水性紙塑環保干復膠的研制

葉先科　朱萬平　孫家勝

摘要：采用先乳化、后聚合工藝成功合成一種聚合物乳液。該乳液具有自交聯特性，對雙向拉伸聚丙烯（BOPP）膜及油墨和紙張表面具有良好粘接強度，適應輥涂方式，干燥速度快，成功用于取代傳統的甲苯體系復膜膠。復合產品適應模切、裱瓦和壓紋。研究了配方設計原理及各種單體對產品性能的影響。

關鍵詞：復合；乳液；丙烯酸；包裝；膠粘劑

1 前言

紙塑復合是包裝行業中重要的技術工藝。紙張經復合聚合物膜（如BOPP、PET、PVC）后，可耐潮、防污，增加硬挺度，同時色彩更加艷麗，因此，這種工藝在包裝印刷界廣泛使用。紙塑復合的工藝有多種，其中應用最多的是使用溶劑型膠的復合工藝[1～3]。這類膠由甲苯作溶劑，溶解SBS、松香、萜烯等高分子材料制成，固含量45%左右，使用時再用甲苯稀釋成固含量25%左右。這些有毒溶劑最終全部排放到空氣中，造成嚴重的空氣污染，并有火災隱患。此外，天然松香會導致產品的耐老化性差，產品時間久后會變黃，牢度嚴重下降；SBS的高熔點也使得膠的熔點高，熔融黏度大，復合產品會有白點。這些缺點嚴重制約了這類復合工藝的應用。

本項目以水代替甲苯，采用自制的純高分子作粘接材料，耐候性優良，復合牢度好，產品光潔度高，可以完全克服油性膠的缺點，成本也有一定程度的降低，對環境污染小。

2 聚合物合成原理

本項目選擇了丙烯酸酯體系作為基體高分子聚合物。該體系具有良好的結果可設計性，合成方便，且耐候性好，對非極性聚合物膜有良好的粘接性，完全滿足紙塑復合用粘合劑的要求。

紙塑復合用粘合劑的技術要求如下：

1）玻璃化溫度（Tg）：由于復合在中溫完成（90～105 ℃），在該溫段熱壓下聚合物熔體要有一定的流動性，并實現對聚合物膜的理想粘接。復合物冷卻到常溫后，又要進行下道工序處理，如：軋紋、模切，膠還要有較好的耐蠕變性，因此，聚合物必須滿足這種溫度要求。而玻璃化溫度即是最直接的參考參數。

2）耐候性：在各種使用環境下，復合產品不能變色、起皺、脫殼，因此，膠粘劑必須有具有耐熱、耐寒、耐潮濕、抗紫外線的特點，也即應具有很好的耐候性。

3）粘接適應性：用于紙塑復合聚合物膜主要為雙向拉伸聚丙烯（BOPP），屬難粘接材料，粘接劑對非極性材料的潤濕能力一定要好。

此外，還要滿足油墨、涂層、紙張混合界面的特殊粘接需求。

在分子結構上作必要的設計，丙烯酸體系基本可以滿足這些要求。

3 配方設計原理

現有的干式復合機只能使用甲苯作溶劑的油性膠。油性膠的流動性和干燥原理與水性膠完全不同。由于市場上這種干式復合機的數量巨大，使用廠家要想淘汰這種造價較高的設備成本較高，因此，滿足老設備的使用工藝就成了配方設計的重要參數。

油性膠的流平性好，基本為牛頓流體，涂布時粘持阻力大，轉移性好，對滾筒的精度要求低，膠液在滾筒上干燥后，遇溶劑可以再溶解，工藝上采用了反向輥涂上膠，鋼刮刀配合計量輥控制膠量。水性膠則完全不同。其流動性基本為假塑性的，轉移性差，且機械穩定性也差，膠液干結后無再分散性，在涂布上要滿足設備要求，必須在配方設計上充分考慮。根據試驗摸索和實際考查，將膠液的黏度控制在12～15 s（4#杯，常溫）即可基本解決涂布問題。

溶劑膠的干燥速度快，且為薄層涂布，沒有結皮現象，其干燥過程中表面被疏水的溶劑飽和蒸汽覆蓋，所以干燥不受空氣濕度影響。水膠則不然，干燥既慢，又受空氣濕度影響，復合速度較慢，影響使用效益，也難以推廣。適當控制水性膠的固含量和乳液結構，可以有效解決這一問題。這也是配方設計的重要參數。

