新型乳液型表面施膠劑的開發(fā)

為了節(jié)約生產(chǎn)成本和保護環(huán)境，造紙工業(yè)迫切需要用量少、性能好的化學品。在表面施膠工藝方面 ，在紙張生產(chǎn)大量使用廢紙作原料、填料比例大幅增加等愈來愈苛刻的使用條件下，表面施膠劑變得越來越難以取得良好而穩(wěn)定的施膠效果。該文介紹了日本造紙化學品公司新開發(fā)的3種乳液型表面施膠劑A、B和C，它們各自的性能特點是:乳液型表面施膠劑A包含了一種特殊乳化劑，主要應用于提高疏水性和分散性，因而它特別適合于雙輥表面施膠機；乳液型表面施膠劑B擁有陰離子取代基，在富含陽離子系統(tǒng)中具有良好使用效果；乳液型表面施膠劑C導入了能提高其滲透性能的成分，很容易在水平輥式涂布機這類低液體吸收系統(tǒng)中發(fā)揮施膠效果。

1 前言

近年來，造紙行業(yè)在應對降低生產(chǎn)成本及保護環(huán)境問題的過程中，對化學品供應商提出用量少、效果好的產(chǎn)品要求。由于紙張生產(chǎn)大量使用廢紙作原料、填料比例大幅增加等因素，作為表面施膠劑的使用條件的變化，出現(xiàn)了難以達到施膠效果的傾向。

表面施膠劑有水溶液型和乳液型2類，筆者一直在全力開發(fā)能適合各種變化因素的乳液型表面施膠劑。這次開發(fā)的新型乳液型表面施膠劑提高了其發(fā)揮施膠效果的乳液粒子的疏水性和分散性，并在考慮紙漿中富含陽離子和涂布機特性等使用條件的基礎(chǔ)上進行了改良。下面首先介紹普通的表面施膠劑種類和特征，然后介紹新開發(fā)的新型表面施膠劑的詳細情況。

2 表面施膠劑的種類和特點

表面施膠劑在賦予施膠效果的同時，在改善紙機運行、降低紙張生產(chǎn)成本方面也起到了巨大作用。使用表面施膠劑的好處可以列舉如下:

（1）與漿內(nèi)施膠劑同時使用施膠效果更好；

（2）紙張功能性提高（書寫適應性，噴墨適應性，涂布性能，摩擦系數(shù)等）；

（3）兩面差減少；

（4）因漿內(nèi)添加施膠劑用量減少，減輕了紙機污染并降低了生產(chǎn)成本。

表1歸納了有代表性的表面施膠劑的分類及其各自的特點（編者按:表中“◎”表示“好”；“〇”表示“較好”；“△”表示“較差”；“×”表示“差”；下同）。

表1 表面施膠劑的分類及其各自的特點

2.1 水溶液型表面施膠劑

一般廣泛使用的水溶液型聚合物表面施膠劑由親纖維的親水基和抗水的疏水基組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水溶液型聚合物表面施膠劑的結(jié)構(gòu)

在紙上涂布表面施膠劑后，表面施膠劑向紙中滲透，其取向是，親水基朝向纖維側(cè)，疏水基朝向外側(cè)（纖維的相反側(cè)），提高纖維的疏水性，產(chǎn)生施膠效果。此外，在紙中存在來自硫酸鋁的鋁離子等陽離子成分的情況下，通過陽離子的介質(zhì)作用，表面施膠劑的親水基與纖維之間的相互作用變得更強，而且表面施膠劑的疏水性得到進一步增強，因此獲得更好的施膠效果，圖2顯示了水溶液型表面施膠劑的施膠機理模型。

圖2 水溶液型表面施膠劑的施膠機理模型

2.2 乳液型表面施膠劑

為了在上一節(jié)所述的水溶液型表面施膠劑發(fā)揮施膠效果的基礎(chǔ)上進一步提高施膠效果，其設(shè)計可以考慮通過在水溶液型表面施膠劑結(jié)構(gòu)上增加疏水基的數(shù)量來提高疏水性。但是，水溶性表面施膠劑中疏水基比例過高時，無法水溶液化。因此，開發(fā)、推出了既能提高疏水性又可產(chǎn)品化的乳液型表面施膠劑。

