水性纸塑环保干复胶的研制

叶先科　朱万平　孙家胜

摘要：采用先乳化、后聚合工艺成功合成一种聚合物乳液。该乳液具有自交联特性，对双向拉伸聚丙烯（BOPP）膜及油墨和纸张表面具有良好粘接强度，适应辊涂方式，干燥速度快，成功用于取代传统的甲苯体系复膜胶。复合产品适应模切、裱瓦和压纹。研究了配方设计原理及各种单体对产品性能的影响。

关键词：复合；乳液；丙烯酸；包装；胶粘剂

1 前言

纸塑复合是包装行业中重要的技术工艺。纸张经复合聚合物膜（如BOPP、PET、PVC）后，可耐潮、防污，增加硬挺度，同时色彩更加艳丽，因此，这种工艺在包装印刷界广泛使用。纸塑复合的工艺有多种，其中应用最多的是使用溶剂型胶的复合工艺[1～3]。这类胶由甲苯作溶剂，溶解SBS、松香、萜烯等高分子材料制成，固含量45%左右，使用时再用甲苯稀释成固含量25%左右。这些有毒溶剂最终全部排放到空气中，造成严重的空气污染，并有火灾隐患。此外，天然松香会导致产品的耐老化性差，产品时间久后会变黄，牢度严重下降；SBS的高熔点也使得胶的熔点高，熔融黏度大，复合产品会有白点。这些缺点严重制约了这类复合工艺的应用。

本项目以水代替甲苯，采用自制的纯高分子作粘接材料，耐候性优良，复合牢度好，产品光洁度高，可以完全克服油性胶的缺点，成本也有一定程度的降低，对环境污染小。

2 聚合物合成原理

本项目选择了丙烯酸酯体系作为基体高分子聚合物。该体系具有良好的结果可设计性，合成方便，且耐候性好，对非极性聚合物膜有良好的粘接性，完全满足纸塑复合用粘合剂的要求。

纸塑复合用粘合剂的技术要求如下：

1）玻璃化温度（Tg）：由于复合在中温完成（90～105 ℃），在该温段热压下聚合物熔体要有一定的流动性，并实现对聚合物膜的理想粘接。复合物冷却到常温后，又要进行下道工序处理，如：轧纹、模切，胶还要有较好的耐蠕变性，因此，聚合物必须满足这种温度要求。而玻璃化温度即是最直接的参考参数。

2）耐候性：在各种使用环境下，复合产品不能变色、起皱、脱壳，因此，胶粘剂必须有具有耐热、耐寒、耐潮湿、抗紫外线的特点，也即应具有很好的耐候性。

3）粘接适应性：用于纸塑复合聚合物膜主要为双向拉伸聚丙烯（BOPP），属难粘接材料，粘接剂对非极性材料的润湿能力一定要好。

此外，还要满足油墨、涂层、纸张混合界面的特殊粘接需求。

在分子结构上作必要的设计，丙烯酸体系基本可以满足这些要求。

3 配方设计原理

现有的干式复合机只能使用甲苯作溶剂的油性胶。油性胶的流动性和干燥原理与水性胶完全不同。由于市场上这种干式复合机的数量巨大，使用厂家要想淘汰这种造价较高的设备成本较高，因此，满足老设备的使用工艺就成了配方设计的重要参数。

油性胶的流平性好，基本为牛顿流体，涂布时粘持阻力大，转移性好，对滚筒的精度要求低，胶液在滚筒上干燥后，遇溶剂可以再溶解，工艺上采用了反向辊涂上胶，钢刮刀配合计量辊控制胶量。水性胶则完全不同。其流动性基本为假塑性的，转移性差，且机械稳定性也差，胶液干结后无再分散性，在涂布上要满足设备要求，必须在配方设计上充分考虑。根据试验摸索和实际考查，将胶液的黏度控制在12～15 s（4#杯，常温）即可基本解决涂布问题。

溶剂胶的干燥速度快，且为薄层涂布，没有结皮现象，其干燥过程中表面被疏水的溶剂饱和蒸汽覆盖，所以干燥不受空气湿度影响。水胶则不然，干燥既慢，又受空气湿度影响，复合速度较慢，影响使用效益，也难以推广。适当控制水性胶的固含量和乳液结构，可以有效解决这一问题。这也是配方设计的重要参数。

