纸张耐湿摩擦性的检测方法及其应用案例

高海明，戴 玲，施立才

（九洲生物技术（苏州）有限公司，江苏 苏州 215000）

涂布纸是在原纸表面涂上一层涂料，使纸张具有良好的光学性质及印刷性能等，主要应用于各种彩色印刷，以获得印刷精美、色彩鲜艳逼真的印品[1-3]。印刷用涂布纸需要有一定的抗水性能，而为了达到表面防水性，除了采用浆内施胶或原纸表面施胶的方法外，最直接的办法便是在涂料中加入增强剂，降低颜料、胶粘剂及各种水溶性成分在干燥成膜后的水溶性，提高涂布纸的拉毛强度、干湿强度及湿摩擦性能[4-6]。

制浆造纸行业暂时还没有直接测量耐湿摩擦性能的仪器，也没有一种可以简单方便地测量涂布纸耐湿摩擦性能的检测方法。随着环境保护要求及纸张质量管控的日趋严格，人们对涂布纸制品的要求也越来越高，衡量涂布纸在被打湿情况下的耐磨耗能力的研究受到高度重视[7]。

九洲生物技术（苏州）有限公司根据纸张的印刷方式以及传统的检测方法，经过不断的研究和改进，形成了一套可以将涂布纸耐湿摩擦性能检测指标量化的方法。该方法具有如下优点：操作流程简便，设备简单，过程易控制，实验重复性好，可以广泛应用于涂布纸及部分特种纸领域关于耐湿摩擦性能指标的检测，对于涂布纸制品和部分特种纸的指标检测和工艺优化有重要的意义。

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2种，富阳某造纸厂提供；羧基丁苯胶乳，Styronal 302G，平均粒径 0.15 μm，玻璃化温度10℃，由巴斯夫上海公司提供；分散剂、润滑剂以及抗水剂等涂料助剂，为九洲生物技术有限公司自产；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 2.5T.K，产地日本；黏度计，型号：LVDV-II+Pro，产地美国；快速水分仪，型号：XM60，产地瑞士；pH计，型号：梅特勒S220-B+Power Pro，产地瑞士；激光粒度分布仪器，型号：BT-9300H，产地中国；实验室涂布机，型号：K303，产地英国；高剪切黏度仪，型号：DV-10，产地美国；保水度仪，型号：AAGWR-250，产地美国；烘干机，型号：L-3D，产地日本；中试压光机，型号：NYG300，产地中国；平滑度仪，型号：BEEK，产地日本；PPS粗糙度仪，型号：Technidyne，产地美国；光泽度仪，型号：Technidyne，产地美国；印刷适性仪，型号：RI-2型，产地日本；Cobb 测试仪，型号：ZB-COBB125，产地中国；IGT 印刷适性仪，型号：AIC2-5T2000，产地芬兰；湿摩擦仪（耐磨耗试验机），型号：Taber 5135，产地美国；浊度仪，型号：2100AN，产地美国。

1.3 实验方法

1.3.1 检测方法

浊度法耐湿摩擦性能检测方法包括如下步骤：

（1）将被测涂布纸通过定量取样器裁切成面积为0.01 m2的纸样；

（2）将纸样固定在带有凸缘的样件盘上，凸缘自样件盘的内壁向上凸起形成，通过与凸缘相匹配的压紧环将纸样压紧，然后量取35 mL水倒入样件盘中，水的最少加入量为能够浸没纸样的量；

（3）将样件盘装入磨耗仪中，放下磨耗轮，设置转动圈数为5～50圈（优选10圈），根据测试纸张的抗水性选择圈数，按下磨耗仪的“start”按钮，磨耗仪开始对纸样进行磨擦；

（4）待转完设定的圈数后，磨耗轮复位，将样件盘内的液体转移至烧杯中，摇匀后倒入浊度仪的玻璃样品管内，通过浊度仪进行浊度检测，根据测得的浊度值衡量涂布纸的耐湿摩擦性能。

测得的浊度值和涂布纸的耐湿摩擦性能成反比，即浊度值越大，纸表面涂覆的涂料脱落的越多，涂布纸的耐湿摩擦性能越差；反之，浊度值越小，涂布纸的耐湿摩擦性能越好。

上述检测方法中，所述磨耗仪选用美国Taber公司生产的Taber 5135型湿摩擦仪。所述磨耗轮选用美国Taber公司生产的S-32型或CS-0型弹性无磨粒磨耗轮。所述样件盘选用美国Taber公司生产的E-140-75型的带凸缘的样件盘，并配压紧环。

