最新的表面處理劑動向—造紙用分支型表面施膠劑

1 前言

膠壓榨涂布方法。各涂布機方式的簡圖與特點見圖1和表2。

近幾年在造紙界為了保護資源、防止氣候變暖，采取了一系列的環(huán)境保護措施，其中包括鼓勵企業(yè)增加廢紙的使用率。另外，為了提高國際競爭力，目前的抄紙機、涂布機也日趨高速化，在日本到處可見高速、大型的抄紙機在運行。另一方面在質量上，隨著多色印刷等印刷方式及高速印刷機的出現(xiàn)，對紙張的質量要求也越來越嚴格。

在這樣的背景下，荒川化學工業(yè)（株）進行了表面處理劑方面的研究開發(fā)。本文就新研發(fā)的分支型表面施膠劑進行簡要說明。

分支型表面施膠劑是在以往的聚合物上引入分支結構的產(chǎn)物。他具有可使涂布液低泡化、低黏度化，且能提高噴墨印刷適應性等優(yōu)秀的效果。

2 表面處理劑

2.1 表面處理劑的作用

表面處理劑所起到的作用有：提高施膠效果（耐水性、書寫適應性等）、提高表面強度及耐磨性、提高印刷適應性（油墨的轉移性、印件濃度、光澤度等）。除了這些特性以外，還能提高濕強度、柔軟度、挺度、尺寸穩(wěn)定性、抗電性、導電性及透明度等物理性能。

2.2 表面處理劑的分類

表面處理劑可分為表面施膠劑、表面紙力增強劑、表面整飾劑及情報紙藥劑等。表1歸納了表面處理劑的分類與所用藥品。

2.3 表面處理劑的涂布方法

表面處理劑的涂布方法有很多，但大都使用兩輥施膠壓榨涂布、門輥涂布和計量輥施膠壓榨涂布方法。凡大型高速新機器大多采用計量輥施

3 表面施膠劑

在表面處理劑當中，表面施膠劑在賦予紙張各種功能、改善操作性、降低成本上起到的效果最大。以下就表面施膠劑進行說明。

3.1 使用表面施膠劑的好處

使用表面施膠劑可得到以下好處：

（1）通過與內(nèi)添施膠劑并用，進一步增強施膠效果。

（2）提高紙頁的性能（書寫適應性、噴墨印刷性、涂布性及摩擦系數(shù)等）。

（3）減輕紙頁的表背差。

（4）通過減少內(nèi)添施膠劑的用量來改善操作性。

（5）通過減少內(nèi)添施膠劑的用量可降低成本。

3.2 表面施膠劑的分類

表面施膠劑因其內(nèi)部添加的藥品及使用條件的不同，其效果也不一樣，通過最合理的配比，可得到最大好處。

表3是具有代表性的施膠劑的分類與特點。

3.3 表面施膠劑應有的特性

對表面施膠劑的特性要求如下：

（1）印刷效果及印刷適應性須良好。

（2）要求與淀粉等表面紙力增強劑的相容性要好。

（3）對機械設備友好、pH低、對溫度穩(wěn)定。

（4）涂布液起泡少。

（5）不發(fā)生涂液飛濺現(xiàn)象（不增高涂液黏度）。

3.4 表面施膠劑的現(xiàn)狀

上面列舉的對表面施膠劑所要求的特性雖然很重要，但受從廢紙往涂布液溶進的陰離子殘留物、無機鹽以及內(nèi)添藥品本身有機物的影響，涂布液的穩(wěn)定性、發(fā)泡性會越來越惡化，這使表面施膠劑難以發(fā)揮出應有的特性來。為了抑制此類影響，盡可能將其特性發(fā)揮出來，就必須研發(fā)一種對紙的表面有很大改良的表面施膠劑來。

圖1 涂布機簡圖

3.5 水溶型表面施膠劑

普通水溶型表面施膠劑的聚合物結構是由對紙漿示有親和性的親水基和對水示有抵抗性的疏水基組成的。

表面施膠劑一經(jīng)涂于紙上，就會向紙中進行滲透，此時因親水基向紙漿方向、疏水基向反方向（與紙漿相對的方向）排列，才使紙漿的疏水性得以提高，從而發(fā)揮出來施膠效果。另外，像硫酸鋁等陽離子成分存在于紙中的時候，在硫酸鋁的作用下，使表面施膠劑的親水基與紙漿的相互作用變強，表面施膠劑的疏水性更加被強化，可得到更好的施膠效果（圖 2）。

圖2 水溶型表面施膠劑的施膠過程模擬

3.6 表面施膠劑的研究方向

從上述表面施膠劑的作用機理看，認為還能進一步提高施膠效果，譬如：通過增加疏水基來提高疏水性，看能否得到更好的施膠效果。另外，提高分子量到比一般聚合物的分子量更高時，看能否使施膠效果進一步得到提高。

可是，如果疏水基含量過高，就會打亂親水基與疏水基之間的平衡，使表面施膠劑與紙漿纖維之間的排列惡化，反而得不到想要的施膠效果，并且涂布液還會有增加氣泡發(fā)生的傾向。另外，如果將聚合物分子量提高，會導致最終產(chǎn)品的黏度或涂布液的黏度增高，引發(fā)許多諸如操作性及涂布性方面的問題來。

荒川化學工業(yè)（株）通過引入分支結構，研發(fā)出來即能保持有更多的疏水基、更高的分子量，還沒有上述缺點的新型表面施膠劑。以下就該公司的分支型表面施膠劑“polimaron1383”和“polimaron1385”的特點進行說明。

