高性能水基铅笔胶的工艺改进及其应用效果
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摘要：文章通过对现有传统铅笔胶不足的分析，对所发明并实际应用的高性能水基胶生产工艺、原理、产品性能进行了论述，并从7个方面与传统铅笔胶所生产的铅笔进行了应用对比试验，所开发的高性能铅笔胶环保、节能，产品性能优越。
关键词：铅笔胶;高性能;粘接强度;铅笔芯;涂胶量;生产效率;耐候性能
中图分类号：TQ437文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）06-0012-04
1 铅笔制造工艺及现有铅笔胶工艺的不足
铅笔作为文体行业日用类产品，在国内外有很好的市场应用与前景。根据中国制笔协会统计，近年来，我国制笔行业年均增速为15.4%，远高于GDP增速，铅笔是制笔行业中最重要的产品之一，目前，中国每年铅笔制笔量占全球总制笔量的80%左右，属于铅笔生产大国。尽管中国铅笔产能很高，但在出口方面存在价格低、无法进入高端市场等问题，主要原因之一在于常规铅笔胶的普遍应用。
铅笔制作工艺如下：将铅笔芯胶涂布于铅笔板材上、下型板面及槽中，再将铅笔芯放人下型板槽中，然后将上下型板合并，再通过夹具夹紧，待胶水固化后（该工艺过程称为“胶芯工艺”）进行刨杆、成型、上漆等工序。上述提及的铅笔制造中的“胶芯工艺”的主要工序是刷胶（喷胶）工序、束夹工序和刨杆工序。
目前国内使用的传统铅笔胶俗称白乳胶，其主要成分是聚醋酸乙烯，该产品对铅笔木材有较好的粘接力，且价格低廉，但其性能存在固含量低、黏度高、耐水性较等不足;同时，聚醋酸乙烯粘接剂虽然对铅笔木材有较好的粘接力，但对各类笔芯尤其是彩色笔芯、含油的石墨芯（如高B类石墨笔芯）和水溶性彩芯等几乎无粘接效果，产品会出现滑芯等缺陷。为了克服该缺陷，目前铅笔制造过程中，一般通过施加外力将铅笔芯进行硬挤压置于铅笔槽内，以防其滑芯，但这样的物理方式往往造成铅笔槽内的笔芯折断或制成品笔杆出现开裂，最终导致次品率很高。
另外，由于聚醋酸乙烯胶结剂固含量低，使其在铅笔制造中耗胶量大、木杆含水率变化大，容易导致笔杆变形等负面作用，所以传统胶芯工艺不得不采用烘干工序即在45℃环境下束夹12h以上来缩短粘合时间，同时降低木杆的含水率，不仅束夹时间长、需要耗费能源如锅炉蒸汽或电烘进行烘干、需占用场地，导致成品不合格率高，且生产效率低下。
2 高性能水基铅笔胶的工艺技术与性能
针对前述现有铅笔胶存在的不足，笔者发明并已实际应用的高性能水基铅笔胶，旨在克服现有技术中的不足，提供一种铅笔制造过程中用于木材与木材、木材与铅笔芯常温下短时间粘接成型、具有优越粘接性能的水基胶黏剂，制成的铅笔产品具有木芯粘接（不易导致滑芯）、环保安全（符合欧盟行业安全标准）、耐水及耐候性好的特点，同时，有效提高铅笔的生产效率、降低生产过程的能耗，以期降本增效。
高性能水基铅笔胶的主要组分为：乙烯-醋酸乙烯共聚乳液、聚丙烯酸酯乳液、气相二氧化硅、有机硅润湿剂、增塑剂、纯水。
生产工艺为：在不锈钢反应釜内投人物料乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液，搅拌1-2h，缓慢加入气相二氧化硅，搅拌1h，然后缓慢加入有机硅润湿剂，搅拌0.5h，然后再加入增塑剂，搅拌0.5-1h，最后加入纯水用以调整粘稠度。
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液与聚丙烯酸酯乳液两者的共混乳液作为主要基料，其中乙烯-醋酸乙烯共聚乳液对各种木材都有很好的粘接强度，其耐冻、耐溶剂性能好，具有抗蠕变性，而聚丙烯酸酯乳液有极好的耐水性和耐热性。乙烯-醋酸乙烯共聚乳液与聚丙烯酸酯乳液通过物理共混，能获得在较宽温度范围内的广泛适应性，且保持有很强的耐水性、抗蠕变性等综合性能。
气相二氧化硅无毒无味无污染，耐高温，粒径小、比表面积大，在体系中可作为增稠剂用于调节黏度，更重要的是，二氧化硅表面含有羟基，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚丙烯酸酯乳液共混乳液中含有羟基、羧基，二氧化硅与共混乳液通过氢键形成致密的网络结构，增加共混乳液胶膜的内聚力，从而大大提高整个体系的粘接强度，进一步保证本发明产品对木材及各类笔芯材质的高强黏结力。体系中引入的气相二氧化硅粒子，其表面的羟基对水有极大的亲和能力，可以吸引水分子，极易溶解于水中。
