改性聚乙烯醇涂布液涂层的防油特性

改性聚乙烯醇涂布液涂层的防油特性

EXCEVALTM是一种用特殊疏水基团提高聚乙烯醇（PVOH）结晶度和高湿度条件下阻隔性的全新的共聚改性聚乙烯醇。EXCEVALTM已在 FDA注册为食品可接触物质 （Food Contact Substance），并在食品包装纸领域具有广泛的应用潜力。该文介绍了用 EXCEVALTM以及EXCEVALTM与其他助剂组合的涂布液涂层的特性：EXCEVALTM和脂肪酸或阳离子氟类抗油剂并用比其单独使用不仅能大幅度提高涂层的防油性，而且还能增加涂层的表面强度，改善使用氟类抗油剂时的印刷适应性。

1 序言

聚乙烯醇（PVOH）是水溶性合成高分子物质，是一种广为人知的应用于纸张涂布的材料。众所周知，PVOH具有与纸浆纤维的氢键结合提高表面强度、与荧光增白剂相互作用提高纸张白度以及用作涂布涂料的黏合剂等特性。并且，PVOH的优良成膜性能提高抗透气度，增加对油性物质的阻隔性。充分利用这种特性，PVOH还在玻璃纸原纸中被用作硅酮密封剂。PVOH用作食品包装防油纸的阻隔剂（抗油剂）的研究也在进行之中，但要实用化还需要提高其耐水性和防油性。

EXCEVALTM是PVOH其中的一种，含有特殊的疏水基。导入的疏水基提高了聚合物的结晶性，具有传统PVOH难以做到的兼顾“强耐水性”和“水溶液黏度稳定性”的优点。其用量正在逐年增加。EXCEVALTM的特点是具有比普通PVOH更优良的纸表面成膜性，提供更强的防油性。

本文将介绍EXCEVALTM在防油纸中的应用，通过添加脂肪酸进行表面改性的研究，以及与通常使用的氟系列抗油剂共同使用的结果。

本次研究使用的EXCEVALTM的产品 RS-2117与普通PVOH的产品PVA-117和PVA-217的规格如表1所示。

表1 EXCEVALTM与普通PVOH的产品规格

2 EXCEVALTM涂布纸的物理特性

此前的研究报告比较了采用EXCEVALTM的涂布液与添加普通PVOH的涂布液分别涂布的纸张抗透气度，发现前者具有比后者更能提高纸张抗透气度的特征，因而能抑制油的浸透。图1比较了聚合度、皂化度，以及水溶液黏度相同的普通PVOH/ PVA-117涂布液和 EXCEVALTM/RS-2117涂布液用表面涂布机涂布的涂布纸的抗透气度[图1（a）]，以及用油酸吸收性表示的Cobb（60 s）吸油度[图1（b）]。实验条件：涂布液浓度为质量分数11%，涂布量（单面）为2.4～2.5 g/m2，原纸定量为70 g/m2，抗透气度15 s，Cobb吸油度55 g/m2。

图1 EX CEV A LTM涂布液与普通PVOH涂布液涂布的涂布纸的抗透气度（a）和Cobb吸油度（b）

由图1很明显看出，EXCEVALTM涂布液涂布的涂布纸的阻隔性较高。因此，EXCEVALTM涂布纸比普通PVOH涂布纸能更有效地抑制油的浸透。

但是，如表2所示，用接触角评价油酸、水对各种PVOH涂布表面的润湿性时，与市场出售的氟类抗油剂相比，普通PVOH、EXCEVALTM涂布液涂布表面与油酸液滴的接触角均较小为21°，并且与水滴的接触角也较小为68°。因此，虽然能抑制油的浸透，但不能抑制其在表面的扩散，外观上不理想。

3 EXCEVALTM涂布液与脂肪酸混合后的表面特性

要增加油和纸表面的接触角，方法之一是降低涂布纸表面的表面张力。因此，进行了通过表面疏水化、旨在为降低表面张力而在EXCEVALTM涂布液中添加脂肪酸的研究。将EXCEVALTM涂布液和脂肪酸乳液A混合，脂肪酸乳液A是已获得FDA认可并在涂布纸中应用的硬脂肪酸和三聚氰胺反应物的水分散液（脂肪酸乳液），通过表面涂布机涂布定量为35 g/m2的原纸，在原纸上形成涂布层，评价其各项特性。其结果如表3所示。

