涂層的抗壓性能及其內(nèi)部抗壓強度的測定方法

涂布紙或紙板折疊時出現(xiàn)的裂痕是一種質(zhì)量缺陷。紙或紙板折疊時，折疊處會產(chǎn)生壓應(yīng)力和張應(yīng)力，但是目前還沒有測定涂層抗壓強度的方法。該文的目的是探求一種測定涂層抗壓強度的方法，并研究不同礦物涂料的抗壓性能。試驗采用短距壓縮強度測定（SCT）法測定獨立涂層的內(nèi)部抗壓強度，結(jié)果表明測定涂層的內(nèi)部抗壓強度，SCT法是適用的。試驗采用不同的顏料組分（高嶺土和碳酸鈣礦物顏料）用于研究顏料顆粒形狀對涂料抗壓強度和抗張強度的影響，所用膠乳具有不同的玻璃化溫度。結(jié)果表明，顏料顆粒形狀會影響涂層的強度；與球形或針狀碳酸鈣顏料相比，片狀高嶺土可以使涂層具有較好的強度；抗壓強度和抗張強度會隨著涂料中碳酸鈣尤其是沉淀碳酸鈣加入量的增加而降低。同時研究了丁苯黏結(jié)劑對涂層抗壓強度的影響，結(jié)果表明涂層抗壓強度隨黏結(jié)劑用量的增加而增大，涂層抗壓強度是抗張強度的3倍。

涂布紙或紙板折疊時出現(xiàn)的裂痕不僅僅是一種外觀缺陷，也可能導(dǎo)致紙張故障。紙張折疊時，折疊處表面和內(nèi)部的涂料會受到不同的應(yīng)力。折疊處表面的涂料受到張應(yīng)力，而內(nèi)部的涂料則受到壓應(yīng)力。

在宏觀層面，涂層是一種混合物。其強度取決于黏合劑的機械性能、孔隙結(jié)構(gòu)以及黏合劑與顏料之間的總結(jié)合面積。水和溶劑通過改變黏結(jié)劑的機械性能或減弱顏料與黏結(jié)劑之間的結(jié)合將會改變涂層的結(jié)構(gòu)。在微觀層面上，涂層是由顏料-黏結(jié)劑-顏料組成的。顏料與黏結(jié)劑結(jié)合處的強度取決于黏結(jié)劑的機械性能以及黏結(jié)劑、顏料的表面化學(xué)性能。

大部分有關(guān)涂層強度的研究考慮了顏料和黏結(jié)劑對抗張強度的影響。涂層的強度取決于涂料中所用顏料類型以及黏結(jié)劑的用量。由于膠乳的成本比無機顏料高很多，通常膠乳的用量要盡可能地少。因此，對影響涂層強度性能的因素而言，如顏料顆粒的形狀、膠乳的玻璃化溫度以及涂層的多孔性等變得更為重要。

短距壓縮強度測定（SCT）法是測定紙板抗壓強度的方法，也可用于薄紙紙張樣品抗壓強度的測定。用于測定薄紙紙張樣品抗壓強度的測定時，測距較小，一般為0.7 mm，以避免測試紙樣的彎曲，因僅放置1個樣品，SCT法被認為是測定抗壓強度較可靠的方法。

本研究將試驗分為2部分。第1部分，探索了制備獨立涂層的方法并檢驗SCT法是否適用于涂層抗壓強度的測定。第2部分，研究了顏料顆粒的類型及丁苯膠乳黏結(jié)劑的玻璃化溫度（Tg）對抗壓強度的影響。

1 原料及方法

1.1 原料

顏料和黏結(jié)劑的類型及用量會影響涂層的強度。試驗選擇原料時考慮了這2個因素。而研究顏料顆粒的形狀是如何影響涂層抗壓強度的是本文的重點。

試驗選用尺寸及尺寸分布盡可能相近、而形狀不同的顏料顆粒。試驗選用了一組碳酸鈣，其單個顆粒的長度與目標(biāo)高嶺土顆粒基本相同。顏料選擇時，使用了掃描電子顯微鏡進行視覺判斷。顏料的粒度中值如表1所示（高嶺土粒度中值的不同是高嶺土形狀不同導(dǎo)致的。高嶺土的長寬比為25）。

