涂布化学品及技术的研究新进展

涂布化学品及技术的研究新进展

本文介绍了有关涂布化学品及技术等方面一些新的研究进展情况。其中，部分内容来自于德国慕尼黑举行的“2010年TAPPI高新涂布原理专题讨论会”上发表的报告。

1 涂布测量

此项研究分析了涂层性能，如涂层均一性能、涂层构成、涂料保水性能和涂料覆盖性能。该研究采用自动化连续分层技术——这种技术可以在合理时间内获取大量详实的数据。根据涂层厚度和基纸表面高度（表面状况），对原始数据和低通滤波筛选数据的决定系数（R2）和线性回归模型斜率都进行了计算。

此项研究比较了3种涂布系统——刮刀涂布、膜式压榨涂布以及帘式涂布。对原始数据的分析表明，不同涂布系统之间的涂层构成只有微小差异。筛选数据保留了主要结构。对于筛选数据的分析表明，帘式涂布提供了几乎理想的仿形涂布——其涂层厚度几乎不受基纸表面状况的影响；刮刀涂布的涂料厚度强烈依赖于基纸表面局部高度变化，见图1（帘式涂布头和刮刀涂布头这2种情况下，所用基质类型相同，所用涂料全部采用碳酸钙）；而膜式压榨涂布的涂层厚度结果则在帘式涂布和刮刀涂布之间。

这一成果可以更好地描述不同涂布参数（如涂料涂布系统或者颜料体系的变化）所造成的差异，因此对于工厂很有用。

2 纳米技术和涂布

2.1 涂料纳米胶乳黏合剂

在过去的数十年中，人们不断开发用于造纸涂料的合成胶乳——其典型的粒径在120～210 nm之间变化。过去这些“常规”合成胶乳的开发目的实现了与传统的无机盐的良好配合。

伴随着造纸涂料颜料从薄板状粒子到工程粒径（控制具有特定粒径的数量）以及工程沉淀碳酸钙的演变，胶乳黏合剂已经发展到纳米粒径级别（＜100 nm）。新颜料的使用造成涂料黏度相对较高，且人们期望获得良好的涂布纸拉毛强度以及纸张其他性能（如挺度和光泽度），使得这种发展很有必要。

图1 帘式涂布头（a）和刮刀涂布头（b）的局部涂层厚度数据和基纸表面高度的相关性

纳米级胶乳的一个优点是相对较低的高剪切涂料黏度。图2表明使用现代高性能胶乳（～120 nm）和纳米胶乳（～70 nm）造纸涂料（Covercarb®为70%，Hydragloss 90为30%，胶乳为4%，黏合剂均为合成黏合剂，总固含量为66%）相对毛细管黏度变化情况。

对于纳米胶乳，高剪切速率下的表观涂料黏度下降～40%。结果，在刮刀涂布过程中，获得目标涂布量所需的载荷压力降低大约30%（见图3）。

这使得刮刀涂布操作条件更加宽松，同时造成刮刀刮痕和条纹纸病的倾向减弱。这还使得涂料固含量相对较高、工程瓷土或者沉淀碳酸钙含量较高的配方配制可行。

图2 纳米胶乳的高剪切涂料黏度显著降低

图3 涂布量为9 g/m2时，不含机木浆基纸的斜刮刀负载压力（中试涂布机数据）

纳米胶乳的另外一个优点为其优良的印刷质量潜能。由于纳米胶乳粒径小，所以可以向涂料表面迁移，影响孔隙结构，进而影响油墨的固化性能。

图4为涂层厚度相同而使用不同胶乳的涂层的横截面图像，以及印刷以后相应涂布纸的图像。

图4 涂层厚度相同而使用不同胶乳的涂层的横截面图像，以及印刷以后相应涂布纸的图像

图4中的白色区域代表胶乳黏合剂的位置。相对地，纳米胶乳黏合剂占据了涂层的面层，产生更加均一的油墨图像，如黑色和青色印后样品的数字化图像所示。

2.2 纳米原纤纤维素（NFC）作为涂布添加剂

纳米原纤纤维素（NFC）作为涂布添加剂，可改善合成纤维纸张的印刷质量。

研究者为了确定NFC作为涂布原料使用的潜能，研究了数种合成纤维纸张的NFC涂布样品的特征。他们使用2种水性印刷方法来表征印刷质量的变化，还使用2种不同的物理处理方法制备了2种NFC。研究者对合成纤维纸张涂布不同量的涂料，通过油墨吸收速率和印刷密度等指标评价了涂布纸张的印刷适性。