表2 各种PVOH涂布液涂层与油酸和水的接触角

表3 EXCEVALTM-脂肪酸乳液混合涂布液涂布的涂层评价

由表3可见，随着脂肪酸乳液A添加量的增加，涂布纸抗透气度呈下降趋势；但非常有意思的是KIT值并未大幅度下降，并且混合了脂肪酸乳液A的涂布层在弯曲部位的防油性显示了较高的KIT值，甚至Cobb吸水值也由于添加了脂肪酸乳液而降低。

然后测定了各PVOH涂布液涂布表面与油酸、水的接触角。实验条件：定量35 g/m2，抗透气度200 s。实验结果如表4所示。

表4 EXCEVALTM-脂肪酸乳液混合涂布液涂布的涂布纸表面特性

由表4可以观察到，添加了脂肪酸乳液A的涂 布层与油酸、水的接触角增大了。这是因为添加的脂肪酸的疏水基与空气间存在着界面，降低了涂布层表面的表面张力。

与EXCEVALTM涂布液单独涂布比较，添加脂肪酸的涂布纸表面被赋予了抗油、抗水功能，因此提高了弯曲部位的防油性，具有实际应用价值。

4 EXCEVALTM涂布液与阳离子氟类抗油剂的并用

通常使用的氟类抗油剂与非氟类抗油剂的最大区别在于其抗油机理。非氟类抗油剂通过在纸表面形成薄膜抑制油的渗透，而氟类抗油剂的特征是氟元素具有抗油功能。大家知道，氟类抗油剂一般与淀粉同时使用，以提高纸的抗油性。本文研究评价了EXCEVALTM涂布液与氟类抗油剂混合使用条件下的特性。

首先，将EXCEVALTM涂布液与市场上出售的阳离子水性氟类抗油剂分别按固含量2.5∶1、4∶1和9∶1混合EXCEVALTM-氟类抗油剂混合涂布液，用表面涂布机涂布使涂层中含有0.35～0.37 g/m2的氟类抗油剂，进行抗油性评价。实验条件：采用原纸No. 5A滤纸，其定量为100 g/m2，抗透气度为0 s。实验结果如图2所示（为了排除原纸中其他成分的影响，本次试验中使用的原纸是No.5A滤纸，下同）。

由图2可见，与单独用氟类抗油剂涂布相比，无论用EXCEVALTM还是普通PVOH与氟类抗油剂混合的涂布液涂布都能大幅提高抗油性，而EXCEVALTM的效果尤其显著。现在还不清楚其原因，但有人认为氟类抗油剂在纸中较均一的分散是发挥抗油性的重要原因，有人设立了因EXCEVALTM导入疏水基的效果能使氟类抗油剂更均一的分散假说，这一假说正在进行验证。

图2 EX CEV A LTM-氟类抗油剂混合涂布液的抗油特性

本研究在EXCEVALTM∶氟类抗油剂=9∶1的条件下，与单独使用氟类抗油剂及混合使用氧化淀粉-氟类抗油剂，不同涂布量的抗油性、表面强度进行了比较。实验条件：采用原纸 No.5C滤纸，其定量为120 g/m2，抗透气度为15 s。结果如图3和表5所示（原纸定量为120 g/m2，抗透气度15 s）。

图3 各涂布纸氟类抗油剂含量与KIT值

表5 EXCEVALTM/阳离子氟类抗油剂混合使用的评价

由图3可见，与单独使用氟类抗油剂、氧化淀粉混合使用相比，EXCEVALTM与氟类抗油剂混合使用显示了非常高的KIT值，甚至具有与单独使用氟类抗油剂同等的低吸水性、高防水/防油性，即使降低纸中氟化合物含量（涂布量），其趋势也一样。另外，用万能印刷适性试验机评价，也是与EXCEVALTM并用时的表面强度最高。原因是EXCEVALTM与纤维间的强氢键结合，因此，EXCEVALTM与氟类抗油剂的混合使用不仅大幅度提高了防油性，还提高了表面强度，改善了使用氟类抗油剂时的印刷适应性。

5 结束语

如上所述，通过含有特殊疏水基的变性聚乙烯醇EXCEVALTM与脂肪酸混合，能降低涂布层的表面张力，使涂布层具有一定的防水、防油功能，改善弯曲部位的耐油性，具有实际应用价值。如果进一步将通常使用的氟类抗油剂与EXCEVALTM混合，不仅能大幅度提高涂层的防油性，而且还能增加涂层的表面强度，改善使用氟类抗油剂时的印刷适应性。

（杜伟民 编译）