涂料制备方法及供料系统设备

文/智桥科技整理

涂料制备是制造涂布纸的开端，所得的涂料质量对涂布纸有很大影响，必须严格把握制备的每个步骤。
(一)涂料配方设计
1．配方成分
配方是指涂料各成分的品种和数量，它是根据涂布纸所要求达到的性能和指标来设计的，不同种类的涂布加工纸有各自独特的涂料成分；即使同一种类的涂布纸，等级和要求不同，配方中成分就有所变化。设计配方，首先必须明确涂布加工纸的主要功能成分，即主要成分。
2．配方试验
通过对涂料成分各品种的筛选来实现，在固定其它成分的前提下，将所要选择的成分以同一配方，不同品种或品牌，以同一配料方式制成涂料(配料步骤或流程后述)，测定其性能和涂布后成纸的性能，选择性能最佳者。也可用现成提供的配方，固定其它成分，选配一种成分。在确定各种成分的品种、用量比例的情况下，综合出较满意的涂料配方，再作扩大试验，可在试验涂布机上作小批量涂布，这时，可能由于手工小试与机上涂布的条件不同而要作某些助剂如流动性改进剂、粘度等方面的调整，得到满意结果后，才确定生产配方。
3.操作配方
当确定要生产一批涂布纸后，由以下步骤制定操作配方：
1)计算所需绝干涂料量
按以下公式计算：绝干涂料=批量涂布纸质量/成纸定量×涂布量+操作系统的损失(注意所用单位的一致性)
2)配料量计算
据涂布机每日产量，计算所需的绝干涂料量(同上)，再根据理论固含量，计算得每日所需的湿涂料量，并根据配料桶的容量来确定涂料中各成分的配比。
(1)各成分绝干量百分比：各成分绝干量/总绝干量×100％。
(2)各成分的操作量：根据绝干量，计算各成分之操作量(因原料中含水，实际用量需考虑含水量)。
各成分操作量=各成分绝干量/(1-含水量),如瓷土含水量为30％(70％含量的浆料)，绝干量为45kg,该瓷土的操作量即为45kg/(1-30％)=64.3kg
需注意事项：①每种原料的含水量需测定或预知。②配方(尤其是每种原料量)不是一成不变的，可据原材料(如厂商、批量的不同)、涂布量、原纸质量和定量、涂布机运转情况等作适当调整。③具体配方在以后的品种章节中会分别叙述。
(二)涂料配制
各种涂布纸的涂料制备有所差异，但其一般过程是：(1)颜料或染料分散液的制备。(2)胶粘剂溶液的制备。(3)各类添加剂溶液的配制(不包括可以直接加入混合器如乳液状或溶液状态的添加剂)。(4)各种成分的混合。
1．颜料或染料的分散
分散是涂料制备的重要一环，可以有两种情况：需要进一步磨细粉碎的和只需分散的，前者需加入分散剂等助剂在磨细设备如砂磨、球磨、胶体磨等中进行，后者则加入分散剂等助剂后在特定的高速分散机内进行。是否需要磨细是根据涂料性能要求，涂布纸质量要求而定的。
需注意颜料分散的加料程序，尤其在多种颜料、多种助剂时更要注意。以下是较合适的加料程序，供参考：水+六偏磷酸钠→硫酸钡→硬脂酸盐→碳酸钙→瓷土→多菌灵→砂磨→过滤→储存备用。
2.胶料的制备
胶料种类不同，制备的条件也不同，主要胶粘剂的制备条件叙述如下。
1)淀粉的蒸煮
蒸煮步骤：第一步使系统升温(82～100℃)；第二步保温，使颗粒溶胀；第三步冷却到所需的温度(储存或配料的温度)。第一步所需时间决定于导热的方法，一般直接蒸煮时间短。第二步大约需l0～20min，随淀粉品种不同而不一。蒸煮方式：可以有间接和直接两种，又有分班间断式和连续蒸煮之分。间断式蒸煮较普遍，直接加热较简单，间接蒸煮可以用蒸汽盘管或夹套加热，两者都需搅拌以防止局部过热。
注意事项：①搅拌均匀，时间不能过长。若时间过长，淀粉在凝胶温度以上时间过久会影响其粘度、胶粘强度和涂料性能。大多数淀粉配料温度在60℃以下，以保持浆料流动性，并易与颜料混合。②蒸煮温度的控制较重要，设备需安装温度计，并记录温度有利于控制。从已经得到的蒸煮过程淀粉粘度变化图(图2-106)可看出，粘度增加到一最大值后便降低，必须有足够的搅拌力来克服此最大粘度。
