润滑剂是涂布加工纸涂料中的微量助剂之一,它对改进涂布纸涂层结构具有重要的作用。目前应用最多的润滑剂有水不溶性金属皂(主要是硬脂酸钙类)、水溶性金属皂、脂肪酸胺和聚乙烯蜡等。本文就润滑剂的能、润滑机理及常用润滑剂做一简单介绍。
1 润滑剂的性质与功能
润滑剂的主要作用是通过降低界面张力,使湿涂层表面的平滑性和流动性得到改善,易于在纸上流平铺展,改善涂料的涂布适应性,并通过赋予干涂层壹定的可塑性和滑移性来改善涂层表面,以较好地适应压光,并通过减少或消除起毛、掉粉来改善涂层的成品性能(如提高成纸的平滑度和光泽度等)。
理想的润滑剂应该具有均一的组成,并应具有以下性质:增加涂层塑性和平滑性;改变涂料表面张力,提高涂料流动性;改善整饰完成效果;提高印刷质量;超压时,降低或防止涂层掉粉掉毛;纸张折叠时,能减少涂层炸裂和起皱的程度。
2 润滑剂的润滑机理
润滑剂属于表面活性剂,其表面化学力对纸张涂料的行为有很大影响。涂料的黏度、流动和流平性、渗透和粘附都具有一定的胶体性质,这些性质可以通过改变涂料的表面和界面张力来影响。在纸张涂料的制备和应用中,固体(颜料)和液体(胶粘剂和水)的界面
性质至关重要,但也不可忽视气-液界面的影响。
表面活性剂能在一定程度上改变表面和界面性质。这可以通过界面和表面张力的能量变化来说明。液-固界面能量的表示和测定是相当复杂的,可用Pupre式说明:
WSL=CS+CL-CSL(1)
式中: WSL-表示内聚力
CS-固体表面张力
CL-液体表面张力
CSL-液-固界面张力
液-固界面之间的接触角H与CS、CL和CsL之间的关系如下:
CS=CSL+CLcosH(2)
由(1),(2)可得WSL=CL(1+cosH)(3)
从上面可以清楚地看出,表面和界面张力可影响涂料制备、应用和最终性质,由于润滑剂都具有表面化学活性,因此它们能改变涂料的表面和界面张力的结果,润滑剂就能影响涂料的分散性和流变性,并能适当控制涂料的渗透和粘结力。
为提高离型性,降低摩擦力,根据表面化学理论,可通过添加润滑剂,降低涂布纸涂层界面的表面张力(Cc)来达到。使用Cc小的润滑剂,可以提高离型性。图2为几种物质的表面张力Cc。根据润湿理论,作为表面化学润湿行为,物体能被比其自身表面张力低的物质所润湿,但不能被比其表面张力高的物质所润湿。图3是润滑剂在压光辊和涂布层之间呈现润滑和离型效果的模型图。
涂层表面的润滑剂比Cc较大的胶粘剂成分优先转移到辊筒上,使辊筒表面由润滑剂薄层覆盖,在涂布层成分中,由于润滑剂的Cc最低,从而在正常的情况下涂布纸的涂布层不会包覆在辊筒表面上。另外,在辊筒的表面和涂布纸的表面上,润滑剂的疏水烷基朝外取向,二者之间不形成氢键结合和强化学键结合,从
而容易离型。
2 润滑剂的种类
3.1 不溶性皂和分散物
不溶性金属皂是通过较低溶解度的金属碱或氧化物与脂肪酸或可溶性皂反应形成的,主要包括钙、铁、镁、铝、锂、锰和锌的硬脂酸皂、油酸、棕榈酸、蓖麻油酸和其它脂肪酸皂,其中硬脂酸钙由于其经济性、有效利
用率、方便等性能占主导地位。由于硬脂酸钙是水不溶性物质,因此它难于分散在水性涂料中,除非使用某种程度的剪切力,不仅可以改变它的天然形态和分布,而且也趋向于延缓它迁移到涂层表面,因此,现在工厂广泛应用的是硬脂酸钙分散体,而很少使用干的硬脂
