熱敏紙高速涂布整飾設備

王桂榮，張 立

(1.上海東海職業技術學院，上海 200241；2.杭州尊涂科技有限公司，浙江 杭州 310000)

熱敏原紙通過多層顏料涂布后，涂料中的功能涂料在熱能的作用下顯色后成為記錄信息的紙張即為熱敏紙[1]。根據用途，熱敏紙可分為用于傳真機的“傳真紙”；用于食品和行李等的“標簽紙”，用于POS機、ATM機和便攜式終端打印機以及各種彩票、車票、登機牌和心電圖等的“打印紙”[2]。隨著熱敏紙的應用日益廣泛，其品種越發繁多，對加工熱敏紙的涂布整飾設備的要求提高了。設備既要適應高速時的穩定運行，又要滿足多品種生產，因此，高車速涂布整飾設備的設計和制造具有重要的意義。

1 熱敏紙各涂層介紹及作用

熱敏紙以原紙(或薄膜)作為基材，在基材表面進行預涂層(底涂層)、熱敏發色層、頂涂層(面涂層)和背面涂層的涂布，既提高了熱敏紙的發色靈敏度和密度以獲得優異的打印清晰度，又可以使熱敏紙具有各種防護性能(見圖1)。

圖1 熱敏紙各涂層分布

預涂層(底涂層)的作用是隔離和隔熱作用[3]；熱敏發色層的作用是遇到加熱元件時會顯色成文；頂涂層(保護層)的作用是保護熱敏涂層不會因為水、油脂、塑料及指印等的影響造成字跡分辨不清或消失；背面涂層用于防止溶劑性膠粘劑等穿透到熱敏層中，避免引起熱敏層污染。

2 新型高速熱敏紙涂布機工藝流程

目前國內主要涂布機制造廠商所生產的普通熱敏紙涂布機通常按照如下方式配置：涂布采用輥式上料的刮刀底涂、輥式上料的計量棒涂布的熱敏涂層以及用于消除紙張翹曲的輥式背涂(俗稱“兩正一反”)的方式完成熱敏紙的生產，可滿足運行車速在400 m/min以內的生產需求；新型高速熱敏紙涂布機采用噴射上料的組合刮刀涂布器、簾式涂布器和輥式背涂(俗稱“四正一反”)的形式，可以實現普通熱敏紙和三防熱敏紙等多種產品的生產，正常運行車速達到630 m/min。

新型高速熱敏紙涂布機的工藝流程為：

雙軸回轉放紙架→浮動輥裝置→牽引輥裝置→刮刀/計量棒組合涂布器(底涂1)→熱風循環干燥系統→冷輥牽引裝置→刮刀/計量棒組合涂布器(底涂2)→熱風循環干燥系統→冷輥牽引裝置→軟輥壓光機→簾式涂布器(熱敏層)→熱風循環干燥系統→冷輥牽引裝置→簾式涂布器(保護層)→熱風循環干燥系統→冷輥牽引裝置→背涂裝置→熱回收型循環熱風干燥→夾套缸調態→可控中高軟輥壓光裝置→雙軸回轉復卷架(帶自動接紙裝置)。

3 熱敏紙涂布機設備配置

3.1 退紙部和收卷部自動換卷原理

熱敏紙涂布機的退卷和收卷裝置一般都采用帶自動換卷系統的雙軸回轉架機構，以適應熱敏紙連續生產過程中的換卷接紙操作。如圖2所示，回轉架有2種形式：通常配置為十字型結構，新型涂布機中采用盤式結構。十字型結構的回轉架適合車速在550 m/min以下、紙卷直徑在1 300 mm左右的機外涂布機；而盤式結構適合車速在550 m/min以上、紙卷直徑大于1 500 mm的機外涂布機。盤式回轉架的回轉驅動裝置為齒輪副或鏈輪鏈條進行回轉驅動；同時，紙卷傳動則安裝在回轉架上與回轉架一起回轉，保證回轉架在涂布機運行和自動換卷過程中更加穩定。

