帘式涂布幕帘稳定性影响因素研究

李洪才 孙 军 刘金刚 王比松

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

·帘式涂布·

帘式涂布幕帘稳定性影响因素研究

李洪才1，2孙 军1，2刘金刚1，2王比松1，2

(1.中国制浆造纸研究院，北京，100102；2.制浆造纸国家工程实验室，北京，100102)

研究了帘式涂布中导杆、增稠剂、涂料固含量、颜料配比对幕帘稳定性的影响。结果表明，增加幕帘与导杆的结合力，可提高幕帘的稳定性；对于没有加入表面活性剂的涂料来说，未加聚乙烯醇(PVA)时的可操作最小流量为1.64 cm2/s，PVA用量为1.5份时的可操作最小流量为3.07 cm2/s；对于加入了表面活性剂的涂料来说，PVA用量为0.5份时的可操作最小流量为1.95 cm2/s，PVA用量为1.5份时的可操作最小流量为1.55 cm2/s；涂料固含量对幕帘稳定性影响有限；高岭土用量为20份时的可操作最小流量为1.92 cm2/s，高岭土用量为40份时的可操作最小流量为2.24 cm2/s。

幕帘稳定性；导杆；增稠剂；固含量；颜料配比

近年来随着涂布技术的发展，各种涂布技术在生产过程中逐渐暴露出自身的缺点。刮刀涂布作为最主要的涂布方式，能够满足高速涂布的要求，但在高固含量涂料的情况下，易出现诸如刮痕、断纸、刮刀磨损等运转性问题；与刮刀涂布相比，计量施胶压榨涂布在断纸、涂层对原纸的覆盖性方面都有很大的改善，但在高速涂布及高固含量涂料的情况下，存在着计量棒压区涂料飞溅和转移区涂料雾化、产生橘皮纹等问题；喷雾涂布存在着涂料固含量低、黏度小及干燥负荷大、成本高等难题。在这种情况下，帘式涂布的高覆盖性及无刮痕、橘皮纹等纸病的优点引起人们的关注。但帘式涂布也面临诸多问题，其中幕帘稳定性就是影响帘式涂布应用的主要因素之一。

表面张力是影响幕帘稳定性的重要因素，相关学者对此进行了大量研究，孙军等人[1]研究了表面活性剂的动态表面张力及发泡性对幕帘稳定性的影响；有文献研究了表面活性剂对帘式涂布运转性及成纸质量的影响[2]。而其他因素，如导杆、增稠剂、涂料固含量、颜料配比等对幕帘稳定性的影响却鲜有报道，本实验主要探讨了上述因素在帘式涂布中对幕帘稳定性的影响。

1 实 验

1.1实验原料

高岭土MMO1(茂名高岭土科技公司)，95级重质碳酸钙(兖州高旭化工有限公司)，丁苯胶乳(陶氏化工有限公司)，聚乙烯醇(PVA，醇解度99%，聚合度1700)，增白剂(聚益精细化工有限公司)，消泡剂(聚益精细化工有限公司)，润滑剂(常州市武进运波化工有限公司)，抗水剂(聚益精细化工有限公司)，表面活性剂。

1.2实验仪器

GFJ- 0.4高速分散机，NDJ-5S旋转黏度仪，A201表面张力仪，自制帘式涂布缝隙模头(见图1(a)，模头幅宽40.5 cm，缝隙宽度0.35 mm)，螺杆泵(流量0.4 m3/h，压力0.4 MPa)。

帘式涂布流程见图1(b)。

图1 模头侧视图和帘式涂布流程图

图2 改进前和改进后的导杆

1.3涂料配方

颜料100份，其中高岭土20～80份，重质碳酸钙80～20份；丁苯胶乳15份，PVA 1份，增白剂1份，消泡剂0.3份，润滑剂0.8份，抗水剂0.7份，表面活性剂0.3份。