表1 試驗所用顏料顆粒的尺寸

為了研究黏結(jié)劑玻璃化溫度（Tg）對涂層的的影響，選擇了2種不同的高功能化羧基丁苯膠乳，二者的差別在于苯乙烯與丁二烯的比例，如表2。

表2 膠乳的玻璃化溫度

每100組顏料中，有10組使用了膠乳。涂料配方使用羧甲基纖維素鈉作為增稠劑。

1.2 方法

用RK涂布機制備涂層。選用涂層的基材是厚度為20 μm的玻璃紙。干燥后，涂層膜較易與基材分離。存在的問題是干燥時涂層有卷曲的趨勢。濕涂層的厚度約200 μm，以使干燥后干燥涂層的厚度達到100 μm。干燥涂層的厚度應(yīng)足夠厚才能夠滿足抗壓強度測定的要求，而不產(chǎn)生褶皺。理論計算得知100 μm的厚度足以用于抗壓強度的測定。涂層膜在熱氣流（190℃）下干燥3 min，而后在室溫下放置至少2 h。干燥后，將玻璃紙剝離掉，將涂層膜切成15 mm寬的長條，測定每個長條涂層膜的厚度。用抗壓強度測定儀測定抗壓強度。速度為3 mm/min，跨距為0.7 mm。測定儀對測試樣品單位寬度施加的壓力用kN/m表示。為了得到用單位面積上的壓力（MPa）表示的抗壓強度，用測試樣品的厚度除以測定值。每個樣品測試20次以計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

用15 mm寬的涂層膜長條測定其抗張強度，拉伸速率為10 mm/min。用裂斷時的負載（N）除以樣品的橫截面積計算得到抗張強度。每一樣品重復(fù)測定抗張強度10次以計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。所有試驗均在23℃和50%相對濕度條件下操作（本研究中，涂層的強度主要是指抗張強度和抗壓強度，而不是拉毛強度）。

2 結(jié)果

2.1 抗壓強度的測定方法

根據(jù)文獻資料，還沒有采用SCT法測定涂層抗壓強度的先例。試驗第1步是確定SCT法的可靠性及再現(xiàn)性。制備3組不同的涂層，測定每組抗壓強度，結(jié)果如表3所示。

表3 3組試驗結(jié)果的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差

由表3可見，平均值差別不大，說明SCT方法可靠性較好。

2.2 涂層的抗壓性能

因SCT法可靠性較好，所以本研究采用該方法測定用不同顏料和膠乳制備的涂層的抗壓強度；同時測定了涂層的抗張強度并將其與抗壓強度進行比較，以探究二者是否具有相同的變化趨勢。

與球形或針狀碳酸鈣顏料相比，片狀高嶺土顏料制備的涂層強度較好。圖1顯示了涂層抗壓強度與涂料中碳酸鈣加入量的關(guān)系（膠乳的加入量為10%）。

圖1 涂層抗壓強度與涂料中碳酸鈣顏料加入量的關(guān)系

圖1表明：純凈的高嶺土涂料具有較高的抗壓強度，碳酸鈣的添加會降低抗壓強度；抗壓強度隨涂料中碳酸鈣相對比例的增大而大幅度降低；與球形研磨碳酸鈣（GCC）相比，涂料中加入針狀研磨碳酸鈣（PCC）的涂層抗壓強度較小。

圖1還表明，玻璃化溫度（Tg）較高的膠乳能使涂層具有較高的抗壓強度。當(dāng)涂料中加入碳酸鈣時，較硬的膠乳比較軟的膠乳能承受更大的壓應(yīng)力變化。

涂料中的黏合劑使顏料顆粒黏合在一起，并使涂料黏附在紙張上，從而使涂層具有較大的強度。當(dāng)黏合劑用量增加時，涂層的強度也應(yīng)該增大。當(dāng)膠乳用量由8%增加到12%時，內(nèi)部抗張強度和抗壓強度也隨著膠乳用量的增加而線性增大，如圖2所示（此時高嶺土含量為100%，乳膠Tg=20℃）。

