涂布纸用防水功能涂料性能及防水机理的研究

摘要

本论文以造纸涂料为研究对象,通过在涂料中添加功能性防水剂研制具有良好防水性能的涂布纸用防水涂料,研究了防水涂布纸的防水性能、涂层结构表征、涂层的耐光性能；研究了功能助剂对涂料的流变性能的影响,并探讨了防水涂层的抗水机理。 研究了在涂布纸涂料中添加选用的三种防水剂和不同颜料配比对涂布成纸性能的影响,通过检测防水剂对涂料性能以及涂层表面的吸水性、油墨吸收性、表面强度、静态接触角和涂布成纸其他性能指标的影响,确定了涂料中最佳防水剂类型、用量及最佳颜料配比。实验结果表明,最佳底涂涂料配方为:GCC/高岭土=60/40,底涂涂料防水剂为2＃防水剂,用量为0.5～1.0份；最佳面涂涂料配方为:GCC/高岭土=20/80,面涂涂料防水剂为1＃防水剂,用量为5.0～7.5份；涂布后成纸的Cobb值达到5～10g/m2,表面强度IGT值大于1.20m/s,光泽度显著提高。 对涂布纸涂层进行SEM、AFM、EPMA/EDS分析的结果表明,涂料中添加了防水剂的涂层比未添加防水剂涂层的表面更加平整,在较高的放大倍数下观察,可以看到涂层中的颜料粒子表面被一层类似薄膜状的物质所包覆,这决定了涂层的防水性能的优劣；涂层的横切面结构致密,涂层与原纸紧密结合,表面平整；添加防水剂后涂层的表面性能得到了改善,降低了涂层的表面孔隙率,从微观上解释了涂层的抗水特性；选定的EPMA/EDS能谱扫描区域内,添加1＃防水剂后涂层表面的C元素含量明显增大,较未添加防水剂涂层表面的C元素含量增大28.61％,其他主要元素均减少,说明涂层表面的有机高分子聚合物增多,覆盖了大部分的颜料粒子,改变了涂层表面涂料组分的分布,使涂层结构更加紧密,形成一层防水涂层。 利用XRD和TEM对所应用的纳米SiO2和纳米TiO2粉体进行了物相表征；采用强化机械分散和超声波分散相结合的方式可以使纳米材料达到较好的分散效果；在防水涂料中添加纳米SiO2和纳米TiO2可以提高涂布纸的耐光性能,结果表明：纳米SiO2用量为0.4份时耐光性能最好,白度和表面强度IGT分别降低7.7％和6.5％；纳米TiO2用量为1.0份时白度和表面强度分别降低6.3％和7.1％。纳米SiO2和纳米TiO2用量与光照射后防水涂层白度的高度线性相关的方程分别为：yS2=78.79867-1.41714xS2和yT2=75.68333+3.25xT2。 研究了功能助剂对涂料流变性能的影响。在中低剪切速率下,涂料的剪切流变行为均可以用Cross模型进行拟合；在高剪切条件下,涂料a、b、c、d可以用Cross模型进行拟合,而添加纳米材料的涂料e、f、g和h则应用H-B模型进行拟合最佳；添加纳米材料的涂料在高剪切条件下,当超过一定的剪切速率时出现剪切增稠现象；探讨了引起添加纳米材料涂料的高剪切表观粘度突变的临界剪切速率γcril;通过动态应变扫描实验确定了不同配方涂料的线性粘弹区,得到了临界应变区域,涂料的线性粘弹区均在0.03％～1.1％应变之间；对涂料进行振荡频率扫描实验,确定了涂料的粘弹特性参数贮能模量G'、损耗模量G

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1特种纸

1.1.1特种纸的特点及分类

1.1.2国内外特种纸的发展现状

1.1.3特种纸生产的关键技术

1.2涂布加工纸用颜料主要品种及发展状态

1.3造纸用防水剂及抗水剂研究进展及抗水机理

1.3.1造纸用防水剂/抗水剂种类及研究进展

1.3.2防水剂的抗水机理

1.4涂料流变性能的研究

1.4.1研究涂料流变性的重要性

1.4.2造纸涂料的流变行为

1.4.3涂料流变性能的基本要求

1.5纳米材料在涂料中的应用

1.5.1纳米材料的性质

1.5.2纳米材料在涂布加工纸中的应用

1.5.3纳米材料在涂料中应用的技术问题

1.6本课题的研究目的、意义及主要内容

第二章涂布纸用防水涂料配方的研制

2.1实验原料、仪器及实验方法

2.1.1实验原料

2.1.2主要实验仪器

2.1.3实验方法

2.2结果与讨论

2.2.1原纸性能指标及颜料粒度

2.2.2防水涂料配方的研制

2.2.3防水涂层表面接触角的测定

2.3本章小结

第三章防水涂布纸的涂层结构表征

3.1实验原料、仪器及实验方法

3.1.1实验原料

3.1.2主要实验仪器

3.1.3实验方法

3.2结果与讨论

3.2.1防水涂层的SEM分析

3.2.2防水涂层的AFM分析

3.2.3防水涂层的EPMA/EDS分析

3.3本章小结

第四章纳米组分提高防水涂布纸性能的探讨

4.1实验原料、仪器及实验方法

4.1.1实验原料

4.1.2主要实验仪器

4.1.3实验方法

4.2结果与讨论

4.2.1纳米材料的表征

4.2.2纳米材料分散方式的确定

4.2.3纳米材料对粘度的影响

4.2.4纳米材料对涂布纸性能的影响

4.2.5涂层接触角的检测

4.3本章小结

第五章防水剂及纳米材料对涂料流变性能的影响

5.1实验原料、仪器及实验方法

5.1.1实验原料

5.1.2主要实验仪器

5.1.3实验方法

5.1.4粘度理论

5.2结果与讨论

5.2.1功能助剂对涂料Brookfield粘度的影响

5.2.2功能助剂对涂料中低剪切表观粘度的影响

5.2.3功能助剂对涂料高剪切表观粘度的影响

5.2.4功能助剂对涂料粘弹特性的影响

5.3本章小结

第六章防水涂料涂层防水机理的研究

6.1实验原料、仪器及实验方法

6.1.1实验原料

6.1.2主要实验仪器

6.1.3实验方法

6.2结果与讨论

6.2.1涂层表面接触角与接触时间的关系

6.2.2涂布纸涂层表面自由能的研究

6.2.3涂层表面的XPS分析

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