綠色環(huán)保節(jié)能的水性快干型鉛筆膠研究及工業(yè)應用

李鋼東

上海英諾威新材料科技有限公司 上海市金山區(qū) 201508

一、我國鉛筆制造行業(yè)的市場現(xiàn)狀和升級要求

（一）市場需求

鉛筆作為古老而傳統(tǒng)的書寫工具，在國內(nèi)外市場一直有著穩(wěn)定與發(fā)展的市場需求。根據(jù)中國制筆協(xié)會統(tǒng)計，中國每年鉛筆產(chǎn)量約占世界鉛筆總產(chǎn)量的80%，是鉛筆生產(chǎn)大國。2020年我國鉛筆出口市場份額占國際鉛筆出口市場的67%，雖在產(chǎn)量上仍占據(jù)絕對優(yōu)勢，但存在價格低、利潤空間小、無法占據(jù)高端市場等諸多問題，加之人工成本大幅增加，主要原材料如鉛筆用木板、鉛筆芯、鉛筆用膠等原料成本的大幅提高，而相應成品鉛筆卻檔次不高，造成銷售價格難以提高的局面，中國鉛筆制造行業(yè)面臨的問題凸顯嚴峻和復雜。

（二）碳達峰

2021年10月，《中共中央國務院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》予以頒布。該意見聚焦于2030年前碳達峰目標，碳達峰將貫穿于社會經(jīng)濟發(fā)展的全過程和各方面，重點實施能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動、節(jié)能降碳增效行動、工業(yè)領(lǐng)域碳達峰行動等“碳達峰十大行動”。因此，我國的制筆行業(yè)，尤其是鉛筆制造行業(yè)，如何在嚴峻的市場環(huán)境下，提前布局并實施和完成碳達峰要求，盡快選用環(huán)保材料和開發(fā)綠色工藝，減少生產(chǎn)過程中的能耗，已成為行業(yè)刻不容緩的研究課題。

鑒于以上背景，本文作者對“綠色環(huán)保節(jié)能的水性快干型鉛筆膠研究及工業(yè)應用”的課題進行了有益的探討。

二、鉛筆制造業(yè)的工藝技術(shù)升級要求

一般而言，傳統(tǒng)的鉛筆生產(chǎn)工藝過程包括：（1）將木材加工成上下型板并切削鉛筆芯槽；（2）在上、下型板面和槽中涂刷鉛筆芯膠；（3）在下型板槽中放入鉛筆芯；（4）合并上、下型板，并使用夾具進行施壓；（5）送入烘道或烘房烘干12h，有的甚至需要烘干24h以上，在這個過程中，膠水完成固化；（6）進行刨桿、磨桿和上漆等后續(xù)工序。

傳統(tǒng)使用的鉛筆膠又稱為白乳膠，主要成分為聚醋酸乙烯。白乳膠對鉛筆用木材的黏結(jié)力強，并且價格便宜，但不足是膠的固含量偏低、黏度偏高、耐水性較差。另外，聚醋酸乙烯黏結(jié)劑對鉛筆用主要木材有很好的黏結(jié)力，卻對彩色筆芯、含油石墨芯譬如高B類的石墨筆芯以及水溶性彩芯黏結(jié)效果較差，成品往往會出現(xiàn)滑芯等缺陷[1]。工業(yè)生產(chǎn)中，為了解決該缺陷，大多通過施加外力對鉛筆芯實行硬擠壓而使其放置在鉛筆槽內(nèi)，防止滑芯。該物理方式的處理，往往會造成筆芯在鉛筆槽內(nèi)折斷或造成成品的筆桿發(fā)生開裂，導致成品的次品率居高不下。

