涂料延展黏度对帘式涂布运行性能的影响

张曦晨刘金刚王比松李洪才

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102;2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

·延展黏度·

涂料延展黏度对帘式涂布运行性能的影响

张曦晨1，2刘金刚1，2王比松1，2李洪才1，2

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102;2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

应用实验室单张纸帘式涂布机，对分别以聚乙烯醇类增稠剂1788、丙烯酸乳液类增稠剂PR328、羧甲基纤维素 (CMC)和碱润胀类增稠剂Top007为增稠剂的不同配方的涂料体系进行帘式涂布实验。结果表明，相同操作条件下，PR328体系涂层质量较好，CMC体系下涂层出现了大量“火山坑”现象;随着延展形变和延展速率的提高，涂层的破坏情况加剧;当延展形变相差不大时，高速度的涂布过程更容易出现表面缺陷;延展黏度大的涂料体系，涂层的表面覆盖率更高。

帘式涂布;延展黏度;运行性能

作为一种新兴涂布技术，帘式涂布已经在全球范围内得到了越来越多的重视和认可，帘式涂布具有很多优势，如涂层覆盖性好、对原纸强度要求小、运行成本低等优点，但存在的最大问题是运行性能不稳定。在帘式涂布中，涂料以一定初速度从缝隙模口中流出，形成稳定连续的幕帘自由下落，并以一定速度冲击水平方向运动的纸幅，完成涂布［1－2］。但是在幕帘冲击区，涂料会经历显著的加速流动，延展速率将达到105s－1以上。如果涂料的延展性能不好，很容易在冲击区被高速纸幅拉伸而断裂。这样不仅影响帘式涂布的正常运行，还会造成涂层漏涂状斑点的出现［3］。因此，作为造纸涂料重要流变参数之一的延展黏度会显著影响涂布运行性能以及成纸质量［4－5］。本课题以实验室单张纸帘式涂布机为基础进行上机实验，以考察和验证涂料延展黏度对帘式涂布运行性能的影响。

1 实验

1.1 原料与仪器

主要原料:高岭土MMO1，茂名高岭土科技公司;95级重质CaCO3(GCC)，兖州高旭化工有限公司;聚乙烯醇类增稠剂1788，北京有机化工厂;丙烯酸乳液类增稠剂PR328，北京宝威胶乳有限公司;羧甲基纤维素 (CMC)增稠剂，江阴化工有限公司;碱润胀类增稠剂Top007，北京嘉和瑞联科技有限公司;丁苯胶乳，陶氏化工有限公司。

主要仪器:Brookfield黏度仪，美国Brookfield公司;ACAV超高剪切黏度仪，芬兰ACA公司;全自动振动筛和单张纸帘式涂布机，自制。

1.2 实验方法

1.2.1 涂料配方的制定

实验拟采用4种增稠剂 (1788，PR328、CMC和Top007)进行配料。具体配方如下:高岭土20份，95级GCC 80份，丁苯胶乳12份，增稠剂0.4份(其中1788用量为1.6份)，润滑剂0.5份，抗水剂0.7份，消泡剂0.3份，表面活性剂0.3份，涂料固含量64%，pH值为8.5。

1.2.2 涂料延展黏度的测量

实验使用ACAV超高剪切黏度仪中的EXTV附件，结合Binding模型［5］，对体系的延展黏度进行测量。Binding模型是一种基于收敛流道法的流体延展黏度计算模型［6］，其模型的收敛流道见图1。

图1 收敛流道示意图

在相当于零长度毛细管的EXTV附件中，入口压力降可用公式 (1)表示。

式中，PS是由剪切流动造成的压力损失;PE是由延展流动造成的压力损失;PK是由流体动能增加而造成的压力损失。

根据Cogswell提出的聚合物流体收敛流道内延展黏度的分析方法，假设在收敛流道内体积流量固定不变，平均延展速率可用来表示延展形变速率;若延展速率固定不变，流体的延展黏度保持一定;假设图1中入射角ø为45°，PS、PE和PK的计算分别见公式(2)、公式 (3)和公式 (4)［6］。

式中，m和n分别为非牛顿流体幂律公式ηs= mγn－1(ηs和γ为剪切黏度和剪切速率)中的拟合系数;Q为流体的流量;d0和d1如图1所示，分别为收敛流道的最小直径和最大直径;ηe为涂料的延展黏度。

在实际测量过程中，Q、PT可以通过毛细管黏度计直接测量得到，并由此计算出剪切黏度和剪切速率，拟合出非牛顿流体幂律公式中的m值和n值，d0和d1为已知参数，这样就可以计算出由延展流动造成的压力损失PE，进而计算出样品的延展黏度ηe。

