紙張耐濕摩擦性的檢測方法及其應用案例

高海明，戴 玲，施立才

（九洲生物技術(shù)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

涂布紙是在原紙表面涂上一層涂料，使紙張具有良好的光學性質(zhì)及印刷性能等，主要應用于各種彩色印刷，以獲得印刷精美、色彩鮮艷逼真的印品[1-3]。印刷用涂布紙需要有一定的抗水性能，而為了達到表面防水性，除了采用漿內(nèi)施膠或原紙表面施膠的方法外，最直接的辦法便是在涂料中加入增強劑，降低顏料、膠粘劑及各種水溶性成分在干燥成膜后的水溶性，提高涂布紙的拉毛強度、干濕強度及濕摩擦性能[4-6]。

制漿造紙行業(yè)暫時還沒有直接測量耐濕摩擦性能的儀器，也沒有一種可以簡單方便地測量涂布紙耐濕摩擦性能的檢測方法。隨著環(huán)境保護要求及紙張質(zhì)量管控的日趨嚴格，人們對涂布紙制品的要求也越來越高，衡量涂布紙在被打濕情況下的耐磨耗能力的研究受到高度重視[7]。

九洲生物技術(shù)（蘇州）有限公司根據(jù)紙張的印刷方式以及傳統(tǒng)的檢測方法，經(jīng)過不斷的研究和改進，形成了一套可以將涂布紙耐濕摩擦性能檢測指標量化的方法。該方法具有如下優(yōu)點：操作流程簡便，設備簡單，過程易控制，實驗重復性好，可以廣泛應用于涂布紙及部分特種紙領(lǐng)域關(guān)于耐濕摩擦性能指標的檢測，對于涂布紙制品和部分特種紙的指標檢測和工藝優(yōu)化有重要的意義。

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(zhì)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2種，富陽某造紙廠提供；羧基丁苯膠乳，Styronal 302G，平均粒徑 0.15 μm，玻璃化溫度10℃，由巴斯夫上海公司提供；分散劑、潤滑劑以及抗水劑等涂料助劑，為九洲生物技術(shù)有限公司自產(chǎn)；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 2.5T.K，產(chǎn)地日本；黏度計，型號：LVDV-II+Pro，產(chǎn)地美國；快速水分儀，型號：XM60，產(chǎn)地瑞士；pH計，型號：梅特勒S220-B+Power Pro，產(chǎn)地瑞士；激光粒度分布儀器，型號：BT-9300H，產(chǎn)地中國；實驗室涂布機，型號：K303，產(chǎn)地英國；高剪切黏度儀，型號：DV-10，產(chǎn)地美國；保水度儀，型號：AAGWR-250，產(chǎn)地美國；烘干機，型號：L-3D，產(chǎn)地日本；中試壓光機，型號：NYG300，產(chǎn)地中國；平滑度儀，型號：BEEK，產(chǎn)地日本；PPS粗糙度儀，型號：Technidyne，產(chǎn)地美國；光澤度儀，型號：Technidyne，產(chǎn)地美國；印刷適性儀，型號：RI-2型，產(chǎn)地日本；Cobb 測試儀，型號：ZB-COBB125，產(chǎn)地中國；IGT 印刷適性儀，型號：AIC2-5T2000，產(chǎn)地芬蘭；濕摩擦儀（耐磨耗試驗機），型號：Taber 5135，產(chǎn)地美國；濁度儀，型號：2100AN，產(chǎn)地美國。

1.3 實驗方法

1.3.1 檢測方法

濁度法耐濕摩擦性能檢測方法包括如下步驟：

（1）將被測涂布紙通過定量取樣器裁切成面積為0.01 m2的紙樣；

（2）將紙樣固定在帶有凸緣的樣件盤上，凸緣自樣件盤的內(nèi)壁向上凸起形成，通過與凸緣相匹配的壓緊環(huán)將紙樣壓緊，然后量取35 mL水倒入樣件盤中，水的最少加入量為能夠浸沒紙樣的量；

