綠色環保節能的水性快干型鉛筆膠研究及工業應用

李鋼東

上海英諾威新材料科技有限公司 上海市金山區 201508

一、我國鉛筆制造行業的市場現狀和升級要求

（一）市場需求

鉛筆作為古老而傳統的書寫工具，在國內外市場一直有著穩定與發展的市場需求。根據中國制筆協會統計，中國每年鉛筆產量約占世界鉛筆總產量的80%，是鉛筆生產大國。2020年我國鉛筆出口市場份額占國際鉛筆出口市場的67%，雖在產量上仍占據絕對優勢，但存在價格低、利潤空間小、無法占據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，《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發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濟發展的全過程和各方面，重點實施能源綠色低碳轉型行動、節能降碳增效行動、工業領域碳達峰行動等“碳達峰十大行動”。因此，我國的制筆行業，尤其是鉛筆制造行業，如何在嚴峻的市場環境下，提前布局并實施和完成碳達峰要求，盡快選用環保材料和開發綠色工藝，減少生產過程中的能耗，已成為行業刻不容緩的研究課題。

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

二、鉛筆制造業的工藝技術升級要求

一般而言，傳統的鉛筆生產工藝過程包括：（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、磨桿和上漆等后續工序。

傳統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，聚醋酸乙烯黏結劑對鉛筆用主要木材有很好的黏結力，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效果較差，成品往往會出現滑芯等缺陷[1]。工業生產中，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，防止滑芯。該物理方式的處理，往往會造成筆芯在鉛筆槽內折斷或造成成品的筆桿發生開裂，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，鉛筆的工業生產中單位產品的耗膠量高，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，傳統鉛筆生產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。由此導致生產場地變大、需投資烘干裝置且能耗增加生產效率低下。

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強度，耐溶劑性能和抗凍性能優，可抗蠕變性[2]。后者有很好的耐熱性和耐水性。兩者經物理進行共混，會獲得較寬溫度范圍內的廣泛適應性，并有很強的耐水性、抗蠕變性等性能。

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

SiO2（氣相）無毒、無味、無污染，耐高溫，比表面積大、粒徑小，可作為增稠劑調節產品的黏度。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和該共混乳液經氫鍵可形成致密網絡結構，從而增加了共混乳液膠膜內聚力，可以提高體系黏結強度，保證產品對鉛筆用木材及各類筆芯材質的高強黏結力。

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

針對現有工藝技術的不足及綠色環保碳達峰的環保要求，作者開發并已工業實際應用了綠色環保節能的水性快干鉛筆膠。該鉛筆膠的工藝技術為：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。投入原料后，進行1～2h的攪拌，并緩慢地加入呈氣相狀態的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指標包括：黏結強度、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、在一定環境與條件下的儲存和使用效果、鉛筆生產效率及鉛筆生產成本。針對這些指標，從下述幾個方面對綠色環保節能的水性快干型鉛筆膠與傳統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，選出未出現開裂、崩芯、膠縫現象的待測鉛筆樣品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側筆芯可否黏連在外側板材上。

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.高低溫老化循環測試

將剛生產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，進行36h烘焙；隨后于-15℃下冷凍36h。連續3周循環后，觀察是否有開膠。

6.耐高溫老化測試

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

7.粘合時間

將夾具夾好的鉛筆樣品放進50℃的烘房內，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計筆芯斷裂的數量。

（二）測試結果

將前述多項測試結果進行列表，詳見（表1）。

表1 水性快干型鉛筆膠與傳統鉛筆膠實際應用性能測試對比表

六、研究結論

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

3.該綠色環保水性快干鉛筆膠對彩芯、石墨芯等不同的筆芯都具有優異的黏接效果，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.產品屬于環保的水基而非油基，不僅理化性能得到顯著提升，且安全環保指標也得到了保障。所有環保安全指標都能達到甚至超過歐盟“玩具類”產品的相關標準和要求，凸顯了環保方面的優越性，填補了國內外技術空白。