水性可剥离纸塑复膜胶的研制

薛超霞，钟燕妮，皮丕辉*，文秀芳，蔡智奇，徐守萍，程江，杨卓如

（华南理工大学化学与化工学院，广东 广州 510640）

纸塑复膜胶是一种主要用于纸塑四周复合密封包装的胶粘剂，它可以保持包装产品的密封，而且在拆封使用产品时，可使塑料薄膜从纸张上轻易分离，同时能够保持纸张的完整。所以纸塑复膜胶不但要满足初粘性好、180°剥离强度高等性能，而且需要满足纸塑分离时薄膜粘结面不撕纸、纸张不会受到破坏，纸塑分离后粘结面光滑、不粘手的性能要求。纸塑复膜/可剥离胶既要求对非极性、低表面能的塑料薄膜表面具有好的粘接力，还要求对极性的纸张表面具有好的粘合力[1]。目前的纸塑复膜胶可分为溶剂型和乳液型2类。溶剂型复膜胶的成本高、毒性大、污染严重，但它具有干燥快的特点，目前使用仍较广[2]。乳液型复膜胶具有无毒、无污染、成本低、易涂布等特点，是目前大力开发的产品。

常见的乳液型纸塑复膜胶主要包括醋酸乙烯–乙烯(VAE)共聚乳液复膜胶、聚丙烯酸酯类乳液复膜胶(苯丙乳液、纯丙乳液、醋丙乳液等)及少量双组分聚氨酯类乳液复膜胶等[3-4]。在实际复膜应用中，无论是VAE型复膜胶还是丙烯酸类复膜胶，都存在一些不足，如初粘力低、起泡、脱层、热黏冷脆、盖粉能力差、透明性差、低温黏度大，影响了涂膜性能和粘接力等[2,5]。目前，有关聚氨酯类复膜胶的研究[6-8]主要以双组分聚氨酯为主。但双组分聚氨酯复膜胶在涂胶施工时需要把两组分混合在一起，且混合好的胶有一定施工时间限制，造成施工不便，甚至增加容器清洗困难[9]。

本文利用共混改性方法制备了一种单组分水性聚氨酯复膜胶，探讨了影响水性复膜胶使用性能的一些因素，制备出性能优异的水性纸塑复膜胶。

1 实验

1.1 实验原料

聚氨酯乳液A(阴离子脂肪族聚氨酯分散体)、B(阴离子芳香族聚氨酯分散体)，进口；丙烯酸乳液，进口；蜡乳液，自制；萜烯树脂、天然乳胶、松香树脂乳液，均为工业品；偶联剂，中山华兹卜化学工业有限公司；消泡剂、增稠剂，深圳明佳科技有限公司；华邦纸，常州普印包装材料有限公司；BOPP 薄膜，温州市康发包装材料有限公司。

1.2 实验设备及仪器

单相串励电动机，上海微达工具有限公司；万能材料试验机，美国；涂–4 杯黏度计，广州德钛科技有限公司；电热恒温干燥箱，广州市星恒科学仪器有限公司；硅胶板，自制；封口机，天津安普行科技有限公司。

1.3 水性纸塑复膜胶的制备

1.3.1 水性纸塑复膜胶溶液的制备

取定量的蜡乳液和水性聚氨酯乳液置于分散釜中混合，在高速搅拌(1 500～2 000 r/min)下加入定量的增粘树脂，分散10～30 min；中速搅拌(700～800 r/min)下加入定量的偶联剂，分散10～30 min；低速搅拌(100～200 r/min)下加入定量的消泡剂，分散10～30 min；最后加入定量的增稠剂，调节体系黏度至施工黏度后，得到乳白色的水性纸塑复膜可剥离胶产品。纸塑复膜可剥离胶的基础配方如下(以质量分数表示)：

1.3.2 纸塑复膜胶的制备

将定量的纸塑复膜胶涂覆在施工用的华邦纸上，在一定的压力(150～200 kg/cm2)下，以一定速度(15 m/s)用硅胶板在纸张上将胶样均匀涂膜，上胶量大约干胶1～2 mg/m2，室温或40～50°C 干燥1～2 min，涂膜干燥后用封口机在80～150°C 将纸张与塑料薄膜压合在一起1～2 s，待压合处冷却至室温后即得纸塑复膜产品。

