高性能水基鉛筆膠的工藝改進(jìn)及其應(yīng)用效果

李鋼東

摘要：文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)鉛筆膠不足的分析，對(duì)所發(fā)明并實(shí)際應(yīng)用的高性能水基膠生產(chǎn)工藝、原理、產(chǎn)品性能進(jìn)行了論述，并從7個(gè)方面與傳統(tǒng)鉛筆膠所生產(chǎn)的鉛筆進(jìn)行了應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn)，所開發(fā)的高性能鉛筆膠環(huán)保、節(jié)能，產(chǎn)品性能優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：鉛筆膠;高性能;粘接強(qiáng)度;鉛筆芯;涂膠量;生產(chǎn)效率;耐候性能

中圖分類號(hào)：TQ437文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）06-0012-04

1 鉛筆制造工藝及現(xiàn)有鉛筆膠工藝的不足

鉛筆作為文體行業(yè)日用類產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)外有很好的市場(chǎng)應(yīng)用與前景。根據(jù)中國(guó)制筆協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，我國(guó)制筆行業(yè)年均增速為15.4%，遠(yuǎn)高于GDP增速，鉛筆是制筆行業(yè)中最重要的產(chǎn)品之一，目前，中國(guó)每年鉛筆制筆量占全球總制筆量的80%左右，屬于鉛筆生產(chǎn)大國(guó)。盡管中國(guó)鉛筆產(chǎn)能很高，但在出口方面存在價(jià)格低、無(wú)法進(jìn)入高端市場(chǎng)等問(wèn)題，主要原因之一在于常規(guī)鉛筆膠的普遍應(yīng)用。

鉛筆制作工藝如下：將鉛筆芯膠涂布于鉛筆板材上、下型板面及槽中，再將鉛筆芯放人下型板槽中，然后將上下型板合并，再通過(guò)夾具夾緊，待膠水固化后（該工藝過(guò)程稱為“膠芯工藝”）進(jìn)行刨桿、成型、上漆等工序。上述提及的鉛筆制造中的“膠芯工藝”的主要工序是刷膠（噴膠）工序、束夾工序和刨桿工序。

目前國(guó)內(nèi)使用的傳統(tǒng)鉛筆膠俗稱白乳膠，其主要成分是聚醋酸乙烯，該產(chǎn)品對(duì)鉛筆木材有較好的粘接力，且價(jià)格低廉，但其性能存在固含量低、黏度高、耐水性較等不足;同時(shí)，聚醋酸乙烯粘接劑雖然對(duì)鉛筆木材有較好的粘接力，但對(duì)各類筆芯尤其是彩色筆芯、含油的石墨芯（如高B類石墨筆芯）和水溶性彩芯等幾乎無(wú)粘接效果，產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)滑芯等缺陷。為了克服該缺陷，目前鉛筆制造過(guò)程中，一般通過(guò)施加外力將鉛筆芯進(jìn)行硬擠壓置于鉛筆槽內(nèi)，以防其滑芯，但這樣的物理方式往往造成鉛筆槽內(nèi)的筆芯折斷或制成品筆桿出現(xiàn)開裂，最終導(dǎo)致次品率很高。

另外，由于聚醋酸乙烯膠結(jié)劑固含量低，使其在鉛筆制造中耗膠量大、木桿含水率變化大，容易導(dǎo)致筆桿變形等負(fù)面作用，所以傳統(tǒng)膠芯工藝不得不采用烘干工序即在45℃環(huán)境下束夾12h以上來(lái)縮短粘合時(shí)間，同時(shí)降低木桿的含水率，不僅束夾時(shí)間長(zhǎng)、需要耗費(fèi)能源如鍋爐蒸汽或電烘進(jìn)行烘干、需占用場(chǎng)地，導(dǎo)致成品不合格率高，且生產(chǎn)效率低下。

2 高性能水基鉛筆膠的工藝技術(shù)與性能

針對(duì)前述現(xiàn)有鉛筆膠存在的不足，筆者發(fā)明并已實(shí)際應(yīng)用的高性能水基鉛筆膠，旨在克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種鉛筆制造過(guò)程中用于木材與木材、木材與鉛筆芯常溫下短時(shí)間粘接成型、具有優(yōu)越粘接性能的水基膠黏劑，制成的鉛筆產(chǎn)品具有木芯粘接（不易導(dǎo)致滑芯）、環(huán)保安全（符合歐盟行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)）、耐水及耐候性好的特點(diǎn)，同時(shí)，有效提高鉛筆的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)過(guò)程的能耗，以期降本增效。

