采用聚醋酸乙烯酯作涂布膠粘劑以降低包裝紙板的定量

涂布紙板是紙板生產(chǎn)的一個重要領(lǐng)域。隨著市場對輕量化包裝需求的不斷增加，紙基的低定量化對涂布紙板挺度的削弱問題日益突出。該文研究了采用聚醋酸乙烯酯（PVAc）作涂布膠粘劑對涂布紙板挺度的影響。結(jié)果表明，采用高玻璃化溫度的PVAc作涂布膠粘劑能賦予紙板出色的挺度，從而使生產(chǎn)低定量的而其包裝功能不受影響的涂布紙板成為可能。

在不犧牲紙板加工性能和最終使用性能的情況下，減少可折疊紙板箱（如包裝）質(zhì)量對于涂布紙板生產(chǎn)商而言，與其客戶（例如食品、個人護(hù)理和醫(yī)療保健公司等）都同樣重要。因為輕量包裝的積極意義在于減少原材料用量，減少運(yùn)輸和廢物處理成本。

由于輕量包裝所用的箱板紙必須足夠結(jié)實耐用才能保護(hù)其內(nèi)盛物，所以其挺度重要性需提升至與外觀、印刷適應(yīng)性等高級質(zhì)量參數(shù)相當(dāng)水平。紙板抄造過程中影響其定量的因素有很多，合成膠粘劑就是其一。眾所周知，合成涂布膠粘劑的玻璃化溫度（Tg）會影響干燥后涂層的彎曲性能，玻璃化溫度越高，涂層越硬，反之亦然。

聚醋酸乙烯酯（PVAc）涂布膠粘劑具有比許多苯乙烯基膠粘劑（如苯乙烯丙烯酸酯，SA）更高的玻璃化溫度，因此能賦予涂層更大的挺度。PVAc膠粘劑的使用除了符合美國食品藥品管理局現(xiàn)行的食品級紙制品標(biāo)準(zhǔn)外，還符合中國食品安全規(guī)定（《食品接觸材料及制品用添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》）和歐盟關(guān)于食品接觸材料的建議。

PVAc這類剛性膠粘劑能夠增強(qiáng)涂層定向（橫向x和縱向y）抗彎曲能力，這使得涂布紙板生產(chǎn)商有機(jī)會用便宜且挺度低的回用纖維代替昂貴且挺度高的原生纖維以減少紙板定量，也可以通過降低厚度減少纖維總用量。這里，使用高玻璃化溫度的PVAc所提高的挺度應(yīng)抵消或補(bǔ)償上述纖維替代或纖維用量減少帶來的挺度損失。常用的SA涂布膠粘劑玻璃化溫度較PVAc低，因此可以預(yù)期其能夠抵消更小的挺度損失，2種膠粘劑的玻璃化溫度見圖1。

圖1 聚乙酸乙烯酯和SA涂料黏合劑的玻璃化溫度

涂層挺度還取決于涂層結(jié)構(gòu)和/或其體積特性。通常，由于涂料顆粒和纖維良好地結(jié)合在一起，使得龐大的涂層結(jié)構(gòu)比緊密結(jié)構(gòu)更具剛性。有研究表明，PVAc類剛性涂布膠粘劑涂層并不像苯丙乳液涂層那樣，在干燥和壓光時容易發(fā)生形變。這一特性能夠增強(qiáng)干燥后的涂層在z方向上抗致密化和抗壓實的能力，從而允許涂層保持紙箱最大挺度所需的大量“工字梁”結(jié)構(gòu)。

1 材料與方法

應(yīng)用于紙板涂布的涂料及其組合的種類很多。本實驗采用1號黏土、PVAc或SA膠粘劑、纖維素流變改性劑制備實驗用涂料以此來驗證膠粘劑類型、基材挺度與輕量化目標(biāo)之間的關(guān)系。以干黏土量為100質(zhì)量份計，膠粘劑添加量為15質(zhì)量份或20質(zhì)量份（以下簡稱“15份”和“20份”），固含量均為65%。

為了減少纖維基質(zhì)的挺度貢獻(xiàn)，同時凸顯涂層和膠粘劑的作用，本實驗用非木漿紙頁（原紙）代替紙板進(jìn)行涂布實驗。所用的非木漿紙頁通過實驗室臺式涂布機(jī)在紙頁上單面涂布75磅（約121.88 g每平方米，下同），涂布量分別為6磅和12磅每3 000平方英尺（約9.75 g和19.51 g每平方米，下同）。用上述涂布量模擬漂白漿紙板單涂[6磅（約9.75 g，下同）]和雙涂[12磅（約 19.51 g，下同）]，將涂布后的紙基立即放入溫度260°F（126.67℃）的強(qiáng)制熱風(fēng)烘箱中干燥60 s。

為了進(jìn)一步凸顯各膠粘劑在挺度貢獻(xiàn)或負(fù)面影響，紙頁在壓光機(jī)上經(jīng)1道或2道壓光，壓輥表面溫度均為170°F（76.67℃），壓區(qū)壓力均為550 psi（3.79 MPa）。 所有樣品測試前按照TAPPI標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度預(yù)處理1夜，挺度檢測按照TAPPI標(biāo)準(zhǔn)中T-489測試方法進(jìn)行。本研究用經(jīng)基材密度常量標(biāo)準(zhǔn)化后的幾何平均挺度（n=3）解釋樣品涂層質(zhì)量和/或厚度的細(xì)微差異，測得的挺度（mg/令）數(shù)據(jù)精確到2位有效數(shù)字。

