浅谈涂布纸生产中涂料制备稳定性的影响因素

孟卿君，任国靖，李帅帅

（陕西科技大学 轻工科学与工程学院 轻化工程国家级实验教学示范中心

 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西 西安 710021)

摘要:涂料制备稳定性直接影响涂布纸的质量。针对实际生产中影响涂料制备稳定性的因素，通过在工厂实践及调研的方法展开分析。结果发现：计量元件的校准、pH值、原料的添加顺序、染料线的优化是影响涂料制备的主要影响因素。

关键词：涂料；稳定性；影响因素

 Talking about influencing factors of coating preparation stability in coated paper production

MENG Qingjun*  REN Guojing  LI Shuaishuai

(College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermarking Technology and Specialty Paper, National Demonstration Center for Experimental Light Chemistry Engineering Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China)

Abstract：The stability of the coating preparation directly affects the quality of the coated paper. In this work, the influencing factors of coating preparation stability were analysed through the practice and investigation in factory. The results show that the main influencing factors of the coating preparation are the calibration of the metering components, the pH value, the order of adding the raw materials, and the optimization of the dye line.

Key words：coating；stability；influencing factors

涂布纸生产所用涂料是涂覆在纸张表面，并能与其牢固附着形成连续薄膜，通常是以胶乳为主，通过添加颜料、填料及相应助剂，加水配制而成的粘稠液体，它是涂布加工纸的重要组成部分，是提高纸张产品价值的关键^［1］。

近几十年来，随着印刷技术的发展、涂布工艺技术水平的进步，业界对涂料性能的要求也逐渐提高^[2]。涂布纸助剂属于造纸化学品范畴，近年来，主要向产量增长、提高性能、产能转化、节能减排等方向发展^［3］。业内人士在提高涂料性能上做了大量工作，并获得一定的成果，比如：涂料制备方面国外已开始使用纳米技术使得涂料中部分组分纳米化^［4］。某些纳米粒子还可以产生特殊的光学效果，如在散射时随观察角度不同而变色，可适用于生产有特殊用途的涂布纸^［5］。在涂料中，加入适当配比的高岭土可以降低涂料粘度^［6］。研究分散剂搭配及其于颜料混合后的协同作用等问题^［7，8］。通过添加分子质量低的羧甲基纤维素可在低剪切速率下增强涂料的结构强度^［9-11］。但往往在工厂生产线上，涂料型号确定，其配方、用量等也确定，并非影响涂料制备稳定性的主要因素，而真正影响涂料制备稳定性的影响因素罕见报道。

针对以上问题，本论文将根据工厂实践及相关调研，分析涂布纸生产中涂料制备稳定性的影响因素，以期对工厂生产提供参考依据。

1. 实验

1.1实验药品及实验仪器

药品：碳酸钙（工业品）；胶乳（工业品）；瓷土（工业品）；染料（工业品）；淀粉（工业品）；分散剂（工业品）；消泡剂（工业品）；杀菌剂（工业品），NaOH（工业品）。

仪器：DKL410C型恒温干燥箱；FE20型pH计；ME204E型电子天平；DV2T-RV型粘度计；AAGWR250型涂料保水度仪。

1.2实验方法

1.2.1涂料的制备

涂料需按照公司指定的配方和流程进行制备。

（1）颜料分散液的制备

将一定量的粉末状瓷土加入溶解槽，添加适量水，启动搅拌器使其混合均匀呈泥浆状作为备用。在颜料储存槽里加入水、分散剂和0.2份NaOH（调节pH），启动搅拌器低速搅拌，加入50份浓度为60%的碳酸钙和50份浓度为90%的碳酸钙，投入瓷土。启动搅拌器的高速挡，至颜料完全分散，放在储存槽里留作备用。

（2）胶粘剂溶液的添加

在另一个储存槽里加入购入的胶乳液，启动槽子底部的搅拌器搅拌，待调制涂料时添加。

（3）涂料的调制

将颜料分散液过筛后泵入涂料混合器，将储存在IBC桶中的消泡剂等通过磁力流量计加入其中。加入淀粉液，继续加NaOH调节pH，添加杀菌剂等助剂，加入胶乳等，再将制备好的染料（调节色相）通过计量泵添加必要量到混合器。最后加水稀释到所要求的浓度，并调节pH到8.7左右。涂料制备完毕，泵入涂料储存槽中备用。

1.2.2涂料性能检测

每隔一定时间用烧杯在工厂涂料车间取样，分别编号，对其做相关指标检测。

（1）固含量

称重3克左右的样品置于干燥洁净的铝箔碗内，用玻璃棒涂抹样品，使其在铝箔碗内分布均匀，放入电子分析天平内称重，快速记录涂料样品湿重的数值。然后将其放入恒温干燥箱内，在105℃下加热至恒重，取出待其冷却至室温称重。

