低溫環境下不同膠粘劑對紙膜粘接的影響及性能比較

摘要：針對紙與膜粘接在低溫環境下的脫膠失效問題，尋求改善其低溫粘接性能的方法。通過對比分析不同類型的膠粘劑性能指標，篩選出更適合低溫環境使用的膠粘劑。研究發現，丙烯酸類膠粘劑在低溫條件下具有較好的粘接性能。玻璃化轉變溫度更低，接觸角更小的膠粘劑，在低溫環境下具備更好的粘接性能，能滿足日常使用要求，為解決紙膜粘接在低溫下的脫膠問題提供了有效的解決方案。

關鍵詞：膠粘劑；玻璃化轉變溫度；表面張力；接觸角；低溫粘接性能

中圖分類號：TQ437+.2文獻標志碼：A文章編號：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

紙與膜的粘接在許多工業領域和消費市場中都有著廣泛的應用。從食品和飲料包裝到醫藥封裝，甚至是復雜的多層復合材料，紙與膜的結合都是關鍵組成部分[1]。但是，這種復合材料在低溫環境下，尤其是在冷凍或接近冰點的環境中，往往面臨嚴重的脫膠和失效問題。

近年來，低溫脫膠問題已成為工業界和研究者的關注焦點，因為它對于許多產品的性能和使用壽命有著直接的影響[2]。冷凍食品包裝、冷藏物流以及某些高海拔和寒冷地區的應用場景，都強烈要求紙與膜粘接技術能夠在低溫環境下穩定運行。

目前，在國內外，不少學者對膠粘劑的耐低溫性能進行了研究，內容涉及到聚氨酯改性、膠粘劑耐低溫研究[3-4]，耐低溫環氧膠粘劑研究[5]以及環氧樹脂在低溫環境下的增韌的研究[6]等等。2018年，廖宏等人[7]對近年來國內外通過添加聚氨酯、尼龍、填料和柔性劑等制備耐低溫環氧膠粘劑的研究進展進行了綜述，并對未來耐低溫環氧膠粘劑的發展方向進行了展望。2020年，Z.Sápi等[8]回顧了有關復合材料，包括膠粘劑，在低溫下的性能表現，如拉伸、壓縮和剪切強度，彈性模量和應力-應變行為，機械和熱疲勞響應，斷裂韌性，耐沖擊，熱膨脹和熱導率，摩擦學和磨損以及滲透率等。此外，還討論了在低溫下產生這種性能表現的基本物理原理，并介紹了低溫實驗測試所面臨的挑戰。2022年，田富竟等[9]關注到了低溫環境下膠粘劑材料的老化壽命問題，通過人工加速老化的方法對所選用的聚氨酯膠粘材料進行加熱老化實驗，對材料的拉伸強度隨老化時間、老化溫度等因素的變化及性能退化趨勢進行分析，并應用阿累尼烏斯圖對聚氨酯膠粘材料進行壽命預測。

對于紙與膜粘接部位容易發生低溫脫落現象的問題，主要原因為使用的膠粘劑耐低溫性能不足，無法在低溫環境下保持良好的粘接性能。本文旨在結合實際情況以及實踐經驗，深入探討膠粘劑低溫失效問題的原因，并提出相應的解決措施，以期有效消除紙與膜粘接的低溫失效現象。通過對不同膠粘劑的研究和實驗，以及對現有解決方案的改進和優化，力求為紙與膜粘接提供更為可靠和穩定的低溫性能表現。

1試驗部分

1.1試驗材料與儀器

材料：本試驗主要使用的材料為7種不同的水基膠，記為G70，J1，J2，J3，J4，J5，J6，由湖北中煙提供，其中G70為原用膠粘劑。一種包裝紙，一種塑料薄膜，均由湖北中煙提供。

儀器：DMA242型動態熱機械分析儀（DMA，德國耐馳公司）；CCIZY-1表面張力儀（上海方瑞儀器有限公司）；SL200B接觸角測量儀（美國科諾工業有限公司）；3340系列拉力機（英斯特朗（上海）實驗設備貿易有限公司）；XMTD-8222恒溫恒濕箱（上海成順儀器儀表有限公司）；Nicolet iS50傅里葉紅外光譜儀（賽默飛世爾科技公司（美國））；7890B 7000C熱裂解氣相質譜聯用（安捷倫科技有限公司）。

