紙張涂布潤滑劑應(yīng)用和分類
2015-06-03
1、潤滑劑的功能與分類
紙張涂布潤滑劑的應(yīng)用可追溯到本世紀(jì)初。當(dāng)時紙張顏料涂布的膠粘劑主要是動物膠或干酪素，涂料的固含量非常低。這些膠粘劑雖然具有很好的粘合力和出色的保水性能，但其形成的膜很脆，于是客觀需要增加一種能改善涂布紙及紙板耐折和抗彎曲性能的添加劑。這些添加劑還改進(jìn)濕態(tài)涂料的流動性和均涂性。這類既對濕態(tài)涂料起作用，又在干涂層中起著作用的助劑，曾一度被人們視作“增塑劑”的添加劑，即為本文所要討論的潤滑劑。
潤滑劑的功用隨著紙種的不同和造紙廠生產(chǎn)習(xí)慣的差異而有別。有時用涂料的流動性以及涂布紙張的一些性能(如光澤度、平滑度、吸油度、表面強度等)來測評潤滑劑的性能。潤滑劑中一些類別具有特殊的功能特性，如常被列入諸如“粘度調(diào)節(jié)特性”、“改進(jìn)干耐摩擦性”、“改進(jìn)濕粘著性”、“改進(jìn)濕耐摩擦性”、“油墨光澤及防滲性”、“增塑性”、“耐折性”和“改進(jìn)光澤性”等特性。理想潤滑劑應(yīng)顯示出的性能如下:
（1）潤滑涂料并改進(jìn)其流動特性；
（2）保證更為光滑的涂布；
（3）改善涂布成品的光澤度；
（4）改善成紙印刷適性；
（5）減少紙張折疊時涂層的裂紋和脫皮；
（6）在超級壓光中減少或消除掉粉現(xiàn)象；
在不需要外加工序的情況下，用機械壓光能對某些等級紙張進(jìn)行精加工整飾。用于涂布潤滑劑的化學(xué)物品歸納成以下八大類:
（1）不溶性金屬皂分散體；
（2）水溶性皂類；
（3）硫酸化或磺化油類；
（4）脂肪酸酯類；
（5）蠟、聚乙烯或其它碳?xì)浠衔锶橐侯悾?br />
（6）脂肪胺或酰胺(合成蠟)類；
（7）聚乙二醇和聚乙二醇醚類；
（8）大豆卵磷酯“油酸混合體。
上述各類潤滑劑中，金屬皂水性分散體、蠟乳液、含硬脂酸鈣高固含量潤滑劑混合體，是涂料涂布中最常用的潤滑劑；硫酸化或磺化礦物油及一些天然或合成蠟分散體主要用于無顏料系統(tǒng)，如一些紙張或紙板表面需要單一增滑特性的場合；大豆卵磷酯“油酸混合體則是目前最新的一種涂布潤滑劑。
2、主要潤滑劑品種的組成與特性
2.1 不溶性金屬皂分散體
不溶性或低溶解度金屬皂由金屬堿或氧化物與脂肪酸或溶解性皂反應(yīng)而成。堿金屬皂包括鈣、錳、鎂、鋁、鋅的硬脂酸鹽、棕櫚酸鹽、蓖麻醇酸鹽等。其中硬脂酸鈣在潤滑劑領(lǐng)域長期占據(jù)重要地位。
典型硬脂酸鈣制備是將CaO制成Ca(OH)2，與來自動物或海洋生物或其它植物脂肪或油中的硬脂酸反應(yīng)制得。硬脂酸鈣的制造同樣可以用氫氧化鈣從溶解性皂(如硬脂酸鈉)中析出。用此方法制得的硬脂酸鈣，其規(guī)格和形狀(片晶體)能得到控制。硬脂酸鈣分散液制造者經(jīng)改進(jìn)其產(chǎn)品，現(xiàn)在可以出售具有低粘度、高固含量(57％)，通過325目篩，篩余物小于“.”1％的穩(wěn)定產(chǎn)品。硬脂酸鈣分散液通常用高剪切設(shè)備制造。在成品中用3％-5％非離子型或陰離子型表面活性劑作為分散劑。硬脂酸鈣分散液多年來一直保持其主要涂料潤滑劑地位。它經(jīng)濟、實用，在抗掉毛掉粉方面表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。