2)干酪素的溶解
干酪素需加入碱类助溶剂溶解，碱的品种和用量已在有关干酪素的章节中谈到，加料过程如下：容器中加入一定量的水→加人干酪素→静止0.5h→除去上层清水，调节水量→加入氨水→完全溶解需注意事项：①溶解时间取决于溶液的pH值，pH值越高，所需时间越短。②加入干酪素需搅拌，搅拌应充分又不能引起太多泡辣。③溶液应现配现用，存放不能超过24h。若超过，需加防腐剂。
3)豆酪素溶液的制备
豆酪素与干酪索相似，也需加入助溶剂(品种已在有关章节中谈到)。它比干酪素敏感，应适当缩短溶解加热时间以减少降解，溶解温度控制在55～60℃，在40～50℃时加入助溶剂。
4)PVA的溶解
PVA的聚合度不同，溶解次序略有不同，一般是容器中先加入所需要的水，再在慢搅拌下加入PVA粒子。高粘度的PVA，在溶解前可适当浸泡10min左右，再升温，温度需在90～98℃，并保持30～60min，必须检查溶液中是否还有未溶解的PVA粒子，才能降温。
3.涂料混台
这是涂料制备的最后阶段。将分散好的颜料、溶解得的胶粘剂溶液及各种添加剂在带有搅拌器的混合桶内均匀搅拌混合。一般的加料次序是：颜料分散液，消泡剂(抑泡剂)，胶粘剂，色素溶液，补充水。
(三)涂料制备流程
据品种不同，制备流程不一，但一般制备流程需较多贮存器，适宜产量大的情况。若在胶粘剂或颜料分散液现配现用的情况下，可以省去颜料贮存或胶料贮存、胶乳贮存器，这样可减少占地面积。此外也可将颜料直接加入已溶解好的胶液中，这要求颜料本身的细度粒高，或采用高剪切力的搅拌混合，也可使用三辊机、胶体磨等设备。该方法适合制备高浓涂料。有两个经典的涂料制备车间设计方案：使用移动磅称，比较灵活；或使用计量输送磅自动计量，自动化程度较高。此两种设计是涂料制备的基础，对于现代涂布纸制造还有一定指导意义。
(四)涂料制备及供料系统设备
1.分散与混合设备
涂料制备一般分成以下二个阶段：①颜料分散，②涂料混合。颜料分散的机理包括固体颗粒的湿润，以及剧烈搅拌产生的高剪切作用使得固体颗粒充分分散在液相中。涂料混合的机理为充分的搅拌，将颜料与胶粘剂及各种涂布添加剂快速混合均匀。
涂料制备的混合设备分为高速和低速两类。高速混合机依靠转子在高速旋转下产生高剪切力作用，低速混合机在低速运转状态下产生高剪切力作用。后一类主要用于具有高阻力的塑性物料的混合。
1)混合机的特性
在需要高剪切力的流体运转中，转子线速度是决定性的因素，由其决定流体的压头、流量与输人功率的大小。而线速度则可通过改变叶轮直径或转速来变更。因此，对于具有相同转子或者采用新的设计方法时，应比较产生剪切力的相对功率，其处理结果(如分散细度)必须根据输人功率，如线速度进行评价。尺寸大小不同的转子叶轮，在完全不同的线速度情况下可以获得相同的处理结果，在最低的输入功率下进行设计，所获得的处理结果通常为最佳的选择。为了充分使用混合机的能力，可调节输入功率来改变操作条件，既可改变速度也可改变叶轮直径，或者同时改变这两种条件来达到。
2)混合搅拌叶轮的设计与选型
混合桶内液体流动与混合的动能是通过旋转叶片的传递而获得的，叶轮的设计与选型应考虑以下三个因素：(1)叶轮相对于混合桶的尺寸，即叶轮的直径；(2)叶轮转速；(3)尺寸比例(叶片数目，宽度和叶片的角度)。搅拌器形式的选择，除了要适合液体本身的特性需要外，还需考虑到它对混合桶尺寸的比例与旋转速度的关系。通常，搅拌器越小，转速就越高。在工厂运行中，圆盘搅拌器的转速范围为1100～3600r/min。刮板式搅拌器，其刮板大小和尺寸在给定范围可从低速50r/min到高速2000r/min或更高。轴流式搅拌器，既可为船用涡轮式也可为刮板螺旋桨式，运转的速度范围很广，转子尺寸小的转速为1750r/min，螺旋桨式或涡轮翼叶尺寸大的转速为50～100r/min。通常桨叶、锚式或闸板式搅拌器的转速范围低于50r／min。一般认为粘度在20000mPa?s以上就不宜使用涡轮式搅拌器，而锚式或框式搅拌器可适用于10Pa s以下。不同类型的搅拌器，在不同转速和不同直径时，给液体提供了不同的流动特性。一般来讲，螺旋桨式、桨式和涡轮式三种搅拌器在混合桶内装有挡板的情况下，可使湍流强度大大提高。在这三者中，通常认为涡轮式有利于获得较高的湍流强度，因此比较适合用于高功率的情况，故在涂料混合中采用涡轮式圆盘锯齿型和涡轮式圆盘凸块型搅拌器较为常见。