1.4幕帘稳定性判断方法

实验过程中，螺杆泵与变频器连接，通过调节变频器的频率来调节流量。随着涂料流量的降低，幕帘与导杆的脱离位置会逐渐上升，上升到一定的位置，幕帘会突然脱离导杆，造成幕帘的破裂。涂料流量由大到小的变化过程中，幕帘与导杆有两个重要的脱离点：一是幕帘突然脱离两边导杆的流量，定义为最小流量，用单位长度的流量来表示；最小流量值越小，幕帘稳定性越高，涂料最小流量是通过大流量逐渐降低来获得的[1]。二是幕帘到达距离模头缝隙以下15 cm 处即涂布走纸位置的流量，定义为可操作最小流量，用单位长度的流量来表示。考虑到实用情况，以可操作最小流量为主来判断幕帘的稳定性。

2 结果与讨论

2.1导杆对幕帘稳定性的影响

本实验发现，幕帘导杆边缘处是幕帘稳定的薄弱区，此处发生断帘的频率较高，通过对导杆进行改进，可提高幕帘的稳定性，降低可操作最小流量。实验室中对不同导杆的作用进行实验，实验数据见表1。

表1 不同导杆的可操作最小流量和最小流量

改进前后的导杆见图2，造成导杆改进前后可操作最小流量和最小流量变化的主要原因是幕帘与导杆的接触面积不同，改进后的导杆与幕帘的接触宽度d变大，使得幕帘能够与导杆更好的附着，利于幕帘稳定性的提高。但Hiroyasu Furukawa等人[3]的研究却发现，幕帘断裂位置随机发生在整个横幅方向上，认为导杆对幕帘稳定性影响不大。Hiroyasu Furukawa的结论与本研究的结论不同，这可能是所用涂料的润湿性差异造成的。Hiroyasu Furukawa的研究中所用的涂料润湿性好，其与导杆的结合较好，导杆与幕帘的边缘处不易破裂，因而幕帘断裂位置随机发生在整个横幅方向上。而本实验所用涂料润湿性较差，导杆与幕帘边缘处的结合较弱，此处发生断帘的频率较高，则需要改进导杆或添加助剂来改善涂料的润湿性。

图3 幕帘边界处受力情况

图3为幕帘边界处受力情况，幕帘稳定性取决于两方面，一方面是幕帘底部的稳定性，此时要求ρv2H>2σ[4]；另一方面，在导杆边缘处，从力的平衡来看，若想保持幕帘的稳定，导杆与幕帘之间的吸附力必须大于2σ，即吸附力>2σ。

对于表面张力相同的涂料而言，低剪切黏度大的涂料润湿性比较差，涂料与导杆的结合力弱，导杆边缘处更易发生破帘。因而降低涂料表面张力的同时，还应提高涂料与导杆的附着力。某些帘式涂布头在导杆边缘处添加稀释水，就是基于提高涂料润湿性，进而提高涂料与导杆附着力的考虑。

2.2增稠剂对幕帘稳定性的影响

据文献[5]报道，涂料中添加PVA后，涂料的静态表面张力变化不大；PVA用量达到3份以上时，涂料的动态表面张力略有增加。增稠剂的添加会对颜料粒子的絮聚产生影响，进而影响涂料的延展黏度和低剪切黏度，最终影响幕帘的稳定性。

普遍认为延展黏度的增加有利于幕帘稳定性的提高，Melisa Z Becerra等人[6]研究发现，通过添加少量高分子聚合物提高涂料的延展黏度，同时对低剪切黏度影响不大，可以显著提高幕帘的稳定性。

低剪切黏度对幕帘稳定性的影响，目前存在争议。Miyamoto等人[7]认为，低剪切黏度增加会影响导杆边界层处的稳定性，不利于幕帘的稳定性；Hiroyasu Furukawa等人[3]认为，较高的低剪切黏度可以阻止幕帘的断裂；而Greiller[8]的结论是，低剪切黏度存在某个最佳范围，高于或低于该范围均不利于幕帘的稳定性。这可能是各研究所用涂料存在差异造成的，对于本实验所用涂料而言，低剪切黏度增加时，涂料的润湿性变差，涂料与导杆的作用力变弱，不利于幕帘稳定性的提高。当涂料低剪切黏度增大时，幕帘破裂的位置多发生于导杆边缘处也证明了这一点。