2.2水溶性皂類
水溶性皂類是用高溶解性堿同脂肪酸反應(yīng)生成，包括銨、鈉、鉀等的金屬氫氧化物與脂肪酸的反應(yīng)物。這些皂類中最常用的有硬脂酸銨、硬脂酸鈉和油酸鉀。市場上可以購得這些化合物的無水狀固體，硬脂酸銨和油酸鉀亦可買到固含量高達(dá)33％的液態(tài)分散體。鑒于固含量相對低的硬脂酸鈉是凝膠，這種化合物通常是在干式狀態(tài)下采用。溶解性皂的熔點比不溶性皂的熔點低得多，由于它們在水中形成真溶液，干燥時它們在整個涂層中保持得更加分散，有隨著載體進(jìn)入原紙的傾向。因此，它們對涂料具有更多的增塑作用，而不像不溶性皂類那樣具有抗掉毛掉粉性能及表面潤滑性的作用。它們比不溶性皂類更大程度地提高粘度，尤其是在淀粉粘合的涂料中。水溶性皂類的使用隨著刮刀涂布機低粘度涂布工藝的出現(xiàn)已逐漸減少。但它們?nèi)栽谀承┹伿酵坎贾袘?yīng)用。一些工廠習(xí)慣地將輥式涂布機用作預(yù)涂機。
2.3硫酸化和磺化油類
這類潤滑劑包括硫酸化油類，由不飽和脂肪酸或脂類與硫酸反應(yīng)而成，如土耳其紅油(硫酸化蓖麻油)、硫酸化紅油(硫酸化油酸)、硫酸鯨蠟油等。硫酸化油類在室溫下為液體，是一種熔點很低的物料。據(jù)此,它們僅僅是中等效力涂布潤滑劑，且和水溶物皂類一樣，在干燥狀態(tài)下保持分散在整個涂料中并有遷移入原紙的傾向。其主要作用是增塑和均涂作用。有時在某些蛋白質(zhì)粘合涂料和全膠乳涂料中也用來降低粘度。這類物質(zhì)都是強的潤濕劑，因此在許多需要耐濕摩擦的涂布場合，它們的使用受到限制。
2.4脂肪酸酯類
用于涂料中的脂肪酸酯的主要類型是由脂肪酸或脂肪酸甘油脂與聚乙烯乙二醇(聚乙二醇)或氧化乙烯(環(huán)氧乙烷)反應(yīng)生成的。這些產(chǎn)品通常稱為PEG(聚乙二醇)酯類，其熔點和水溶性隨聚乙二醇的用量增加而提高。通常具有低熔點(94.4e)且親水性強，用之得到的粘度效應(yīng)和溶解性皂類相似。由于是非離子型的，在酸性和堿性涂料中很穩(wěn)定。其主要功能是起增塑和改進(jìn)耐折性作用，但也能略微起點潤滑作用。
2.5蠟乳液
對于淀粉類表面施膠和其它成膜材料，蠟乳液能起到改善平滑度、提高耐摩擦性、表面潤滑性及耐折性。用于制造水性分散液的蠟材料的熔點范圍從液態(tài)烴油到高熔點(>140e）聚氧化乙烯。根據(jù)涂布紙或紙板制造者的需要，選用合適的蠟類材料，包括石蠟、微晶蠟、聚氧化乙烯蠟及這些蠟的復(fù)配物。
2.5.1石蠟
市場上的石油石蠟是含有直鏈和支鏈的烷烴，平均分子360-400，熔點63-83e。完全精制蠟相當(dāng)硬，外觀白色，含有小于“.”5％的油組分；半精制蠟在顏色、硬度和油組分方面與精制蠟有區(qū)別，顏色從呈琥珀色至白色各異，針入度高一些，油成分1％-5％。對于紙和紙板的涂布要求而言，半精制蠟即可滿足要求。
2.5.2微晶蠟
