อิมัลชัน VAE เป็นตัวประสานในกระบวนการเคลือบกระดาษ: การปรับปรุงความเรียบเนียนของพื้นผิว

วิธีที่สารยึดเกาะแบบอิมัลชัน VAE ช่วยเพิ่มความเรียบเนียนของผิวกระดาษ

กลไกการสร้างฟิล์มและการทำให้ผิวเรียบเสมอกัน

อิมัลชัน VAE ทำงานได้อย่างยอดเยี่ยมในการทำให้พื้นผิวกระดาษเรียบเนียนขึ้น เนื่องจากคุณสมบัติการสร้างฟิล์ม เมื่อวัสดุแห้ง อนุภาคโพลิเมอร์ขนาดเล็กเหล่านี้จะรวมตัวกันและก่อตัวเป็นฟิล์มต่อเนื่องที่ยืดหยุ่นแผ่ปกคลุมพื้นผิวกระดาษ กระบวนการนี้เกิดขึ้นส่วนใหญ่จากแรงดึงดูดของหลอดเล็ก (capillary forces) เมื่อความชื้นเริ่มระเหยออกไป จากนั้นโซ่ของโพลิเมอร์จะเริ่มผสมรวมตัวกัน สิ่งที่ทำให้ VAE แตกต่างจากสารยึดเกาะชนิดแข็งอื่นๆ คือ คุณสมบัติเทอร์โมพลาสติกที่ช่วยให้มันสามารถปรับตัวและหุ้มล้อมเส้นใยในกระดาษได้อย่างมีประสิทธิภาพ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าสามารถลดความหยาบของพื้นผิวลงได้ประมาณ 35% ตามการวัดมาตรฐาน ISO 8791-4 ผลลัพธ์คือพื้นผิวที่เรียบแบนมากขึ้น ซึ่งช่วยป้องกันหมึกจากการกระจายตัวมากเกินไปขณะพิมพ์ โดยไม่ทำลายโครงสร้างพื้นฐานหรือความสามารถในการระบายอากาศของกระดาษเอง

บทบาทของขนาดอนุภาคและอุณหภูมิเปลี่ยนผ่านแก้ว (Tg) ในการพัฒนาความเรียบเนียน

ความเรียบเนียนของพื้นผิวเคลือบขึ้นอยู่กับคุณสมบัติหลักสองประการของพอลิเมอร์ที่ใช้ในกระบวนการ ได้แก่ ขนาดของอนุภาคและอุณหภูมิที่เปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหนียว (เรียกว่า Tg) เมื่ออนุภาคมีขนาดเล็กลงถึงระดับนาโนประมาณ 80 ถึง 150 นาโนเมตร อนุภาคจิ๋วนี้จะแทรกซึมเข้าไปภายในโครงสร้างเส้นใยอย่างล้ำลึก จนสามารถเติมช่องว่างจิ๋วที่ทำให้พื้นผิวรู้สึกขรุขระในระดับจุลทรรศน์ได้ อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงสถานะแบบแก้ว (Tg) ก็จำเป็นต้องมีการปรับแต่งอย่างละเอียดเช่นกัน พอลิเมอร์ที่มีค่า Tg ต่ำจะคงความยืดหยุ่นได้นานขึ้นขณะแห้ง ทำให้ได้ผิวเรียบที่ดีกว่า แต่เมื่อค่า Tg สูงขึ้น วัสดุจะมีความต้านทานต่อการเกาะกันมากขึ้นในระหว่างการเก็บรักษาภายใต้สภาพแวดล้อมที่ชื้น หรือเมื่อผ่านเครื่องอัดรีด (calendering equipment) การควบคุมปัจจัยทั้งสองอย่างนี้ให้เหมาะสมจะทำให้ค่าการวัดความเรียบแบบเบก (Bekk smoothness) สูงกว่า 300 วินาทีในส่วนใหญ่ ซึ่งดีกว่าผลลัพธ์ที่สารยึดเกาะทั่วไปสามารถทำได้บนเครื่องเคลือบที่มีความเร็วสูงในปัจจุบันมาก

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพความเรียบระหว่างอีมัลชัน VAE กับตัวยึดเกาะแบบดั้งเดิม

การประเมินผลเทียบกับแป้งและลาเท็กซ์สไตรีน-บิวทาไดอีน โดยใช้เกณฑ์วัดความเรียบตามมาตรฐาน ISO และเบ็ค (Bekk)

