使用生物胶乳代替丁苯胶乳能有效降低涂布纸生产成本

危志斌，尤 芳，刘 超，张瑞杰

（山东太阳纸业股份有限公司，山东兖州 272100）

由于石油价格不断上涨，胶乳价格也随之上涨，涂布纸生产企业的成本压力加大；加之当今涂布纸市场尤其是铜版纸市场竞争激烈，涂布纸生产企业通过提高产品销售价格为企业创造利润的可能性不大，如何在保证涂布纸质量不受影响的同时能有效地降低生产成本成为各涂布纸生产企业关注的重点。而生物胶乳能满足上述要求，不但价格较丁苯（SB）胶乳低3 150元/t左右，而且在涂布纸涂料底涂（纸板还包括中涂）中替代2～5份胶乳后对涂料的性能、涂布机的运行性能不会产生较大影响、成纸的品质也可以得到保证。

目前，很多造纸企业已在铜版纸的底涂涂料中和纸板的底涂、中涂涂料中使用生物胶乳代替3份左右的胶乳进行生产，技术较成熟，并且涂料的保水性能提高，可以降低羧甲基纤维素钠（CMC）的用量，成纸的透气度也得到改善，同时可以改善涂布纸的印刷起泡性能。

生物胶乳源于淀粉，通过对淀粉改性制得，故不会受石化能源——石油资源的限制和价格上涨的影响。通过对生物胶乳的不断研发创新，相信生物胶乳在涂布纸涂料中的应用前景会很好。

1 胶乳和生物胶乳的基本特性和作用

1.1 胶乳的基本特性和作用

1.1.1 胶乳的基本特性

造纸涂布用胶乳种类较多，其中以SB胶乳为主。同时，SB胶乳根据苯乙烯含量、乳化剂和聚合温度等的不同，又有多种品种，且性能和用途也不同。SB胶乳用作涂布胶粘剂，其苯乙烯（硬单体）和丁二烯（软单体）之比为40～80∶60～20[1]139。SB胶乳为乳白色乳液，相对密度一般小于1，固含量45%～50%，带阴电荷，pH因胶乳制备所用乳化剂的不同而不同：用脂肪酸盐、歧化松香酸盐作乳化剂时，产品的pH为10～11；用磺酸系或硫酸醚系作乳化剂时，产品的pH为8～9；而用羧酸改性者，产品的pH小于7。其玻璃化转变温度（Tg）范围为-25～50℃。目前高速纸机使用的合成胶乳一般都是羧基丁苯胶乳（XSBRL），因为XSBRL可使纸张的柔性、耐折叠性、刚性、油墨吸收性、光泽度和黏合性能明显增强[2]。造纸涂布用胶乳的特性和性能具体情况分别见表1和表2。

表1 造纸涂布胶乳的特性[3]140-141

表2 国内常见的几种SB胶乳性能测定[3]140-141

1.1.2 胶乳的作用

造纸涂布的涂料主要由颜料、胶粘剂和助剂组成。其中胶乳作为主要的胶粘剂，在涂料中质量一般占10%左右、体积占25%左右。胶乳最重要的作用是赋予成纸一定的湿拉毛强度和干拉毛强度，它们决定纸张耐磨性的印刷表面强度。这种强度在涂料干燥时，颜料与颜料之间，以及颜料与原纸之间通过胶乳粒子黏结在一起赋予的。同时，因为胶乳粒子填补涂层中的孔隙，阻碍了颜料的取向，也使成纸的油墨干燥性、吸收性和光泽度等受到影响[4]。

胶乳中苯乙烯用量增大，光泽度增加，但会增大涂布纸的“硬性”。胶乳在相当程度上决定成纸的印刷适性和印刷品的质量，可以改善成纸的表面强度、油墨干燥性、吸收性、印刷光泽度和耐起泡性等。

1.2 生物胶乳的基本特性和作用

1.2.1 生物胶乳的基本特性

生物胶乳源于淀粉，通过淀粉改性制得。目前种类也较多，颜色也存在较大差别，有的颜色似石油状，有的为乳白色乳液。在涂层里生物胶乳成网状结构，其成膜性，透气度和保水性较SB胶乳要好，但抗水性和黏结强度较SB胶乳要差。表3列举了某公司的生物胶乳基本性质。