微晶蠟主要是烷基化環(huán)烷屬烴，含有支鏈的異構(gòu)石蠟及一些n-支鏈?zhǔn)灱靶〔糠值耐榛枷慊衔铩Ｆ骄肿恿?80-700，熔點范圍72-111℃。微晶蠟有相當(dāng)小的晶體，具有與石蠟十分不同的特性，更耐折，有較大的抗張強度和良好的粘合特性，減少了紙張或紙板表面由于蠟的處理引起的打滑。
2.5.3聚氧化乙烯蠟
聚乙烯通過輕微的氧化后制得的分散液，能改善滑移性、耐摩擦性以及典型的與蠟應(yīng)用有關(guān)的阻隔性。在顏料涂布中，聚氧化乙烯蠟的應(yīng)用能給予良好的涂料塑性、耐折性以及良好的光澤。但它在抗塵埃方面比金屬皂的效果差。這類商品的固體含量一般在30％-60％。高固含量的產(chǎn)品中含脂肪酸酯聚氧化乙烯醚、脲及PE蠟。通常水性分散液采用較低分子量的蠟。較高密度的蠟的參數(shù)為密度0.98g0cm3，熔點77.8e；低密度的蠟的參數(shù)為密度0.93g0cm3，熔點55.8e。蠟類乳液的制造通常是利用乳化劑使其在水中具有可分散性。按照乳化劑的類型，可制成陽離子型、陰離子型和非離子型的蠟乳液。近年來，蠟乳液的使用被局限于施膠壓榨和壓光施膠中，用在非顏料涂布改善印刷適性的特種涂布場合。聚氧化乙烯蠟通過噴淋，降低烘缸表面的摩擦系數(shù)，大大提高紙張起皺效率則是一個特例。
2.6脂肪胺類和酰胺類
這些產(chǎn)品是胺類，如乙烯二胺、二乙烯三胺，三乙烯四胺，與脂肪酸反應(yīng)而成的，其熔點范圍視所用的胺和脂肪酸而定。高熔點類型的通常叫合成石蠟。這類化學(xué)品一般是水不溶性，但可通過季胺化反應(yīng)(陽離子化)，或用乳化劑，或用分散劑，將其分散在水中。作為潤滑劑，在顏料涂布中具有明顯改善光澤性的作用。而在增進(jìn)抗掉毛掉粉性方面則不及不溶性皂類。其粘度視乳化劑或所用乳化分散工藝而定，一般介于蠟乳液與水溶性皂之間。
2.7聚乙二醇類和聚乙二醇醚類
聚乙二醇類包括從低分子量的乙烯乙二醇類(液體)到高分子量的聚乙烯乙二醇(固體)。丙烯乙二醇單體與乙烯乙二醇制成相似的產(chǎn)品或乙烯乙二醇混合物。乙烯乙二醇及其聚合體都是水溶性的且易于形成溶液，而丙烯乙二醇則隨鏈長增加而失去水溶性。
與乙二醇或甲醇、乙醇、丁醇等反應(yīng)而生成醚，這些醚的水溶性也隨鏈長度及乙二醇單體不同而不同。聚乙二醇和聚乙二醇醚能使顏料涂布具有良好的光澤性能，但在抗掉毛掉粉和抗粘性能方面作用則很小。盡管在某些淀粉粘合劑涂料中發(fā)現(xiàn)了某些聚乙二醇能降低粘度，但在許多涂布配方中，它在粘度調(diào)節(jié)方面的功能很小。由于它們具有高度水溶性，聚乙烯乙二醇具有一些潤濕劑的性質(zhì)，并有助于涂料的可塑性，無疑該性質(zhì)比任何原有的潤滑性質(zhì)更為明顯。
2.8大豆卵磷酯油酸混合體
用作涂布潤滑劑的最新材料是大豆卵磷酯混合體。這類二酯酰甘油酯產(chǎn)品據(jù)報道能提供優(yōu)良的涂布流平性，減少刮刀拖痕、掃帚條,改善油墨光澤性。通常用于高濃涂布中。產(chǎn)品有含50％和100％活性組分兩種。100％活性產(chǎn)品表現(xiàn)較差的流動性，使用過程須用位移泵或質(zhì)量流量計量器直接輸入涂料中。100％固含量的產(chǎn)品不會因冰凍損壞，在溫度30.5℃下明顯變稠；50％固含量的產(chǎn)品內(nèi)含脲類物質(zhì)