高性能水基鉛筆膠的主要組分為：乙烯-醋酸乙烯共聚乳液、聚丙烯酸酯乳液、氣相二氧化硅、有機(jī)硅潤(rùn)濕劑、增塑劑、純水。

生產(chǎn)工藝為：在不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)投人物料乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液，攪拌1-2h，緩慢加入氣相二氧化硅，攪拌1h，然后緩慢加入有機(jī)硅潤(rùn)濕劑，攪拌0.5h，然后再加入增塑劑，攪拌0.5-1h，最后加入純水用以調(diào)整粘稠度。

乙烯-醋酸乙烯共聚乳液與聚丙烯酸酯乳液兩者的共混乳液作為主要基料，其中乙烯-醋酸乙烯共聚乳液對(duì)各種木材都有很好的粘接強(qiáng)度，其耐凍、耐溶劑性能好，具有抗蠕變性，而聚丙烯酸酯乳液有極好的耐水性和耐熱性。乙烯-醋酸乙烯共聚乳液與聚丙烯酸酯乳液通過(guò)物理共混，能獲得在較寬溫度范圍內(nèi)的廣泛適應(yīng)性，且保持有很強(qiáng)的耐水性、抗蠕變性等綜合性能。

氣相二氧化硅無(wú)毒無(wú)味無(wú)污染，耐高溫，粒徑小、比表面積大，在體系中可作為增稠劑用于調(diào)節(jié)黏度，更重要的是，二氧化硅表面含有羥基，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液共混乳液中含有羥基、羧基，二氧化硅與共混乳液通過(guò)氫鍵形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加共混乳液膠膜的內(nèi)聚力，從而大大提高整個(gè)體系的粘接強(qiáng)度，進(jìn)一步保證本發(fā)明產(chǎn)品對(duì)木材及各類筆芯材質(zhì)的高強(qiáng)黏結(jié)力。體系中引入的氣相二氧化硅粒子，其表面的羥基對(duì)水有極大的親和能力，可以吸引水分子，極易溶解于水中。

有機(jī)硅潤(rùn)濕劑的引入，能與粘接劑系統(tǒng)相容性好，提高潤(rùn)濕性和流平性，從而使本發(fā)明產(chǎn)品能與基材充分接觸，上膠量均勻，提高粘接效率。增塑劑的引入還能增強(qiáng)膠膜的柔軟度，且提高膠粘劑的固化速度。

3 高性能水基鉛筆膠的性能檢測(cè)方法及效果

3.1檢測(cè)方法

鉛筆膠的主要技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)在：①粘接強(qiáng)度，決定了鉛筆的最基本的性能;②耐候性，決定鉛筆的使用性能;③耐溶劑性及耐水性，鉛筆在一定環(huán)境條件下的儲(chǔ)存和使用效果;④干燥速度，該特性影響鉛筆工藝制作的效率;⑤耗膠量，該特性將影響鉛筆生產(chǎn)的成本。針對(duì)這些指標(biāo)，從7個(gè)方面對(duì)南性能水基鉛筆膠與傳統(tǒng)鉛筆膠的性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。每項(xiàng)性能測(cè)試選70支鉛筆，鉛筆樣品的鉛筆槽為白松木，鉛筆芯為彩芯。傳統(tǒng)鉛筆膠均選自市場(chǎng)上通用的聚醋酸乙烯粘接劑。

3.1.1滑芯測(cè)試

方法：將剛制作完畢的成品筆先放置10d后，選出其中未出現(xiàn)開裂、膠縫、崩芯現(xiàn)像的待測(cè)鉛筆樣品70支，在每個(gè)筆芯上加壓6牛頓力保持6s。

3.1.2卷削實(shí)驗(yàn)

方法：選擇無(wú)開裂、無(wú)膠縫、無(wú)崩芯現(xiàn)像的待測(cè)鉛筆樣品，用角度呈30%的卷筆刀進(jìn)行卷削，觀察脫離掉下的卷削物外形，掉下的卷削物內(nèi)側(cè)筆芯能否粘連在外側(cè)板材上。測(cè)試對(duì)比結(jié)果見(jiàn)兩個(gè)圖片。

3.1.3泡水老化實(shí)驗(yàn)

方法：將剛制作完畢的成品筆放置10d后測(cè)試，選取無(wú)開裂、無(wú)膠縫、無(wú)崩芯現(xiàn)像的鉛筆樣品，浸入40+5℃的水面下1h，取出后反方向擰動(dòng)筆桿兩端，看筆桿有無(wú)開膠。

