綠色環(huán)保節(jié)能的水性快干型鉛筆膠研究及工業(yè)應(yīng)用

李鋼東

上海英諾威新材料科技有限公司 上海市金山區(qū) 201508

一、我國(guó)鉛筆制造行業(yè)的市場(chǎng)現(xiàn)狀和升級(jí)要求

（一）市場(chǎng)需求

鉛筆作為古老而傳統(tǒng)的書(shū)寫(xiě)工具，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)一直有著穩(wěn)定與發(fā)展的市場(chǎng)需求。根據(jù)中國(guó)制筆協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年鉛筆產(chǎn)量約占世界鉛筆總產(chǎn)量的80%，是鉛筆生產(chǎn)大國(guó)。2020年我國(guó)鉛筆出口市場(chǎng)份額占國(guó)際鉛筆出口市場(chǎng)的67%，雖在產(chǎn)量上仍占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但存在價(jià)格低、利潤(rùn)空間小、無(wú)法占據(jù)高端市場(chǎng)等諸多問(wèn)題，加之人工成本大幅增加，主要原材料如鉛筆用木板、鉛筆芯、鉛筆用膠等原料成本的大幅提高，而相應(yīng)成品鉛筆卻檔次不高，造成銷售價(jià)格難以提高的局面，中國(guó)鉛筆制造行業(yè)面臨的問(wèn)題凸顯嚴(yán)峻和復(fù)雜。

（二）碳達(dá)峰

2021年10月，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》予以頒布。該意見(jiàn)聚焦于2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)，碳達(dá)峰將貫穿于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全過(guò)程和各方面，重點(diǎn)實(shí)施能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動(dòng)、節(jié)能降碳增效行動(dòng)、工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰行動(dòng)等“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”。因此，我國(guó)的制筆行業(yè)，尤其是鉛筆制造行業(yè)，如何在嚴(yán)峻的市場(chǎng)環(huán)境下，提前布局并實(shí)施和完成碳達(dá)峰要求，盡快選用環(huán)保材料和開(kāi)發(fā)綠色工藝，減少生產(chǎn)過(guò)程中的能耗，已成為行業(yè)刻不容緩的研究課題。

鑒于以上背景，本文作者對(duì)“綠色環(huán)保節(jié)能的水性快干型鉛筆膠研究及工業(yè)應(yīng)用”的課題進(jìn)行了有益的探討。

二、鉛筆制造業(yè)的工藝技術(shù)升級(jí)要求

一般而言，傳統(tǒng)的鉛筆生產(chǎn)工藝過(guò)程包括：（1）將木材加工成上下型板并切削鉛筆芯槽；（2）在上、下型板面和槽中涂刷鉛筆芯膠；（3）在下型板槽中放入鉛筆芯；（4）合并上、下型板，并使用夾具進(jìn)行施壓；（5）送入烘道或烘房烘干12h，有的甚至需要烘干24h以上，在這個(gè)過(guò)程中，膠水完成固化；（6）進(jìn)行刨桿、磨桿和上漆等后續(xù)工序。

傳統(tǒng)使用的鉛筆膠又稱為白乳膠，主要成分為聚醋酸乙烯。白乳膠對(duì)鉛筆用木材的黏結(jié)力強(qiáng)，并且價(jià)格便宜，但不足是膠的固含量偏低、黏度偏高、耐水性較差。另外，聚醋酸乙烯黏結(jié)劑對(duì)鉛筆用主要木材有很好的黏結(jié)力，卻對(duì)彩色筆芯、含油石墨芯譬如高B類的石墨筆芯以及水溶性彩芯黏結(jié)效果較差，成品往往會(huì)出現(xiàn)滑芯等缺陷[1]。工業(yè)生產(chǎn)中，為了解決該缺陷，大多通過(guò)施加外力對(duì)鉛筆芯實(shí)行硬擠壓而使其放置在鉛筆槽內(nèi)，防止滑芯。該物理方式的處理，往往會(huì)造成筆芯在鉛筆槽內(nèi)折斷或造成成品的筆桿發(fā)生開(kāi)裂，導(dǎo)致成品的次品率居高不下。

此外，前述提及的白乳膠固含量偏低，鉛筆的工業(yè)生產(chǎn)中單位產(chǎn)品的耗膠量高，也會(huì)影響到鉛筆木桿含水率變化大，導(dǎo)致鉛筆桿變形。為解決這些問(wèn)題，傳統(tǒng)鉛筆生產(chǎn)過(guò)程中不得不采用烘干工序，也就是在溫度45℃條件下對(duì)半成品進(jìn)行12h的束夾，從而縮短黏合時(shí)間，并降低鉛筆木桿含水率。由此導(dǎo)致生產(chǎn)場(chǎng)地變大、需投資烘干裝置且能耗增加生產(chǎn)效率低下。