圖3顯示了用乳化劑穩(wěn)定高疏水性材料的乳液型表面施膠劑的模型圖。

圖3 乳液型表面施膠劑模型圖

3 新型乳液型表面施膠劑的開發(fā)設(shè)計

關(guān)于新型乳液型表面施膠劑的開發(fā)理念概括如下。

（1）原材料的疏水性。由于表面施膠劑的疏水基越多耐水性越容易提高，因此，要提高用作表面施膠劑的原材料的疏水性。

（2）關(guān)于表面施膠劑在紙張上的分布。由于表面施膠劑在涂布紙張時，表面施膠劑在紙張上的均一分散則更容易獲得良好的施膠效果，因此，設(shè)計時要考慮親水性和疏水性的平衡，以獲得表面施膠劑涂布時在紙張上均一分散分布的效果，見圖4。

圖4 表面施膠劑在紙張上的分布

經(jīng)過多次反復研究，用特殊陰離子性乳化劑開發(fā)出了兼具上述（1）、（2）列舉性質(zhì)的新型乳液型表面施膠劑A（以下簡稱“表面施膠劑A”）。表2列出了表面施膠劑A的物理性能，表3列出了表面施膠劑A的特點，圖5顯示了表面施膠劑A疏水性的評價結(jié)果。

用等離子處理裝置對OHP薄膜進行親水化處理，涂布表面施膠劑后，以水滴的接觸角評價。傳統(tǒng)產(chǎn)品的初始接觸角就較低，并隨時間變化呈急劇下降趨勢。與此相反，表面施膠劑A在初始及經(jīng)過一段時間后仍舊都保持了較高的接觸角。由此結(jié)果可以確認，表面施膠劑A是一種具有比傳統(tǒng)產(chǎn)品更高疏水性能的產(chǎn)品。

表2 表面施膠劑A的典型物理性能

表3 表面施膠劑A的特點

圖5 表面施膠劑A的疏水性評價

關(guān)于紙上的施膠劑分布，用掃描探針顯微鏡（SPM）進行了確認，見圖6。

圖6 表面施膠劑的紙面分布顯微鏡照片

由圖6的SPM照片可以看到，使用乳液型傳統(tǒng)產(chǎn)品獲得的紙張上乳液在纖維上凝聚，而使用表面施膠劑A獲得的紙張上看不到這種凝聚狀態(tài)，說明表面施膠劑分散均勻。由此結(jié)果可知，使用表面施膠劑A時，表面施膠劑在紙上的分散狀態(tài)得到改善。然后，通過進一步研究表面施膠劑A的乳化劑結(jié)構(gòu)，進行具有特異功能的乳液型表面施膠劑的開發(fā)。有關(guān)進一步的開發(fā)設(shè)計理念報告如下。

（1）關(guān)于紙張中陽離子成分的相互作用。表面施膠劑的陰離子性越強，與紙中的陽離子成分越容易產(chǎn)生相互作用，因疏水基向外側(cè)定向，更易取得施膠效果。因此在進一步的設(shè)計中，將在特殊乳化劑中引入陰離子官能基。

（2）關(guān)于表面施膠劑的滲透性。在液體吸收量較少的涂布方法中，表面施膠劑向紙中的滲透越多越易獲得施膠效果。因此在進一步的設(shè)計中，將在特殊乳化劑中導入能提高表面施膠劑向紙中滲透性的成分。

根據(jù)上述（1）、（2）的理念，除了研發(fā)了上述表面施膠劑A之外，還研發(fā)了新型乳液型表面施膠劑B（以下簡稱“表面施膠劑B”）和新型乳液型表面施膠劑C（以下簡稱“表面施膠劑C”）。表面施膠劑A、B和C與乳液型傳統(tǒng)產(chǎn)品的特點比較如表4所示。

4 性能評價

對表面施膠劑A、B和C與乳液型傳統(tǒng)產(chǎn)品進行了施膠效果的比較評價，評價了假設(shè)涂布機中漿內(nèi)硫酸鋁添加量和表面施膠劑的固含量對施膠的影響。

4.1 漿內(nèi)硫酸鋁添加量的影響

以Stockigt施膠度評價了漿內(nèi)硫酸鋁添加量對施膠效果的影響。試驗條件:原紙，中性手抄紙，定量為66 g/m2，施膠度為0 s；表面施膠劑施膠量保持不變，淀粉為1.0 g/m2（絕干質(zhì)量），表面施膠劑為0.06 g/m2（絕干質(zhì)量）；涂布條件是在液體吸收量為60 g/m2的雙輥表面施膠機條件下進行；烘干條件為溫度105℃，時間1 min，旋轉(zhuǎn)式烘缸。評價結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見:與乳液型傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，表面施膠劑的A、B和C型都顯示出了較好的施膠效果；在漿內(nèi)硫酸鋁添加量較少的情況下，表面施膠劑A和表面施膠劑C的效果良好，幾乎不受硫酸鋁添加量的影響。

