低温环境下不同胶粘剂对纸膜粘接的影响及性能比较

摘要：针对纸与膜粘接在低温环境下的脱胶失效问题，寻求改善其低温粘接性能的方法。通过对比分析不同类型的胶粘剂性能指标，筛选出更适合低温环境使用的胶粘剂。研究发现，丙烯酸类胶粘剂在低温条件下具有较好的粘接性能。玻璃化转变温度更低，接触角更小的胶粘剂，在低温环境下具备更好的粘接性能，能满足日常使用要求，为解决纸膜粘接在低温下的脱胶问题提供了有效的解决方案。

关键词：胶粘剂；玻璃化转变温度；表面张力；接触角；低温粘接性能

中图分类号：TQ437+.2文献标志码：A文章编号：1001-5922（2025）01-0035-04

Effect and performance comparison of different adhesives on paper film bonding in low temperature environment

WANG Na1，XU Jianwei2，WANG Bo1，HU Suxia1，CHEN Lin1，YANG Xi1，LIU Xinghai2

（1.Hubei China Tobacco Industry Co.，Ltd.，Wuhan 430030，China；

2.Research Center of Image Communication and Printing Packaging，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

Abstract：Aiming at the problem of debonding failure of paper-film bonding in low-temperature environments，a method to improve its low-temperature bonding performance was sought.By comparing and analyzing the perfor-mance indexes of different types of adhesives，a more suitable adhesive for low-temperature environment was screened out.It has been found that acrylic adhesives have better bonding performance at low temperatures.Theadhe-sive with lower glass transition temperature and smaller contact angle has better bonding performance in low tempera-ture environment，which can meet the requirements of daily use，and provides an effective solution to solve the prob-lem of degumming paper film bonding at low temperature.

Key words：adhesive；glass transition temperature；surfacetension；contact angle；low-temperature bonding properties

纸与膜的粘接在许多工业领域和消费市场中都有着广泛的应用。从食品和饮料包装到医药封装，甚至是复杂的多层复合材料，纸与膜的结合都是关键组成部分[1]。但是，这种复合材料在低温环境下，尤其是在冷冻或接近冰点的环境中，往往面临严重的脱胶和失效问题。

近年来，低温脱胶问题已成为工业界和研究者的关注焦点，因为它对于许多产品的性能和使用寿命有着直接的影响[2]。冷冻食品包装、冷藏物流以及某些高海拔和寒冷地区的应用场景，都强烈要求纸与膜粘接技术能够在低温环境下稳定运行。

目前，在国内外，不少学者对胶粘剂的耐低温性能进行了研究，内容涉及到聚氨酯改性、胶粘剂耐低温研究[3-4]，耐低温环氧胶粘剂研究[5]以及环氧树脂在低温环境下的增韧的研究[6]等等。2018年，廖宏等人[7]对近年来国内外通过添加聚氨酯、尼龙、填料和柔性剂等制备耐低温环氧胶粘剂的研究进展进行了综述，并对未来耐低温环氧胶粘剂的发展方向进行了展望。2020年，Z.Sápi等[8]回顾了有关复合材料，包括胶粘剂，在低温下的性能表现，如拉伸、压缩和剪切强度，弹性模量和应力-应变行为，机械和热疲劳响应，断裂韧性，耐冲击，热膨胀和热导率，摩擦学和磨损以及渗透率等。此外，还讨论了在低温下产生这种性能表现的基本物理原理，并介绍了低温实验测试所面临的挑战。2022年，田富竟等[9]关注到了低温环境下胶粘剂材料的老化寿命问题，通过人工加速老化的方法对所选用的聚氨酯胶粘材料进行加热老化实验，对材料的拉伸强度随老化时间、老化温度等因素的变化及性能退化趋势进行分析，并应用阿累尼乌斯图对聚氨酯胶粘材料进行寿命预测。

对于纸与膜粘接部位容易发生低温脱落现象的问题，主要原因为使用的胶粘剂耐低温性能不足，无法在低温环境下保持良好的粘接性能。本文旨在结合实际情况以及实践经验，深入探讨胶粘剂低温失效问题的原因，并提出相应的解决措施，以期有效消除纸与膜粘接的低温失效现象。通过对不同胶粘剂的研究和实验，以及对现有解决方案的改进和优化，力求为纸与膜粘接提供更为可靠和稳定的低温性能表现。

1试验部分

1.1试验材料与仪器

材料：本试验主要使用的材料为7种不同的水基胶，记为G70，J1，J2，J3，J4，J5，J6，由湖北中烟提供，其中G70为原用胶粘剂。一种包装纸，一种塑料薄膜，均由湖北中烟提供。

