新型涂布胶粘剂FennoBind K6S取代部分面涂丁苯胶乳及相应颜料优化的应用研究

颜家松，辛颖

（凯米拉（上海）管理有限公司，上海201112）

涂料技术的发展受现代涂布和印刷技术，以及环保和成本的驱动[1]。胶粘剂是纸张涂料中继颜料之后第2主要的成分，占涂料总质量的10%～20%；而从成本上看，许多配方中胶粘剂成本占总成本的50%以上。目前，应用于造纸涂料的胶粘剂主要有淀粉、聚乙烯醇、生物胶乳、丁苯胶乳和苯丙类胶乳等，行业内对它们的研究也较多[2-5]。其中丁苯胶乳因其良好的流变性能、较高的固含量和胶粘能力、良好的可印刷性等优点，较好地适应了高车速、高固含量的涂布技术发展趋势，在造纸涂料胶粘剂领域中占主导地位。

一种专利的新型涂料胶粘剂FennoBind K6S被开发出来，这种胶粘剂的特点在于其无表面活性剂乳化合成技术，相比常规丁苯胶乳，这种技术合成的胶粒粒径超细（见图1和图2），对剪切力、温度及金属离子稳定，涂布运行稳定；同等质量下，粒径减小，胶粒个数倍数增加，黏结效率提高。因其更高的胶粘性能，同等强度下，FennoBind K6S对丁苯胶乳的典型替代比率是1∶2（即绝干质量比，1份FennoBind K6S可取代2份丁苯胶乳），特定条件下，1∶3的替代水平也是可以实现的。总胶粘剂水平降低，涂料成本下降，涂层结构更开放，纸张光学性能改善，对多种印刷方式都能提供出色的印刷性能。纸张性能的改善，也使纸厂有更高的灵活度去调整颜料系统，如用低成本的研磨碳酸钙（GCC）取代昂贵的颜料，如沉淀碳酸钙（PCC）、瓷土等，在保持或提高纸张质量的前提下进一步降低生产成本。

图1 FennoBind（粒径46 nm，比表面积125 m2/g）

图2 常规胶乳（粒径125 nm，比表面积46 m2/g）

现阶段国内一些纸厂及研究机构仅有简单的棒式涂布机，这种涂布机未连接即时快速干燥装置。这种设备可有效评估丁苯胶乳性能，因为通常市售丁苯胶乳玻璃化温度较低，常温下即可成膜[6]。但在评估FennoBind K6S时，因其粒径超细，易迁移，如未配合快速干燥及时成膜，会发生过快迁移，导致表面强度下降，因此实验室常见其强度性能低于实际上机结果。

本文的目的是确立有效评估新型胶粘剂FennoBind K6S性能的实验室棒涂方法，验证这种胶粘剂部分取代面涂丁苯胶乳后改善纸张性能的效果，探索在保持或提高涂布纸质量前提下，进一步降低成本的颜料优化方案。

1 实验

1.1 实验原料

涂布原纸（定量为130 g/m2，2面各1道预涂）、面涂颜料、胶乳和助剂等均取自客户纸厂。

1.2 实验设备及其执行的测试标准

Brookfield黏度仪，美国Brookfield公司，型号DV-II+P；保水度仪，供应商为Kaltec Scientific有限公司，型号AA-GWR 250；赫克力士高剪切黏度仪，供应商为DT Paper Science Oy公司，型号DV-10；棒式涂布机，供应商为Gist公司，型号GBC-A4；压光机，供应商为DT Paper Science Oy公司；白度仪，供应商为久贸上海有限公司，型号Technidyne CTP-ISO，执行的测试标准为TAPPI T 452；光泽度仪，供应商为Lorentzen&Wette公司，型号363，执行的测试标准为TAPPI T 480；平滑度仪，供应商为杭州轻通博科自动化技术有限公司，型号BST，执行的测试标准为TAPPI T479；透气度测试仪，供应商为Lorentzen&Wette公司，型号L&W 166，执行的测试标准为TAPPI T 460；IGT印刷适性仪，供应商为思百吉中国有限公司，型号AIC2-5 T2000；色密度仪，供应商为Techkon GmbH公司，型号SpectroDens，执行的测试标准为ISO 5-3/4。

1.3 涂布、烘干及压光方法

较高的涂布量和不足的烘干条件会增大FennoBind K6S向原纸迁移的自由度，是常为实验室不能验证FennoBind K6S强度性能的重要原因，为达到尽量减少FennoBind K6S迁移的目的，本文特意选择较低涂布量并强化涂布纸的烘干。

