新型涂布膠粘劑FennoBind K6S取代部分面涂丁苯膠乳及相應顏料優化的應用研究

顏家松，辛穎

（凱米拉（上海）管理有限公司，上海201112）

涂料技術的發展受現代涂布和印刷技術，以及環保和成本的驅動[1]。膠粘劑是紙張涂料中繼顏料之后第2主要的成分，占涂料總質量的10%～20%；而從成本上看，許多配方中膠粘劑成本占總成本的50%以上。目前，應用于造紙涂料的膠粘劑主要有淀粉、聚乙烯醇、生物膠乳、丁苯膠乳和苯丙類膠乳等，行業內對它們的研究也較多[2-5]。其中丁苯膠乳因其良好的流變性能、較高的固含量和膠粘能力、良好的可印刷性等優點，較好地適應了高車速、高固含量的涂布技術發展趨勢，在造紙涂料膠粘劑領域中占主導地位。

一種專利的新型涂料膠粘劑FennoBind K6S被開發出來，這種膠粘劑的特點在于其無表面活性劑乳化合成技術，相比常規丁苯膠乳，這種技術合成的膠粒粒徑超細（見圖1和圖2），對剪切力、溫度及金屬離子穩定，涂布運行穩定；同等質量下，粒徑減小，膠粒個數倍數增加，黏結效率提高。因其更高的膠粘性能，同等強度下，FennoBind K6S對丁苯膠乳的典型替代比率是1∶2（即絕干質量比，1份FennoBind K6S可取代2份丁苯膠乳），特定條件下，1∶3的替代水平也是可以實現的。總膠粘劑水平降低，涂料成本下降，涂層結構更開放，紙張光學性能改善，對多種印刷方式都能提供出色的印刷性能。紙張性能的改善，也使紙廠有更高的靈活度去調整顏料系統，如用低成本的研磨碳酸鈣（GCC）取代昂貴的顏料，如沉淀碳酸鈣（PCC）、瓷土等，在保持或提高紙張質量的前提下進一步降低生產成本。

圖1 FennoBind（粒徑46 nm，比表面積125 m2/g）

圖2 常規膠乳（粒徑125 nm，比表面積46 m2/g）

現階段國內一些紙廠及研究機構僅有簡單的棒式涂布機，這種涂布機未連接即時快速干燥裝置。這種設備可有效評估丁苯膠乳性能，因為通常市售丁苯膠乳玻璃化溫度較低，常溫下即可成膜[6]。但在評估FennoBind K6S時，因其粒徑超細，易遷移，如未配合快速干燥及時成膜，會發生過快遷移，導致表面強度下降，因此實驗室常見其強度性能低于實際上機結果。

本文的目的是確立有效評估新型膠粘劑FennoBind K6S性能的實驗室棒涂方法，驗證這種膠粘劑部分取代面涂丁苯膠乳后改善紙張性能的效果，探索在保持或提高涂布紙質量前提下，進一步降低成本的顏料優化方案。

1 實驗

1.1 實驗原料

涂布原紙（定量為130 g/m2，2面各1道預涂）、面涂顏料、膠乳和助劑等均取自客戶紙廠。

1.2 實驗設備及其執行的測試標準

Brookfield黏度儀，美國Brookfield公司，型號DV-II+P；保水度儀，供應商為Kaltec Scientific有限公司，型號AA-GWR 250；赫克力士高剪切黏度儀，供應商為DT Paper Science Oy公司，型號DV-10；棒式涂布機，供應商為Gist公司，型號GBC-A4；壓光機，供應商為DT Paper Science Oy公司；白度儀，供應商為久貿上海有限公司，型號Technidyne CTP-ISO，執行的測試標準為TAPPI T 452；光澤度儀，供應商為Lorentzen&Wette公司，型號363，執行的測試標準為TAPPI T 480；平滑度儀，供應商為杭州輕通博科自動化技術有限公司，型號BST，執行的測試標準為TAPPI T479；透氣度測試儀，供應商為Lorentzen&Wette公司，型號L&W 166，執行的測試標準為TAPPI T 460；IGT印刷適性儀，供應商為思百吉中國有限公司，型號AIC2-5 T2000；色密度儀，供應商為Techkon GmbH公司，型號SpectroDens，執行的測試標準為ISO 5-3/4。

1.3 涂布、烘干及壓光方法

較高的涂布量和不足的烘干條件會增大FennoBind K6S向原紙遷移的自由度，是常為實驗室不能驗證FennoBind K6S強度性能的重要原因，為達到盡量減少FennoBind K6S遷移的目的，本文特意選擇較低涂布量并強化涂布紙的烘干。

1.3.1 涂布及烘干

3號刮棒控制涂布量為10～12 g/m2，涂布速度為7 cm/s；涂布前，刮棒下墊一層塑料膜，防止加涂料時水分滲入紙中；涂布后盡快將涂布紙轉移入涂布機旁烘箱中，以盡量貼近紙機實際，減少膠粘劑遷移，烘箱溫度為125℃，烘干時間為30 s。