紙張涂布潤滑劑的應(yīng)用可追溯到本世紀(jì)初。當(dāng)時紙張顏料涂布的膠粘劑主要是動物膠或干酪素，涂料的固含量非常低。這些膠粘劑雖然具有很好的粘合力和出色的保水性能，但其形成的膜很脆，于是客觀需要增加一種能改善涂布紙及紙板耐折和抗彎曲性能的添加劑。這些添加劑還改進(jìn)濕態(tài)涂料的流動性和均涂性。這類既對濕態(tài)涂料起作用，又在干涂層中起著作用的助劑，曾一度被人們視作“增塑劑”的添加劑，即為本文所要討論的潤滑劑。
潤滑劑的功用隨著紙種的不同和造紙廠生產(chǎn)習(xí)慣的差異而有別。有時用涂料的流動性以及涂布紙張的一些性能(如光澤度、平滑度、吸油度、表面強度等)來測評潤滑劑的性能。潤滑劑中一些類別具有特殊的功能特性，如常被列入諸如“粘度調(diào)節(jié)特性”、“改進(jìn)干耐摩擦性”、“改進(jìn)濕粘著性”、“改進(jìn)濕耐摩擦性”、“油墨光澤及防滲性”、“增塑性”、“耐折性”和“改進(jìn)光澤性”等特性。理想潤滑劑應(yīng)顯示出的性能如下:
（1）潤滑涂料并改進(jìn)其流動特性；
（2）保證更為光滑的涂布；
（3）改善涂布成品的光澤度；
（4）改善成紙印刷適性；
（5）減少紙張折疊時涂層的裂紋和脫皮；
（6）在超級壓光中減少或消除掉粉現(xiàn)象；
在不需要外加工序的情況下，用機械壓光能對某些等級紙張進(jìn)行精加工整飾。用于涂布潤滑劑的化學(xué)物品歸納成以下八大類:
（1）不溶性金屬皂分散體；
（2）水溶性皂類；
（3）硫酸化或磺化油類；
（4）脂肪酸酯類；
（5）蠟、聚乙烯或其它碳?xì)浠衔锶橐侯悾?br />
（6）脂肪胺或酰胺(合成蠟)類；
（7）聚乙二醇和聚乙二醇醚類；
（8）大豆卵磷酯“油酸混合體。
上述各類潤滑劑中，金屬皂水性分散體、蠟乳液、含硬脂酸鈣高固含量潤滑劑混合體，是涂料涂布中最常用的潤滑劑；硫酸化或磺化礦物油及一些天然或合成蠟分散體主要用于無顏料系統(tǒng)，如一些紙張或紙板表面需要單一增滑特性的場合；大豆卵磷酯“油酸混合體則是目前最新的一種涂布潤滑劑。
2、主要潤滑劑品種的組成與特性
2.1 不溶性金屬皂分散體
不溶性或低溶解度金屬皂由金屬堿或氧化物與脂肪酸或溶解性皂反應(yīng)而成。堿金屬皂包括鈣、錳、鎂、鋁、鋅的硬脂酸鹽、棕櫚酸鹽、蓖麻醇酸鹽等。其中硬脂酸鈣在潤滑劑領(lǐng)域長期占據(jù)重要地位。
典型硬脂酸鈣制備是將CaO制成Ca(OH)2，與來自動物或海洋生物或其它植物脂肪或油中的硬脂酸反應(yīng)制得。硬脂酸鈣的制造同樣可以用氫氧化鈣從溶解性皂(如硬脂酸鈉)中析出。用此方法制得的硬脂酸鈣，其規(guī)格和形狀(片晶體)能得到控制。硬脂酸鈣分散液制造者經(jīng)改進(jìn)其產(chǎn)品，現(xiàn)在可以出售具有低粘度、高固含量(57％)，通過325目篩，篩余物小于“.”1％的穩(wěn)定產(chǎn)品。硬脂酸鈣分散液通常用高剪切設(shè)備制造。在成品中用3％-5％非離子型或陰離子型表面活性劑作為分散劑。硬脂酸鈣分散液多年來一直保持其主要涂料潤滑劑地位。它經(jīng)濟、實用，在抗掉毛掉粉方面表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。
