紡織品涂布用VAE乳液流變性能研究

＊羅麗華

（中國石化集團重慶川維化工有限公司 重慶 401254）

VAE乳液即乙烯-醋酸乙烯共聚乳液，是主要以聚乙烯醇（PVA）為保護膠體，水為分散介質，經(jīng)自由基聚合共聚而成的一種高分子乳液。它具有良好的柔軟性、粘接性、耐候性、耐熱性、價格便宜、不含有機溶劑、氣味小、對環(huán)境友好、對基材粘結適用性廣，因此適合應用在紙張、皮革、紡織品等涂布復合粘接（本文簡稱“涂布”）領域。但是VAE乳液牌號較多，不同配方、工藝生產(chǎn)出的VAE乳液應用在同一涂布場景時，表現(xiàn)差異巨大[1-2]。若乳液選擇不當，極易出現(xiàn)甩膠、漏涂等情形，造成產(chǎn)品質量事故。

黏度是選擇紡織品涂布用VAE乳液時需要考慮的重要指標，它關系到施膠機設備工藝參數(shù)的調整。通常乳液黏度指標是在規(guī)定黏度計型號、轉子型號、轉子轉速以及乳液測試溫度（一般為25℃）的條件下完成測量。這種黏度測量方法的缺陷是僅描述了恒定剪切速率下乳液的黏度，不能描述乳液在不同剪切速率下的黏度。而紡織品涂布工藝通常涉及多個剪切速率，流變性能測量則彌補了這一缺陷。同時流變性能中的彈性對調整涂布工藝也有指導意義。因此，若通過分析涂布工藝對VAE乳液流變性能的需求，對乳液進行針對性篩選，則可以有效地避免甩膠、漏涂，降低廠家在調整工藝時的試錯成本。

乳液的流變性能分析對涂布領域篩選VAE乳液有直接的指導作用，但是關于這方面研究的文獻并不多[3-7]。本文為了闡述涂布對乳液流變性能需求，以常見的布匹上涂敷乳液進行復合為例對涂布工藝流程進行分析，結合分析3種VAE乳液的流變性能差異，明確乳液的流變性能與涂布工藝之間的關系，為涂布領域篩選VAE乳液提供借鑒。

1.原材料及試驗方法

(1)試驗材料

乳液A、乳液B、乳液C是3種黏度適合涂布的VAE乳液，均為重慶川維化工有限公司研究院實驗室自制。這3種VAE乳液具體指標如下：

表1 3種VAE乳液的基本數(shù)據(jù)

(2)試驗設備

流變儀Anton paar MCR302。

(3)試驗方法

①黏度測試方法

旋轉測試，采用平板/平板測量轉子系統(tǒng)PP50（SN83388），溫度25℃，間隙0.1mm，剪切速率在 0.1～10000s-1范圍內以對數(shù)級逐步增加。

②彈性測試方法

頻率掃描，控制應變模式，控制應變1%，間隙0.098mm，采用錐板/平板測量轉子系統(tǒng)CP50-1（SN83604），逐步增加角頻率ω。

③3ITT試驗方法

控制應變模式，間隙0.098mm，采用錐板/平板測量轉子系統(tǒng)CP50-1（SN83604），預設3個測量階段：第一階段控制應變1%；第二階段控制應變500%；第三階段控制應變1%。

2.結果與討論

(1)涂布流程分析

圖1為在布匹上涂敷乳液的連續(xù)工藝部分示意圖，布匹①由滾筒帶動。乳液裝在膠槽②中，乳液經(jīng)部分浸泡在乳液中的滾筒③拖曳，與布匹①在④點相遇。刮刀在⑤點將布匹上過多的乳液刮下。過多的乳液滴落到膠槽②中，并緩慢回流到⑥點，經(jīng)滾筒③拖曳，重復上述流程。

圖1 布匹上涂敷乳液的連續(xù)工藝部分示意圖[3]

需要注意的是，該工藝中涉及剪切速率有3處：第一處在⑤點，由刮刀將布匹上過多的乳液刮下導致；第二處在④點，由布匹與滾筒③之間的速度差導致；第三處為乳液從⑤點回落流動至⑥處導致。這三處剪切速率按一般情形的極端情況取最大經(jīng)驗值[8]，研究取值分別為2000s-1、10s-1、0.1s-1。

