水性材料在紙杯防水涂層的應用前景

■ 文/上海出版印刷高等專科學校 崔慶斌

隨著經濟的快速發展，紙杯在國內的需求量增長迅速，根據中國產業信息網發布的《2015—2020年中國紙杯紙碗市場年度調研及發展趨勢研究報告》調查結果，預測紙杯從2015年的362億只/年，發展到目前的635億只/年，預計到2025年，紙杯需求量會達到914億只，這是一個隨著經濟發展而快速成長的消費市場，如圖1所示。

圖1 淋膜紙杯

根據國外調研機構發布的測算數據，雖然歐美市場紙杯和紙碗普及水平較高，但中國是全球最大的紙杯和紙碗產銷市場，該區域紙杯和紙碗占全球市場總量的42.3%，歐盟占比為25.3%。

由歐洲限塑令引起的去塑化發展趨勢，國內外公司目前都專注于這一領域，研發和研究新的技術或工藝來解決紙杯去塑化問題。英國一家生物降解包裝公司（BIOPAC）為紅牛軟飲料特制了一種紙質可生物降解飲料杯，專供大型戶外活動以及大型體育賽事飲料供給之用，已經得到了大眾的廣泛認可[2]。但是這些可降解材料的成本高居不下，僅限于小眾的高品質和高要求應用。

UPM公司特殊造紙部門，也推出一款UPM Solide Lucent半透明牛皮紙，符合FSC標準，可循環降解使用[3]，且適用于傳統、數碼印刷加工，但價格同樣不菲。

針對目前應用最為廣泛的、常用的一次性紙杯和紙碗，開發一款純水性環保底涂料，以替代目前一次性紙杯或紙碗中的PE或PLA淋膜。通過柔版印刷聯線涂布，可達到良好的可降解、防水、抗油等性能；在替代傳統PE+PLA淋膜層，實現去塑化更環保的同時，印刷和涂布可通過柔印一次完成，具有效率高、成本低的優勢。該產品可廣泛用于紙杯、快餐等柔印包裝產品且能達到歐盟限塑令標準。

1 紙杯和紙碗在國內外的印刷加工工藝現狀

無論在國外還是在國內，淋膜紙杯和紙碗的傳統加工工藝包含：原紙淋膜、分切、印刷、模切、成型、包裝。本文重點討論模切之前的淋膜和印刷2個環節[4]。

紙杯和紙碗的印刷在歐美以柔印為主，其中美國預計超過95%，歐洲也達到88%的比例。膠印紙杯即使使用大豆油油墨等環保型油墨，其環保性能也無法達到水性柔版油墨得水平。紙杯印制客戶的環保需求，尤其是國際品牌，如麥當勞、肯德基、可口可樂、百事可樂等品牌的要求較為苛刻。因此，在國內由膠印和柔印共存向柔印為主發展逐步成為主流，并且柔印的生產成本更低、效率更高[5]。從長遠來看，在我國紙杯和紙碗等食品包裝領域，采用柔印完成的比例會越來越高。

2 涂層處理現有種類

紙杯和紙碗主要應用食品級紙張通過涂層或復合處理而成，傳統處理方式包括涂蠟或淋膜。過去使用最多的是涂蠟紙杯，用蠟浸泡過，只可以裝冷飲，不能裝含油的食品，因為油能溶解蠟。蠟在40℃左右就會融化，而蠟含致癌物質多環芳烴[6-7]。所以現在主流應用由紙杯原紙和塑料樹脂粒子擠出復合組成的紙杯，塑料樹脂一般使用聚乙烯樹脂(PE)，紙杯原紙經淋膜單面PE膜或雙面PE膜后成為單PE紙杯紙或雙PE紙杯紙[8]。PE具有無毒、無臭、無味，衛生性能可靠，化學性能穩定，物理及力學性能均衡，耐寒性好，抗水、防潮性和一定的阻氧、耐油性，成型性能和熱封性能優良等優點。

3 新型水性丙烯酸酯樹脂涂布材料

為減少使用VOCs物質，目前國際國內樹脂相關產業主要以水性樹脂（如聚氨酯、環氧樹脂、水溶性丙烯酸等）為原材料，并采用樹脂改性或成鹽、細粒徑乳化法等制備工藝。然而，聚氨酯、環氧樹脂等水劑型樹脂的聚合方式注定了其只能進行水性化改性。而在水基型樹脂的改性制備過程中，雖然可以減少使用VOCs物質，減少有毒有害物質的使用，但仍無法做到完全擺脫VOCs。因此，現有的水性樹脂的生產過程中涉及VOCs排放，對環境安全產生威脅。

納米級水性窄分子量分布丙烯酸共聚酯可用于制備純水性油墨，合成純水性丙烯酸共聚酯的原料包括基礎單體，如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和丙烯酸丁酯。基礎單體在純水體系中通過乳化劑和光引發劑的作用聚合成上述丙烯酸共聚酯。丙烯酸共聚酯的D50粒徑為40～65 nm[9、13]，多分散指數PDI(Mw/Mn)<1.05[10-12]，可提供了一種純水性油墨。該純水性油墨無需添加有機溶劑來降低體系的黏度。因此消除了對含VOCs物質的依賴，保障了人體健康。同時，干燥速率快，無需添加有機催干劑，極大地減少了VOCs的排放；附著力強，具有良好的耐水性，不會產生回粘現象；并且還具有良好的色彩展現，良好的應變力和優秀的耐水煮性能。相關性能指標如表1、表2、表3、表4所示。

表1 紙基替塑性能測試

表2 總遷移量指標的符合性

表3 感官（氣味和味道）指標的符合性

表4 重金屬特定遷移量指標的符合性

3 結 語

我國政府為了履行國際減排承諾，積極推動綠色低碳循環發展、培育綠色市場，全面加強揮發性有機物（VOCs）污染防治工作。純水性納米功能性樹脂涂布的研究和產業化，為包裝印刷、食品包裝內層涂裝等食品安全、環保重點治理行業，從源頭上控制VOCs開辟了一個全新的環境友好型產業鏈。未來很多產業將會依靠純水性樹脂涂層實現產業提升。