酸钙。硬脂酸钙由于它的不匹配特性,可以作为抗掉毛掉粉剂。
3.2 水溶性皂
水溶性皂是通过易溶性碱与脂肪酸反应制得的,包括铵、钠和钾的氢氧化物,脂肪酸如硬脂酸,棕榈酸,油酸和亚油酸等。其中最常用的是硬脂酸铵,硬脂酸钠和硬脂酸钾,所有这些都是固体和无水的。可溶性皂的熔点比不可溶性皂的熔点低很多,由于它在水中
是以真溶液的形式存在,所以在涂布的过程中一直是保持良好的分散状态,同时也趋向于向原纸中迁移,正因为此,它们更多地作为涂层的增塑剂,而不象不溶性皂那样作为抗掉毛掉粉剂和表面润滑剂。
3.3 硫酸化油和磺化油
磺化和硫酸化材料一般是可溶于或可分散于水中的,磺化物是两性的,其溶液在较宽的pH值范围内是稳定的。通常纸张涂料中的产品是硫酸化油。硫酸化油由于在室温下是液态的,熔点较低,因而只作为弱效率的润滑剂,并与可溶性皂一样,在涂布的干燥过程中
一直保持分散状态,并有迁移到原纸内的趋势,因此它主要被用于对涂层的增塑、耐折和流平作用,所有这些都是较弱的保水剂,在大多数涂料配方中是限制使用的,尤其是当需要较高的湿摩擦强度的情况下。
3.4 脂肪酸脂
这类脂通常具有较低的熔点,并且是相当亲水的。由于它们是非离子的,所以在酸性和碱性pH值涂料中都是稳定的,其主要功能是作为涂料的增塑剂和耐折改进剂,但它们也在一定程度上起着润滑作用。
3.5 蜡、聚乙烯和其它碳氢化合物的乳液
近年来,碳氢化合物和蜡乳液的应用被限制在施胶压榨和压光上料槽中,它们主要是被用作于表面施胶剂和某些特殊用途的润滑剂,它们赋予涂层良好的塑性和耐折度,但也趋向于向原纸内迁移,因而作为抗掉毛掉粉作用较小,绝大多数碳氢化合物对涂料的黏度影响较小,因而不是理想的流平剂。
3.6 脂肪胺和酰胺化合物
作为润滑剂,它们能在颜料涂布时赋予纸面优良的光泽,但不能提高防掉粉掉毛作用,对黏度的影响介于碳氢化合物乳液和可溶性皂之间。
3.7 聚乙二醇和聚乙二醇醚
它们赋予颜料涂布良好的光学性质,但对防掉粉掉毛作用和抗拉毛作用较小,并在大多数涂料配方中对黏度影响较小。
3.8 大豆卵磷酯/油酸混合体
用作涂布润滑剂的最新材料是大豆卵磷酯混合体。这类二酯酰甘油酯产品据报道能提供优良的涂布流平性,减少刮刀拖痕、扫帚条,改善油墨光泽性,通常用于高浓涂布中。产品分含50%和100%活性组分两种。100%活性产品表现较差的流动性,使用过程须用位移泵或质量流量计量器直接输入涂料中。100%固
含量的产品不会因冰冻损坏,在温度30.5e下明显变稠;50%固含量的产品内含脲类物质。
润滑剂的加入地点一般是在颜料分散与胶粘剂之间,并靠近调料混合的后面。大多数润滑剂是比较容易分散在水性涂料中,不需要剧烈的搅拌,一般应避免先加润滑剂,因过度的剪切对润滑剂发挥功能不利。其用量一般是在0.5%~2.0%(绝干润滑剂对绝干颜料),这个用量也应该根据具体情况具体制定,最合理的用量应是达到预定的技术质量要求时,其最小用量。若用量太大,最好的用量一般是1.0%(绝干润滑剂对绝干颜料)。
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