圖2 回轉放卷架及自動接紙裝置

對于機外涂布機來說，設置全速自動換卷裝置，可以有效保證機外涂布機的連續運行并提高成品率[4-6]。在新型熱敏紙涂布機中除設置氣動壓輥、氣動斷紙刀及位置檢測等設備外，依據高速和紙卷更換頻繁的特點，還設置了紙卷直徑自動檢測以及換卷實現自動完成的過程，具體步驟及原理：在機外涂布機全速運行時，人工將新紙卷安裝在回轉架放卷軸并貼上雙面膠帶和接頭位置感光膠帶，通過超聲波自動檢測新紙卷直徑并送往PLC，PLC根據涂布機的車速和運行的紙卷直徑，在光電開關的檢測作用下，自動發出信號使回轉架轉動到位、接紙臂擺動到位及新紙卷加速達到主機速度，待PLC檢測到運行中舊紙卷的直徑達到設定值時(一般比紙芯外徑大一些即可)發出信號，使換卷壓輥和斷紙刀動作，即完成紙幅從舊紙卷準確無誤地切換到新紙卷上，在前述過程中各操作之間具有互鎖控制功能，可以確保自動換卷設備的安全運行。整個過程除人工參與裝卸紙卷及粘貼膠帶等工作外，完全實現換卷功能的自動化運行，具有人工干預少和換卷成功率高的特點。

3.2 涂布部的涂布設備

用于生產熱敏紙的涂布裝置主要有刮刀/計量棒組合涂布器、簾式涂布器和氣刀涂布器等。氣刀涂布器在新配置的熱敏紙涂布機中已很少采用，主要原因是氣刀涂布器對涂料的固含量及黏度和涂布機的運行速度有一定的限制；比較多的采用刮刀/計量棒組合涂布器；而隨著車速的不斷提高和熱敏涂布技術的發展，簾式涂布器也逐漸成為熱敏紙涂布的主流設備。

在新型涂布機中，涂布部的涂布設備采用噴射上料的組合刮刀涂布器、簾式涂布器和新型LAS背涂涂布器。組合刮刀涂布器用于熱敏紙的2次底涂層(隔熱層)涂布，其中第1次用刮刀涂布以消除原紙橫幅定量差，第2次計量棒涂布實現均勻的隔熱層，以節約涂料，降低成本；簾式涂布器用于熱敏紙的熱敏層和保護層(頂涂)涂布；新型LAS背涂涂布器用于熱敏紙背面涂布。

3.2.1 刮刀/計量棒組合涂布器

組合刮刀涂布器包含供料系統、涂布系統、計量裝置和現場控制系統等。供料系統即涂料制備系統,包含涂料儲存罐、供料槽、供料泵、壓力篩和除氣器等;涂布系統包含上料裝置、背輥及噴霧等；計量裝置包括刮刀架、刮刀橫梁、橫幅涂布量調節裝置以及計量棒和傳動裝置等；現場控制系統則集合在一個現場控制箱內，主要用于控制涂布器各動作元件的現場操作，如刮刀梁、上料系統的脫開和閉合、刮刀的夾緊和松開。

根據上料方式的不同分為輥式上料組合刮刀涂布器和噴射上料刮刀涂布器。噴射上料適用于中高車速涂布機，輥式上料適用于中低速涂布機。在新型熱敏紙高速涂布機中采用噴射上料代替輥式上料，以避免在高速情況下上料輥在轉移涂料時引起涂料飛濺和涂料中出現氣泡，造成環境污染并對涂層質量產生影響。

1)圖3(a)所示為輥式上料組合刮刀涂布器[7-8]，其背輥直徑為?700 mm，上料輥直徑為?300 mm，背輥和上料輥表面均包覆具有一定彈性和耐腐蝕性的耐磨橡膠，以增大紙幅與背輥之間的摩擦力以及涂料與上料輥之間的結合力，保證涂布的順利進行。

2)圖3(b)所示為噴射上料刮刀涂布器，背輥直徑同樣為?700 mm，只不過與輥式上料相比，噴射上料屬于無接觸柔和上料形式，避免涂料產生破壞。將計量泵作用下的涂料通過多管進入由一對唇板圍合成的混合腔內，在涂料壓力的作用下沿唇板縫隙沖出并噴向涂布紙幅，完成噴射上料。這對唇板可以氣動開合，唇板縫隙為1～2 mm，唇板傾斜角度可以在0°～45°范圍內調整。噴射上料與輥式上料相比，涂層質量明顯提高。噴射上料系統如圖4所示。

