、溫度及金屬離子穩(wěn)定，涂布運(yùn)行穩(wěn)定；同等質(zhì)量下，粒徑減小，膠粒個(gè)數(shù)倍數(shù)增加，黏結(jié)效率提高。因其更高的膠粘性能，同等強(qiáng)度下，F(xiàn)ennoBind K6S對(duì)丁苯膠乳的典型替代比率是1∶2（即絕干質(zhì)量比，1份FennoBind K6S可取代2份丁苯膠乳），特定條件下，1∶3的替代水平也是可以實(shí)現(xiàn)的?？偰z粘劑水平降低，涂料成本下降，涂層結(jié)構(gòu)更開(kāi)放，紙張光學(xué)性能改善，對(duì)多種印刷方式都能提供出色的印刷性能。紙張性能的改善，也使紙廠有更高的靈活度去調(diào)整顏料系統(tǒng)，如用低成本的研磨碳酸鈣（GCC）取代昂貴的顏料，如沉淀碳酸鈣（PCC）、瓷土等，在保持或提高紙張質(zhì)量的前提下進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

圖1 FennoBind（粒徑46 nm，比表面積125 m2/g）

圖2 常規(guī)膠乳（粒徑125 nm，比表面積46 m2/g）

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)一些紙廠及研究機(jī)構(gòu)僅有簡(jiǎn)單的棒式涂布機(jī)，這種涂布機(jī)未連接即時(shí)快速干燥裝置。這種設(shè)備可有效評(píng)估丁苯膠乳性能，因?yàn)橥ǔＪ惺鄱”侥z乳玻璃化溫度較低，常溫下即可成膜[6]。但在評(píng)估FennoBind K6S時(shí)，因其粒徑超細(xì)，易遷移，如未配合快速干燥及時(shí)成膜，會(huì)發(fā)生過(guò)快遷移，導(dǎo)致表面強(qiáng)度下降，因此實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)其強(qiáng)度性能低于實(shí)際上機(jī)結(jié)果。

本文的目的是確立有效評(píng)估新型膠粘劑FennoBind K6S性能的實(shí)驗(yàn)室棒涂方法，驗(yàn)證這種膠粘劑部分取代面涂丁苯膠乳后改善紙張性能的效果，探索在保持或提高涂布紙質(zhì)量前提下，進(jìn)一步降低成本的顏料優(yōu)化方案。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

涂布原紙（定量為130 g/m2，2面各1道預(yù)涂）、面涂顏料、膠乳和助劑等均取自客戶(hù)紙廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其執(zhí)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

Brookfield黏度儀，美國(guó)Brookfield公司，型號(hào)DV-II+P；保水度儀，供應(yīng)商為Kaltec Scientific有限公司，型號(hào)AA-GWR 250；赫克力士高剪切黏度儀，供應(yīng)商為DT Paper Science Oy公司，型號(hào)DV-10；棒式涂布機(jī)，供應(yīng)商為Gist公司，型號(hào)GBC-A4；壓光機(jī)，供應(yīng)商為DT Paper Science Oy公司；白度儀，供應(yīng)商為久貿(mào)上海有限公司，型號(hào)Technidyne CTP-ISO，執(zhí)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)APPI T 452；光澤度儀，供應(yīng)商為L(zhǎng)orentzen&Wette公司，型號(hào)363，執(zhí)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)APPI T 480；平滑度儀，供應(yīng)商為杭州輕通博科自動(dòng)化技術(shù)有限公司，型號(hào)BST，執(zhí)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)APPI T479；透氣度測(cè)試儀，供應(yīng)商為L(zhǎng)orentzen&Wette公司，型號(hào)L&W 166，執(zhí)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)APPI T 460；IGT印刷適性?xún)x，供應(yīng)商為思百吉中國(guó)有限公司，型號(hào)AIC2-5 T2000；色密度儀，供應(yīng)商為T(mén)echkon GmbH公司，型號(hào)SpectroDens，執(zhí)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ISO 5-3/4。