三、水性快干型鉛筆膠的主要原料及其作用機(jī)理

主要原料：乙烯-醋酸乙烯共聚乳液、SiO2（氣相）、聚丙烯酸酯乳液、增塑劑、有機(jī)硅潤(rùn)濕劑、純水。

作用機(jī)理：主要基料是乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液的共混乳液，其中前者對(duì)鉛筆用主要木材均有較高的黏結(jié)強(qiáng)度，耐溶劑性能和抗凍性能優(yōu)，可抗蠕變性[2]。后者有很好的耐熱性和耐水性。兩者經(jīng)物理進(jìn)行共混，會(huì)獲得較寬溫度范圍內(nèi)的廣泛適應(yīng)性，并有很強(qiáng)的耐水性、抗蠕變性等性能。

有機(jī)硅潤(rùn)濕劑與黏結(jié)劑整個(gè)系統(tǒng)的相容性好，可提高成品鉛筆膠的流平性和潤(rùn)濕性，從而保證產(chǎn)品與基材充分接觸，達(dá)到均勻上膠，并提高黏結(jié)效率。

SiO2（氣相）無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)污染，耐高溫，比表面積大、粒徑小，可作為增稠劑調(diào)節(jié)產(chǎn)品的黏度。同時(shí)，SiO2表面含羥基、乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液的共混乳液中含有羧基和羥基，SiO2和該共混乳液經(jīng)氫鍵可形成致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增加了共混乳液膠膜內(nèi)聚力，可以提高體系黏結(jié)強(qiáng)度，保證產(chǎn)品對(duì)鉛筆用木材及各類筆芯材質(zhì)的高強(qiáng)黏結(jié)力。

增塑劑的引入可以增強(qiáng)鉛筆膠膜柔軟度，提高膠黏的固化速度。

四、水性快干型鉛筆膠的工藝技術(shù)

針對(duì)現(xiàn)有工藝技術(shù)的不足及綠色環(huán)保碳達(dá)峰的環(huán)保要求，作者開(kāi)發(fā)并已工業(yè)實(shí)際應(yīng)用了綠色環(huán)保節(jié)能的水性快干鉛筆膠。該鉛筆膠的工藝技術(shù)為：將物料乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液投入到反應(yīng)釜中，該反應(yīng)釜是不銹鋼材質(zhì)。投入原料后，進(jìn)行1～2h的攪拌，并緩慢地加入呈氣相狀態(tài)的SiO2，進(jìn)行1h的攪拌。接著加入有機(jī)硅潤(rùn)濕劑,進(jìn)行0.5h的攪拌。隨后加入增塑劑，進(jìn)行0.5～1h的攪拌；最后加入純水調(diào)整其黏稠度。

五、性能檢測(cè)方法及使用效果

（一）性能檢測(cè)方法

衡量鉛筆膠的主要技術(shù)指標(biāo)包括：黏結(jié)強(qiáng)度、耐候性、耐溶劑性及耐水性、干燥速度及耗膠量[3]。這些指標(biāo)決定了鉛筆的基本性能、使用性能、在一定環(huán)境與條件下的儲(chǔ)存和使用效果、鉛筆生產(chǎn)效率及鉛筆生產(chǎn)成本。針對(duì)這些指標(biāo)，從下述幾個(gè)方面對(duì)綠色環(huán)保節(jié)能的水性快干型鉛筆膠與傳統(tǒng)鉛筆膠的性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。

測(cè)試中，每項(xiàng)性能測(cè)試選取70支鉛筆，鉛筆的板材為楊木板，鉛筆芯為彩芯；傳統(tǒng)鉛筆膠選自目前市場(chǎng)上通用的白乳膠。

1.滑芯測(cè)試

將剛制作完成的成品鉛筆放置10天，選出未出現(xiàn)開(kāi)裂、崩芯、膠縫現(xiàn)象的待測(cè)鉛筆樣品70支，采用測(cè)試設(shè)備在每支筆芯上的加壓力量為6N并保持6s。