1—背輥；2—邊緣噴霧；3—計量裝置；4—上料輥；5—上料盤；6—上料裝置。

圖4 噴射上料系統

3)計量裝置包含刮刀架和刮刀梁以及橫幅涂布量的調節螺桿等。刮刀通過氣胎或氣缸夾緊或松開，并固定在刮刀架上；刮刀分為硬刮刀和軟刮刀，實際生產中多采用軟刮刀。刮刀的調整分為刮刀角度調整和橫幅涂布量調整，刮刀角度在伺服電機和精密蝸輪蝸桿的作用下，完成繞刮刀尖在8°～40°的范圍內轉動；橫幅涂布量通過微調差動螺桿實現橫幅涂布量均勻分布，微調螺桿的間距為50 mm。與刮刀接觸的支撐方式有硬支撐和軟支撐，硬支撐為剛性移動塊，移動塊在微調螺桿的作用下前后移動，實現橫幅涂布量的改變；軟支撐為一根氣囊，氣囊固定在移動塊內，微調螺桿調節移動塊實現橫幅涂布量均勻，同時改變氣囊壓力可以實現整幅涂布量的改變。該系統在新型高速熱敏紙涂布機底涂涂布中的應用結果表明，使用軟支撐的新型計量系統，更容易適應涂料黏度的變化，使刀片具有更好的彈性和加壓均勻性，能夠適應原紙橫幅厚度(定量)以及背輥和刮刀片磨損等引起的涂布量改變，實現穩定的運行性能。

4)在刮刀/計量棒組合涂布器中，涂料通過上料輥或噴射上料裝置將超量的涂料轉移到紙幅上，最后通過刮刀或計量棒進行計量。計量棒一般安裝在全幅寬度的塑料或橡膠的支撐棒床上，計量棒棒床上安裝有子棒座用于固定計量棒，計量棒下方設有清潔水槽起到潤滑計量棒的作用，清潔水壓力為0.01～0.20 MPa；計量棒的側面設有計量棒夾緊補償氣胎，防止計量棒跳動和清潔水流出，氣胎壓力范圍為0.01～0.20 MPa；計量棒床底部設有加壓氣胎，用于控制涂布量，壓力范圍為0.01～0.20 MPa。一般情況下，氣壓增大涂布量減少，氣壓減小涂布量增加。計量棒直徑為?13.65 mm，由單獨電機傳動，轉動方向與背輥及紙幅運行方向相反，通過變頻器調節速度。

圖5 2種計量系統

3.2.2 簾式涂布器

簾式涂布[9-10]是一種非接觸式涂布，涂料從分配器噴嘴中連續不斷地流出“預計量”的薄膜，該薄膜型液體在接觸到移動的預涂紙幅前為自由下落運動，此時的涂料薄膜呈幕簾狀。這里的“預計量”薄膜指的是送到簾涂模頭用于涂布在紙幅上的涂料已經預先精確計量而沒有過量的涂料的情況。自由下落的幕簾在一定距離(通常在100～300 mm)內獲得了擴展性的流動，以合適的速度沉積在紙頁上形成涂層，整個涂布過程區分為幕簾成形區、幕簾流動區和幕簾沖擊區等，如圖6所示。

圖6 簾式涂布過程

簾式涂布器根據涂層的多少或涂料的不同功能可分為單層和多層簾式涂布，如圖7所示。根據幕簾的成形過程又區分為狹縫式簾式涂布和坡流式簾式涂布。簾式涂布器包含簾式模頭、背輥、移動裝置、真空箱、艙外涂布及起簾接料盤、吹風管和計量泵等部件。

圖7 簾式涂布器

3.2.3 背涂裝置

紙幅在涂布干燥后，紙幅中水的質量分數為3.5%～4.0%左右。需要通過LAS背涂裝置在紙幅背面涂布一定量的水分或淀粉膠乳，再經過包覆干毯的夾套缸(熱缸或冷缸)裝置進行熨平調態處理；將單面涂布干燥后由于內應力引起的紙幅翹曲加以消除的同時使紙幅表面保持良好的平整狀態。

背涂裝置包括上料輥、轉移涂布輥、氣動壓輥及涂料槽等。上料輥是親水性的橡膠輥，轉移涂布輥為陶瓷網紋輥，壓輥為鋁合金輥或包膠輥。上料輥與轉移涂布輥之間設有調節機構，根據生產需要使兩輥中心線呈交叉或平行狀態，實現橫幅涂水量不同的目的。紙幅在壓輥與轉移涂布輥之間通過，通過壓輥可以調節紙幅在涂布轉移輥上的包角，實現涂布量的改變。

為適應熱敏紙涂布機的背涂涂料的特性，要求LAS輥式涂布器的壓輥與轉移涂布輥接觸以實現涂布均勻和消除翹曲，因此將背涂裝置的氣動壓輥更換成大直徑的包膠輥(包膠材料采用硅膠輥)。實際使用效果證明這一改型配置具有很好的背面涂布適應性。

