表面施胶剂的种类及作用

表面施胶剂的种类及作用
许夕峰 靳光秀 梁福根 吴晓敏
(杭州传化华洋化工有限公司，杭州311231)
摘 要：本文对表面施胶剂进行了分类，并对每类产品的性能及在不同纸种中所起的作用进行了介绍。

关键词：表面施胶剂 造纸 印刷适应性
1 前言
施胶的目的是使纸或纸板具有抗拒液体(特别是水和水溶液)扩散和渗透的能力。

表面施胶[1，2]指的是湿纸幅经干燥部脱除水分至定值后，在纸的表面均匀地涂施适当的胶料的工艺过程。

在现代的造纸技术中，表面施胶已成为纸页表面施胶处理的主要形式，其作用不仅仅局限于赋予纸张一定的抗液性，在某些情况，则更加强调其对纸张印刷性能、纸张表面性能的改善。

因此，也有将表面施胶称为表面改性或表面增强的。

近年来，随着纸张表面施胶工艺的发展，许多化学品公司都研发生产出能适合纸张表面施胶用的化学品。

本文将主要介绍表面施胶化学品的种类及其在不同纸种中发挥的作用。

2表面施胶剂的种类
2．1传统表面施胶剂
淀粉是最常用的载体，也是施胶压榨中用量最大的化学品。

有关这方面的文献报道很多[3，6]，这里需强调的是阳离子淀粉及酶转化淀粉。

阳离子淀粉[7]可与纤维形成离子键，因此在损纸回抄的过程中可更多的留在纤维表面，降低白水的COD，有利于环保。

酶转化淀粉[8]是一种生物变性淀粉，其转化结果与氧化淀粉相似，都是将淀粉的长分子链水解为短分子链。

酶转化淀粉的制备工艺比较简单，可现制现用，较常用的氧化淀粉，其最突出的优点是使用成本很低，因此越来越受到纸厂的青睐。

除淀粉外，PVA、CMC及海藻酸钠[9]有时也作为载体应用在施胶压榨上。

这些化学品都具有良好的成膜性，可封闭纸张的毛细孔。

2．2合成聚合物表面施胶剂[10-14]
合成聚合物表面施胶剂在现代造纸工业中具有极其重要的地位。

与传统的浆内施胶剂不同，它们是专门为表面施胶而设计的，是目前表面施胶剂的主流产品。

该种表面施胶剂主要可分为三种类型：①水溶性聚合物表面施胶剂(SMA及SAA类)；②聚合物水分散液表面施胶剂(SAE类)：③聚氨酯水分散液表面施胶剂(PUD类)。

2．2．1水溶性聚合物表面施胶剂[15-18]
这些水溶性聚合物主要是苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA类)及苯乙烯-丙烯酸共聚物(S 从类)的铵盐、钠盐或混合盐。