此外，前述提及的白乳膠固含量偏低，鉛筆的工業(yè)生產(chǎn)中單位產(chǎn)品的耗膠量高，也會影響到鉛筆木桿含水率變化大，導致鉛筆桿變形。為解決這些問題，傳統(tǒng)鉛筆生產(chǎn)過程中不得不采用烘干工序，也就是在溫度45℃條件下對半成品進行12h的束夾，從而縮短黏合時間，并降低鉛筆木桿含水率。由此導致生產(chǎn)場地變大、需投資烘干裝置且能耗增加生產(chǎn)效率低下。

三、水性快干型鉛筆膠的主要原料及其作用機理

主要原料：乙烯-醋酸乙烯共聚乳液、SiO2（氣相）、聚丙烯酸酯乳液、增塑劑、有機硅潤濕劑、純水。

作用機理：主要基料是乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液的共混乳液，其中前者對鉛筆用主要木材均有較高的黏結(jié)強度，耐溶劑性能和抗凍性能優(yōu)，可抗蠕變性[2]。后者有很好的耐熱性和耐水性。兩者經(jīng)物理進行共混，會獲得較寬溫度范圍內(nèi)的廣泛適應性，并有很強的耐水性、抗蠕變性等性能。

有機硅潤濕劑與黏結(jié)劑整個系統(tǒng)的相容性好，可提高成品鉛筆膠的流平性和潤濕性，從而保證產(chǎn)品與基材充分接觸，達到均勻上膠，并提高黏結(jié)效率。

SiO2（氣相）無毒、無味、無污染，耐高溫，比表面積大、粒徑小，可作為增稠劑調(diào)節(jié)產(chǎn)品的黏度。同時，SiO2表面含羥基、乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液的共混乳液中含有羧基和羥基，SiO2和該共混乳液經(jīng)氫鍵可形成致密網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而增加了共混乳液膠膜內(nèi)聚力，可以提高體系黏結(jié)強度，保證產(chǎn)品對鉛筆用木材及各類筆芯材質(zhì)的高強黏結(jié)力。

增塑劑的引入可以增強鉛筆膠膜柔軟度，提高膠黏的固化速度。

四、水性快干型鉛筆膠的工藝技術(shù)

針對現(xiàn)有工藝技術(shù)的不足及綠色環(huán)保碳達峰的環(huán)保要求，作者開發(fā)并已工業(yè)實際應用了綠色環(huán)保節(jié)能的水性快干鉛筆膠。該鉛筆膠的工藝技術(shù)為：將物料乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液投入到反應釜中，該反應釜是不銹鋼材質(zhì)。投入原料后，進行1～2h的攪拌，并緩慢地加入呈氣相狀態(tài)的SiO2，進行1h的攪拌。接著加入有機硅潤濕劑,進行0.5h的攪拌。隨后加入增塑劑，進行0.5～1h的攪拌；最后加入純水調(diào)整其黏稠度。

五、性能檢測方法及使用效果

（一）性能檢測方法

衡量鉛筆膠的主要技術(shù)指標包括：黏結(jié)強度、耐候性、耐溶劑性及耐水性、干燥速度及耗膠量[3]。這些指標決定了鉛筆的基本性能、使用性能、在一定環(huán)境與條件下的儲存和使用效果、鉛筆生產(chǎn)效率及鉛筆生產(chǎn)成本。針對這些指標，從下述幾個方面對綠色環(huán)保節(jié)能的水性快干型鉛筆膠與傳統(tǒng)鉛筆膠的性能進行了對比測試。

測試中，每項性能測試選取70支鉛筆，鉛筆的板材為楊木板，鉛筆芯為彩芯；傳統(tǒng)鉛筆膠選自目前市場上通用的白乳膠。

1.滑芯測試

將剛制作完成的成品鉛筆放置10天，選出未出現(xiàn)開裂、崩芯、膠縫現(xiàn)象的待測鉛筆樣品70支，采用測試設備在每支筆芯上的加壓力量為6N并保持6s。

