表面施胶工艺及重要性探究

（一）表面施胶概述

纸页表面施胶是指湿纸幅经干燥部脱除水分至定值后，在纸页表面均匀地涂覆适当胶料的工艺过程。

纸面施胶的方法有机内施胶和机外施胶两种。机内施胶一般在纸机的干燥部进行，即把施胶设备装在造纸机的干燥部；由于该方法设备简单、操作方便，因此得到广泛应用。机外施胶则是在造纸机上抄成纸后，再送到一套单独的施胶设备上进行施胶；由于机外施胶设备较贵，操作复杂，因此多用于某些施胶量较高或者需要浸渍的特种纸。

纸页表面施胶是纸页表面处理的主要方法之一，它具有以下一些特点：

①提高纸和纸板的抗液性能。经过纸面施胶的纸，可以在表面上生成光滑而具有抗液性的覆膜，提高纸页表面的憎液性，改进纸的书写性能。

②提高纸和纸板的物理强度。纸面施胶可以提高纸的平滑度、强度和挺度，使纸面紧密细腻、手感性能好，降低纸的透气度，使纸具有良好的耐久性和耐磨性能。

③提高纸和纸板的适印性能。在表面涂覆一层胶料，在印刷时减少掉粉掉毛，使印刷清晰，颜色均匀。

④与浆内施胶相比，表面施胶时胶料的流失减少，也不受其他加入浆中物质的影响。

由于表面施胶的设备较复杂，表面施胶剂的价格较贵，使纸的成本有所提高，所以表面施胶多用于质量要求高和用途特殊的纸种，如：钞票纸、纸牌纸、海图纸、证券纸、地图纸、胶版印刷纸、白纸板、条纹牛皮纸等。然而随着人们对纸页质量要求的提高，一些原来不需要表面处理的纸种（如新闻纸等），也开始采用表面施胶处理技术。

（二）表面施胶剂

常用的表面施胶剂主要有淀粉及其改性产品（氧化淀粉、阳离子淀粉、酶转化淀粉、羟烷基淀粉、阴离子淀粉等）、纤维素衍生物（羧甲基纤维素等）、聚乙烯醇、动物胶等。

1.淀粉及其改性产品

（1）淀粉

淀粉是一种天然的高分子化合物，主要存在于谷物、薯类和其他植物的块茎和果实中。淀粉资源丰富，价格低廉，种类很多。根据加工原料的不同，将淀粉命名为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉、红薯淀粉、大麦淀粉、稻米淀粉等。淀粉不仅是人类重要的食物来源，也在工农业生产中有着广泛的应用。在造纸工业中，淀粉是一种重要且常用的表面施胶剂、增强剂、助留剂和涂布胶黏剂，是除纤维和填料之外第三个最重要的造纸原料。

淀粉是由葡萄糖基通过α-1，4苷键连接而成的一种天然高分子碳水化合物，可用通式（C₆H₁₀O₅）_n表示。淀粉颗粒的大小和形状（见表2-5和图2-12），随着来源的不同而有一定的差异，但都是由直链淀粉和支链淀粉两种异构体组成，直链淀粉的含量占10%～30%，支链淀粉的含量占70%～90%。直链淀粉的长链有规律地卷曲盘旋成螺旋状，支链淀粉呈树枝状，其结构示意图如图2-13所示。

表2-5 几种淀粉的颗粒及性能比较

图2-12 几种淀粉的电子扫描显微镜图片

直链淀粉分子约由1000个以上的D—吡喃葡萄糖通过α-1，4苷键连接而成，相对分子量为150000～600000。支链淀粉相对分子量更高，一般为1000000～6000000，葡萄糖单元也是通过α-1，4苷键连接，但是每隔20～25个葡萄糖单元，就有一个以 α-1，6苷键连接的支链基团。直链淀粉和支链淀粉的分子结构示意图如图2-14所示。

图2-13 淀粉结构示意图

图2-14 淀粉分子结构示意图

由原料直接加工而成，没有经过特殊处理的淀粉叫做原淀粉。使用时，将质量分数为3%～5%的淀粉悬浮液在搅拌下直接通蒸汽加热至87～95℃，制成凝胶状的糊状物，冷却后使用。