1.2試驗制備

1.2.1平張化測試樣品制備

為真實地模擬包裝中紙與膜的實際粘接過程，我們在對實際生產線進行詳細觀察和深入調研的基礎上，采用人工模擬方式對紙張與薄膜進行粘接。首先，將一張裁剪好的薄膜平整地鋪設在玻璃板上。接著，在紙張的一端滴加適量膠樣，滴加膠樣時需迅速在距離紙張一端的位置滴加一行8個點。緊接著，將另一張紙張迅速覆蓋在膠樣涂抹的表面上，覆蓋過程中需注意保持邊緣的對齊，且在覆蓋完成后，切勿用力擠壓涂膠部分。將這些粘接好的試樣放置在平整的表面上，并在試樣上方放置一塊定重（10 N）的平整鋼板以保證良好的粘接效果。最后，將試樣置于室溫下進行固化處理。待試樣完全干透后放入不同溫度（-15τ到+10τ）的恒溫恒濕箱處理6 h以上。

1.2.2紅外光譜測試樣品制備

將溴化鉀粉末于130τ下烘干24h，在干燥研缽中充分磨細（顆粒約2μm）。在壓片機上壓制透明溴化鉀薄片，均勻滴涂1-2滴經水稀釋的膠粘劑樣品，在強光照射10 min左右成膜。取約8 mm×8 mm干樣，壓在ATR平臺上測試，掃描范圍400～4 000 cm-1，分辨率2 cm-1，掃描32次。

1.3測定或表征

1.3.1玻璃化轉變溫度

采用動態熱機械分析（DMA）法進行測定[10]（取干樣品3 mg，置于鋁盤中進行動態熱機械分析，-80τ升到60τ，10τ/min，氮氣氛圍，氮氣流速20 mL/min）

1.3.2表面張力

取一定量的膠粘劑置于30 mL燒杯中，在25τ利用CCIZY-1表面張力儀采用白金板法測定乳液的表面張力[11]。以3次測量的平均值表示，精確至0.1 mN/m。

1.3.3接觸角

按照標準YC/T 424—2011《煙用紙表面潤濕性能的測定接觸角法》進行測定，其中調整液滴體積為5μL，針頭距離待測試樣表面約5.0 mm。采用切線法對每次測量過程第5 s的數據進行統計，測試結果以5次測量的平均值表示，精確至0.01°。

1.3.4平張化低溫粘接性能

待試樣完全干透后放入不同溫度（-15τ到10τ）的恒溫恒濕箱處理6 h以上，之后按照GB/T 34444—2017《紙和紙板層間剝離強度的測定》標準進行測定，每個溫度每組樣品測試10次，觀察計算良品率。

1.3.5水基膠樣品主成分分析

綜合運用紅外光譜、熱裂解-氣相質譜（PY-GCMS，取0.5mg干樣，置于熱解器，550τ12 s，接口溫度：300τ，GC進樣口溫度：320τ，分流比：30，柱流速：1 mL/min，升溫程序：40τ（1min）5τ/min到80τ，15τ/min到300τ（15 min）電子能量70 eV，離子源溫度230τ，傳輸線溫度300τ，質量掃描范圍m/z 40-550，掃描方式：全掃描）等方法確定7種膠粘劑的主要成分。

2結果與分析

2.1膠粘劑玻璃化轉變溫度結果分析

通過對7種水基膠的差示掃描量熱（DSC）結果進行計算分析，得到其膠粘劑的玻璃化轉變溫度（表1）。結果表明，從測試結果來看，只有J1，J5樣品以及J6的膠粘劑樣品的Tg在0℃以下，能夠滿足低溫下（小于0℃）使用的要求，而G70膠粘劑的玻璃化轉變溫度為18.00℃，顯然不滿足在低溫環境下使用的要求。這一結果為我們在尋找適用于低溫環境下的煙用膠粘劑提供了重要依據。

2.2膠粘劑表面張力結果分析

在此之前，利用達因值法測試薄膜的表面張力約為36 mN/m。通過白金板法測試7種不同膠粘劑的液體表面張力，結果如圖1所示。從圖1可知J6膠粘劑的表面張力為32.2 N/m，在7種膠粘劑中表面張力最小，而G70膠粘劑的表面張力為36.5 mN/m。通過固液表面的性質可知，液體的表面張力小于固體的表面張力時，液體才能滲透潤濕固體，且液體的表面張力越小，潤濕效果越好。所以，在此7種膠粘劑中，J6膠粘劑的潤濕效果最好。

2.3潤濕性能結果分析

測試7種不同膠粘劑在薄膜上的接觸角，結果如圖2所示。結果顯示大部分膠粘劑在薄膜上的接觸角都小于90°，說明這些膠粘劑對薄膜有一定的潤濕性，接觸角越小，潤濕效果越好。從膠粘劑對比看來，J6膠粘劑的潤濕性能最好，接觸角達到了55.30°，與表面張力測試結果一致。其次是J1和J5樣品膠粘劑，分別是66.43°和66.29°。

