使用生物膠乳代替丁苯膠乳能有效降低涂布紙生產成本

危志斌，尤 芳，劉 超，張瑞杰

（山東太陽紙業股份有限公司，山東兗州 272100）

由于石油價格不斷上漲，膠乳價格也隨之上漲，涂布紙生產企業的成本壓力加大；加之當今涂布紙市場尤其是銅版紙市場競爭激烈，涂布紙生產企業通過提高產品銷售價格為企業創造利潤的可能性不大，如何在保證涂布紙質量不受影響的同時能有效地降低生產成本成為各涂布紙生產企業關注的重點。而生物膠乳能滿足上述要求，不但價格較丁苯（SB）膠乳低3 150元/t左右，而且在涂布紙涂料底涂（紙板還包括中涂）中替代2～5份膠乳后對涂料的性能、涂布機的運行性能不會產生較大影響、成紙的品質也可以得到保證。

目前，很多造紙企業已在銅版紙的底涂涂料中和紙板的底涂、中涂涂料中使用生物膠乳代替3份左右的膠乳進行生產，技術較成熟，并且涂料的保水性能提高，可以降低羧甲基纖維素鈉（CMC）的用量，成紙的透氣度也得到改善，同時可以改善涂布紙的印刷起泡性能。

生物膠乳源于淀粉，通過對淀粉改性制得，故不會受石化能源——石油資源的限制和價格上漲的影響。通過對生物膠乳的不斷研發創新，相信生物膠乳在涂布紙涂料中的應用前景會很好。

1 膠乳和生物膠乳的基本特性和作用

1.1 膠乳的基本特性和作用

1.1.1 膠乳的基本特性

造紙涂布用膠乳種類較多，其中以SB膠乳為主。同時，SB膠乳根據苯乙烯含量、乳化劑和聚合溫度等的不同，又有多種品種，且性能和用途也不同。SB膠乳用作涂布膠粘劑，其苯乙烯（硬單體）和丁二烯（軟單體）之比為40～80∶60～20[1]139。SB膠乳為乳白色乳液，相對密度一般小于1，固含量45%～50%，帶陰電荷，pH因膠乳制備所用乳化劑的不同而不同：用脂肪酸鹽、歧化松香酸鹽作乳化劑時，產品的pH為10～11；用磺酸系或硫酸醚系作乳化劑時，產品的pH為8～9；而用羧酸改性者，產品的pH小于7。其玻璃化轉變溫度（Tg）范圍為-25～50℃。目前高速紙機使用的合成膠乳一般都是羧基丁苯膠乳（XSBRL），因為XSBRL可使紙張的柔性、耐折疊性、剛性、油墨吸收性、光澤度和黏合性能明顯增強[2]。造紙涂布用膠乳的特性和性能具體情況分別見表1和表2。

表1 造紙涂布膠乳的特性[3]140-141

表2 國內常見的幾種SB膠乳性能測定[3]140-141

1.1.2 膠乳的作用

造紙涂布的涂料主要由顏料、膠粘劑和助劑組成。其中膠乳作為主要的膠粘劑，在涂料中質量一般占10%左右、體積占25%左右。膠乳最重要的作用是賦予成紙一定的濕拉毛強度和干拉毛強度，它們決定紙張耐磨性的印刷表面強度。這種強度在涂料干燥時，顏料與顏料之間，以及顏料與原紙之間通過膠乳粒子黏結在一起賦予的。同時，因為膠乳粒子填補涂層中的孔隙，阻礙了顏料的取向，也使成紙的油墨干燥性、吸收性和光澤度等受到影響[4]。

膠乳中苯乙烯用量增大，光澤度增加，但會增大涂布紙的“硬性”。膠乳在相當程度上決定成紙的印刷適性和印刷品的質量，可以改善成紙的表面強度、油墨干燥性、吸收性、印刷光澤度和耐起泡性等。

1.2 生物膠乳的基本特性和作用

1.2.1 生物膠乳的基本特性

生物膠乳源于淀粉，通過淀粉改性制得。目前種類也較多，顏色也存在較大差別，有的顏色似石油狀，有的為乳白色乳液。在涂層里生物膠乳成網狀結構，其成膜性，透氣度和保水性較SB膠乳要好，但抗水性和黏結強度較SB膠乳要差。表3列舉了某公司的生物膠乳基本性質。