2.2.1涂料未加表面活性剂时PVA对幕帘稳定性的影响

图4 涂料未加表面活性剂时PVA用量与幕帘稳定性的关系

图4为涂料未加表面活性剂时PVA用量与幕帘稳定性的关系。从图4可以看出，在未加表面活性剂的涂料中，可操作最小流量由PVA用量为0时的1.64 cm2/s逐渐增加到PVA用量1.5份时的3.07 cm2/s，这可以说明在没有表面活性剂作用的情况下，PVA用量的增加对幕帘的稳定性不利。孙军等人[9]研究表明，涂料的延展黏度随着PVA用量的增加而增加，虽然延展黏度的提高对幕帘稳定性的提高有利，但低剪切黏度的增加会使涂料同导杆的润湿时间增长，由于没有表面活性剂的加入，涂料的润湿性不够，这样便对幕帘的稳定性造成了不利的影响。因此，在未加表面活性剂的情况下，PVA用量的增加不利于幕帘稳定性的提高。

2.2.2涂料添加表面活性剂时PVA对幕帘稳定性的影响

图5为涂料添加表面活性剂时PVA用量与幕帘稳定性的关系。从图4与图5可以看出，表面活性剂的作用很明显，对于各个测量点来说，加入表面活性剂时涂料的可操作最小流量均小于未加表面活性剂时的可操作最小流量。

图5 涂料添加表面活性剂时PVA用量与幕帘稳定性的关系

从图5中可知，PVA用量由0.5份增加到1.5份时，可操作最小流量从1.95 cm2/s逐渐减少到1.55 cm2/s。孙军等人[9]研究表明，涂料的延展黏度随着PVA用量的增加而增加，延展黏度的增加可以增加幕帘和导杆脱离的困难程度，在一定程度上利于提高幕帘的稳定性。虽然未加PVA涂料的可操作最小流量与添加了1.5份PVA涂料的可操作最小流量相当，但实验过程中发现，未加PVA的幕帘薄弱区域远远多于加了PVA的幕帘薄弱区域，而且幕帘极易破裂，更重要的是PVA的作用主要体现在幕帘同纸幅接触的瞬间，幕帘必须拥有足够好的抗拉伸能力，也就是涂料要有很好的延展黏度，故实验过程中，加入PVA是有必要的。

Hiroyasu Furukawa等人[3]也得出了类似的结论，当PVA用量较少时，随着PVA用量的增加，幕帘的稳定性提高。但PVA用量超过一定量后，由于涂料发生了过多絮聚，反而会影响幕帘稳定性。

2.3涂料固含量对幕帘稳定性的影响

表2与图6为涂料固含量与幕帘稳定性的关系。由表2可以看出，随着涂料固含量的升高，幕帘的可操作最小流量总体的趋势上是逐渐减少的，即幕帘的稳定性是逐渐提高的，但变化不是很大，且涂料固含量在53.3%时的可操作最小流量要比涂料固含量为55.3%时的低。孙军等人[9]研究了涂料固含量对涂料延展黏度的影响，发现涂料固含量的增加会带来延展黏度的增加。延展黏度的增加利于幕帘稳定性的提高，利于可操作最小流量的降低。但是，另一方面，涂料固含量升高使低剪切黏度升高，如表2所示，涂料固含量为53.3%时的低剪切黏度为805 mPa·s，而涂料固含量为59.3%时的低剪切黏度为1492 mPa·s，低剪切黏度的升高不利于润湿速率的提高，在一定程度上不利于幕帘稳定性的提高。两方面因素综合影响，造成了可操作最小流量相差不大，而且出现波动。

表2 涂料固含量与幕帘稳定性的关系

图6 涂料固含量与幕帘稳定性的关系

2.4颜料配比对幕帘稳定性的影响

图7 颜料配比对幕帘稳定性的影响

图7为高岭土用量与幕帘稳定性的关系。由图7可知，高岭土用量由20份增加到40份，幕帘的可操作最小流量逐渐升高，即幕帘的稳定性逐渐降低，但是影响程度不是很大，可操作最小流量从高岭土用量20份时的1.92 cm2/s，逐渐增长到40份时的2.24 cm2/s。孙军等人[9]研究了不同颜料配比对涂料延展黏度的影响，发现涂料低剪切黏度随高岭土用量的增加而明显增加，而对于涂料延展黏度却呈现出相反的结果。一方面，高岭土用量的增加带来了涂料低剪切黏度增加，给动态润湿带来不利。另一方面，高岭土用量的增加使得涂料延展黏度降低，故而高岭土用量的增加会对幕帘的稳定性造成不利的影响。EunHeui Choi等人[5]的研究中同样发现，100%重质碳酸钙涂料的幕帘稳定性优于100%高岭土涂料的幕帘稳定性。

