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帘式涂布中幕帘稳定性的影响因素
摘要:综述了帘式涂布的原理、影响幕帘稳定性的主要因素及帘式涂布在生产上应用的参数范围,
给出无碳复写纸CB纸和热敏纸的应用实例,并讨论了如何确定操作窗口及影响操作窗口的因素。
关键词:帘式涂布;幕帘稳定性;无碳复写纸CB纸;热敏纸;操作窗口
帘式涂布是采用预计量法进行精确涂布的一种方法。其特点是自由下落的液体膜(幕帘)对涂布的原纸产生冲击,在高速条件下对表面不够平整的纸页施涂一层液体薄膜。与纸幅垂直移动时的速度相比,幕帘的冲击速度相当高,而高冲击速度可以排除纸幅上方的空气,使纸机可在高速下运行。由于这种非接触式涂布法对原纸没有施加任何机械应力,因此减少了纸幅的断裂并提供了良好的涂料覆盖性,消除了刮痕和条纹等纸病,为提高生产效率和减少涂布量提供了机会。
在帘式涂布过程中,由于下落幕帘的稳定性受涂料自身特性的制约及外界的干扰,因此帘式涂布的应用受到了限制。帘式涂布源于相纸生产,直到1995年BMB公司才将这种方法进一步应用于PSA涂布,现在帘式涂布已经作为一种新的涂布法应用于特种纸生产。2001年Koehler公司新建了一条车速为1500m/min采用帘式涂布技术的热敏纸生产线;国内广州冠豪高新技术股份有限公司也将其应用于无碳复写纸和热敏纸的生产[1]。但由于帘式涂布中形成的幕帘不够稳定,要应用在主流造纸领域特别是涂布印刷纸生产仍很困难。因此优化幕帘的稳定性有利于扩大帘式涂布的应用范围,对帘式涂布应用于主流造纸领域具有积极作用。
1帘式涂布的原理
如图1所示,帘式涂布过程可分为幕帘形成区、幕帘流动区、幕帘冲击区。幕帘形成区是涂料从缝隙模头料口中流出形成短距离幕帘(约50～250mm[2])的过程。在幕帘形成区由于静止接触线处的作用力(重力、惯性力、黏着力和毛细管力)会导致缝隙口附近应力分布不均匀,造成幕帘有时偏向缝隙模头料口的下端,这就是所谓的“茶壶效应”。“茶壶效应”与模具材料不一致、表面粗糙度引起的前进和后退接触角之间的不同有关[3](液固界面取代固气界面后形成的接触角叫做前进角;气固界面取代固液界面后形成的接触角叫做后退角)。幕帘流动区主要的流动变量是幕帘速度,幕帘速度是影响自由下落幕帘稳定性的最大因素。在幕帘冲击区,幕帘冲击到移动纸幅时所形成区域的主要物理性质决定了操作窗口,起决定性的物理参数主要有雷诺系数Re、纸幅速度与幕帘速度的比值及毛细管数Ca[2]。
Re=ρQ/μ(1)
Ca=μVc/σ(2)
式中ρ———涂料密度,g/cm3
μ———涂料黏度,mPa·s
Q———缝隙料口单位宽度体积流量,cm3/min·m
σ———涂料表面张力,mN/m
Vc———幕帘速度,m/min

图1帘式涂布过程示意图
2幕帘稳定性的影响因素
幕帘稳定性的影响因素主要是指影响幕帘形成、造成幕帘断裂、致使涂布过程无法正常进行的因素,其主要体现在气泡及气流层的干扰。根据Brown的流体理论[4],只有当韦伯数We>2时,幕帘才会稳定。
We=ρHcVc2σ=ρVcQσ=ρ2gHHwUσ>2(3)
式中Hc———幕帘厚度,μm
Hw———涂层厚度,μm
U———纸幅速度,m/min
H———缝隙模头料口距纸幅距离,cm
结合式(1)～式(3)可知,要使涂布过程稳定运行,必须调整好表面张力σ、幕帘速度Vc、纸幅速度U、模头距纸幅的距离H及涂料黏度μ。
2．1表面张力
表面张力是指液体与气体相接触时,会形成一个表面层,在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力,它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。根据式(3),在一定情况,涂料的表面张力越小越好。Drwolfgang[5]指出涂料的表面张力最好低至30mN/m,但这在实际生产
中很难达到,因为水的表面张力为70mN/m,因此需要向涂料中加入表面活性剂降低涂料的表面活性。
此外,涂料的表面活性大,涂料中混入的空气不易除去。PeterMSchweizer[6]在分析干扰传播时(见图2)引用了拥有自由边缘气泡的干扰速度(Vd),且Vd越小越好。由式(4)中Vd与涂料表面张力的关系可知,应尽可能降低涂料表面张力。该分析中指出涂料的表面张力取决于幕帘下落的时间和表面活性剂的浓度,认为低表面张力需要较长的表面作用时间和较高的表面活性剂浓度,而涂料从缝隙模头料口到达纸幅的时间要小于0.3s,这要求表面活性剂有良好的扩散性能。

图2干扰传播示意图
Vd=2σρHc(4)
涂料的表面活性过大会产生一系列问题,如涂料中的气泡不易除去,幕帘产生边缘效应(图3),幕帘厚薄不均匀等。故而应加入表面活性剂来降低表面张力,同时也可以优化涂布设备。

图3边缘效应引起的颈缩现象
2.2幕帘速度Vc与涂布速度U
在帘式涂布中,幕帘下落会对纸幅产生冲击,然后在纸幅作用下