2.2水溶性皂類
水溶性皂類是用高溶解性堿同脂肪酸反應(yīng)生成，包括銨、鈉、鉀等的金屬氫氧化物與脂肪酸的反應(yīng)物。這些皂類中最常用的有硬脂酸銨、硬脂酸鈉和油酸鉀。市場上可以購得這些化合物的無水狀固體，硬脂酸銨和油酸鉀亦可買到固含量高達(dá)33％的液態(tài)分散體。鑒于固含量相對低的硬脂酸鈉是凝膠，這種化合物通常是在干式狀態(tài)下采用。溶解性皂的熔點比不溶性皂的熔點低得多，由于它們在水中形成真溶液，干燥時它們在整個涂層中保持得更加分散，有隨著載體進(jìn)入原紙的傾向。因此，它們對涂料具有更多的增塑作用，而不像不溶性皂類那樣具有抗掉毛掉粉性能及表面潤滑性的作用。它們比不溶性皂類更大程度地提高粘度，尤其是在淀粉粘合的涂料中。水溶性皂類的使用隨著刮刀涂布機低粘度涂布工藝的出現(xiàn)已逐漸減少。但它們?nèi)栽谀承┹伿酵坎贾袘?yīng)用。一些工廠習(xí)慣地將輥式涂布機用作預(yù)涂機。
2.3硫酸化和磺化油類
這類潤滑劑包括硫酸化油類，由不飽和脂肪酸或脂類與硫酸反應(yīng)而成，如土耳其紅油(硫酸化蓖麻油)、硫酸化紅油(硫酸化油酸)、硫酸鯨蠟油等。硫酸化油類在室溫下為液體，是一種熔點很低的物料。據(jù)此,它們僅僅是中等效力涂布潤滑劑，且和水溶物皂類一樣，在干燥狀態(tài)下保持分散在整個涂料中并有遷移入原紙的傾向。其主要作用是增塑和均涂作用。有時在某些蛋白質(zhì)粘合涂料和全膠乳涂料中也用來降低粘度。這類物質(zhì)都是強的潤濕劑，因此在許多需要耐濕摩擦的涂布場合，它們的使用受到限制。
2.4脂肪酸酯類
用于涂料中的脂肪酸酯的主要類型是由脂肪酸或脂肪酸甘油脂與聚乙烯乙二醇(聚乙二醇)或氧化乙烯(環(huán)氧乙烷)反應(yīng)生成的。這些產(chǎn)品通常稱為PEG(聚乙二醇)酯類，其熔點和水溶性隨聚乙二醇的用量增加而提高。通常具有低熔點(94.4e)且親水性強，用之得到的粘度效應(yīng)和溶解性皂類相似。由于是非離子型的，在酸性和堿性涂料中很穩(wěn)定。其主要功能是起增塑和改進(jìn)耐折性作用，但也能略微起點潤滑作用。
2.5蠟乳液
對于淀粉類表面施膠和其它成膜材料，蠟乳液能起到改善平滑度、提高耐摩擦性、表面潤滑性及耐折性。用于制造水性分散液的蠟材料的熔點范圍從液態(tài)烴油到高熔點(>140e）聚氧化乙烯。根據(jù)涂布紙或紙板制造者的需要，選用合適的蠟類材料，包括石蠟、微晶蠟、聚氧化乙烯蠟及這些蠟的復(fù)配物。
2.5.1石蠟
市場上的石油石蠟是含有直鏈和支鏈的烷烴，平均分子360-400，熔點63-83e。完全精制蠟相當(dāng)硬，外觀白色，含有小于“.”5％的油組分；半精制蠟在顏色、硬度和油組分方面與精制蠟有區(qū)別，顏色從呈琥珀色至白色各異，針入度高一些，油成分1％-5％。對于紙和紙板的涂布要求而言，半精制蠟即可滿足要求。
2.5.2微晶蠟
