卡紙涂層對EB固化直接真空鍍鋁工藝的影響

余振華，詹建波，鄭迪生，李 賡，布 寧，李 建，胡信洋，薛守成

（1.紅云紅河煙草（集團）有限責任公司，昆明 650202；2.博源科技材料（煙臺）有限公司，山東 煙臺 264670；3.萬國紙業太陽白卡紙有限公司，山東 兗州272100）

真空鍍鋁紙是在133 Pa以上的高真空中，以電阻、高頻或電子束將鋁絲加熱到1400℃左右氣化后附著在紙基上形成，該方法正逐步替代傳統的復合鋁箔紙工藝，因為后者不僅浪費鋁材，而且生產工藝為非環保過程。直接真空鍍鋁是預先對紙表面進行涂覆處理，提高紙張表面平整性、光亮度，然后將紙直接置于真空鍍鋁機中進行鍍鋁。這種方法對紙張要求高，適用于40～120 g/m2的銅版紙、白板紙、卡紙等紙型。目前，國內市場上真空鍍鋁卡紙直接法的批量生產較少，還需要開展更深入的研究和應用探索。我們將電子束固化工藝和直接真空鍍鋁工藝結合起來生產鍍鋁紙或卡紙，該工藝在國內尚未見報道。

電子束（EB）固化真空鍍鋁紙工藝首先將可電子束固化的涂料作為預涂涂料涂布在紙或卡紙上，利用EB固化成膜后，將預涂紙或卡紙進行直接真空鍍鋁。與傳統工藝相比，EB固化直接真空鍍鋁工藝具有低排放、低能耗、高效率的特性，產品具有低成本、高質量特點，符合國家產業發展的要求，將是包裝領域材料研究應用的新方向［1］。

EB固化直接真空鍍鋁工藝不僅對生產設備和涂料有全新的要求，其對原紙的技術要求也完全不同。涂層開放封閉程度是紙張的一項重要指標，由于紙張涂層使用不同種類的成膜樹脂、顏料及配比等，紙張表面的粗糙程度及涂層內部的孔隙率也不盡相同，所以涂層的開放封閉程度也不同。EB固化直接真空鍍鋁工藝對紙張物理性能要求較高，尤其對于紙張的水分和涂層開放封閉程度的控制要求更高。這是因為，在同樣的真空度控制能力條件下，較高水分的原紙，在高真空的條件下釋放的水汽量大，導致真空度下降，從而導致鍍鋁產品發黃，車速下降，嚴重影響鍍鋁的質量和效率［2-7］。另外，當紙張水分固定后，在同樣的鍍鋁設備和參數下，放氣速度越快，鍍鋁質量越差，效率越低［1］。本研究以油墨吸收性作為卡紙涂層開放度的量化表征指標，以鍍鋁機達到設定真空度的時間作為紙張放氣速度和放氣量的量化指標，研究了卡紙涂層結構對EB固化直接真空鍍鋁卡紙工藝的影響。

1 試驗部分

1.1 原料

紙張漿料：針葉木漂白硫酸鹽漿、闊葉木漂白硫酸鹽漿、針葉木漂白化學熱磨機械漿、闊葉木漂白化學熱磨機械漿。

涂料：由顏料、增稠劑、成膜樹脂乳液和各種助劑組成。

1.2 儀器設備

萬國太陽紙業17紙機三長網紙機（年產量20萬t），芬蘭Metso公司；電腦測控耐折度儀，四川長江造紙儀器開發公司；印刷適性儀，荷蘭IGT公司；光澤度測定儀，美國Technidyne公司；德國萊寶真空鍍鋁機。

1.3 紙張涂布工藝

在萬國太陽紙業17紙機三長網紙機上進行上機試驗。漿料在打漿后按照一定比例配漿，在紙機上經過成型、壓榨、烘干、表面施膠、烘干之后，用涂層劑對紙張進行多道涂布，然后下機復卷。在正常生產情況下，取不同涂布量及涂料配方的紙張，測定其油墨吸收性等指標。

1.4 測試

1.4.1 紙張涂層涂布量測定

式（1）中：M1和 M2分別為涂布前后紙張總質量（g），S 為測試紙張面積（m2）。

1.4.2 油墨吸收性（K&N值）測定

式（2）中：R0為涂油墨前試片表面綠光反射因數；R1為涂油墨后試片表面墨跡中心區域綠光反射因數；Rk油墨的修正系數，用以消除油墨批間的差異，該系數由油墨供應商隨油墨一起提供。