4 研究結果及討論

4.1 單體配比的確定

根據實踐經驗發現，膠粘劑的玻璃化溫度約在45 ℃基本可以滿足紙塑復合的要求。

此外，綜合考慮各單體的特性和市場價格，可以確定單體的種類和用量范圍。丙烯酸單體可以有效地改進丙烯酸聚合物的粘接性能，使得聚合物對非極性表面有良好的粘接強度，同時增加對紙張和油墨表面的濕潤，因此是重要的聚合單體；醋酸乙烯是較為廉價的硬單體，其溶度參數也較有利于對非極性材料以及紙張的潤濕，也是良好的聚合單體；丙烯酸丁酯價格適中，氣味小，聚合容易，是理想的軟單體。另外，還要選擇交聯單體、聚合促進單體、聚合保護單體等。據此，確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

交聯單體 2～3

其他功能單體 2～3

4.2 剝離強度和丙烯酸用量的關系

丙烯酸用量與剝離強度的關系見圖1。

從圖1可以看出，隨著丙烯酸用量增加，剝離強度快速增加，到丙烯酸用量達到5%時，剝離強度基本達到最大，變化范圍很小。但是丙烯酸用量太大，也有許多副作用：1）聚合物的耐水性會下降；2）乳液的黏度不易控制；3）丙烯酸用量越多，體系的pH值越低，自由基反應的歧化反應就會加劇，合成高固含量乳液時就會有較多的凝膠產生。考慮到紙塑復合要求剝離強度達到5 N/m以上，就可保證下道工序的順利完成，所以丙烯酸用量為3%～5%較適宜。

4.3 交聯單體用量與復合質量的關系（見表1）

由于復合品要經過多種后續工藝處理，必須保持粘接不脫殼，這就要求膠粘劑除了界面潤濕性要好外，還要有良好的內聚強度。所以，適度的交聯是必要的。本文合成了一種交聯單體Mn，該單體含有活潑H，可以在室溫酸性pH值環境中形成交聯，從而提高內聚強度。合成聚合物乳液中本來含有一定的羧基，可保持乳液的機械穩定性。本文利用可揮發的路易斯堿對其進行了中和，可以保證室溫貯存的穩定性。復合后的干燥過程中，路易斯堿開始揮發，體系的pH逐漸下降，為活潑H的交聯基提供了交聯條件，從而順利實現交聯。這是本產品的關鍵技術之一。

從表1可以看出，交聯單體的使用使復合品的質量發生了質變。未使用交聯單體的樣品，轉移油墨的能力還好，但完全不能壓紋，對裱后出現部分脫殼現象，也不耐高低溫使用。隨著交聯單體用量的增加，這些性能都有明顯好轉，用量為4%時，綜合性能較好。考慮成本和合成工藝，用量確定為4%～5%。

4.4 乳液合成工藝和使用工藝的關系

不同乳液聚合工藝合成的乳液性能各不相同。常規乳液聚合，工藝簡單，但不適宜合成高固含量乳液；核殼法聚合，乳液的理化指標好，但工藝過程控制較為復雜，對設備要求也高；先乳化后聚合，乳液粒徑易控制，可以合成高固含量乳液。經過多次試驗，最終采用先乳化后聚合的合成方法。合成的乳液基本性能指標見表2。

滿足這一指標的產品在生產應用中被證明是比較理想的可滿足使用工藝要求的乳液產品。

5 結論

1）采用先乳化后聚合的工藝，成功合成了滿足干式復合工藝的丙烯酸酯乳液。

2）丙烯酸固含量為3%～5%可以使復合強度達到適用化水平。

3）采用自制的交聯單體，可以制備出綜合性能滿足復膜后道工藝要求的乳液。其量控制在4%～5%為最佳。

4）本產品滿足或超過產品設計的技術指標，達到適用化水準。

參考文獻

[1]葉先科，鄒明國，代模欄.乳液紙塑復合膠的研制[J].中國膠粘劑，1997（5）：7.

[2]張建英.溶劑型紙塑復合膠的研制[J].中國膠粘劑，1995（5）：10.

[3]歐國勇，楊輝榮.紙塑復合膠粘劑的研究現狀和動向[J].現代化工，2001（5）：17.