淀粉容易在冷水中分散，形成悬浮液（淀粉乳）。为了制备造纸用淀粉，需要对这种悬浮液进行加热蒸煮。在蒸煮过程中，随着温度的升高，淀粉颗粒的无定形区开始吸水膨胀，当达到某一温度时，高度膨胀的颗粒互相接触，在整个介质中形成连续体（半透明的黏稠糊状，称为淀粉糊），导致淀粉乳的黏度急剧增大。由淀粉乳转变成淀粉糊的过程称为糊化，发生这一转变时的温度称为胶化温度或糊化温度。糊化温度随淀粉的品种不同而有差异，较大的颗粒一般较易糊化，玉米和小麦淀粉的糊化温度比马铃薯和木素淀粉高。大多数改性淀粉由于引进了亲水基团，其糊化温度比天然淀粉低。

（2）改性淀粉

因原淀粉黏度高，流动性差，易凝聚，用水稀释后会发生沉淀，因此需要对淀粉进行改性，使其在较高浓度时仍具有低的黏度，以便用于纸面的施胶。淀粉改性的方法很多，表2-6列出了淀粉改性的主要方法。

以下是几种最常用于表面施胶的改性淀粉。

①阳离子淀粉。阳离子淀粉是淀粉在碱性催化条件下，用带有叔胺基（2—氯乙基二乙基胺）或季铵基（2，3—环氧丙烷三甲基氯化铵）的醚化剂进行醚化处理而得的产品。由于引进了胺基基团，因此淀粉分子带有正电荷，能与带负电荷的纤维紧密结合。

表2-6 淀粉改性的主要方法

②氧化淀粉。氧化淀粉是淀粉用次氯酸盐、过氧化物、过硫酸铵、高碘酸等氧化剂氧化而成的产品。目前通常采用次氯酸盐生产氧化淀粉。

③酶转化淀粉。酶转化淀粉是在适宜的条件下，使淀粉酶作用于淀粉大分子使之发生断链、聚合度降低等作用而制得的产品。造纸工业通常使用α—淀粉酶。

2.羧甲基纤维素

羧甲基纤维素简称CMC，是纤维素衍生物的一种。它既可以作为浆内施胶剂，也可作为表面施胶剂。用它作浆内施胶剂时，在保证成纸施胶度的同时，还可增加纸的某些物理强度，提高填料留着率。

羧甲基纤维素是用漂白木浆加烧碱和氯乙酸经醚化生成的一种水溶性钠盐。CMC是一种白色的粉末状、粒状或纤维状物质，无臭、无味、无毒。它的基本性质决定于取代度，也就是在醚化反应中，在纤维素上羟基（—OH）被羧甲基（—CH₂COOH）取代的比例。取代度不同，CMC的溶解性能也不同。一般认为，取代度在1.2以上溶于有机溶剂中，在0.4～1.2溶于水中，在0.4以下溶于碱中。用于纸面施胶的羧甲基纤维素的取代度通常为0.75。

聚合度是CMC的另外一个重要指标，它表示纤维链的长度，常用黏度来间接表示。CMC作为表面施胶剂时，质量分数为0.25%，pH为7～8。

羧甲基纤维素的结构式见图2-15。把羧甲基纤维素干粉缓慢地加入60～70℃的水中，并急剧地搅拌，即可制成透明的乳液。它能产生柔软的覆膜。乳液可单独或和淀粉、植物胶、干酪素混合使用，加尿素甲醛树脂可改善其抗水性。使用羧甲基纤维素，可以代替氧化淀粉对制图纸、胶版纸及晒图纸等进行纸面施胶，能够节约粮食，并具有在室温下不会变质、发酵和腐败等优点。