有机硅润湿剂的引入，能与粘接剂系统相容性好，提高润湿性和流平性，从而使本发明产品能与基材充分接触，上胶量均匀，提高粘接效率。增塑剂的引入还能增强胶膜的柔软度，且提高胶粘剂的固化速度。
3 高性能水基铅笔胶的性能检测方法及效果
3.1检测方法
铅笔胶的主要技术指标体现在：①粘接强度，决定了铅笔的最基本的性能;②耐候性，决定铅笔的使用性能;③耐溶剂性及耐水性，铅笔在一定环境条件下的储存和使用效果;④干燥速度，该特性影响铅笔工艺制作的效率;⑤耗胶量，该特性将影响铅笔生产的成本。针对这些指标，从7个方面对南性能水基铅笔胶与传统铅笔胶的性能进行对比测试。每项性能测试选70支铅笔，铅笔样品的铅笔槽为白松木，铅笔芯为彩芯。传统铅笔胶均选自市场上通用的聚醋酸乙烯粘接剂。
3.1.1滑芯测试
方法：将刚制作完毕的成品笔先放置10d后，选出其中未出现开裂、胶缝、崩芯现像的待测铅笔样品70支，在每个笔芯上加压6牛顿力保持6s。
3.1.2卷削实验
方法：选择无开裂、无胶缝、无崩芯现像的待测铅笔样品，用角度呈30%的卷筆刀进行卷削，观察脱离掉下的卷削物外形，掉下的卷削物内侧笔芯能否粘连在外侧板材上。测试对比结果见两个图片。
3.1.3泡水老化实验
方法：将刚制作完毕的成品笔放置10d后测试，选取无开裂、无胶缝、无崩芯现像的铅笔样品，浸入40+5℃的水面下1h，取出后反方向拧动笔杆两端，看笔杆有无开胶。
3.1.4高低温老化循环实验 方法：将刚制作完毕的铅笔样品先放人温度为50%、湿度为80%的恒温恒湿箱内烘36h，然后放人一15%的冰箱内冷冻36h。连续3周循环后，看是否开胶，各取70支。
3.1.5耐高温老化实验
方法：将刚制作完毕的无开裂无胶缝的铅笔样品放人60%烘箱中，持续烘干2周，然后观察笔杆有无开裂，同时还可以用手掰并观察是否出现开裂，各取70支。
3.1.6粘合时间测试
方法：用夹具夹好的铅笔样品放人50%烘房中，进行粘合，每间隔一小时用手掰开，观察能否粘接完全，记录铅笔样品完全粘合的时间。
3.1.7自由落体抗摔性能测试
方法：选取刚制作完毕的无开裂无胶缝的铅笔样品，各取70支。在2m的高度自由落下，观察笔杆是否有开裂现象;外力打开笔杆并统计笔芯断裂数量。
3.2检测结果
将前述7项测试结果进行列表，详见表1。
4 研究结论
4.1技术优势
高性能水基铅笔胶的技术优势主要体现在：
其一，属于高固含量（固含量为55%-60%）、低黏度（27℃下黏度1000-2000mps）的胶黏剂，对目前用于铅笔制造的各类木材（杨木、椴木、西达木、白松等）都有极强的粘接力，同时对各类材质的笔芯也有很好的粘接效果。
其二，由于该新型铅笔胶具有很强的粘芯效果，因此在铅笔板的刨槽工艺中适当增加大槽内径，避免束夹过程因槽的直径太小导致应力过大而造成笔芯蹦断或笔杆开裂，从而大大提高了成品笔的合格率。同时，在现有的设备生产工艺过程中可以满足刷涂、刮涂、喷涂或手工涂等各种不同上胶方式。
其三，粘度低、固含量高，耗胶量比常规的聚醋酸乙烯粘合剂用量节约1/3-1/2。现有常规的聚醋酸乙烯粘合剂固化时间一般在12-16h（45℃条件下），而本发明产品固化时间2-3h（常温条件下），大大缩短固化时间、提高生产效率、降低能耗。
4.2创新、环保与节能
技术创新：中国是世界铅笔制造大国，很大一部分铅笔产品用于出口，现有铅笔芯胶在耐高温、耐水性以及对各种笔芯的附着力性能上都达不到极端气候条件下的储存和使用要求，而高性能水基粘合剂弥补了铅笔制造因使用傳统白乳胶而导致的成品笔在耐高温、耐水和对各种铅笔芯的粘接力性能上的不足，同时凸显其环保方面优越特点，填补国内外技术空白。
环保：传统铅笔芯胶粘剂使用的大多为聚醋酸乙烯类，该类产品含有甲醛，环保不友好，且很容易滑芯;高性能水基铅笔胶对环境友好，经检测符合欧盟EN71-3关于重金属检测标准和符合欧盟EN71-9关于三苯、甲醛及邻苯二甲酸盐的检测标准，符合欧盟委员会指令2005/84/EC中邻苯二甲酸酯的相关要求;符合国标GBl8583-2008游离甲醛、苯、甲苯、二甲苯、总挥发性有机物的相关要求。
节能：高性能水基铅笔胶在室温下能够快速固化，不需要加温，节约能源，提高经济效益。
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