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1、涂布加工过程中胶粘剂迁移的研究 发表时间:(2004年3月6日9:2) | 作者:whf | 所属栏目:专利 | 来自: 梁云 贾德民 华南理工大学工学材料学与工程学院，广州510641陈克复 华南理工大学制浆造纸国家重点实验室，广州510641 摘要：在一定条件下，通过一些方法对涂布纸加工过程中胶粘剂的迁移进行研究，主要讨论了涂层的凝固、加工过程中胶乳的迁移情况。 关键词：涂布纸；涂层；胶粘迁移；固含量 1前言 胶粘剂是涂料的一个重要组分，其作用是使颜料相互结合，同时使颜料与原纸表面粘合，另外胶粘剂还可调节印刷油墨的吸收，以取得油墨凝固和油墨光泽的平衡。同时，胶粘剂在涂料中还起到保护胶体的作
2、用，控制着涂料的稳定性和流动性。 通常认为胶粘剂在分散良好的涂料液中是均匀分布的，但是经过涂布加工之后，胶粘剂在涂层表面及涂层内部的分布却是不均匀的，也就是说胶粘剂在涂布加工过程中位置发生了变化，这一现象通常被称为胶粘剂的迁移。迁移主要有两个方向，即向原纸的内部迁移，或向涂层的表面迁移。许多研究都表明，由于迁移造成的胶粘剂在涂层表面的不均匀分布对涂布纸的适印性以及光泽度等性能都有着重要的影响，因而深入研究胶粘剂的迁移对于提高涂布纸质量、改进涂布工艺、调整和开发涂料配方以及降低生产成本都有着积极的意义。 长期以来，认为胶粘剂向涂层表面的迁移是在干燥过程中发生的，也就是说施涂的过程对迁移没有影响，
3、但是并没有对此进行验证。 对于胶粘剂是如何迁移到涂层表面的，先后有研究者提出了对流作用机理和毛细管作用机理，但是这些机理在理论上都还存在一定的缺陷，因而也没有得到普遍接受。在90年代中期Ranger提出了壁面效应作用机理，他认为受施涂过程中涂布所产生壁面效应的影响，涂层中的胶粘剂在进入干燥之前就已经富集在了涂层表面。这一观点与以往所提出的胶粘剂迁移机理形成了冲突，然而他虽然对毛细管作用机理和对流作用机理的不足之处进行了较详细的论述，但并没有通过实验来验证自己的观点。Ranger在解释壁面效应机理时所用的壁面是静止的，但实际的施涂过程中涂料相对于涂布是运动的，因而仅用静止的壁面效应来解释胶粘剂的
4、迁移机理是不够的。 目前研究的关键在于需要先确定涂布加工过程中胶粘剂发生迁移的阶段。针对这一问题，我们以涂布纸加工中应用最广的胶粘剂之一羧基丁苯胶乳为研究对象，对涂布过程中胶粘剂的迁移进行了研究。 2实验部分 21主要原料与配方 211主要原料 涂布白纸板原纸、KCS瓷土、Pd60碳酸钙、DOW639胶乳、1锇酸溶液。 212涂料配方 胶乳20份(固含量60)的三种涂料颜料配比见表1。 表1三种涂料的颜料配比涂料A涂料B涂料C颜料/份瓷土100碳酸钙100瓷土50碳酸钙50 22实验内容与方法 221施涂 将配制好的涂料在刮棒式涂布机上进行涂布。 222液氮速冻与冷冻干燥 刚涂上原纸的涂料由于
5、还具有一定的流动性，因而对于湿涂层中胶粘剂的分布无法马上进行测定。由此可见，要对涂布过程中胶粘剂的迁移进行研究，关键是如何获得施涂后胶粘剂在涂层中分布的真实信息，也就是要设法除去湿涂层中的水分，而不破坏胶粘剂的分布状态。为此，采用了液氮速冻与冷冻干燥相结合的方法。用液氮对刚施涂后的样品进行速冻以尽量缩短高冰晶生成阶段，从而更真实地保持施涂后涂层内部的结构。速冻后的样品用冷冻干燥进行处理，可以使涂层中的水分从冰晶体直接升华成为水蒸气，水分子外逸后留下的是孔隙，不会破坏涂层的内部结构。热风干燥：干燥温度为160。 223样品的标记 样品用锇酸进行标记以引入特征元素，标记时间为36h。 224胶粘剂