1.3 涂布、烘干及壓光方法

較高的涂布量和不足的烘干條件會(huì)增大FennoBind K6S向原紙遷移的自由度，是常為實(shí)驗(yàn)室不能驗(yàn)證FennoBind K6S強(qiáng)度性能的重要原因，為達(dá)到盡量減少FennoBind K6S遷移的目的，本文特意選擇較低涂布量并強(qiáng)化涂布紙的烘干。

1.3.1 涂布及烘干

3號(hào)刮棒控制涂布量為10～12 g/m2，涂布速度為7 cm/s；涂布前，刮棒下墊一層塑料膜，防止加涂料時(shí)水分滲入紙中；涂布后盡快將涂布紙轉(zhuǎn)移入涂布機(jī)旁烘箱中，以盡量貼近紙機(jī)實(shí)際，減少膠粘劑遷移，烘箱溫度為125℃，烘干時(shí)間為30 s。

1.3.2 壓光

壓光條件：溫度為70℃，壓力為6 MPa，壓光速度為10 m/min，對(duì)角壓2遍。

2 結(jié)果與討論

涂料配方的設(shè)計(jì)、涂料流變性及涂布性能結(jié)果見(jiàn)表1（表中：T1是面涂參考配方；T2是相對(duì)參考配方少用1.5份膠乳；T3是FennoBind K6S取代面涂30%丁苯膠乳，取代絕干質(zhì)量比1∶2，總膠粘劑用量8.5份；T4在T3配方基礎(chǔ)上對(duì)顏料組分作了優(yōu)化，4質(zhì)量份95級(jí)研磨碳酸鈣取代了面涂4質(zhì)量份瓷土）。

越高用量膠乳被取代，膠粘劑總量越低，涂層孔隙越多，膠粘劑更易向原紙遷移[7]。為避免潛在不利影響，膠乳取代率選擇為30%，而沒(méi)有用更高取代率，如50%以上等。

表1 涂料配方，涂料流變性及涂布性能

為了更直觀地表示表1顯示的數(shù)據(jù)，以下分別用圖和分表來(lái)顯示它們的變化趨勢(shì)并予以討論。

2.1 涂料流變性

圖3和圖4分別顯示了不同配方時(shí)涂料的保水值和高剪切黏度。

由圖3和圖4可見(jiàn)，同等條件下（涂料固含65%，pH為～9，低剪切黏度為～1 200 mPa·s），用Fenno Bind K6S的涂料配方流變性總體改善。FennoBind K6S取代面涂部分丁苯膠乳后，涂料保水值略變大，高剪切黏度略降低，涂料流送及流平性能更好。用4質(zhì)量份面涂GCC等量取代4質(zhì)量份瓷土，進(jìn)一步調(diào)整涂料配方后，涂料流變性無(wú)明顯變化。

FennoBind K6S不含表面活性劑，相比常規(guī)丁苯膠乳，這種膠粘劑對(duì)剪切力、溫度及金屬離子穩(wěn)定。用于涂料，為各種涂布方式提供穩(wěn)定的運(yùn)行性，減少紙病。

圖3 不同配方下涂料保水值

圖4 不同配方下涂料高剪切黏度

2.2 涂布紙白度和亮度及色相

表2顯示了涂布紙的白度、亮度及色相。

表2 涂布紙的白度、亮度及色相

由表2可見(jiàn)，用FennoBind K6S，不管是簡(jiǎn)單取代膠乳還是同時(shí)優(yōu)化顏料配方，對(duì)涂布紙亮度、白度及色相均無(wú)明顯影響。壓光后紙張白度和亮度略微下降，但不改變不同配方之間的對(duì)比結(jié)果。

2.3 涂布紙光澤度

圖5和圖6分別為涂布紙壓光前和壓光后的光澤度。

圖5 涂布紙光澤度（壓光前）

圖6 涂布紙光澤度（壓光后）

由圖5可見(jiàn)，對(duì)未壓光涂布紙，使用FennoBind K6S（30%，1∶2）后，涂布紙光澤度提升。因總膠粘劑用量降低，涂層孔隙體積增加，涂層光散射的增強(qiáng)是光澤度提升的主要原因，光澤度的提升也是涂層光學(xué)遮蓋性增強(qiáng)的證據(jù)。用4質(zhì)量份面涂GCC等量取代4質(zhì)量份瓷土，進(jìn)一步調(diào)整涂料配方后，涂布紙光澤度降低但仍高于參考配方。