3)混合桶的设计与选型
混合桶的设计要适合于对液体有充分搅拌作用与混合作用的发挥，因此桶内的操作液位高度要尽量接近于混合桶的直径，这样才可保证使输入的动力充分地分配到混合桶内各个角落。通常最低的操作液位应该是槽体直径的1/3高度。如果混合桶较高，这就需要采用多级搅拌器。混合桶内挡板的宽度一般为桶直径的1/12。装置挡板，可以大大地增加液体作旋转流动的阻力，它能消除圆周方向的旋转运动。液体粘度越高，挡板的作用就越小，因此当液体粘度高于50000mPa s时，就没有必要装置挡板。另外，挡板只适用于搅拌器直径比桶径小很多的场合，即旋桨式、桨式和涡轮式。混合桶结构的合适材料是不锈钢，但碳钢经过适当涂覆环氧树脂也可作为其结构材料。
涂料分散与混合设备的设计与选型考虑因素如下：(1)目的：搅拌，混合或分散。(2)质量：经过8min的操作运行后，涂料中325目的残余物量应少于2％。(3)操作与处理条件：化学、机械、温度的影响以及处理工艺。(4)适应范围。(5)操作费用：安全性以及维修、保养因素。(6)有否现有的生产或实验装置供参考、比较、分析、选择。
2.筛选设备
为了满足涂布机操作上的要求，保证高质量的涂布效果，涂料在使用前必须经过筛选处理，将其中的杂质除去。选用筛选设备必须考虑以下因素：涂料清洁程度，筛网网目，筛网安装位置，设备成本，操作成本，生产效率，动力消耗，操作灵恬性，维持清洁与保养，维修的难易程度。
筛选设备的种类繁多，但基本部件都是相同的，即一张具有一定开孔面积及不同规格网目的筛网或者细孔排列的开槽筛板。当使用筛网时，筛网需固定在具有四周挡板的框架内，使液体能存留其中，该装置保证物料(即干净的涂料)能通过筛网，存留在筛网上的尺寸过大的物质或脏物则被除去。涂料制备过程中常用的筛选设备有以下几种：
1)振动筛
振动筛是涂料制备过程中使用最为普通的一种筛选设备。涂料借助于筛网的振动，因此很容易地穿越筛网的孔隙。由于振动筛网的结构形式与振动方式的不同．又可分为下列几种类型：简易框式振动筛，槽型振动筛，斜式振动筛，圆形振动筛。
2)过滤器
框式过滤器直接安装在涂料输送的管路上，涂料被泵送从过滤器的上部进入，然后穿过筛框后。干净的涂料进入贮存桶，而杂质则滞留在筛框内。框式过滤器可根据实际使用情况选用单框式，双框式或多框式。在一般间隙式生产中可采用单框式，如考虑连续生产与清洗的需要，则可选用双框式，因为可在清洗一只框式过滤器的同时，通过切换阀门保持另一只框式过滤器工作。瑞典Ramson公司生产的DU-150型双框过滤器的技术参数为：进口直径150mm，过滤压力1～4MPa，处理量480L/min，滤网孔径50～1000μm。
管式过滤器以罗宁根(Ronningen)过滤器为代表。这种过滤器适用于处理高浓度、高粘度涂料的筛选。涂料由下面进口泵进压入，经过过滤元件筛选后从上部流出，人口压力为0.35MPa，一般由螺杆泵输送。
过滤元件的下部，以橡皮软管吊着振子，它给预涂料15000～20000周的振动。振子的构造为六角形的箱壳中，装人圆球，以约0.35MPa的空气压力使不锈钢球进行回转，使其产生高周渡振动。过滤元件具有特殊的断面，为不锈钢网卷成盘管状，这对除去涂料中纤维状的异物很有效。筛网为l00目时，处理量为95L/min。生产中可采用并联的方法，数只组合使用以提高处理量。根据涂料处理量来选用组合罗宁根过滤器，且罗宁根过滤器可采用反冲方法进行清洗。