表3 生物胶乳的基本性质

1.2.2 生物胶乳的作用

目前，生物胶乳主要用在涂布纸底涂和中涂中作胶粘剂，代替部分SB胶乳，由于其具有两亲性官能团，可以在无机物与有机物之间形成界面层，界面层通过传递应力增强了颜料与胶粘剂及其他辅助成分之间的结合强度，同时还可以防止非颜料介质向界面渗透，界面状态的改善增强了涂料中胶乳与无机颜料间的“分子桥”作用，从而通过提高交联程度改善涂层机械强度，通过润湿作用改变涂布原纸的表面张力而提高涂层与原纸的结合力。

2 生物胶乳代替胶乳的可行性

2.1 生物胶乳自身的特性

造纸涂料中使用的胶粘剂有胶乳、CMC、涂布淀粉和聚乙烯醇（PVA）等。而生物胶乳源自淀粉，通过淀粉改性形成纳米级颗粒，具有稳定的空间网络结构[5]105；部分造纸企业还自制生物胶乳，使用涂布淀粉通过催化剂改性制得，自制生物胶乳的性能和使用效果不比商品生物胶乳差。由此可见，在造纸涂料中使用生物胶乳代替部分胶乳与过去采用涂布淀粉代替部分胶乳一样，不同的是，生物胶乳的各种性能比涂布淀粉要好、更与胶乳接近，故生物胶乳代替部分胶乳在理论上可行。生物胶乳与胶乳的性能比较见表4。

表4 生物胶乳与胶乳的性能比较

2.2 实验室实验

珠海红塔仁恒纸业有限公司针对他们对烟用涂布白卡纸强度性能及折痕压爆性能的要求，进行了在底涂中使用固体生物胶乳取代30%SB胶乳的实验。实验结果显示，涂料性能差不多，成纸的物理指标及强度性能均正常，且涂料的保水性能及成纸的透气度有一定的增加（见表5～7和图1）[5]105-107。

表5 涂料性能对比

表6 印刷性能对比

表7 压爆测试

2.3 生物胶乳的应用前景

图1 高剪切性能对比

随着世界工业化大生产的发展，石油日耗用量越来越大，根据经济学家和科学家的普遍估计，从现在开始世界已探明可供开采的石油储量预计仅可开采到2050年[6]。随着石油资源的濒临枯竭，石油价格会随之上涨，而胶乳为石油产品，随着石油价格的上涨胶乳价格随之上涨，仅2012年胶乳的价格就较2011年上涨650元/t左右。而生物胶乳基于生物原料，不受石油价格的制约，同时价格较XSBRL低3 150元/t左右。在经济不景气和涂布纸尤其是铜版纸市场竞争激烈的今天，如何在保证涂布纸质量不受影响而能有效地降低涂布纸的成本、为占有市场创造有利条件成为各涂布纸生产企业关注的头等大事。而生物胶乳能满足上述要求，生物胶乳不但性能与胶乳接近，而且使用效果能满足要求，最主要的是能有效地降低生产成本。所以，生物胶乳的应用前景很好。

3 生物胶乳在涂布纸中的应用

3.1 生物胶乳在铜版纸中的应用

3.1.1 加入方式

在涂料制备时，生物胶乳在SB胶乳加入之后添加，配方的其他组分的添加顺序不变。

3.1.2 加入量

通过使用某型号的商品生物胶乳分别代替底涂SB胶乳的10%、20%、30%和40%等多次上机使用评估，发现使用30%生物胶乳代替底涂中的SB胶乳不会对涂布机的运行性能和成纸的质量带来负面影响，但能有效地降低铜版纸的生产成本。

3.1.3 应用实例

在生产128 g/m2双面高光铜版纸（天阳）过程中（机外涂布机，车速1 600 m/min），使用 30%的某型号的商品生物胶乳（以下简称生物胶乳）代替底涂中的某型号商品SB胶乳（以下简称胶乳），代替前、后涂料中其他成分的比例保持不变。