1.3.2 壓光

壓光條件：溫度為70℃，壓力為6 MPa，壓光速度為10 m/min，對角壓2遍。

2 結果與討論

涂料配方的設計、涂料流變性及涂布性能結果見表1（表中：T1是面涂參考配方；T2是相對參考配方少用1.5份膠乳；T3是FennoBind K6S取代面涂30%丁苯膠乳，取代絕干質量比1∶2，總膠粘劑用量8.5份；T4在T3配方基礎上對顏料組分作了優化，4質量份95級研磨碳酸鈣取代了面涂4質量份瓷土）。

越高用量膠乳被取代，膠粘劑總量越低，涂層孔隙越多，膠粘劑更易向原紙遷移[7]。為避免潛在不利影響，膠乳取代率選擇為30%，而沒有用更高取代率，如50%以上等。

表1 涂料配方，涂料流變性及涂布性能

為了更直觀地表示表1顯示的數據，以下分別用圖和分表來顯示它們的變化趨勢并予以討論。

2.1 涂料流變性

圖3和圖4分別顯示了不同配方時涂料的保水值和高剪切黏度。

由圖3和圖4可見，同等條件下（涂料固含65%，pH為～9，低剪切黏度為～1 200 mPa·s），用Fenno Bind K6S的涂料配方流變性總體改善。FennoBind K6S取代面涂部分丁苯膠乳后，涂料保水值略變大，高剪切黏度略降低，涂料流送及流平性能更好。用4質量份面涂GCC等量取代4質量份瓷土，進一步調整涂料配方后，涂料流變性無明顯變化。

FennoBind K6S不含表面活性劑，相比常規丁苯膠乳，這種膠粘劑對剪切力、溫度及金屬離子穩定。用于涂料，為各種涂布方式提供穩定的運行性，減少紙病。

圖3 不同配方下涂料保水值

圖4 不同配方下涂料高剪切黏度

2.2 涂布紙白度和亮度及色相

表2顯示了涂布紙的白度、亮度及色相。

表2 涂布紙的白度、亮度及色相

由表2可見，用FennoBind K6S，不管是簡單取代膠乳還是同時優化顏料配方，對涂布紙亮度、白度及色相均無明顯影響。壓光后紙張白度和亮度略微下降，但不改變不同配方之間的對比結果。

2.3 涂布紙光澤度

圖5和圖6分別為涂布紙壓光前和壓光后的光澤度。

圖5 涂布紙光澤度（壓光前）

圖6 涂布紙光澤度（壓光后）

由圖5可見，對未壓光涂布紙，使用FennoBind K6S（30%，1∶2）后，涂布紙光澤度提升。因總膠粘劑用量降低，涂層孔隙體積增加，涂層光散射的增強是光澤度提升的主要原因，光澤度的提升也是涂層光學遮蓋性增強的證據。用4質量份面涂GCC等量取代4質量份瓷土，進一步調整涂料配方后，涂布紙光澤度降低但仍高于參考配方。

由圖6可見，對壓光后涂布紙，用FennoBind K6S（30%，1∶2），涂布紙光澤度與參考配方同等水平；FennoBind K6S使用的同時降低瓷土用量，涂布紙光澤度略低于參考配方。一定程度上，表面平滑度受涂料厚度影響，從而影響到光澤度。同樣的，涂層孔隙度明顯影響光澤度。涂布紙壓光后，涂層變得緊實，不同涂料配方所得涂層的孔隙度差異變小，在這種條件下，光澤度的提升由表面平滑度主導。瓷土因其更趨于片狀，易于壓光得到較平滑的表面，降低瓷土用量，壓光后涂布紙的光澤度下降。因此，對高光澤銅版紙，使用FennoBind K6S同時降低瓷土用量時，建議微調壓光溫度或壓力以提高紙面光澤度。

2.4 涂布紙Gurley透氣度（壓光后）

圖7為涂布紙Gurley透氣度（壓光后）。

圖7 涂布紙Gurley透氣度

由圖7可見，用FennoBind K6S（30%，1∶2），總膠粘劑用量降低，涂層孔隙體積增加，表現為涂布紙Gurley透氣度數值下降，涂層更開放，涂布紙烘干能耗降低；用FennoBind K6S同時降低瓷土用量，Gurley透氣度數值繼續下降。Gurley透氣度測量的是空氣穿過整個涂布紙所需的時間，空氣在通過與紙面平行的片狀瓷土粒子時繞行的距離更長，阻力更大。瓷土用量降低，同等條件下空氣通過紙張的阻力變小，是Gurley透氣度繼續下降的原因。

