用于紙張涂布的具有優越強度和操作性的新一代膠乳的開發

涂料配方中的膠乳是控制涂布紙質量的最重要的成分。傳統膠乳通過優化膠乳的粒徑和形狀等可改善涂布紙的表面印刷強度和紙機操作性；但是要通過傳統方法進一步改善上述功能已經非常困難。因此，開發了新一代高功能化膠乳，它使涂布紙具有卓越的印刷表面強度和紙機操作性，特別是它的印刷表面強度比傳統膠乳配制的涂料涂布的涂布紙高30%。該文討論了高功能化膠乳的卓越印刷表面強度的機理，重點是其薄膜的抗張強度和與顏料的相互作用關系。研究結果表明：新一代高功能化膠乳薄膜的抗張強度比傳統膠乳顯著提高，因此，其印刷表面強度將更高；在顏料只用重質碳酸鈣（GCC）的涂料中，高功能化膠乳顯示了卓越的印刷表面強度；含有高功能化膠乳的烘干涂料薄膜較容易與水一起移動，高功能化膠乳具有親水表面，因此其薄膜能夠較容易被洗掉。

1 前言

用于紙張涂布涂料的膠乳對涂布紙的品質具有很大的影響，并在涂布紙的成本中占有很大比例，因此，為了進一步提高紙張的品質和降低生產成本，對提高印刷表面強度的方法進行了研究。過去對提高印刷表面強度的研究一直采用增加膠粘劑用量的方法，但是膠粘劑用量的增加，會造成背輥污染等問題，降低了紙機的操作性。為了進一步提高印刷表面強度和紙機的操作性，需要開發不依賴增加膠粘劑用量而能提高強度的新一代膠乳。

本文將介紹在膠乳聚合物粒子表面引入在強度和操作性方面具有良好效果的功能性成分而開發成功的高功能化膠乳的性能。

2 實驗Ⅰ——高功能化膠乳的印刷表面干強度和紙機操作性

實驗比較了傳統型膠乳和高功能化膠乳的印刷表面干強度和紙機操作性。

2.1 涂布紙制作條件

依照表1顯示的涂料配比，制成傳統型膠乳和高功能化膠乳的涂料，用實驗涂布機（MIC-100）在市場購得的高級文化用紙（定量為65 g/m2）上涂布后進行壓光處理制成涂布紙。涂布條件：涂布速度80 m/min，熱風溫度為210℃，爐內溫度為150℃，干燥時間為 5 s，涂布量為 10 g/m2。壓光條件為：7 m/min，50℃，40 kg/cm。

2.2 干拉毛強度的評價

表1 分別采用傳統型膠乳和高功能化膠乳的涂料配方 質量份

用RI印刷機同時在用2.1的方法制成的涂布紙上印刷，產生拉毛時狀態最佳的為5點，最差的為1點，用肉眼判斷，進行相對評價。

2.3 操作性評價

將表1所示的涂料涂布在NBR（丁腈橡膠）板上，通過干燥后水洗，以背輥流動清洗（Flow cleanning）水的洗凈性作為指標。涂料的洗凈度最好的為5點，最差的為1點，用肉眼判斷，進行操作性評價。

2.4 結果及考察

傳統型膠乳和高功能化膠乳的干拉毛強度和操作性的比較如圖1所示。

由圖1可見：高功能化膠乳提高了干拉毛強度和操作性，在相同配比條件下，干拉毛強度和操作性都較好；在干拉毛強度方面，6質量份傳統型膠乳（測量點“C1”）和 4質量份高功能化膠乳（測量點“C6”）具有同等的效果。因此，可以確認高功能化膠乳提高了30%的印刷表面強度。就是說，通過引入功能性成分可以達到傳統型膠乳不能達到的品質。

高功能化膠乳與傳統型膠乳相比，粒子周圍具有較多的功能性成分。由于功能性成分較親水，因此通過洗凈能較容易除去涂料，從而改善操作性。

圖1 干拉毛強度和操作性的比較

另一方面，關于干拉毛強度提高的原因分析如下。干拉毛強度取決于涂布層中膠粘劑的黏結強度。一般來說，黏結強度可以分為“膠粘劑的凝聚破壞”、“基材與膠粘劑的界面剝離”和“基材破壞”，但我們推測：高功能化膠乳的膠粘劑自身破壞的“膠粘劑的凝聚破壞”；膠粘劑和被膠粘劑之間產生的剝離（基材和膠粘劑的界面剝離）（圖2）水平得到了提升。針對各個項目進行了如下的實驗。