3.聚乙烯醇

聚乙烯醇简称PVA，从水解醋酸乙烯醇所得到的聚乙烯醇是水溶性乙烯树脂的一种，结构式见图2-16。

图2-15 羧甲基纤维素的结构式

图2-16 聚乙烯醇的结构式

聚乙烯醇具有优良的黏胶强度和成膜性，用于表面施胶所形成的覆膜强度大，并且透明、柔软，具有较强的抗油性，但它的抗水性较差。通常使用尿素甲醛树脂或用铬的化合物（醋酸铬、重铬酸铜或重铬酸钠）为添加剂，改善其防水性能。

聚乙烯醇溶液具有容易渗入纸张内部的特性，为此必须使用过量的聚乙烯醇才能取得应有的施胶效果。为了解决这一问题，通常是与淀粉、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺等配合制成表面施胶液使用。在混合时，聚乙烯醇的用量为20%～40%，可以获得较好的施胶效果。此外，还可以使用硼砂作为聚乙烯醇的胶凝剂，方法是先在纸面上涂上一层硼砂溶液，然后再用聚乙烯醇施胶。硼砂可与聚乙烯醇结合生成一种胶凝体，防止了聚乙烯醇过多地渗入纸张内部。

4.动物胶

动物胶是从动物的骨头、皮、筋等提炼出来的一种蛋白质。皮胶和骨胶都可用于表面施胶，其中以皮胶（工业上称明胶）为好。

用于纸面施胶的动物胶，应先将干胶放在水中浸泡数小时，待胶软后置于锅中加水加热，控制温度在77℃左右，缓和搅拌，直至产生胶状液为止。要注意防止过热，否则将发生水解作用而降低胶的黏度和黏结强度。有时在胶中加入少量明矾可使黏度增加，又可起防腐剂的作用。因此可以利用明矾调节胶液的流动性，间接控制胶料的渗透能力，从而控制纸张对胶料的吸收量。

（三）表面施胶的方法

纸页表面施胶的方法有多种，常用的有辊式表面施胶、槽式表面施胶、烘缸表面施胶和压光机表面施胶等几种。

1.辊式表面施胶

辊式表面施胶是目前使用最多的一类施胶方式。辊式施胶设备分为垂直式、水平式、倾斜式几种。

（1）垂直辊式施胶

垂直辊式施胶装置由一对垂直的上下压辊组成（图2-17）。上压辊是主动辊，由硬质材料制成，多为不锈钢辊、胶辊或花岗岩石辊，下压辊是从动辊，多为胶辊（硬度为勃氏25°～30°），纸在8%～12%水分时，与上压辊中心线成60°引入两辊间，并以同样的角度离开上辊，进入纸机的上排烘缸进行干燥。施胶剂用喷胶管喷到上辊及下辊面上，在上下辊的入口形成了少量的胶液堆积层，使原纸与胶液有一段接触区间，胶液的组成及浓度必须按使用要求来选择。供给胶料的体积必须与纸的通过量相适应，要保证有一定的循环量，以防止胶液间断和分布不均匀。施胶辊的压力也必须均匀，否则会在纸上产生湿条纹。

图2-17 垂直辊式表面施胶

1—弹簧辊 2—刮刀 3—上压辊 4—下压辊 5—防溅板 6—胶液槽 7—引纸辊

垂直辊式施胶会使纸页受到入口胶液堆积层的压力而容易产生断头，而且存在着顶面先于底面与胶液接触的缺点。采用水平辊式施胶，可以消除这些缺点。

（2）水平辊式施胶

水平辊式施胶装置如图2-18所示，由水平排列的一对施胶辊组成，其中一个硬质辊是主动辊，辊面一般是镀铬或镀铜制成，由变速电机带动；另一辊为胶辊，是从动辊（橡胶硬度为勃氏30°），辊面应有中高，由从动辊向主动辊加压。纸页垂直向下进入辊间区。纸页所承受的张力仅是本身的重力，很少发生断头。纸两面堆积的胶液液面是可以调节的，而且都在同一水平面上，可以保证纸页的两侧获得同等程度的施胶。水平辊式施胶通常把硬质辊放在出纸边，因此，在断纸时，纸是粘在硬面辊上的，硬质辊上设有刮刀装置，这样就便于引纸。安装的位置一般位于烘缸1/2～2/3之间，如干燥部有3组烘缸，一般安装在2～3组之间；如有4组烘缸，常安装在3～4组之间。

