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什么是涂料乳膠?
來源:摘自:造紙化學品 | 作者:kesikecn | 發布時間: 2018-04-25 | 3446 次瀏覽 | 分享到:
造紙工業上使用最廣泛的涂布顏料粘結劑是膠乳,膠乳用在造紙涂料中是為了提高涂層的強度、紙面光澤度、印刷光澤度和適印性能。涂布紙的性能主要取決于涂料,涂料的主要成分是顏料、膠黏劑以及其它助劑和水。

    造紙工業上使用最廣泛的涂布顏料粘結劑是膠乳,膠乳用在造紙涂料中是為了提高涂層的強度、紙面光澤度、印刷光澤度和適印性能。

    涂布紙的性能主要取決于涂料,涂料的主要成分是顏料、膠黏劑以及其它助劑和水。膠黏劑是涂料的重要組成部分,其作用是使顏料相互粘合,同時使顏料與原紙表面粘合,其次膠黏劑還可調節印刷油墨的吸收,以取得油墨凝固和油墨光澤的平衡,此外膠黏劑在涂料中還起到保護膠體的作用,控制著涂料的穩定性和流動性。因此,膠黏劑首先應對顏料有較強的粘結力,否則會造成涂布紙表面強度不夠,出現掉粉掉毛現象;其次,膠黏劑與顏料的適應性要好,并且要保證涂層具有適當的吸墨性和塑性,以提高壓光效果;最后,膠黏劑還需要有合適的黏度、成膜性以及流動性,以利于涂布作業并提高涂布均勻性,能夠滿足以上要求的膠黏劑可分為天然產物及合成的高分子聚合物兩類。天然產物有淀粉、干酪素、大豆蛋白等,其中以淀粉及其改性產物應用最為廣泛;高分子聚合物則有各種合成乳膠(丁苯膠乳、苯丙膠乳、聚醋酸乙烯酯膠乳等)、聚乙烯醇等


一、丁苯膠乳

    在20世紀40年代,丁苯膠乳在國外就開始作為涂料膠粘劑用于加工紙的生產。紙加工用的丁苯膠乳約占丁苯膠乳產量的60%。

丁苯膠乳是丁二烯和苯乙烯單體在添加不同化學品和助劑后經乳液共聚而制成的聚合物膠乳。丁苯膠乳具有很好的粘著性,可以制備高固含量低粘度的涂料,具有較好的上機運行性能;成紙表面強度及印刷光澤度較好。由于其粒子比天然膠乳的粒子小,其機械穩定性優于天然膠乳,并能與天然膠乳以任何比例混合。

    丁苯膠乳的性能除受聚合條件影響外,苯乙烯、丁二烯的比例對其也有很大影響。當苯乙烯含量增高時,膠乳的塑性增強,硬度增大,壓光時需較高壓力和溫度,這樣能壓出較高光澤度和平滑度、成膜性能好的紙張,但涂料的粘著力和穩定性下降。近年來,許多可賦予涂層特殊性能的極性單體被引入聚合體系,主要包括可提高涂層附著性、耐光性及印刷光澤的不飽和羧酸酯類單體,與印刷光澤和油墨凝固性有關的腈基不飽和單體,提高粘接性和穩定性的酰氨基化臺物、羥基化合物、環氧化合物及賦予附著性及凹版印刷性的氨基化合物等,羧基具有很強的活性,隨著膠乳羧基化程度的提高,涂料紙剪切粘度和保水性也隨之提高,但在高剪切力作用下涂料顯現出剪切稀化的特性,這將非常適合于高速刮刀涂布。


二、苯丙膠乳

    苯丙膠乳是由苯乙烯和丙烯酸酯單體經乳液共聚而得,乳白色液體,帶藍光。苯丙乳液附著力好,膠膜透明,耐水、耐油、耐熱、耐老化性能良好。苯丙膠乳用作紙品粘合劑,可以與淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉燈膠黏劑配合使用。

    苯丙膠乳做黏合劑所生產的紙具有表面平滑、白度高、抗老化性能好、可印刷性好等優點。故在目前涂布領域與羧基丁苯膠乳、聚醋酸乙烯酯并稱為涂布三大黏合劑。與其他黏合劑相比,苯丙膠乳的突出特點在于其耐候性優越。它具有以下特點:
(1)膠乳穩定性好,只要聚合條件控制得當,得到的聚合物乳液顆粒細小, 貯存穩定性好, 涂布時不易發生破乳,成膜均勻。
(2)耐酸堿鹽能力強,適應的pH值范圍寬,與顏料、填料及其他黏合劑的相容性好。
(3)耐光性和耐熱性優良。
(4)具有較好的耐溶劑性。
(5)黏合性和成膜性可以根據需要進行調節, 且因分子鏈中含有極性基如酯基等, 與纖維外和其他涂布組分的結合性好,成膜光亮平滑,涂層手感很好。
    交聯型丙烯酸酯共聚物膠乳分內交聯型和外交聯型。內交聯型是分子鏈中含有能交聯的基團如羥甲基、環氧基等,交聯單體是亞甲基雙丙烯酰胺、N-羥甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、丙烯酸羥乙酯等。外交聯型是外加交聯劑, 如含有酰胺基的聚丙烯酸酯大分子鏈的交聯可加入乙二醛等作為交聯劑。


