涂层的抗压性能及其内部抗压强度的测定方法

涂层的抗压性能及其内部抗压强度的测定方法

涂布纸或纸板折叠时出现的裂痕是一种质量缺陷。纸或纸板折叠时，折叠处会产生压应力和张应力，但是目前还没有测定涂层抗压强度的方法。该文的目的是探求一种测定涂层抗压强度的方法，并研究不同矿物涂料的抗压性能。试验采用短距压缩强度测定（SCT）法测定独立涂层的内部抗压强度，结果表明测定涂层的内部抗压强度，SCT法是适用的。试验采用不同的颜料组分（高岭土和碳酸钙矿物颜料）用于研究颜料颗粒形状对涂料抗压强度和抗张强度的影响，所用胶乳具有不同的玻璃化温度。结果表明，颜料颗粒形状会影响涂层的强度；与球形或针状碳酸钙颜料相比，片状高岭土可以使涂层具有较好的强度；抗压强度和抗张强度会随着涂料中碳酸钙尤其是沉淀碳酸钙加入量的增加而降低。同时研究了丁苯黏结剂对涂层抗压强度的影响，结果表明涂层抗压强度随黏结剂用量的增加而增大，涂层抗压强度是抗张强度的3倍。

涂布纸或纸板折叠时出现的裂痕不仅仅是一种外观缺陷，也可能导致纸张故障。纸张折叠时，折叠处表面和内部的涂料会受到不同的应力。折叠处表面的涂料受到张应力，而内部的涂料则受到压应力。

在宏观层面，涂层是一种混合物。其强度取决于黏合剂的机械性能、孔隙结构以及黏合剂与颜料之间的总结合面积。水和溶剂通过改变黏结剂的机械性能或减弱颜料与黏结剂之间的结合将会改变涂层的结构。在微观层面上，涂层是由颜料-黏结剂-颜料组成的。颜料与黏结剂结合处的强度取决于黏结剂的机械性能以及黏结剂、颜料的表面化学性能。

大部分有关涂层强度的研究考虑了颜料和黏结剂对抗张强度的影响。涂层的强度取决于涂料中所用颜料类型以及黏结剂的用量。由于胶乳的成本比无机颜料高很多，通常胶乳的用量要尽可能地少。因此，对影响涂层强度性能的因素而言，如颜料颗粒的形状、胶乳的玻璃化温度以及涂层的多孔性等变得更为重要。

短距压缩强度测定（SCT）法是测定纸板抗压强度的方法，也可用于薄纸纸张样品抗压强度的测定。用于测定薄纸纸张样品抗压强度的测定时，测距较小，一般为0.7 mm，以避免测试纸样的弯曲，因仅放置1个样品，SCT法被认为是测定抗压强度较可靠的方法。

本研究将试验分为2部分。第1部分，探索了制备独立涂层的方法并检验SCT法是否适用于涂层抗压强度的测定。第2部分，研究了颜料颗粒的类型及丁苯胶乳黏结剂的玻璃化温度（Tg）对抗压强度的影响。

1 原料及方法

1.1 原料

颜料和黏结剂的类型及用量会影响涂层的强度。试验选择原料时考虑了这2个因素。而研究颜料颗粒的形状是如何影响涂层抗压强度的是本文的重点。

试验选用尺寸及尺寸分布尽可能相近、而形状不同的颜料颗粒。试验选用了一组碳酸钙，其单个颗粒的长度与目标高岭土颗粒基本相同。颜料选择时，使用了扫描电子显微镜进行视觉判断。颜料的粒度中值如表1所示（高岭土粒度中值的不同是高岭土形状不同导致的。高岭土的长宽比为25）。

表1 试验所用颜料颗粒的尺寸

为了研究黏结剂玻璃化温度（Tg）对涂层的的影响，选择了2种不同的高功能化羧基丁苯胶乳，二者的差别在于苯乙烯与丁二烯的比例，如表2。

表2 胶乳的玻璃化温度

每100组颜料中，有10组使用了胶乳。涂料配方使用羧甲基纤维素钠作为增稠剂。

1.2 方法

用RK涂布机制备涂层。选用涂层的基材是厚度为20 μm的玻璃纸。干燥后，涂层膜较易与基材分离。存在的问题是干燥时涂层有卷曲的趋势。湿涂层的厚度约200 μm，以使干燥后干燥涂层的厚度达到100 μm。干燥涂层的厚度应足够厚才能够满足抗压强度测定的要求，而不产生褶皱。理论计算得知100 μm的厚度足以用于抗压强度的测定。涂层膜在热气流（190℃）下干燥3 min，而后在室温下放置至少2 h。干燥后，将玻璃纸剥离掉，将涂层膜切成15 mm宽的长条，测定每个长条涂层膜的厚度。用抗压强度测定仪测定抗压强度。速度为3 mm/min，跨距为0.7 mm。测定仪对测试样品单位宽度施加的压力用kN/m表示。为了得到用单位面积上的压力（MPa）表示的抗压强度，用测试样品的厚度除以测定值。每个样品测试20次以计算平均值和标准偏差。