2.破木時(shí)間

選擇六面規(guī)整后的楊木鉛筆板，將水性快干型鉛筆膠和普通鉛筆膠按照80g/m2的刷膠量，均勻涂布在鉛筆板面，各準(zhǔn)備10片膠合板，分兩組在室溫下束夾施壓，等候拉力測(cè)試。用兩臺(tái)拉力機(jī)將兩組膠合板從束夾后20min同時(shí)開(kāi)始、用拉力機(jī)每隔10min做180°剝離測(cè)試，記錄膠合面破木的起始時(shí)間。

3.卷削測(cè)試

選擇無(wú)開(kāi)裂、無(wú)崩芯、無(wú)膠縫現(xiàn)象的待測(cè)鉛筆樣品，采用角度呈30°的卷筆刀卷削，觀察脫離的卷削物外形，看掉下來(lái)的卷削物內(nèi)側(cè)筆芯可否黏連在外側(cè)板材上。

4.耐水性測(cè)試

將剛制作完畢的成品筆放置7天后進(jìn)行測(cè)試，選取無(wú)開(kāi)裂、無(wú)崩芯、無(wú)膠縫現(xiàn)象的鉛筆樣品，浸入30±2℃的水面之下，每隔1h取出進(jìn)行反方向擰動(dòng)筆桿兩端，觀察筆桿有無(wú)開(kāi)膠。

5.高低溫老化循環(huán)測(cè)試

將剛生產(chǎn)的鉛筆樣品先放入溫度為50℃、80%濕度條件下的恒溫恒濕箱內(nèi)，進(jìn)行36h烘焙；隨后于-15℃下冷凍36h。連續(xù)3周循環(huán)后，觀察是否有開(kāi)膠。

6.耐高溫老化測(cè)試

將剛生產(chǎn)的沒(méi)有開(kāi)裂、沒(méi)有膠縫的鉛筆樣品放進(jìn)60℃度的烘箱中，持續(xù)烘干2周時(shí)間；觀察筆桿是否有開(kāi)裂，并掰開(kāi)觀察是否出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象。

7.粘合時(shí)間

將夾具夾好的鉛筆樣品放進(jìn)50℃的烘房?jī)?nèi)，進(jìn)行粘合，間隔1h用手掰開(kāi)，進(jìn)行觀察是否粘接完全，記錄鉛筆樣品完全粘合的時(shí)間。

8.自由落體抗摔性能測(cè)試

選取剛生產(chǎn)的沒(méi)有開(kāi)裂、沒(méi)有膠縫的鉛筆樣品，從2m高度讓其自由落下，觀察筆桿是否存在開(kāi)裂；采用外力打開(kāi)筆桿并統(tǒng)計(jì)筆芯斷裂的數(shù)量。

（二）測(cè)試結(jié)果

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

表1 水性快干型鉛筆膠與傳統(tǒng)鉛筆膠實(shí)際應(yīng)用性能測(cè)試對(duì)比表

六、研究結(jié)論

1.運(yùn)用聚丙烯酸酯乳液復(fù)合改性乙烯-聚醋酸乙烯乳液，并巧妙運(yùn)用氣相二氧化硅和其他功能性助劑改性，極大地提高了鉛筆膠快干、耐候、耐水、粘芯等卓越性能，有效解決了鉛筆因使用傳統(tǒng)的白乳膠而導(dǎo)致的容易滑芯、不耐水等固有難題。

2.該綠色環(huán)保水性快干鉛筆膠具有快干特性，從而傳統(tǒng)的束夾膠芯工藝不再需要烘干（傳統(tǒng)工藝要求束夾并高溫烘干至少24h以上），可在室溫條件下2h內(nèi)直接刨桿，為鉛筆生產(chǎn)企業(yè)有效節(jié)省了能耗，并且極大地提高了生產(chǎn)效率。初步統(tǒng)計(jì)，水性快干鉛筆膠的工藝技術(shù)可以為鉛筆制造業(yè)直接節(jié)省鍋爐燃料費(fèi)用2500萬(wàn)元/年以上，更是有效減少了碳排放和VOC排放。

3.該綠色環(huán)保水性快干鉛筆膠對(duì)彩芯、石墨芯等不同的筆芯都具有優(yōu)異的黏接效果，從而允許槽的直徑比芯大，減少了鉛筆芯因受壓力而崩斷，而且保證了不滑芯。

4.產(chǎn)品屬于環(huán)保的水基而非油基，不僅理化性能得到顯著提升，且安全環(huán)保指標(biāo)也得到了保障。所有環(huán)保安全指標(biāo)都能達(dá)到甚至超過(guò)歐盟“玩具類”產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，凸顯了環(huán)保方面的優(yōu)越性，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白。