论文综述：纸张表面喷涂设备的设计

本科生毕业设计（论文）综述学 院 轻工学院 专 业 印刷工程 导 师 刘 壮 学 生 王文治 学 号 201110830021 2015年04月10日1 绪 论1.1论文研究的背景从1993年到2011年，全球纸张的需求量年平均增长率为2.8%，其中涂布纸年均增长7.84，而轻涂纸年均增长率22.28，可见涂布纸正朝着轻量化涂层方向发展 1，本论文采用喷雾涂布的方法在纸张表面上形成一层涂布。目前，纸张印刷适性的改进多以涂布为主。涂布纸最早是由美国新泽西洲的约华尔德仑公司于1850年开始生产的，当时是用作壁纸。1894年，世界上出现了第一台生产涂布纸的设备。低定量涂布纸是20世纪50年代初，登上市场的。但印刷涂料纸的主体仍然是高定量的铜版纸，最近几十年，涂布技术发展很快，涂布纸的产量也在不断增加。随着对纸张的印刷适性的要求的不断提高，涂布纸越来越受到跟高的关注，因此对涂布纸的涂布配方的研究也不断的深入。涂布纸在印刷方面的质量的好坏主要有两个方面的原因：一原纸的质量情况，二原纸表面的涂层结构。原纸表面涂层的涂料主要有颜料、胶黏剂和其他助剂组成。纸张经过涂层在压过干燥的过程中会经过液体、凝胶体和固体不同的阶段。胶粘剂涂层后的迁移、涂层在干燥过程中收缩、涂料中水分的蒸发等都会不同程度的导致涂层在纸张表面的分布不均，最终影响其印刷适性。涂布原纸表面的亲水性是有纸张的纤维素和半纤维素决定的，因此随着胶黏剂向纸张内部的迁移会影响涂料在纸张平面方向和厚度方向分布的均匀度。因此，在提高涂布纸性能方面，更多的是从原纸和涂布配方着手研究。涂布纸的发展有着很久的历史。最近几年来，国内、外做了很多工作有关改善和提高涂料纸。原纸的表面上涂布的涂层，其内部的结构要经过原纸内部结构的吸水和涂层变干的双重作用后而逐渐的转化为干燥的涂层。在这个过程对涂布的纸张的质量的形成起到非常重要的作用。国内外对干、湿涂层性能及其检测进行了大量的研究，并取得了非常好的结果。随着印刷技术的不断发展，印刷装备水平的不断提高，对纸张的印刷适性要求越来越高。1.2论文研究的目的及意义纸张作为信息的载体，其印刷适性在信息的表达、传递过程中是极为重要的。纸张表面的涂布技术是提高其印刷适性的主要途径，它通过改善纸张的表面结构来改进纸张表面的光学性能、提高纸张表面平滑度与吸墨性能，进而提高纸张的印刷适性。随着多色印刷要经过四次甚至更多次压印，若纸张掉粉、掉毛严重，将会出现糊版，影响印刷质量，若抗张强度和撕裂强度较低，还会造成断纸，影响印刷效率；随着现代印刷机械印刷印刷速度的不断提高，纸张表面油墨的干燥速度也不短的加快，为了避免印刷后纸张的背面出现蹭脏的现象，所以要求纸张对油墨的吸收性要好；由于四色平版印刷中是先上润版液后上油墨的，而印刷润版液中含有的水分会对纸张造成变形，如果造成的变形很严重就会造成印刷中套印不准，使纸张的印刷印迹模糊，因此要求纸张吸收润版液后的变形不能太大2。总之，印刷中所需要的纸张生产正朝着高白度、高平滑度、高强度的方向发展，涂布纸在印刷中的比例越来越重要。1.3纸张涂布技术及涂布技术分类1.3.1纸张表面涂布技术涂布是将一层或多层具有特定功能的材料附着于基材表面上，以改善基材表面性能或保护基材，赋于基材特殊功能或者直接利用涂层表面特性提高产品的使用价值3。