一种新型生物基胶乳在涂布纸中的应用

2017-10-17高海明张德合隋晓飞施立才宣彬淮

造纸化学品 2017年4期

关键词：物理性能胶乳丁苯

高海明，戴玲，张德合，隋晓飞，施立才，宣彬淮

（九洲生物技术（苏州）有限公司，江苏苏州 215000）

一种新型生物基胶乳在涂布纸中的应用

高海明，戴玲，张德合，隋晓飞，施立才，宣彬淮

（九洲生物技术（苏州）有限公司，江苏苏州 215000）

研究了一种新型生物基胶乳取代一定比例的丁苯胶乳应用于灰底白纸板涂料，分析其对涂料指标、纸机运行性以及涂布纸成纸指标的影响。结果显示：生物基胶乳可以等量替代丁苯胶乳，替代比例可以达到质量分数30%～35%，涂料的流变性、保水性良好，纸机上运行性良好；生物基胶乳替代质量分数30%～35%丁苯胶乳后的成纸物理性能良好，成纸的表面强度、印刷干强和湿强、成纸耐湿摩擦性能、表面抗水性能以及其他印刷性能等指标优良；生物基胶乳在实验室的应用评估数据对其在客户纸机上的应用具有指导意义。

生物基胶乳；涂料；运行性；涂布纸

Abstract：A new type biology based latex was used to replace a certain proportion of styrene-butadiene latex applied to the grey-white paperboard coatings，and its influence on the coating index，the running ability of the paper machine and the paper index was analyzed.The results showed that the biology based latex can substitute styrene-butadiene latex by the same weight.The water retention and rheological properties of the coatings as well as the running ability of paper machine are all good when the mass fraction of biology based latex reached 30%to 35%.Meanwhile，the physical performance and the surface strength of the paper，the dry and wet strength of printing，the wet friction resistance of the paper，the surface water resistance，and other printing performances were also pretty good when the ratio of biology based latex reached 30%to 35%.The application evaluation data of bio-based latex in the laboratory is of guiding significance to the application of the products on the customer’s paper machine.

Key words：biology based latex；coating；running ability；coated paper

目前，随着包装业和造纸业的飞速发展，为了满足纸张的印刷性能和纸张的加工性能要求，必须开发优良的涂布加工纸助剂。涂料主要由颜料、胶粘剂和其他少量助剂组成，胶粘剂是涂料中的重要组成部分[1-2]，它在很大程度上决定着涂料的性能，如黏度、流变性、保水性等[3-5]。胶粘剂的主要作用是将颜料颗粒之间和颜料与原纸之间黏结起来以形成牢固的涂层，因此这就要求胶粘剂应对颜料有较强的黏结力，否则会出现掉毛掉粉现象[6]；其次，胶粘剂与颜料的适应性要好，并且要保证涂层具有合适的吸墨性和塑性，以提高成纸的光泽度和印刷光泽度等[7]；涂布胶粘剂中最常用及使用量最大的一般为丁苯胶乳，丁苯胶乳是由丁二烯和苯乙烯共聚合成[8-9]，从20世纪50年代开始作为胶粘剂用于纸张涂布，由于丁二烯和苯乙烯及其他小的单体主要来自于石油。随着石油资源的日益短缺与人们环保意识的逐年提高，石油价格不断上涨，导致丁苯胶乳的价格也日益攀升，造成涂布纸生产企业的生产压力加大，因此，寻找丁苯胶乳的替代性胶粘剂成为各个造纸企业的关注热点。

目前，实验室研究和工厂实践表明，淀粉基生物胶乳在涂料中用量有限，对合成胶乳的替代量一般低于50%。Bloernbergen等报道，当淀粉基生物胶乳在涂料中替代25%～50%的羧基丁苯胶乳或苯丙胶乳时，对成纸质量没有明显影响[10]。任清渊等发现，淀粉基生物胶乳在铜版纸预涂涂料中取代10%的丁苯胶乳时，涂层的表面强度、印刷光泽度、油墨吸收性良好，印刷密度均匀；而当取代量超过20%时，涂层的表面强度、印刷光泽度明显下降，并出现印刷发花等问题[11]。仇如全等在涂布白卡纸底涂中以淀粉基生物胶乳替代30%的合成胶乳，成纸的印刷表面强度降低[12]。危志斌等将淀粉基生物胶乳用于铜版纸和白卡纸生产，发现其对石化胶乳的最大取代量为30%，用量增加会造成涂布纸表面强度降低、印刷发花等质量问题[13]。

