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1、刮刀、薄膜和帘式涂布技术及其对纸张表面性能的影响摘要：用帘式、传统刮刀和薄膜涂布技术对定量为 38 g/m2的原纸进行低定量涂布（LWC）；采用多种新型和传统表面特性分析方法研究了涂布纸的纸张性能，其中包括光学性能、粗糙度、涂布量分布及压缩均一性；对比了3种不同涂布技术对涂布纸表面特性的影响。结果发现：帘式涂布可获得最均一的涂布量和表面粗糙度，能很好地保留松厚度，比刮刀和薄膜涂布的纸张更具有可压缩性。通常，对纸张涂布以获得更均匀的表面。涂布纸主要是用于对印刷图像要求较高的信息和广告，要求图像均一性好、锐度和光泽高。可采用几种涂布技术达到表面特性要求。一种最普通的技术是在原纸表面涂一层由颜料和黏
2、合剂组成的液体悬浮液，形成多孔表面薄层。该技术独特之处在于涂布应用于纸张，分为接触式和非接触式技术。接触式技术已被很好地确认并广范应用。直接接触是上涂装置或计量装置与原纸间的接触，而在非接触式技术中完全不存在直接接触。目前，在线涂布、提高车速、运行性能和成本效率高要求的趋势是推动涂布技术发展的动力。需要提高纸张表面性能，如光学均一性、原纸覆盖率及消除涂布工艺引起的表面缺陷，是现代涂布技术发展的又一动力。针对上述要求，非接触式涂布技术具有明显优势。消除了与纸张表面的直接接触，可避免涂布纸中的缺陷及条痕，如所熟悉的刮刀涂布和薄膜涂布。这将减少纸幅断头的风险，提高运行性能和成本效率。非接触式技术与质
3、量相关的益处是没有喷雾和薄膜裂口，涂层均匀且厚度不受原纸粗糙度的影响。帘式涂布及喷雾涂布是应用于造纸工业的两种非接触式涂布技术。喷雾涂布似乎最适用于低定量涂布（LWC）。帘式涂布的优点是涂布速度和涂布量的操作范围广，伴随多种应用的可能性，从特种涂料到颜料和屏蔽涂料。帘式涂布在非造纸工业的其他领域（如巧克力涂层制造）已有100 多年的历史，在造纸工业的特种纸生产中也有10 多年的历史。目前，帘式涂布技术正开始用于印刷纸生产。与其他应用相比，印刷纸在相当高的速度和较大的基板宽度下生产。因此，帘式涂布必须满足这些较高的生产要求。至今研究的重点主要是物理流体性质、操作条件、工艺及设备形状等工艺参数，描
4、述涂布纸本身的研究却很少。对于LWC纸，帘式涂布可在相对低的涂布量下提供良好的覆盖率。据报道，帘式涂布的覆盖率优于薄膜涂布和刮刀涂布，涂层厚度非常均一。有人透彻分析了涂层孔隙结构，指出帘式涂布产生均一的涂层结构，具有比刮刀涂布更细小的孔隙。帘式涂布细小孔隙的均匀分布及透水性导致油墨快速均匀固化，且工业印刷试验表明，出现斑点的可能性较低。关于帘式涂布生产的涂布纸的特性方面的数据非常少又比较空泛。本研究的目的是更深入地表征帘式涂布生产的涂布纸的各种性质，了解帘式涂布技术相对于传统涂布技术的典型特征、发展潜力和局限性。采用刮刀、薄膜和帘式涂布技术试验涂布了LWC 纸，研究了涂布纸的表面特性。这几种涂
5、布技术的差别在于：刮刀涂布的涂料是借助刀片计量涂于原纸表面，产生的是无填充涂层；在薄膜涂布中，一定剂量的涂料是通过辊子涂于原纸表面，形成一个明显的等高涂层；在帘式涂布中，涂料是以自由下落的液体幕帘涂于原纸表面，涂层具有高精密等高的特点，对原纸表面的覆盖性最好。在刮刀涂布过程中，涂料最先作用于基质，然后直接计量涂于原纸表面，称之为直接涂布。相反，薄膜和帘式涂布技术是间接式涂布，涂料在作用于基质前就进行计量。本研究中，帘式涂布纸的涂布量均一性最好，但表面粗糙。采用STFI-Packforsk 最近开发的局部接触应力分析仪研究压缩过程中的接触作用和压缩均一性。刮刀涂布和薄膜涂布对涂布纸松厚度的降低程