涂布工艺技术最早用于感光工业、纸加工工业和塑料包装工程等领域 ,目前由于涂布技术发展速度快、成本低而被各种新型电子元器件生产流程采用，被涂基材也已从纸张、各类高分子薄膜，扩展到铝箔、铜箔乃至钢板，比如各种新型电池的电极和电容的电极涂布，但是新型器件对涂布技术有新的要求，比如锂离子电池隔膜的纳米涂层，要求涂布层厚度为纳米级而且膜层厚度均匀性在10nm之内，现有涂布技术并不能满足要求。作为层贴复合和表面装饰的关键工艺，涂布技术得到科技、生产及相关人员的高度重视，并得到不断总结、不断改进，成为一种与时俱进、不断发展的工艺。随着工业技术的发展，以及社会对涂层产品需求的不断扩大，近十几年来，涂布技术得到了很大的发展。现代涂布技术研究方向正朝着两个极端发展，电池两端的极片和无纺布涂布技术等涂布要求在表面涂层的涂布非常厚；光学薄膜和磁记录介质薄层等在表面的涂层量要求非常的薄，甚至几个纳米。纳米涂布要求更薄的涂层厚度及更好的涂层均一性，因此，在涂布时选择恰当的涂布方式、加强涂布层薄膜的在线检测及调整涂布的涂布量是非常重要的，是发展涂布技术的必要条件。由于刮棒、气刀涂布只适用于较薄涂层的涂布，但锂离子电池极片涂布要求浆料湿涂层为100300um，对于此种高精度厚涂层涂布，一般选用挤压涂布或辊涂，但是对于需要获得超薄层、高输出磁记录介质极片浆料涂布可以采用双层膜拉伸挤压涂布。同时，随着现代高速涂布的要求越来越高，对涂料的性能也提出了更高的要求。涂料的流变性能是一个决定涂布质量的关键因素，因此，涂料的流变性能己经成为国内外研究热点。涂布液浓度较高时涂布后的涂层较厚；而低粘度的涂布液可以涂布出较薄的涂层。此外，在刮刀涂布过程中，涂布液受较高剪切速率的作用，要求涂布液符合“高浓低黏”的要求，浓度要求为60%以上，同时具有剪切变稀的性能，以使在较高剪切速率作用下有较低的粘度。这是由于在使用相同的胶黏剂时，涂布液浓度越大，固含量越大，克服微粒间引力使得摩擦力增大，但是气刀涂布受气流能量的限制，则一般选用低固含量、低黏度的涂布液。在涂布工艺中，通过优化工艺配方来改变涂料的性质可以完成涂层质量好的任务，使用纳米级粒子。由于粒子具有的纳米表面效应和量子尺寸效应，可用于涂料制备是的电位、PH值及表面展现的黏度，以实现制备涂料的高浓低粘，新型纳米助剂的添加促进了高速涂布机涂布操作的可运行性。此外，在涂布过程中，影响涂布质量的因素很多，其中主要是来自机械设备、工艺、物料等方面的影响，所以，增强涂布表观质量的在线检测是非常重要的，如在线测量装置分别将测得的涂层装载量的数据反馈到所述程序控制装置，所述程序控制装置计算出涂层的实时装载量并与涂层的预设装载量进行比较，然后发布调节指令至所述涂布装置，可以来调整涂布的浆料输出量。1.3.2 涂布方式的分类（1）压辊类涂布网线辊涂布：网线辊涂布技术适用于低浓度、高干燥能力的溶剂型胶粘剂，涂膜光滑，无漏涂。其中，网孔的深浅与目数决定涂布量，网孔越深，涂布量越大，网孔密度越大，涂布量也越大；该涂布方式常采用金属网纹辊与陶瓷网纹辊等。网线辊涂布所使用的基材可以是纸张、塑料、金属等。以网线辊涂布方式在纸张上涂以隔潮材料、防水材料和防油材料，可以制得用于包装冷饮或短时间的一次性饮水工具的可迅速降解的包装材料；将导电涂料用网线辊涂布方式涂于经表面处理的集流体上，可制得超级电容器4。