水性可剝離紙塑復膜膠的研制

薛超霞，鐘燕妮，皮丕輝*，文秀芳，蔡智奇，徐守萍，程江，楊卓如

（華南理工大學化學與化工學院，廣東 廣州 510640）

紙塑復膜膠是一種主要用于紙塑四周復合密封包裝的膠粘劑，它可以保持包裝產品的密封，而且在拆封使用產品時，可使塑料薄膜從紙張上輕易分離，同時能夠保持紙張的完整。所以紙塑復膜膠不但要滿足初粘性好、180°剝離強度高等性能，而且需要滿足紙塑分離時薄膜粘結面不撕紙、紙張不會受到破壞，紙塑分離后粘結面光滑、不粘手的性能要求。紙塑復膜/可剝離膠既要求對非極性、低表面能的塑料薄膜表面具有好的粘接力，還要求對極性的紙張表面具有好的粘合力[1]。目前的紙塑復膜膠可分為溶劑型和乳液型2類。溶劑型復膜膠的成本高、毒性大、污染嚴重，但它具有干燥快的特點，目前使用仍較廣[2]。乳液型復膜膠具有無毒、無污染、成本低、易涂布等特點，是目前大力開發的產品。

常見的乳液型紙塑復膜膠主要包括醋酸乙烯–乙烯(VAE)共聚乳液復膜膠、聚丙烯酸酯類乳液復膜膠(苯丙乳液、純丙乳液、醋丙乳液等)及少量雙組分聚氨酯類乳液復膜膠等[3-4]。在實際復膜應用中，無論是VAE型復膜膠還是丙烯酸類復膜膠，都存在一些不足，如初粘力低、起泡、脫層、熱黏冷脆、蓋粉能力差、透明性差、低溫黏度大，影響了涂膜性能和粘接力等[2,5]。目前，有關聚氨酯類復膜膠的研究[6-8]主要以雙組分聚氨酯為主。但雙組分聚氨酯復膜膠在涂膠施工時需要把兩組分混合在一起，且混合好的膠有一定施工時間限制，造成施工不便，甚至增加容器清洗困難[9]。

本文利用共混改性方法制備了一種單組分水性聚氨酯復膜膠，探討了影響水性復膜膠使用性能的一些因素，制備出性能優異的水性紙塑復膜膠。

1 實驗

1.1 實驗原料

聚氨酯乳液A(陰離子脂肪族聚氨酯分散體)、B(陰離子芳香族聚氨酯分散體)，進口；丙烯酸乳液，進口；蠟乳液，自制；萜烯樹脂、天然乳膠、松香樹脂乳液，均為工業品；偶聯劑，中山華茲卜化學工業有限公司；消泡劑、增稠劑，深圳明佳科技有限公司；華邦紙，常州普印包裝材料有限公司；BOPP 薄膜，溫州市康發包裝材料有限公司。

1.2 實驗設備及儀器

單相串勵電動機，上海微達工具有限公司；萬能材料試驗機，美國；涂–4 杯黏度計，廣州德鈦科技有限公司；電熱恒溫干燥箱，廣州市星恒科學儀器有限公司；硅膠板，自制；封口機，天津安普行科技有限公司。

1.3 水性紙塑復膜膠的制備

1.3.1 水性紙塑復膜膠溶液的制備

取定量的蠟乳液和水性聚氨酯乳液置于分散釜中混合，在高速攪拌(1 500～2 000 r/min)下加入定量的增粘樹脂，分散10～30 min；中速攪拌(700～800 r/min)下加入定量的偶聯劑，分散10～30 min；低速攪拌(100～200 r/min)下加入定量的消泡劑，分散10～30 min；最后加入定量的增稠劑，調節體系黏度至施工黏度后，得到乳白色的水性紙塑復膜可剝離膠產品。紙塑復膜可剝離膠的基礎配方如下(以質量分數表示)：

1.3.2 紙塑復膜膠的制備

將定量的紙塑復膜膠涂覆在施工用的華邦紙上，在一定的壓力(150～200 kg/cm2)下，以一定速度(15 m/s)用硅膠板在紙張上將膠樣均勻涂膜，上膠量大約干膠1～2 mg/m2，室溫或40～50°C 干燥1～2 min，涂膜干燥后用封口機在80～150°C 將紙張與塑料薄膜壓合在一起1～2 s，待壓合處冷卻至室溫后即得紙塑復膜產品。

