高速薄膜涂布过程中橘皮纹形成的研究.pdf

重点论述———涂布加工技术"#$%&’()*+,’#-#(.

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与传统的刮刀涂布相比，计量薄膜涂布已成为一种更为流行的涂布方法。计量薄膜涂布不像刮刀涂布，在其涂布压区出口处有一个涂料膜的分离过程，这可能会导致雾溅和橘皮纹的形成。在高速薄膜涂布中，出现的运行和质量问题主要是雾溅和橘皮纹。大量的研究致力于高速薄膜涂布机上的雾溅问题，关于橘皮纹形成原因的研究却很少报道。

严重雾溅时可出现严重或轻度橘皮纹，而轻度雾溅时也可发生严重的或轻度的橘皮纹。这说明橘皮纹形成的影响因素与雾溅的不同。本研究较系统地评估了高速薄膜涂布中橘皮纹形成的影响因素。其目的是研究不同涂料、原纸和纸机运行参数对膜分离质量的影响。

力导致涂料细丝断裂。涂料在离开涂布压区时被拉成较长的细丝，表面张力使细丝断裂变成小的雾滴。一种新的观点认为膜分离过程和支配因素是统一的。该机理中关键参数是膜的厚度、涂料的固化、涂布速度以及表面张力和黏弹性特性，包括涂料的实际黏度。图&右表明另一种机理，涂布速度提高时，涂布消耗的动能量增加，超过涂料的内聚能。这表明在高速条件下，形成的离心力对不均匀的涂料膜有影响，并将涂料液滴抛向空中，使不平的涂布区变得更加不均匀。涂布的不均匀可能是由于细丝断裂、原纸表面粗糙或不均匀的涂布计量引起的。根据这一机理，只有当离心力超过表面张力时才会形成液滴，因表面张力可将细丝固定在松散的涂料上。当细丝尺寸超过一定的临界值时，就会发生这种现象。当涂布速度增加时，细丝临界尺寸下降，会喷射出大量的小液滴。工业化的涂布速度下，离心力产生的液滴预计比因表面张力断裂产生的液滴大一个数量级。

高速涂布时，控制雾溅的关键因素是涂料的黏度。高速下，涂料黏度高，离心力作用可阻碍涂料的流动，涂布消耗的动能会增加。另一个重要因素是涂料的固化速度，因为固化速度决定形成细丝的非固化层的厚度。原纸的平滑度对雾溅程度也有很大的影响，尤其在速度较高（&’(()*)+,）时。因此，本研究中，对高速情

!橘皮纹的形成机理

（"）固早期的研究已提出，膜分离过程有!个阶段：

化、（#）细丝形成和断裂、（$）涂料均化。早期有关雾溅和橘皮纹形成的许多讨论集中在涂料的固化阶段，没有考虑细丝形成和断裂机理或其后的涂料均化作用。

一般认为，膜分离取决于非固化涂料层的厚度和涂布压区外延流动区域内细丝的形成和断裂。因此，固化速率（涂料固含量、脱水率和不流动点固含量）、涂布量、涂料弹性及涂料黏度均是影响膜分离的重要参数。

橘皮纹的形成是膜分离过程中由涂层不均一性和分离后这种非均一体流动和均化引起的。由于细丝断裂，涂料均化可部分或全部消除表面的凹凸不平，但均化并不影响液滴的形成。在涂料极度均化的情况下，雾溅和橘皮纹形成没有线性关系。本研究将考察膜分离作用与涂料均化作用对高速薄膜涂布中橘皮纹形成的影响。

细丝的形成和断裂存在%个作用机理，可单独起作即表面张用也可同时发挥作用。图&左说明传统机理，

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图&两种力引起的细丝断裂

&&

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况下这些因素与橘皮纹形成的关系以及雾化与橘皮纹的关系给予了重视。另外，通过选择均化程度及剪切后再生结构不同的增浓系统来考察涂料的均化作用。

!!!

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涂料固含量（789:1/9）（=:.份）;<;用量

.种疏水性改性乙氧基氨基甲酸碱性膨胀

增稠剂（2>?@AB>）

!!

!试验

在瑞士2"#3+*的4"5中试涂布机上进行试验。标准

平滑与沟纹计量棒

纸幅绕背辊和空气转向装置运行压光与未压光的原纸除气装置开和关

!!

配方和操作条件见表6。

表"

标准涂料配方和操作条件

标准配方

细研磨碳酸钙O份英国瓷土O份

苯乙烯丁二烯胶乳O份;<;O份增白剂O份(2值固含量O9

标准操作条件

.