2.破木時間

選擇六面規(guī)整后的楊木鉛筆板，將水性快干型鉛筆膠和普通鉛筆膠按照80g/m2的刷膠量，均勻涂布在鉛筆板面，各準備10片膠合板，分兩組在室溫下束夾施壓，等候拉力測試。用兩臺拉力機將兩組膠合板從束夾后20min同時開始、用拉力機每隔10min做180°剝離測試，記錄膠合面破木的起始時間。

3.卷削測試

選擇無開裂、無崩芯、無膠縫現(xiàn)象的待測鉛筆樣品，采用角度呈30°的卷筆刀卷削，觀察脫離的卷削物外形，看掉下來的卷削物內(nèi)側(cè)筆芯可否黏連在外側(cè)板材上。

4.耐水性測試

將剛制作完畢的成品筆放置7天后進行測試，選取無開裂、無崩芯、無膠縫現(xiàn)象的鉛筆樣品，浸入30±2℃的水面之下，每隔1h取出進行反方向擰動筆桿兩端，觀察筆桿有無開膠。

5.高低溫老化循環(huán)測試

將剛生產(chǎn)的鉛筆樣品先放入溫度為50℃、80%濕度條件下的恒溫恒濕箱內(nèi)，進行36h烘焙；隨后于-15℃下冷凍36h。連續(xù)3周循環(huán)后，觀察是否有開膠。

6.耐高溫老化測試

將剛生產(chǎn)的沒有開裂、沒有膠縫的鉛筆樣品放進60℃度的烘箱中，持續(xù)烘干2周時間；觀察筆桿是否有開裂，并掰開觀察是否出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。

7.粘合時間

將夾具夾好的鉛筆樣品放進50℃的烘房內(nèi)，進行粘合，間隔1h用手掰開，進行觀察是否粘接完全，記錄鉛筆樣品完全粘合的時間。

8.自由落體抗摔性能測試

選取剛生產(chǎn)的沒有開裂、沒有膠縫的鉛筆樣品，從2m高度讓其自由落下，觀察筆桿是否存在開裂；采用外力打開筆桿并統(tǒng)計筆芯斷裂的數(shù)量。

（二）測試結(jié)果

將前述多項測試結(jié)果進行列表，詳見（表1）。

表1 水性快干型鉛筆膠與傳統(tǒng)鉛筆膠實際應用性能測試對比表

六、研究結(jié)論

1.運用聚丙烯酸酯乳液復合改性乙烯-聚醋酸乙烯乳液，并巧妙運用氣相二氧化硅和其他功能性助劑改性，極大地提高了鉛筆膠快干、耐候、耐水、粘芯等卓越性能，有效解決了鉛筆因使用傳統(tǒng)的白乳膠而導致的容易滑芯、不耐水等固有難題。

2.該綠色環(huán)保水性快干鉛筆膠具有快干特性，從而傳統(tǒng)的束夾膠芯工藝不再需要烘干（傳統(tǒng)工藝要求束夾并高溫烘干至少24h以上），可在室溫條件下2h內(nèi)直接刨桿，為鉛筆生產(chǎn)企業(yè)有效節(jié)省了能耗，并且極大地提高了生產(chǎn)效率。初步統(tǒng)計，水性快干鉛筆膠的工藝技術(shù)可以為鉛筆制造業(yè)直接節(jié)省鍋爐燃料費用2500萬元/年以上，更是有效減少了碳排放和VOC排放。

3.該綠色環(huán)保水性快干鉛筆膠對彩芯、石墨芯等不同的筆芯都具有優(yōu)異的黏接效果，從而允許槽的直徑比芯大，減少了鉛筆芯因受壓力而崩斷，而且保證了不滑芯。

4.產(chǎn)品屬于環(huán)保的水基而非油基，不僅理化性能得到顯著提升，且安全環(huán)保指標也得到了保障。所有環(huán)保安全指標都能達到甚至超過歐盟“玩具類”產(chǎn)品的相關(guān)標準和要求，凸顯了環(huán)保方面的優(yōu)越性，填補了國內(nèi)外技術(shù)空白。