表3 生物膠乳的基本性質

1.2.2 生物膠乳的作用

目前，生物膠乳主要用在涂布紙底涂和中涂中作膠粘劑，代替部分SB膠乳，由于其具有兩親性官能團，可以在無機物與有機物之間形成界面層，界面層通過傳遞應力增強了顏料與膠粘劑及其他輔助成分之間的結合強度，同時還可以防止非顏料介質向界面滲透，界面狀態的改善增強了涂料中膠乳與無機顏料間的“分子橋”作用，從而通過提高交聯程度改善涂層機械強度，通過潤濕作用改變涂布原紙的表面張力而提高涂層與原紙的結合力。

2 生物膠乳代替膠乳的可行性

2.1 生物膠乳自身的特性

造紙涂料中使用的膠粘劑有膠乳、CMC、涂布淀粉和聚乙烯醇（PVA）等。而生物膠乳源自淀粉，通過淀粉改性形成納米級顆粒，具有穩定的空間網絡結構[5]105；部分造紙企業還自制生物膠乳，使用涂布淀粉通過催化劑改性制得，自制生物膠乳的性能和使用效果不比商品生物膠乳差。由此可見，在造紙涂料中使用生物膠乳代替部分膠乳與過去采用涂布淀粉代替部分膠乳一樣，不同的是，生物膠乳的各種性能比涂布淀粉要好、更與膠乳接近，故生物膠乳代替部分膠乳在理論上可行。生物膠乳與膠乳的性能比較見表4。

表4 生物膠乳與膠乳的性能比較

2.2 實驗室實驗

珠海紅塔仁恒紙業有限公司針對他們對煙用涂布白卡紙強度性能及折痕壓爆性能的要求，進行了在底涂中使用固體生物膠乳取代30%SB膠乳的實驗。實驗結果顯示，涂料性能差不多，成紙的物理指標及強度性能均正常，且涂料的保水性能及成紙的透氣度有一定的增加（見表5～7和圖1）[5]105-107。

表5 涂料性能對比

表6 印刷性能對比

表7 壓爆測試

2.3 生物膠乳的應用前景

圖1 高剪切性能對比

隨著世界工業化大生產的發展，石油日耗用量越來越大，根據經濟學家和科學家的普遍估計，從現在開始世界已探明可供開采的石油儲量預計僅可開采到2050年[6]。隨著石油資源的瀕臨枯竭，石油價格會隨之上漲，而膠乳為石油產品，隨著石油價格的上漲膠乳價格隨之上漲，僅2012年膠乳的價格就較2011年上漲650元/t左右。而生物膠乳基于生物原料，不受石油價格的制約，同時價格較XSBRL低3 150元/t左右。在經濟不景氣和涂布紙尤其是銅版紙市場競爭激烈的今天，如何在保證涂布紙質量不受影響而能有效地降低涂布紙的成本、為占有市場創造有利條件成為各涂布紙生產企業關注的頭等大事。而生物膠乳能滿足上述要求，生物膠乳不但性能與膠乳接近，而且使用效果能滿足要求，最主要的是能有效地降低生產成本。所以，生物膠乳的應用前景很好。

3 生物膠乳在涂布紙中的應用

3.1 生物膠乳在銅版紙中的應用

3.1.1 加入方式

在涂料制備時，生物膠乳在SB膠乳加入之后添加，配方的其他組分的添加順序不變。

3.1.2 加入量

通過使用某型號的商品生物膠乳分別代替底涂SB膠乳的10%、20%、30%和40%等多次上機使用評估，發現使用30%生物膠乳代替底涂中的SB膠乳不會對涂布機的運行性能和成紙的質量帶來負面影響，但能有效地降低銅版紙的生產成本。

3.1.3 應用實例

在生產128 g/m2雙面高光銅版紙（天陽）過程中（機外涂布機，車速1 600 m/min），使用 30%的某型號的商品生物膠乳（以下簡稱生物膠乳）代替底涂中的某型號商品SB膠乳（以下簡稱膠乳），代替前、后涂料中其他成分的比例保持不變。