由圖6可見(jiàn)，對(duì)壓光后涂布紙，用FennoBind K6S（30%，1∶2），涂布紙光澤度與參考配方同等水平；FennoBind K6S使用的同時(shí)降低瓷土用量，涂布紙光澤度略低于參考配方。一定程度上，表面平滑度受涂料厚度影響，從而影響到光澤度。同樣的，涂層孔隙度明顯影響光澤度。涂布紙壓光后，涂層變得緊實(shí)，不同涂料配方所得涂層的孔隙度差異變小，在這種條件下，光澤度的提升由表面平滑度主導(dǎo)。瓷土因其更趨于片狀，易于壓光得到較平滑的表面，降低瓷土用量，壓光后涂布紙的光澤度下降。因此，對(duì)高光澤銅版紙，使用FennoBind K6S同時(shí)降低瓷土用量時(shí)，建議微調(diào)壓光溫度或壓力以提高紙面光澤度。

2.4 涂布紙Gurley透氣度（壓光后）

圖7為涂布紙Gurley透氣度（壓光后）。

圖7 涂布紙Gurley透氣度

由圖7可見(jiàn)，用FennoBind K6S（30%，1∶2），總膠粘劑用量降低，涂層孔隙體積增加，表現(xiàn)為涂布紙Gurley透氣度數(shù)值下降，涂層更開(kāi)放，涂布紙烘干能耗降低；用FennoBind K6S同時(shí)降低瓷土用量，Gurley透氣度數(shù)值繼續(xù)下降。Gurley透氣度測(cè)量的是空氣穿過(guò)整個(gè)涂布紙所需的時(shí)間，空氣在通過(guò)與紙面平行的片狀瓷土粒子時(shí)繞行的距離更長(zhǎng)，阻力更大。瓷土用量降低，同等條件下空氣通過(guò)紙張的阻力變小，是Gurley透氣度繼續(xù)下降的原因。

2.5 涂布紙油墨干燥速度及油墨需求（壓光后）

圖8和圖9分別顯示了涂布紙油墨干燥速度和油墨需求情況。

圖8 涂布紙油墨干燥速度

圖9 涂布紙的油墨需求量

圖8中，墨色密度越大，表示油墨干燥速度越慢。由圖8，用FennoBind K6S（30%，1∶2），因總膠粘劑用量降低，涂層孔隙體積增加，更多表面微孔導(dǎo)致油墨干燥速度加快[8]。瓷土因其架橋效應(yīng)，易形成多孔隙、油墨吸收速度快的涂層。用FennoBind K6S同時(shí)降低瓷土用量，油墨干燥速度相對(duì)于單獨(dú)使用FennoBind K6S變慢，但仍?xún)?yōu)于參考配方。

由圖9，用FennoBind K6S（30%，1∶2），涂布紙油墨需求量降低，印刷更經(jīng)濟(jì)，換言之，同等油墨用量下，墨色密度更高，印刷色彩更鮮艷，質(zhì)量更高。在此基礎(chǔ)上降低4質(zhì)量份瓷土，油墨需求量無(wú)明顯變化?？偰z粘劑用量降低，涂層孔隙體積變大，光散射增大，對(duì)涂層表面油墨的光散射有利，是同等墨色密度下油墨需求量降低的原因。