3.1.3.1 底涂混合器涂料的性能

底涂混合器涂料的性能见表8。由表8可知，底涂混合器中的涂料性能差异不大，但使用30%生物胶乳时的静态保水相对全胶乳来说要稍好。

表8 底涂混合器涂料的性能

3.1.3.2 涂布机的运行性能

在使用30%生物胶乳的过程中，涂布机运行正常，没有出现粘涂布备辊和产生涂布刮痕等问题，各涂布头刀压均正常，各涂布站固含量没出现异常升高的现象，其他指标也差不多。具体情况见表9。

表9 涂布机的运行性能

由表9可知，使用30%生物胶乳的过程中，涂布机的运行性能正常，但涂布头刮刀加压比使用全胶乳时要高。

3.1.3.3 超级压光机运行性能

在使用30%生物胶乳的过程中，超级压光机的车速、线压和热辊温度均未作调整。

3.1.3.4 成纸物理指标

生产定量128 g/m2双面高光铜版纸（天阳）的部分物理指标见表10。

由表10可知，使用30%生物胶乳后相对全胶乳来说，128 g/m2双面高光铜版纸（天阳）的光泽度、表面强度和耐折度均稍降低，印刷表面粗糙度稍升高，但均未超过7.0%；但D 65白度、a值和b值均有所升高，油墨吸收性有所降低。这些（除耐折度外——耐折度均超过标准要求较多）说明可以通过微调涂料中增白剂、蓝色和紫色颜料的用量及调整超级压光机的压力或温度解决，也说明使用30%生物胶乳代替XSBRL可行。

表10 定量为128 g/m2的双面高光铜版纸（天阳）物理指标

3.1.3.5 生产成本

年产42万t的铜版纸机，每天生产定量128 g/m2双面高光铜版纸（天阳）产量为1 050 t，每天使用生物胶乳4.2 t，每吨生物胶乳较SB胶乳价格低3 150元，则每天可以降低生产成本：4.2×3 150＝13 230.0（元）；年可降低生产成本（1年生产时间按340 天计算）：13 230.0×340＝449.82（万元）；吨纸可以降低生产成本：13 230.0÷1 050＝12.6（元）。

3.2 生物胶乳在白卡纸中的应用

3.2.1 加入方式

在涂料制备时，生物胶乳在SB胶乳加入之后添加，配方的其他组分的添加顺序不变。

3.2.2 加入量

通过使用某型号的商品生物胶乳分别同时代替底涂、中涂中SB胶乳的10%、20%、30%和40%等多次的上机使用评估，发现使用30%生物胶乳代替底涂和中涂中的SB胶乳可行，不会对涂布机的运行性能和白卡纸的质量产生较大影响，并能有效地降低白卡纸的生产成本。

3.2.3 应用实例

在生产定量为250 g/m2白卡纸过程中，使用30%的某型号的商品生物胶乳（以下简称生物胶乳，30%生物胶乳相当于胶乳用量降低2.4%；生物胶乳型号与上述铜版纸中的一致）代替底涂和中涂中的某型号商品SB胶乳（以下简称胶乳），代替前、后涂料中其他成分的比例保持不变，纸机（也是涂布机）车速780 m/min。

3.2.3.1 底涂和中涂混合器涂料的性能

底涂混合器涂料和中涂混合器涂料的性能分别见表11和表12。

表11 底涂混合器涂料的性能

表12 中涂混合器涂料的性能

由表11和表12可知，底涂混合器中的涂料性能差异不大，但使用30%生物胶乳时的静态保水相对全胶乳来说要稍好。

3.2.3.2 涂布机的运行性能

在使用30%生物胶乳的过程中，涂布机运行正常，没有出现粘涂布备辊和产生涂布刮痕等问题，各涂布头刀压均正常。具体情况分别见表13和表14。

由表13和表14可知，使用30%生物胶乳的过程中，涂布机的运行性能正常，但涂布头刮刀加压相对全胶乳要高、固含量也要高。这些说明使用生物胶乳过程中涂料的动态保水变差。