国外丁苯胶乳价格昂贵，国内丁苯胶乳质量欠佳，加之原料丁二烯和苯乙烯价格波动较大等因素，给广大造纸厂家带来了生产和销售的困难。九洲生物技术（苏州）有限公司具有十几年胶粘剂产品的研发经验，根据市场客户和产品创新发展的需要，成功开发出一种新型的生物基胶乳PME，能够达到以质量分数35%的比例替代目前使用的丁苯胶乳产品，改善了纸张品质，节降了生产成本。

1 实验

1.1 实验原料

涂料组分：高岭土（粉末），粒度≤2 μm的达93%以上，由茂名石化矿业有限公司提供；重质碳酸钙（GCC，分散液），粒度≤2 μm 的达 95%以上和粒度≤2 μm的达70%以上，取自富阳某厂；羧基丁苯胶乳（Styronal 302G）（以下简称“丁苯胶乳”），作为胶粘剂，平均粒径 0.15 μm，玻璃化温度（Tg）10 ℃，由巴斯夫上海公司提供；生物基胶乳PME（以下简称“PME”）、分散剂、润滑剂以及抗水剂等涂料助剂，均为九洲生物技术（苏州）有限公司自产；聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素（CMC）及未涂灰底白纸板原纸，均取自富阳某造纸厂。

1.2 实验设备

高速分散机，型号Model 2.5，T K，日本；黏度计，型号LVDV-II+Pro，美国；快速水分仪，型号XM60，瑞士；pH计，型号S220-B+Power Pro，梅特勒；激光粒度分布仪器，型号BT-9300H，中国；实验室涂布机，型号K303，英国；高剪切黏度仪，型号DV-10，美国；保水度仪，型号AAGWR-250，美国；烘干机，型号L-3D，日本；中试压光机，型号NYG300，中国；平滑度仪，型号BEEK，日本；PPS粗糙度仪，型号 Technidyne，美国；光泽度仪，型号Technidyne，美国；印刷适性仪，型号RI-2，日本；Cobb 测试仪，型号 ZB-COBB125，中国；IGT印刷适性仪，型号AIC2-5T2000，芬兰；湿摩擦仪（耐磨耗试验机），型号 Taber 5135，美国；浊度仪，型号2100AN，美国。

1.3 实验方法

1.3.1 涂料配制

高岭土分散：高岭土采用高速分散器在4 500 r/min转速下分散30 min，固含量为68%，分散剂用量为质量分数0.3%（相对绝干颜料的质量）。

PVA蒸煮：将涂布中PVA-05配制成12%质量分数的水溶液，置于温度95℃的恒温水浴锅中蒸煮30 min待完全溶解，蒸煮过程中用搅拌器恒速搅动，蒸煮完成待冷却后补加蒸发失去的水分，备用。

CMC蒸煮：将涂布中CMC配制成10%质量分数的水溶液，置于温度70℃的恒温水浴锅中糊化30 min，糊化过程中用搅拌器恒速搅动，糊化完成待冷却后补加蒸发失去的水分，备用。

淀粉糊化：将涂布淀粉配制成30%质量分数的水溶液，置于温度70℃的恒温水浴锅中糊化30 min，糊化过程中用搅拌器恒速搅动，糊化完成待冷却后补加蒸发失去的水分，备用。

最后将高岭土预分散液、碳酸钙、羧基丁苯胶乳、CMC、增白剂和蒸馏水按照一定配比加入到分散桶中，搅拌均匀并用NaOH溶液调节涂料的pH至8.0～8.5，得到成品涂料。

涂料配方：PME按照推广客户现用底涂配方对丁苯胶乳分别按0%、30%、35%和40%质量分数的比例进行取代评估，配方如表1所示。面涂配方采用客户的成品涂料。

表1 PME取代配方评估

1.3.2 涂布、干燥和压光

用刮棒式涂布器对原纸进行单面2次性涂布，涂完后在烘干机 L-3D干燥（温度105℃）。采用实验室压光机在压力4.5 MPa、温度80℃的条件下，对涂布纸涂布面进行2次软辊压光。试样压光后，在（23±1）℃和（50±2）%恒温恒湿条件下放置 24 h。

1.4 分析测试

1.4.1 涂料物理性能检测

低剪切黏度的检测：旋转黏度计转速100 r/min，测试温度 25℃。涂料保水度的检测：测试时间120 s、压力0.5 MPa、温度25℃。高剪切黏度的检测：选择直径为40 mm的平行板作为测试单元，测定温度为25℃，测试板与样品台之间的间隙为 200 μm，剪切速率范围设为 1～50 000 s-1。