三、聚醋酸乙烯酯膠乳

    聚醋酸乙烯酯乳液(PVAc)是有醋酸乙烯酯(VAc)單體以水為分散介質,在水溶性引發劑(如過硫酸鹽)引發下經乳液聚合而成。它對一般物質具有較好的粘合力,制備的涂料固含高、粘度低且穩定,具有粘合速度快、常溫固化、無毒、無環境污染等優點,應用廣泛于造紙、皮革、紡織等領域。


四、聚乙烯醇(PVA)

    聚乙烯醇是一種水溶性的聚合物,由于具有良好的黏結性、成膜強度和顏料分散性,在造紙工業中常用作膠黏劑和表面施膠劑。聚乙烯醇用作涂布膠黏劑,可提高涂布紙強度,降低涂層掉毛掉粉現象,聚乙烯醇用作涂料輔助膠黏劑,可以明顯改善涂層成膜性,提高涂布紙強度、光澤度、平滑度等,并且可以減少膠乳用量,有效降低生產成本。


五、淀粉及其改性物

    淀粉用于涂布膠黏劑始于20 世紀初,隨著機內涂布技術的發展,淀粉迅速成為一種重要的膠黏劑,天然或未改性原淀粉具有很高的黏度,性質不穩定,容易老化,很少直接作為涂料的膠黏劑使用。通過物理、化學或生物改性可制取符合涂料膠黏劑要求的改性淀粉。因為淀粉是由D- 葡萄糖單元組成的多羥基直鏈和支鏈的大分子結構,要降低黏度必須將大分子切成小分子或更小分子結構,而一般氧化或酸水解能夠降低其粘度,但同時使淀粉粘結強度下降較大,為了彌補深度氧化、水解所造成的粘結強度損失,則必須在羥基基團接上性能優越的相關基團,以提高其黏結強度,同時使淀粉與顏料有很好的相容性、抗濕磨性等,變性淀粉黏合劑主要有磷酸酯淀粉、氧化酯化淀粉和接枝淀粉等三種類型。
    現代涂布紙的發展趨勢是造紙機大型化、高速化。涂布車速最高可達1800-2000m/min,國外接近3000m/min 車速的中試涂布機已在試車;涂料向更高固含量發展,部分涂料的固含量已達70% 以上。這就給紙張涂布用膠黏劑的性能提出了更高的要求,同時也使涂布紙涂料配方的研究遇到了新的問題。一方面國內涂布白卡紙、銅版紙和輕量涂布紙等涂布加工紙的快速發展對膠乳的需求量越來越大,并且逐漸增加的二次纖維回用造成原紙表面性能大幅下降,對涂料特別是其中膠黏劑性能的要求越來越高; 另一方面近年來石油價格上漲導致其下游產品如丁苯膠乳、苯丙膠乳價格均大幅上漲。因此為降低生產成本,不少科研工作者以及企業又將目光轉向了價格較為低廉的涂布淀粉,期望對淀粉高效改性后,可以部分甚至全部替代羧基丁苯膠乳,這樣不僅降低涂布紙生產成本,而且能夠節約不可再生的石油資源,并且由于涂層不再含有難降解的合成聚合物,對于實現涂布紙品的完全再生回用有著重大的環保意義。

    從當前實驗研究和生產實踐來看,各種改性淀粉均達不到100%替代合成膠乳的要求,而最新研制出的生物膠乳可以部分甚至全部取代合成類膠乳。生物膠乳是一種新型淀粉基紙張涂布用膠黏劑,可以部分或全部替代造紙領域應用的石油基丁苯膠乳。它以淀粉為主要原料,來源于再生資源,不包含揮發性有機化合物,通過機械擠壓方法生產,不使用有機溶劑。與合成膠乳相比,生物膠乳在保水性、不透明度、干剝性、紙張挺度等方面優于合成膠乳,且具有較強的粘合力、化學和機械穩定性,無異味,抗凍性好,而且生物膠乳代替合成膠乳用于紙張涂布時,還可以使紙張具有更好的印刷性能。


    生物膠乳是最先由美國Ecosynthetix 生物材料公司于2009 推出的專利產品,天然淀粉粒子的體積大約是30μm,Ecosynthetix 的技術關鍵就是將這些粒子轉換成為50~150nm 的納米顆粒,在這樣的體積下,納米粒子的表面積要比天然粒子多400 倍。這意味著由納米生物膠乳制得的膠黏劑需要更少的水分,可以配置成高固含量低黏度的涂料,因此干燥所需的時間更短、耗能更少。同時降低了紙張生產所需要的干燥時間,會帶來更高的產量,而且由于沒有高溫影響,紙板變形現象也會更少。而且這種膠黏劑產品還可以改善涂料性能、提高紙張白度和亮度、降低成本和減少碳排放。

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