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什么是涂料乳胶?
来源:摘自:造纸化学品 | 作者:kesikecn | 发布时间: 2018-04-25 | 949 次浏览 | 分享到:
造纸工业上使用最广泛的涂布颜料粘结剂是胶乳,胶乳用在造纸涂料中是为了提高涂层的强度、纸面光泽度、印刷光泽度和适印性能。涂布纸的性能主要取决于涂料,涂料的主要成分是颜料、胶黏剂以及其它助剂和水。

    造纸工业上使用最广泛的涂布颜料粘结剂是胶乳,胶乳用在造纸涂料中是为了提高涂层的强度、纸面光泽度、印刷光泽度和适印性能。

    涂布纸的性能主要取决于涂料,涂料的主要成分是颜料、胶黏剂以及其它助剂和水。胶黏剂是涂料的重要组成部分,其作用是使颜料相互粘合,同时使颜料与原纸表面粘合,其次胶黏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,此外胶黏剂在涂料中还起到保护胶体的作用,控制着涂料的稳定性和流动性。因此,胶黏剂首先应对颜料有较强的粘结力,否则会造成涂布纸表面强度不够,出现掉粉掉毛现象;其次,胶黏剂与颜料的适应性要好,并且要保证涂层具有适当的吸墨性和塑性,以提高压光效果;最后,胶黏剂还需要有合适的黏度、成膜性以及流动性,以利于涂布作业并提高涂布均匀性,能够满足以上要求的胶黏剂可分为天然产物及合成的高分子聚合物两类。天然产物有淀粉、干酪素、大豆蛋白等,其中以淀粉及其改性产物应用最为广泛;高分子聚合物则有各种合成乳胶(丁苯胶乳、苯丙胶乳、聚醋酸乙烯酯胶乳等)、聚乙烯醇等


一、丁苯胶乳

    在20世纪40年代,丁苯胶乳在国外就开始作为涂料胶粘剂用于加工纸的生产。纸加工用的丁苯胶乳约占丁苯胶乳产量的60%。

丁苯胶乳是丁二烯和苯乙烯单体在添加不同化学品和助剂后经乳液共聚而制成的聚合物胶乳。丁苯胶乳具有很好的粘着性,可以制备高固含量低粘度的涂料,具有较好的上机运行性能;成纸表面强度及印刷光泽度较好。由于其粒子比天然胶乳的粒子小,其机械稳定性优于天然胶乳,并能与天然胶乳以任何比例混合。

    丁苯胶乳的性能除受聚合条件影响外,苯乙烯、丁二烯的比例对其也有很大影响。当苯乙烯含量增高时,胶乳的塑性增强,硬度增大,压光时需较高压力和温度,这样能压出较高光泽度和平滑度、成膜性能好的纸张,但涂料的粘着力和稳定性下降。近年来,许多可赋予涂层特殊性能的极性单体被引入聚合体系,主要包括可提高涂层附着性、耐光性及印刷光泽的不饱和羧酸酯类单体,与印刷光泽和油墨凝固性有关的腈基不饱和单体,提高粘接性和稳定性的酰氨基化台物、羟基化合物、环氧化合物及赋予附着性及凹版印刷性的氨基化合物等,羧基具有很强的活性,随着胶乳羧基化程度的提高,涂料纸剪切粘度和保水性也随之提高,但在高剪切力作用下涂料显现出剪切稀化的特性,这将非常适合于高速刮刀涂布。


二、苯丙胶乳

    苯丙胶乳是由苯乙烯和丙烯酸酯单体经乳液共聚而得,乳白色液体,带蓝光。苯丙乳液附着力好,胶膜透明,耐水、耐油、耐热、耐老化性能良好。苯丙胶乳用作纸品粘合剂,可以与淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠灯胶黏剂配合使用。

    苯丙胶乳做黏合剂所生产的纸具有表面平滑、白度高、抗老化性能好、可印刷性好等优点。故在目前涂布领域与羧基丁苯胶乳、聚醋酸乙烯酯并称为涂布三大黏合剂。与其他黏合剂相比,苯丙胶乳的突出特点在于其耐候性优越。它具有以下特点:
(1)胶乳稳定性好,只要聚合条件控制得当,得到的聚合物乳液颗粒细小, 贮存稳定性好, 涂布时不易发生破乳,成膜均匀。
(2)耐酸碱盐能力强,适应的pH值范围宽,与颜料、填料及其他黏合剂的相容性好。
(3)耐光性和耐热性优良。
(4)具有较好的耐溶剂性。
(5)黏合性和成膜性可以根据需要进行调节, 且因分子链中含有极性基如酯基等, 与纤维外和其他涂布组分的结合性好,成膜光亮平滑,涂层手感很好。
    交联型丙烯酸酯共聚物胶乳分内交联型和外交联型。内交联型是分子链中含有能交联的基团如羟甲基、环氧基等,交联单体是亚甲基双丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、丙烯酸羟乙酯等。外交联型是外加交联剂, 如含有酰胺基的聚丙烯酸酯大分子链的交联可加入乙二醛等作为交联剂。


