高性能水基鉛筆膠的工藝改進及其應用效果

李鋼東

摘要：文章通過對現有傳統鉛筆膠不足的分析，對所發明并實際應用的高性能水基膠生產工藝、原理、產品性能進行了論述，并從7個方面與傳統鉛筆膠所生產的鉛筆進行了應用對比試驗，所開發的高性能鉛筆膠環保、節能，產品性能優越。

關鍵詞：鉛筆膠;高性能;粘接強度;鉛筆芯;涂膠量;生產效率;耐候性能

中圖分類號：TQ437文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0012-04

1 鉛筆制造工藝及現有鉛筆膠工藝的不足

鉛筆作為文體行業日用類產品，在國內外有很好的市場應用與前景。根據中國制筆協會統計，近年來，我國制筆行業年均增速為15.4%，遠高于GDP增速，鉛筆是制筆行業中最重要的產品之一，目前，中國每年鉛筆制筆量占全球總制筆量的80%左右，屬于鉛筆生產大國。盡管中國鉛筆產能很高，但在出口方面存在價格低、無法進入高端市場等問題，主要原因之一在于常規鉛筆膠的普遍應用。

鉛筆制作工藝如下：將鉛筆芯膠涂布于鉛筆板材上、下型板面及槽中，再將鉛筆芯放人下型板槽中，然后將上下型板合并，再通過夾具夾緊，待膠水固化后（該工藝過程稱為“膠芯工藝”）進行刨桿、成型、上漆等工序。上述提及的鉛筆制造中的“膠芯工藝”的主要工序是刷膠（噴膠）工序、束夾工序和刨桿工序。

目前國內使用的傳統鉛筆膠俗稱白乳膠，其主要成分是聚醋酸乙烯，該產品對鉛筆木材有較好的粘接力，且價格低廉，但其性能存在固含量低、黏度高、耐水性較等不足;同時，聚醋酸乙烯粘接劑雖然對鉛筆木材有較好的粘接力，但對各類筆芯尤其是彩色筆芯、含油的石墨芯（如高B類石墨筆芯）和水溶性彩芯等幾乎無粘接效果，產品會出現滑芯等缺陷。為了克服該缺陷，目前鉛筆制造過程中，一般通過施加外力將鉛筆芯進行硬擠壓置于鉛筆槽內，以防其滑芯，但這樣的物理方式往往造成鉛筆槽內的筆芯折斷或制成品筆桿出現開裂，最終導致次品率很高。

另外，由于聚醋酸乙烯膠結劑固含量低，使其在鉛筆制造中耗膠量大、木桿含水率變化大，容易導致筆桿變形等負面作用，所以傳統膠芯工藝不得不采用烘干工序即在45℃環境下束夾12h以上來縮短粘合時間，同時降低木桿的含水率，不僅束夾時間長、需要耗費能源如鍋爐蒸汽或電烘進行烘干、需占用場地，導致成品不合格率高，且生產效率低下。

2 高性能水基鉛筆膠的工藝技術與性能

針對前述現有鉛筆膠存在的不足，筆者發明并已實際應用的高性能水基鉛筆膠，旨在克服現有技術中的不足，提供一種鉛筆制造過程中用于木材與木材、木材與鉛筆芯常溫下短時間粘接成型、具有優越粘接性能的水基膠黏劑，制成的鉛筆產品具有木芯粘接（不易導致滑芯）、環保安全（符合歐盟行業安全標準）、耐水及耐候性好的特點，同時，有效提高鉛筆的生產效率、降低生產過程的能耗，以期降本增效。

高性能水基鉛筆膠的主要組分為：乙烯-醋酸乙烯共聚乳液、聚丙烯酸酯乳液、氣相二氧化硅、有機硅潤濕劑、增塑劑、純水。

生產工藝為：在不銹鋼反應釜內投人物料乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液，攪拌1-2h，緩慢加入氣相二氧化硅，攪拌1h，然后緩慢加入有機硅潤濕劑，攪拌0.5h，然后再加入增塑劑，攪拌0.5-1h，最后加入純水用以調整粘稠度。

乙烯-醋酸乙烯共聚乳液與聚丙烯酸酯乳液兩者的共混乳液作為主要基料，其中乙烯-醋酸乙烯共聚乳液對各種木材都有很好的粘接強度，其耐凍、耐溶劑性能好，具有抗蠕變性，而聚丙烯酸酯乳液有極好的耐水性和耐熱性。乙烯-醋酸乙烯共聚乳液與聚丙烯酸酯乳液通過物理共混，能獲得在較寬溫度范圍內的廣泛適應性，且保持有很強的耐水性、抗蠕變性等綜合性能。

氣相二氧化硅無毒無味無污染，耐高溫，粒徑小、比表面積大，在體系中可作為增稠劑用于調節黏度，更重要的是，二氧化硅表面含有羥基，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液共混乳液中含有羥基、羧基，二氧化硅與共混乳液通過氫鍵形成致密的網絡結構，增加共混乳液膠膜的內聚力，從而大大提高整個體系的粘接強度，進一步保證本發明產品對木材及各類筆芯材質的高強黏結力。體系中引入的氣相二氧化硅粒子，其表面的羥基對水有極大的親和能力，可以吸引水分子，極易溶解于水中。

