最新的表面處理劑動向—造紙用分支型表面施膠劑

1 前言

膠壓榨涂布方法。各涂布機(jī)方式的簡圖與特點(diǎn)見圖1和表2。

近幾年在造紙界為了保護(hù)資源、防止氣候變暖，采取了一系列的環(huán)境保護(hù)措施，其中包括鼓勵企業(yè)增加廢紙的使用率。另外，為了提高國際競爭力，目前的抄紙機(jī)、涂布機(jī)也日趨高速化，在日本到處可見高速、大型的抄紙機(jī)在運(yùn)行。另一方面在質(zhì)量上，隨著多色印刷等印刷方式及高速印刷機(jī)的出現(xiàn)，對紙張的質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格。

在這樣的背景下，荒川化學(xué)工業(yè)（株）進(jìn)行了表面處理劑方面的研究開發(fā)。本文就新研發(fā)的分支型表面施膠劑進(jìn)行簡要說明。

分支型表面施膠劑是在以往的聚合物上引入分支結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。他具有可使涂布液低泡化、低黏度化，且能提高噴墨印刷適應(yīng)性等優(yōu)秀的效果。

2 表面處理劑

2.1 表面處理劑的作用

表面處理劑所起到的作用有：提高施膠效果（耐水性、書寫適應(yīng)性等）、提高表面強(qiáng)度及耐磨性、提高印刷適應(yīng)性（油墨的轉(zhuǎn)移性、印件濃度、光澤度等）。除了這些特性以外，還能提高濕強(qiáng)度、柔軟度、挺度、尺寸穩(wěn)定性、抗電性、導(dǎo)電性及透明度等物理性能。

2.2 表面處理劑的分類

表面處理劑可分為表面施膠劑、表面紙力增強(qiáng)劑、表面整飾劑及情報(bào)紙藥劑等。表1歸納了表面處理劑的分類與所用藥品。

2.3 表面處理劑的涂布方法

表面處理劑的涂布方法有很多，但大都使用兩輥施膠壓榨涂布、門輥涂布和計(jì)量輥施膠壓榨涂布方法。凡大型高速新機(jī)器大多采用計(jì)量輥施

3 表面施膠劑

在表面處理劑當(dāng)中，表面施膠劑在賦予紙張各種功能、改善操作性、降低成本上起到的效果最大。以下就表面施膠劑進(jìn)行說明。

3.1 使用表面施膠劑的好處

使用表面施膠劑可得到以下好處：

（1）通過與內(nèi)添施膠劑并用，進(jìn)一步增強(qiáng)施膠效果。

（2）提高紙頁的性能（書寫適應(yīng)性、噴墨印刷性、涂布性及摩擦系數(shù)等）。

（3）減輕紙頁的表背差。

（4）通過減少內(nèi)添施膠劑的用量來改善操作性。

（5）通過減少內(nèi)添施膠劑的用量可降低成本。

3.2 表面施膠劑的分類

表面施膠劑因其內(nèi)部添加的藥品及使用條件的不同，其效果也不一樣，通過最合理的配比，可得到最大好處。

表3是具有代表性的施膠劑的分類與特點(diǎn)。

3.3 表面施膠劑應(yīng)有的特性

對表面施膠劑的特性要求如下：

（1）印刷效果及印刷適應(yīng)性須良好。

（2）要求與淀粉等表面紙力增強(qiáng)劑的相容性要好。

（3）對機(jī)械設(shè)備友好、pH低、對溫度穩(wěn)定。

（4）涂布液起泡少。

（5）不發(fā)生涂液飛濺現(xiàn)象（不增高涂液黏度）。

3.4 表面施膠劑的現(xiàn)狀

上面列舉的對表面施膠劑所要求的特性雖然很重要，但受從廢紙往涂布液溶進(jìn)的陰離子殘留物、無機(jī)鹽以及內(nèi)添藥品本身有機(jī)物的影響，涂布液的穩(wěn)定性、發(fā)泡性會越來越惡化，這使表面施膠劑難以發(fā)揮出應(yīng)有的特性來。為了抑制此類影響，盡可能將其特性發(fā)揮出來，就必須研發(fā)一種對紙的表面有很大改良的表面施膠劑來。

