涂布化學品及技術的研究新進展

涂布化學品及技術的研究新進展

本文介紹了有關涂布化學品及技術等方面一些新的研究進展情況。其中，部分內容來自于德國慕尼黑舉行的“2010年TAPPI高新涂布原理專題討論會”上發表的報告。

1 涂布測量

此項研究分析了涂層性能，如涂層均一性能、涂層構成、涂料保水性能和涂料覆蓋性能。該研究采用自動化連續分層技術——這種技術可以在合理時間內獲取大量詳實的數據。根據涂層厚度和基紙表面高度（表面狀況），對原始數據和低通濾波篩選數據的決定系數（R2）和線性回歸模型斜率都進行了計算。

此項研究比較了3種涂布系統——刮刀涂布、膜式壓榨涂布以及簾式涂布。對原始數據的分析表明，不同涂布系統之間的涂層構成只有微小差異。篩選數據保留了主要結構。對于篩選數據的分析表明，簾式涂布提供了幾乎理想的仿形涂布——其涂層厚度幾乎不受基紙表面狀況的影響；刮刀涂布的涂料厚度強烈依賴于基紙表面局部高度變化，見圖1（簾式涂布頭和刮刀涂布頭這2種情況下，所用基質類型相同，所用涂料全部采用碳酸鈣）；而膜式壓榨涂布的涂層厚度結果則在簾式涂布和刮刀涂布之間。

這一成果可以更好地描述不同涂布參數（如涂料涂布系統或者顏料體系的變化）所造成的差異，因此對于工廠很有用。

2 納米技術和涂布

2.1 涂料納米膠乳黏合劑

在過去的數十年中，人們不斷開發用于造紙涂料的合成膠乳——其典型的粒徑在120～210 nm之間變化。過去這些“常規”合成膠乳的開發目的實現了與傳統的無機鹽的良好配合。

伴隨著造紙涂料顏料從薄板狀粒子到工程粒徑（控制具有特定粒徑的數量）以及工程沉淀碳酸鈣的演變，膠乳黏合劑已經發展到納米粒徑級別（＜100 nm）。新顏料的使用造成涂料黏度相對較高，且人們期望獲得良好的涂布紙拉毛強度以及紙張其他性能（如挺度和光澤度），使得這種發展很有必要。

圖1 簾式涂布頭（a）和刮刀涂布頭（b）的局部涂層厚度數據和基紙表面高度的相關性

納米級膠乳的一個優點是相對較低的高剪切涂料黏度。圖2表明使用現代高性能膠乳（～120 nm）和納米膠乳（～70 nm）造紙涂料（Covercarb?為70%，Hydragloss 90為30%，膠乳為4%，黏合劑均為合成黏合劑，總固含量為66%）相對毛細管黏度變化情況。

對于納米膠乳，高剪切速率下的表觀涂料黏度下降～40%。結果，在刮刀涂布過程中，獲得目標涂布量所需的載荷壓力降低大約30%（見圖3）。

這使得刮刀涂布操作條件更加寬松，同時造成刮刀刮痕和條紋紙病的傾向減弱。這還使得涂料固含量相對較高、工程瓷土或者沉淀碳酸鈣含量較高的配方配制可行。

圖2 納米膠乳的高剪切涂料黏度顯著降低

圖3 涂布量為9 g/m2時，不含機木漿基紙的斜刮刀負載壓力（中試涂布機數據）

納米膠乳的另外一個優點為其優良的印刷質量潛能。由于納米膠乳粒徑小，所以可以向涂料表面遷移，影響孔隙結構，進而影響油墨的固化性能。

圖4為涂層厚度相同而使用不同膠乳的涂層的橫截面圖像，以及印刷以后相應涂布紙的圖像。

圖4 涂層厚度相同而使用不同膠乳的涂層的橫截面圖像，以及印刷以后相應涂布紙的圖像

圖4中的白色區域代表膠乳黏合劑的位置。相對地，納米膠乳黏合劑占據了涂層的面層，產生更加均一的油墨圖像，如黑色和青色印后樣品的數字化圖像所示。

2.2 納米原纖纖維素（NFC）作為涂布添加劑

納米原纖纖維素（NFC）作為涂布添加劑，可改善合成纖維紙張的印刷質量。

研究者為了確定NFC作為涂布原料使用的潛能，研究了數種合成纖維紙張的NFC涂布樣品的特征。他們使用2種水性印刷方法來表征印刷質量的變化，還使用2種不同的物理處理方法制備了2種NFC。研究者對合成纖維紙張涂布不同量的涂料，通過油墨吸收速率和印刷密度等指標評價了涂布紙張的印刷適性。