6、分布的检测 标记了的样品镀金后用X射线电子能谱检测0s M的分布。先以涂层剖面帧扫所得的计数代表涂层剖面锇的平均量(即胶粘剂的平均含量)，然后沿涂层表面向原纸方向取5个位置，检测不同位置的锇计数(代表该位置胶粘剂的含量)，以其偏移平均量的百分比表示胶粘剂的迁移程度。 3结果与讨论 31涂层的凝固 通常涂层干燥后的最终干度在9095左右，这一数值因外界条件的不同而存在一定差异。为了对干燥过程中胶粘剂的迁移情况有进一步的了解，本文以涂层固含量的变化为依据将干燥过程进行了阶段划分。以固含量90作为涂层最终的干度，将涂层固含量达到90以前的过程平均分为三个阶段：即6070、7080和8090。通过研究
7、确定了三个阶段达到终点的干燥时间分别为4s、8s和20s，与此相对应的固含量值见表2。 表2不同干燥时间下的涂层固含量 涂层固含量/% 涂料配方4S8S20SA69.8579.1289.70B70.0380.6790.29C70.2590.1890.65 32涂布加工过程中胶乳的迁移 图1反映了涂料A在涂布加工过程中胶粘剂迁移程度的变化情况。从图中可以看出，每一条曲线都是偏离0基准线的，这说明了涂布加工过程中确实存在着胶粘剂迁移的现象。图中干燥时间为0s的曲线代表的是施涂后经速冻和冷冻干燥处理的样品。它保留了施涂操作对胶粘剂迁移影响的真实信息，从中可以看出胶粘剂在涂层表面(剖面深度为0m)的迁
8、移程度高于平均水平，说明了施涂过程中存在着胶粘剂向涂层表面迁移的现象。曲线的终点在50m附近，代表的是涂层一原纸的界面，在这一位置胶粘剂的迁移程度也为正值，说明胶粘剂的浓度高于平均水平，这一现象可以用涂料液相向原纸方向的渗透来进行解释。在涂料施涂于原纸的瞬间，涂料中的水分受原纸纤维吸水润胀、毛细管作用以及外部压力的作用开始向原纸方向渗透，同时也携带着胶粘剂向原纸方向迁移。随着渗透进行，接近原纸表面的涂料浓度增高，颜料粒子彼此靠近堆积在一起堵塞了原纸的部分毛细管通道，水向原纸渗透的阻力增大，胶粘剂也在运动过程中受颜料粒子所形成的滤饼阻碍而被截留在靠近原纸界面的位置，从而造成了该位置胶粘剂浓度的升
9、高。在曲线的中部(即涂层内部的区域)胶粘剂迁移程度为负值，这说明该区域胶粘剂的浓度低于平均水平，主要是由于胶粘剂向涂层表面和原纸两个方向的迁移造成的。 图1涂布加工过程中胶粘剂迁移程度(涂料A) 图1中的另外三条曲线分别反映了干燥时间为4s，8s和20s时胶粘剂在涂层中的分布情况。可以看出这三条曲线与0s的曲线有着相同的变化趋势，即在涂层表面和涂层一原纸界面附近区域的迁移程度为正值，而在涂层中部区域的迁移程度为负值，但这三条曲线相对于0基准线的变化程度都比0s的曲线要大，这说明了在干燥过程中胶粘剂迁移情况的变化要比施涂过程中的更为剧烈。 表3为每一干燥阶段终了时胶粘剂在涂层表面迁移程度的具体数