2.6 涂布紙印刷光澤度（壓光后）

圖10為涂布紙印刷光澤度（壓光后）。

圖10 涂布紙印刷光澤度

由圖10可見(jiàn)，用FennoBind K6S或用FennoBind K6S同時(shí)降低瓷土用量，涂布紙印刷光澤度相比參考配方保持一致。

2.7 涂布紙IGT干拉毛強(qiáng)度（壓光后）

圖11為涂布紙IGT干拉毛強(qiáng)度（壓光后）。

圖11 涂布紙IGT干拉毛強(qiáng)度

由圖11可見(jiàn)，盡管總膠粘劑用量明顯減少，用FennoBind K6S，涂布紙仍有不弱于參考配方的表面強(qiáng)度。用FennoBind K6S同時(shí)降低瓷土用量，表面強(qiáng)度輕微提高。通常面涂細(xì)瓷土的比表面積較大，對(duì)膠乳的需求相比GCC要高。瓷土用量降低，顏料總比表面積下降，對(duì)膠粘劑需求變少使得表面強(qiáng)度提高。

2.8 涂布紙IGT濕拉毛強(qiáng)度/IGT濕排斥（壓光后）

表3為涂布紙的IGT濕拉毛強(qiáng)度/IGT濕排斥（壓光后）。

表3 涂布紙的IGT濕拉毛強(qiáng)度/IGT濕排斥

由表3可見(jiàn)，相比參考配方，用FennoBind K6S或用FennoBind K6S同時(shí)降低瓷土用量，涂布紙面均無(wú)IGT濕拉毛強(qiáng)度及明顯IGT濕排斥現(xiàn)象。

IGT濕排斥強(qiáng)度與涂層孔隙體積及直徑密切相關(guān)。壓光后，涂層被擠壓，孔隙直徑變小，對(duì)液體的毛細(xì)管吸收作用更強(qiáng)，同時(shí)膠粘劑用量較低，表面毛細(xì)管較多是涂布紙IGT濕排斥不明顯的可能原因。凱米拉公司曾在上機(jī)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用FennoBind K6S取代面涂丁苯膠乳（20%，1∶2）后，涂布白板紙的IGT濕排斥明顯改善。

3 結(jié)論

優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)室棒涂方案，控制涂布量10～12 g/m2，同時(shí)涂布后快速干燥涂布紙，使得FennoBind K6S的性能得到充分展示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，F(xiàn)ennoBind K6S取代面涂丁苯膠乳（30%，1∶2），效果及優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下。

（1）生產(chǎn)成本降低。體現(xiàn)在總膠粘劑用量下降，涂料成本降低，以及因更開(kāi)放的涂層帶來(lái)的烘干能耗降低。

（2）涂布紙光學(xué)性能改善。白度、亮度及色相不受影響，紙面光澤度提高（對(duì)板紙），涂層遮蓋力提高，光澤度的提高可為證明。

（3）印刷性能改善。印刷光澤度保持，表面拉毛強(qiáng)度保持或提高，IGT濕排斥保持或改善，油墨干燥速度加快，油墨需求量降低，印刷更經(jīng)濟(jì)，或同等油墨用量下更高的印刷質(zhì)量。

進(jìn)一步調(diào)整面涂涂料配方，用GCC等量取代部分瓷土后，帶來(lái)以下效果。

（1）成本進(jìn)一步降低。

（2）涂布紙光學(xué)性能保持或改善。白度、亮度及色相不受影響。對(duì)板紙，紙面光澤度稍降，但仍?xún)?yōu)于參考配方；對(duì)高光銅版紙，微調(diào)壓光溫度及壓力即可達(dá)到同等光澤度水平。

（3）印刷性能改善。印刷光澤度保持，表面拉毛強(qiáng)度提高，油墨干燥速度雖變慢但仍?xún)?yōu)于參考配方，IGT濕排斥不受影響，油墨需求量不變?nèi)詢(xún)?yōu)于參考配方。

超細(xì)粒徑的新型膠粘劑FennoBind K6S容許總膠粘劑水平的顯著降低，生產(chǎn)成本節(jié)降，涂布紙表面強(qiáng)度不受影響。因合成時(shí)完全不用表面活性劑，F(xiàn)ennoBind K6S作為涂料組分之一，穩(wěn)定性及相容性良好，對(duì)各種涂布方式都有良好的涂布運(yùn)行性。另外，開(kāi)放的涂層結(jié)構(gòu)為膠印、凹印及凸版印刷等多種印刷方式提供高質(zhì)量的印刷效果，也符合數(shù)碼印刷的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)需求。

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