涂布化學(xué)品及技術(shù)的研究新進(jìn)展

本文介紹了有關(guān)涂布化學(xué)品及技術(shù)等方面一些新的研究進(jìn)展情況。其中，部分內(nèi)容來自于德國(guó)慕尼黑舉行的“2010年TAPPI高新涂布原理專題討論會(huì)”上發(fā)表的報(bào)告。

1 涂布測(cè)量

此項(xiàng)研究分析了涂層性能，如涂層均一性能、涂層構(gòu)成、涂料保水性能和涂料覆蓋性能。該研究采用自動(dòng)化連續(xù)分層技術(shù)——這種技術(shù)可以在合理時(shí)間內(nèi)獲取大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)。根據(jù)涂層厚度和基紙表面高度（表面狀況），對(duì)原始數(shù)據(jù)和低通濾波篩選數(shù)據(jù)的決定系數(shù)（R2）和線性回歸模型斜率都進(jìn)行了計(jì)算。

此項(xiàng)研究比較了3種涂布系統(tǒng)——刮刀涂布、膜式壓榨涂布以及簾式涂布。對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析表明，不同涂布系統(tǒng)之間的涂層構(gòu)成只有微小差異。篩選數(shù)據(jù)保留了主要結(jié)構(gòu)。對(duì)于篩選數(shù)據(jù)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(qiáng)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(zhì)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(jié)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(shù)（如涂料涂布系統(tǒng)或者顏料體系的變化）所造成的差異，因此對(duì)于工廠很有用。

2 納米技術(shù)和涂布

2.1 涂料納米膠乳黏合劑

在過去的數(shù)十年中，人們不斷開發(fā)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(guī)”合成膠乳的開發(fā)目的實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)的無機(jī)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(shù)量）以及工程沉淀碳酸鈣的演變，膠乳黏合劑已經(jīng)發(fā)展到納米粒徑級(jí)別（＜100 nm）。新顏料的使用造成涂料黏度相對(duì)較高，且人們期望獲得良好的涂布紙拉毛強(qiáng)度以及紙張其他性能（如挺度和光澤度），使得這種發(fā)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(shù)據(jù)和基紙表面高度的相關(guān)性

納米級(jí)膠乳的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)較低的高剪切涂料黏度。圖2表明使用現(xiàn)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(duì)毛細(xì)管黏度變化情況。

對(duì)于納米膠乳，高剪切速率下的表觀涂料黏度下降～40%。結(jié)果，在刮刀涂布過程中，獲得目標(biāo)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(shí)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(duì)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(shí)，不含機(jī)木漿基紙的斜刮刀負(fù)載壓力（中試涂布機(jī)數(shù)據(jù)）

納米膠乳的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為其優(yōu)良的印刷質(zhì)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(jié)構(gòu)，進(jìn)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(yīng)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(yīng)涂布紙的圖像

圖4中的白色區(qū)域代表膠乳黏合劑的位置。相對(duì)地，納米膠乳黏合劑占據(jù)了涂層的面層，產(chǎn)生更加均一的油墨圖像，如黑色和青色印后樣品的數(shù)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(zhì)量。

研究者為了確定NFC作為涂布原料使用的潛能，研究了數(shù)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(zhì)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(duì)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(biāo)評(píng)價(jià)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(duì)油墨顏料滲透性能進(jìn)行了表征，即使用聚焦離子光束對(duì)樣品進(jìn)行了化學(xué)分析。

圖5 NFC涂布表面的場(chǎng)致發(fā)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(jié)果與Lucas-Washburn公式預(yù)測(cè)相反。對(duì)于顏料基苯胺油墨，油墨顏料在NFC層被捕集。對(duì)于染料基油墨，油墨組分滲透并穿過NFC涂料層。對(duì)于噴墨印刷，使用NFC涂料后，印刷質(zhì)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(duì)于顏料型油墨尤其如此。工廠可低成本現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)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(zhì)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(jìn)行表面處理的潛能。

3 涂布填料——含有非常規(guī)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(shí)性能、結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性能和隔離性能，該研究對(duì)憎水性瓷土和常規(guī)瓷土進(jìn)行了比較。在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)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(duì)其進(jìn)行了表征。

圖6 掃描電子顯微鏡表面圖像和三維表面圖

結(jié)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(duì)較低的吸水性。橫截面的拉曼繪圖揭示了不管使用常規(guī)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(guī)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(shí)性能。

用于塑料工業(yè)的非常規(guī)憎水性瓷土可以用于常規(guī)分散涂料工藝，以生產(chǎn)超憎水紙張。這是造紙工業(yè)使用現(xiàn)有涂布技術(shù)（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(chǎn)品開創(chuàng)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 簾式涂布——簾式涂布機(jī)總管流的實(shí)驗(yàn)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(jī)涂布質(zhì)量和產(chǎn)量的潛能。而且，這種工藝要求苛刻，需要極其穩(wěn)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(shí)，內(nèi)流就會(huì)產(chǎn)生問題。該研究在實(shí)驗(yàn)室簾式涂布頭的總管中進(jìn)行了三維計(jì)算機(jī)流體動(dòng)態(tài)模擬，分析了發(fā)生在第1個(gè)槽體中的現(xiàn)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(nèi)管或尾端進(jìn)料總管進(jìn)行幾何變化模擬——這改善了流體的均一性能。同時(shí)，該研究使用透明的涂布頭復(fù)制品，采用示蹤劑，進(jìn)行了可視化流體實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果。圖7顯示了內(nèi)管尺寸對(duì)渦流產(chǎn)生的影響，表明較大的內(nèi)徑在總管中產(chǎn)生的流體擾動(dòng)較小。

圖7 內(nèi)管尺寸對(duì)渦流產(chǎn)生的影響

相對(duì)于常規(guī)技術(shù)（如刮刀涂布或者施膠壓榨），簾式涂布具有卓越的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)下它的技術(shù)好于對(duì)它的物理認(rèn)知。該研究利用總管中流體的三維模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為涂料和有效簾式涂布的物理-化學(xué)/流體性能提供了缺失的鏈接部分。

（李海明 編譯）