改性聚乙烯醇涂布液涂層的防油特性

改性聚乙烯醇涂布液涂層的防油特性

EXCEVALTM是一種用特殊疏水基團提高聚乙烯醇（PVOH）結晶度和高濕度條件下阻隔性的全新的共聚改性聚乙烯醇。EXCEVALTM已在 FDA注冊為食品可接觸物質 （Food Contact Substance），并在食品包裝紙領域具有廣泛的應用潛力。該文介紹了用 EXCEVALTM以及EXCEVALTM與其他助劑組合的涂布液涂層的特性：EXCEVALTM和脂肪酸或陽離子氟類抗油劑并用比其單獨使用不僅能大幅度提高涂層的防油性，而且還能增加涂層的表面強度，改善使用氟類抗油劑時的印刷適應性。

1 序言

聚乙烯醇（PVOH）是水溶性合成高分子物質，是一種廣為人知的應用于紙張涂布的材料。眾所周知，PVOH具有與紙漿纖維的氫鍵結合提高表面強度、與熒光增白劑相互作用提高紙張白度以及用作涂布涂料的黏合劑等特性。并且，PVOH的優良成膜性能提高抗透氣度，增加對油性物質的阻隔性。充分利用這種特性，PVOH還在玻璃紙原紙中被用作硅酮密封劑。PVOH用作食品包裝防油紙的阻隔劑（抗油劑）的研究也在進行之中，但要實用化還需要提高其耐水性和防油性。

EXCEVALTM是PVOH其中的一種，含有特殊的疏水基。導入的疏水基提高了聚合物的結晶性，具有傳統PVOH難以做到的兼顧“強耐水性”和“水溶液黏度穩定性”的優點。其用量正在逐年增加。EXCEVALTM的特點是具有比普通PVOH更優良的紙表面成膜性，提供更強的防油性。

本文將介紹EXCEVALTM在防油紙中的應用，通過添加脂肪酸進行表面改性的研究，以及與通常使用的氟系列抗油劑共同使用的結果。

本次研究使用的EXCEVALTM的產品 RS-2117與普通PVOH的產品PVA-117和PVA-217的規格如表1所示。

表1 EXCEVALTM與普通PVOH的產品規格

2 EXCEVALTM涂布紙的物理特性

此前的研究報告比較了采用EXCEVALTM的涂布液與添加普通PVOH的涂布液分別涂布的紙張抗透氣度，發現前者具有比后者更能提高紙張抗透氣度的特征，因而能抑制油的浸透。圖1比較了聚合度、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涂布液用表面涂布機涂布的涂布紙的抗透氣度[圖1（a）]，以及用油酸吸收性表示的Cobb（60 s）吸油度[圖1（b）]。實驗條件：涂布液濃度為質量分數11%，涂布量（單面）為2.4～2.5 g/m2，原紙定量為70 g/m2，抗透氣度15 s，Cobb吸油度55 g/m2。

圖1 EX CEV A LTM涂布液與普通PVOH涂布液涂布的涂布紙的抗透氣度（a）和Cobb吸油度（b）

由圖1很明顯看出，EXCEVALTM涂布液涂布的涂布紙的阻隔性較高。因此，EXCEVALTM涂布紙比普通PVOH涂布紙能更有效地抑制油的浸透。

但是，如表2所示，用接觸角評價油酸、水對各種PVOH涂布表面的潤濕性時，與市場出售的氟類抗油劑相比，普通PVOH、EXCEVALTM涂布液涂布表面與油酸液滴的接觸角均較小為21°，并且與水滴的接觸角也較小為68°。因此，雖然能抑制油的浸透，但不能抑制其在表面的擴散，外觀上不理想。

3 EXCEVALTM涂布液與脂肪酸混合后的表面特性

要增加油和紙表面的接觸角，方法之一是降低涂布紙表面的表面張力。因此，進行了通過表面疏水化、旨在為降低表面張力而在EXCEVALTM涂布液中添加脂肪酸的研究。將EXCEVALTM涂布液和脂肪酸乳液A混合，脂肪酸乳液A是已獲得FDA認可并在涂布紙中應用的硬脂肪酸和三聚氰胺反應物的水分散液（脂肪酸乳液），通過表面涂布機涂布定量為35 g/m2的原紙，在原紙上形成涂布層，評價其各項特性。其結果如表3所示。