3 结 论

(1)增加幕帘与导杆的结合力，有利于幕帘稳定性的提高。

(2)对于未加表面活性剂的涂料来说，未加聚乙烯醇(PVA)时的可操作最小流量为1.64 cm2/s，PVA用量为1.5份时的可操作最小流量为3.07 cm2/s；对于加入表面活性剂的涂料来说，PVA用量为0.5份时的可操作最小流量为1.95 cm2/s，PVA用量为1.5份时的可操作最小流量为1.55 cm2/s。

(3)涂料固含量对幕帘稳定性影响有限。

(4)高岭土用量为20份时的可操作最小流量为1.92 cm2/s，高岭土用量为40份时的可操作最小流量为2.24 cm2/s。高岭土用量增加，幕帘稳定性降低，但影响不是很大。

[1] SUN Jun, LIU Jin-gang, WANG Bi-song, et al. The Application of Surfactants in Curtain Coating[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(7): 19． 孙 军, 刘金刚, 王比松, 等. 表面活性剂在帘式涂布中的应用[J]. 中国造纸, 2010, 29(7)： 19．

[2] SUN Jun, LIU Jin-gang. The Stability of Curtain in Curtain Coating[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(6): 63． 孙 军, 刘金刚. 帘式涂布中幕帘稳定性的影响因素[J]. 中国造纸, 2009, 28(6): 63．

[3] Hiroyasu Furukawa, Hiroshi Kanai, Magonori Nagase, et al. Effect of Liquid Properties on Curtain Stability in Low Flow Rate[J]. ISIJ International, 2013, 53(1): 119.

[4] Peter M Schweizer. Curtain coating-stability a critical operating parameter[J]. Paper Technology, 2004, 45(2): 28．

[5] EunHeui Choi, ChaeHoon Kim, HyeJoungYoun, et al. Influence of PVA and CMC on the Properties of Pigment Coating Colors and Their Effects on Curtain Stability[J]. BioResources, 2015, 10(4): 7188．

[6] Melisa Z Becerra, Marcio S Carvalho. STABILITY OF VISCOELASTIC LIQUID CURTAIN[C]//Proceedings of COBEM. Granado, RS, Brazil: ABCM, 2009.

[7] Miyamoto K, Katagiri Y. Liquid Film Coating[M].London: Chapman & Hall, 1997．

[8] Greiller J F. Method of Making Photographic Elements: US, 3632374[P]. 1972- 01- 04．

(责任编辑：董凤霞)

StudyontheFactorsAffectingCurtainStabilityinCurtainCoating

LI Hong-cai1,2,*SUN Jun1,2LIU Jin-gang1,2WANG Bi-song1,2

(1.ChinaNationalPulpandPaperResearchInstitute,Beijing, 100102; 2.NationalEngineeringLabforPulpandPaper,Beijing, 100102)

The influences of guide rod, thickener, coatings solid content and pigments formulation of coatings on curtain stability in curtain coating were studied. The results showed that the stability of curtain could be improved by increasing the binding force between coatings and guide rod. For the coatings without surfactant, when PVA dosage was 1.5 parts, the operational minimum flow increase from 1.64 cm2/s to 3.07 cm2/s; for coatings with surfactant, when PVA dosage increased from 0.5 part to 1.5 parts, the operational minimum flow decreased from 1.95 cm2/s to 1.55 cm2/s. Coatings solid content had a little effects on curtain stability. When clay content increased from 20 parts to 40 parts, the operational minimum flow increased from 1.92 cm2/s to 2.24 cm2/s．

stability of curtain; guide rod; thickener; solid content; proportion of pigments

李洪才先生，工程师；主要研究方向：涂布技术。

TS735+.1

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.09.001

2017- 04- 07(修改稿)

(*E-mail: lihongcai003@126.com)