仪器：DMA242型动态热机械分析仪（DMA，德国耐驰公司）；CCIZY-1表面张力仪（上海方瑞仪器有限公司）；SL200B接触角测量仪（美国科诺工业有限公司）；3340系列拉力机（英斯特朗（上海）实验设备贸易有限公司）；XMTD-8222恒温恒湿箱（上海成顺仪器仪表有限公司）；Nicolet iS50傅里叶红外光谱仪（赛默飞世尔科技公司（美国））；7890B 7000C热裂解气相质谱联用（安捷伦科技有限公司）。

1.2试验制备

1.2.1平张化测试样品制备

为真实地模拟包装中纸与膜的实际粘接过程，我们在对实际生产线进行详细观察和深入调研的基础上，采用人工模拟方式对纸张与薄膜进行粘接。首先，将一张裁剪好的薄膜平整地铺设在玻璃板上。接着，在纸张的一端滴加适量胶样，滴加胶样时需迅速在距离纸张一端的位置滴加一行8个点。紧接着，将另一张纸张迅速覆盖在胶样涂抹的表面上，覆盖过程中需注意保持边缘的对齐，且在覆盖完成后，切勿用力挤压涂胶部分。将这些粘接好的试样放置在平整的表面上，并在试样上方放置一块定重（10 N）的平整钢板以保证良好的粘接效果。最后，将试样置于室温下进行固化处理。待试样完全干透后放入不同温度（-15τ到+10τ）的恒温恒湿箱处理6 h以上。

1.2.2红外光谱测试样品制备

将溴化钾粉末于130τ下烘干24h，在干燥研钵中充分磨细（颗粒约2μm）。在压片机上压制透明溴化钾薄片，均匀滴涂1-2滴经水稀释的胶粘剂样品，在强光照射10 min左右成膜。取约8 mm×8 mm干样，压在ATR平台上测试，扫描范围400～4 000 cm-1，分辨率2 cm-1，扫描32次。

1.3测定或表征

1.3.1玻璃化转变温度

采用动态热机械分析（DMA）法进行测定[10]（取干样品3 mg，置于铝盘中进行动态热机械分析，-80τ升到60τ，10τ/min，氮气氛围，氮气流速20 mL/min）

1.3.2表面张力

取一定量的胶粘剂置于30 mL烧杯中，在25τ利用CCIZY-1表面张力仪采用白金板法测定乳液的表面张力[11]。以3次测量的平均值表示，精确至0.1 mN/m。

1.3.3接触角

按照标准YC/T 424—2011《烟用纸表面润湿性能的测定接触角法》进行测定，其中调整液滴体积为5μL，针头距离待测试样表面约5.0 mm。采用切线法对每次测量过程第5 s的数据进行统计，测试结果以5次测量的平均值表示，精确至0.01°。

1.3.4平张化低温粘接性能

待试样完全干透后放入不同温度（-15τ到10τ）的恒温恒湿箱处理6 h以上，之后按照GB/T 34444—2017《纸和纸板层间剥离强度的测定》标准进行测定，每个温度每组样品测试10次，观察计算良品率。

1.3.5水基胶样品主成分分析

综合运用红外光谱、热裂解-气相质谱（PY-GCMS，取0.5mg干样，置于热解器，550τ12 s，接口温度：300τ，GC进样口温度：320τ，分流比：30，柱流速：1 mL/min，升温程序：40τ（1min）5τ/min到80τ，15τ/min到300τ（15 min）电子能量70 eV，离子源温度230τ，传输线温度300τ，质量扫描范围m/z 40-550，扫描方式：全扫描）等方法确定7种胶粘剂的主要成分。

2结果与分析

2.1胶粘剂玻璃化转变温度结果分析

通过对7种水基胶的差示扫描量热（DSC）结果进行计算分析，得到其胶粘剂的玻璃化转变温度（表1）。结果表明，从测试结果来看，只有J1，J5样品以及J6的胶粘剂样品的Tg在0℃以下，能够满足低温下（小于0℃）使用的要求，而G70胶粘剂的玻璃化转变温度为18.00℃，显然不满足在低温环境下使用的要求。这一结果为我们在寻找适用于低温环境下的烟用胶粘剂提供了重要依据。

2.2胶粘剂表面张力结果分析

在此之前，利用达因值法测试薄膜的表面张力约为36 mN/m。通过白金板法测试7种不同胶粘剂的液体表面张力，结果如图1所示。从图1可知J6胶粘剂的表面张力为32.2 N/m，在7种胶粘剂中表面张力最小，而G70胶粘剂的表面张力为36.5 mN/m。通过固液表面的性质可知，液体的表面张力小于固体的表面张力时，液体才能渗透润湿固体，且液体的表面张力越小，润湿效果越好。所以，在此7种胶粘剂中，J6胶粘剂的润湿效果最好。