表2 各種PVOH涂布液涂層與油酸和水的接觸角

表3 EXCEVALTM-脂肪酸乳液混合涂布液涂布的涂層評價

由表3可見，隨著脂肪酸乳液A添加量的增加，涂布紙抗透氣度呈下降趨勢；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的涂布層在彎曲部位的防油性顯示了較高的KIT值，甚至Cobb吸水值也由于添加了脂肪酸乳液而降低。

然后測定了各PVOH涂布液涂布表面與油酸、水的接觸角。實驗條件：定量35 g/m2，抗透氣度200 s。實驗結果如表4所示。

表4 EXCEVALTM-脂肪酸乳液混合涂布液涂布的涂布紙表面特性

由表4可以觀察到，添加了脂肪酸乳液A的涂 布層與油酸、水的接觸角增大了。這是因為添加的脂肪酸的疏水基與空氣間存在著界面，降低了涂布層表面的表面張力。

與EXCEVALTM涂布液單獨涂布比較，添加脂肪酸的涂布紙表面被賦予了抗油、抗水功能，因此提高了彎曲部位的防油性，具有實際應用價值。

4 EXCEVALTM涂布液與陽離子氟類抗油劑的并用

通常使用的氟類抗油劑與非氟類抗油劑的最大區別在于其抗油機理。非氟類抗油劑通過在紙表面形成薄膜抑制油的滲透，而氟類抗油劑的特征是氟元素具有抗油功能。大家知道，氟類抗油劑一般與淀粉同時使用，以提高紙的抗油性。本文研究評價了EXCEVALTM涂布液與氟類抗油劑混合使用條件下的特性。

首先，將EXCEVALTM涂布液與市場上出售的陽離子水性氟類抗油劑分別按固含量2.5∶1、4∶1和9∶1混合EXCEVALTM-氟類抗油劑混合涂布液，用表面涂布機涂布使涂層中含有0.35～0.37 g/m2的氟類抗油劑，進行抗油性評價。實驗條件：采用原紙No. 5A濾紙，其定量為100 g/m2，抗透氣度為0 s。實驗結果如圖2所示（為了排除原紙中其他成分的影響，本次試驗中使用的原紙是No.5A濾紙，下同）。

由圖2可見，與單獨用氟類抗油劑涂布相比，無論用EXCEVALTM還是普通PVOH與氟類抗油劑混合的涂布液涂布都能大幅提高抗油性，而EXCEVALTM的效果尤其顯著。現在還不清楚其原因，但有人認為氟類抗油劑在紙中較均一的分散是發揮抗油性的重要原因，有人設立了因EXCEVALTM導入疏水基的效果能使氟類抗油劑更均一的分散假說，這一假說正在進行驗證。

圖2 EX CEV A LTM-氟類抗油劑混合涂布液的抗油特性

本研究在EXCEVALTM∶氟類抗油劑=9∶1的條件下，與單獨使用氟類抗油劑及混合使用氧化淀粉-氟類抗油劑，不同涂布量的抗油性、表面強度進行了比較。實驗條件：采用原紙 No.5C濾紙，其定量為120 g/m2，抗透氣度為15 s。結果如圖3和表5所示（原紙定量為120 g/m2，抗透氣度15 s）。

圖3 各涂布紙氟類抗油劑含量與KIT值

表5 EXCEVALTM/陽離子氟類抗油劑混合使用的評價

由圖3可見，與單獨使用氟類抗油劑、氧化淀粉混合使用相比，EXCEVALTM與氟類抗油劑混合使用顯示了非常高的KIT值，甚至具有與單獨使用氟類抗油劑同等的低吸水性、高防水/防油性，即使降低紙中氟化合物含量（涂布量），其趨勢也一樣。另外，用萬能印刷適性試驗機評價，也是與EXCEVALTM并用時的表面強度最高。原因是EXCEVALTM與纖維間的強氫鍵結合，因此，EXCEVALTM與氟類抗油劑的混合使用不僅大幅度提高了防油性，還提高了表面強度，改善了使用氟類抗油劑時的印刷適應性。

5 結束語

如上所述，通過含有特殊疏水基的變性聚乙烯醇EXCEVALTM與脂肪酸混合，能降低涂布層的表面張力，使涂布層具有一定的防水、防油功能，改善彎曲部位的耐油性，具有實際應用價值。如果進一步將通常使用的氟類抗油劑與EXCEVALTM混合，不僅能大幅度提高涂層的防油性，而且還能增加涂層的表面強度，改善使用氟類抗油劑時的印刷適應性。

（杜偉民 編譯）