1.4.2 纸张的基本物理性能测试

湿摩擦的检测方法：将被测涂布纸定量取样制成纸样，并将纸样固定在耐磨耗试验机的样件盘中，向样件盘中加水30 mL，之后将样件盘放入磨耗仪中对纸样进行磨耗，设置为10圈，磨耗完成，检测样件盘中液体浊度；数值越大，涂层的抗湿摩擦性能越差，涂层越容易遇湿瓦解。

纸张的其他基本物理性能均参照相关国家标准检测。

2 结果与讨论

2.1 2类胶乳基本物理性能比较

胶乳基本物理性能如表2所示。

表2 样品基本物理性能

由表2可知，PME的黏度、pH和固含量与丁苯胶乳相差不大，Tg高于丁苯胶乳，粒径小于丁苯胶乳。粒径小有利于成纸IGT强度的提升，而Tg高有助于改善成纸油墨吸收性和表面性能[14]。

2.2 涂料基本物理性能比较

涂料基本物理性能如表3所示。

从表3可以看出，PME在涂料底涂配方中分别以质量分数30%、35%和40%的比例取代丁苯胶乳后，涂料的pH、保水性和高剪切黏度等基本保持不变，低剪切黏度变好。整体上基本不改变原有涂料体系的性能，保证了使用PME后的涂料能够按照原有体系工艺参数顺利实现涂布，满足客户的使用要求。

表3 涂料基本物理性能

2.3 添加不同比例的生物胶乳对成纸物理性能的影响

将经过压光后的纸张按照标准的要求在恒温恒湿室内放置24 h后，测量纸张的物理性能，测量结果如表4所示。

表4 成纸基本物理性能检测结果

由表4可知，在原纸的定量与涂布量相近的情况下，PME分别以30%、35%和40%质量分数的比例取代丁苯胶乳后，成纸的白度、K&N值和Cobb值未见明显变化。

图1～3直观地显示了在原纸的定量与涂布量相近的情况下，PME分别以30%、35%和40%质量分数的比例取代丁苯胶乳后，PME对其成纸光泽度、强度和抗湿摩擦性能的影响趋势。

由图1可见，随着PME取代量的增加，成纸光泽度有下降的趋势，其中当PME以40%质量分数的比例取代丁苯胶乳时，成纸光泽度下降达到3百分点。这可能是因为丁苯胶乳具有热可塑性，而PME由于部分生物基的组分，其热可塑性略低于石油基产品，从而导致其光泽度呈下降趋势。

图1 PME对成纸光泽度的影响

如图2所示，PME小比例取代时，对成纸IGT强度影响不大，如分别以PME的30%和35%质量分数的比例取代丁苯胶乳时，成纸IGT强度基本不变，而当PME取代质量分数的比例达到40%时，成纸IGT强度下降明显。

图2 PME对成纸IGT强度的影响

如图3所示，PME小比例取代时，对成纸抗湿摩擦性能影响不大，而当PME取代比例达到40%时，成纸抗湿摩擦性能变差，不利于后续的胶版印刷。

图3 PME对成纸抗湿摩擦性能的影响

综合以上，PME可以在客户处以35%的质量分数的比例取代客户现用丁苯胶乳。

3 产品应用案例

3.1 纸机相关参数

纸机相关参数如下：纸机车速为260 m/min；纸机幅宽为2 880 mm；施胶方式为正面膜转移式施胶，背面刮刀施胶；涂布方式为正面2次刮刀涂布。

3.2 中试过程

中试纸种为定量300 g/m2灰底白纸板；中试时间：2016年12月8～13日。

为了谨慎起见，在客户处，PME开始以25%质量分数的比例替代客户现用丁苯胶乳，运行几个小时，检测回流涂料物理性能和成纸物理性能，之后，PME的替代比例逐渐调整至质量分数30%和35%。

3.3 涂料物理性能

中试过程中，新配涂料物理性能和回流涂料物理性能分别如表5和表6所示。

表5 涂料槽涂料基本物理性能

表6 回流涂料基本物理性能

由表5和表6可知，PME分别以25%、30%和35%质量分数的取代比例取代丁苯胶乳后，涂料的低剪切黏度、pH、保水性和高剪切黏度等基本保持不变，涂料流变性及保水性良好，整体上基本不改变原有涂料体系的性能，保证了使用PME后的涂料能够按照原有体系工艺参数顺利实现涂布作业，满足了客户的使用要求。并且从纸机回料槽所取回流涂料基本物理性能对比，也相差不大，运行性良好，满足了客户纸机要求。

