何釩 杭州遠(yuǎn)大紙業(yè)技術(shù)質(zhì)量部 浙江 杭州（311420）

淺談刮刀涂布的幾個影響因素

何釩 杭州遠(yuǎn)大紙業(yè)技術(shù)質(zhì)量部 浙江 杭州（311420）

浙江省富陽市是我國的白板紙生產(chǎn)基地，本文結(jié)合富陽實際特點，介紹了涂料配制中的基本原理、計算方法以及涂布機(jī)的調(diào)整方法。

顏料體積濃度；臨界顏料體積濃度；膠粘劑的遷移；涂布機(jī)調(diào)整

隨著印刷包裝技術(shù)的日新月易，印刷企業(yè)對涂布紙的要求已越來越高。作為國內(nèi)最大涂布白板紙生產(chǎn)基地的浙江省富陽市，一大批近年發(fā)展起來的大中型企業(yè)，都逐步從以前只抓產(chǎn)量、重效益的認(rèn)識中轉(zhuǎn)變過來，積極引進(jìn)優(yōu)良設(shè)備、學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)、努力提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升品牌效應(yīng)。如今的富陽造紙無論是裝備水平、產(chǎn)品檔次、管理理念都和幾年前不能相提并論。然而，硬件上去了，技術(shù)水平還不是很到位，不少生產(chǎn)企業(yè)對涂料到底要怎么配、怎樣操作才能減少涂布紙病、還缺乏認(rèn)識，跟風(fēng)嚴(yán)重，往往一家廠做的稍微好些，馬上有許多廠也照此按部就班，甚至抄個配方拿來就用。結(jié)果不但仿照的東西沒有做好，自己也受到很大影響，走了許多彎路也未找到切實的方法。

其實，不同的設(shè)備狀況、不同的化工原料、不同的操作方法，是無法用統(tǒng)一的模式完全復(fù)制的，只有掌握了涂料配方中的基本原理和涂布機(jī)的正確操作方法，才是提高涂布質(zhì)量的根本途徑。本文就從這兩方面作個簡要介紹。

1 涂布配方的制定

一般來說，制定涂料配方要考慮涂布的次數(shù)、生產(chǎn)車速、橋箱溫度等設(shè)備因素，以及原紙的水分、平滑度、白度，表面吸水性等指標(biāo)。大致而言應(yīng)注意三個問題：a、涂料本身要穩(wěn)定，放置一段時間后不變質(zhì)、不絮聚、無沉淀；b、能滿足涂布操作的要求，既有適當(dāng)?shù)墓毯亢土鲃有裕ㄕ扯龋?，又有良好的流變性，不至于產(chǎn)生各種涂布紙?。篶、能保證涂布紙的質(zhì)量，可在紙上形成強(qiáng)度大、白度高、油墨吸收性好的涂層，同時賦予紙張較高的平滑度和光澤度[1]。常用配方見表1

掌握了涂料各組分大致比例后，具體制定配方時還有三個方面需要注意:

表1 常用刮刀涂布配方的絕干百分比組成

1.1 化工原料的關(guān)系

化工原料的選擇和使用很重要。富陽地區(qū)生產(chǎn)造紙化工產(chǎn)品的廠很多，但規(guī)模與技術(shù)都相對欠缺，質(zhì)量參差不齊，因此必須經(jīng)檢驗合格或試驗有效的才能使用。特別是對涂布影響較大的丁苯膠乳、涂布淀粉等膠粘劑，以及高嶺土、碳酸鈣等顏料，一旦確定下來輕易不要更換。