（2）pH

校准pH计(自带温度补偿)使读数准确。将电极放入烧杯中的样品溶液，按“读数”键开始测量。电极输出稳定后，读取显示屏的固定示数，记录样品pH。

（3）粘度

使用粘度计前，需调节仪器水平。打开电源，自动调零。设置测量条件为4号转子，100转速，转程两千。安装好转子，将转子放入烧杯内的涂料试样中，开始测量。读取显示屏上的示数，记录并保存测量结果并停止测量。

当以上性能偏离所设定的标准时，检查整个涂料制备流程，分析数据并找出原因。

2. 结果与讨论

以下将基于工厂实际生产，通过对按固定配方制成的涂料做性能检测得出的一系列数据进行分析，并以涂料制备生产中的工段优化为例，来探讨影响涂料稳定性的因素。

2.1计量元件的校准对涂料固含量的影响

尽管在工厂生产涂料中，各项性能总是在可预料的范围内波动，但仍不可避免会受到来自设备方面的影响。在实践生产中，发现计量元件的准确性是影响固含量的主要因素，下面我们将对其分析并展开描述。

表1称重单元校准前后固含量的测试结果

图1 称重单元校准前后固含量的变化

在涂料制备中的投料阶段，所有成分需按量加入，此时需要使用相匹配的计量元件来计量，其中用到的计量元件包括称重单元（投入颜料及胶乳时用到）、计量泵(添加染料）、磁力流量计（添加助剂）。近期一次生产中，对涂料固含量初始设定为64%，但发现其实际检测值与该设定出现一定偏差，在对整个涂料制备工段逐一进行了检测排查后，最终发现是称重单元的准确性出现问题。当对称重单元进行校准后，固含量的测量值逐渐接近设定值，如表1和图1中所示。所以建议工厂定期对计量元件进行校准，同时应缩短校准周期。

保证计量元件自身的准确性，是得到高精度测量的首要前提^［22］。以车间多次生产经验来看，方便有效且不影响生产进度的校准方法是：必须严格以设备作业参考书作为参照来维修校准，若校准无效再联系设备生产商维修部门进行维修。而借鉴其他工厂的相关处理经验对所在工厂设备进行处理可能快捷，但未必有效，相反可能还会影响生产进程（因不同厂设备生产商和型号可能存在不同）。

2.2浅述pH对涂料粘度稳定性的影响

pH的稳定对涂料制备至关重要。涂料制备时碱的加入可以改变pH。文献记载，涂料的粘度会随pH升高而下降，并逐渐趋于稳定，在pH接近9 时，涂料流动性和稳定性都较好，随着pH继续升高，涂料粘度有下降的趋势，不过变化不大^［23］。从工厂实际生产所得检测数据来看，即便pH值接近9并在一个非常接近的范围内浮动，仍然影响涂料的粘度。所以，控制涂料pH值保持稳定比直接控制粘度更有效。

在工厂实际生产中，涂料制备时可能会因系统压力太大而导致密封水泄露，这就会使得涂料的pH偏低，从而导致制备出的涂料性能不稳定。尽管设备进厂时会被校准，准确性较高，且日常维修时会经过检查，但这种情况仍存在发生的可能性。另外，pH的变化也可能是因为管道水没有排干净混入涂料中，从而影响到涂料其他性能的优劣。

表2涂料粘度的测试结果

图2 涂料粘度的检测情况

2.3原料的添加顺序对涂料稳定性的影响

原料的添加顺序也会对涂料制备稳定性产生一定影响。如制备涂料时（以碳酸钙、染料、分散剂为主要成分为例），原料从不同的管道汇总泵入颜料混合槽。当碳酸钙与分散剂同时添加时，由于碳酸钙添加量大，故其冲击大，而相对而言，分散剂用量小，易受碳酸钙的冲击而只能少量进入到混合槽；另外，碳酸钙的长期冲击会使得部分碳酸钙粘附在管壁上，从而堵塞分散剂泵入的管道，使得分散剂在颜料中添加量减少，这样会造成制得的颜料分散液分散程度不够，易沉淀凝聚，从而使得制备出的涂料性能不符标准。

故应设置添加顺序为CaCO₃     dye（染料）     dispersant（分散剂），最后添加分散剂可有效避免分散剂受碳酸钙冲击而少量进入颜料槽。另外，还需对管道定时清洗，一般是在停机时冲洗。