(2)黏度與涂布的關系

流變性能包含黏性和彈性兩方面內容。黏性可以用動力黏度η（本文簡稱黏度）表征；彈性可以用儲能模量G′來表征。

黏度與6個參數(shù)有關[3]，即：

其中，“S”是被表征物質的種類，本文所用樣品均為VAE乳液；“T”為測試溫度，本文設定溫度為25℃；“P”為壓力，本文設定壓力為常壓；“”為剪切速率；“t”為時間，即物料黏度取決于先前的剪切歷史，本文均選擇完全松弛（測試前靜置24h以上）的乳液避免時間因素的影響；“E”為電場，主要涉及黏度與電場強度影響較大的一系列懸浮液，本文不涉及電場強度，暫不考慮該項。因此在上述條件下，黏性方面主要研究剪切速率對乳液黏度的影響。

圖2給出了3種VAE乳液剪切速率與黏度的關系。

從圖2可以看出，3種VAE乳液均有明顯的剪切變稀的現(xiàn)象，屬于非牛頓流體中假塑性流體。對于假塑性液體，剪切增強引起的變稀作用的主要機理為：顆粒順著流動方向取向或排列的作用超過了分子布朗運動所產(chǎn)生的隨機化作用。對于VAE乳液則是由于乳液中PVA形成大量分子內或分子間氫鍵，且部分PVA接枝在VAE長鏈分子上，分子間相互纏繞，這些長鏈分子不是單獨作用，而是數(shù)百萬相似的分子內部互相纏繞，導致內部的相互作用。纏繞點構成以分子鏈節(jié)作為連接部分的鏈網(wǎng)絡結構。在剪切作用下，分子或分子鏈節(jié)向施加力的方向拉伸，隨著剪切作用增大，最終分子解纏結及取向，朝著剪切力方向排列產(chǎn)生流動。

圖2 乳液剪切速率與黏度的關系

從圖2還可以看出，在0.1s-1、10s-1處，黏度依次是乳液A＞乳液B＞乳液C，即乳液A更不容易被施膠輥拖起，出現(xiàn)漏涂的機率比乳液B、乳液C大。這是由于乳液稀釋穩(wěn)定性的值越小，VAE分子間作用力越強，黏度隨剪切力增大而下降越慢。乳液A的分子間作用力是3種乳液之間最小的，因此乳液A黏度下降快。在2000s-1處，黏度依次是乳液B＞乳液C＞乳液A，即乳液B更不容易出現(xiàn)甩膠。這是由于VAE粒子大小不一，對比3種乳液的粒徑和徑距，不難看出：乳液B中的小顆粒更多。小顆粒在高剪切作用下會起到增塑作用，從而使黏度升高，不易甩膠。因此從黏度方面來看，乳液B優(yōu)于乳液C、乳液A。

根據(jù)動力黏度的定義：

其中，τ為剪切應力。

流變儀的直接測量數(shù)據(jù)是剪切應力和剪切速率，可以采用直接測量數(shù)據(jù)擬合來減少誤差。因此表3的數(shù)據(jù)可以采用剪切應力和剪切速率關系進行公式擬合，采用Herschel-bulkey方程，其中τ0為屈服應力），擬合度R2＞0.99的原則，得到表2乳液在不同剪切速率范圍內K值和n值。n偏離1的程度越大，表明材料的假塑性越強，反映材料非線性性質越強。通過K值和n值可以推斷施膠機當前剪切速率下乳液的黏度變化趨勢，乳液黏度相對穩(wěn)定決定了調高施膠機機速不容易出現(xiàn)漏涂。

從表2可知，在0.1s-1處，假塑性依次是乳液B＜乳液C＜乳液A；在10s-1處，假塑性依次是乳液C＜乳液B＜乳液A；在2000s-1處，假塑性依次是乳液B＜乳液C＜乳液A。在調高施膠機機速時，乳液A出現(xiàn)漏涂機率更大，乳液B則更不容易出現(xiàn)漏涂，因此乳液B更適合涂布工藝。

表2 乳液在不同剪切速率范圍內K值和n值

(3)儲能模量與涂布的關系

本文選用3種黏度超過3000mPa·s的VAE乳液在攪拌狀態(tài)下，均發(fā)生了“威森伯格效應”（在一定剪切力的條件下，攪拌桿產(chǎn)生的法向應力超過離心力，乳液被拖曳到攪拌桿上，即通常所說的“爬桿”），其示意圖見圖3[8]。說明這3種VAE乳液均具有彈性。