丁苯膠乳要求化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性良好，玻璃化溫度高、凝膠含量大于85%，自然晾干成膜應(yīng)柔軟透明，有一定抗拉伸能力；涂布淀粉要選擇粘度低、糊化后不變黃的；高嶺土要選擇粘滯濃度大于68%以上，pH值接近中性，白度高、含鐵量較少的產(chǎn)品；碳酸鈣宜用高白度、礦源較軟的礦粉磨制為宜，因為白度高可提高遮蓋性，礦源軟不易磨損涂布刮刀；輕鈣遮蓋性較好，但成本較重鈣要高許多，要選擇白度好、沉降體積高的；煅燒高嶺土作為印刷時油墨吸收、干燥的促進(jìn)劑，應(yīng)根據(jù)需要合理使用；分散劑則要根據(jù)顏料的粘滯濃度在最佳分散劑加量點處使用，用量不能過大。分散盤的線速度面涂不低于27m/s，底涂不低于23m/s，電機(jī)功率要足，確保顏料完全分散；保水劑CMC應(yīng)根據(jù)原紙吸水和車速快慢來確定用量，同時根據(jù)膠粘劑的遷移情況選用不同粘度范圍的產(chǎn)品；增白劑常用二苯乙烯三嗪衍生物，熒光強(qiáng)度30分以上的；抗水劑多采用三聚氰胺、碳酸鋯胺，使用時要根據(jù)紙張濕摩擦的大小以及印刷后網(wǎng)點是否清晰來確定用量。其他如消泡劑、防腐劑可根據(jù)需要適當(dāng)添加。

表2 常用化工原料主要質(zhì)量指標(biāo)

1.2 顏料體積濃度（PVC）和臨界顏料體積濃度（CPVC）

顏料體積濃度（PVC）是指涂料中顏料的體積與配方中所有非揮發(fā)分的總體積比，用下式表示：

當(dāng)膠粘劑加入到顏料中，顏料粒子間的空氣逐漸被膠料取代，隨著膠粘劑不斷加入，顏料粒子間的空隙不斷減少，當(dāng)膠粘劑完全覆蓋所有顏料并恰好填滿全部空隙時的顏料體積濃度，稱為臨界顏料體積濃度，用CPVC表示，顏料的臨界體積濃度可以通過吸油量和其密度來計算：

其中A為吸油量

93.5為亞麻油的質(zhì)量

P為粒子密度

顯然，當(dāng)PVC＞CPVC時，膠粘劑無法填滿顏料周圍所有的空隙，顏料顆粒只是松散地存在于涂膜中，從而使涂膜質(zhì)量變差，引起紙張表面強(qiáng)度差、印刷脫粉糊版等質(zhì)量問題；當(dāng)PVC＜CPVC時，膠粘劑完全包裹顏料顆粒以后還有剩余，涂布時易產(chǎn)生掛流發(fā)花或橘皮現(xiàn)象，干燥時多余的膠粘劑過度收縮，可造成紙張涂層表面粗糙度、吸墨性降低等。[2]表3列出了幾種常見涂布顏料的臨界顏料體積濃度，根據(jù)其配用比例即可算出涂料中混合顏料的CPVC。

表3 常見顏料吸油量及CPVC

實際生產(chǎn)操作都是根據(jù)顏料的粒徑分布、結(jié)構(gòu)形狀、比表面積以及膠粘劑性質(zhì)來選擇PVC=CPVC或兩者相近的，因為在CPVC附近，膠粘劑和顏料剛好完全結(jié)合，涂料各種性能會有明顯突變，不但涂層的光學(xué)性能、理化指標(biāo)達(dá)到最佳，而且成本也是最低的。[2]因此計算膠粘劑含量或顏基比時，一定要考慮臨界顏料體積濃度這一重要因素。圖1是涂布層幾個重要性能與顏料體積濃度變化關(guān)系

1.3 膠粘劑的遷移

涂料中使用的丁苯膠乳、聚乙烯醇、涂布淀粉等水溶性膠粘劑，經(jīng)過涂布加工后在涂層里的分布是不均勻的，產(chǎn)生這種分布不均勻的原因就是膠粘劑發(fā)生了遷移。