3.3 烘干部的干燥設備及干燥器形式

3.3.1 干燥器

在高速熱敏紙涂布整飾設備中，將眾多的干燥器呈水平形式布置，并在每組干燥系統的進紙端和出紙端設置真空牽引裝置，其目的是保證涂布后的紙幅在極小張力的作用下進行烘干涂料。利用平衡式干燥箱的上、下噴嘴與紙幅張力之間形成平衡，保證紙幅不會與噴嘴產生擦碰和抖動，造成涂層破壞；在整個干燥過程中高速熱風對紙幅進行沖擊干燥，并保持直線的運行狀態，大大提高了干燥效率。

3.3.2 熱風循環干燥系統

熱敏紙涂布機干燥循環熱風的加熱介質有電、油、蒸氣和燃氣等[11]，比較經濟的是蒸氣熱交換器或燃氣熱交換爐2種方式。蒸氣熱交換器加熱會受蒸氣壓力的限制，加熱后的空氣溫度在150～160 ℃，而燃氣加熱為即熱型換熱系統，熱效率高，加熱后的空氣最高溫度能達到500 ℃。由于熱風循環系統內不需要配置熱交換器，管道壓力損失較小，因此所配用的循環風機功率可以適當減小。在熱風循環系統中相應設置有排潮風機，考慮到排除的熱空氣溫度較高，為此利用排潮排出的高溫空氣對補充的新空氣進行預熱，以節約能耗[12-15]。

基于以上考慮，新型高速涂布生產線的熱風循環系統采用互平衡式氣翼干燥器；在每次涂布后分別水平布置4～6只干燥箱，相鄰干燥箱之間不設置空隙以減少熱空氣損失；每套熱風循環系統設有單獨熱回收裝置，同時在涂布背輥后配置遠紅外干燥器對涂布后的紙幅進行穿透式加熱，以減少涂料的遷移，提高涂層質量。

3.4 壓光機

為了實現熱敏紙表面平滑度的要求，高速熱敏紙涂布機一般配置有可控中高的軟壓光機，型式有單壓區兩輥壓光機、雙壓區三輥壓光機和雙壓區四輥壓光機。在熱敏層涂布前一般布置一套單壓區兩輥壓光機，而在收卷前則布置一套雙壓區三輥壓光機或雙壓區四輥壓光機。

在新型高速熱敏紙涂布機配有2套單壓區可控中高軟輥壓光機[16]，分別布置在簾式涂布和收卷前。軟輥采用耐高壓的包膠輥，可以通過調節油壓對每個區施加不同的壓力來控制輥的中高量，實現分區可調的目的；硬輥為表面鍍硬鉻的冷硬合金鑄鐵輥，硬輥和軟輥上、下布置；下輥通過一對柱塞油缸實現加壓和快速脫輥的功能；壓光機采用單獨電機變頻驅動。

3.5 糾偏裝置及真空輥

真空輥主要由旋轉的輥體和固定的芯軸組成，輥芯上設有扇形腔，在實際使用時包覆在輥體上的紙幅包角與真空腔的扇形腔對應；輥體上加工有規則排布的通孔，通孔直徑為?4 mm，輥體表面包膠或包不銹鋼網，以增大紙幅在輥體上的吸附力。真空腔通過管道與專用抽真空風機連接，真空度大小通過調節風機轉速實現。

高速熱敏紙涂布機在簾式涂布器和熱風循環干燥系統前、后各設置有真空輥牽引裝置[17]，如圖8所示。在簾式涂布過程前后設置真空輥的目的是避免紙幅張力變動引起紙幅拉伸從而影響涂布量的穩定；而在干燥系統進、出端設置真空輥的目的是使紙幅在干燥過程中的張力盡可能小以避免紙幅收縮。

圖8 真空輥裝置

4 結論

結果表明，隨著國產噴射上料組合刮刀涂布器、簾式涂布器和真空牽引輥及可控中高軟輥壓光機等關鍵涂布整飾設備的成功開發和應用，較好地解決了熱敏紙涂布機在高速生產中易出現涂層不穩定、涂料飛濺等缺陷，對熱敏紙涂布生產線高速穩定的運行提供了可靠的保證，較大程度滿足了市場對熱敏紙的品種及質量的要求，對熱敏紙高速涂布整飾設備的發展起到較好的推動作用。