圖3 “威森伯格效應”示意圖

高斯隨機數(shù)坐標適用于在本實驗中區(qū)分樣品的黏性和彈性。

復合模量G*定義為G*=G′+G′′，式中，G′為儲能模量；G′′為損耗模量。彈性用儲能模量G′來表征。

由不同剪切速率產(chǎn)生的不同應力，導致VAE乳液表現(xiàn)出彈性的變化。低剪切速率作用下，彈性可以反映乳液是否能長期儲存、發(fā)生油水分離。同時彈性通常也是流動中異常現(xiàn)象的支配因素，限制涂布工藝生產(chǎn)速度。所以我們需要根據(jù)具體的涂布流程特點選擇彈性合適的乳液。涂布工藝生產(chǎn)速度慢時，彈性對此工藝的影響不大；而生產(chǎn)速度快時，彈性大的乳液容易發(fā)生漏涂的現(xiàn)象。一般來說，VAE在低剪切作用下黏度越大，彈性越大。圖4研究了角頻率對VAE乳液儲能模量和損耗模量的影響。

從圖4可知，在低剪切時，3種乳液均為G′＞G′′，這說明VAE分子間存在較強的化學鍵相互作用，乳液靜置時結構穩(wěn)定、不易發(fā)生沉降，滿足涂布工藝中乳液穩(wěn)定的基本要求。從圖4還可以看出，3種乳液G′依次是乳液A＞乳液B＞乳液C，即彈性依次是乳液A＞乳液B＞乳液C。這與圖2中展示的3種乳液的在低剪切作用下的黏度表現(xiàn)基本一致。驗證了黏度越大彈性大的說法。VAE分子纏結越松散，彈性越大。彈性大的乳液容易發(fā)生漏涂，因此乳液A更容易發(fā)生漏涂。

圖4 角頻率與儲能模量和損耗模量

(4)結構穩(wěn)定性與涂布的關系

乳液鏈結構纏結易遭破壞。在恒定或動態(tài)剪切作用下，結構暫時破壞，導致黏度隨時間下降，而靜置一段時間后，可回復初始結構。這種乳液鏈結構解纏-纏結過程稱為結構穩(wěn)定性。結構穩(wěn)定性與乳液流平性直接相關。結構穩(wěn)定性不好，即結構重建速率快，儲能模量恢復快，則乳液流平性不好，易出現(xiàn)涂布不均；結構穩(wěn)定性好，結構重建速率慢，儲能模量恢復慢，乳液流回膠槽速度變慢，不利于提高機速。同時結構重建速率太慢，增加了乳液向布匹內部的滲透量，會導致布匹上單位面積施膠量的增加，造成涂布成本提高。VAE彈性越小，結構恢復速度越快。3ITT試驗的G′恢復時間可以表征乳液的結構穩(wěn)定性。

從圖5可知，3種乳液在3ITT試驗中均具有以下特點：第一階段接近靜態(tài)時的特性，G′＞G′′，說明乳膠粒處于聚集狀態(tài)[9]；第二階段強剪切導致結構分解期間的特性，G′′＞G′，顯示流體結構，乳膠粒之間的間距變大；第三階段結構恢復接近靜態(tài)時的特性，G′＞ G′′，顯示固體結構乳膠粒重新聚集。

圖5 時間與觸變性的關系（3ITT實驗）

從圖5的實驗數(shù)據(jù)得到表3結構恢復時間與儲能模量的關系。

表3 結構恢復時間與儲能模量的關系

用表3的數(shù)據(jù)作圖，得到圖6結構恢復時間與儲能模量的關系。

圖6 結構恢復時間與儲能模量的關系

結構恢復時間越短，結構恢復速度越快。從圖6可以看出，3種乳液結構恢復速度是乳液C＞乳液B＞乳液A，結構穩(wěn)定性依次是乳液C＜乳液B＜乳液A。因此乳液A在布匹上單位面積施膠量最多，乳液C因流平性不好而容易出現(xiàn)涂布不均，乳液B更適合涂布工藝。

3.結論

（1）在布匹上涂敷乳液的連續(xù)工藝涉及剪切速率有3處，這三處剪切速率研究取值分別為2000s-1、10s-1、0.1s-1。在0.1s-1、10s-1處，乳液A容易出現(xiàn)漏涂的機率比乳液B、乳液C大。在2000s-1處，乳液B更不容易出現(xiàn)甩膠。因此從黏度方面來看，乳液B優(yōu)于乳液C、乳液A。

（2）在調高施膠機機速時，3種乳液中乳液B則更不容易出現(xiàn)漏涂。

（3）乳液A在布匹上單位面積施膠量最多，乳液C因流平性不好而容易出現(xiàn)涂布不均，乳液B更適合涂布工藝。

（4）綜上所述，3種乳液中乳液B最適合涂布工藝。