3.1.4高低溫老化循環(huán)實(shí)驗(yàn)

方法：將剛制作完畢的鉛筆樣品先放人溫度為50%、濕度為80%的恒溫恒濕箱內(nèi)烘36h，然后放人一15%的冰箱內(nèi)冷凍36h。連續(xù)3周循環(huán)后，看是否開膠，各取70支。

3.1.5耐高溫老化實(shí)驗(yàn)

方法：將剛制作完畢的無(wú)開裂無(wú)膠縫的鉛筆樣品放人60%烘箱中，持續(xù)烘干2周，然后觀察筆桿有無(wú)開裂，同時(shí)還可以用手掰并觀察是否出現(xiàn)開裂，各取70支。

3.1.6粘合時(shí)間測(cè)試

方法：用夾具夾好的鉛筆樣品放人50%烘房中，進(jìn)行粘合，每間隔一小時(shí)用手掰開，觀察能否粘接完全，記錄鉛筆樣品完全粘合的時(shí)間。

3.1.7自由落體抗摔性能測(cè)試

方法：選取剛制作完畢的無(wú)開裂無(wú)膠縫的鉛筆樣品，各取70支。在2m的高度自由落下，觀察筆桿是否有開裂現(xiàn)象;外力打開筆桿并統(tǒng)計(jì)筆芯斷裂數(shù)量。

3.2檢測(cè)結(jié)果

將前述7項(xiàng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行列表，詳見(jiàn)表1。

4 研究結(jié)論

4.1技術(shù)優(yōu)勢(shì)

高性能水基鉛筆膠的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：

其一，屬于高固含量（固含量為55%-60%）、低黏度（27℃下黏度1000-2000mps）的膠黏劑，對(duì)目前用于鉛筆制造的各類木材（楊木、椴木、西達(dá)木、白松等）都有極強(qiáng)的粘接力，同時(shí)對(duì)各類材質(zhì)的筆芯也有很好的粘接效果。

其二，由于該新型鉛筆膠具有很強(qiáng)的粘芯效果，因此在鉛筆板的刨槽工藝中適當(dāng)增加大槽內(nèi)徑，避免束夾過(guò)程因槽的直徑太小導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)大而造成筆芯蹦斷或筆桿開裂，從而大大提高了成品筆的合格率。同時(shí)，在現(xiàn)有的設(shè)備生產(chǎn)工藝過(guò)程中可以滿足刷涂、刮涂、噴涂或手工涂等各種不同上膠方式。

其三，粘度低、固含量高，耗膠量比常規(guī)的聚醋酸乙烯粘合劑用量節(jié)約1/3-1/2?，F(xiàn)有常規(guī)的聚醋酸乙烯粘合劑固化時(shí)間一般在12-16h（45℃條件下），而本發(fā)明產(chǎn)品固化時(shí)間2-3h（常溫條件下），大大縮短固化時(shí)間、提高生產(chǎn)效率、降低能耗。

4.2創(chuàng)新、環(huán)保與節(jié)能

技術(shù)創(chuàng)新：中國(guó)是世界鉛筆制造大國(guó)，很大一部分鉛筆產(chǎn)品用于出口，現(xiàn)有鉛筆芯膠在耐高溫、耐水性以及對(duì)各種筆芯的附著力性能上都達(dá)不到極端氣候條件下的儲(chǔ)存和使用要求，而高性能水基粘合劑彌補(bǔ)了鉛筆制造因使用傳統(tǒng)白乳膠而導(dǎo)致的成品筆在耐高溫、耐水和對(duì)各種鉛筆芯的粘接力性能上的不足，同時(shí)凸顯其環(huán)保方面優(yōu)越特點(diǎn)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白。

環(huán)保：傳統(tǒng)鉛筆芯膠粘劑使用的大多為聚醋酸乙烯類，該類產(chǎn)品含有甲醛，環(huán)保不友好，且很容易滑芯;高性能水基鉛筆膠對(duì)環(huán)境友好，經(jīng)檢測(cè)符合歐盟EN71-3關(guān)于重金屬檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和符合歐盟EN71-9關(guān)于三苯、甲醛及鄰苯二甲酸鹽的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，符合歐盟委員會(huì)指令2005/84/EC中鄰苯二甲酸酯的相關(guān)要求;符合國(guó)標(biāo)GBl8583-2008游離甲醛、苯、甲苯、二甲苯、總揮發(fā)性有機(jī)物的相關(guān)要求。

節(jié)能：高性能水基鉛筆膠在室溫下能夠快速固化，不需要加溫，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。