2.3润湿性能结果分析

测试7种不同胶粘剂在薄膜上的接触角，结果如图2所示。结果显示大部分胶粘剂在薄膜上的接触角都小于90°，说明这些胶粘剂对薄膜有一定的润湿性，接触角越小，润湿效果越好。从胶粘剂对比看来，J6胶粘剂的润湿性能最好，接触角达到了55.30°，与表面张力测试结果一致。其次是J1和J5样品胶粘剂，分别是66.43°和66.29°。

2.4平张化低温粘接性能结果分析

通过分析烟用包装胶粘接完成后粘接部位的受力情况，可以知道盒片与润香宝内衬纸的胶接面被破坏的通常现象是被剥离翘起或脱胶，更深入的分析可以明确是受与胶接面呈90°的“剥离力”破坏的，也就是T型剥离。通过对所有胶粘剂人工粘接后的平张化进行剥离测试，并对样品的良品率进行统计后，如图3所示。结果显示，当温度为5～10℃时，所有的胶粘剂都能满足使用要求（良品率大于等于90%），当温度低至0℃时，只有J1、J4、J6胶粘剂能满足要求。当温度低至-5至-10℃时，胶粘剂和薄膜的粘接性能开始变差，只有J1、J6胶粘剂能满足要求。而当温度低至-15℃时，基本上胶粘剂和薄膜的粘接性能变得更差，只有J6胶粘剂能满足低温下的粘接性能要求。总之，J6胶粘剂的耐低温性能十分优秀在-15℃到10℃都能满足低温下的使用要求。

2.5 G70与J6胶粘剂主成分分析结果

在之前测试结果基础上，综合选用原用的G70胶粘剂与粘接性能优异的J6胶粘剂进行主成分对比分析。

2.5.1红外光谱（IR）

G70胶粘剂的红外波谱测试显示，干样主要为聚醋酸乙烯酯，其中2 859和2 930 cm-1主要是C—H伸缩振动特征峰，1 728 cm-1主要是酯结构中C===O伸缩振动特征峰，1 228 cm-1附近为醇酯结构中C—O伸缩振动特征峰。

J6胶粘剂的红外波谱测试显示，干样主要为丙烯酸树脂，其中2 872、2 957和2 928 cm-1主要是C—H伸缩振动特征峰，1 728 cm-1主要是酯结构中C—O伸缩振动特征峰，1 165 cm-1附近为醇酯结构中C—O伸缩振动特征峰。

2.5.2热裂解-气相质谱（PY-GCMS）

G70胶粘剂的热裂解-气相质谱联用测试显示，样品热裂解单体主要为醋酸（乙酸），其它热裂解单体均来源于聚醋酸乙烯酯树脂的衍生裂解产物，还有脱水柠檬酸三丁酯来源于塑化剂柠檬酸三丁酯的高温产物。

J6胶粘剂的热裂解-气相质谱联用测试显示，样品热裂解单体主要为丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯，其它热裂解单体均来源于丙烯酸树脂的衍生裂解产物。

目前使用的纸膜粘接胶粘剂主要原料通常为聚乙酸乙烯酯，部分产品则采用丙烯酸酯类原料进行聚合和改性制作[12]。通过红外光谱（IR）、热裂解气相质谱（PY-GCMS）等定性定量分析手段，我们得知原用的G70胶粘剂的主要成分为聚醋酸乙烯酯（PVAc），而J6胶粘剂的主成分为由丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯和丙烯酸乳液共聚而成的丙烯酸树脂类。

与PVAc相比，丙烯酸系聚合物具有较高的粘接强度和剪切强度，因此J6胶粘剂在低温环境下的粘接性能明显优于原用的G70胶粘剂。然而，丙烯酸乳液胶粘剂也存在一定的局限性，如耐水性较差、干燥时间较长以及易发生霉变等问题。这些缺点在产品应用过程中需要予以充分关注，以确保烟用胶粘剂在各种环境条件下都能发挥出良好的粘接性能。

3结语

通过对不同胶粘剂的玻璃化转变温度、表面张力、接触角以及人工粘接效果等方面的综合分析，本研究得出以下结论：

首先，在不同水基胶的人工粘接效果评估中，J6胶粘剂在低温条件下展现了卓越的性能，能在-15℃环境中稳定工作。这主要归因于其较低的玻璃化转变温度（Tg），确保其在低温环境下不发生不良的相态转变。此外，其较小的接触角和表面张力为其提供了更好的渗透性和粘接能力。进一步分析J6水基胶的主要成分，发现其主要由丙烯酸酯类组成，相比于G70水基胶的PVAc类成分，其粘接和耐低温性能更为出色。因此，本研究证实了J6胶粘剂在低温条件下的使用效果明显优于原用的G70胶粘剂。

基于以上结论，建议在低温环境下选用J6水基胶，同时未来研究可进一步探讨不同胶粘剂及纸与膜的组合在更广泛的低温应用场景下的表现，为包装行业提供更多有针对性的解决方案。

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（责任编辑：张玉平）