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VAEエマルションが紙の表面平滑度を改善する方法
フィルム形成と表面平面化メカニズム
VAEエマルションは、フィルム形成性に優れているため、紙の表面を滑らかにするのに非常に効果的です。材料が乾燥する際、微細なポリマー粒子が集まり、紙の表面全体に連続的で柔軟なフィルムを形成します。これは主に水分が蒸発し始めると毛細管力によって引き起こされ、その後ポリマー鎖同士が相互に混ざり合います。他の硬い結合剤とVAEを区別しているのは、熱可塑性という性質であり、これにより紙の繊維周囲にしっかりと密着して形作ることができます。標準規格ISO 8791-4による測定では、この処理により表面粗さが約35%低減することが確認されています。その結果、インクの印刷時のにじみを防ぐ平坦な表面が得られるとともに、紙本来の構造や通気性を損なうことなく仕上がります。
粒子径およびガラス転移温度（Tg）が平滑性向上における役割
コーティングされた表面の滑らかさは、主にプロセスで使用されるポリマーの2つの性質によって決まります。すなわち、粒子の大きさと、固体から柔らかい状態に変化する温度（Tgと呼ばれる）です。粒子サイズが80〜150ナノメートル程度のナノスケールになると、これらの微細な粒子は実際に繊維構造の内部深くまで浸透し、顕微鏡レベルで表面を粗く感じさせる微小な隙間を埋めます。ガラス転移温度（Tg）も適切に調整する必要があります。Tgの低いポリマーは乾燥時にも長時間柔軟性を保ち、より優れた表面仕上げを実現します。一方、Tg値が高いと、湿気のある環境での保管時やカレンダリング装置を通す際に、材料がくっつきにくくなるという利点があります。これらの両方の要因を最適に調整することで、Bekk平滑度の測定値がほとんどの場合300秒以上に達します。これは、現代の高速コーティング機械で標準的なバインダーを使用した場合の性能をはるかに上回るものです。
VAEエマルションと従来のバインダー：平滑性性能の比較
ISOおよびベック平滑度指標を用いたデンプンおよびスチレン-ブタジエンラテックスとのベンチマーキング
テストの結果、ISO 8791-4の空気漏れ法およびベック平滑度基準に基づいて評価すると、VAEエマルションはでんぷん系およびスチレン・ブタジエン（SB）ラテックスの両方よりも優れた性能を示しています。でんぷん系バインダーには限界があります。その分子構造が硬く、微細な穴が多くなる傾向があるため、通常ベック値は100秒未満となり、表面に均一性のないフィルムができがちです。一方、SBラテックスは耐水性には寄与しますが、乾燥が早すぎるとひび割れを生じやすく、全体的な平滑度が損なわれます。この点でVAEが優れています。VAEは粘度と弾性の独自のバランスを持ち、ガラス転移温度が低いため、欠陥のない均一なフィルムを形成できます。このようなフィルムは、基材表面の小さな凹凸を効果的に埋めて平滑化します。独立系企業による実際の試験でもこれが裏付けられています。VAEコーティングは通常、ベック平滑度で200～320秒の数値を達成し、これはでんぷん系の約30～50％高い性能です。また、光沢も一貫して均一で、斑点状のむらがありません。高品質印刷を行う印刷業者にとっては、インクのにじみが少なく、生産結果が大幅に向上することを意味します。
最大の滑らかさを得るためのVAEエマルションを用いたコーティング処方の最適化
炭酸カルシウムおよびレオロジー改質剤との相乗効果
VAEエマルションは炭酸カルシウム（CaCO3）と非常に良好に作用し、充填剤とポリマーが相互に有益に反応することで滑らかな表面が形成されます。低表面張力により、2ミクロン未満の微細な炭酸カルシウム粒子が混合物全体に均一に分散します。この均一な分布によって、わずらわしい微小な隙間が減少し、表面欠陥の発生が防止されます。VAEをアソシアティブ型増粘剤と呼ばれる特定の種類の増粘剤と混合すると、興味深い現象が起こります。これにより、どのような応力条件下でも製品全体が良好な流動特性を維持します。したがって、塗布中に垂れやたるみが生じにくく、一方で塗布後も材料は適切にならす（レベルアウト）ことができます。これは一体どうして可能になるのでしょうか。実は、VAEには0.5～2ミクロンの範囲にある自然な粒子が含まれており、これが顔料粒子とその下にある紙面との間に存在する空隙にちょうど適合するためです。
