涂料延展黏度對簾式涂布運行性能的影響

張曦晨劉金剛王比松李洪才

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102;2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102)

·延展黏度·

涂料延展黏度對簾式涂布運行性能的影響

張曦晨1，2劉金剛1，2王比松1，2李洪才1，2

(1.中國制漿造紙研究院，北京，100102;2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102)

應(yīng)用實驗室單張紙簾式涂布機(jī)，對分別以聚乙烯醇類增稠劑1788、丙烯酸乳液類增稠劑PR328、羧甲基纖維素 (CMC)和堿潤脹類增稠劑Top007為增稠劑的不同配方的涂料體系進(jìn)行簾式涂布實驗。結(jié)果表明，相同操作條件下，PR328體系涂層質(zhì)量較好，CMC體系下涂層出現(xiàn)了大量“火山坑”現(xiàn)象;隨著延展形變和延展速率的提高，涂層的破壞情況加劇;當(dāng)延展形變相差不大時，高速度的涂布過程更容易出現(xiàn)表面缺陷;延展黏度大的涂料體系，涂層的表面覆蓋率更高。

簾式涂布;延展黏度;運行性能

作為一種新興涂布技術(shù)，簾式涂布已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了越來越多的重視和認(rèn)可，簾式涂布具有很多優(yōu)勢，如涂層覆蓋性好、對原紙強(qiáng)度要求小、運行成本低等優(yōu)點，但存在的最大問題是運行性能不穩(wěn)定。在簾式涂布中，涂料以一定初速度從縫隙?？谥辛鞒?，形成穩(wěn)定連續(xù)的幕簾自由下落，并以一定速度沖擊水平方向運動的紙幅，完成涂布［1－2］。但是在幕簾沖擊區(qū)，涂料會經(jīng)歷顯著的加速流動，延展速率將達(dá)到105s－1以上。如果涂料的延展性能不好，很容易在沖擊區(qū)被高速紙幅拉伸而斷裂。這樣不僅影響簾式涂布的正常運行，還會造成涂層漏涂狀斑點的出現(xiàn)［3］。因此，作為造紙涂料重要流變參數(shù)之一的延展黏度會顯著影響涂布運行性能以及成紙質(zhì)量［4－5］。本課題以實驗室單張紙簾式涂布機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行上機(jī)實驗，以考察和驗證涂料延展黏度對簾式涂布運行性能的影響。

1 實驗

1.1 原料與儀器

主要原料:高嶺土MMO1，茂名高嶺土科技公司;95級重質(zhì)CaCO3(GCC)，兗州高旭化工有限公司;聚乙烯醇類增稠劑1788，北京有機(jī)化工廠;丙烯酸乳液類增稠劑PR328，北京寶威膠乳有限公司;羧甲基纖維素 (CMC)增稠劑，江陰化工有限公司;堿潤脹類增稠劑Top007，北京嘉和瑞聯(lián)科技有限公司;丁苯膠乳，陶氏化工有限公司。

主要儀器:Brookfield黏度儀，美國Brookfield公司;ACAV超高剪切黏度儀，芬蘭ACA公司;全自動振動篩和單張紙簾式涂布機(jī)，自制。

1.2 實驗方法

1.2.1 涂料配方的制定

實驗擬采用4種增稠劑 (1788，PR328、CMC和Top007)進(jìn)行配料。具體配方如下:高嶺土20份，95級GCC 80份，丁苯膠乳12份，增稠劑0.4份(其中1788用量為1.6份)，潤滑劑0.5份，抗水劑0.7份，消泡劑0.3份，表面活性劑0.3份，涂料固含量64%，pH值為8.5。

1.2.2 涂料延展黏度的測量

實驗使用ACAV超高剪切黏度儀中的EXTV附件，結(jié)合Binding模型［5］，對體系的延展黏度進(jìn)行測量。Binding模型是一種基于收斂流道法的流體延展黏度計算模型［6］，其模型的收斂流道見圖1。

圖1 收斂流道示意圖

在相當(dāng)于零長度毛細(xì)管的EXTV附件中，入口壓力降可用公式 (1)表示。

式中，PS是由剪切流動造成的壓力損失;PE是由延展流動造成的壓力損失;PK是由流體動能增加而造成的壓力損失。

根據(jù)Cogswell提出的聚合物流體收斂流道內(nèi)延展黏度的分析方法，假設(shè)在收斂流道內(nèi)體積流量固定不變，平均延展速率可用來表示延展形變速率;若延展速率固定不變，流體的延展黏度保持一定;假設(shè)圖1中入射角?為45°，PS、PE和PK的計算分別見公式(2)、公式 (3)和公式 (4)［6］。