1.4 性能測試

用精密pH 試紙測定紙塑復膜液的pH，黏度按GB/T 2794–1995《膠粘劑粘度的測定》標準測試，固含量按GB/T 2793–1995《膠粘劑不揮發物含量的測定》標準測定，初粘性按GB/T 4852–1984《壓敏膠粘帶初粘性測試方法(斜面滾球法)》標準測定，180°剝離強度按GB/T 2792–1998《壓敏膠粘帶180°剝離強度試驗方法》測試。熱烘干穩定性測試：于60°C 下24 h 觀測膠層的變化情況?？節駸嵝阅軠y試：于110°C 水蒸氣環境10 min，觀察剝離強度的變化情況。紙張的破損比率為紙塑分離時破損面積占總面積的比值。

2 結果與討論

2.1 紙塑復膜膠連接料的選擇

制備紙塑復膜膠的連接料，首先要具有一定的可剝離性。連接料與基材剝離強度適中，既可以保證與基材有一定的粘接力，又可以在拆封使用產品時將塑料薄膜從紙張上輕易分離。連接料的內聚力要足夠大，當紙塑分離時膠膜可以完全轉移到塑料薄膜上。連接料還需要一定的柔韌性，在紙塑分離時粘結面不撕紙，使紙張保持完整。

選擇市售的丙烯酸乳液、聚氨酯乳液為連接料，按照相同的配方制成膠黏劑，在華邦紙上涂膜，單位面積上膠量一致，室溫自然干燥。涂膜干燥后用封口機于120°C 將BOPP 膜和華邦紙壓合在一起，待壓合處冷卻至室溫后，即得紙塑復膜膠產品。測試不同膠膜的180°剝離強度和紙張破損率，結果如表1 所示。

表1 乳液種類對膠膜性能的影響Table 1 Effect of type of emulsion on properties of the film

根據可剝離紙塑復膜膠的應用要求，適宜的180°剝離強度是4.0～5.0 N/cm，此時，膠膜能夠完全從紙張轉移到塑料薄膜上。對比3種乳液的測試結果，聚丙烯酸酯乳液和聚氨酯乳液B 的180°剝離強度低，膠膜的可轉移性差，故不適宜作為紙塑復膜可剝離膠的連接料。另外，芳香族聚氨酯乳液B 的涂膜耐候性差，高溫易黃變，不適宜用于淺色基材；而脂肪族聚氨酯乳液A 不含苯環結構，涂膜高溫不會黃變且性能優異，而且其180°剝離強度大，膠膜可以完全轉移，可滿足其對紙張和塑料的粘結力要求，因此，聚氨酯乳液A可作為水性可剝離紙塑復膜膠的連接料。但是單獨使用聚氨酯乳液A 雖然可以滿足其對紙張和塑料的粘結力要求，但其可剝離性較差，不能保持紙張完整。而蠟乳液的極性較低，對PE、PP 及BOPP 膜等低極性薄膜有很強的親和力。因此，可以選擇蠟乳液與聚氨酯乳液A 復配，一方面降低聚氨酯乳液A 的極性，提高復合乳液在塑料薄膜上的粘結性能；另一方面，由于蠟層良好的防污、防水及抗回黏性等優點，在紙塑分離時，可提高分離膜層干性，使分離表面不粘手、不沾紙屑，可保存紙張的完整性。

2.2 蠟乳液的用量對紙塑復膜膠的影響

測試蠟乳液與聚氨酯乳液A 不同質量比的膠膜的180°剝離強度和紙張破損率，結果如表2 所示。

表2 聚氨酯乳液A和蠟乳液的質量比對膠膜性能的影響Table 2 Effect of mass ratio of polyurethane emulsion A to wax emulsion on properties of the film

從表2 可以看出，隨著蠟乳液質量的增加，紙塑分離時紙張破損率逐漸減少，且紙塑復膜180°剝離強度也逐漸降低。當蠟乳液加入量接近一半時，膠膜不能完全轉移到塑料薄膜上。當m(乳液A)∶m(蠟乳液)=(6.0～5.5)∶(4.0～4.5)時，紙塑復膜的180°剝離強度滿足要求，紙張破損率低，膠膜轉移性好。