原纸定量O3 IQ（含磨木浆R!;原纸）

涂料配方和流变学参数见表.。固定剪切力和黏弹性特性用&CDEFG)?4B.===流变仪测量。存储模量和损失模量在张紧度69、频率62H下用&)EG)$E测量。

7=7=6=6=-6P-716

和橘皮纹数据。用黑纸收集雾滴并收集雾溅（图.）测量其尺寸分布。用氯化铵燃烧测试法和;#"%)@+%着色法（6IF*和.IF*数据）以及&#JKL)’印刷条的方法评估膜分离对涂布表面非均匀性的影响。然后，这些样品通过对照标准板目测分级。印刷后的&#JKL)’样品通过6=个评判员来分级，用MC’#EN"*成对比较法确定橘皮纹形成程度的量化值。在这种方法中，每一样品均需与其余所有样品进行比较，挑出一对中较差的6个。用这数据组中最好的种分析法建立=:7级橘皮纹衡量标准。样品定为=级，而最差的定为7级。

用平板扫描仪（分辨率1==%(F）和商业软件包对经过着色和印刷后的样品进行图像分析。用变量的标准偏差除以平均值后的平方表示质量指标，其结果由图像分析数据计算。这些图像分析结果再与用逐步多元回MC’#EN"*分级结果进行比较。此外，

归法分析MC’#EN"*橘皮纹分级与几个工艺参数和流

/S6/==6S每次涂一面

6.开

沿着不锈钢控制辊（见图.）

速度OI IF*Q6涂布量O3 IQ.涂布

计量棒（平滑棒）直径OII除气装置纸幅定位

本研究分.步进行。一是用标准配方，考察操作条件和原纸质量的影响。二是在恒定（标准）纸机条件下考察配方的影响。研究参数有：

表!

配

方

固含量O916-61=-81=-S1S-P71-116-/16-61/-11=-81=-8

涂料固含量和流变学特性

7BQ6剪切黏度OI&) ES6W=/.==6.7=/.8=6=8=SP/=.16=1P=.S6=O

7===BQ6剪切黏度OI&) E

S786S688./7/7SS//=O

存储模量O

&)6/P/11W=/6P8P61S6S.6P.P7O

损失模量O

&)6P1/6.766..S6W77.O

相角度（OV）8-68-P8-81-WP-/P-.P-P67-S66-/O

T#""UKF+$%黏度（6==#OIF*） EOI&)

S66=/WP=6SP=/P==6/6=.1S=.6/=76=S61=//W=

（6份）标准;<;)用量高;<;用量（.份）低;<;用量（=-7份）高固含量（6份;<;）低固含量（6份;<;）=-S份2>?@AB>L6=-.份2>?@AB>.无增稠剂，高固含量除气装置（开）S份BRB，

无除气装置S份BRB，

注

)LGG

羧甲基纤维素

疏水性改性乙氧基氨基甲酸碱性膨胀增稠剂月桂硫酸钠

6.

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重点论述———涂布加工技术图5试验期间观察到的雾溅

变学参数间的关系，找出对橘皮纹影响最大的参数。

!结果与讨论

!"#

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用几种不同的方法评估橘皮纹形成的程度。用氯

化铵燃烧测定法（!"#）测定未压光的涂布纸样品，并进行分析，测定涂布量分布变化。膜分离引起的涂层不均匀将以!"#中不均匀的涂布量分布显示出来，希望这与橘皮纹的形成相关。试验发现，!"#样品的平均密度与涂布量有很好的线性关系，表明试验确实能反映涂布量的变化情况。然而，涂布量的变化与用印刷样品所确定的橘皮纹等级不相关。同样，$%&’()*’着色法也反映出了涂布的不均匀性，但$%&’(视觉分级结果不是与!"#结果不相关，就是与印刷样品的等级评定不相关。

+%,-.(/印刷样品视觉评估是测定橘皮纹的最佳方法。图0是“好”和“差”橘皮纹图案。采用实验部分所描述的#1/%23&4成对比较分析法来评定+%,-.(/印刷样品的橘皮纹等级，均与图像分析结果进行比较，但5种分