用15 mm宽的涂层膜长条测定其抗张强度，拉伸速率为10 mm/min。用裂断时的负载（N）除以样品的横截面积计算得到抗张强度。每一样品重复测定抗张强度10次以计算平均值和标准偏差。所有试验均在23℃和50%相对湿度条件下操作（本研究中，涂层的强度主要是指抗张强度和抗压强度，而不是拉毛强度）。

2 结果

2.1 抗压强度的测定方法

根据文献资料，还没有采用SCT法测定涂层抗压强度的先例。试验第1步是确定SCT法的可靠性及再现性。制备3组不同的涂层，测定每组抗压强度，结果如表3所示。

表3 3组试验结果的平均值及标准偏差

由表3可见，平均值差别不大，说明SCT方法可靠性较好。

2.2 涂层的抗压性能

因SCT法可靠性较好，所以本研究采用该方法测定用不同颜料和胶乳制备的涂层的抗压强度；同时测定了涂层的抗张强度并将其与抗压强度进行比较，以探究二者是否具有相同的变化趋势。

与球形或针状碳酸钙颜料相比，片状高岭土颜料制备的涂层强度较好。图1显示了涂层抗压强度与涂料中碳酸钙加入量的关系（胶乳的加入量为10%）。

图1 涂层抗压强度与涂料中碳酸钙颜料加入量的关系

图1表明：纯净的高岭土涂料具有较高的抗压强度，碳酸钙的添加会降低抗压强度；抗压强度随涂料中碳酸钙相对比例的增大而大幅度降低；与球形研磨碳酸钙（GCC）相比，涂料中加入针状研磨碳酸钙（PCC）的涂层抗压强度较小。

图1还表明，玻璃化温度（Tg）较高的胶乳能使涂层具有较高的抗压强度。当涂料中加入碳酸钙时，较硬的胶乳比较软的胶乳能承受更大的压应力变化。

涂料中的黏合剂使颜料颗粒黏合在一起，并使涂料黏附在纸张上，从而使涂层具有较大的强度。当黏合剂用量增加时，涂层的强度也应该增大。当胶乳用量由8%增加到12%时，内部抗张强度和抗压强度也随着胶乳用量的增加而线性增大，如图2所示（此时高岭土含量为100%，乳胶Tg=20℃）。

图2 抗压强度、抗张强度与胶乳加入量的关系

图3显示了涂层抗张强度与碳酸钙加入量的关系[（胶乳的加入量为10%（相对于颜料）]。

图3 涂层抗张强度与涂料中碳酸钙颜料加入量的关系

试验同时研究了涂层膜的抗张强度以探究涂料是否与压应力条件下具有相同的变化趋势。图1～3表明加入碳酸钙的涂层膜的抗张强度与抗压强度具有相同的变化趋势。片状高岭土可使涂层膜具有最大抗张强度，这与文献研究结论是一致的。当涂料中加入碳酸钙时，抗张强度会降低。当碳酸钙的加入量为40%时，其对抗张强度的影响较大。加入量大于40%时，抗张强度变化基本平稳，加入量继续增多其对抗张强度的影响较小。

对于抗压强度而言，与较软的胶乳相比，较硬的胶乳使涂层具有较大的挺度。当在涂料中加入碳酸钙时，较硬胶乳使抗张强度降低的幅度比较软的胶乳大。

图4显示了抗压强度与抗张强度的比值与涂料中GCC加入量的关系[（胶乳的加入量为10%（相对于颜料）]。

图4 抗压强度与抗张强度的比值与涂料中GCC加入量的关系

图4表明，当涂层涂料为高岭土时涂层的抗压强度是抗张强度的3倍多。二者的比值随着涂料中碳酸钙加入量的增加而增大。这是由于因碳酸钙的加入导致抗压强度降低的幅度比抗张强度小所至。

3 讨论

本试验表明可以制备独立涂层膜，并且通常用于测定纸板抗压强度的SCT法也可用于测定独立涂层膜内部抗压强度。重复测定后计算得到的标准偏差较小，说明该方法是可再现的，得到的结果也被认为是可靠的。