图3 分散剂添加顺序简图

2.4染料线的优化对涂料稳定性的影响

对比初期的染料生产，染料生产线进行了几处工段优化，使生产更稳定。此处列举两例作为说明。

2.4.1冲洗水管的添加

                    图4 添加冲洗水管后的混合器

设备无冲洗水管时，染料会在管道及管道口凝结，造成一定程度的堵塞，减缓染料的滴加速度，可能会在染料停止添加后依然从中泄露少量累积的染料，从而影响涂料的品质。对其添加冲洗水管以作优化后，如图4，该情况得到有效改善。

冲洗管道的操作步骤：先检查并确保温水管的手阀呈打开状态；再打开本次使用的染料管线对应的冲洗水手阀，直到冲洗结束，关闭手阀。冲洗结束后一定要当场及时关闭手阀。以后切换到自动阀门，在DCS上控制即可。

（2）管道的优化

图5 管道优化简图

对适当的管道进行优化可使涂料制备更稳定。如上图所示，将涂料混合器中的染料添加管道进行延长。具体方法是：将染料进入管道与混合器连接处（图5所标示处）整体切割下来，在管道下方再焊接一处管道，使其更长，再将其整体焊接回混合器上。

对比可发现：优化之前滴加的染料会顺着混合器内壁流下，延长与混合器中涂料的混合时间，且长期以往会有一定量的染料粘附在内壁上，易与其他成分发生未知反应，影响涂料的稳定制备。优化后染料可直接滴加至混合的涂料中，有效避免了上述情况的发生，使得涂料的制备相较之前稳定性得以提高。

（3）优化后的染线图

图6 该工段优化后染线的变化图

染线的形成：染料管道中染料会有一定程度的凝结，并以颗粒形式混入涂料中，涂布时在刮刀的计量整饰作用下会被延展开形成染线。

由图6可以看出：经过上述工段的优化，涂布纸上的染线数明显变少。可见，工段的改进提高了涂料制备的稳定，使得生产出的产品品质更高，更符合厂家制定的标准。

上述纵坐标为染线的条数，纸卷边缘处有可能会有多条染线，这是生产中的某些其他因素导致，但在生产规格标准下，边缘处会被切割修饰，故此处染线数目的增多并不会对涂布纸整体品质造成影响。

3. 结论

（1）在工厂的涂料制备阶段，涂料性能基本稳定，但会受到设备运转的影响。工厂涂料的制备中，就固含量而言，影响其不稳定波动因素主要是计量准确性，减弱该因素影响的措施是对称重单元定期按照设备参考书检查校准。

（2）涂料制备中，pH较为稳定。密封水的泄露会导致其变化，尽管泄露的可能性极小，但日常检查时仍需注意。

（3）原料添加顺序的改变同样也会影响涂料的制备。

（4）对于工段的不断优化同样可使涂料制备更加稳定

参考文献

[1] 常永杰. 颜料涂布加工纸加工中常用的涂布化学品[J].华东纸业,2013,44(5):44-48.

[2] 张菊先,吕建明.改进涂料配方以满足用户的新要求[J].国际造纸,2004,23(1):47-49.

[3] 刘军钛.国内外造纸化学品的发展及现状[J].中国造纸,2014,33(1):49-56.

[4] 张恒,陈克复.纳米技术及在涂布加工纸涂料中的应用[J].造纸科学与技术,2002,21(4):24-26.

[5] 韩玲.纳米颜料在加工纸涂料方面的应用[J].湖南造纸,2005,(4):13-16.

[6] 雷东升,方建国,袁继祖,余永富.造纸涂料用高岭土降低粘度的试验研究[J].中国非金属矿工业导刊,2006(2):21-24.

[7] 王玉珑,赵传山,杨飞.影响颜料分散的几个因素[J].纸和造纸,2003,(4):49-51.

[8] 颜进华,陈克复.分散剂对颜料分散液流变特性的影响[J].中国造纸学报,2014,11(2):84-87.

[9] 刘鎏,张美云,申前锋.羧甲基纤维素的合成及其在造纸中的应用[J].西南造纸,2005,34(4):37-39.

[10] 杨仁党,陈克复,方观瑞,赵艳.羧甲基纤维素在造纸涂料中的作用[J].中国造纸,2002,(4):5-8.

[11] 曹婉鑫,陈洋,唐瑶.羧甲基纤维素作为造纸助剂在纸张生产中的应用[J].华东纸业,2015,46(2):38-41.

基金项目：西安市科技计划项目（2016104CG/ZTO4）；陕西科技大学博士科研启动基金项目（BJ15-14）；轻化工程国家级实验教学示范中心（陕西科技大学）开放课题（2018QGSJ02-17）