圖1 涂布機(jī)簡圖

3.5 水溶型表面施膠劑

普通水溶型表面施膠劑的聚合物結(jié)構(gòu)是由對紙漿示有親和性的親水基和對水示有抵抗性的疏水基組成的。

表面施膠劑一經(jīng)涂于紙上，就會向紙中進(jìn)行滲透，此時因親水基向紙漿方向、疏水基向反方向（與紙漿相對的方向）排列，才使紙漿的疏水性得以提高，從而發(fā)揮出來施膠效果。另外，像硫酸鋁等陽離子成分存在于紙中的時候，在硫酸鋁的作用下，使表面施膠劑的親水基與紙漿的相互作用變強(qiáng)，表面施膠劑的疏水性更加被強(qiáng)化，可得到更好的施膠效果（圖 2）。

圖2 水溶型表面施膠劑的施膠過程模擬

3.6 表面施膠劑的研究方向

從上述表面施膠劑的作用機(jī)理看，認(rèn)為還能進(jìn)一步提高施膠效果，譬如：通過增加疏水基來提高疏水性，看能否得到更好的施膠效果。另外，提高分子量到比一般聚合物的分子量更高時，看能否使施膠效果進(jìn)一步得到提高。

可是，如果疏水基含量過高，就會打亂親水基與疏水基之間的平衡，使表面施膠劑與紙漿纖維之間的排列惡化，反而得不到想要的施膠效果，并且涂布液還會有增加氣泡發(fā)生的傾向。另外，如果將聚合物分子量提高，會導(dǎo)致最終產(chǎn)品的黏度或涂布液的黏度增高，引發(fā)許多諸如操作性及涂布性方面的問題來。

荒川化學(xué)工業(yè)（株）通過引入分支結(jié)構(gòu)，研發(fā)出來即能保持有更多的疏水基、更高的分子量，還沒有上述缺點(diǎn)的新型表面施膠劑。以下就該公司的分支型表面施膠劑“polimaron1383”和“polimaron1385”的特點(diǎn)進(jìn)行說明。

4 “polimaron1383” 和 “polimaron1385”（PM1383、PM1385）

4.1 開發(fā)理念及物性說明

以往的表面施膠劑其涂布液的發(fā)泡率高，其產(chǎn)品不能高濃化。在此介紹的分支型表面施膠劑，由于使用特殊材料將其制成分支結(jié)構(gòu)，操作時，涂布液發(fā)泡率小，另外也降低了產(chǎn)品的黏度。即使與高濃度淀粉液混合使用，其黏度的上升也很小，特別是提高了噴墨印刷適應(yīng)性?？梢婏@示出了非常優(yōu)良的施膠效果。與以往水溶型施膠劑相比，能發(fā)揮出非常好的特性來。

PM1383作為分支型表面施膠劑已經(jīng)上市。在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出更高分子量、性能又進(jìn)一步有所提高的新的PM1385來。以下將兩者合在一起進(jìn)行論述。

表4是分支型聚合物的物理性能。

圖3是分支聚合物模擬圖。

圖3 PM1383及1385的聚合模擬

圖4是分支型施膠劑分子量分布圖。

圖4 PM1383及1385分子量分布圖

在減少低分子量物質(zhì)用量的同時，通過分支結(jié)構(gòu)的作用，將聚合物進(jìn)行高分子量化且將分子量的分布進(jìn)行狹窄均勻化。聚合物經(jīng)高分子量化后，疏水性變強(qiáng)了，涂布時在紙頁表面的附著率變高了，顯示出來良好的施膠效果，同時也降低了因低分子量物質(zhì)造成的涂布液的發(fā)泡概率。

4.2 施膠效果

PM1383及PM1385是在轉(zhuǎn)印方式的高速涂布機(jī)上最顯特點(diǎn)的表面施膠劑。不論是中性紙還是酸性紙都能顯示出良好的施膠效果。特別是在書寫和噴墨印刷適應(yīng)性上其施膠效果發(fā)揮得更好。在門輥涂布、計(jì)量輥施膠壓榨涂布等高速涂布機(jī)上的使用結(jié)果見表5。另其書寫試樣見照片1。

由于PM1383及PM1385是分支型結(jié)構(gòu)，很難往紙中滲透，因此就很容易附著在紙張表面。與以往的產(chǎn)品相比，具有良好的書寫適應(yīng)性和噴墨打印適應(yīng)性，見圖5。