2.3 增粘樹脂乳液的種類與用量對紙塑復膜膠性能的影響

增粘樹脂乳液有良好的聚合物相容性，粘著性好，有利于提高膠層間的粘合力和柔韌性。增粘樹脂乳液與乳液A、蠟乳液復配，可形成交叉網狀結構，增加體系內聚力，提高紙塑復合時的初粘力、持粘力和剝離強度，也可提高膠膜的柔韌度，在紙塑分離時使撕拉時的韌度更大，力度更均勻。因此，本文選用3種增粘樹脂乳液──天然樹脂、松香樹脂和萜烯樹脂，考察它們對紙塑復膜/可剝離膠性能的影響。結果見圖1。

圖1 增粘樹脂的種類和用量對紙/塑復膜膠180°剝離強度以及紙張破損率的影響Figure 1 Effects of type and dosage of tackifying resin on 180° peeling strength and paper breakage ratio of the paper/plastic laminated adhesive film

由圖1a 可知，隨著增粘樹脂用量的增加，含萜烯樹脂的復膜膠的180°剝離強度逐漸增強，含天然乳膠和松香樹脂的復膜膠的180°剝離強度則先上升再下降。增粘樹脂的加入與蠟乳液、乳液A 可形成交叉網狀結構，從而提高膠膜的內聚力和180°剝離強度。增粘樹脂的加入還可以提高膠膜的柔韌性，在紙塑分離時保持紙張完整。由圖1b 可知，隨著增粘樹脂用量的增加，含天然乳膠和松香樹脂的復膜膠的紙張破損率逐漸降低，含萜烯樹脂的復膜膠則先降低后升高。對比3種增粘樹脂的應用效果，天然乳膠效果最好，松香樹脂次之，萜烯樹脂最差。萜烯樹脂涂膜的附著力最好，但涂膜干后黏手，紙塑分離后粘結面易返黏；松香樹脂的涂膜附著力較差，在紙塑分離時紙張破損率較低，但易出現光膜現象，膠膜不能轉移；天然乳膠在用量為7.8%時，可達到最高的剝離強度，且紙塑分離時紙張破損率幾乎為零，膠膜可完全轉移到塑料薄膜上。

2.4 交聯劑對紙塑復膜膠附著力的影響

本實驗中的交聯劑選自硅烷偶聯劑，其分子中同時具有能和無機材料及有機材料化學結合的反應性基團。利用偶聯劑分子有機部分與塑料薄膜分子的相容性、偶聯劑分子無機極性部分與紙張表面的相容性，可提高紙塑復膜的結合強度。硅烷偶聯劑用量對復膜膠180°剝離強度的影響見圖2。

圖2 硅烷偶聯劑的用量對復膜膠180°剝離強度的影響Figure 2 Effect of amount of silane coupling agent on 180°peeling strength of the film

由圖2 可知，隨著硅烷偶聯劑用量的增加，復膜膠的180°剝離強度先增加，后達到一穩定值。這可能是由于偶聯劑分子的有機部分與塑料薄膜親和，而無機部分與紙張上的膠黏劑結合，在粘接界面形成較強的化學鍵，從而改善剝離強度。因此，硅烷偶聯劑的最佳用量為4%，此時復膜膠的180°剝離強度為4.5 N/cm。

綜上所述，該水性可剝離紙塑復膜膠的配方確定如下：

2.5 水性紙塑復膜膠性能測試結果

在上述較佳條件下制備的水性紙塑復膜膠性能測試結果見表3。

表3 所制備的水性紙塑復膜膠的性能測試結果Table 3 Performance test results of water-based strippable paper/plastic laminated adhesive

由表3 可以看出，上述配方制得的紙塑復膜膠應用于紙塑復合時，具有180°剝離強度適中，紙塑分離時粘結面不撕紙、不返黏，耐水性好等優點，完全滿足現在紙塑包裝的要求。

3 結論

以聚氨酯乳液為主要連接料，通過加入一定配比的蠟乳液、天然乳膠和硅烷偶聯劑，制得了水性紙塑復膜膠。當水性陰離子脂肪族聚氨酯乳液為48.2%、蠟乳液39.5%、天然乳膠為7.8%、硅烷偶聯劑為4%時，所制備的水性可剝離紙塑復膜膠具有初粘性好、180°剝離強度高、紙塑分離時薄膜粘結面不撕紙、紙張不會受到破壞、紙塑分離后粘結面光滑不粘手的特點，能夠滿足紙塑包裝的要求。

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