析法之间并没有相关性。

图0

+%,-.(/印刷样品实例

图6是图0两个样品距离为7899的标准强度扫描图。试验发现5个样品强度偏差的振幅相似，波长大小

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有微小差别。“好”橘皮纹的波长比“差”橘皮纹的波长小（8:7;8:599），“差”橘皮纹的波长为8:5;8:<99。综合分析发现，橘皮纹是一种二维作用，要找出图像参数与视觉分级间的正确相关性，需要更复杂的图像分析技术。本文仅根据+%,-.(/印刷样品的#1/%23&4分级结果进行讨论。

图6+%,-.(/样品的分析图谱

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用标准涂料配方，评估原纸和纸机参数的影响。早

期的著作已经表明，较平滑的原纸可减少高速下的雾溅。本研究中，再次考察原纸的预涂和预压光对雾溅和橘皮纹形成的影响。定量为60=>95含磨木浆的?@$原纸A用B3CD/2表面粗糙度测试法测量压光和未压光样品的表面粗糙度A未压光原纸网面粗糙度为6:E!9，毯面粗糙度为0:0!9A压光后毯面粗糙度5:F!9。++B仪测定的结果，未压光原纸网面为6:<!9，毯面为6:5!9，压光后毯面为5:F!9。

图<

原纸对雾溅和橘皮纹的影响

图<所示，

原纸经预压光和预涂后，由于分离后涂料薄膜的不平整性得到改善，雾溅和橘皮纹减少，进而减少了离心力的影响。离心力可将涂料液滴抛向空中，然后又回到纸的表面。原纸经压光和预涂后的雾溅差别可能是脱水引起的涂料固化程度不同导致的。

图G比较了标准条件与沟纹棒计量以及设定纸幅

不环绕钢制背辊而直接向下离开涂布压区的结果。与平滑计量棒相比，沟纹棒较容易形成雾溅和橘皮纹。此结果与提出的模型一致，不均匀的涂料计量引起的表

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重点论述———涂布加工技术

面不平整，从而导致雾溅和橘皮纹的形成。

图1

沟纹棒与纸幅相对位置的影响

纸幅位置的影响更值得关注。当运行纸幅向下时，因纸幅没有受到不锈钢背辊的支撑，膜的分离不稳定且不规则，增加了雾溅。随着较大雾滴的出现，少数样品中的一个出现了雾滴尺寸双峰分布。另一方面，纸幅向下橘皮纹较少是因为原纸上的涂料层没有受到离心力作用。

通过在涂料中添加2份起泡表面活性剂，且涂料不进行除气处理，研究了空气对涂料的影响。这种处理方法使得涂料密度下降，从最初标准值3/4456782降至94456782，

并进一步降至:4456782。涂料中的空气对雾溅和橘皮纹的形成似乎不利，如图:所示。实际上，在空气含量高、密度低的涂料中，发现了最严重的橘皮纹。

图:涂料中的空气对雾溅和橘皮纹的影响

涂料中空气与涂料之间界面的存在加速了雾溅和橘皮纹的形成，究其原因一是由于表面张力的作用，细丝更容易断裂变成小的液滴；二是离心力更容易将大的液滴抛入空中。空气使涂料变稀，以致表面张力和离心力对涂料有更大的影响（见图;）。另一个

图;

涂料中空气的影响

3/

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因素是涂料在出涂布压区过程中，经受了更大的压力脉冲。进入涂料中的气泡迅速膨胀使涂料表面不均匀，导致更多的橘皮纹和更多的细丝断裂，细丝断裂将引起雾溅。

!"!!"#$%&’

早期研究发现，涂料固含量、增稠剂用量和种类影

响雾溅的程度。涂料固含量对雾溅和橘皮纹的影响见

图9。

图9

固含量对雾溅和橘皮纹的影响

同时发现，提高涂料的固含量对控制雾溅有很好的作用，这与以前的结果相符。提高涂料固含量可消除雾溅，并且橘皮纹有所减轻。能够同时用.个机理来解释涂料固含量增加产生的积极作用。一是涂料固含量高，涂料固化得更快，涂布压区出口处湿涂料层的厚度明显变小。二是固含量提高产生积极效果与在离心力模式中提到的黏度的作用有关。在增稠剂用量恒定的情况下，涂料黏度随固含量的提高而提高。随着涂料黏度的增加，由于黏滞力的作用和涂料内聚能的增大，离心力抛出涂料液滴的速度会下降。