4.3 涂布液的發(fā)泡性

表面施膠劑是與淀粉并用來進(jìn)行涂布的藥品。為此，不能使涂布液的發(fā)泡率增大是重要因素之一。如果涂布液的發(fā)泡過多，就會在供液罐中越來越多地積蓄氣泡，以致溢出，嚴(yán)重時會影響操作環(huán)境。另外，如果涂布液的氣泡附著在紙面上的話，就會成為產(chǎn)生涂布斑紋等施膠性不良的原因。在一般情況下，水溶型表面施膠劑在上述的聚合物當(dāng)中共同擁有一種疏水基與親水基共用的表面活性結(jié)構(gòu)，這會使涂布液的發(fā)泡性很高，為此降低發(fā)泡性會更顯重要。

PM1383及PM1385是將聚合物結(jié)構(gòu)改造成為分支型，用以控制涂布液的發(fā)泡性，以此為目的而設(shè)計(jì)的一種表面施膠劑。一般來講，直鏈型聚合物結(jié)構(gòu)的表面施膠劑由于疏水基與親水基的排列順序很好，表面活性劑的作用很強(qiáng)，涂布液很容易產(chǎn)生起泡?？墒荘M1383及PM1385是分支型結(jié)構(gòu)的，當(dāng)形成氣泡時，聚合物的排列就被打亂，而形成不穩(wěn)定是氣泡，因此能夠抑制涂布液氣泡的發(fā)生，見圖 6。

照片1 涂布紙的書寫評價(jià)（試樣）

圖5 書寫適應(yīng)性

圖6 分支型與直鏈型表面施膠劑的氣泡形成模擬

圖7 用攪拌器處理發(fā)泡性評價(jià)

將淀粉涂布液經(jīng)家用攪拌器進(jìn)行強(qiáng)制性破壞后，進(jìn)行發(fā)泡性評價(jià)的結(jié)果見圖7。分支型表面施膠劑PM1383及PM1385與以往直鏈型表面施膠劑相對比，其涂布液的發(fā)泡最少，顯示出了良好的消泡性。

4.4 涂布液的黏度

將水溶型表面施膠劑添加到高濃度淀粉當(dāng)中時，涂布液的黏度往往會升高，涂布時會發(fā)生涂布液飛濺，在涂布輥上產(chǎn)生刷絲紋，造成涂布斑紋缺陷。另外涂布液黏度升高的話，往紙頁上的附著量就會增加，干燥負(fù)荷就會增大。所以在進(jìn)行高速涂布時，首先要考慮的是涂布適應(yīng)性，因此涂布液的黏度是一個非常重要的因素。

圖8 與高濃度淀粉并用時的涂布液黏度

當(dāng)表面施膠劑與淀粉混合后產(chǎn)生的增黏現(xiàn)象，其理由是表面施膠劑中所含親水基的氧與淀粉的相互作用造成的。

涂布液中表面施膠劑的占有量與淀粉涂布液黏度之間的關(guān)系如圖8所示?？梢钥吹剑坎家褐兴砻媸┠z劑本身的氧成分越少，涂布液的黏度就越低。也就是說，用高濃度淀粉進(jìn)行涂布時，聚合物當(dāng)中所含的氧成分越少越好。

PM1383及PM1385是一種將表面施膠劑中所含的氧成分盡可能減少到最低的、不增加涂布液黏度的、能適應(yīng)高速涂布機(jī)的為此而研發(fā)的表面施膠劑。

5 結(jié)束語

本文就有關(guān)表面處理劑最近的問題及以表面施膠劑為中心，對表面處理劑的特性進(jìn)行了論述，并對以高速涂布機(jī)為對象的新的分支型表面施膠劑進(jìn)行了簡述。

雖然該公司通過引入新的技術(shù)，在質(zhì)量水平上有了很大的提高，但在表面施膠劑與涂布性上及有關(guān)紙張的施膠效果的機(jī)理上還有很多尚不明確的地方，今后還需同行們多多指教，更要響應(yīng)時代的要求，繼續(xù)刻苦研發(fā)新的表面施膠劑。

田恩吉摘譯自：日本紙漿技術(shù)時報(bào)2008年第7期1-6頁

2012－7－13

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