1.3.2 待测纸样准备

1.3.2.1 A组：市面常用抗水剂配制的面涂涂料涂布的纸样

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

CMC水溶液制备：将CMC配制成质量分数为10%的水溶液，置于75℃的恒温水浴锅中，低速搅拌30 min，冷却至室温后补加蒸发失去的水分，备用。

最后将高岭土预分散液、GCC、羧基丁苯胶乳、PVA、OBA和蒸馏水按照一定配比加入到分散桶中，搅拌均匀并用碱溶液调节涂料的pH至8.5～9.0，得到最终涂料。

市面常用抗水剂配制的面涂涂料涂布纸样的涂料配方如表1所示，其中1～5号纸样中的抗水剂分别为：尿醛树脂型抗水剂，改性乙二醛型抗水剂，PAPU型抗水剂，AZC型抗水剂，OE 0691抗水剂。

表1 不同抗水剂面涂涂料配方1） 质量份

1.3.2.2 B组：生物胶乳不同比例取代丁苯胶乳涂料涂布的纸样

生物胶乳不同比例取代丁苯胶乳涂料涂布的纸样6～9号的涂料配方如表2所示。

1.3.2.3 C组：不同涂布纸的纸样

不同涂布纸的纸样10～14号相关参数如表3所示。

表2 生物胶乳不同比例取代丁苯胶乳涂料配方质量份

表3 几种不同涂布纸的相关指标

1.3.2.4 D组：不同镀铝原纸的纸样

不同镀铝原纸的纸样15～18号相关参数如表4所示。

表4 几种不同镀铝原纸的相关指标

1.3.3 涂布、干燥和压光

用刮棒式涂布器对原纸进行单面2道涂布，底涂和面涂涂布量均为 （15±1）g/m2，涂完后在温度为105℃烘干机内干燥3 min。采用实验室压光机对涂布纸进行2次压光，压力为4.5 MPa、压光温度为80℃、转速为30 r/min，试样压光后，在恒温恒湿条件下放置24 h。

2 结果与讨论

2.1 A组纸样的检测

按照上述方法检测A组纸样湿摩擦性能，湿摩擦仪以1 r/s匀速摩擦10 r，检测结果见表5。

表5 A组纸样的耐湿摩擦性能检测结果

根据检测方法：纸样的平均浊度越小，纸样耐湿摩擦性越好；纸样平均浊度越大，纸样耐湿摩擦性能越差。由表5数据可知，从1～5号纸样检测的浊度依次减小，反映了从1号依次到5号纸样耐湿摩擦性能逐渐变好，间接反映了其对应的抗水剂耐湿摩擦的效果：OE 0691最好，然后依次是AZC、PAPU、改性乙二醛和脲醛树脂，这个结果与下游客户对抗水剂使用情况的反馈结果是一致的。可见，该检测方法能够反映涂布纸间耐湿摩擦性能的差异，可间接反映各抗水剂的抗水效果，符合涂布纸的使用性能。

2.2 B组纸样的检测

按照上述方法检测B组纸样湿摩擦性能，湿摩擦仪以1 r/s匀速摩擦10 r，检测结果见表6。

按照表2中生物胶乳不同比例取代丁苯胶乳的涂料配方分别制备底涂涂料，并分别涂布在灰底白纸板表面。淀粉基生物胶乳由于主要原料采用的是淀粉，因此在涂料中使用淀粉基生物胶乳取代丁苯胶乳充当胶粘剂会降低涂层的抗水性，尤其是耐湿摩擦性能，因此理论上来讲从6号到9号耐湿摩擦性能应该是逐渐变差。从表6数据可知，从6～9号纸样的浊度依次增加，反映了6～9号纸样耐湿摩擦性能依次变差，这个结果与下游客户在应用淀粉基生物胶乳取代丁苯胶乳时的应用经验是一致的。可见该检测方法能反映涂料配方中胶粘剂的应用对成纸耐湿摩擦性能的影响。

表6 B组纸样的耐湿摩擦性能检测结果

2.3 C组纸样和D组纸样的检测

按照上述方法检测C纸样湿摩擦性能，湿摩擦仪以1 r/s匀速摩擦10 r，检测结果见表7。

表7 C组纸样的耐湿摩擦性能检测结果

表7显示的是市面上几种不同的涂布纸板的耐湿摩擦性能的检测结果对比。数据显示，10号样的浊度为686.3 NTU，是5种纸样中浊度最高的，其次依次是13号、11号、12号和14号纸样。纸样平均浊度越大，纸样耐湿摩擦性能越差，因此5种纸样的耐湿摩擦性能排序如下：14号＞12号＞11号＞13号＞10号，这个结果与下游市场对这5种纸样耐湿摩擦性能的评价一致。