式中，m和n分別為非牛頓流體冪律公式ηs= mγn－1(ηs和γ為剪切黏度和剪切速率)中的擬合系數(shù);Q為流體的流量;d0和d1如圖1所示，分別為收斂流道的最小直徑和最大直徑;ηe為涂料的延展黏度。

在實際測量過程中，Q、PT可以通過毛細(xì)管黏度計直接測量得到，并由此計算出剪切黏度和剪切速率，擬合出非牛頓流體冪律公式中的m值和n值，d0和d1為已知參數(shù)，這樣就可以計算出由延展流動造成的壓力損失PE，進(jìn)而計算出樣品的延展黏度ηe。

1.2.3 簾式涂布上機(jī)實驗

在實驗室中，使用自行設(shè)計的單張紙簾式涂布系統(tǒng)進(jìn)行上機(jī)涂布實驗。簾式涂布機(jī)主要由涂布模頭和兩根可帶動紙幅高速運行的電動缸組成，該電動缸的運行速度為60～390 m/min，所帶動紙幅的尺寸為720 mm×800 mm。在涂布過程中，選取螺桿泵的轉(zhuǎn)速分別為550、600、650、700、800 r/min，其相對應(yīng)幕簾的流量分別為 0.5315、0.5915、0.6515、0.7115、0.8315 cm3/s·cm，選取的車速為4、5、6、6.5 m/s。為了消除涂料中氣泡以及沖擊區(qū)處氣流層對運行性能的影響，上料前先用振動篩將涂料除氣，同時在涂布模頭前安裝去除氣流層的毛刷裝置。

1.2.4 涂料延展形變和延展速率的計算

圖2為簾式涂布過程中的主要參數(shù)示意圖。圖2中V0和Vimp分別表示幕簾的初速度和剛接觸到紙幅時的沖擊速度，VB表示紙幅 (即涂布機(jī))運動的速度，其中V0和Vimp的運行方向與紙幅運行方向VB相垂直，而S0、Simp和SB分別表示幕簾流出涂布模頭瞬間、幕簾剛接觸到紙幅瞬間以及涂料隨紙幅一起運動時涂料膜厚度。在整個循環(huán)過程中，涂料遵循流量(質(zhì)量)守恒，可以得到公式 (5)。

圖2 簾式涂布過程中的主要參數(shù)示意圖

式中，Q0為體積流量，可直接測定;S0為幕簾流出涂布模頭瞬間的涂料膜厚度，可以用模頭縫隙來代替;H為模頭出口距紙面的高度，可直接測定;VB為紙幅運動的速度，為可控已知量。因此，Q0、S0、H和VB均已知，通過公式 V0=Q0/S0，Vimp=V0+可以計算出V0和Vimp。

在簾式涂布中，涂料所經(jīng)歷延展形變和延展速率的大小是衡量延展流動劇烈程度的重要參數(shù)。在幕簾下落區(qū)的重力延展形變、在幕簾沖擊區(qū)的沖擊延展形變以及總延展形變的計算見公式 (6)，延展速率的計算見公式 (7)［7－8］。

式中，χg、χimp、χT分別表示重力延展形變、沖擊延展形變和總延展形變。

1.2.5 涂層表面缺陷的分析

實驗首先對涂布紙進(jìn)行掃描處理，然后將掃描好的圖片導(dǎo)入ImageJ圖像處理軟件中，對圖像進(jìn)行去背景、高斯模糊濾波、二值化等處理，最后利用ImageJ軟件自帶的分析計算功能，對涂層表面缺陷進(jìn)行計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 簾式涂布運行性能的定性評價

選用4種增稠劑 (1788、PR328、CMC和Top007)配制的涂料分別在不同的參數(shù)條件下進(jìn)行簾式涂布，考察涂布運行性能以及成紙的涂層質(zhì)量，延展速率對4種配方涂料延展黏度的影響見圖3。