有機硅潤濕劑的引入，能與粘接劑系統相容性好，提高潤濕性和流平性，從而使本發明產品能與基材充分接觸，上膠量均勻，提高粘接效率。增塑劑的引入還能增強膠膜的柔軟度，且提高膠粘劑的固化速度。

3 高性能水基鉛筆膠的性能檢測方法及效果

3.1檢測方法

鉛筆膠的主要技術指標體現在：①粘接強度，決定了鉛筆的最基本的性能;②耐候性，決定鉛筆的使用性能;③耐溶劑性及耐水性，鉛筆在一定環境條件下的儲存和使用效果;④干燥速度，該特性影響鉛筆工藝制作的效率;⑤耗膠量，該特性將影響鉛筆生產的成本。針對這些指標，從7個方面對南性能水基鉛筆膠與傳統鉛筆膠的性能進行對比測試。每項性能測試選70支鉛筆，鉛筆樣品的鉛筆槽為白松木，鉛筆芯為彩芯。傳統鉛筆膠均選自市場上通用的聚醋酸乙烯粘接劑。

3.1.1滑芯測試

方法：將剛制作完畢的成品筆先放置10d后，選出其中未出現開裂、膠縫、崩芯現像的待測鉛筆樣品70支，在每個筆芯上加壓6牛頓力保持6s。

3.1.2卷削實驗

方法：選擇無開裂、無膠縫、無崩芯現像的待測鉛筆樣品，用角度呈30%的卷筆刀進行卷削，觀察脫離掉下的卷削物外形，掉下的卷削物內側筆芯能否粘連在外側板材上。測試對比結果見兩個圖片。

3.1.3泡水老化實驗

方法：將剛制作完畢的成品筆放置10d后測試，選取無開裂、無膠縫、無崩芯現像的鉛筆樣品，浸入40+5℃的水面下1h，取出后反方向擰動筆桿兩端，看筆桿有無開膠。

3.1.4高低溫老化循環實驗

方法：將剛制作完畢的鉛筆樣品先放人溫度為50%、濕度為80%的恒溫恒濕箱內烘36h，然后放人一15%的冰箱內冷凍36h。連續3周循環后，看是否開膠，各取70支。

3.1.5耐高溫老化實驗

方法：將剛制作完畢的無開裂無膠縫的鉛筆樣品放人60%烘箱中，持續烘干2周，然后觀察筆桿有無開裂，同時還可以用手掰并觀察是否出現開裂，各取70支。

3.1.6粘合時間測試

方法：用夾具夾好的鉛筆樣品放人50%烘房中，進行粘合，每間隔一小時用手掰開，觀察能否粘接完全，記錄鉛筆樣品完全粘合的時間。

3.1.7自由落體抗摔性能測試

方法：選取剛制作完畢的無開裂無膠縫的鉛筆樣品，各取70支。在2m的高度自由落下，觀察筆桿是否有開裂現象;外力打開筆桿并統計筆芯斷裂數量。

3.2檢測結果

將前述7項測試結果進行列表，詳見表1。

4 研究結論

4.1技術優勢

高性能水基鉛筆膠的技術優勢主要體現在：

其一，屬于高固含量（固含量為55%-60%）、低黏度（27℃下黏度1000-2000mps）的膠黏劑，對目前用于鉛筆制造的各類木材（楊木、椴木、西達木、白松等）都有極強的粘接力，同時對各類材質的筆芯也有很好的粘接效果。

其二，由于該新型鉛筆膠具有很強的粘芯效果，因此在鉛筆板的刨槽工藝中適當增加大槽內徑，避免束夾過程因槽的直徑太小導致應力過大而造成筆芯蹦斷或筆桿開裂，從而大大提高了成品筆的合格率。同時，在現有的設備生產工藝過程中可以滿足刷涂、刮涂、噴涂或手工涂等各種不同上膠方式。

其三，粘度低、固含量高，耗膠量比常規的聚醋酸乙烯粘合劑用量節約1/3-1/2。現有常規的聚醋酸乙烯粘合劑固化時間一般在12-16h（45℃條件下），而本發明產品固化時間2-3h（常溫條件下），大大縮短固化時間、提高生產效率、降低能耗。

4.2創新、環保與節能

技術創新：中國是世界鉛筆制造大國，很大一部分鉛筆產品用于出口，現有鉛筆芯膠在耐高溫、耐水性以及對各種筆芯的附著力性能上都達不到極端氣候條件下的儲存和使用要求，而高性能水基粘合劑彌補了鉛筆制造因使用傳統白乳膠而導致的成品筆在耐高溫、耐水和對各種鉛筆芯的粘接力性能上的不足，同時凸顯其環保方面優越特點，填補國內外技術空白。

環保：傳統鉛筆芯膠粘劑使用的大多為聚醋酸乙烯類，該類產品含有甲醛，環保不友好，且很容易滑芯;高性能水基鉛筆膠對環境友好，經檢測符合歐盟EN71-3關于重金屬檢測標準和符合歐盟EN71-9關于三苯、甲醛及鄰苯二甲酸鹽的檢測標準，符合歐盟委員會指令2005/84/EC中鄰苯二甲酸酯的相關要求;符合國標GBl8583-2008游離甲醛、苯、甲苯、二甲苯、總揮發性有機物的相關要求。

節能：高性能水基鉛筆膠在室溫下能夠快速固化，不需要加溫，節約能源，提高經濟效益。