按照上述方法检测D纸样湿摩擦性能，湿摩擦仪以1 r/s匀速摩擦10 r，检测结果见表8。

表8 D组不同镀铝原纸的耐湿摩擦性能检测结果

表8显示的是市面上几种不同的镀铝原纸的耐湿摩擦性能的检测结果对比。由于镀铝纸对抗水性能要求较高，镀铝纸生产厂家很多都属于后加工企业，通常他们都是挑选市面上合适的镀铝原纸直接进行后加工，镀铝原纸的抗水性对成纸抗水性有显著的影响。表8显示的是我公司帮助客户检测几种不同镀铝原纸的耐湿摩擦性能。数据显示，17号纸样检测的浊度最低，为9.3 NTU，因此建议客户将原来使用的15号纸样用17号纸样替换。根据客户的反馈，镀铝原纸替换后，成纸的耐湿摩擦性能得到了明显改善。可见，该检测方法可用来评估部分特种纸的耐湿摩擦性能。

根据以上实验结果可以看出，浊度法耐湿摩擦性能检测方法可以应用于涂布纸及部分特种纸的耐湿摩擦性能，检测结果与下游客户反馈结果相一致。

2.4 纸厂常规检测方法和我公司发明检测方法对比

国内某大型纸厂涂布纸耐湿摩擦性能检测方法如下：用定量取样器，切取面积为0.01 m2的待测纸样，将圆形纸样置于测试盘内，测试盘内水的深度以2～3 cm为宜，10 s时，用手指擦拭测试样表面，如手指上有涂料显现，记录该时间；如未显现，则等待5 s后，再次擦拭；以5 s为间隔时间如此操作，直至涂料在手指上显现，并记录涂料显现时的时间，时间越长说明耐湿摩擦性能越好。

分别采用上述纸厂常规指擦检测方法（以下简称“指擦法”）与我公司发明的浊度法耐湿摩擦性能检测方法（以下简称“新方法”）对C组纸样进行检测，以研究不同检测方法对检测结果的影响；同时通过不同检测人员（甲、乙）分别采用上述2种检测方法对C组纸样进行检测，以研究人为因素对检测结果的影响，检测结果见表9。

表9 指擦法与新方法检测结果对比

从表9可见：采用新方法检测的1号至5号的浊度依次降低，说明从1号至5号纸样的耐湿摩擦性能依次变好；甲、乙2人采用指擦法检测的1号至5号的检测结果存在一定的差异。

理论上讲，2种检测方法均能反映纸样耐湿摩擦性能的优劣，然而从1号和2号对比，3号和4号对比可知，指擦法无法准确判断出对比组间的优劣情况；而采用新方法检测，不仅能反映出对比组间的优劣情况，而且能够将每个测试样的结果用量化形式表示出来，由于检测过程中完全采用的是仪器检测，因此数据客观公正。

为了更加直观地比较不同检测人员分别采用上述2种检测方法的检测结果的吻合程度，将表9的检测结果采用图1表示如下。

图1 指擦法与新方法检测结果的吻合程度对比

从图1可以看出，甲、乙2人采用新方法分别对同一种纸样进行检测的数据曲线基本吻合，而采用指擦法检测的数据曲线偏差较大。出现这种现象的原因是，不同的人来检测，指擦时的力气会存在一定的差异，导致检测数据也会有所差异，说明人为因素对指擦法检测的检测结果影响较大。

表10显示了指擦法和新方法2种检测方法的偏差对比。平行试验的绝对偏差=测得值-平均值；相对偏差=绝对偏差/平均值×100%。相对偏差是指某次测量的绝对偏差占平均值的百分比，用来衡量单项测定结果对平均值的偏离程度。

由表10可见，新方法的相对偏差平均值为3.34%，而指擦法为6.09%，再次印证了新方法具有较好的可重复性。

3 结论

（1）浊度法耐湿摩擦性能检测方法具有操作流程简便、设备简单、过程易控制和实验重复性好等优点，可以广泛应用于涂布纸及部分特种纸耐湿摩擦性能指标的检测。

（2）浊度法耐湿摩擦性能检测方法能够反映涂布纸间湿摩擦性能的差异，间接可反映不同化学品的耐湿摩擦性能的优劣，可用于评估涂料用化学品的耐湿摩擦效果。

（3）浊度法耐湿摩擦性能检测方法可用于检测部分特种纸的耐湿摩擦性能，可帮助后加工企业进行原纸的筛选。

（3）浊度法耐湿摩擦性能检测方法与目前纸厂常规指擦法检测方法相比，具有客观、准确、数据可靠等优点。

表10 指擦法和新方法2种检测方法的偏差对比