1.3.1 涂布及烘干

3号刮棒控制涂布量为10～12 g/m2，涂布速度为7 cm/s；涂布前，刮棒下垫一层塑料膜，防止加涂料时水分渗入纸中；涂布后尽快將涂布纸转移入涂布机旁烘箱中，以尽量贴近纸机实际，减少胶粘剂迁移，烘箱温度为125℃，烘干时间为30 s。

1.3.2 压光

压光条件：温度为70℃，压力为6 MPa，压光速度为10 m/min，对角压2遍。

2 结果与讨论

涂料配方的设计、涂料流变性及涂布性能结果见表1（表中：T1是面涂参考配方；T2是相对参考配方少用1.5份胶乳；T3是FennoBind K6S取代面涂30%丁苯胶乳，取代绝干质量比1∶2，总胶粘剂用量8.5份；T4在T3配方基础上对颜料组分作了优化，4质量份95级研磨碳酸钙取代了面涂4质量份瓷土）。

越高用量胶乳被取代，胶粘剂总量越低，涂层孔隙越多，胶粘剂更易向原纸迁移[7]。为避免潜在不利影响，胶乳取代率选择为30%，而没有用更高取代率，如50%以上等。

表1 涂料配方，涂料流变性及涂布性能

为了更直观地表示表1显示的数据，以下分别用图和分表来显示它们的变化趋势并予以讨论。

2.1 涂料流变性

图3和图4分别显示了不同配方时涂料的保水值和高剪切黏度。

由图3和图4可见，同等条件下（涂料固含65%，pH为～9，低剪切黏度为～1 200 mPa·s），用Fenno Bind K6S的涂料配方流变性总体改善。FennoBind K6S取代面涂部分丁苯胶乳后，涂料保水值略变大，高剪切黏度略降低，涂料流送及流平性能更好。用4质量份面涂GCC等量取代4质量份瓷土，进一步调整涂料配方后，涂料流变性无明显变化。

FennoBind K6S不含表面活性剂，相比常规丁苯胶乳，这种胶粘剂对剪切力、温度及金属离子稳定。用于涂料，为各种涂布方式提供稳定的运行性，减少纸病。

图3 不同配方下涂料保水值

图4 不同配方下涂料高剪切黏度

2.2 涂布纸白度和亮度及色相

表2显示了涂布纸的白度、亮度及色相。

表2 涂布纸的白度、亮度及色相

由表2可见，用FennoBind K6S，不管是简单取代胶乳还是同时优化颜料配方，对涂布纸亮度、白度及色相均无明显影响。压光后纸张白度和亮度略微下降，但不改变不同配方之间的对比结果。

2.3 涂布纸光泽度

图5和图6分别为涂布纸压光前和压光后的光泽度。

图5 涂布纸光泽度（压光前）

图6 涂布纸光泽度（压光后）

由图5可见，对未压光涂布纸，使用FennoBind K6S（30%，1∶2）后，涂布纸光泽度提升。因总胶粘剂用量降低，涂层孔隙体积增加，涂层光散射的增强是光泽度提升的主要原因，光泽度的提升也是涂层光学遮盖性增强的证据。用4质量份面涂GCC等量取代4质量份瓷土，进一步调整涂料配方后，涂布纸光泽度降低但仍高于参考配方。

由图6可见，对压光后涂布纸，用FennoBind K6S（30%，1∶2），涂布纸光泽度与参考配方同等水平；FennoBind K6S使用的同时降低瓷土用量，涂布纸光泽度略低于参考配方。一定程度上，表面平滑度受涂料厚度影响，从而影响到光泽度。同样的，涂层孔隙度明显影响光泽度。涂布纸压光后，涂层变得紧实，不同涂料配方所得涂层的孔隙度差异变小，在这种条件下，光泽度的提升由表面平滑度主导。瓷土因其更趋于片状，易于压光得到较平滑的表面，降低瓷土用量，压光后涂布纸的光泽度下降。因此，对高光泽铜版纸，使用FennoBind K6S同时降低瓷土用量时，建议微调压光温度或压力以提高纸面光泽度。

2.4 涂布纸Gurley透气度（压光后）

图7为涂布纸Gurley透气度（压光后）。

图7 涂布纸Gurley透气度

由图7可见，用FennoBind K6S（30%，1∶2），总胶粘剂用量降低，涂层孔隙体积增加，表现为涂布纸Gurley透气度数值下降，涂层更开放，涂布纸烘干能耗降低；用FennoBind K6S同时降低瓷土用量，Gurley透气度数值继续下降。Gurley透气度测量的是空气穿过整个涂布纸所需的时间，空气在通过与纸面平行的片状瓷土粒子时绕行的距离更长，阻力更大。瓷土用量降低，同等条件下空气通过纸张的阻力变小，是Gurley透气度继续下降的原因。

