用于紙張涂布的具有優(yōu)越強(qiáng)度和操作性的新一代膠乳的開發(fā)

涂料配方中的膠乳是控制涂布紙質(zhì)量的最重要的成分。傳統(tǒng)膠乳通過優(yōu)化膠乳的粒徑和形狀等可改善涂布紙的表面印刷強(qiáng)度和紙機(jī)操作性；但是要通過傳統(tǒng)方法進(jìn)一步改善上述功能已經(jīng)非常困難。因此，開發(fā)了新一代高功能化膠乳，它使涂布紙具有卓越的印刷表面強(qiáng)度和紙機(jī)操作性，特別是它的印刷表面強(qiáng)度比傳統(tǒng)膠乳配制的涂料涂布的涂布紙高30%。該文討論了高功能化膠乳的卓越印刷表面強(qiáng)度的機(jī)理，重點(diǎn)是其薄膜的抗張強(qiáng)度和與顏料的相互作用關(guān)系。研究結(jié)果表明：新一代高功能化膠乳薄膜的抗張強(qiáng)度比傳統(tǒng)膠乳顯著提高，因此，其印刷表面強(qiáng)度將更高；在顏料只用重質(zhì)碳酸鈣（GCC）的涂料中，高功能化膠乳顯示了卓越的印刷表面強(qiáng)度；含有高功能化膠乳的烘干涂料薄膜較容易與水一起移動(dòng)，高功能化膠乳具有親水表面，因此其薄膜能夠較容易被洗掉。

1 前言

用于紙張涂布涂料的膠乳對涂布紙的品質(zhì)具有很大的影響，并在涂布紙的成本中占有很大比例，因此，為了進(jìn)一步提高紙張的品質(zhì)和降低生產(chǎn)成本，對提高印刷表面強(qiáng)度的方法進(jìn)行了研究。過去對提高印刷表面強(qiáng)度的研究一直采用增加膠粘劑用量的方法，但是膠粘劑用量的增加，會(huì)造成背輥污染等問題，降低了紙機(jī)的操作性。為了進(jìn)一步提高印刷表面強(qiáng)度和紙機(jī)的操作性，需要開發(fā)不依賴增加膠粘劑用量而能提高強(qiáng)度的新一代膠乳。

本文將介紹在膠乳聚合物粒子表面引入在強(qiáng)度和操作性方面具有良好效果的功能性成分而開發(fā)成功的高功能化膠乳的性能。

2 實(shí)驗(yàn)Ⅰ——高功能化膠乳的印刷表面干強(qiáng)度和紙機(jī)操作性

實(shí)驗(yàn)比較了傳統(tǒng)型膠乳和高功能化膠乳的印刷表面干強(qiáng)度和紙機(jī)操作性。

2.1 涂布紙制作條件

依照表1顯示的涂料配比，制成傳統(tǒng)型膠乳和高功能化膠乳的涂料，用實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)（MIC-100）在市場購得的高級(jí)文化用紙（定量為65 g/m2）上涂布后進(jìn)行壓光處理制成涂布紙。涂布條件：涂布速度80 m/min，熱風(fēng)溫度為210℃，爐內(nèi)溫度為150℃，干燥時(shí)間為 5 s，涂布量為 10 g/m2。壓光條件為：7 m/min，50℃，40 kg/cm。

2.2 干拉毛強(qiáng)度的評(píng)價(jià)

表1 分別采用傳統(tǒng)型膠乳和高功能化膠乳的涂料配方 質(zhì)量份

用RI印刷機(jī)同時(shí)在用2.1的方法制成的涂布紙上印刷，產(chǎn)生拉毛時(shí)狀態(tài)最佳的為5點(diǎn)，最差的為1點(diǎn)，用肉眼判斷，進(jìn)行相對評(píng)價(jià)。

2.3 操作性評(píng)價(jià)

將表1所示的涂料涂布在NBR（丁腈橡膠）板上，通過干燥后水洗，以背輥流動(dòng)清洗（Flow cleanning）水的洗凈性作為指標(biāo)。涂料的洗凈度最好的為5點(diǎn)，最差的為1點(diǎn)，用肉眼判斷，進(jìn)行操作性評(píng)價(jià)。

2.4 結(jié)果及考察

傳統(tǒng)型膠乳和高功能化膠乳的干拉毛強(qiáng)度和操作性的比較如圖1所示。

由圖1可見：高功能化膠乳提高了干拉毛強(qiáng)度和操作性，在相同配比條件下，干拉毛強(qiáng)度和操作性都較好；在干拉毛強(qiáng)度方面，6質(zhì)量份傳統(tǒng)型膠乳（測量點(diǎn)“C1”）和 4質(zhì)量份高功能化膠乳（測量點(diǎn)“C6”）具有同等的效果。因此，可以確認(rèn)高功能化膠乳提高了30%的印刷表面強(qiáng)度。就是說，通過引入功能性成分可以達(dá)到傳統(tǒng)型膠乳不能達(dá)到的品質(zhì)。

高功能化膠乳與傳統(tǒng)型膠乳相比，粒子周圍具有較多的功能性成分。由于功能性成分較親水，因此通過洗凈能較容易除去涂料，從而改善操作性。

圖1 干拉毛強(qiáng)度和操作性的比較

另一方面，關(guān)于干拉毛強(qiáng)度提高的原因分析如下。干拉毛強(qiáng)度取決于涂布層中膠粘劑的黏結(jié)強(qiáng)度。一般來說，黏結(jié)強(qiáng)度可以分為“膠粘劑的凝聚破壞”、“基材與膠粘劑的界面剝離”和“基材破壞”，但我們推測：高功能化膠乳的膠粘劑自身破壞的“膠粘劑的凝聚破壞”；膠粘劑和被膠粘劑之間產(chǎn)生的剝離（基材和膠粘劑的界面剝離）（圖2）水平得到了提升。針對各個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了如下的實(shí)驗(yàn)。