固体成分、塗布量、光沢—滑らかさのトレードオフの調整
VAEエマルションは固体分含量が通常55～65％程度と高い配合において非常に優れた性能を発揮します。これにより、製造業者は8～12グラム／平方メートルという薄い塗布量でも滑らかな仕上げを維持することが可能になります。この方法の利点として、従来のバインダー技術と比較して乾燥エネルギーを約18％削減できる点が挙げられます。ただし、注意すべき点もあります。固体分含量が高すぎると、表面が希望よりも光沢しすぎてしまい、特に高品質製品では触感に影響を与えることがあります。最適なバランスはやはり同じく8～12 g/m²の範囲にあるようです。この範囲では、ベック平滑度試験で300秒を超える値が得られ、75度での光沢度はおおよそ65GU以下に抑えられるため、ほとんどの印刷用途で許容されるレベル内に収まります。さらに優れたフィルム形成性が求められる用途の場合、Tgがマイナス5℃から10℃までの低いVAEグレードが非常に良好な性能を示します。ただし、これらの材料は極めて多孔質な基材への塗布時に浸透しすぎないよう、レオロジー改質剤と呼ばれる特殊な添加剤を必要とする場合があります。
印刷業者およびコーティング業者のための実用的実施ガイドライン
VAEエマルションバインダーを使用する際に滑らかな表面仕上げを得るには、実際の生産現場で実績のあるいくつかの重要な要素に注意を払う必要があります。まず第一に、コーティング液の粘度は約800～1200 mPa・s程度に保つ必要があります。特にライン速度が毎分600～1000メートルの範囲にある場合、アソシエイティブ型増粘剤を使用することで、厄介なスジ模様の発生を効果的に防ぐことができます。乾燥に関しては、多くの設備で段階的乾燥プロセスを採用しているのには明確な理由があります。最初の乾燥ゾーンでは90～110℃の温度から始めることで、気泡（ブリスター）の発生を防ぎます。その後、最終段階で110～130℃まで温度を上げることで、フィルムが適切に形成されます。VAEエマルション固形分の濃度も重要です。顔料全量に対して12～18％程度になるように調整することで、表面への均一な分布が得られます。また、巻き取り工程における湿度管理も忘れてはなりません。周囲の相対湿度を60％以下に保つことで、今後の使用時にブロッキング（貼り付き）問題を防ぐことができます。
品質を確認するため、ウェブの異なる3か所でベック平滑度を測定することをお勧めします。300秒以上の測定値は、プレミアムグレードの素材であることを示しています。しかし、数値が200秒を下回る場合は、何らかの調整が必要です。100～200 kN/mの範囲でカレンダリング圧力を調整するか、VAE含有量を約2～3％増加させてください。これらのわずかな変更により、最終製品の品質に大きな差が生じます。毎週実施する75度光沢テストも忘れないでください。これにより、バインダーの移行問題を早期に検出できます。また、新しいロットを始める前に常に粘度計を正確にキャリブレーションしてください。再生繊維基材には特に注意を払ってください。これらはより多孔質になりやすいため、コーティング前に0.5～1.5％の範囲で保持剤を添加すると、一貫したVAEフィルム形成と、望まれる滑らかでフラットな表面仕上げを得るために非常に効果的です。
よくある質問
VAEエマルジョンとは何ですか？
VAEエマルションは、表面の滑らかさと柔軟性を向上させるためにコーティングで使用されるポリマーの一種です。紙の生産において滑らかな仕上げを得るのに特に効果的です。
粒子サイズは表面の滑らかさにどのように影響しますか？
微細な粒子サイズは紙の微小な隙間を埋めることができ、より滑らかな表面を実現します。80〜150ナノメートルの粒子サイズが特に効果的です。
ガラス転移温度（Tg）の意味は何ですか？
ガラス転移温度（Tg）とは、ポリマーが硬い状態から柔軟な状態に変化する温度のことです。Tg値が低いほど、乾燥時の柔軟性と滑らかな表面が得やすくなります。
VAEエマルションは他のバインダーと比べてどうですか？
VAEエマルションは、スターチやスチレン-ブタジエンラテックスなどの従来のバインダーと比較して、ベック平滑度の評価値が高く、表面欠陥が少なくなります。
炭酸カルシウムとレオロジー改質剤はどのような役割を果たしますか？
炭酸カルシウムとレオロジー改質剤は、VAEエマルションの流動性および均一化特性を改善することにより、コーティングの滑らかさを高めます。