高岭土涂料制备的涂层膜具有最大的内部抗压强度，当在其中加入碳酸钙时，抗压强度会降低。根据先前的研究，与块状或球形颜料颗粒相比，片状高岭土颗粒可以使涂层获得更大的抗张强度。本研究结果表明片状高岭土形成了一种可以很好地抵抗压应力的结构。在刮刀涂布过程中，刮刀的几何结构会影响涂层的性能。高岭土颗粒会沿着涂布机运行方向排列，形成一种紧密结构，并且具有较小的孔隙率。如果高岭土颗粒沿着涂布机运行方向排列，抗张强度将增加，但是若高岭土颗粒排列不佳将会降低抗张强度。

试验结果表明，当涂料中加入碳酸钙时将会降低内部抗压强度。GCC和PCC对抗压强度的影响基本相似，但是针状PCC降低抗压强度的幅度较大。GCC或多或少含有一些球形颗粒。当GCC加入到涂料中时，高岭土颗粒不能紧密排列。当70%高岭土和30%GCC的混合涂料未进行超级压光时，孔隙尺寸和孔隙数量最大。这也就意味着孔隙尺寸和孔隙形状或许会影响强度。当涂料中加入特殊类型的碳酸钙时，孔隙尺寸和孔隙形状或许也是抗压强度大幅度减小的原因。碳酸钙的加入量达到40%时，强度降低幅度相对较大。这意味着纯净高岭土涂料结构强度较好，但是这一强度易被加入到填料中的其他类型颜料所破坏。

试验结果表明添加PCC的涂层强度比添加GCC的涂层小。原因可能是针状PCC颗粒排列不紧密，使涂层具有多孔性结构。前人的研究也得出了相同的结论：与柱状PCC颗粒相比，针状PCC使得涂层具有更大的孔隙率。与柱状PCC相比，z向强度与针状PCC的相关性较小。PCC颗粒比GCC颗粒易碎，这或许会降低涂层的抗张强度。为了形成强度较大的涂层，与球形GCC颗粒相比，针状PCC或许需要更多的黏结剂。较多的黏结剂可以使涂层结构更为紧密，因此强度增大。

涂层的强度取决于多孔结构、颜料与黏结剂之间的结合以及黏结剂的性能。先前的研究表明，黏结剂的类型及用量会大大影响涂层强度，并且抗张强度会随着胶乳用量的增加而增大。本试验结果表明抗压强度也会随胶乳用量的增加而增大。较多的胶乳提供了较大的黏结力，因此颜料颗粒可以更好地结合，从而提高强度。胶乳的用量也会影响涂层的多孔性。较多的胶乳可以填充涂层中的孔隙，因此提高强度。

玻璃化温度会大大影响涂层的强度。抗张强度随Tg的增大而增大。本研究中，抗压强度也会随Tg的增大而增大。即使Tg的变化较小也会影响抗压强度。Tg较小的胶乳可以形成柔软的、有弹性的膜。这也意味着使用性能较佳的胶乳可以平衡涂料的其他性能，得到理想强度的涂层。

当高岭土涂料中加入碳酸钙时，较硬的胶乳对抗压强度的影响较大。并且较硬胶乳对抗压强度的影响比较软胶乳对抗压强度的影响大。

涂层的抗压强度是其抗张强度的3倍。单纯高岭土制备的涂层，抗压强度与抗张强度的比值最小。在涂料中加入碳酸钙，将会增加抗压强度与抗张强度的比值。这是由于因碳酸钙的加入导致的抗压强度的降低幅度小于抗张强度的降低幅度。排列整齐的片状涂料可使涂层具有较好的内部强度。然而，当在涂料中加入碳酸钙颗粒时，强度会迅速降低。可以推测，整齐排列的片状颗粒比球形GCC具有更好的抗压强度性能，但是抗张强度性能低于后者。

纸张折叠时，为了避免裂痕问题，涂料的抗压强度与抗张强度应不具有较大的相关性。如试验结果所示，碳酸钙对抗压强度的影响比对抗张强度的影响小。了解了涂层的抗压强度与抗张强度，有助于采取措施优化涂层的机械性能以减小纸张折叠时出现的裂痕。然而，仍需进一步的研究以确定抗压强度与抗张强度的关系及纸张折叠时出现的裂痕问题。

4 结论

本文探索了一种测定涂层内部抗压强度的方法。结果表明SCT法对于独立涂层抗压强度的测定是适用的。测定结果具有较好的精确性和可再现性。

研究结果进一步表明颜料颗粒的形状对涂层的抗压性能有较大影响，这也验证了早期研究的结论。本研究采用的特定级分的碳酸钙使抗压强度的降低幅度大于抗张强度的降低幅度。高岭土颜料使得涂层具有较好的内部抗压强度。涂料中加入碳酸钙将会降低涂层的内部抗压强度。选用适当玻璃化温度（Tg）的胶乳是改善抗压强度较为有效的方法之一。抗压强度会随Tg的增大而增大。Tg也会影响涂层的挺度，Tg较高时，涂层挺度较好。

（马倩倩 编译）