圖3 延展速率對4種涂料延展黏度的影響

由圖3可知，當(dāng)涂料延展速率小于4.5×105s－1時，4種體系下涂料的延展黏度大小順序為:PR328＞1788＞Top007＞CMC，PR328體系下的延展黏度最高，在延展速率不高的情況下，Top007和CMC體系的延展黏度相差不多。

在實際涂布過程中，運行性能和涂料的流變性能與操作參數(shù)有著密切的關(guān)系，相同的涂料在不同的操作條件下會有不同的成紙質(zhì)量，而在相同的操作條件下，不同涂料的運行穩(wěn)定性也有差異。在涂布過程中，流量和車速是兩個最為重要的工藝條件，也對運行性能起著決定性的作用，因此，可以通過固定流量改變車速和固定車速改變流量來定性地觀察成紙涂層的破壞情況。圖4為PR328涂料體系在不同操作條件下的涂布成紙情況。

圖4 PR328體系在不同操作條件下的涂布成紙情況

從圖4可看出，隨著螺桿泵轉(zhuǎn)速的降低，成紙表面涂層的破壞也愈發(fā)顯著。當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)速為800 r/min、車速為6.5 m/s時，涂層質(zhì)量較好，有輕微破壞。但當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)速減小到600 r/min、車速為6.5m/s時，涂層表面出現(xiàn)了明顯的漏涂現(xiàn)象，繼續(xù)降低螺桿泵轉(zhuǎn)速到550 r/min、車速為6.5 m/s時，不僅漏涂現(xiàn)象更顯著，同時涂布紙前段出現(xiàn)了由氣流層而造成的大面積漏料現(xiàn)象。隨著車速的降低，成紙表面涂層的破壞越來越輕微，當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)速為600 r/min、車速為6 m/s時，涂布紙前段出現(xiàn)了較為明顯的漏涂現(xiàn)象，這很可能是高車速下幕簾與紙幅之間裹入氣流層，造成了幕簾的開裂。當(dāng)螺桿泵轉(zhuǎn)速為600 r/min、車速降低到4 m/s時，漏涂現(xiàn)象幾乎消失。

在本實驗中，主要比較了4種涂料的涂布運行情況。將不同涂料涂布后的成紙進(jìn)行掃描，在螺桿泵轉(zhuǎn)速為550 r/min、車速為6.5 m/s的操作條件下，不同涂料體系下涂層表面缺陷見圖5。

圖5 不同涂料體系下涂層表面缺陷

在圖5中可以看到，PR328體系涂層中除了氣泡造成的斑點現(xiàn)象以外，幾乎沒有出現(xiàn)尺寸在0.2～0.3 mm之間的“火山坑”現(xiàn)象。1788體系涂層明顯變薄，已經(jīng)出現(xiàn)漏涂的趨勢。Top007和CMC體系涂層已經(jīng)出現(xiàn)由于幕簾被顯著拉伸而造成的“火山坑”現(xiàn)象，其中CMC體系的漏涂狀斑點最為顯著，因此，可以認(rèn)為Top007體系和CMC體系更易出現(xiàn)運行性問題。

2.2 簾式涂布運行性能的定量評價

2.2.1 延展形變和延展速率對涂層質(zhì)量的影響

PR328、1788、Top007和CMC 4種涂料增稠劑配制的涂料在不同操作條件下，涂層的斑點指數(shù)見表1。

表1 不同操作條件下涂層的斑點指數(shù)

由表1可以發(fā)現(xiàn)，在相同的操作條件下，PR328體系和1788體系涂層的斑點指數(shù)較小，CMC體系涂層的斑點指數(shù)最大，涂層質(zhì)量最差。由圖3可知，PR328體系的延展黏度比其他3種涂料體系高很多，但其涂層質(zhì)量與1788體系相當(dāng)。PR328涂料低剪切黏度較高 (6.889 Pa·s，Brookfield黏度計，60 r/min)，氣泡很難去除，在成簾過程中氣泡的存在使得幕簾在橫向上很不均勻，涂布過程中幕簾不穩(wěn)定是導(dǎo)致該體系涂層質(zhì)量不如預(yù)期高的原因之一。在1788、Top007和CMC體系中，涂料的延展黏度和涂層的表面斑點指數(shù)呈現(xiàn)了相對較好的相關(guān)性，在延展黏度較高的1788體系中，涂層的漏涂現(xiàn)象最少，表面斑點指數(shù)最小，整體來說CMC涂料體系的延展黏度最小，該涂層的表面斑點指數(shù)最大。