1.4 性能测试

用精密pH 试纸测定纸塑复膜液的pH，黏度按GB/T 2794–1995《胶粘剂粘度的测定》标准测试，固含量按GB/T 2793–1995《胶粘剂不挥发物含量的测定》标准测定，初粘性按GB/T 4852–1984《压敏胶粘带初粘性测试方法(斜面滚球法)》标准测定，180°剥离强度按GB/T 2792–1998《压敏胶粘带180°剥离强度试验方法》测试。热烘干稳定性测试：于60°C 下24 h 观测胶层的变化情况。抗湿热性能测试：于110°C 水蒸气环境10 min，观察剥离强度的变化情况。纸张的破损比率为纸塑分离时破损面积占总面积的比值。

2 结果与讨论

2.1 纸塑复膜胶连接料的选择

制备纸塑复膜胶的连接料，首先要具有一定的可剥离性。连接料与基材剥离强度适中，既可以保证与基材有一定的粘接力，又可以在拆封使用产品时将塑料薄膜从纸张上轻易分离。连接料的内聚力要足够大，当纸塑分离时胶膜可以完全转移到塑料薄膜上。连接料还需要一定的柔韧性，在纸塑分离时粘结面不撕纸，使纸张保持完整。

选择市售的丙烯酸乳液、聚氨酯乳液为连接料，按照相同的配方制成胶黏剂，在华邦纸上涂膜，单位面积上胶量一致，室温自然干燥。涂膜干燥后用封口机于120°C 将BOPP 膜和华邦纸压合在一起，待压合处冷却至室温后，即得纸塑复膜胶产品。测试不同胶膜的180°剥离强度和纸张破损率，结果如表1 所示。

表1 乳液种类对胶膜性能的影响Table 1 Effect of type of emulsion on properties of the film

根据可剥离纸塑复膜胶的应用要求，适宜的180°剥离强度是4.0～5.0 N/cm，此时，胶膜能够完全从纸张转移到塑料薄膜上。对比3种乳液的测试结果，聚丙烯酸酯乳液和聚氨酯乳液B 的180°剥离强度低，胶膜的可转移性差，故不适宜作为纸塑复膜可剥离胶的连接料。另外，芳香族聚氨酯乳液B 的涂膜耐候性差，高温易黄变，不适宜用于浅色基材；而脂肪族聚氨酯乳液A 不含苯环结构，涂膜高温不会黄变且性能优异，而且其180°剥离强度大，胶膜可以完全转移，可满足其对纸张和塑料的粘结力要求，因此，聚氨酯乳液A可作为水性可剥离纸塑复膜胶的连接料。但是单独使用聚氨酯乳液A 虽然可以满足其对纸张和塑料的粘结力要求，但其可剥离性较差，不能保持纸张完整。而蜡乳液的极性较低，对PE、PP 及BOPP 膜等低极性薄膜有很强的亲和力。因此，可以选择蜡乳液与聚氨酯乳液A 复配，一方面降低聚氨酯乳液A 的极性，提高复合乳液在塑料薄膜上的粘结性能；另一方面，由于蜡层良好的防污、防水及抗回黏性等优点，在纸塑分离时，可提高分离膜层干性，使分离表面不粘手、不沾纸屑，可保存纸张的完整性。

2.2 蜡乳液的用量对纸塑复膜胶的影响

测试蜡乳液与聚氨酯乳液A 不同质量比的胶膜的180°剥离强度和纸张破损率，结果如表2 所示。

表2 聚氨酯乳液A和蜡乳液的质量比对胶膜性能的影响Table 2 Effect of mass ratio of polyurethane emulsion A to wax emulsion on properties of the film

从表2 可以看出，随着蜡乳液质量的增加，纸塑分离时纸张破损率逐渐减少，且纸塑复膜180°剥离强度也逐渐降低。当蜡乳液加入量接近一半时，胶膜不能完全转移到塑料薄膜上。当m(乳液A)∶m(蜡乳液)=(6.0～5.5)∶(4.0～4.5)时，纸塑复膜的180°剥离强度满足要求，纸张破损率低，胶膜转移性好。

