成膜物质对涂料流变特性的影响_颜进华

成膜物质对涂料流变特性的影响颜进华,陈克复　(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州510641)

摘　要:成膜物质是影响涂料流变特性的主要因素,对加工纸张涂料常用的氧化淀粉、羧基丁苯乳胶和聚乙烯醇在不同添加量情况下配成的涂料进行了系统的研究。实验结果表明,涂料呈剪切稀化特性,其剪切应力与剪切速率可用修改的幂律方程表示。

关键词:纸张涂料;成膜物质;流变性

1　前　言

成膜物质是影响涂料流变特性的主要因素,其种类和用量的不同,都会使流变特性发生改变[1～6],其中水溶性成膜物质比乳胶类成膜物质影响更大。由于流体在不同剪切速率下表现的规律不同[7,8],所以研究流变特性应分低和高剪切速率两种情况来讨论[9]。大量的实验结果表明,在高剪切速率情况下,涂料剪切应力与剪切速率之间的关系随基料的不同变化很小,都呈现较小的剪切稀化特性,且遵循幂律方程规律:

τ=KD n

其中n接近于1。为了研究成膜物质对涂料流变特性的影响,本文选择涂布纸涂料中常用的氧化淀粉、聚乙烯醇、羧基丁苯乳胶为基料在低剪切速率下进行研究。

2　实验部分

2.1　实验目的

研究颜料分散液中加入不同种类和比例的基料在低剪切速率(100s-1以下)下表观粘度的变化规律。

2.2　实验仪器

Br ookfield流变仪,Rheometrics Rhios V3.2(日本产旋转式流变仪)。

2.3　实验原料

高州产膏状瓷土,固含量61%,白度88,粒度分布为2μm以下占70.6%,5μm以下占97.6%,10μm 以下为100%。组成成分为:Al2O337%,SiO247.2%, Fe2O30.49%,结晶水13.92%,325目筛选余物0.256%;清远产轻质碳酸钙;东美食品有限公司产专用造纸氧化淀粉胶粘剂;广西明阳淀粉厂产专用涂布纸氧化淀粉;陶氏公司产羧基丁苯胶乳;上海虹桥化工厂产羧基丁苯胶乳;上海产耐碱低粘度型羧甲基纤维素;广西产1799型聚乙烯醇。

2.4　实验方法

把膏状瓷土在一定比例分散剂下分散成一定固含量的颜料分散液,根据一定颜基比配成涂料,对同一种配比的涂料通过酌量加水配成不同固含量涂料试样,静置一夜后测试。混合基料的涂料的配制是颜料混合后加入至少两种基料,制成不同固含量和组分的涂料。

3　结果与分析

3.1　单一基料的涂料流变性

3.1.1　氧化淀粉基料

氧化淀粉加量为20%,固含量为40%的涂料的流变特性见图1

。

1—30℃;2—35℃;3—40℃;4—45℃

图1　氧化淀粉加量为20%时涂料的τ-D关系曲线

对图1中曲线进行拟合,以修正的幂律方程τ= KD f(D)拟合时与实际曲线吻合较好,此时幂指数为剪切速率的函数。用该方程表达,省去了屈服应力测量的困难及不准确性,而且众多的流变学专家否认悬浮

液体系中屈服应力的存在,很多的实验证据也表明在高固含量体系下,这些涂料的剪切粘度太高,需很长时间才可能流动[10]。所以有理由认为:处理实验数据时可不考虑屈服应力,这样不但效果好,而且更能说明问题。根据这个修正的幂律方程,处理实验结果得出的τ-D关系式如下:

25℃下,τ=0.224D0.3572+0.1044l g D(1) 35℃下,τ=0.2157D0.3595+0.08226l g D(2) 40℃下,τ=0.1923D0.3476+0.09122l g D(3) 45℃下,τ=0.1846D0.3371+0.07797l g D(4)以上关系式可表示为:

τ=KD b+a lgD(5)式中,K为粘度系数,a、b为常数。

从式(1)～(4)中可知,K随温度T增大而减小,通过对K和T关联,得到K与T符合公式:

lgK=A+B

T

(6)

式中,A,B为常数,T为绝对温度,这里

lgK=-2.5652+581.62/T(7)对于与涂料自身相关的常数a、b,不同涂料的a、b值不同,但几乎不受温度影响。为便于说明比较,将上述公式合并起来,取a、b的平均值在工程上是可以的,故得通用式:

τ=KD0.089l gD+0.35(8)对氧化淀粉添加量为5%、10%、20%、25%(质量百分数),固含量为40%的涂料进行实验,将对应于(5)式中的a、b值及lgK值列于表1。

表1 不　同　氧　化　淀　粉　加　量　时　的　系　数

氧化淀粉添加量/%5102025 a0.08540.06940.0890.081

b0.33470.33380.350.386

lgK-1.7219+202.25/T-1.5186+199.76/T-2.565+581.62/T-1.267+503.25/T

从图1及表1数据可看出,氧化淀粉添加量增

大,体系的流动性质不变,都是剪切稀化流体,粘度系

数K随之增大,因而图中曲线的位置向上移动。这

是因为氧化淀粉是一种线型大分子,溶解后线团充分

伸展,伸展后暴露的极性基团增多,分子间或分子自

身由于极性作用而相互缠结,颜料粒子被固定在这种

缠结的网中,氧化淀粉添加量增大,这种缠结强度增

大,在剪切作用下,使缠结网破坏,呈现剪切稀化

性。氧化淀粉量增大,缠结结构增强,流体流动困

难,表观粘度上升,表现为粘度系数K增大。从下面的浓度与剪切应力(表观粘度)关系分析中也可说明。

3.1.2　羧基丁苯乳胶基料

选用基料加量为20%、固含量为49%的涂料进行实验,其剪切应力与剪切速率关系如图2所示。

1—25℃;2—30℃;3—35℃;4—40℃;5—45℃

图2　乳胶为20%时涂料的τ-D关系曲线

对图2中曲线,用同样方法进行拟合,所得通用表达式为:

τ=KD0.3659+0.1004l gD(9) 式中各系数见表2。

表2 不　同　乳　胶　用　量　时　的　系　数

乳胶用量/%5101520 a0.12250.11630.12820.1004

b0.41740.38210.36090.3659

lgK-2.6004+398.54/T-2.9226+133.56/T-1.8548+211.49/T-1.837+235.47/T