（3）將樣件盤裝入磨耗儀中，放下磨耗輪，設置轉(zhuǎn)動圈數(shù)為5～50圈（優(yōu)選10圈），根據(jù)測試紙張的抗水性選擇圈數(shù)，按下磨耗儀的“start”按鈕，磨耗儀開始對紙樣進行磨擦；

（4）待轉(zhuǎn)完設定的圈數(shù)后，磨耗輪復位，將樣件盤內(nèi)的液體轉(zhuǎn)移至燒杯中，搖勻后倒入濁度儀的玻璃樣品管內(nèi)，通過濁度儀進行濁度檢測，根據(jù)測得的濁度值衡量涂布紙的耐濕摩擦性能。

測得的濁度值和涂布紙的耐濕摩擦性能成反比，即濁度值越大，紙表面涂覆的涂料脫落的越多，涂布紙的耐濕摩擦性能越差；反之，濁度值越小，涂布紙的耐濕摩擦性能越好。

上述檢測方法中，所述磨耗儀選用美國Taber公司生產(chǎn)的Taber 5135型濕摩擦儀。所述磨耗輪選用美國Taber公司生產(chǎn)的S-32型或CS-0型彈性無磨粒磨耗輪。所述樣件盤選用美國Taber公司生產(chǎn)的E-140-75型的帶凸緣的樣件盤，并配壓緊環(huán)。

1.3.2 待測紙樣準備

1.3.2.1 A組：市面常用抗水劑配制的面涂涂料涂布的紙樣

高嶺土分散：高嶺土采用高速分散器在轉(zhuǎn)速4 500 r/min下分散30 min，固含量為質(zhì)量分數(shù)68%，分散劑用量為0.3%質(zhì)量分數(shù)（相對于絕干顏料的質(zhì)量，下同）。

CMC水溶液制備：將CMC配制成質(zhì)量分數(shù)為10%的水溶液，置于75℃的恒溫水浴鍋中，低速攪拌30 min，冷卻至室溫后補加蒸發(fā)失去的水分，備用。

最后將高嶺土預分散液、GCC、羧基丁苯膠乳、PVA、OBA和蒸餾水按照一定配比加入到分散桶中，攪拌均勻并用堿溶液調(diào)節(jié)涂料的pH至8.5～9.0，得到最終涂料。

市面常用抗水劑配制的面涂涂料涂布紙樣的涂料配方如表1所示，其中1～5號紙樣中的抗水劑分別為：尿醛樹脂型抗水劑，改性乙二醛型抗水劑，PAPU型抗水劑，AZC型抗水劑，OE 0691抗水劑。

表1 不同抗水劑面涂涂料配方1） 質(zhì)量份

1.3.2.2 B組：生物膠乳不同比例取代丁苯膠乳涂料涂布的紙樣

生物膠乳不同比例取代丁苯膠乳涂料涂布的紙樣6～9號的涂料配方如表2所示。

1.3.2.3 C組：不同涂布紙的紙樣

不同涂布紙的紙樣10～14號相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表2 生物膠乳不同比例取代丁苯膠乳涂料配方質(zhì)量份

表3 幾種不同涂布紙的相關(guān)指標

1.3.2.4 D組：不同鍍鋁原紙的紙樣

不同鍍鋁原紙的紙樣15～18號相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 幾種不同鍍鋁原紙的相關(guān)指標

1.3.3 涂布、干燥和壓光

用刮棒式涂布器對原紙進行單面2道涂布，底涂和面涂涂布量均為 （15±1）g/m2，涂完后在溫度為105℃烘干機內(nèi)干燥3 min。采用實驗室壓光機對涂布紙進行2次壓光，壓力為4.5 MPa、壓光溫度為80℃、轉(zhuǎn)速為30 r/min，試樣壓光后，在恒溫恒濕條件下放置24 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 A組紙樣的檢測