芬兰Valmet-Raisio公司制造的LS自清洗型型压力过滤器适用于处理中、高粘度涂料的筛选，尤其适宜于布置在涂布机的上料系统。LS型压力过滤器的工作原理为：涂料由螺杆泵从LS型筛筒体的上侧送入，在筒体内侧通过筛鼓后被送入底部的涂布供料管路，杂质在筛鼓外侧由排渣器定时排出。筛鼓外侧表面装有清洗刮板，而筛鼓内侧表面装有混合刮刀，由上端的电机驱动旋转，由于同步清洗的结果，可有效地克服纤维与毛毯絮状物所带来的涂布条痕问题。另外LS型压力筛的顶部装有一根除气管，可有效地将涂料中的气泡除去。LS型压力过滤筛的处理能力可达90000L/h。
3．泵送设备
1)离心泵
离心泵靠泵壳叶轮的离心力作用，达到输送液体的功能，而离心力的大小与叶轮的转速、叶轮的直径以及流体的密度有关。离心泵适宜于低固含量与低粘度涂料的输送，但当固含量或粘度提高时，离心泵的功率增加量相当大，并且压头损失也较大，故很难确定整个离心泵的适宜功率数。
2)齿轮泵
齿轮泵壳内有两个齿轮，其中一个为主动轮，系固定在与电动机直接相联的泵轴上；另一个为从动轮，安装在另一轴上，当主动轮启动后，它被啮合着以相反的方向旋转。齿轮与齿轮之间均有很好的啮合。当泵启动后，左侧进口处由于两轮的啮台齿相互拨开，于是形成低压，而吸入液体。进入泵体的掖体分成两路在齿与泵壳的缝隙中被齿轮推着前进，压送到排出口，形成高压而排出。齿轮泵的压头大而流量小，可用于输送粘稠液体或膏状物体，一般用于涂布助剂的输送。齿轮泵的进口端管径必须在5cm以上，出口管路需设置循环回路或加设减压阀，以防止出口管路阀门关闭时引起的压力不断升高所产生的管路损坏。
3)计量泵
计量泵有柱塞式、隔膜式和皮碗式三种。此种泵可以把液体精确地输送到流体输送管内或混合槽内。计量泵的流量和压头可以调节，主要通过活塞冲程的无级可调，由0至最大值。

活塞冲程也可以在泵运行时进行调整，不仅可以用手进行调整，也可以用电动和气动装置进行调整。超出泵本身的输送量时，可以通过改变活塞频率以达到改变输送量的目的。计量泵几乎适合于输送所有的流体介质，因为泵头不仅可以由多种金属材料制成，而且也可用陶瓷、塑料和其它材料制成。
4)螺杆泵
螺杆泵由泵壳与一根螺杆所组成。此泵的工作原理为；当转子在双线螺旋孔的定子孔内绕定子轴线作行星回转时，转子与定子之间形成密闭腔，就连续地匀速地体积不变地将介质从吸入端输送到压出端。由于这些特性，螺杆泵特别适合于下列情况下的工作：
(1)高粘度介质的输送，介质粘度根据泵的大小不同，从3500mPa s到20000mPa s。(2)含有固体颗粒或纤维的介质，颗粒粒径最大可以到30mm(不超过转子偏心)，纤维长度可以长到350mm(相当于0.4倍转子螺距)，纤维介质固含量可达40％，当介质为粉状固体颗粒时，最高浓度可达到60％或更高。(3)连续输送，压力稳定，不会出现周期性压力波动。(4)搅动小，不会破坏被输送介质的固有结构。(5)流量可以通过调节转速进行调节，而压力能随输送管道阻力自动调节。(6)低的噪声。

螺杆泵的出口压力与螺杆泵的转子节数有关，例如一节螺杆泵的最高压力为0.6MPa时,则相应的二节螺杆泵最高压力为l.2MPa，四节时则为2.4MPa。
5)皮管泵
皮管泵适宜于输送涂布胶乳及其相应的助剂。泵壳内有一根U型强力胶管，其两端与泵体的吸入口与排出口用法兰连结。泵体中心由传动轴和转轮构成，转轮对侧装有两块靴形压块，当转轮旋转时，靴形压块以脉动方式对胶管加压，使输送的物料不断地吸入和排出。该泵在运行时，还须在泵壳内加入硅基润滑油以减少靴彤压块对胶管的摩擦力，同时起到冷却作用。

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