การทดสอบแสดงให้เห็นว่า เมื่อพิจารณาจากวิธีการวัดการรั่วของอากาศตามมาตรฐาน ISO 8791-4 และเกณฑ์ความเรียบแบบเบ็ค (Bekk smoothness) แล้ว เอมัลชัน VAE กลับให้ผลการดำเนินงานที่ดีกว่าทั้งสารยึดเกาะประเภทแป้งและลาเท็กซ์สไตรีน-บิวทาไดอีน (SB) อย่างไรก็ตาม สารยึดเกาะประเภทแป้งมีข้อจำกัดอยู่บ้าง เนื่องจากโมเลกุลที่แข็งเป็นพิเศษและแนวโน้มในการสร้างรูเล็กๆ จำนวนมาก มักจะให้ค่าการอ่านค่าความเรียบแบบเบ็คต่ำกว่า 100 วินาที และมักก่อให้เกิดฟิล์มเคลือบที่ไม่เรียบสม่ำเสมอทั่วพื้นผิว ในขณะที่ลาเท็กซ์ SB แม้จะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อน้ำได้ดี แต่มักจะแตกร้าวเมื่อแห้งเร็วเกินไป ซึ่งส่งผลเสียต่อความเรียบโดยรวม นี่คือจุดที่ VAE โดดเด่น ด้วยความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความหนืดและความยืดหยุ่น พร้อมอุณหภูมิเปลี่ยนผ่านแก้ว (glass transition temperature) ที่ต่ำกว่า ทำให้สามารถสร้างฟิล์มเคลือบที่สม่ำเสมอโดยปราศจากตำหนิ และฟิล์มเหล่านี้ยังเติมเต็มบริเวณผิวขรุขระขนาดเล็กบนพื้นผิวฐานได้อย่างมีประสิทธิภาพ การทดสอบจริงโดยบริษัทอิสระยืนยันข้อมูลนี้ พบว่าการเคลือบด้วย VAE โดยทั่วไปจะให้ค่าความเรียบแบบเบ็คในช่วง 200 ถึง 320 วินาที ซึ่งดีกว่าการใช้แป้งประมาณ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ ชั้นเคลือบยังคงความเงาได้อย่างสม่ำเสมอ โดยไม่เกิดบริเวณที่ดู patchy หรือไม่สม่ำเสมอ สำหรับผู้ที่ทำงานพิมพ์งานคุณภาพสูง สิ่งนี้หมายถึงการซึมของหมึกพิมพ์ที่ลดลงอย่างมาก และผลลัพธ์การผลิตที่ดีขึ้นโดยรวม

การปรับสูตรการเคลือบที่ใช้อิมัลชัน VAE เพื่อให้ได้พื้นผิวเรียบเนียนสูงสุด

ผลร่วมกันกับแคลเซียมคาร์บอเนตและสารปรับความหนืด

สารละลาย VAE ทำงานได้ดีมากกับแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) ซึ่งช่วยสร้างพื้นผิวที่เรียบเนียน เนื่องจากตัวสารเติมแต่งและพอลิเมอร์มีปฏิสัมพันธ์กันในทางที่เป็นประโยชน์ แรงตึงผิวต่ำทำให้อนุภาคแคลเซียมคาร์บอเนตขนาดเล็ก (ขนาดเล็กกว่า 2 ไมครอน) กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งส่วนผสม การกระจายตัวอย่างทั่วถึงนี้ช่วยลดช่องว่างเล็กๆ ที่รบกวนใจ และป้องกันการเกิดข้อบกพร่องบนพื้นผิว เมื่อเราผสม VAE กับสารหนืดชนิดหนึ่งที่เรียกว่า associative thickeners สิ่งที่น่าสนใจจะเกิดขึ้น คือ สูตรโดยรวมยังคงรักษาน้ำหนักของเหลวที่เหมาะสมไว้ได้ไม่ว่าจะอยู่ภายใต้แรงกระทำใดๆ ดังนั้นระหว่างการใช้งาน วัสดุจะไหลหรือหยดออกมาน้อยลง แต่หลังจากการใช้งานแล้ว วัสดุยังสามารถเรียงตัวเองให้เรียบได้อย่างเหมาะสม สิ่งนี้เป็นไปได้อย่างไร? เพราะ VAE มีอนุภาคธรรมชาติขนาดตั้งแต่ 0.5 ถึง 2 ไมครอน ซึ่งสามารถแทรกซึมเข้าไปในช่องว่างที่เหลือระหว่างอนุภาคของสีและการเคลือบพื้นผิวกระดาษได้อย่างพอดี