在涂料層形成過程中，膠粘劑是朝原紙內(nèi)部和涂層表面兩個方面遷移的。原紙是由纖維相互交織而形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，具有一定吸水性。涂料被涂布到原紙表面后，涂料中的水分會向原紙內(nèi)部滲透，膠粘劑也受水的攜帶一起向原紙方向遷移，靠近原紙表面的涂料濃度不斷增加，顏料粒子彼此靠攏，形成類似毛細(xì)管的濾餅，最終影響膠粘劑遷移。因而原紙表面吸水性cobb值是決定膠粘劑向原紙內(nèi)部遷移的重要因素。增加原紙纖維間的密度、降低原紙水分都會減少膠粘劑向內(nèi)部的遷移。

干燥時，濕涂膜受熱風(fēng)吹烤，表面水分最先蒸發(fā)干燥，隨著水分減少，表面溫度下降，濃度和密度增加，表面張力逐步升高，涂層中水分在表面張力和水分蒸發(fā)的推動下，帶著膠粘劑又向表面遷移。隨著干燥的不斷進(jìn)行，高分子膠粘劑首先會由于失去水分而使遷移運動逐漸停止，微粒慢慢變形、逐步靠近，達(dá)到最低成膜溫度后，分子鏈段在接觸的部位相互擴(kuò)散形成連續(xù)相，最終成膜。膠膜的形成并不是成膜過程的結(jié)束，只是膠粘劑粒子自由運動的停止，粒子內(nèi)部分子鏈會進(jìn)一步自粘，達(dá)到一定強(qiáng)度后慢慢老化。膠粘劑粒子大小、顏料粒子大小、涂料固含量、干燥條件都是影響膠粘劑向涂層表面遷移的主要因素。

另外，膠乳的玻璃化溫度Tg和顆粒大小也有一定影響。玻璃化溫度是指高聚物分子中鏈段開始運動或凍結(jié)的溫度，Tg高低直接決定成膜時膠乳微粒的高塑性變化和凝聚能力。Tg越低聚合物越易發(fā)生形變，顏料堆砌越緊密；膠乳顆粒越小越容易運動，遷移能力越強(qiáng)，更容易進(jìn)入顏料粒子間的空隙，影響涂層的油墨吸收和光澤度。[3]所以生產(chǎn)中一定要合理掌握原紙吸水性、涂料保水性以及橋箱干燥溫度，才能控制好膠黏劑的適當(dāng)遷移，提高紙張的表面強(qiáng)度。圖2為影響膠粘劑遷移的幾個因素。

圖2 各指標(biāo)對遷移的影響示意圖

2 涂布機(jī)的操作

實際生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到化工原料、涂布配方、涂料配制等都沒有改變，而涂層表面出現(xiàn)各種各樣的問題，影響紙張的最終質(zhì)量。這些很可能是由于涂布機(jī)操作不當(dāng)引起的，僅靠調(diào)整涂料化工是難以解決的。下面以富陽地區(qū)常用的刮刀涂布機(jī)（見圖3），為例加以說明。

原紙通過涂布機(jī)背輥同上料棍接觸時，背輥和上料輥中間有一個計量夾區(qū)（圖中3的位置），這個夾區(qū)是涂料和紙幅最初接觸的區(qū)域，也是直接決定著涂料轉(zhuǎn)移到紙面的量（涂布量）和上料勻度的地方。一般情況下，生產(chǎn)250-450g/m2的涂布紙板，其厚度在0.27-0.58mm之間變化，背輥與上料輥的間距在0.9-1.0mm；上料輥轉(zhuǎn)速在紙幅速度的15%-35%之間調(diào)整為適當(dāng)。原紙粗糙度越低，涂布量越低；原紙吸水性越差，涂布量越低。對于涂布效果而言，涂料固含量掌握在62%-65%，面涂可稍低點，粘度控制在1000-1400mPa.s之間，進(jìn)涂布機(jī)前原紙粗糙度控制在5-7μm，水分控制在7%-9%，吸水性控制在50-80g/m2為宜[4]。