圖2 黏結(jié)強(qiáng)度的模式

3 實(shí)驗(yàn)Ⅱ——高功能化膠乳薄膜的特性

“膠粘劑的凝聚破壞”是膠粘劑自身的強(qiáng)度，因此它取決于膠乳薄膜的特性，為此進(jìn)行了膠乳薄膜特性的調(diào)查。

3.1 膠乳的薄膜應(yīng)力

用1.0 mm的涂布棒制成傳統(tǒng)型膠乳和高功能化膠乳的薄膜，依照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS K6251進(jìn)行抗張強(qiáng)度測試，測定薄膜的伸長率和應(yīng)力。

3.2 膠乳薄膜的表面觀察

用穿透型電子顯微鏡觀察傳統(tǒng)型膠乳和高功能化膠乳薄膜。

3.3 結(jié)果及考察

膠乳薄膜應(yīng)力測定結(jié)果如圖3所示。

圖3 膠乳的薄膜應(yīng)力

由圖3可見，高功能化膠乳的薄膜應(yīng)力比傳統(tǒng)型膠乳的薄膜應(yīng)力大幅度提高。與傳統(tǒng)型膠乳薄膜相比，高功能化膠乳薄膜的伸長率基本沒有變化，只是應(yīng)力提高了。為此，為了直接確認(rèn)膠乳的薄膜構(gòu)造進(jìn)行了薄膜的表面觀察。

傳統(tǒng)型膠乳薄膜和高功能化膠乳薄膜的照片如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)型膠乳和高功能化膠乳的薄膜電子顯微鏡照片

由圖4可以確認(rèn)，高功能化膠乳薄膜的膠乳粒子熔合界面比傳統(tǒng)型膠乳更鮮明。

膠乳粒子的界面是存在于膠乳粒子表面的功能性成分，具有容易形成氫鍵結(jié)合的結(jié)構(gòu)。由于高功能化膠乳薄膜保持了比膠乳粒子的界面更多的功能性成分，因此形成了更多的氫鍵結(jié)合，而且，由于功能性成分的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度（Tg）較高，提高了膠乳薄膜的應(yīng)力，形成較堅(jiān)固的薄膜，提高了干拉毛強(qiáng)度。另外，由于導(dǎo)入了功能性成分，在保持伸長率不變的同時(shí)，提高了薄膜的應(yīng)力，但是如果考慮耐沖擊性能的話，既能提高薄膜伸長率，又能提高薄膜應(yīng)力更為理想，利用功能性成分導(dǎo)入技術(shù)可以同時(shí)兼顧薄膜的伸長率和應(yīng)力。

4 實(shí)驗(yàn)Ⅲ——顏料和膠乳的相互作用

我們認(rèn)為“基材和膠粘劑的界面剝離”是顏料和膠乳間的相互作用，為了認(rèn)識(shí)顏料和膠乳的相互作用，進(jìn)行了各種不同原料的干拉毛強(qiáng)度評(píng)價(jià)，以及顏料和膠乳分散狀態(tài)的直接觀察。

4.1 涂布紙制作條件

顏料為單一高嶺土或單一GCC并分別添加傳統(tǒng)型膠乳或高功能化膠乳配制的涂料配方，見表2。采用與2.1相同的方法制成涂布紙。

表2 顏料為單一高嶺土或單一GCC并分別添加傳統(tǒng)型膠乳或高功能化膠乳配制的涂料配方 質(zhì)量份

4.2 干強(qiáng)度的評(píng)價(jià)

采用2.2所述的方法評(píng)價(jià)4.1制成的涂布紙的干拉毛強(qiáng)度。

4.3 顏料與高功能化膠乳的分散狀態(tài)的電子顯微鏡觀察

對100質(zhì)量份顏料（高嶺土或者GCC）用10質(zhì)量份高功能化膠乳配制成顏料分散液，將其稀釋成含固量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%，加入四氧化鋨水溶液，烘干制成涂膜，進(jìn)行金-鈀涂布處理，用掃描電子顯微鏡觀察。

4.4 結(jié)果及考察

顏料為單一高嶺土或單一GCC并分別添加傳統(tǒng)型膠乳或高功能化膠乳配制的涂料涂布的涂布紙的干拉毛強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示。

圖5 顏料為單一高嶺土或單一GCC并分別添加傳統(tǒng)型膠乳或高功能化膠乳配制的涂料涂布的涂布紙的干拉毛強(qiáng)度

由圖5可見，顏料為單一GCC并添加高功能化膠乳的涂料涂布的涂布紙干拉毛強(qiáng)度比較好。

為調(diào)查高功能化膠乳和顏料的相容性，用電子顯微鏡觀察的照片如圖6所示。

圖6 高功能化膠乳和不同顏料制備的涂料電子顯微鏡照片

由圖6可見：高功能化膠乳在高嶺土粒子上的附著和在GCC粒子上的附著具有很大的差別；高功能化膠乳與GCC粒子的相容性較好。由此推測，在顏料為單一GCC的配方中高功能化膠乳相對能夠?qū)ν坎技埖挠∷⒈砻鎻?qiáng)度作出更大的貢獻(xiàn)。

5 總結(jié)

開發(fā)的新一代膠乳——高功能化膠乳提高了薄膜應(yīng)力，增強(qiáng)了與涂料中顏料GCC的界面相互作用，還提高了涂料的洗凈性，最終可以達(dá)到增強(qiáng)印刷表面強(qiáng)度和改善紙機(jī)操作性二者兼顧的效果。