光辊涂布：光辊涂布是通过辊与辊转移涂布液达到涂布目的，这种涂布方式通常采用两辊转移涂布。通常通过调整其上辊和涂布辊之间的间隙来控制涂布量，成本稍高。因为这样的涂布方法主要采用精度特别高的光棍进行上胶涂布，产生的涂层好，涂布的流量的大小除了通过上胶辊和涂布辊之间的间隙来调整，还可通过涂布刮刀的微动调节来灵活控制，涂布精度高，目前在涂布复合设备上的应用最广。(2) 特殊刮刀涂布刮棒（匀胶辊）涂布：用强度硬度较好的圆棒精加工制做成刮棒，刮棒操作简单，涂布量为420g/m2，适用涂料粘度为10002000mPas。刮棒的误差要求较小，可用于光辊涂布的预刮胶，也可用于涂布量较厚的一次性刮胶；当涂料黏性大时，也可以直接用刮棒刮在基材上。刮棒涂布中最常用的是计量棒，计量棒是在不锈钢杆上缠绕精密的不锈钢拉丝，从而形成带不同形状的凹槽棒，可对大多数基材进行精确、可重复的表面涂布。气刀涂布：气刀涂布是我国现有涂布设备中，最普遍、最有效的涂布设备，是利用加压喷射出来的空气来调节涂布量和涂布层的平滑度。气刀涂布在涂布纸的生产中得到广泛的应用，其工作原理是由涂布辊将过量的涂料涂在原纸表面上，而后在纸幅通过背辊与气刀之间时，由气刀喷嘴间所喷射出与纸幅成一定角度的气流将过量的涂料吹落，就此在原纸表面形成一层组织均匀、厚度一致的涂料层。气刀涂布不直接与纸面接触而把多余的涂料从纸上吹下，因此，气刀涂布适用于机内涂布及纸板涂布。逗号式刮刀涂布：逗号刮刀是一种新的涂布方式之一，所谓“逗号刮刀”是圆的辊子用机床完成刃口，形状好像逗号。逗号刮刀作为涂布设备中的关键部件之一，具有其它刮胶设备所不具有的优点，此种刮刀的强度、硬度高，机构简单、造价低，涂布量易于控制和刮胶精度高，使用极为方便，刮胶均匀，用“逗号刮刀”代替钢片刮刀能使得到的涂层的表面很平滑。（3）特殊涂布 挤出涂布：挤出涂布又被称作挤出复合、淋膜，挤出涂布是把熔融的热塑性塑料（树脂）通过缝型模头挤出，使之成为连续的熔融状的薄膜并压贴（粘合、复合）在向前移动的基材（如薄膜、纸张、纸板、箔片等）上的一项技术。现代快餐方便面包装已全部采用挤出流延法生产，在生产果冻盖时，使用低温可热封易剥离树脂挤出涂布铝箔盖材上，使之易同装果冻的底托盘热封。旋转涂布：借助于高速旋转所产生的离心力，将加注于支持体表面的液料进行铺展，进而形成所需厚度的涂层，这种涂布方式称为旋转涂布。旋转涂布常被用于各种聚合物溶液的涂布，其在电子信息产业领域也有着广泛的应用，此种方式形成的涂层厚度可以从几十纳米到几微米，厚度均匀性可达百分之一。涂层厚度取决于涂布液的固含量、涂布液溶剂的挥发速率以及旋转速率等。帘式涂布：涂料从涂料分配器喷嘴中流出连续性的薄膜，以幕帘状坠下，通过一段的距离沉积在喷嘴下面纸幅上。帘式涂布的涂布量通过涂料管线上的压差和网眼大小或涂布器模具的几何形状来控制。2纸张表面喷涂技术分析2.1纸张表面喷涂设备工作原理喷雾涂布技术是一种非接触式的涂布方式，喷雾涂布使利用可控气体装备和喷雾工艺，在没有任何物体接触的情况下，使涂料形成雾化均匀的涂布扩展到基材上的一种涂布方式。喷雾涂布工艺实质是在基材表面进行涂覆或进行表面施胶，是一种能达到高效率的涂布技术。