圖2 抗壓強度、抗張強度與膠乳加入量的關(guān)系

圖3顯示了涂層抗張強度與碳酸鈣加入量的關(guān)系[（膠乳的加入量為10%（相對于顏料）]。

圖3 涂層抗張強度與涂料中碳酸鈣顏料加入量的關(guān)系

試驗同時研究了涂層膜的抗張強度以探究涂料是否與壓應(yīng)力條件下具有相同的變化趨勢。圖1～3表明加入碳酸鈣的涂層膜的抗張強度與抗壓強度具有相同的變化趨勢。片狀高嶺土可使涂層膜具有最大抗張強度，這與文獻研究結(jié)論是一致的。當(dāng)涂料中加入碳酸鈣時，抗張強度會降低。當(dāng)碳酸鈣的加入量為40%時，其對抗張強度的影響較大。加入量大于40%時，抗張強度變化基本平穩(wěn)，加入量繼續(xù)增多其對抗張強度的影響較小。

對于抗壓強度而言，與較軟的膠乳相比，較硬的膠乳使涂層具有較大的挺度。當(dāng)在涂料中加入碳酸鈣時，較硬膠乳使抗張強度降低的幅度比較軟的膠乳大。

圖4顯示了抗壓強度與抗張強度的比值與涂料中GCC加入量的關(guān)系[（膠乳的加入量為10%（相對于顏料）]。

圖4 抗壓強度與抗張強度的比值與涂料中GCC加入量的關(guān)系

圖4表明，當(dāng)涂層涂料為高嶺土?xí)r涂層的抗壓強度是抗張強度的3倍多。二者的比值隨著涂料中碳酸鈣加入量的增加而增大。這是由于因碳酸鈣的加入導(dǎo)致抗壓強度降低的幅度比抗張強度小所至。

3 討論

本試驗表明可以制備獨立涂層膜，并且通常用于測定紙板抗壓強度的SCT法也可用于測定獨立涂層膜內(nèi)部抗壓強度。重復(fù)測定后計算得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說明該方法是可再現(xiàn)的，得到的結(jié)果也被認為是可靠的。

高嶺土涂料制備的涂層膜具有最大的內(nèi)部抗壓強度，當(dāng)在其中加入碳酸鈣時，抗壓強度會降低。根據(jù)先前的研究，與塊狀或球形顏料顆粒相比，片狀高嶺土顆粒可以使涂層獲得更大的抗張強度。本研究結(jié)果表明片狀高嶺土形成了一種可以很好地抵抗壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。在刮刀涂布過程中，刮刀的幾何結(jié)構(gòu)會影響涂層的性能。高嶺土顆粒會沿著涂布機運行方向排列，形成一種緊密結(jié)構(gòu)，并且具有較小的孔隙率。如果高嶺土顆粒沿著涂布機運行方向排列，抗張強度將增加，但是若高嶺土顆粒排列不佳將會降低抗張強度。

試驗結(jié)果表明，當(dāng)涂料中加入碳酸鈣時將會降低內(nèi)部抗壓強度。GCC和PCC對抗壓強度的影響基本相似，但是針狀PCC降低抗壓強度的幅度較大。GCC或多或少含有一些球形顆粒。當(dāng)GCC加入到涂料中時，高嶺土顆粒不能緊密排列。當(dāng)70%高嶺土和30%GCC的混合涂料未進行超級壓光時，孔隙尺寸和孔隙數(shù)量最大。這也就意味著孔隙尺寸和孔隙形狀或許會影響強度。當(dāng)涂料中加入特殊類型的碳酸鈣時，孔隙尺寸和孔隙形狀或許也是抗壓強度大幅度減小的原因。碳酸鈣的加入量達到40%時，強度降低幅度相對較大。這意味著純凈高嶺土涂料結(jié)構(gòu)強度較好，但是這一強度易被加入到填料中的其他類型顏料所破壞。