การถ่วงดุลปริมาณของแข็ง เนื้อเคลือบ และความมันวาว—ข้อแลกเปลี่ยนในความเรียบเนียน

สารละลาย VAE ทำงานได้ดีมากกับสูตรที่มีปริมาณของแข็งสูง โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 55 ถึง 65% ของของแข็ง สิ่งนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถเคลือบบางๆ ได้ในช่วงระหว่าง 8 ถึง 12 กรัมต่อตารางเมตร ขณะยังคงรักษาระดับพื้นผิวเรียบเนียนได้ ยิ่งไปกว่านั้น แนวทางนี้ยังช่วยลดความต้องการพลังงานในการอบแห้งลงประมาณ 18% เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีตัวประสานรุ่นเก่า แต่มีข้อควรระวังประการหนึ่งที่ควรกล่าวถึง คือ เมื่อปริมาณของแข็งสูงเกินไป มักจะทำให้พื้นผิวมีความเงามากกว่าที่ต้องการ ซึ่งอาจส่งผลต่อความรู้สึกเมื่อสัมผัสพื้นผิว โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์คุณภาพพรีเมียม การหาจุดสมดุลที่เหมาะสมดูเหมือนจะอยู่ที่ค่าเดียวกันคือ 8-12 ก./ม.² ในช่วงนี้ ผลการทดสอบความเรียบเนียนแบบเบกก์ (Bekk smoothness) จะแสดงค่ามากกว่า 300 วินาที และระดับความเงาจะยังคงอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้สำหรับการพิมพ์ส่วนใหญ่ โดยควบคุมความวาวไว้ไม่เกินประมาณ 65 GU ที่มุม 75 องศา สำหรับการใช้งานที่ต้องการคุณสมบัติการสร้างฟิล์มที่ดียิ่งขึ้น วัสดุ VAE ที่มีค่า Tg ต่ำซึ่งอยู่ในช่วงตั้งแต่ลบ 5 องศาเซลเซียส ถึง 10 องศาเซลเซียส จะให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม วัสดุเหล่านี้อาจต้องใช้สารเติมแต่งพิเศษที่เรียกว่า ตัวปรับแรงข้นหนืด (rheology modifiers) เพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุซึมลึกลงไปในวัสดุที่มีรูพรุนสูงระหว่างการใช้งาน

แนวทางการปฏิบัติที่เป็นรูปธรรมสำหรับผู้พิมพ์และผู้เคลือบ

การได้พื้นผิวเรียบที่ต้องการเมื่อทำงานกับสารยึดเกาะชนิดอิมัลชัน VAE จำเป็นต้องใส่ใจปัจจัยสำคัญหลายประการตามที่ใช้ได้ผลในสภาพแวดล้อมการผลิตจริง ก่อนอื่นเลย ชั้นเคลือบควรมีความหนืดอยู่ที่ประมาณ 800 ถึง 1,200 มิลลิพาส칼.วินาที การใช้สารทำให้ข้นแบบ associative จะช่วยได้มาก เพราะสามารถป้องกันรอยแถบที่รบกวนใจจากการเกิดขึ้นได้ โดยเฉพาะเมื่อทำงานที่ความเร็วสายการผลิตระหว่าง 600 ถึง 1,000 เมตรต่อนาที สำหรับกระบวนการอบแห้ง สาเหตุที่โรงงานส่วนใหญ่เลือกใช้กระบวนการอบแห้งแบบขั้นตอนนั้นมีเหตุผลอยู่ เริ่มต้นด้วยอุณหภูมิระหว่าง 90 ถึง 110 องศาเซลเซียสในช่วงอบแห้งตอนแรก เพื่อป้องกันการเกิดฟองพองที่รบกวนใจ จากนั้นค่อยเพิ่มอุณหภูมิขึ้นเล็กน้อยในช่วงสุดท้ายเป็น 110-130 องศา เพื่อให้ฟิล์มเกิดการสร้างตัวอย่างเหมาะสม ความเข้มข้นของของแข็งในอิมัลชัน VAE ก็สำคัญเช่นกัน ควรอยู่ที่ประมาณ 12 ถึง 18 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักแร่ธาตุทั้งหมด เพื่อให้การกระจายตัวบนพื้นผิวสม่ำเสมอ และอย่าลืมควบคุมความชื้นในระหว่างกระบวนการม้วนกลับ ควรคงสภาพแวดล้อมให้อยู่ต่ำกว่า 60% ความชื้นสัมพัทธ์ เพื่อป้องกันปัญหาการติดกันของชั้นฟิล์มในอนาคต