2.5 涂布紙油墨干燥速度及油墨需求（壓光后）

圖8和圖9分別顯示了涂布紙油墨干燥速度和油墨需求情況。

圖8 涂布紙油墨干燥速度

圖9 涂布紙的油墨需求量

圖8中，墨色密度越大，表示油墨干燥速度越慢。由圖8，用FennoBind K6S（30%，1∶2），因總膠粘劑用量降低，涂層孔隙體積增加，更多表面微孔導致油墨干燥速度加快[8]。瓷土因其架橋效應，易形成多孔隙、油墨吸收速度快的涂層。用FennoBind K6S同時降低瓷土用量，油墨干燥速度相對于單獨使用FennoBind K6S變慢，但仍優于參考配方。

由圖9，用FennoBind K6S（30%，1∶2），涂布紙油墨需求量降低，印刷更經濟，換言之，同等油墨用量下，墨色密度更高，印刷色彩更鮮艷，質量更高。在此基礎上降低4質量份瓷土，油墨需求量無明顯變化。總膠粘劑用量降低，涂層孔隙體積變大，光散射增大，對涂層表面油墨的光散射有利，是同等墨色密度下油墨需求量降低的原因。

2.6 涂布紙印刷光澤度（壓光后）

圖10為涂布紙印刷光澤度（壓光后）。

圖10 涂布紙印刷光澤度

由圖10可見，用FennoBind K6S或用FennoBind K6S同時降低瓷土用量，涂布紙印刷光澤度相比參考配方保持一致。

2.7 涂布紙IGT干拉毛強度（壓光后）

圖11為涂布紙IGT干拉毛強度（壓光后）。

圖11 涂布紙IGT干拉毛強度

由圖11可見，盡管總膠粘劑用量明顯減少，用FennoBind K6S，涂布紙仍有不弱于參考配方的表面強度。用FennoBind K6S同時降低瓷土用量，表面強度輕微提高。通常面涂細瓷土的比表面積較大，對膠乳的需求相比GCC要高。瓷土用量降低，顏料總比表面積下降，對膠粘劑需求變少使得表面強度提高。

2.8 涂布紙IGT濕拉毛強度/IGT濕排斥（壓光后）

表3為涂布紙的IGT濕拉毛強度/IGT濕排斥（壓光后）。

表3 涂布紙的IGT濕拉毛強度/IGT濕排斥

由表3可見，相比參考配方，用FennoBind K6S或用FennoBind K6S同時降低瓷土用量，涂布紙面均無IGT濕拉毛強度及明顯IGT濕排斥現象。

IGT濕排斥強度與涂層孔隙體積及直徑密切相關。壓光后，涂層被擠壓，孔隙直徑變小，對液體的毛細管吸收作用更強，同時膠粘劑用量較低，表面毛細管較多是涂布紙IGT濕排斥不明顯的可能原因。凱米拉公司曾在上機試驗中發現，使用FennoBind K6S取代面涂丁苯膠乳（20%，1∶2）后，涂布白板紙的IGT濕排斥明顯改善。

3 結論

優化后的實驗室棒涂方案，控制涂布量10～12 g/m2，同時涂布后快速干燥涂布紙，使得FennoBind K6S的性能得到充分展示。由實驗結果，FennoBind K6S取代面涂丁苯膠乳（30%，1∶2），效果及優勢總結如下。

（1）生產成本降低。體現在總膠粘劑用量下降，涂料成本降低，以及因更開放的涂層帶來的烘干能耗降低。

（2）涂布紙光學性能改善。白度、亮度及色相不受影響，紙面光澤度提高（對板紙），涂層遮蓋力提高，光澤度的提高可為證明。

（3）印刷性能改善。印刷光澤度保持，表面拉毛強度保持或提高，IGT濕排斥保持或改善，油墨干燥速度加快，油墨需求量降低，印刷更經濟，或同等油墨用量下更高的印刷質量。

進一步調整面涂涂料配方，用GCC等量取代部分瓷土后，帶來以下效果。

（1）成本進一步降低。

（2）涂布紙光學性能保持或改善。白度、亮度及色相不受影響。對板紙，紙面光澤度稍降，但仍優于參考配方；對高光銅版紙，微調壓光溫度及壓力即可達到同等光澤度水平。

（3）印刷性能改善。印刷光澤度保持，表面拉毛強度提高，油墨干燥速度雖變慢但仍優于參考配方，IGT濕排斥不受影響，油墨需求量不變仍優于參考配方。

超細粒徑的新型膠粘劑FennoBind K6S容許總膠粘劑水平的顯著降低，生產成本節降，涂布紙表面強度不受影響。因合成時完全不用表面活性劑，FennoBind K6S作為涂料組分之一，穩定性及相容性良好，對各種涂布方式都有良好的涂布運行性。另外，開放的涂層結構為膠印、凹印及凸版印刷等多種印刷方式提供高質量的印刷效果，也符合數碼印刷的發展趨勢和技術需求。

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