1.2.3 帘式涂布上机实验

在实验室中，使用自行设计的单张纸帘式涂布系统进行上机涂布实验。帘式涂布机主要由涂布模头和两根可带动纸幅高速运行的电动缸组成，该电动缸的运行速度为60～390 m/min，所带动纸幅的尺寸为720 mm×800 mm。在涂布过程中，选取螺杆泵的转速分别为550、600、650、700、800 r/min，其相对应幕帘的流量分别为 0.5315、0.5915、0.6515、0.7115、0.8315 cm3/s·cm，选取的车速为4、5、6、6.5 m/s。为了消除涂料中气泡以及冲击区处气流层对运行性能的影响，上料前先用振动筛将涂料除气，同时在涂布模头前安装去除气流层的毛刷装置。

1.2.4 涂料延展形变和延展速率的计算

图2为帘式涂布过程中的主要参数示意图。图2中V0和Vimp分别表示幕帘的初速度和刚接触到纸幅时的冲击速度，VB表示纸幅 (即涂布机)运动的速度，其中V0和Vimp的运行方向与纸幅运行方向VB相垂直，而S0、Simp和SB分别表示幕帘流出涂布模头瞬间、幕帘刚接触到纸幅瞬间以及涂料随纸幅一起运动时涂料膜厚度。在整个循环过程中，涂料遵循流量(质量)守恒，可以得到公式 (5)。

图2 帘式涂布过程中的主要参数示意图

式中，Q0为体积流量，可直接测定;S0为幕帘流出涂布模头瞬间的涂料膜厚度，可以用模头缝隙来代替;H为模头出口距纸面的高度，可直接测定;VB为纸幅运动的速度，为可控已知量。因此，Q0、S0、H和VB均已知，通过公式 V0=Q0/S0，Vimp=V0+可以计算出V0和Vimp。

在帘式涂布中，涂料所经历延展形变和延展速率的大小是衡量延展流动剧烈程度的重要参数。在幕帘下落区的重力延展形变、在幕帘冲击区的冲击延展形变以及总延展形变的计算见公式 (6)，延展速率的计算见公式 (7)［7－8］。

式中，χg、χimp、χT分别表示重力延展形变、冲击延展形变和总延展形变。

1.2.5 涂层表面缺陷的分析

实验首先对涂布纸进行扫描处理，然后将扫描好的图片导入ImageJ图像处理软件中，对图像进行去背景、高斯模糊滤波、二值化等处理，最后利用ImageJ软件自带的分析计算功能，对涂层表面缺陷进行计算。

2 结果与讨论

2.1 帘式涂布运行性能的定性评价

选用4种增稠剂 (1788、PR328、CMC和Top007)配制的涂料分别在不同的参数条件下进行帘式涂布，考察涂布运行性能以及成纸的涂层质量，延展速率对4种配方涂料延展黏度的影响见图3。

图3 延展速率对4种涂料延展黏度的影响

由图3可知，当涂料延展速率小于4.5×105s－1时，4种体系下涂料的延展黏度大小顺序为:PR328＞1788＞Top007＞CMC，PR328体系下的延展黏度最高，在延展速率不高的情况下，Top007和CMC体系的延展黏度相差不多。

在实际涂布过程中，运行性能和涂料的流变性能与操作参数有着密切的关系，相同的涂料在不同的操作条件下会有不同的成纸质量，而在相同的操作条件下，不同涂料的运行稳定性也有差异。在涂布过程中，流量和车速是两个最为重要的工艺条件，也对运行性能起着决定性的作用，因此，可以通过固定流量改变车速和固定车速改变流量来定性地观察成纸涂层的破坏情况。图4为PR328涂料体系在不同操作条件下的涂布成纸情况。

图4 PR328体系在不同操作条件下的涂布成纸情况

从图4可看出，随着螺杆泵转速的降低，成纸表面涂层的破坏也愈发显著。当螺杆泵转速为800 r/min、车速为6.5 m/s时，涂层质量较好，有轻微破坏。但当螺杆泵转速减小到600 r/min、车速为6.5m/s时，涂层表面出现了明显的漏涂现象，继续降低螺杆泵转速到550 r/min、车速为6.5 m/s时，不仅漏涂现象更显著，同时涂布纸前段出现了由气流层而造成的大面积漏料现象。随着车速的降低，成纸表面涂层的破坏越来越轻微，当螺杆泵转速为600 r/min、车速为6 m/s时，涂布纸前段出现了较为明显的漏涂现象，这很可能是高车速下幕帘与纸幅之间裹入气流层，造成了幕帘的开裂。当螺杆泵转速为600 r/min、车速降低到4 m/s时，漏涂现象几乎消失。

在本实验中，主要比较了4种涂料的涂布运行情况。将不同涂料涂布后的成纸进行扫描，在螺杆泵转速为550 r/min、车速为6.5 m/s的操作条件下，不同涂料体系下涂层表面缺陷见图5。

图5 不同涂料体系下涂层表面缺陷

在图5中可以看到，PR328体系涂层中除了气泡造成的斑点现象以外，几乎没有出现尺寸在0.2～0.3 mm之间的“火山坑”现象。1788体系涂层明显变薄，已经出现漏涂的趋势。Top007和CMC体系涂层已经出现由于幕帘被显著拉伸而造成的“火山坑”现象，其中CMC体系的漏涂状斑点最为显著，因此，可以认为Top007体系和CMC体系更易出现运行性问题。