2.4平張化低溫粘接性能結果分析

通過分析煙用包裝膠粘接完成后粘接部位的受力情況，可以知道盒片與潤香寶內襯紙的膠接面被破壞的通常現象是被剝離翹起或脫膠，更深入的分析可以明確是受與膠接面呈90°的“剝離力”破壞的，也就是T型剝離。通過對所有膠粘劑人工粘接后的平張化進行剝離測試，并對樣品的良品率進行統計后，如圖3所示。結果顯示，當溫度為5～10℃時，所有的膠粘劑都能滿足使用要求（良品率大于等于90%），當溫度低至0℃時，只有J1、J4、J6膠粘劑能滿足要求。當溫度低至-5至-10℃時，膠粘劑和薄膜的粘接性能開始變差，只有J1、J6膠粘劑能滿足要求。而當溫度低至-15℃時，基本上膠粘劑和薄膜的粘接性能變得更差，只有J6膠粘劑能滿足低溫下的粘接性能要求。總之，J6膠粘劑的耐低溫性能十分優秀在-15℃到10℃都能滿足低溫下的使用要求。

2.5 G70與J6膠粘劑主成分分析結果

在之前測試結果基礎上，綜合選用原用的G70膠粘劑與粘接性能優異的J6膠粘劑進行主成分對比分析。

2.5.1紅外光譜（IR）

G70膠粘劑的紅外波譜測試顯示，干樣主要為聚醋酸乙烯酯，其中2 859和2 930 cm-1主要是C—H伸縮振動特征峰，1 728 cm-1主要是酯結構中C===O伸縮振動特征峰，1 228 cm-1附近為醇酯結構中C—O伸縮振動特征峰。

J6膠粘劑的紅外波譜測試顯示，干樣主要為丙烯酸樹脂，其中2 872、2 957和2 928 cm-1主要是C—H伸縮振動特征峰，1 728 cm-1主要是酯結構中C—O伸縮振動特征峰，1 165 cm-1附近為醇酯結構中C—O伸縮振動特征峰。

2.5.2熱裂解-氣相質譜（PY-GCMS）

G70膠粘劑的熱裂解-氣相質譜聯用測試顯示，樣品熱裂解單體主要為醋酸（乙酸），其它熱裂解單體均來源于聚醋酸乙烯酯樹脂的衍生裂解產物，還有脫水檸檬酸三丁酯來源于塑化劑檸檬酸三丁酯的高溫產物。

J6膠粘劑的熱裂解-氣相質譜聯用測試顯示，樣品熱裂解單體主要為丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯，其它熱裂解單體均來源于丙烯酸樹脂的衍生裂解產物。

目前使用的紙膜粘接膠粘劑主要原料通常為聚乙酸乙烯酯，部分產品則采用丙烯酸酯類原料進行聚合和改性制作[12]。通過紅外光譜（IR）、熱裂解氣相質譜（PY-GCMS）等定性定量分析手段，我們得知原用的G70膠粘劑的主要成分為聚醋酸乙烯酯（PVAc），而J6膠粘劑的主成分為由丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯和丙烯酸乳液共聚而成的丙烯酸樹脂類。

與PVAc相比，丙烯酸系聚合物具有較高的粘接強度和剪切強度，因此J6膠粘劑在低溫環境下的粘接性能明顯優于原用的G70膠粘劑。然而，丙烯酸乳液膠粘劑也存在一定的局限性，如耐水性較差、干燥時間較長以及易發生霉變等問題。這些缺點在產品應用過程中需要予以充分關注，以確保煙用膠粘劑在各種環境條件下都能發揮出良好的粘接性能。

3結語

通過對不同膠粘劑的玻璃化轉變溫度、表面張力、接觸角以及人工粘接效果等方面的綜合分析，本研究得出以下結論：

首先，在不同水基膠的人工粘接效果評估中，J6膠粘劑在低溫條件下展現了卓越的性能，能在-15℃環境中穩定工作。這主要歸因于其較低的玻璃化轉變溫度（Tg），確保其在低溫環境下不發生不良的相態轉變。此外，其較小的接觸角和表面張力為其提供了更好的滲透性和粘接能力。進一步分析J6水基膠的主要成分，發現其主要由丙烯酸酯類組成，相比于G70水基膠的PVAc類成分，其粘接和耐低溫性能更為出色。因此，本研究證實了J6膠粘劑在低溫條件下的使用效果明顯優于原用的G70膠粘劑。

基于以上結論，建議在低溫環境下選用J6水基膠，同時未來研究可進一步探討不同膠粘劑及紙與膜的組合在更廣泛的低溫應用場景下的表現，為包裝行業提供更多有針對性的解決方案。

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（責任編輯：張玉平）