用改变增稠剂用量的方法研究了黏度的作用。考察了<=<用量对>444?@3高剪切黏度以及雾溅和橘皮纹形成的影响，如图34所示。增稠剂用量较高，影响涂料的固化，故影响膜的分离。但在较高的增稠剂用量下，雾溅和橘皮纹通常减轻，说明其效果不是由于固化速度的差别造成，因为其效果应该是相反的。因此，可以断定增稠剂用量的影响最适合采用离心力模式中提到的黏度作用来解释。

图34<=<用量对雾溅和橘皮纹的影响

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重点论述———涂布加工技术

分析橘皮纹结果发现，!"!用量从#份增至$份时，尽管对雾溅有抑制作用，但却使橘皮纹轻微增加。可用减速作用解释这一结果，即高!"!用量对膜分离后涂料的均化可能已经产生减速作用。

为进一步考察均化作用对橘皮纹形成的影响，比较了含$种不同合成%&’()*&增稠剂的涂料。已知一种能提供更快的均化，而另一种更富有弹性，导致均化较慢。调节增稠剂的添加量，以使涂料获得类似的黏度和固化速率。用$个流变学实验研究这些涂料的松弛特性。一是应力松弛测量。均化度较高的涂料应力松弛时间为+,--.，均化度低的涂料应力松弛时间为+,/0.。对刮刀涂布来说，由于刮刀后的均化作用减小1所以1如果应力松弛时间长将会导致较宽的刮痕条纹。

第二个流变学实验是一个逐步剪切实验，模拟突然高的剪切力对回收涂料的影响。涂料首先以#.2#的低然后增加到3+++.2#剪切#.，紧接着回剪切速率剪切3.，

到低剪切速率。$种涂料对逐步剪切实验的反应如图轻度均化的涂料其黏度恢复较快，几乎##。实验期间，

回到初始黏度的水平。高度均化的涂料，黏度恢复较慢，在实验结束时仍未能恢复到初始黏度值。

$%&’()*+,-.)%/%*0

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建立了橘皮纹的数值衡量标准，可通过逐步多元回归分析，来使橘皮纹与各种过程、流变学及涂料特性考虑的相互关联。本研究仅使用含!"!的涂料的数据。因素包括：涂料固含量、涂布量、原纸特性、低剪切黏度和高剪切黏度、存储模量、损耗模量、雾化水平、雾滴尺寸以及图像分析结果。只有涂料固含量、涂布量和原纸粗糙度具有重要的统计意义。但这些因素只能解释数据组中/+4的变化程度，涂布量虽然有重要的统计意义，但毕竟其作用不大。这可能是因为样品的涂布量变化范围较小（#$,56#-,0789$）的缘故。同样，原纸粗糙度的影响也较小。唯一对橘皮纹有较大影响的变量是涂料的固含量。较高的涂料固含量对减轻橘皮纹有积极的作用。

回归分析结果与早期研究中的雾化分析结果不同，早期研究中，涂料和流变学参数与雾化程度间有很好的相关性。通过回归分析寻找与流变学和工艺参数的相关性的失败进一步突显出橘皮纹形成的复杂性。其部分原因是因为橘皮纹取决于涂布压区后的膜分离过程和涂料的均化。进一步的研究应将涂料松弛参数的测量结果作为所有回归分析的一部分。

#结论

防止涂布压区膜分离引起的橘皮纹是薄膜涂布技

术应用中的关键问题。本试验研究了涂料、原纸和纸机工艺参数对橘皮纹的影响，得出主要结论如下：

图##

逐步剪切实验

!

橘皮纹形成与涂布变量间的关系是复杂的。涂本研究提出的膜分离理论为了解试验中观察到

图#$是利用$种不同的%&’()*&增稠剂时雾化和反映出类似橘皮纹的结果。$种涂料的雾化结果相同，

的黏度和脱水性能。另一方面，具有较高均化能力的增稠剂其橘皮纹减轻。结果表明，优化橘皮纹可以不受涂料黏度和固化特性的限制。

布工艺、原纸和涂料特性均影响橘皮纹。

!

的大部分纸机和配方变量对雾溅和橘皮纹形成的影响提供了依据。

!

大多数情况下，雾溅和橘皮纹呈正相关。即高速

下，减轻雾溅能降低橘皮纹的形成。减轻雾溅的因素包括：较高的涂料固含量、较高的涂料剪切黏度和较平滑的原纸。

!

涂布压区后涂料的流动和均化程度非常重要。

研究发现，添加增稠剂的涂料，剪切后黏度恢复较慢，均化较好，形成的橘皮纹较少。

图#$

均化的影响

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#3

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c4tq.html