3.4 成纸的物理性能

将生产上下机成品纸按照标准的要求在恒温恒湿室内放置24 h后，测量纸张物理性能，测试结果如表7所示。

表7 中试成品纸的物理性能

从表7可以看出，PME在底涂中分别以25%、30%和35%质量分数的比例取代丁苯胶乳后，成纸表面的物理性能没有发生太大的变化，成纸强度性能基本相当，成纸物理性能良好，成纸的表面强度、印刷干强和湿强、成纸耐湿摩擦性能、表面抗水性能以及其他印刷性能等指标优良。后续客户将不同的中试纸样送到印刷厂进行印刷试验，据客户反馈纸张印刷效果良好，色彩明亮。产品的使用效果得到客户认可。

3.5 生产成本比较

最重要的是，PME价格比丁苯胶乳便宜2 000元/t左右，客户底涂现用丁苯胶乳吨纸用量18 kg，生物基胶乳PME以30%～35%质量分数的比例取代丁苯胶乳，大约给客户带来吨纸15～18元的成本节降，极大降低了客户的生产成本。如按照客户年产10万t计算，每年可节约生产成本150万～180万元，优势明显。

4 结论

（1）PME可以等量替代丁苯胶乳，替代比例可以达到质量分数30%～35%，涂料的流变性、保水性良好，纸机上运行性良好。

（2）PME以质量分数30%～35%的比例替代丁苯胶乳后的成纸物理性能良好，成纸的表面强度、印刷干强和湿强、成纸耐湿摩擦性能、表面抗水性能以及其他印刷性能等指标优良。

（3）PME部分代替丁苯胶乳在实验室的应用评估数据对其在客户纸机上的应用具有指导意义。

（4）PME部分代替丁苯胶乳能够给涂布纸厂家带来生产成本的大幅下降，得到市场和客户认可。

［1］Lehtinen E.Pigment coating and surface sizing of paper，Book 11［M］.Finland：Finish Pulp and Paper Engineers Association and TAPPI Press，2000.

［2］高海明，施立才，胡青云，等.原纸白度及颜料配比对涂布纸白度的影响［J］.纸和造纸，2016，35（5）：20-23.

［3］J Jader，N Willenbacher，G Engstrom，et al.The influence of extensional properties on the dewatering of coating colors［J］.Journal of Pulp and Paper Science，2005，4（31）：181-187.

［4］刘慧枫.新型流变改性剂改善高固含量涂料的流变性［J］.中华纸业，2010，31（6）：34-37.

［5］Rajan R lyer，Ray Hollingsworth，David R Skuse.Optimum dispersion in blade coating operations［C］//TAPPI of Coating and Graphics Arts Conference and Trade Fair，2001：77-86.

［6］李洒，臧永华，许英，等.铜版纸和涂布白卡纸平版胶印印刷质量的影响因素［J］.纸和造纸，2011，30（6）：64-68.

［7］ERNESTO CANER，RAMIN FARNOOD，NING YAN．Relationship between gloss and surface texture of coated papers［J］.TAPPI Journal，2008，78（6）：19-26．

［8］傅文兴.37 m3反应釜生产高含固率丁苯乳胶的研究［J］.化工装备技术，2009，30（4）：11-17.

［9］王德智，李晓萌，谢益民．羧基丁苯胶乳的研究与应用进展［J］.广东化工，2009，36（10）：84.

［10］Bloernbergen S，Mclennan I，Lee DI，et al.Paper binder performance with biobased nanoparticles［J］.Paper 360°，2008（9）：46.

［11］任清渊，韩君，王益平.生物胶乳替代丁苯胶乳在预涂涂料中的应用［J］.中华纸业，2013，34（20）：51.

［12］仇如全，张东生，杨丽，等.生物胶乳在涂布白卡纸中的应用［J］.造纸科学与技术，2011，30（6）：105.

［13］危志斌，尤芳，刘超，等.使用生物胶乳代替丁苯胶乳能有效降低涂布纸生产成本［J］.造纸化学品，2013，25（1）：24

［14］张杰.YH-05羧基丁苯胶乳粘合剂（黏合剂）在铜版纸中的应用［J］.造纸化学品，2004，16（2）：34-37.

Application of a New Biology Based Latex in Coated Paper

GAO Hai-ming，DAI Ling，ZHANG De-he，SUI Xiao-fei，SHI Li-cai，Xuan Bin-huai
（Nine Continent Biotechnology（Suzhou）Co.，Ltd.，Suzhou 215000，China）

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