試驗結(jié)果表明添加PCC的涂層強度比添加GCC的涂層小。原因可能是針狀PCC顆粒排列不緊密，使涂層具有多孔性結(jié)構(gòu)。前人的研究也得出了相同的結(jié)論：與柱狀PCC顆粒相比，針狀PCC使得涂層具有更大的孔隙率。與柱狀PCC相比，z向強度與針狀PCC的相關(guān)性較小。PCC顆粒比GCC顆粒易碎，這或許會降低涂層的抗張強度。為了形成強度較大的涂層，與球形GCC顆粒相比，針狀PCC或許需要更多的黏結(jié)劑。較多的黏結(jié)劑可以使涂層結(jié)構(gòu)更為緊密，因此強度增大。

涂層的強度取決于多孔結(jié)構(gòu)、顏料與黏結(jié)劑之間的結(jié)合以及黏結(jié)劑的性能。先前的研究表明，黏結(jié)劑的類型及用量會大大影響涂層強度，并且抗張強度會隨著膠乳用量的增加而增大。本試驗結(jié)果表明抗壓強度也會隨膠乳用量的增加而增大。較多的膠乳提供了較大的黏結(jié)力，因此顏料顆?？梢愿玫亟Y(jié)合，從而提高強度。膠乳的用量也會影響涂層的多孔性。較多的膠乳可以填充涂層中的孔隙，因此提高強度。

玻璃化溫度會大大影響涂層的強度?？箯垙姸入STg的增大而增大。本研究中，抗壓強度也會隨Tg的增大而增大。即使Tg的變化較小也會影響抗壓強度。Tg較小的膠乳可以形成柔軟的、有彈性的膜。這也意味著使用性能較佳的膠乳可以平衡涂料的其他性能，得到理想強度的涂層。

當(dāng)高嶺土涂料中加入碳酸鈣時，較硬的膠乳對抗壓強度的影響較大。并且較硬膠乳對抗壓強度的影響比較軟膠乳對抗壓強度的影響大。

涂層的抗壓強度是其抗張強度的3倍。單純高嶺土制備的涂層，抗壓強度與抗張強度的比值最小。在涂料中加入碳酸鈣，將會增加抗壓強度與抗張強度的比值。這是由于因碳酸鈣的加入導(dǎo)致的抗壓強度的降低幅度小于抗張強度的降低幅度。排列整齊的片狀涂料可使涂層具有較好的內(nèi)部強度。然而，當(dāng)在涂料中加入碳酸鈣顆粒時，強度會迅速降低?？梢酝茰y，整齊排列的片狀顆粒比球形GCC具有更好的抗壓強度性能，但是抗張強度性能低于后者。

紙張折疊時，為了避免裂痕問題，涂料的抗壓強度與抗張強度應(yīng)不具有較大的相關(guān)性。如試驗結(jié)果所示，碳酸鈣對抗壓強度的影響比對抗張強度的影響小。了解了涂層的抗壓強度與抗張強度，有助于采取措施優(yōu)化涂層的機械性能以減小紙張折疊時出現(xiàn)的裂痕。然而，仍需進一步的研究以確定抗壓強度與抗張強度的關(guān)系及紙張折疊時出現(xiàn)的裂痕問題。

4 結(jié)論

本文探索了一種測定涂層內(nèi)部抗壓強度的方法。結(jié)果表明SCT法對于獨立涂層抗壓強度的測定是適用的。測定結(jié)果具有較好的精確性和可再現(xiàn)性。

研究結(jié)果進一步表明顏料顆粒的形狀對涂層的抗壓性能有較大影響，這也驗證了早期研究的結(jié)論。本研究采用的特定級分的碳酸鈣使抗壓強度的降低幅度大于抗張強度的降低幅度。高嶺土顏料使得涂層具有較好的內(nèi)部抗壓強度。涂料中加入碳酸鈣將會降低涂層的內(nèi)部抗壓強度。選用適當(dāng)玻璃化溫度（Tg）的膠乳是改善抗壓強度較為有效的方法之一?？箟簭姸葧STg的增大而增大。Tg也會影響涂層的挺度，Tg較高時，涂層挺度較好。

（馬倩倩 編譯）