10、值。从表中可以看出在(04)s和(48)s这两个阶段中，胶粘剂在涂层表面迁移程度的增加量变化较大，分别为1047和1351，而在(820)s这一阶段仅为011，可以认为已几乎没有变化。 表3不同干燥阶段中胶粘剂的迁移程度及变化（涂料A）干燥时间/S涂层表面胶粘剂迁移程度/%胶粘剂迁移程度增加值/%02.33412.810.47826.3113.512026.440.11 图2为涂布加工过程中胶粘剂向涂层表面的迁移量随涂层固含量变化的示意图。对于所采用的固含量为60的涂料，胶粘剂向涂层表面的迁移主要发生于固含量达到80以前的阶段。对于6070和7080这两个阶段，在后一阶段中的迁移量又要大于在前
11、一阶段中的迁移量。 图2胶粘剂迁移量随固含量变化的示意图 图3和图4反映的分别是涂料B和涂料C在涂布加工过程中胶粘剂迁移程度的变化情况。与图1对比可以看出，在三种涂料所形成的涂层中，胶粘剂的迁移程度曲线都有相同的趋势，同样证明了以下几个现象的存在：(1)在涂布加工过程中存在着胶粘剂迁移的现象；(2)在涂层表面和原纸一涂层界面附近的区域中，胶粘剂的迁移程度为正值，胶粘剂浓度高于涂层中的平均水平；(3)在涂层的中部区域胶粘剂迁移程度为负值，胶粘剂浓度低于涂层中的平均水平；(4)干燥过程中胶粘剂迁移程度的变化要大于施涂过程中的变化。 表4是涂料B和涂料C在不同干燥阶段中，胶粘剂在涂层表面迁移程度的具
12、体数值。与表3对比可以得出，对于三种不同的涂料，在干燥的不同阶段中，胶粘剂在涂层表面的迁移程度有着相同的变化趋势，即胶粘剂在涂层表面迁移程度增加量的最大变化都出现在(48)s的阶段(即固含量约从70增加到80的阶段)，其次为(04)s的阶段(即固含量约从60增加到70的阶段)，而在(820)s的阶段(涂层的固含量约从80增加到90的阶段)，继续干燥对胶粘剂的迁移已几乎没有影响。对于涂料B在(820)s的阶段中，胶粘剂迁移程度出现负增长的原因，主要是由于实验中一些难以避免的误差造成的。 图3涂布加工过程中胶粘剂迁移程度(涂料B) 图4涂布加工过程中胶粘剂迁移程度(涂料C) 表4不同干燥阶段中胶粘
13、剂的迁移程度及变化(涂料B、C)干燥时间/%涂层表面胶粘剂迁移程度/%胶粘剂迁移程度增加值/%涂料B02.29414.712.14832.818.12032.53-0.27涂料C03.14413.8410.7830.3217.282030.400.22 按照壁面效应机理进行分析，胶粘剂在涂层表面迁移程度的最大值应该出现在施涂操作之后，干燥阶段之前(对应于本研究中干燥时间为0s的曲线)。而本文的研究结果表明：虽然经过施涂操作之后涂层表面的胶粘剂迁移程度为正值，但数值不大，远小于干燥后胶粘剂在涂层表面的迁移程度。这说明了从胶粘剂迁移的总量来看，主要还是发生干燥阶段中，壁面效应不能对本文的研究结果做出合理的解释，对于施涂过程中胶粘剂向涂层表面的迁移机理还有待进一步地研究。 4结论 利用三种不同涂料配方对涂布加工过程中胶粘剂的迁移现象进行了研究。对于施涂过程采用液氮速冻与冷冻干燥相结合的方法，保留了湿涂层中胶粘剂分布的真实信息，对于干燥过程以固含量的变化为依据进行了阶段划分，通过研究得出以下主要结果： (1)采用的三种涂料在涂布加工过程中都存在胶粘剂迁移的现象，对于胶粘剂向涂层表面的迁移，在施涂过程中迁移的程度较小，在干燥过程中迁移的程度较大； (2)对于以涂层固含量为依据划分的不同干燥阶段，在固含量从70增加到80的这一阶段中，胶粘剂在涂层表面迁移程度的变化量最大。