按照上述方法檢測A組紙樣濕摩擦性能，濕摩擦儀以1 r/s勻速摩擦10 r，檢測結(jié)果見表5。

表5 A組紙樣的耐濕摩擦性能檢測結(jié)果

根據(jù)檢測方法：紙樣的平均濁度越小，紙樣耐濕摩擦性越好；紙樣平均濁度越大，紙樣耐濕摩擦性能越差。由表5數(shù)據(jù)可知，從1～5號紙樣檢測的濁度依次減小，反映了從1號依次到5號紙樣耐濕摩擦性能逐漸變好，間接反映了其對應的抗水劑耐濕摩擦的效果：OE 0691最好，然后依次是AZC、PAPU、改性乙二醛和脲醛樹脂，這個結(jié)果與下游客戶對抗水劑使用情況的反饋結(jié)果是一致的?？梢姡摍z測方法能夠反映涂布紙間耐濕摩擦性能的差異，可間接反映各抗水劑的抗水效果，符合涂布紙的使用性能。

2.2 B組紙樣的檢測

按照上述方法檢測B組紙樣濕摩擦性能，濕摩擦儀以1 r/s勻速摩擦10 r，檢測結(jié)果見表6。

按照表2中生物膠乳不同比例取代丁苯膠乳的涂料配方分別制備底涂涂料，并分別涂布在灰底白紙板表面。淀粉基生物膠乳由于主要原料采用的是淀粉，因此在涂料中使用淀粉基生物膠乳取代丁苯膠乳充當膠粘劑會降低涂層的抗水性，尤其是耐濕摩擦性能，因此理論上來講從6號到9號耐濕摩擦性能應該是逐漸變差。從表6數(shù)據(jù)可知，從6～9號紙樣的濁度依次增加，反映了6～9號紙樣耐濕摩擦性能依次變差，這個結(jié)果與下游客戶在應用淀粉基生物膠乳取代丁苯膠乳時的應用經(jīng)驗是一致的?？梢娫摍z測方法能反映涂料配方中膠粘劑的應用對成紙耐濕摩擦性能的影響。

表6 B組紙樣的耐濕摩擦性能檢測結(jié)果

2.3 C組紙樣和D組紙樣的檢測

按照上述方法檢測C紙樣濕摩擦性能，濕摩擦儀以1 r/s勻速摩擦10 r，檢測結(jié)果見表7。

表7 C組紙樣的耐濕摩擦性能檢測結(jié)果

表7顯示的是市面上幾種不同的涂布紙板的耐濕摩擦性能的檢測結(jié)果對比。數(shù)據(jù)顯示，10號樣的濁度為686.3 NTU，是5種紙樣中濁度最高的，其次依次是13號、11號、12號和14號紙樣。紙樣平均濁度越大，紙樣耐濕摩擦性能越差，因此5種紙樣的耐濕摩擦性能排序如下：14號＞12號＞11號＞13號＞10號，這個結(jié)果與下游市場對這5種紙樣耐濕摩擦性能的評價一致。

按照上述方法檢測D紙樣濕摩擦性能，濕摩擦儀以1 r/s勻速摩擦10 r，檢測結(jié)果見表8。

表8 D組不同鍍鋁原紙的耐濕摩擦性能檢測結(jié)果

表8顯示的是市面上幾種不同的鍍鋁原紙的耐濕摩擦性能的檢測結(jié)果對比。由于鍍鋁紙對抗水性能要求較高，鍍鋁紙生產(chǎn)廠家很多都屬于后加工企業(yè)，通常他們都是挑選市面上合適的鍍鋁原紙直接進行后加工，鍍鋁原紙的抗水性對成紙抗水性有顯著的影響。表8顯示的是我公司幫助客戶檢測幾種不同鍍鋁原紙的耐濕摩擦性能。數(shù)據(jù)顯示，17號紙樣檢測的濁度最低，為9.3 NTU，因此建議客戶將原來使用的15號紙樣用17號紙樣替換。根據(jù)客戶的反饋，鍍鋁原紙?zhí)鎿Q后，成紙的耐濕摩擦性能得到了明顯改善?？梢?，該檢測方法可用來評估部分特種紙的耐濕摩擦性能。

根據(jù)以上實驗結(jié)果可以看出，濁度法耐濕摩擦性能檢測方法可以應用于涂布紙及部分特種紙的耐濕摩擦性能，檢測結(jié)果與下游客戶反饋結(jié)果相一致。