圖2 黏結強度的模式

3 實驗Ⅱ——高功能化膠乳薄膜的特性

“膠粘劑的凝聚破壞”是膠粘劑自身的強度，因此它取決于膠乳薄膜的特性，為此進行了膠乳薄膜特性的調查。

3.1 膠乳的薄膜應力

用1.0 mm的涂布棒制成傳統型膠乳和高功能化膠乳的薄膜，依照日本工業標準JIS K6251進行抗張強度測試，測定薄膜的伸長率和應力。

3.2 膠乳薄膜的表面觀察

用穿透型電子顯微鏡觀察傳統型膠乳和高功能化膠乳薄膜。

3.3 結果及考察

膠乳薄膜應力測定結果如圖3所示。

圖3 膠乳的薄膜應力

由圖3可見，高功能化膠乳的薄膜應力比傳統型膠乳的薄膜應力大幅度提高。與傳統型膠乳薄膜相比，高功能化膠乳薄膜的伸長率基本沒有變化，只是應力提高了。為此，為了直接確認膠乳的薄膜構造進行了薄膜的表面觀察。

傳統型膠乳薄膜和高功能化膠乳薄膜的照片如圖4所示。

圖4 傳統型膠乳和高功能化膠乳的薄膜電子顯微鏡照片

由圖4可以確認，高功能化膠乳薄膜的膠乳粒子熔合界面比傳統型膠乳更鮮明。

膠乳粒子的界面是存在于膠乳粒子表面的功能性成分，具有容易形成氫鍵結合的結構。由于高功能化膠乳薄膜保持了比膠乳粒子的界面更多的功能性成分，因此形成了更多的氫鍵結合，而且，由于功能性成分的玻璃態轉化溫度（Tg）較高，提高了膠乳薄膜的應力，形成較堅固的薄膜，提高了干拉毛強度。另外，由于導入了功能性成分，在保持伸長率不變的同時，提高了薄膜的應力，但是如果考慮耐沖擊性能的話，既能提高薄膜伸長率，又能提高薄膜應力更為理想，利用功能性成分導入技術可以同時兼顧薄膜的伸長率和應力。

4 實驗Ⅲ——顏料和膠乳的相互作用

我們認為“基材和膠粘劑的界面剝離”是顏料和膠乳間的相互作用，為了認識顏料和膠乳的相互作用，進行了各種不同原料的干拉毛強度評價，以及顏料和膠乳分散狀態的直接觀察。

4.1 涂布紙制作條件

顏料為單一高嶺土或單一GCC并分別添加傳統型膠乳或高功能化膠乳配制的涂料配方，見表2。采用與2.1相同的方法制成涂布紙。

表2 顏料為單一高嶺土或單一GCC并分別添加傳統型膠乳或高功能化膠乳配制的涂料配方 質量份

4.2 干強度的評價

采用2.2所述的方法評價4.1制成的涂布紙的干拉毛強度。

4.3 顏料與高功能化膠乳的分散狀態的電子顯微鏡觀察

對100質量份顏料（高嶺土或者GCC）用10質量份高功能化膠乳配制成顏料分散液，將其稀釋成含固量為質量分數0.05%，加入四氧化鋨水溶液，烘干制成涂膜，進行金-鈀涂布處理，用掃描電子顯微鏡觀察。

4.4 結果及考察

顏料為單一高嶺土或單一GCC并分別添加傳統型膠乳或高功能化膠乳配制的涂料涂布的涂布紙的干拉毛強度結果如圖5所示。

圖5 顏料為單一高嶺土或單一GCC并分別添加傳統型膠乳或高功能化膠乳配制的涂料涂布的涂布紙的干拉毛強度

由圖5可見，顏料為單一GCC并添加高功能化膠乳的涂料涂布的涂布紙干拉毛強度比較好。

為調查高功能化膠乳和顏料的相容性，用電子顯微鏡觀察的照片如圖6所示。

圖6 高功能化膠乳和不同顏料制備的涂料電子顯微鏡照片

由圖6可見：高功能化膠乳在高嶺土粒子上的附著和在GCC粒子上的附著具有很大的差別；高功能化膠乳與GCC粒子的相容性較好。由此推測，在顏料為單一GCC的配方中高功能化膠乳相對能夠對涂布紙的印刷表面強度作出更大的貢獻。

5 總結

開發的新一代膠乳——高功能化膠乳提高了薄膜應力，增強了與涂料中顏料GCC的界面相互作用，還提高了涂料的洗凈性，最終可以達到增強印刷表面強度和改善紙機操作性二者兼顧的效果。