2.2 帘式涂布运行性能的定量评价

2.2.1 延展形变和延展速率对涂层质量的影响

PR328、1788、Top007和CMC 4种涂料增稠剂配制的涂料在不同操作条件下，涂层的斑点指数见表1。

表1 不同操作条件下涂层的斑点指数

由表1可以发现，在相同的操作条件下，PR328体系和1788体系涂层的斑点指数较小，CMC体系涂层的斑点指数最大，涂层质量最差。由图3可知，PR328体系的延展黏度比其他3种涂料体系高很多，但其涂层质量与1788体系相当。PR328涂料低剪切黏度较高 (6.889 Pa·s，Brookfield黏度计，60 r/min)，气泡很难去除，在成帘过程中气泡的存在使得幕帘在横向上很不均匀，涂布过程中幕帘不稳定是导致该体系涂层质量不如预期高的原因之一。在1788、Top007和CMC体系中，涂料的延展黏度和涂层的表面斑点指数呈现了相对较好的相关性，在延展黏度较高的1788体系中，涂层的漏涂现象最少，表面斑点指数最小，整体来说CMC涂料体系的延展黏度最小，该涂层的表面斑点指数最大。

为了从理论上理解操作条件对涂层质量的影响，考察了PR328体系和CMC体系延展速率和总延展形变对表面斑点指数的影响，如图6和图7所示。按公式 (6)和 (7)计算出每组操作条件对应的延展速率和总延展形变。

图6 PR328体系中延展速率和总延展形变对表面斑点指数的影响

图7 CMC体系中延展速率和总延展形变对表面斑点指数的影响

图8 PR328体系下涂料延展黏度与涂层表面斑点指数之间的关系

由图6和图7可以看出，随着延展速率和延展形变的增加，涂层表面斑点指数也呈增加趋势。这说明，不仅延展形变对表面斑点指数有影响，对涂料所施加形变的快慢，即延展速率也有影响。在实际生产中，需要密切关注涂布车速对涂布质量的影响，因为随着涂布车速的增加，延展速率也增加。

对比图6和图7可以看出，在相似的延展速率和总延展形变下，PR328体系中表面斑点指数较CMC体系中表面斑点指数少，说明PR328体系的涂层质量较好，即涂料本身的性能对涂层质量有重要影响。

PR328体系在相同泵转速、不同车速下，延展黏度对涂层表面斑点指数的影响如图8所示。由图8可以看出，在PR328体系中，当涂料的延展黏度小于8 Pa·s时，随着涂料延展黏度的增加，涂层的表面斑点指数大致呈现下降趋势，但涂层表面的斑点指数较高，帘式涂布的运行性出现了较大问题。

总之，在帘式涂布中，通过寻求特殊增稠剂、增加固含量、调节颜料配比，在一定范围内增加涂料的延展黏度，有助于保持和改善帘式涂布的运行性能。

3 结论

3.1 在涂布过程中，通过固定流量、变化车速和固定车速、变化流量的方式来观察成纸性能是一种简单、可行的评价方法。在本实验中，对比了相同操作条件下，不同涂料体系的成纸表面缺陷，经观察发现，CMC体系下的涂层出现了大量的“火山坑”现象，PR328体系的涂层质量较好。

3.2 延展形变和延展速率是评价运行状态、成纸质量的重要参数。在实验中发现，随着延展形变和延展速率的提高，涂层的破坏情况加剧;当延展形变相差不大时，高车速的涂布过程更易出现表面缺陷。

3.3 当不同配方的涂料经历相同的延展流动时 (相同的延展形变和延展速率)，延展黏度大的涂料体系下的涂层质量更好、涂层覆盖率更高，因此在一定范围内适当增加涂料的延展黏度，有利于保持和改善涂层质量以及帘式涂布机运行性能。

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(责任编辑:董凤霞)

Influence of Extensional Viscosity of Coating Color on the Runnability of Curtain Coating

ZHANG Xi－chen1，2，*LIU Jin－gang1，2WANG Bi－song1，2LIHong－cai1，2
(1.China National Pulp and Paper Research Institute，Beijing，100102; 2.National Engineering Lab for Pulp and Paper，Beijing，100102)
(*E－mail:zhangxichen01@hotmail.com)

The experiments were carried out by using laboratorial sheet－fed curtain coater and coating colorswith different formula.The results showed that as the increase of extensional deformation and extensional rate of the coatings，the surface defects of coating layers were more serious;the coating under highermachine speed wasmore easily to appear surface defectswhen the extensional deformation of the coatings was at the similar level;the coating color with high extensional viscosity tended to produce the coating layer with high coverage.

curtain coating;extensional viscosity;runnability

张曦晨先生，在读博士研究生;主要研究方向:生物质精炼。

TS758+.1

A

0254－508X(2014)03－0006－05

2013－10－25(修改稿)