6、度显著高于帘式涂布，压缩中，压力相当均匀地分布于接触式涂布纸表面平直的纤维絮凝物上。相反，帘式涂布纸上的压力分布最不均匀。尽管帘式涂布产生粗糙的表面，压缩中压力分布最不均匀，但由于其具有高度灵活的可变形表面，表现出良好的接触特性。1实验1.1原料原纸：由50% 长纤维和50% 磨木浆组成，填料含量9%，经纸机硬压区压光；正面和底面的粗糙度分别为6.4 m 和4.9 m（正面和底面的划分是依据抄造纸机的Centri 压榨）；压光后比容为1.66 cm3/g，白度为69%，不透明度为83%，定量为38 g/m2。1.2实验方法1.2.1涂布实验在德国Heidenheim 的Voith 中试涂布试验
7、机上进行帘式涂布，在德国Ludwigshafen 的BSF 中试涂布机上进行刮刀和薄膜涂布；刮刀与帘式涂布的速度为1600 m/min，薄膜涂布的速度为1350 m/min（降低薄膜涂布速度是为了确保3 种涂布技术尽可能具有相同的涂料配方，当薄膜涂布速度为1600 m/min 时，需要大幅度调整涂料配方和流变性）。涂布纸每面涂布量为10 g/m2（该类商业涂布纸的常用涂布量）。涂布纸在十辊多压区软压光机（德国Krefeld 的Voith 技术中心）上压光。为模仿当今大多数配备机外压光机的LWC 纸机，设定压光速度1100 m/min、温度120、线负荷350 kN/m，并保持恒定。纸的每面经过
8、4 个压区。因为在线压光是薄膜涂布LWC 的要求，补充了压光速度为1600 m/min 的压光试验。涂料采用典型的中欧热固型轮转胶版印刷LWC配方：70 份精细CaCO3，30 份精细高岭土，12 份乙烯- 丁二烯胶黏剂。对于薄膜压榨配方，由于运行原因，用淀粉部分代替合成胶黏剂，因为淀粉在这些配方中非常典型。因没有淀粉，涂料固含量为66% 时不能运行。配方的主要区别在于增稠体系，为满足水的留着和流变性的特殊要求，需为特定的应用技术单独选择增稠剂。增稠剂用量范围为0.15 0.39 份。涂料中还含有0.5 份硬脂酸钙和0.5 份荧光增白剂。涂料固含量为66%，布氏黏度为1100 1250 mPa
9、.s。1.2.2分析与检测表面粗糙度（PPS-10） 按照ISO87914 测定。通过分界滤波器计算光学增白剂（OBAs）的影响，分别按照ISO2471 和ISO9416 测定不透明度和光散射系数。按照ISO534 测定比容。表面轮廓采用立体光度法通过规格为30 mm30 mm 的纸样测定。用高度图说明局部平均高度偏离值。用燃烧实验直接描述涂层涂料量的分布。涂布纸浸渍于质量浓度为25 g/L 的氯化铵的等量水和乙醇溶液中。干燥后，在225下热处理3 min 炭化所有纤维物质，在涂料仍为白色时将原纸翻面。对燃烧处理的纸张图像分析，通过灰度变化反映涂料量分布。为减少扫描仪对测定可靠性的影响，在标准
10、框的帮助下将灰度转化成更准确的反射率，结果以不同波段下反射率的标准偏差（假设未压光样品涂层透气度不变）表示。反射率标准偏差高说明涂层涂料分布不均匀。用燃烧实验评价压光对涂层透气度的影响。根据库贝尔卡芒克相互关系，经燃烧处理的纸张，每点的反射因子决定于光散射系数和涂布量，假设白色纸的光吸收小而底色纸（原纸）的反射因子恒定。如果涂层具有基本恒定的透气度和孔径分布，可认为是未压光纸张，其光散射系数恒定。因此，认为反射率的标准偏差可作为涂布量标准偏差的直接检测方法。然而，压光降低透气度和光散射系数，透气度变得不均匀，导致光散射系数不恒定。在压光涂层中，反射率的标准偏差不再仅是衡量涂布量变化的方法，也可
11、衡量由光散射系数和涂布量所产生的光散射能量的变化。假设即使经过压光以后，涂层分布仍保持恒定，则压光涂布纸与未压光涂布纸的质量分布的比值可反映压光导致透气度不均匀的程度。比值越大，压光对透气度均一性的影响越大。采用LCSA 局部接触应力分析法研究接触特性，该方法是在伺服液液压机中应用高分辨率压敏胶片，通过图像分析计算纸张表面的压力分布。样品置于光滑平板和定位玻璃板上的压敏胶片之间，在设定压力下开始压榨并逐步增加压力，每一压力持续30 s，用一个电荷耦合器件照相机捕捉压敏胶片上图像的灰度变化。校正功能将灰度图像转化成每一像素代表样品各点压力的压力图像。图像尺寸为12.6 mm9.5 mm，空间分辨