2 結(jié)果與結(jié)論

1次壓光條件下膠粘劑用量對涂布后紙樣挺度的影響如圖2所示。圖2（a）試驗條件為涂料75磅，涂布量為6磅每3 000平方英尺；圖2（b）試驗條件為涂料75磅，涂布量為12磅每3 000平方英尺。

圖2 1次壓光條件下膠粘劑用量對涂布后紙樣挺度的影響

正如所料，所有涂布后的紙樣挺度均高于未涂原紙，但2種膠粘劑涂布量對挺度影響不同。具體而言，低涂布量（6磅，模擬單面1次涂布）下含有PVAc的涂料和含有SA涂料涂布后的紙樣挺度相當(dāng)，但是高涂布量（12磅，模擬單面2次涂布）下前者挺度明顯高于后者。和預(yù)期不同的是，后者的挺度并未隨涂布量的增加而改變。

圖2還可以看出膠粘劑用量對挺度的影響，配制的膠粘劑用量分別為15份和20份時涂層之間挺度沒有顯著差異。考慮膠粘劑用量對黏合的涂料顆粒與基材的表面之間的交織關(guān)系的影響，如上結(jié)果有悖常理。一般而言，涂層挺度會隨著高玻璃化溫度膠粘劑用量的增加而增加。

2次壓光條件下膠粘劑用量對涂布后紙樣挺度的影響如圖3所示。圖3（a）試驗條件為涂料75磅，涂布量為6磅每3 000平方英尺；圖3（b）試驗條件為涂料75磅，涂布量為12磅每3 000平方英尺。

圖3 2次壓光條件下膠粘劑用量對涂布后紙樣挺度的影響

和預(yù)期一樣，所有紙樣隨著進(jìn)一步壓實，其挺度都有所下降。不過膠粘劑的影響仍然與先前的研究結(jié)果相同，單面2次涂布的高涂布量情況下，PVAc在提高紙樣挺度方面更有優(yōu)勢。顯然，SA膠粘劑的熱塑特性使其涂層更容易在壓光時被壓實，因此減少了其對涂層和基材挺度的貢獻(xiàn)。盡管如此，一般認(rèn)為大多數(shù)預(yù)涂布后紙板不需要壓光。

為了進(jìn)一步確認(rèn)，在定量低13%[即單面涂布65磅（約29.48 kg，下同）]的紙基上重復(fù)該實驗，除了紙基定量較低外其他條件都相同，即圖4（a）試驗條件為1次壓光，涂料65磅，涂布量為6磅每3 000平方英尺；圖4（b）試驗條件為1次壓光，涂料65磅，涂布量為12磅每3 000平方英尺。

同樣地，模擬的較低涂布量水平下合成膠粘劑涂布后紙樣挺度之間沒有顯著差異，但是在模擬單面2次涂布的較高涂布量下，PVAc涂布后紙樣挺度明顯高于SA涂布后紙樣。

圖4 定量低13%、1次壓光條件下膠粘劑用量對涂布后紙樣挺度的影響

出乎意料的是，用量為15份PVAc的涂料涂布后的紙樣挺度比在20份時高。這里，剛性聚合物涂層的形成的骨架結(jié)構(gòu)可能對結(jié)果有影響。另外，SA的膠粘劑用量似乎不影響涂布后紙樣的挺度。這一差異可以歸因于SA骨架較低的玻璃化溫度（較高的可塑性）使得基材更為柔韌。

定量低13%、2次壓光條件下膠粘劑用量對涂布后紙樣挺度的影響如圖5所示。圖5（a）試驗條件為涂料65磅，涂布量為6磅每3 000平方英尺；圖5（b）試驗條件為涂料65磅，涂布量為12磅每3 000平方英尺。

圖5 定量低13%、2次壓光條件下膠粘劑用量對涂布后紙樣挺度的影響

類似地，圖5顯示了所有涂布后的紙基在壓光后挺度都有損失，但是PVAc膠粘劑涂布后的紙基與SA膠粘劑涂布后的紙基相比挺度仍然保持著優(yōu)勢，從而證實了其對涂層（挺度）的正面影響。膠粘劑用量和涂布量對SA膠粘劑性能的影響最小，因此限制了其不作其他改變時幫助紙板生產(chǎn)商降低包裝紙板定量的能力。

3 結(jié)論

盡管有很多機(jī)械和化學(xué)造紙因素會影響箱板紙挺度，但基于PVAc涂布膠粘劑對挺度的貢獻(xiàn)，采用PVAc作涂布膠粘劑為紙板生產(chǎn)商提供了一種可能降低包裝紙板定量的解決方案。本研究顯示了紙基挺度受PVAc玻璃化溫度以及其對干燥后涂層的結(jié)構(gòu)/形態(tài)的正面影響強(qiáng)烈。雖然涂料配方是達(dá)到最佳外觀和印刷適應(yīng)性以及挺度的折衷，但PVAc對紙基挺度的內(nèi)在貢獻(xiàn)應(yīng)該有助于涂布紙板生產(chǎn)商成功實現(xiàn)其輕量化目標(biāo)，因為其在折疊紙盒應(yīng)用方面具備經(jīng)受時間考驗的能力。