采用共聚焦激光掃描顯微鏡和掃描電子顯微鏡對油墨顏料滲透性能進行了表征，即使用聚焦離子光束對樣品進行了化學分析。

圖5 NFC涂布表面的場致發射掃描電子顯微鏡圖像

接觸角和油墨滲透速率隨著NFC涂布量的上升而下降。所得結果與Lucas-Washburn公式預測相反。對于顏料基苯胺油墨，油墨顏料在NFC層被捕集。對于染料基油墨，油墨組分滲透并穿過NFC涂料層。對于噴墨印刷，使用NFC涂料后，印刷質量得以改善。

該研究表明，采用NFC涂布的合成纖維紙張可以改善印刷分辨率和油墨密度，對于顏料型油墨尤其如此。工廠可低成本現場生產NFC，并把它作為涂布添加劑使用，用于改善合成纖維紙張的印刷質量。NFC可以帶來孔狀親水表面，能夠在表面捕集油墨顏料，防止顏料滲透到紙張之中，具有以低成本進行表面處理的潛能。

3 涂布填料——含有非常規瓷土的超憎水紙張涂料

由于憎水性瓷土填料難以在水中分散，所以沒有廣泛用于掛面紙板的分散型涂料中。該研究考察了憎水性瓷土是否可以作為填料用于隔離分散涂料中。考慮涂料的壓實性能、結構、潤濕性能和隔離性能，該研究對憎水性瓷土和常規瓷土進行了比較。在實驗室動態紙幅成形器上制備了掛面紙板，然后所有涂料涂布于這些掛面紙板上，再采用掃描電子顯微鏡和拉曼光譜儀檢查了涂布掛面紙板，并從吸水性、水蒸氣傳輸速率以及接觸角等方面對其進行了表征。

圖6 掃描電子顯微鏡表面圖像和三維表面圖

結果表明，含有憎水性瓷土的涂料為紙張帶來超憎水性能，即大接觸角（150°）和相對較低的吸水性。橫截面的拉曼繪圖揭示了不管使用常規瓷土還是使用憎水性瓷土，膠乳分布均一，而憎水性瓷土的分布比常規瓷土的分布更加均一——這或許反映了憎水性瓷土良好的混合性能和壓實性能。

用于塑料工業的非常規憎水性瓷土可以用于常規分散涂料工藝，以生產超憎水紙張。這是造紙工業使用現有涂布技術（如氣刀涂布或者刮刀涂布）獲得超憎水性表面的備選涂布方法。這種類型的涂布將為紙基產品開創新的應用領域。

4 簾式涂布——簾式涂布機總管流的實驗和理論研究

簾式涂布是一種非接觸型工藝，具有提升涂布機涂布質量和產量的潛能。而且，這種工藝要求苛刻，需要極其穩定的簾幕才可以獲得良好的覆蓋性能。流體傾出之前流過槽體和縫隙時，內流就會產生問題。該研究在實驗室簾式涂布頭的總管中進行了三維計算機流體動態模擬，分析了發生在第1個槽體中的現象，確定了造成缺陷的原因，并建議了可行的解決方案。該研究采用較大半徑的內管或尾端進料總管進行幾何變化模擬——這改善了流體的均一性能。同時，該研究使用透明的涂布頭復制品，采用示蹤劑，進行了可視化流體實驗，從而驗證了模擬結果。圖7顯示了內管尺寸對渦流產生的影響，表明較大的內徑在總管中產生的流體擾動較小。

圖7 內管尺寸對渦流產生的影響

相對于常規技術（如刮刀涂布或者施膠壓榨），簾式涂布具有卓越的優點，但是當下它的技術好于對它的物理認知。該研究利用總管中流體的三維模擬和實驗驗證，為涂料和有效簾式涂布的物理-化學/流體性能提供了缺失的鏈接部分。

（李海明 編譯）