2 結果與討論

2.1 卡紙涂布量對涂層開放程度的影響

涂層的開放封閉程度會影響其油墨吸收性，涂層越開放，油墨越容易被紙張吸收，反之油墨越不容易被紙張吸收。如圖1所示，當涂布量從19 g/m2增加到27 g/m2時，表征涂層開放封閉程度的油墨吸收性從17.5%提高到23.4%，同時耐折次數則從71次降低至25次，表明紙張油墨吸收性隨涂布量的增大而提高，即涂層的開放程度不斷提高；但涂布量增大后，紙張耐折性能降低。這是因為卡紙的油墨吸收能力主要來自涂層對油墨的吸收，所以隨涂布量提高涂層的K&N值也隨之提高；但紙張的耐折性能主要來自于纖維的貢獻，相對于基材而言，涂料涂布量增大意味著纖維量的降低，紙張的耐折性能相應會降低。

2.2 卡紙涂布量對EB固化預涂量的影響

卡紙涂層對后期的EB固化涂料涂布量有直接影響，如圖2所示，卡紙涂布量越大，EB固化預涂涂布量越大。這是因為卡紙的面涂料填料量較高，面涂層呈疏松結構，所以其涂布量越大，紙張的開放程度越大。在同樣的EB固化工藝參數設定條件下，卡紙對EB固化預涂涂料的吸收量就越高，從而導致EB固化預涂涂布量增大。

2.3 顏料粒子對紙張涂層開放程度的影響

卡紙涂料中的顏料主要瓷土和碳酸鈣配制而成，二者的比例不僅影響涂料的總體成本，更重要的是，顏料的組成對涂層的開放封閉程度及光澤度有直接影響。如圖3所示，當涂料的顏料配方中瓷土含量從40%降低至0時，表征涂層開放封閉程度的油墨吸收性（K&N）從18.2%增大到21.5%，紙張光澤度從72%降低至45%。該結果表明隨碳酸鈣比例的增大，油墨吸收性提高，紙張光澤度下降。由于瓷土為六角形片狀粒子，經壓光后緊密有序地排列于紙面，表面平滑細膩，有利于提高紙張表面的平滑度；而碳酸鈣為無規則粒子，孔隙容積比片狀的瓷土粒子要高得多，碳酸鈣應用于涂料配方中會打破瓷土粒子平整有序的排列，使涂層表面變粗糙，孔隙率變大，容易產生較開放的涂層，油墨吸收性增加。

圖1 涂布量對K&N值和耐折性能的影響Fig.1 Effect of coating weight on K&N value and folding performance of the paper board

圖2 卡紙涂布量對EB固化預涂涂布量的影響Fig.2 Effect of coating weight on EB curable pre-coating weight of the paper board

2.4 顏料組成對EB固化的影響

顏料組成還對EB固化涂料的涂布量及真空鍍鋁工藝有影響，在表1中列出了采用含有不同顏料組成的涂料對卡紙進行面涂后，進一步涂布EB固化涂料的涂布量，以及進行真空鍍鋁時達到平衡真空度所需要的時間。可以看出，隨著涂料中瓷土含量的下降，在同樣的 EB固化預涂參數下，實際 EB固化涂料的涂布量提高。涂層中碳酸鈣含量越高，涂層的開放程度越大，越有利于電子束固化預涂料的吸收。根據實際生產驗，預涂的涂布量越高，產品表觀質量越好。在同樣4.0 g/m2的預涂涂布量條件下，碳酸鈣含量越高，鍍鋁機達到高真空0.04 Pa所需時間不斷延長。這可能是因為瓷土在涂層中呈片狀堆積，瓷土含量越高，涂層的開放程度越低；反之碳酸鈣為疏松結構，在涂層中呈顆粒狀疏松排列，其含量越高，涂層微孔越多。涂層的開放程度越高，紙張放氣速度越快，放氣量越大，達到平衡真空度的時間就越長。

圖3 顏料組成對K&N值和光澤度的影響Fig.3 Effect of coating composition on K&N value and gloss of paper board

表1 顏料組成對EB固化預涂涂布量和鍍鋁機達到設定真空時間的影響Table 1 Effects of pigment composition on EB curable pre-coating weight and equilibrium time of the vacuum alumination chamber

3 結論

卡紙涂布量提高，涂層開放程度變大，卡紙耐折性降低，同時EB固化預涂布量增加。卡紙涂層中碳酸鈣含量越高，涂層開放程度越大，卡紙對EB固化預涂料的吸收性越好。在同樣涂布量的條件下，涂層開放程度越大，紙張放氣速度越快，放氣量越大，所以在真空鍍鋁機中達到高真空的時間越長。相同的EB固化預涂工藝涂布參數下，紙張開放程度越大，紙張對預涂料的吸收速度越快，涂布量越大。涂層開放程度的控制是電子束固化預涂工藝穩定生產的重要參數。在今后的造紙生產工藝實踐中，必須加以重視和嚴格控制。

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