4 研究结果及讨论

4.1 单体配比的确定

根据实践经验发现，胶粘剂的玻璃化温度约在45 ℃基本可以满足纸塑复合的要求。

此外，综合考虑各单体的特性和市场价格，可以确定单体的种类和用量范围。丙烯酸单体可以有效地改进丙烯酸聚合物的粘接性能，使得聚合物对非极性表面有良好的粘接强度，同时增加对纸张和油墨表面的湿润，因此是重要的聚合单体；醋酸乙烯是较为廉价的硬单体，其溶度参数也较有利于对非极性材料以及纸张的润湿，也是良好的聚合单体；丙烯酸丁酯价格适中，气味小，聚合容易，是理想的软单体。另外，还要选择交联单体、聚合促进单体、聚合保护单体等。据此，确定原材料的配比如下：

丙烯酸丁酯 30～50

醋酸乙烯 40～50

丙烯酸 5～10

交联单体 2～3

其他功能单体 2～3

4.2 剥离强度和丙烯酸用量的关系

丙烯酸用量与剥离强度的关系见图1。

从图1可以看出，随着丙烯酸用量增加，剥离强度快速增加，到丙烯酸用量达到5%时，剥离强度基本达到最大，变化范围很小。但是丙烯酸用量太大，也有许多副作用：1）聚合物的耐水性会下降；2）乳液的黏度不易控制；3）丙烯酸用量越多，体系的pH值越低，自由基反应的歧化反应就会加剧，合成高固含量乳液时就会有较多的凝胶产生。考虑到纸塑复合要求剥离强度达到5 N/m以上，就可保证下道工序的顺利完成，所以丙烯酸用量为3%～5%较适宜。

4.3 交联单体用量与复合质量的关系（见表1）

由于复合品要经过多种后续工艺处理，必须保持粘接不脱壳，这就要求胶粘剂除了界面润湿性要好外，还要有良好的内聚强度。所以，适度的交联是必要的。本文合成了一种交联单体Mn，该单体含有活泼H，可以在室温酸性pH值环境中形成交联，从而提高内聚强度。合成聚合物乳液中本来含有一定的羧基，可保持乳液的机械稳定性。本文利用可挥发的路易斯碱对其进行了中和，可以保证室温贮存的稳定性。复合后的干燥过程中，路易斯碱开始挥发，体系的pH逐渐下降，为活泼H的交联基提供了交联条件，从而顺利实现交联。这是本产品的关键技术之一。

从表1可以看出，交联单体的使用使复合品的质量发生了质变。未使用交联单体的样品，转移油墨的能力还好，但完全不能压纹，对裱后出现部分脱壳现象，也不耐高低温使用。随着交联单体用量的增加，这些性能都有明显好转，用量为4%时，综合性能较好。考虑成本和合成工艺，用量确定为4%～5%。

4.4 乳液合成工艺和使用工艺的关系

不同乳液聚合工艺合成的乳液性能各不相同。常规乳液聚合，工艺简单，但不适宜合成高固含量乳液；核壳法聚合，乳液的理化指标好，但工艺过程控制较为复杂，对设备要求也高；先乳化后聚合，乳液粒径易控制，可以合成高固含量乳液。经过多次试验，最终采用先乳化后聚合的合成方法。合成的乳液基本性能指标见表2。

满足这一指标的产品在生产应用中被证明是比较理想的可满足使用工艺要求的乳液产品。

5 结论

1）采用先乳化后聚合的工艺，成功合成了满足干式复合工艺的丙烯酸酯乳液。

2）丙烯酸固含量为3%～5%可以使复合强度达到适用化水平。

3）采用自制的交联单体，可以制备出综合性能满足复膜后道工艺要求的乳液。其量控制在4%～5%为最佳。

4）本产品满足或超过产品设计的技术指标，达到适用化水准。

参考文献

[1]叶先科，邹明国，代模栏.乳液纸塑复合胶的研制[J].中国胶粘剂，1997（5）：7.

[2]张建英.溶剂型纸塑复合胶的研制[J].中国胶粘剂，1995（5）：10.

[3]欧国勇，杨辉荣.纸塑复合胶粘剂的研究现状和动向[J].现代化工，2001（5）：17.