開機(jī)生產(chǎn)前須檢查所有微調(diào)螺桿（圖中7），用5/100mm的塞尺檢查微調(diào)桿頂端間隙是否均勻一致，出紙后再根據(jù)成紙的橫幅涂布量進(jìn)一步微調(diào)，以保證紙面不出現(xiàn)色差和物性相差太大等現(xiàn)象。微調(diào)螺桿的向前或向后都會改變刮刀在此點及相鄰點的受力情況，從而影響涂布量。因此橫幅調(diào)節(jié)主要是在開機(jī)前剛出紙和原紙改變時進(jìn)行，一旦穩(wěn)定下來便不需調(diào)整。

硬刮刀涂布時，刮刀沒有發(fā)生形變，涂料經(jīng)過刮刀時會使本來凹凸不平的紙面填充地較為平整，涂布后的紙勻度略差，平滑度、光澤度較低，但平整性好，因此常用于底涂。軟刮刀對紙面的壓力主要由刮刀的彈性變形來提供，在紙張表面有高低不平變化時，其壓力也會相應(yīng)改變，適應(yīng)性較強(qiáng)，并且刮刀角度較小，涂料的液態(tài)應(yīng)力在刮刀與紙幅接觸前就已形成，更加有利于均勻涂布。而且軟刮刀涂布后紙的涂布量基本一致，光澤度高，平滑度好，印刷性能較強(qiáng)，因此常用于面涂。

刮刀經(jīng)過一段時間使用磨損后，必須通過調(diào)節(jié)刮刀梁（圖中4）的角度來維持涂布量不變。軟刮刀受力發(fā)生形變，實際使用的刮刀角度（稱有效角度）是小于理論角度的，有效角度的變化直接影響涂布量的變化。刮刀梁角度盡管不同于刮刀有效角度，但調(diào)節(jié)刮刀梁的角度卻可以改變刮刀的角度。硬刮刀使用時沒有發(fā)生形變，刮刀本身的制造角度和有效角度是一致的，也是刮刀梁調(diào)整時要保持的角度，所以生產(chǎn)中定期檢查校正刮刀角度是必不可少的。

涂布機(jī)背輥一旦發(fā)生變形，就很難保證橫幅涂布量的均勻，所以使用大約2-4周就要更換一次，換下的輥子須送去研磨。當(dāng)輥徑減小到一定程度后必須包膠，以φ600mm的背輥為例，當(dāng)直徑小于585mm時，要考慮重新包膠，包膠硬度一般是75P&J[5]。輥徑和包膠的硬度都會直接影響到涂布效果。刮刀要定時更換，普通涂布鋼刮刀壽命6-8小時，國產(chǎn)陶瓷刮刀5-7天為合理。使用時間太長，磨損面過大，涂布后紙面不夠細(xì)膩，印刷后易產(chǎn)生著墨不良的現(xiàn)象。當(dāng)車速在250m/min左右時，軟刮刀下機(jī)后磨損面在2mm以內(nèi)，硬刮刀基本還是上機(jī)前的狀態(tài)。

3 結(jié)束語

以上介紹了涂料配制中的幾個基本原理及涂布機(jī)的簡要調(diào)整，希望能對廣大讀者在涂料配制和涂布機(jī)調(diào)整方面有所幫助。這些僅是涂布操作的基本知識，生產(chǎn)實踐中還要根據(jù)不同情況具體分析，結(jié)合多種方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提高涂布紙質(zhì)量。

[1]錢鷺生，曹麗云，凌永龍編.涂布加工紙技術(shù)手冊。北京:中國輕工業(yè)出版社，2006

[2]王海松，曹振雷，劉金剛.顏料涂布紙的涂層結(jié)構(gòu)與性能[J]，中國造紙，2005,24（8）：47

[3]楊仁黨，陳克復(fù).膠乳的作用及對紙張涂料性能的影響[J]，中國膠粘劑，2001,11（5）：16

[4]凌永龍.組合刮刀涂布機(jī)的工作原理和操作[G]，昆明，中國涂布年會，1992

[5]陳克復(fù).制漿造紙機(jī)械與設(shè)備[M]，北京：中國輕工業(yè)出版社，2005

2011-05-13