2.5 涂布纸油墨干燥速度及油墨需求（压光后）

图8和图9分别显示了涂布纸油墨干燥速度和油墨需求情况。

图8 涂布纸油墨干燥速度

图9 涂布纸的油墨需求量

图8中，墨色密度越大，表示油墨干燥速度越慢。由图8，用FennoBind K6S（30%，1∶2），因总胶粘剂用量降低，涂层孔隙体积增加，更多表面微孔导致油墨干燥速度加快[8]。瓷土因其架桥效应，易形成多孔隙、油墨吸收速度快的涂层。用FennoBind K6S同时降低瓷土用量，油墨干燥速度相对于单独使用FennoBind K6S变慢，但仍优于参考配方。

由图9，用FennoBind K6S（30%，1∶2），涂布纸油墨需求量降低，印刷更经济，换言之，同等油墨用量下，墨色密度更高，印刷色彩更鲜艳，质量更高。在此基础上降低4质量份瓷土，油墨需求量无明显变化。总胶粘剂用量降低，涂层孔隙体积变大，光散射增大，对涂层表面油墨的光散射有利，是同等墨色密度下油墨需求量降低的原因。

2.6 涂布纸印刷光泽度（压光后）

图10为涂布纸印刷光泽度（压光后）。

图10 涂布纸印刷光泽度

由图10可见，用FennoBind K6S或用FennoBind K6S同时降低瓷土用量，涂布纸印刷光泽度相比参考配方保持一致。

2.7 涂布纸IGT干拉毛强度（压光后）

图11为涂布纸IGT干拉毛强度（压光后）。

图11 涂布纸IGT干拉毛强度

由图11可见，尽管总胶粘剂用量明显减少，用FennoBind K6S，涂布纸仍有不弱于参考配方的表面强度。用FennoBind K6S同时降低瓷土用量，表面强度轻微提高。通常面涂细瓷土的比表面积较大，对胶乳的需求相比GCC要高。瓷土用量降低，颜料总比表面积下降，对胶粘剂需求变少使得表面强度提高。

2.8 涂布纸IGT湿拉毛强度/IGT湿排斥（压光后）

表3为涂布纸的IGT湿拉毛强度/IGT湿排斥（压光后）。

表3 涂布纸的IGT湿拉毛强度/IGT湿排斥

由表3可见，相比参考配方，用FennoBind K6S或用FennoBind K6S同时降低瓷土用量，涂布纸面均无IGT湿拉毛强度及明显IGT湿排斥现象。

IGT湿排斥强度与涂层孔隙体积及直径密切相关。压光后，涂层被挤压，孔隙直径变小，对液体的毛细管吸收作用更强，同时胶粘剂用量较低，表面毛细管较多是涂布纸IGT湿排斥不明显的可能原因。凯米拉公司曾在上机试验中发现，使用FennoBind K6S取代面涂丁苯胶乳（20%，1∶2）后，涂布白板纸的IGT湿排斥明显改善。

3 结论

优化后的实验室棒涂方案，控制涂布量10～12 g/m2，同时涂布后快速干燥涂布纸，使得FennoBind K6S的性能得到充分展示。由实验结果，FennoBind K6S取代面涂丁苯胶乳（30%，1∶2），效果及优势总结如下。

（1）生产成本降低。体现在总胶粘剂用量下降，涂料成本降低，以及因更开放的涂层带来的烘干能耗降低。

（2）涂布纸光学性能改善。白度、亮度及色相不受影响，纸面光泽度提高（对板纸），涂层遮盖力提高，光泽度的提高可为证明。

（3）印刷性能改善。印刷光泽度保持，表面拉毛强度保持或提高，IGT湿排斥保持或改善，油墨干燥速度加快，油墨需求量降低，印刷更经济，或同等油墨用量下更高的印刷质量。

进一步调整面涂涂料配方，用GCC等量取代部分瓷土后，带来以下效果。

（1）成本进一步降低。

（2）涂布纸光学性能保持或改善。白度、亮度及色相不受影响。对板纸，纸面光泽度稍降，但仍优于参考配方；对高光铜版纸，微调压光温度及压力即可达到同等光泽度水平。

（3）印刷性能改善。印刷光泽度保持，表面拉毛强度提高，油墨干燥速度虽变慢但仍优于参考配方，IGT湿排斥不受影响，油墨需求量不变仍优于参考配方。

超细粒径的新型胶粘剂FennoBind K6S容许总胶粘剂水平的显著降低，生产成本节降，涂布纸表面强度不受影响。因合成时完全不用表面活性剂，FennoBind K6S作为涂料组分之一，稳定性及相容性良好，对各种涂布方式都有良好的涂布运行性。另外，开放的涂层结构为胶印、凹印及凸版印刷等多种印刷方式提供高质量的印刷效果，也符合数码印刷的发展趋势和技术需求。

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