产品随着纸机系统向中碱性转变而逐渐兴起，主要用来克服浆内滥用AKD后，纸面摩擦系数的过分降低。

SMA、SAA均为阴离子聚合物，其水溶性来自于羧酸盐的解离，因此不能在低pH环境中使用。

SMA、SAA类产品的作用发挥，往往要借助某些阳离子物质。

如聚合物长链中的羧酸根离子在A13+的协助下吸附在纸页表面，而疏水的苯乙烯基团朝向纸面外，从而赋予纸页一定的抗水性。

SMA、SAA产品也有一定的成膜能力，可改变纸页的透气度，增大原纸表面的摩擦系数。

影响这类产品性能的因素有很多。

聚合物的分子量既影响产品的施胶效果，又影响产品的成膜能力。

分子量高，其施胶效果越好，成膜能力越强。

盐的类型也会影响聚合物的性质，一般来说，铵盐由于易于解离，使聚合物具有更好的施胶效果；而钠盐的成膜能力较强。

与其它类型的聚合物表面施胶剂相比，这类产品在使用过程中会产生大量泡沫，从而影响施胶压榨效果的稳定性，限制了其在造纸工业中的应用。

2．2．2聚合物水分散液表面施胶剂
这类产品化学组成主要是苯乙烯-丙烯酸酯共聚物。

SAE类产品可以制成阴离子型的，也可以制成阳离子型的。

阳离子产品与纤维结合能力强，主要用在阴离子物质较多的系统中，而阴离子产品则被广泛用于多功能办公用纸的生产中。

SAE类产品的作用机理与SMA、SAA类产品不同，它往往不能在纸页表面成膜。

从结构上讲，水分散液中粒子的中心为疏水性的核，其周围为亲水性的保护胶体，疏水核通常为弱离子性或非离子陛。

当产品施于纸张表面后，疏水核由于受热在纸页重新分布或部分渗透到纸页内部，最后通过氢键与纤维结合，从而通过改变纤维表面能来赋予纸张一定的抗水性。

SAE类产品生产工艺简单、环保，本身与其它化学品具有良好的兼容性，在实际使用过程中不易产生泡沫，目前已逐渐成为合成表面施胶剂中的主流产品。

2．2．3聚氨酯水分散液[19]
聚氨酯的分子结构是在低分子量的聚合物骨架上伸出许多疏水基团。

阳离子产品可以直接吸附在纤维上，阴离子产品也需要在阳离子物质的帮助下与纤维结合。

在后烘干部，聚氨酯分子受热后，其疏水基团可绕分子骨架旋转，从而使亲水基团与纤维表面平行，疏水基团朝向纸面外。

较其它合成聚合物表面施胶剂，聚氨酯类产品可赋予纸张更高的抗水性，其效果可与AKD和松香胶相媲美。

与AKD不同的是，PUD类产品没有熟化期，不会降低纸面的摩擦系数，也不易水解。

但其相对较高的使用成本，也限制了其在造纸工业中的推广。

3表面施胶对纸张性能的改善
纸张通过表面施胶后，许多性质都会得到改善[20-21]。

如抗水性得到提高，表面强度及表面摩擦系数得到改善，透气度降低等。

表面施胶剂可用在不同纸种的生产过程中，其所起的作用也有不同。

3．1文化用纸
文化用纸除了要求有抗水性外，也非常强调印刷适印性及在印刷机上运行性能。

近年来，随着喷墨打印及高速印刷机的普及，对纸张适印性的要求越来越高。

因此在现代造纸工业中，往往采用表面施胶与浆内施胶相结合的方式来提高纸张性能。

一般来说，表面施胶对纸张施胶性能的贡献相对较小，其主要改善纸张的适印性及运行性。

下面按不同的印刷方式分别阐述表面施胶剂的作用。

3．1．1喷墨打印
喷墨打印就是通过将墨滴喷射到打印介质上来形成文字或图像。

高品质的喷墨打印要求色彩艳丽，图像边缘清晰，打印区域无墨点，油墨干燥速度快。

由于喷墨打印中使用的墨水是水性的，因此纸张表面的抗水性是影响印刷适性的关键因素。

表面施胶剂，尤其是SAE 类产品可通过改变纸张的表面能及与水的接触角来改善喷墨打印性。

总的来说，使用表面施胶剂后，喷墨打印纸的如下性能得到了改善：
①喷墨打印密度；
②文字边缘起毛；
③纸张洇色现象。

随着喷墨打印技术的不断进步，打印速度也不断提高，这便对墨水在
纸面的干燥速度提出了新的要求。

为了达到这一要求，一些先进纸机会在施胶压榨处添加少量的颜料(3—5g／m2)，以提高纸面对墨水的吸收能力。

3．1．2激光打印及静电复印
表面施胶剂主要可以改善纸张对墨粉的粘附力。

墨粉包含树脂及颜料，常用黑色墨粉中的树脂通常是苯乙烯-丙烯酸共聚物。

因此，SAE类表面施胶剂可较好地改善纸张对墨粉的粘附力。

很多方法均可评价墨粉的粘附力，其中常用的方法是将一条有粘性的胶带粘附于印刷区域，在一定条件下将胶带剥离，比较剥离前后的打印密度即可得到保留打印密度(RPD)。

保留打印密度越高，墨粉的粘附力就越好。

3．1．3胶版印刷
胶版印刷中最关心纸张的表面强度及耐水性。

在印刷中常以纸张表面的掉毛、掉粉程度来衡量其表面强度。

纸张的表面强度越高，在印刷中越不易发生掉毛、掉粉，印刷效率越高。

胶版印刷中，纸张要保持湿润状态，耐水性越好的纸张，湿拉毛强度越高。

淀粉是使用最广的表面增强剂，但需进一步提高纸张表面强度时，就要添加聚合物表面施胶剂。

SMA、SAA类表面施胶剂的抗水性有限，一般不适合胶版印刷纸使用。

SAE类产品，对纸张表面强度的提高较为明显。

另外，由于它可改变了纸张的表面能，同时也增加了印刷过程的油墨转移率。

3．2高档涂布纸
这种纸上使用表面施胶剂的目的是赋予纸张一定的抗水性，以防止在涂布过程中胶粘剂等向纸页内部的渗透。

如在无碳复写纸表面使用表面施胶剂，可有效阻止涂料组分中微胶囊的渗透，在涂布标签纸的生产中防止胶粘剂的渗透。

与AKD相比，表面施胶剂的作用发挥不需要熟化，这对高速涂布纸生产线尤为重要。

表面施胶剂选择主要根据是纸张的涂布处理工艺及用途。

如果需要重度施胶，可选用聚氨酯型表面施胶剂，但聚氨酯的高抗水性也降低了涂料中粘合剂与纸面的粘合力。

SAE类表面施胶剂的抗水性稍差，但可保证涂料与纸的粘结力。

3．3涂布白板纸
涂布白板纸的生产过程中大量使用二次纤维，因此纸机系统中含有大量阴离子垃圾，致使浆内施胶效率不高，这时需要用表面施胶进行施胶补强。

阳离子的SAE类表面施胶剂是在这种纸上广泛使用的表面施胶剂。

4、结语
随着造纸工业的快速发展，表面施胶也成为造纸生产中必不可少的工艺过程。

造纸化学品的表面添加也愈来愈受到重视。

但即便表面施胶中化学品的留着接近100％，纸张最终的使用效果仍受到原纸品质的影响。

因此在湿部处理及表面处理中寻求平衡，才是最为经济有效的方法。