เพื่อตรวจสอบคุณภาพ เราแนะนำให้วัดความเรียบแบบเบก (Bekk smoothness) ที่จุดต่าง ๆ สามจุดตามแนวแผ่นวัสดุ การอ่านค่าได้ 300 วินาทีขึ้นไป หมายถึงวัสดุเกรดพรีเมียม แต่หากค่าต่ำกว่า 200 วินาที จำเป็นต้องมีการปรับแก้ ไม่ว่าจะเป็นการปรับแรงดันเครื่องรีด (calendering pressure) ระหว่าง 100 ถึง 200 กิโลนิวตันต่อเมตร หรือเพิ่มปริมาณ VAE ประมาณ 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเหล่านี้สามารถส่งผลต่อคุณภาพผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้อย่างมาก อย่าลืมทำการทดสอบความเงาที่ 75 องศารายสัปดาห์ด้วย เพราะช่วยตรวจจับปัญหาการเคลื่อนตัวของสารยึดเกาะ (binder migration) ได้ตั้งแต่ระยะแรก และควรจำไว้เสมอว่าต้องสอบเทียบเครื่องวัดความหนืด (viscometers) ก่อนเริ่มผลิตแต่ละแบตช์ใหม่เสมอ ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับวัสดุเส้นใยรีไซเคิล เนื่องจากมักมีความพรุนมากกว่าวัสดุทั่วไป สำหรับวัสดุเหล่านี้ การเติมสารช่วยยึดเกาะ (retention aids) ปริมาณ 0.5 ถึง 1.5 เปอร์เซ็นต์ก่อนขั้นตอนการเคลือบ จะช่วยให้เกิดฟิล์ม VAE ที่สม่ำเสมอ และได้ผิวเรียบแบนราบที่ทุกคนต้องการ

คำถามที่พบบ่อย

VAE emulsion คืออะไร?

สารละลาย VAE เป็นโพลิเมอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้ในสีเคลือบเพื่อปรับปรุงความเรียบเนียนและยืดหยุ่นของพื้นผิว โดยมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะในการผลิตกระดาษเพื่อให้ได้ผิวเรียบที่ดียิ่งขึ้น

ขนาดอนุภาคส่งผลต่อความเรียบเนียนของพื้นผิวอย่างไร

ขนาดอนุภาคที่เล็กลงสามารถเติมช่องว่างขนาดจิ๋วในกระดาษได้ ทำให้เกิดพื้นผิวที่เรียบมากขึ้น โดยอนุภาคที่มีขนาดระหว่าง 80 ถึง 150 นาโนเมตรมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ

อุณหภูมิเปลี่ยนผ่านแก้ว (Tg) มีความสำคัญอย่างไร

อุณหภูมิเปลี่ยนผ่านแก้ว (Tg) คือ อุณหภูมิที่โพลิเมอร์เปลี่ยนจากสถานะแข็งเป็นสถานะยืดหยุ่นได้ อุณหภูมิ Tg ที่ต่ำลงจะช่วยให้มีความยืดหยุ่นดีขึ้น และทำให้พื้นผิวเรียบขึ้นในช่วงกระบวนการอบแห้ง

สารละลาย VAE เปรียบเทียบกับสารยึดเกาะอื่นๆ อย่างไร

สารละลาย VAE ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าสารยึดเกาะแบบดั้งเดิม เช่น แป้งหรือลาเท็กซ์สไตรีน-บิวทาไดอีน ในการให้ค่าความเรียบเบ็ค (Bekk smoothness) สูงขึ้น ซึ่งส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องบนพื้นผิวน้อยลง

แคลเซียมคาร์บอเนตและสารปรับสภาพไหลมีบทบาทอย่างไร

แคลเซียมคาร์บอเนตและสารปรับ rheology ช่วยเพิ่มความเรียบเนียนของเคลือบโดยการปรับปรุงคุณสมบัติด้านการไหลและการราบเรียบของอีมัลชัน VAE