由圖7還可見:在硫酸鋁添加量較多時，表面施膠劑B產(chǎn)生顯著的施膠效果；另外，確認了表面施膠劑B的施膠效果隨紙中硫酸鋁量的增加而提高。此結(jié)果說明了乳化劑中引入的陰離子官能基與來自漿內(nèi)添加硫酸鋁的鋁離子發(fā)生了相互作用。

圖7 漿內(nèi)硫酸鋁添加量對施膠效果的影響

4.2 表面施膠劑施膠量（絕干質(zhì)量）的影響

分液體吸收量多和少2種情況，以Stockigt施膠度評價表面施膠劑施膠量（絕干質(zhì)量）對施膠效果的影響。評價時的漿內(nèi)硫酸鋁添加量固定為質(zhì)量分數(shù)1.0%。

4.2.1 雙輥表面施膠機（液體吸收量:雙面60 g/m2）

假定用作為液體吸收量多的雙輥表面施膠機進行施膠的評價，結(jié)果如圖8所示[試驗條件:原紙，中性手抄紙，定量為66 g/m2，施膠度為0 s；漿內(nèi)硫酸鋁添加量為質(zhì)量分數(shù)1.0%；施膠量，淀粉為1.0 g/m2（絕干質(zhì)量），表面施膠劑為0.03 g/m2和0.06 g/m2（均為絕干質(zhì)量）；涂布條件為雙輥表面施膠機；烘干條件為溫度105℃，時間1 min，旋轉(zhuǎn)式烘缸]。

評價了絕干施膠量改成0.03、0.06 g/m2后的施膠性能。與乳液型傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，表面施膠劑的A、B和C型都顯示出較好的施膠效果，尤其是，乳化劑中陰離子成分和滲透成分等親水成分較少的表面施膠劑A效果更好一些。

圖8 表面施膠劑施膠量（絕干質(zhì)量）對施膠效果的影響

4.2.2 計量刮棒涂布機/輥式水平涂布機（液體吸收量:雙面 15 g/m2）

假定用液體吸收量較少的計量刮棒式涂布機/輥式水平涂布機進行施膠的評價，結(jié)果如圖9所示[試驗條件:原紙，中性手抄紙，定量為65 g/m2，施膠度為0 s；漿內(nèi)硫酸鋁添加量為質(zhì)量分數(shù)1.0%；施膠量，淀粉為1.0 g/m2（絕干質(zhì)量），表面施膠劑為0.03 g/m2和0.06 g/m2（均為絕干質(zhì)量）；涂布條件為刮棒涂布機；烘干條件為溫度105℃，時間1 min，旋轉(zhuǎn)式烘缸]。

圖9 表面施膠劑施膠量（絕干質(zhì)量）對表面施膠劑施膠性能的影響

由圖9可見，在各種條件下的評價，表面施膠劑都顯示出比傳統(tǒng)產(chǎn)品更好的施膠效果。特別是導入了滲透成分的表面施膠劑C的效果更好。

4.3 發(fā)泡性試驗

因為表面施膠劑在涂布機上的發(fā)泡性是一個課題，用攪拌法進行了試驗。結(jié)果如圖10所示。試驗方法為:淀粉溶液質(zhì)量分數(shù)為3.0%，表面施膠劑質(zhì)量分數(shù)為0.1%；采用家用攪拌器將加熱到50℃后的涂布液攪拌1 min，觀察泡沫高度隨時間的變化（初期液面高度為45 mm）。

由圖10可見，表面施膠劑的A、B和C型都顯示了與乳液型傳統(tǒng)產(chǎn)品大體同等的發(fā)泡性，而比水溶液型傳統(tǒng)產(chǎn)品效果好。

5 總結(jié)

本文介紹了通過使用特殊乳化劑而獲得的具有良好疏水性和分散性的新型乳液型表面施膠劑。在雙輥表面施膠機中，在保持親水性和疏水性平衡的狀態(tài)下，提高了疏水性的表面施膠劑A效果較好；而在硫酸鋁添加量較多的紙中，提高了與陽離子成分相互作用的表面施膠劑B效果較好；如果是計量棒/輥式水平涂布機，改良了施膠劑在紙中滲透性的表面施膠劑C最合適。新型乳液型表面施膠劑的研發(fā)技術(shù)不僅提高了施膠效果，還可以為不同紙張產(chǎn)品和涂布機種類進行表面施膠劑量身定做。

圖10 發(fā)泡性試驗（攪拌法）