采用共聚焦激光扫描显微镜和扫描电子显微镜对油墨颜料渗透性能进行了表征，即使用聚焦离子光束对样品进行了化学分析。

图5 NFC涂布表面的场致发射扫描电子显微镜图像

接触角和油墨渗透速率随着NFC涂布量的上升而下降。所得结果与Lucas-Washburn公式预测相反。对于颜料基苯胺油墨，油墨颜料在NFC层被捕集。对于染料基油墨，油墨组分渗透并穿过NFC涂料层。对于喷墨印刷，使用NFC涂料后，印刷质量得以改善。

该研究表明，采用NFC涂布的合成纤维纸张可以改善印刷分辨率和油墨密度，对于颜料型油墨尤其如此。工厂可低成本现场生产NFC，并把它作为涂布添加剂使用，用于改善合成纤维纸张的印刷质量。NFC可以带来孔状亲水表面，能够在表面捕集油墨颜料，防止颜料渗透到纸张之中，具有以低成本进行表面处理的潜能。

3 涂布填料——含有非常规瓷土的超憎水纸张涂料

由于憎水性瓷土填料难以在水中分散，所以没有广泛用于挂面纸板的分散型涂料中。该研究考察了憎水性瓷土是否可以作为填料用于隔离分散涂料中。考虑涂料的压实性能、结构、润湿性能和隔离性能，该研究对憎水性瓷土和常规瓷土进行了比较。在实验室动态纸幅成形器上制备了挂面纸板，然后所有涂料涂布于这些挂面纸板上，再采用扫描电子显微镜和拉曼光谱仪检查了涂布挂面纸板，并从吸水性、水蒸气传输速率以及接触角等方面对其进行了表征。

图6 扫描电子显微镜表面图像和三维表面图

结果表明，含有憎水性瓷土的涂料为纸张带来超憎水性能，即大接触角（150°）和相对较低的吸水性。横截面的拉曼绘图揭示了不管使用常规瓷土还是使用憎水性瓷土，胶乳分布均一，而憎水性瓷土的分布比常规瓷土的分布更加均一——这或许反映了憎水性瓷土良好的混合性能和压实性能。

用于塑料工业的非常规憎水性瓷土可以用于常规分散涂料工艺，以生产超憎水纸张。这是造纸工业使用现有涂布技术（如气刀涂布或者刮刀涂布）获得超憎水性表面的备选涂布方法。这种类型的涂布将为纸基产品开创新的应用领域。

4 帘式涂布——帘式涂布机总管流的实验和理论研究

帘式涂布是一种非接触型工艺，具有提升涂布机涂布质量和产量的潜能。而且，这种工艺要求苛刻，需要极其稳定的帘幕才可以获得良好的覆盖性能。流体倾出之前流过槽体和缝隙时，内流就会产生问题。该研究在实验室帘式涂布头的总管中进行了三维计算机流体动态模拟，分析了发生在第1个槽体中的现象，确定了造成缺陷的原因，并建议了可行的解决方案。该研究采用较大半径的内管或尾端进料总管进行几何变化模拟——这改善了流体的均一性能。同时，该研究使用透明的涂布头复制品，采用示踪剂，进行了可视化流体实验，从而验证了模拟结果。图7显示了内管尺寸对涡流产生的影响，表明较大的内径在总管中产生的流体扰动较小。

图7 内管尺寸对涡流产生的影响

相对于常规技术（如刮刀涂布或者施胶压榨），帘式涂布具有卓越的优点，但是当下它的技术好于对它的物理认知。该研究利用总管中流体的三维模拟和实验验证，为涂料和有效帘式涂布的物理-化学/流体性能提供了缺失的链接部分。

（李海明 编译）