3.2.3.3 超级压光机运行性能

在使用30%生物胶乳的过程中，超级压光机的车速、线压和热辊温度均未作调整。

表13 底涂涂布机的运行性能

表14 中涂涂布机的运行性能

3.2.3.4 成纸物理指标

生产定量为250 g/m2白卡纸的部分物理指标见表15。

表15 定量为250 g/m2的白卡纸物理指标

由表15可知，使用30%生物胶乳后，相对全胶乳来说，定量为250 g/m2白卡纸的光泽度、表面强度和耐折度均有所降低，印刷表面粗糙度稍升高，其中下降幅度较大的为纵向耐折度 （下降13.6%）；但D 65白度、a值和b值均有所升高，油墨吸收性有所降低。这些（除耐折度外——耐折度均超过标准要求较多）可以通过微调涂料中增白剂、蓝色和紫色颜料的用量及调整超级压光机的压力或温度解决，也说明在底涂和中涂中使用30%生物胶乳代替SB胶乳不会对白卡纸的生产运行性能和物理指标产生较大影响，可以通过使用生物胶乳来降低生产成本。

3.2.3.5 生产成本

年产35万t的纸板机，每天生产定量为250 g/m2的白卡纸产量为950 t，每天使用生物胶乳2.0 t，每吨生物胶乳的价格较SB胶乳低3 150元，则每天可以降低生产成本：2.0×3 150＝6 300.0（元）；年可降低生产成本（1年生产时间按340天计算）：6 300.0×340＝214.2（万元）。吨纸可以降低生产成本：6 300.0÷950＝6.6（元）。

4 结论

（1）生物胶乳可以在涂布纸涂料中使用，一般在涂布纸底涂（纸板包括中涂）涂料中代替不超过30%SB胶乳较合适，此时不会对涂料性能、成纸的物理指标及强度性能带来较大影响，且能使涂料的保水性能及成纸的透气度有一定的改善。

（2）铜版纸在底涂涂料中使用生物胶乳代替30%SB胶乳后，涂料性能正常、涂布机（包括超级压光机）运行正常、成纸物理指标及强度指标变化不大，并且可实现吨纸生产成本降低12.6元左右，可为铜版纸生产企业增加经济效益和占领市场创造条件。

（3）白卡纸在面层的底涂和中涂中使用生物胶乳代替30%XSBRL后，也不会对涂料性能和涂布机（包括超级压光机）运行性能带来较大负面影响，成纸物理指标及强度指标也均未出现较大波动，能满足生产要求；并且可实现吨纸生产成本降低6.6元左右，可为白卡纸生产企业增加经济效益和占领市场创造有利条件。

（4）生物胶乳源于生物原料，不受石油价格的制约，在经济不景气和涂布纸尤其是铜版纸市场竞争激烈的今天甚至是发展形势较好的未来，涂布纸涂料中使用生物胶乳代替部分SB胶乳已成定势。如果生物胶乳的开发技术取得更大突破——能更有效地和高比例地在涂布纸涂料中代替SB胶乳并能在涂布纸的面涂中使用，那么生物胶乳在涂布纸涂料中的应用前景将会更好。

［1］ 曹邦威.纸张颜料涂布与表面施胶（造纸科学与技术丛书11）［M］.北京：中国轻工业出版社，1990.

［2］ 火金三.造纸用羧基丁苯胶乳的稳定性［J］.合成橡胶工业，1995，18（4）：229.

［3］ 薛建华.丁苯胶乳及苯丙胶乳涂布应用探讨［J］.上海造纸，1995，26（4）.

［4］ 弋戈.涂布纸的发展方向和涂布用SBR胶乳［J］.国际造纸，2003，22（5）：10.

［5］ 仇如全，张东生，杨丽，等.生物胶乳在涂布白卡纸中的应用［J］.造纸科学与技术，2011，30（6）.

［6］ 危志斌，张瑞杰.能源管理助太阳纸业发展低碳经济［J］.中华纸业，2011，32（1）：18-19.