2.4 紙廠常規(guī)檢測方法和我公司發(fā)明檢測方法對比

國內(nèi)某大型紙廠涂布紙耐濕摩擦性能檢測方法如下：用定量取樣器，切取面積為0.01 m2的待測紙樣，將圓形紙樣置于測試盤內(nèi)，測試盤內(nèi)水的深度以2～3 cm為宜，10 s時，用手指擦拭測試樣表面，如手指上有涂料顯現(xiàn)，記錄該時間；如未顯現(xiàn)，則等待5 s后，再次擦拭；以5 s為間隔時間如此操作，直至涂料在手指上顯現(xiàn)，并記錄涂料顯現(xiàn)時的時間，時間越長說明耐濕摩擦性能越好。

分別采用上述紙廠常規(guī)指擦檢測方法（以下簡稱“指擦法”）與我公司發(fā)明的濁度法耐濕摩擦性能檢測方法（以下簡稱“新方法”）對C組紙樣進行檢測，以研究不同檢測方法對檢測結(jié)果的影響；同時通過不同檢測人員（甲、乙）分別采用上述2種檢測方法對C組紙樣進行檢測，以研究人為因素對檢測結(jié)果的影響，檢測結(jié)果見表9。

表9 指擦法與新方法檢測結(jié)果對比

從表9可見：采用新方法檢測的1號至5號的濁度依次降低，說明從1號至5號紙樣的耐濕摩擦性能依次變好；甲、乙2人采用指擦法檢測的1號至5號的檢測結(jié)果存在一定的差異。

理論上講，2種檢測方法均能反映紙樣耐濕摩擦性能的優(yōu)劣，然而從1號和2號對比，3號和4號對比可知，指擦法無法準確判斷出對比組間的優(yōu)劣情況；而采用新方法檢測，不僅能反映出對比組間的優(yōu)劣情況，而且能夠?qū)⒚總€測試樣的結(jié)果用量化形式表示出來，由于檢測過程中完全采用的是儀器檢測，因此數(shù)據(jù)客觀公正。

為了更加直觀地比較不同檢測人員分別采用上述2種檢測方法的檢測結(jié)果的吻合程度，將表9的檢測結(jié)果采用圖1表示如下。

圖1 指擦法與新方法檢測結(jié)果的吻合程度對比

從圖1可以看出，甲、乙2人采用新方法分別對同一種紙樣進行檢測的數(shù)據(jù)曲線基本吻合，而采用指擦法檢測的數(shù)據(jù)曲線偏差較大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，不同的人來檢測，指擦時的力氣會存在一定的差異，導致檢測數(shù)據(jù)也會有所差異，說明人為因素對指擦法檢測的檢測結(jié)果影響較大。

表10顯示了指擦法和新方法2種檢測方法的偏差對比。平行試驗的絕對偏差=測得值-平均值；相對偏差=絕對偏差/平均值×100%。相對偏差是指某次測量的絕對偏差占平均值的百分比，用來衡量單項測定結(jié)果對平均值的偏離程度。

由表10可見，新方法的相對偏差平均值為3.34%，而指擦法為6.09%，再次印證了新方法具有較好的可重復性。

3 結(jié)論

（1）濁度法耐濕摩擦性能檢測方法具有操作流程簡便、設備簡單、過程易控制和實驗重復性好等優(yōu)點，可以廣泛應用于涂布紙及部分特種紙耐濕摩擦性能指標的檢測。

（2）濁度法耐濕摩擦性能檢測方法能夠反映涂布紙間濕摩擦性能的差異，間接可反映不同化學品的耐濕摩擦性能的優(yōu)劣，可用于評估涂料用化學品的耐濕摩擦效果。

（3）濁度法耐濕摩擦性能檢測方法可用于檢測部分特種紙的耐濕摩擦性能，可幫助后加工企業(yè)進行原紙的篩選。

（3）濁度法耐濕摩擦性能檢測方法與目前紙廠常規(guī)指擦法檢測方法相比，具有客觀、準確、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點。

表10 指擦法和新方法2種檢測方法的偏差對比