合成胶乳性能剖析及涂布纸性能的影响.docx

胶黏剂及其在纸张涂料中的应用合成胶乳性能剖析及涂布纸性能的影响1合成胶乳性能剖析根据胶乳对纸张涂布性能的影响以及涂布纸对胶乳特性的要求，胶乳几个最 重要的性能指标是：机械、化学稳定性，黏弹性（黏弹性模量等），成膜性能（玻璃化温度），结构凝胶含量， 粒子大小与形状，以及乳液聚合时单体的种类和方式等。1. 1胶乳的机械和化学稳定性胶乳的机械稳定性一般通过调整搅拌后胶乳的残渣含量及起泡倍数来表 征。由于涂料在制备、涂布过程中，不断受到较强的机械搅拌或水力剪切的作用， 机械稳定性差的胶乳在使用过程中可能发生破乳现象，或者产生较多泡沫，导致 涂层表面有微细针孔及在压光机上出现黏辊等问题。胶乳的化学稳定性主要是指 对电解质盐的稳定性以及与涂料中其他组分的相容性。对于一价盐类，一般胶乳 的稳定性都很好，但对于二价盐类，有些胶乳中加入少量电解质会有絮凝物出现。 因而可以判定，如果胶乳的机械与化学稳定性较差，将会限制其使用范围，从而 影响其应用效果。1. 2胶乳的黏弹性聚合物胶乳具有高分子的黏弹特性，在一定温度和外力作用的环境中，胶乳 不仅会像固体一样发生有形的变化，而且也会像液体一样具有黏滞性。因此，胶 乳的黏弹性对纸张涂层的结构和机械力学性质有较大的影响。通常，纸张涂层的 表面性能是通过压光来实现的，而压光主要是使涂层和原纸产生形变，从而使纸 张达到一定要求的光泽度和平滑度。压光过程中涂层与原纸的形变取决于胶乳的 黏弹性能。研究表明。胶乳的黏弹性对涂层在压光过程中的形变有影响，尤其在 高温状态下的影响更大。涂层的压缩性与胶乳的热软化有关。具有较高软化温度 和较高弹性的胶乳能降低颜料粒子的聚集性，使涂层孔隙减少，粒子间填充紧密、 分布均匀。而压光黏辊和掉粉与胶乳的热流动性有关。1. 3胶乳的成膜温度胶乳的玻璃化温度是表征胶乳从硬的玻璃态转变橡胶态的临界温度，是胶 乳应用中的一个最重要的特性指标。对于丁苯类胶乳来说。通过乳液聚合单体的 比例不同来调节胶乳的玻璃化温度。玻璃化温度影响胶乳的成膜性能。从而影响 到涂布纸表面机械力学性能及印刷适应性能，胶乳的玻璃化温度低，胶乳聚合物 链移动容易，那么涂层干燥时的变形也容易，能使颜料粒子进行重排取向。而且 胶乳粒子以其自身的体积充满颜料间的空隙。涂层表面强度大，印刷光泽度高。 1. 4胶乳的凝胶含量凝胶含量是表征聚合物胶乳分子质量的特征指标，一般指甲苯不溶物，靠 分子质量调节剂的类型及添加量来控制。涂布纸用丁苯胶乳中的凝胶质量分数宜 控制在50% 70%，凝胶含量过高、过低，涂布纸的黏辊性和耐水性都不好。 而凝胶含量更重要的作用是，如果胶乳的凝胶含量高。表明聚合物胶乳结构的交 联程度大。容易形成空隙少的致密涂层，涂层表面强度大，但涂层透气性差，导 致印刷后干燥时，因水分蒸发使纸面起泡，涂层抗起泡性差；反之，低凝胶胶乳 能形成空隙多的涂布层，耐起泡性良好，但印刷表面强度下降。因此，通过调节 胶乳的凝胶质量分数，平衡涂布纸张表面的强度和抗起泡性能是很有现实意义的。1. 5胶乳粒径大小与分布胶乳微粒近似球形，纸张涂布用胶乳的粒径一般分布在100250 nm之间。 为了适应高速涂布及高速印刷的需要。纸张涂布趋向于采用小粒径胶乳或掺有小 粒子群(50100 nm)和大粒子群(200350 nm)的粒径双峰分布胶乳。如果胶乳 的粒径小，填充在涂层表面颜料粒子间隙的胶粒数就多。能形成致密和平整性好 的涂层表面。印刷光泽度高。此外。尽管小粒径胶乳本身的黏滞性会提高，但在 涂料悬浮中却能改善涂料的流动性能。制备流变性良好的高固含量涂料，并提高 涂层抗干拉毛强度和油墨保持性。2. 1胶乳用量对涂料性能的影响2. 1. 1胶乳用量对涂料黏度的影响 胶乳用量对涂料黏度的影响见图1, 2。