為了從理論上理解操作條件對涂層質(zhì)量的影響，考察了PR328體系和CMC體系延展速率和總延展形變對表面斑點指數(shù)的影響，如圖6和圖7所示。按公式 (6)和 (7)計算出每組操作條件對應(yīng)的延展速率和總延展形變。

圖6 PR328體系中延展速率和總延展形變對表面斑點指數(shù)的影響

圖7 CMC體系中延展速率和總延展形變對表面斑點指數(shù)的影響

圖8 PR328體系下涂料延展黏度與涂層表面斑點指數(shù)之間的關(guān)系

由圖6和圖7可以看出，隨著延展速率和延展形變的增加，涂層表面斑點指數(shù)也呈增加趨勢。這說明，不僅延展形變對表面斑點指數(shù)有影響，對涂料所施加形變的快慢，即延展速率也有影響。在實際生產(chǎn)中，需要密切關(guān)注涂布車速對涂布質(zhì)量的影響，因為隨著涂布車速的增加，延展速率也增加。

對比圖6和圖7可以看出，在相似的延展速率和總延展形變下，PR328體系中表面斑點指數(shù)較CMC體系中表面斑點指數(shù)少，說明PR328體系的涂層質(zhì)量較好，即涂料本身的性能對涂層質(zhì)量有重要影響。

PR328體系在相同泵轉(zhuǎn)速、不同車速下，延展黏度對涂層表面斑點指數(shù)的影響如圖8所示。由圖8可以看出，在PR328體系中，當(dāng)涂料的延展黏度小于8 Pa·s時，隨著涂料延展黏度的增加，涂層的表面斑點指數(shù)大致呈現(xiàn)下降趨勢，但涂層表面的斑點指數(shù)較高，簾式涂布的運行性出現(xiàn)了較大問題。

總之，在簾式涂布中，通過尋求特殊增稠劑、增加固含量、調(diào)節(jié)顏料配比，在一定范圍內(nèi)增加涂料的延展黏度，有助于保持和改善簾式涂布的運行性能。

3 結(jié)論

3.1 在涂布過程中，通過固定流量、變化車速和固定車速、變化流量的方式來觀察成紙性能是一種簡單、可行的評價方法。在本實驗中，對比了相同操作條件下，不同涂料體系的成紙表面缺陷，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，CMC體系下的涂層出現(xiàn)了大量的“火山坑”現(xiàn)象，PR328體系的涂層質(zhì)量較好。

3.2 延展形變和延展速率是評價運行狀態(tài)、成紙質(zhì)量的重要參數(shù)。在實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著延展形變和延展速率的提高，涂層的破壞情況加劇;當(dāng)延展形變相差不大時，高車速的涂布過程更易出現(xiàn)表面缺陷。

3.3 當(dāng)不同配方的涂料經(jīng)歷相同的延展流動時 (相同的延展形變和延展速率)，延展黏度大的涂料體系下的涂層質(zhì)量更好、涂層覆蓋率更高，因此在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加涂料的延展黏度，有利于保持和改善涂層質(zhì)量以及簾式涂布機(jī)運行性能。

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(責(zé)任編輯:董鳳霞)

Influence of Extensional Viscosity of Coating Color on the Runnability of Curtain Coating

ZHANG Xi－chen1，2，*LIU Jin－gang1，2WANG Bi－song1，2LIHong－cai1，2
(1.China National Pulp and Paper Research Institute，Beijing，100102; 2.National Engineering Lab for Pulp and Paper，Beijing，100102)
(*E－mail:zhangxichen01@hotmail.com)

The experiments were carried out by using laboratorial sheet－fed curtain coater and coating colorswith different formula.The results showed that as the increase of extensional deformation and extensional rate of the coatings，the surface defects of coating layers were more serious;the coating under highermachine speed wasmore easily to appear surface defectswhen the extensional deformation of the coatings was at the similar level;the coating color with high extensional viscosity tended to produce the coating layer with high coverage.

curtain coating;extensional viscosity;runnability

張曦晨先生，在讀博士研究生;主要研究方向:生物質(zhì)精煉。

TS758+.1

A

0254－508X(2014)03－0006－05

2013－10－25(修改稿)