图2-18 水平辊式表面施胶

1—弹簧辊 2—引纸辊 3—胶液喷管 4—喷水管 5—刮刀 6—硬面辊 7—到上烘缸 8—到下烘缸 9—胶液溢流槽 10—软面辊

（3）倾斜辊式施胶

倾斜辊式施胶装置如图2-19所示。两个施胶辊安装的倾斜度较大，两个辊的中心线与水平面之间的夹角约为60°，引纸操作较方便；施胶前纸页水分最好控制在10%～20%；施胶后纸面产生皱褶，可用伸展辊展开。水平辊式施胶多用于一般文化用纸的表面施胶，操作车速可达200m/min。

2.槽式表面施胶

槽式表面施胶是在施胶槽内盛放胶液，纸页经弹簧辊进入施胶槽，通过浸胶辊使纸幅在槽内浸入胶液以达到纸面施胶的目的，其设备如图2-20所示。

图2-19 倾斜辊式表面施胶

图2-20 槽式表面施胶装置示意图

1—烘缸 2—导辊 3—浸胶辊 4—下压辊 5—上压辊 6—施胶槽 7—导辊

施胶槽设有夹套，可以通蒸汽加热胶液，并保持胶液所需的温度。浸胶辊外包硬橡胶，装在机架上，可以通过滑道前后移动，来调节纸页浸胶的时间，以达到所需要的施胶要求。纸页浸胶后通过施胶压榨挤出多余的胶液，然后经伸展辊保持纸面平整再进入后部烘缸进行干燥。槽式施胶如用于机内施胶时常装设在干燥部2/3烘缸的位置。

3.烘缸施胶

对于单烘缸造纸机，可在烘缸上直接进行表面施胶，在取得施胶效果的同时，又能提高纸的光泽度。烘缸施胶如图2-21所示。

施胶辊7设在烘缸刮刀10下侧，辊的中心与烘缸1垂直中心线成49°的夹角。在施胶辊7的下方设有胶液槽11，施胶辊7浸入胶液的深度为10mm。胶液槽中的胶液由高位槽供给，溢流的胶液自流到胶液槽11，然后再用泵送到高位槽回用。施胶辊由烘缸带动回转，并将辊面上的胶液转涂于烘缸表面。湿纸页与涂胶的缸面接触，经托辊挤压后，将缸面上的胶液转移到纸面上。烘缸施胶，对施胶装置的要求较严，施胶辊的直径约为120mm，包胶层硬度为勃氏43°。在施胶辊上方，为控制胶量而设有橡胶刮刀8，以刮除多余的胶料。

4.压光机施胶

利用压光机施胶是在纸机上进行纸面施胶的一个重要方法，一般用于厚纸或纸板的表面施胶。这种方法是采用具有橡胶唇的胶液槽与压光辊面接触（图2-22）。胶液槽中的胶液先黏附到压光辊上，再传递到纸面上，采用两个施胶槽可以进行两面施胶处理。

图2-21 单烘缸造纸机的表面施胶

1—大烘缸 2—托辊 3—上压辊 4—下压辊 5—上毛毯 6—下毛毯 7—施胶辊 8—橡胶刮刀 9—纸卷 10—烘缸刮刀 11—胶液槽

图2-22 压光机表面施胶

A/A′—胶液管 B/B′—胶液槽 CR—压光辊 R—纸卷

压光机表面施胶没有辅助干燥设备，因此要求纸板进入压光机时的水分不能太大，一般不超过8%。纸板的干燥主要依靠施胶后其他压光辊的摩擦取得热量，蒸发纸板中施胶带来的水分，使成品的水分达到11%左右，满足生产的要求。压光机表面施胶剂大多选用聚乙烯醇或石蜡硬脂酸以提高纸板的施胶度和表面平滑度。

至于薄纸采用压光机施胶，必须利用压光机辊子通汽干燥，或者是采用单独的干燥辊干燥。