三、聚醋酸乙烯酯胶乳

    聚醋酸乙烯酯乳液(PVAc)是有醋酸乙烯酯(VAc)单体以水为分散介质,在水溶性引发剂(如过硫酸盐)引发下经乳液聚合而成。它对一般物质具有较好的粘合力,制备的涂料固含高、粘度低且稳定,具有粘合速度快、常温固化、无毒、无环境污染等优点,应用广泛于造纸、皮革、纺织等领域。


四、聚乙烯醇(PVA)

    聚乙烯醇是一种水溶性的聚合物,由于具有良好的黏结性、成膜强度和颜料分散性,在造纸工业中常用作胶黏剂和表面施胶剂。聚乙烯醇用作涂布胶黏剂,可提高涂布纸强度,降低涂层掉毛掉粉现象,聚乙烯醇用作涂料辅助胶黏剂,可以明显改善涂层成膜性,提高涂布纸强度、光泽度、平滑度等,并且可以减少胶乳用量,有效降低生产成本。


五、淀粉及其改性物

    淀粉用于涂布胶黏剂始于20 世纪初,随着机内涂布技术的发展,淀粉迅速成为一种重要的胶黏剂,天然或未改性原淀粉具有很高的黏度,性质不稳定,容易老化,很少直接作为涂料的胶黏剂使用。通过物理、化学或生物改性可制取符合涂料胶黏剂要求的改性淀粉。因为淀粉是由D- 葡萄糖单元组成的多羟基直链和支链的大分子结构,要降低黏度必须将大分子切成小分子或更小分子结构,而一般氧化或酸水解能够降低其粘度,但同时使淀粉粘结强度下降较大,为了弥补深度氧化、水解所造成的粘结强度损失,则必须在羟基基团接上性能优越的相关基团,以提高其黏结强度,同时使淀粉与颜料有很好的相容性、抗湿磨性等,变性淀粉黏合剂主要有磷酸酯淀粉、氧化酯化淀粉和接枝淀粉等三种类型。
    现代涂布纸的发展趋势是造纸机大型化、高速化。涂布车速最高可达1800-2000m/min,国外接近3000m/min 车速的中试涂布机已在试车;涂料向更高固含量发展,部分涂料的固含量已达70% 以上。这就给纸张涂布用胶黏剂的性能提出了更高的要求,同时也使涂布纸涂料配方的研究遇到了新的问题。一方面国内涂布白卡纸、铜版纸和轻量涂布纸等涂布加工纸的快速发展对胶乳的需求量越来越大,并且逐渐增加的二次纤维回用造成原纸表面性能大幅下降,对涂料特别是其中胶黏剂性能的要求越来越高; 另一方面近年来石油价格上涨导致其下游产品如丁苯胶乳、苯丙胶乳价格均大幅上涨。因此为降低生产成本,不少科研工作者以及企业又将目光转向了价格较为低廉的涂布淀粉,期望对淀粉高效改性后,可以部分甚至全部替代羧基丁苯胶乳,这样不仅降低涂布纸生产成本,而且能够节约不可再生的石油资源,并且由于涂层不再含有难降解的合成聚合物,对于实现涂布纸品的完全再生回用有着重大的环保意义。

    从当前实验研究和生产实践来看,各种改性淀粉均达不到100%替代合成胶乳的要求,而最新研制出的生物胶乳可以部分甚至全部取代合成类胶乳。生物胶乳是一种新型淀粉基纸张涂布用胶黏剂,可以部分或全部替代造纸领域应用的石油基丁苯胶乳。它以淀粉为主要原料,来源于再生资源,不包含挥发性有机化合物,通过机械挤压方法生产,不使用有机溶剂。与合成胶乳相比,生物胶乳在保水性、不透明度、干剥性、纸张挺度等方面优于合成胶乳,且具有较强的粘合力、化学和机械稳定性,无异味,抗冻性好,而且生物胶乳代替合成胶乳用于纸张涂布时,还可以使纸张具有更好的印刷性能。


    生物胶乳是最先由美国Ecosynthetix 生物材料公司于2009 推出的专利产品,天然淀粉粒子的体积大约是30μm,Ecosynthetix 的技术关键就是将这些粒子转换成为50~150nm 的纳米颗粒,在这样的体积下,纳米粒子的表面积要比天然粒子多400 倍。这意味着由纳米生物胶乳制得的胶黏剂需要更少的水分,可以配置成高固含量低黏度的涂料,因此干燥所需的时间更短、耗能更少。同时降低了纸张生产所需要的干燥时间,会带来更高的产量,而且由于没有高温影响,纸板变形现象也会更少。而且这种胶黏剂产品还可以改善涂料性能、提高纸张白度和亮度、降低成本和减少碳排放。

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