由图1, 2可见，增加胶乳用量，涂料的低剪切黏度(60 r/min)上升，而高剪切£ - £方葺雷黏度(4 400 r/min)下降。这是因为造纸涂料是分散粒子(颜料和胶乳)、水溶性 聚合物(PVA和CMC等)以及其他添加剂的复杂混合体，这些涂料组分相互作用，形 成一个湿涂料结构；胶乳粒子和其他组分及胶乳自身相互作用，形成了缔合型的 网状结构，增加胶乳用量，也就强化了网状交织的能力，从而引起涂料低剪切黏 度的上升；而这种网状结构很容易被高剪切力破坏，因而随着胶乳用量的增加， 涂料的高剪切黏度并没有增加；同时，由于胶乳粒子比颜料粒子小，胶乳粒子填 满颜料粒子之间的空隙，小粒子起到润滑大粒子流动的“滚动轴承”作用。小粒 子有较好粒子堆积效率，因而随着胶乳用量的增加，涂料的高剪切黏度降低。2. 1. 2胶乳用量对涂料保水值的影响 胶乳用量对涂料保水值的影响见图3。由图3可见，增加胶乳用量，涂料的保水值降低。众所周知，连续相的黏度 影响涂料的保水性。随着胶乳用量的增加，涂料的低剪切黏度增大，涂料的保水 性变好；另一方面，网络形结构改善涂布运转性能和涂料保水性，湿涂结构效应 的影响使涂料保水值降低。2.2 胶乳用量对涂布纸性能的影响2. 2. 1胶乳用量对粗糙度的影响胶粘剂在颜料粒子的排列和涂层多孔性结构的建立中起着重要作用，它能改 变颜料粒子的排列和孔隙度大小及其分布J,如图4所示。由图4可见，增加胶乳用量，涂层的孔径减小，涂布纸粗糙度降低。2. 2. 2胶乳用量对平滑度的影响胶乳用量对平滑度的影响见图5。如图5所示，增加胶乳用量，涂布纸的涂层微孔结构趋于封闭，涂布纸的平滑 度提高。2. 2. 3胶乳用量对光泽度的影响涂布纸光泽度在低于临界颜料体积浓度(CPVC)时，随着胶粘剂含量的下降而 下降，然后在高于CPVC时增加.。增加胶乳用量，涂布纸涂层微孔体积降低， 颜料表面积降低，涂布纸的光泽度降低，见图6。2. 2. 4胶乳用量对K&N油墨吸收性的影响增加胶乳用量，涂布纸涂层结构总孔隙体积减少，涂层封闭性好，涂布纸K&N油墨吸收降低，见图7。* 心危& 心八'""52. 2. 5胶乳用量对印刷光泽度的影响涂布纸的印刷光泽度与涂层的油墨吸收性息息相关。涂层的油墨吸收性越 低，则油墨向涂层中渗透的越少，保留在涂层表面的量越多，油墨固化越慢，印 刷光泽度高。如图8所示，增加胶乳用量，涂布纸印刷光泽度上升。图S脱乳用量时印刷光季度的影响困9胶乳用量对干拄毛值的影响皿放乳尴H10肢乳用量对泡斑的影响2. 2. 6胶乳用量对干拉毛值的影响增加胶乳用量，可以更好地实现把颜料粒子粘结到原纸上，同时涂层表面 成膜性增强，提高涂层的强度性能。如图9所示，随着胶乳用量的增加，涂布纸的十拉毛值上升。2. 2. 7胶乳用量对花斑的影响增加胶乳用量，涂布纸油墨吸收性降低，花斑等级降低（5级最好），见图10。2. 2. 8胶乳用量对白度的影响胶乳用量对白度的影响见图11, 12。由图11, 12可见，增加胶乳用量，涂布纸CIE白度和ISO白度均上升。这是胶 乳与涂料中OBA等各组分相互作用和涂层分布的结果。3结论合成胶乳因聚合工艺的不同，其性能差别较大。了解胶乳的玻璃化温度、 机械稳定性、化学稳定性、黏弹性及粒径大小与分布等特性以及与涂布纸物理性 能、外观性能及印刷性能的相关性，对纸张涂料的实验研究和纸张涂布过程具有 重要的指导意义；同时，了解胶乳在颜料和涂布时的黏结机理及其干燥时的移动 方式。有助于纸张颜料涂布技术的发展：(1) 增加胶乳用量，涂料的低剪切黏度上升，高剪切黏度和保水值降低。(2) 增加胶乳用量，涂布纸粗糙度、光泽度、油墨吸收性和花斑降低。(3) 增加胶乳用量，涂布纸平滑度、印刷光泽度、十拉毛值、CIE白度和ISO白度 上升。