12、率为12.3 m。采用的平均压力分别为1、2、4、7 和10 MPa。LCSA 法和压敏胶片由STFI-Packforsk 开发。2结果与讨论2.1光学性能原纸及涂布纸的不透明度和光散射系数如图1 所示，未涂布纸的不透明度和光散射系数最小，涂布纸的较高；压光前后的趋势相同：帘式涂布纸的不透明度和光散射系数最大，其次是薄膜和刮刀涂布纸。图 1不同纸张的不透明度和光散射系数2.2表面粗糙度PPS 粗糙度如图2 所示，原纸最粗糙，帘式涂布纸和薄膜涂布纸略粗糙，刮刀涂布纸最光滑。压光后，所有涂布纸更平滑，但仍有差异。由涂布纸及未涂布纸表面高度图提取的表面轮廓曲线见图3。表面轮廓均一性的详细信息如图4
13、所示，图4 中描绘了涂布纸和未涂布纸的表面高度的标准偏差与波长的关系。由图4（a）可见，在1 8 mm 的长波段内，未涂布纸表面粗糙度的变化最明显，其中刮刀涂布纸变化最小，帘式涂布纸变化最大。在整个波段，帘式涂布纸的曲线与未涂布原纸的类似。图 2涂布纸和未涂布纸的PPS粗糙度压光可减小刮刀和薄膜涂布纸的粗糙度，尤其在0.125 2 mm 波段。在 2 8 mm 长波段内的不均一性波动较小，尤其是刮刀涂布纸。压光帘式涂布纸表面轮廓的不均一性在0.125 8 mm 波段内减小，所有涂布纸压光后表面轮廓的不均一性相似，其中帘式涂布纸比薄膜涂布纸和刮刀涂布纸略粗糙。2.3涂布均一性燃烧涂布纸的灰度图像
14、如图5 所示。2 种接触式涂布纸与帘式涂布纸间的明显差异在于涂层的均匀程度。在接触式涂布纸中，发黑原纸在少量涂布部位发光。帘式涂料更均匀地覆盖原纸，正如图6 所示。帘式涂布纸的涂层厚度更均匀，且与原纸粗糙度无关。此外，帘式涂布纸可较好地保留松厚度，因为在涂布过程中，原纸的低密度区未经过任何计量装置的压缩。燃烧处理后样品的反射率标准偏差是一种间接的涂布量测量方法。如图所示，所有涂布纸在短波段范围内涂布量变化最大，而在较长波段范围内变化最小。在整个波段范围内，由帘式涂布技术产生的涂层变化最小，在0.25 2 mm 短波段内，最大的差异在于纤维。刮刀涂布技术具有最均匀涂布量分布反应了其无填充的特点。
15、图显示了压光和未压光纸反射率标准偏差间的比值，说明透气度受压光处理影响。虽在压光后帘式涂布纸的透气度分布仍最均匀，但图表明其受到的影响要大于薄膜和刮刀涂布纸，尤其在0.25 2 mm 短波段内。刮刀和薄膜涂布纸的透气度均一性受到的影响较小，可能是由于它们的原始涂布量分布更均匀。2.4压缩及压缩均一性不同技术在涂布或计量点采用的机械压力明显不同，生产涂布纸的结构可能不同。压光前后涂布纸的比容如图9 所示，与2 种接触式技术相比，帘式涂布技术生产的涂布纸具有更高的松厚度。然而，压光后比容相对降低，其中帘式涂布纸下降最大，说明压光中紧度的降低在刮刀和薄膜涂布中分两步完成，而在帘式涂布压光中仅需一步。
16、压光后比容的差异非常小，看来帘式涂布在压光过程中失去了一些优势。表面压缩均匀性是另一重要性质。因为涂布纸具有不同的表面形貌特点和不同的涂布量分布，估计它们能显示出不同的压缩模式。图10 为压缩纸张局部压力分布的压力图。 对于所有的3 种涂布样品，已证明原纸的显著影响。即使原纸被涂层覆盖，压力分布仍受原纸均匀形式的影响。原纸表面的承重纤维和网痕在压力图中存在明显差异。除原纸的显著影响外，涂布技术间的差异也非常明显。刮刀涂布的压力分布最均匀（ 图10 b），帘式涂布最不均匀（图10 d）。低压区域可以解释为低纸张密度区域，而局部高压区域相当于纤维多重交叉点、网痕和絮团等承重区域。由图11 可见，所有纸张的压力标准偏差随着施加压力的增加而增加。原纸及等高线涂布纸具有较高的粗糙度，均匀性较刮刀涂布纸差。不同波段的压力分布情况如图12 所示，在较短波段范围内不均匀性最明显，承载纤维交叉点及网痕显示了它们的影响。随着施加压力的增加，接触区域