4 “polimaron1383” 和 “polimaron1385”（PM1383、PM1385）

4.1 開發(fā)理念及物性說明

以往的表面施膠劑其涂布液的發(fā)泡率高，其產(chǎn)品不能高濃化。在此介紹的分支型表面施膠劑，由于使用特殊材料將其制成分支結構，操作時，涂布液發(fā)泡率小，另外也降低了產(chǎn)品的黏度。即使與高濃度淀粉液混合使用，其黏度的上升也很小，特別是提高了噴墨印刷適應性?？梢婏@示出了非常優(yōu)良的施膠效果。與以往水溶型施膠劑相比，能發(fā)揮出非常好的特性來。

PM1383作為分支型表面施膠劑已經(jīng)上市。在此基礎上又開發(fā)出更高分子量、性能又進一步有所提高的新的PM1385來。以下將兩者合在一起進行論述。

表4是分支型聚合物的物理性能。

圖3是分支聚合物模擬圖。

圖3 PM1383及1385的聚合模擬

圖4是分支型施膠劑分子量分布圖。

圖4 PM1383及1385分子量分布圖

在減少低分子量物質用量的同時，通過分支結構的作用，將聚合物進行高分子量化且將分子量的分布進行狹窄均勻化。聚合物經(jīng)高分子量化后，疏水性變強了，涂布時在紙頁表面的附著率變高了，顯示出來良好的施膠效果，同時也降低了因低分子量物質造成的涂布液的發(fā)泡概率。

4.2 施膠效果

PM1383及PM1385是在轉印方式的高速涂布機上最顯特點的表面施膠劑。不論是中性紙還是酸性紙都能顯示出良好的施膠效果。特別是在書寫和噴墨印刷適應性上其施膠效果發(fā)揮得更好。在門輥涂布、計量輥施膠壓榨涂布等高速涂布機上的使用結果見表5。另其書寫試樣見照片1。

由于PM1383及PM1385是分支型結構，很難往紙中滲透，因此就很容易附著在紙張表面。與以往的產(chǎn)品相比，具有良好的書寫適應性和噴墨打印適應性，見圖5。

4.3 涂布液的發(fā)泡性

表面施膠劑是與淀粉并用來進行涂布的藥品。為此，不能使涂布液的發(fā)泡率增大是重要因素之一。如果涂布液的發(fā)泡過多，就會在供液罐中越來越多地積蓄氣泡，以致溢出，嚴重時會影響操作環(huán)境。另外，如果涂布液的氣泡附著在紙面上的話，就會成為產(chǎn)生涂布斑紋等施膠性不良的原因。在一般情況下，水溶型表面施膠劑在上述的聚合物當中共同擁有一種疏水基與親水基共用的表面活性結構，這會使涂布液的發(fā)泡性很高，為此降低發(fā)泡性會更顯重要。

PM1383及PM1385是將聚合物結構改造成為分支型，用以控制涂布液的發(fā)泡性，以此為目的而設計的一種表面施膠劑。一般來講，直鏈型聚合物結構的表面施膠劑由于疏水基與親水基的排列順序很好，表面活性劑的作用很強，涂布液很容易產(chǎn)生起泡?？墒荘M1383及PM1385是分支型結構的，當形成氣泡時，聚合物的排列就被打亂，而形成不穩(wěn)定是氣泡，因此能夠抑制涂布液氣泡的發(fā)生，見圖 6。

照片1 涂布紙的書寫評價（試樣）

圖5 書寫適應性

圖6 分支型與直鏈型表面施膠劑的氣泡形成模擬

圖7 用攪拌器處理發(fā)泡性評價

將淀粉涂布液經(jīng)家用攪拌器進行強制性破壞后，進行發(fā)泡性評價的結果見圖7。分支型表面施膠劑PM1383及PM1385與以往直鏈型表面施膠劑相對比，其涂布液的發(fā)泡最少，顯示出了良好的消泡性。

4.4 涂布液的黏度

將水溶型表面施膠劑添加到高濃度淀粉當中時，涂布液的黏度往往會升高，涂布時會發(fā)生涂布液飛濺，在涂布輥上產(chǎn)生刷絲紋，造成涂布斑紋缺陷。另外涂布液黏度升高的話，往紙頁上的附著量就會增加，干燥負荷就會增大。所以在進行高速涂布時，首先要考慮的是涂布適應性，因此涂布液的黏度是一個非常重要的因素。

圖8 與高濃度淀粉并用時的涂布液黏度

當表面施膠劑與淀粉混合后產(chǎn)生的增黏現(xiàn)象，其理由是表面施膠劑中所含親水基的氧與淀粉的相互作用造成的。

涂布液中表面施膠劑的占有量與淀粉涂布液黏度之間的關系如圖8所示。可以看到，涂布液中所含表面施膠劑本身的氧成分越少，涂布液的黏度就越低。也就是說，用高濃度淀粉進行涂布時，聚合物當中所含的氧成分越少越好。

PM1383及PM1385是一種將表面施膠劑中所含的氧成分盡可能減少到最低的、不增加涂布液黏度的、能適應高速涂布機的為此而研發(fā)的表面施膠劑。

5 結束語

本文就有關表面處理劑最近的問題及以表面施膠劑為中心，對表面處理劑的特性進行了論述，并對以高速涂布機為對象的新的分支型表面施膠劑進行了簡述。

雖然該公司通過引入新的技術，在質量水平上有了很大的提高，但在表面施膠劑與涂布性上及有關紙張的施膠效果的機理上還有很多尚不明確的地方，今后還需同行們多多指教，更要響應時代的要求，繼續(xù)刻苦研發(fā)新的表面施膠劑。

田恩吉摘譯自：日本紙漿技術時報2008年第7期1-6頁

2012－7－13

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