3.1.3.1 底涂混合器涂料的性能

底涂混合器涂料的性能見表8。由表8可知，底涂混合器中的涂料性能差異不大，但使用30%生物膠乳時的靜態保水相對全膠乳來說要稍好。

表8 底涂混合器涂料的性能

3.1.3.2 涂布機的運行性能

在使用30%生物膠乳的過程中，涂布機運行正常，沒有出現粘涂布備輥和產生涂布刮痕等問題，各涂布頭刀壓均正常，各涂布站固含量沒出現異常升高的現象，其他指標也差不多。具體情況見表9。

表9 涂布機的運行性能

由表9可知，使用30%生物膠乳的過程中，涂布機的運行性能正常，但涂布頭刮刀加壓比使用全膠乳時要高。

3.1.3.3 超級壓光機運行性能

在使用30%生物膠乳的過程中，超級壓光機的車速、線壓和熱輥溫度均未作調整。

3.1.3.4 成紙物理指標

生產定量128 g/m2雙面高光銅版紙（天陽）的部分物理指標見表10。

由表10可知，使用30%生物膠乳后相對全膠乳來說，128 g/m2雙面高光銅版紙（天陽）的光澤度、表面強度和耐折度均稍降低，印刷表面粗糙度稍升高，但均未超過7.0%；但D 65白度、a值和b值均有所升高，油墨吸收性有所降低。這些（除耐折度外——耐折度均超過標準要求較多）說明可以通過微調涂料中增白劑、藍色和紫色顏料的用量及調整超級壓光機的壓力或溫度解決，也說明使用30%生物膠乳代替XSBRL可行。

表10 定量為128 g/m2的雙面高光銅版紙（天陽）物理指標

3.1.3.5 生產成本

年產42萬t的銅版紙機，每天生產定量128 g/m2雙面高光銅版紙（天陽）產量為1 050 t，每天使用生物膠乳4.2 t，每噸生物膠乳較SB膠乳價格低3 150元，則每天可以降低生產成本：4.2×3 150＝13 230.0（元）；年可降低生產成本（1年生產時間按340 天計算）：13 230.0×340＝449.82（萬元）；噸紙可以降低生產成本：13 230.0÷1 050＝12.6（元）。

3.2 生物膠乳在白卡紙中的應用

3.2.1 加入方式

在涂料制備時，生物膠乳在SB膠乳加入之后添加，配方的其他組分的添加順序不變。

3.2.2 加入量

通過使用某型號的商品生物膠乳分別同時代替底涂、中涂中SB膠乳的10%、20%、30%和40%等多次的上機使用評估，發現使用30%生物膠乳代替底涂和中涂中的SB膠乳可行，不會對涂布機的運行性能和白卡紙的質量產生較大影響，并能有效地降低白卡紙的生產成本。

3.2.3 應用實例

在生產定量為250 g/m2白卡紙過程中，使用30%的某型號的商品生物膠乳（以下簡稱生物膠乳，30%生物膠乳相當于膠乳用量降低2.4%；生物膠乳型號與上述銅版紙中的一致）代替底涂和中涂中的某型號商品SB膠乳（以下簡稱膠乳），代替前、后涂料中其他成分的比例保持不變，紙機（也是涂布機）車速780 m/min。

3.2.3.1 底涂和中涂混合器涂料的性能

底涂混合器涂料和中涂混合器涂料的性能分別見表11和表12。

表11 底涂混合器涂料的性能

表12 中涂混合器涂料的性能

由表11和表12可知，底涂混合器中的涂料性能差異不大，但使用30%生物膠乳時的靜態保水相對全膠乳來說要稍好。

3.2.3.2 涂布機的運行性能

在使用30%生物膠乳的過程中，涂布機運行正常，沒有出現粘涂布備輥和產生涂布刮痕等問題，各涂布頭刀壓均正常。具體情況分別見表13和表14。

由表13和表14可知，使用30%生物膠乳的過程中，涂布機的運行性能正常，但涂布頭刮刀加壓相對全膠乳要高、固含量也要高。這些說明使用生物膠乳過程中涂料的動態保水變差。