喷雾涂布的工艺原理是由泵排出的具有一定压力的液体涂料，经过喷嘴孔以高压连续喷射形成雾化状态到涂布基材上5。在喷雾涂布中，喷雾涂布中的液滴在被涂到基材表面上的扩散起到主要作用。喷雾涂布涂层表面光滑、表现质量好、手感较佳；喷雾涂布解决了在刮刀涂布和光棒计量涂布中出现的条纹现象；除低速下最小涂布量之外，喷雾涂布基本上不受涂布量的限制，涂布量范围较大。如图2.1所示纸张表面喷涂设备原理图图2.1所示纸张表面喷涂设备原理图2.2喷涂设备纸张涂布研究现状现代工业生产中很多高速涂布工艺趋向于依赖先施涂过量的涂料，然后经过刮刀、计量棒或者气刀计量出去多余涂料。然而，塑料压涂和测量应用胶按涂料的标准的应用程序（MSP）两个明显的例外。标准的施胶压榨涂布是同时进行的，且涂层涂装前.但测量，塑料压涂和测量应用胶按涂料的标准的应用程序（MSP）两个明显的例外。标准的施胶压榨涂布是同时进行的，且涂层涂装前测量。但是所有这些系统都依靠的是辊子与纸张的直接接触，均为接触式涂布。上涂辊运行时靠在背辊上，二者的接触对纸张表面施加了很大的压力。这样会使得纸张表面的内部结构受到很大的压力而产生变形，由于纸张在接触式涂布装置中受到的压缩会导致纸张表面的均匀度产生缺陷直接导致纸张表面涂层的不均匀性或产生印刷方面的故障，因此“非接触式”的喷涂设备具有改善产品均一性的能力。喷雾涂布技术是使用供料泵将涂料送至喷嘴喷到纸张上的非接触式涂布，它在1994年就开始第一次试验了，因为雾化存在的问题，直到1999年末才才有了比较完善的喷涂机器，它与传统的刮刀式的涂布、光棍式涂布有很大不同由于和纸页没有直接的机械接触即使在涂布量很少的情况下也能产生对纸页的良好覆盖6。“非接触式”喷雾涂布装置,适用于具有一定流动性的液体涂料,并且是涂布量较低、涂层很薄纸张,尤其是那些“易起皮”的特殊涂料(如乳胶等)以及湿强度较低的原纸7-8。它不管被涂原纸的表面外形如何,均能涂一层薄而匀的涂料喷雾涂布装置,由于纸张表面的不均一性和有很多不规则形状,利用喷雾喷涂装置上进行涂布,可以很好的解决这些问题。涂料雾化后形成的小液滴扩散到纸页上；能使涂料液滴沿着原纸的表面很紧密地随行，未压光的纸张表面类似于薄膜涂布的表面。喷雾涂布很好的解释了“无接触涂布”的概念，使纸张涂布技术有了很大的的突破，极大地提高了纸张涂布的效率。喷雾涂布已经用于涂布量很少的纸张的涂布(LWC)、中等量纸张涂布(MWC)和生产新闻纸9。这种涂布方式的速度能够达到2500/min,在基材表面进行涂布。喷射的液滴大小主要在2060um之间，或者和纸张微观特征处于同样的数量级。2.3纸张表面喷涂设备设计图在实际工程中喷涂设备应用在很多的的方面，喷涂设备的主要应用领域：（1）现代的交通运输：高速公路护栏，桥梁，火车与铁道设施，汽车，机场等设施；（2）能源工业；水工设备，水罐，石油精制设备，与输变电设备；（3）大型工业企业：造纸设备，医疗设备，食品化设备，水泥厂设备。喷涂设备的作用：喷涂设备作为处理雾化设备一般需根据不同的涂料专门设计制造，其作用是根据不同的涂装基材的情况设计制造，也是将喷涂过程中的喷涂料限制在一定区域内关进行过滤处理10-12。此外，还可提供温度，湿度，洁净的光照度来达到一定要求的施工条件，来改善操作的工作环境，其保证产品的喷涂质量。 喷涂设备在工业生