2.3 增粘树脂乳液的种类与用量对纸塑复膜胶性能的影响

增粘树脂乳液有良好的聚合物相容性，粘着性好，有利于提高胶层间的粘合力和柔韧性。增粘树脂乳液与乳液A、蜡乳液复配，可形成交叉网状结构，增加体系内聚力，提高纸塑复合时的初粘力、持粘力和剥离强度，也可提高胶膜的柔韧度，在纸塑分离时使撕拉时的韧度更大，力度更均匀。因此，本文选用3种增粘树脂乳液──天然树脂、松香树脂和萜烯树脂，考察它们对纸塑复膜/可剥离胶性能的影响。结果见图1。

图1 增粘树脂的种类和用量对纸/塑复膜胶180°剥离强度以及纸张破损率的影响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

由图1a 可知，随着增粘树脂用量的增加，含萜烯树脂的复膜胶的180°剥离强度逐渐增强，含天然乳胶和松香树脂的复膜胶的180°剥离强度则先上升再下降。增粘树脂的加入与蜡乳液、乳液A 可形成交叉网状结构，从而提高胶膜的内聚力和180°剥离强度。增粘树脂的加入还可以提高胶膜的柔韧性，在纸塑分离时保持纸张完整。由图1b 可知，随着增粘树脂用量的增加，含天然乳胶和松香树脂的复膜胶的纸张破损率逐渐降低，含萜烯树脂的复膜胶则先降低后升高。对比3种增粘树脂的应用效果，天然乳胶效果最好，松香树脂次之，萜烯树脂最差。萜烯树脂涂膜的附着力最好，但涂膜干后黏手，纸塑分离后粘结面易返黏；松香树脂的涂膜附着力较差，在纸塑分离时纸张破损率较低，但易出现光膜现象，胶膜不能转移；天然乳胶在用量为7.8%时，可达到最高的剥离强度，且纸塑分离时纸张破损率几乎为零，胶膜可完全转移到塑料薄膜上。

2.4 交联剂对纸塑复膜胶附着力的影响

本实验中的交联剂选自硅烷偶联剂，其分子中同时具有能和无机材料及有机材料化学结合的反应性基团。利用偶联剂分子有机部分与塑料薄膜分子的相容性、偶联剂分子无机极性部分与纸张表面的相容性，可提高纸塑复膜的结合强度。硅烷偶联剂用量对复膜胶180°剥离强度的影响见图2。

图2 硅烷偶联剂的用量对复膜胶180°剥离强度的影响Figure 2 Effect of amount of silane coupling agent on 180°peeling strength of the film

由图2 可知，随着硅烷偶联剂用量的增加，复膜胶的180°剥离强度先增加，后达到一稳定值。这可能是由于偶联剂分子的有机部分与塑料薄膜亲和，而无机部分与纸张上的胶黏剂结合，在粘接界面形成较强的化学键，从而改善剥离强度。因此，硅烷偶联剂的最佳用量为4%，此时复膜胶的180°剥离强度为4.5 N/cm。

综上所述，该水性可剥离纸塑复膜胶的配方确定如下：

2.5 水性纸塑复膜胶性能测试结果

在上述较佳条件下制备的水性纸塑复膜胶性能测试结果见表3。

表3 所制备的水性纸塑复膜胶的性能测试结果Table 3 Performance test results of water-based strippable paper/plastic laminated adhesive

由表3 可以看出，上述配方制得的纸塑复膜胶应用于纸塑复合时，具有180°剥离强度适中，纸塑分离时粘结面不撕纸、不返黏，耐水性好等优点，完全满足现在纸塑包装的要求。

3 结论

以聚氨酯乳液为主要连接料，通过加入一定配比的蜡乳液、天然乳胶和硅烷偶联剂，制得了水性纸塑复膜胶。当水性阴离子脂肪族聚氨酯乳液为48.2%、蜡乳液39.5%、天然乳胶为7.8%、硅烷偶联剂为4%时，所制备的水性可剥离纸塑复膜胶具有初粘性好、180°剥离强度高、纸塑分离时薄膜粘结面不撕纸、纸张不会受到破坏、纸塑分离后粘结面光滑不粘手的特点，能够满足纸塑包装的要求。

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