3.2.3.3 超級壓光機運行性能

在使用30%生物膠乳的過程中，超級壓光機的車速、線壓和熱輥溫度均未作調整。

表13 底涂涂布機的運行性能

表14 中涂涂布機的運行性能

3.2.3.4 成紙物理指標

生產定量為250 g/m2白卡紙的部分物理指標見表15。

表15 定量為250 g/m2的白卡紙物理指標

由表15可知，使用30%生物膠乳后，相對全膠乳來說，定量為250 g/m2白卡紙的光澤度、表面強度和耐折度均有所降低，印刷表面粗糙度稍升高，其中下降幅度較大的為縱向耐折度 （下降13.6%）；但D 65白度、a值和b值均有所升高，油墨吸收性有所降低。這些（除耐折度外——耐折度均超過標準要求較多）可以通過微調涂料中增白劑、藍色和紫色顏料的用量及調整超級壓光機的壓力或溫度解決，也說明在底涂和中涂中使用30%生物膠乳代替SB膠乳不會對白卡紙的生產運行性能和物理指標產生較大影響，可以通過使用生物膠乳來降低生產成本。

3.2.3.5 生產成本

年產35萬t的紙板機，每天生產定量為250 g/m2的白卡紙產量為950 t，每天使用生物膠乳2.0 t，每噸生物膠乳的價格較SB膠乳低3 150元，則每天可以降低生產成本：2.0×3 150＝6 300.0（元）；年可降低生產成本（1年生產時間按340天計算）：6 300.0×340＝214.2（萬元）。噸紙可以降低生產成本：6 300.0÷950＝6.6（元）。

4 結論

（1）生物膠乳可以在涂布紙涂料中使用，一般在涂布紙底涂（紙板包括中涂）涂料中代替不超過30%SB膠乳較合適，此時不會對涂料性能、成紙的物理指標及強度性能帶來較大影響，且能使涂料的保水性能及成紙的透氣度有一定的改善。

（2）銅版紙在底涂涂料中使用生物膠乳代替30%SB膠乳后，涂料性能正常、涂布機（包括超級壓光機）運行正常、成紙物理指標及強度指標變化不大，并且可實現噸紙生產成本降低12.6元左右，可為銅版紙生產企業增加經濟效益和占領市場創造條件。

（3）白卡紙在面層的底涂和中涂中使用生物膠乳代替30%XSBRL后，也不會對涂料性能和涂布機（包括超級壓光機）運行性能帶來較大負面影響，成紙物理指標及強度指標也均未出現較大波動，能滿足生產要求；并且可實現噸紙生產成本降低6.6元左右，可為白卡紙生產企業增加經濟效益和占領市場創造有利條件。

（4）生物膠乳源于生物原料，不受石油價格的制約，在經濟不景氣和涂布紙尤其是銅版紙市場競爭激烈的今天甚至是發展形勢較好的未來，涂布紙涂料中使用生物膠乳代替部分SB膠乳已成定勢。如果生物膠乳的開發技術取得更大突破——能更有效地和高比例地在涂布紙涂料中代替SB膠乳并能在涂布紙的面涂中使用，那么生物膠乳在涂布紙涂料中的應用前景將會更好。

［1］ 曹邦威.紙張顏料涂布與表面施膠（造紙科學與技術叢書11）［M］.北京：中國輕工業出版社，1990.

［2］ 火金三.造紙用羧基丁苯膠乳的穩定性［J］.合成橡膠工業，1995，18（4）：229.

［3］ 薛建華.丁苯膠乳及苯丙膠乳涂布應用探討［J］.上海造紙，1995，26（4）.

［4］ 弋戈.涂布紙的發展方向和涂布用SBR膠乳［J］.國際造紙，2003，22（5）：10.

［5］ 仇如全，張東生，楊麗，等.生物膠乳在涂布白卡紙中的應用［J］.造紙科學與技術，2011，30（6）.

［6］ 危志斌，張瑞杰.能源管理助太陽紙業發展低碳經濟［J］.中華紙業，2011，32（1）：18-19.