微晶蠟主要是烷基化環(huán)烷屬烴，含有支鏈的異構(gòu)石蠟及一些n-支鏈?zhǔn)灱靶〔糠值耐榛枷慊衔铩Ｆ骄肿恿?80-700，熔點范圍72-111℃。微晶蠟有相當(dāng)小的晶體，具有與石蠟十分不同的特性，更耐折，有較大的抗張強度和良好的粘合特性，減少了紙張或紙板表面由于蠟的處理引起的打滑。
2.5.3聚氧化乙烯蠟
聚乙烯通過輕微的氧化后制得的分散液，能改善滑移性、耐摩擦性以及典型的與蠟應(yīng)用有關(guān)的阻隔性。在顏料涂布中，聚氧化乙烯蠟的應(yīng)用能給予良好的涂料塑性、耐折性以及良好的光澤。但它在抗塵埃方面比金屬皂的效果差。這類商品的固體含量一般在30％-60％。高固含量的產(chǎn)品中含脂肪酸酯聚氧化乙烯醚、脲及PE蠟。通常水性分散液采用較低分子量的蠟。較高密度的蠟的參數(shù)為密度0.98g0cm3，熔點77.8e；低密度的蠟的參數(shù)為密度0.93g0cm3，熔點55.8e。蠟類乳液的制造通常是利用乳化劑使其在水中具有可分散性。按照乳化劑的類型，可制成陽離子型、陰離子型和非離子型的蠟乳液。近年來，蠟乳液的使用被局限于施膠壓榨和壓光施膠中，用在非顏料涂布改善印刷適性的特種涂布場合。聚氧化乙烯蠟通過噴淋，降低烘缸表面的摩擦系數(shù)，大大提高紙張起皺效率則是一個特例。
2.6脂肪胺類和酰胺類
這些產(chǎn)品是胺類，如乙烯二胺、二乙烯三胺，三乙烯四胺，與脂肪酸反應(yīng)而成的，其熔點范圍視所用的胺和脂肪酸而定。高熔點類型的通常叫合成石蠟。這類化學(xué)品一般是水不溶性，但可通過季胺化反應(yīng)(陽離子化)，或用乳化劑，或用分散劑，將其分散在水中。作為潤滑劑，在顏料涂布中具有明顯改善光澤性的作用。而在增進(jìn)抗掉毛掉粉性方面則不及不溶性皂類。其粘度視乳化劑或所用乳化分散工藝而定，一般介于蠟乳液與水溶性皂之間。
2.7聚乙二醇類和聚乙二醇醚類
聚乙二醇類包括從低分子量的乙烯乙二醇類(液體)到高分子量的聚乙烯乙二醇(固體)。丙烯乙二醇單體與乙烯乙二醇制成相似的產(chǎn)品或乙烯乙二醇混合物。乙烯乙二醇及其聚合體都是水溶性的且易于形成溶液，而丙烯乙二醇則隨鏈長增加而失去水溶性。
與乙二醇或甲醇、乙醇、丁醇等反應(yīng)而生成醚，這些醚的水溶性也隨鏈長度及乙二醇單體不同而不同。聚乙二醇和聚乙二醇醚能使顏料涂布具有良好的光澤性能，但在抗掉毛掉粉和抗粘性能方面作用則很小。盡管在某些淀粉粘合劑涂料中發(fā)現(xiàn)了某些聚乙二醇能降低粘度，但在許多涂布配方中，它在粘度調(diào)節(jié)方面的功能很小。由于它們具有高度水溶性，聚乙烯乙二醇具有一些潤濕劑的性質(zhì)，并有助于涂料的可塑性，無疑該性質(zhì)比任何原有的潤滑性質(zhì)更為明顯。
2.8大豆卵磷酯油酸混合體
用作涂布潤滑劑的最新材料是大豆卵磷酯混合體。這類二酯酰甘油酯產(chǎn)品據(jù)報道能提供優(yōu)良的涂布流平性，減少刮刀拖痕、掃帚條,改善油墨光澤性。通常用于高濃涂布中。產(chǎn)品有含50％和100％活性組分兩種。100％活性產(chǎn)品表現(xiàn)較差的流動性，使用過程須用位移泵或質(zhì)量流量計量器直接輸入涂料中。100％固含量的產(chǎn)品不會因冰凍損壞，在溫度30.5℃下明顯變稠；50％固含量的產(chǎn)品內(nèi)含脲類物質(zhì)