一種紙質檔案裝訂用水性膠粘新材料制備及性能研究

中圖分類號： TQ436⁺ .5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）07-0041-04

Abstract：Inorder toimprove theadaptabilityof water-basedadhesive materials intheapplicationofarchival preservation，water-based adhesive materials were prepared by monomer materials such as vinyl acetate and various additives，and two inorganic fillers suchas graphene nanosheets and nano-titanium dioxide were used to modify the water resistance，and three flame retardantssuch as aluminum hydroxide，magnesium hydroxideand zinc oxide were used to modifythe materials，and the bonding properties of water-based adhesive materials were studied.The results showed that when 7.5% nano titanium dioxide and 2% aluminum hydroxide flame retardant were added，the adhesion strength of the water -based adhesive material to kraft paper reached 7.26MPa ，the water absorption rate of the material was reduced to 14.9% ，and the combustion time was shortened to 48s .This water-based adhesive material not only has good adhesion performance，but also has good water resistance and flameretardant properties，and has a good application prospect in archival preservation.

Key words ：graphene nanosheets;nano titanium dioxide ;aluminum hydroxide ;adhesive strength;water absorptionrate

粘接材料是檔案保存過程中不可缺少的重要材料，對粘接材料進行耐水、阻燃改性對檔案保存具有重要意義。目前，在粘接材料改性方面，董永兵等以聚酯二元醇等基本原料，合成了一種改性水性聚氨酯膠粘劑，結果表明，當磷酸酯添加量為 2.6% 時，該膠粘劑氧指數為 28% ，阻燃等級達到UL-94V-2級[1；劉芊等利用石墨烯納米片對環氧樹脂膠粘劑進行改性，并探究這種改性膠粘劑在水環境中的老化性能，結果表明，當添加 0.5% 石墨烯納米片時，這種改性膠粘劑粘接強度提升最大，且耐久性得到改善[2]；田飛宇等將納米蒙脫土添加到膠粘劑中，得到一種改性酚醛樹脂膠粘劑，結果表明，當納米蒙脫土添加量為 0.08% 時，這種膠粘劑阻燃性能和力學性能提高[3]。由此可見，膠粘劑的防水、阻燃改性還有較大空間。特別是聚醋酸乙烯酯乳液，俗稱白乳膠，這種水性膠材料有著粘接力強、防水性能好的等特點，常用于木材粘合、紙張加工等纖維類粘接，在檔案保存應用中廣泛使用[46]。本試驗使用石墨烯納米片等無機填料對這種水性膠材料進行耐水改性，同時使用氫氧化鋁等阻燃劑對其進行阻燃改性，最終獲得一種綜合性能優良的適用于檔案保存的水性膠材料。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：乙酸乙烯酯（AR，山東麒麟化工）；十二烷基硫酸鈉（AR，河南盛坤化工）;OP-10乳化劑（AR，南通仁達化工）；聚乙烯醇（AR，河南耀澤化工）；丙烯酸丁酯（AR，東莞市寶佳塑膠）；丙烯酸（AR，濟南輝騰化工）；過硫酸銨（AR，山東聚邦化工）；碳酸氫鈉（AR？）；石墨烯納米片（AR，南通潤豐石油化工）;納米二氧化鈦（AR，靈壽縣星州礦產）；氫氧化鋁（AR，靈壽縣玖順礦產）；氫氧化鎂（AR，河北鎂熙生物）；氧化鋅（AR，鄭州利盛源化工）。

主要設備：RF88199H型熱風循環干燥箱（蘇州輝洵設備制造）；ST-S5000型萬能力學試驗機（東莞市思泰儀器有限公司）；;CZF-5型垂直燃燒測定儀（北京中航時代儀器）。

1.2 試驗方法

本試驗主要以乙酸乙烯酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸等材料制備檔案保存用水性膠材料。為使檔案保存用水性膠材料獲得良好的耐水性和阻燃性，通過石墨烯納米片、納米二氧化鈦這2種無機填料對水性膠材料的耐水性進行改性，通過氫氧化鋁、氫氧化鎂、氧化鋅這3種阻燃劑對水性膠材料的阻燃性進行改性。這種水性膠材料制備步驟如下[7-8]：

（1）向一個四口燒瓶中添加一定量水和聚乙烯醇，加熱使聚乙烯醇完全溶解；

（2）按照2：1質量比稱量一定量的OP-10和十二烷基硫酸鈉，與適量水混合，配制質量濃度為10% 的復合乳化劑水溶液。同時將 75g 乙酸乙烯酯 ??25g 丙烯酸丁酯和 _1.5g 丙烯酸混合，作為混合單體；

（3）將適量復合乳化劑水溶液添加到四口燒瓶中，再加入一定量碳酸氫鈉。然后添加少量混合單體，并在恒溫 65^°C 環境中使材料預乳化 30min ：

（4）向四口燒瓶中添加適量過硫酸銨作為引發劑，在恒溫 65^°C 環境中反應一段時間。之后將溫度升高到 75^°C ，并在 5h 內四口燒瓶中滴加剩余的混合單體。注意滴加混合單體期間，每隔 20min 補加適量過硫酸銨；

（5）混合單體全部滴加完畢后，將四口燒瓶溫度升高到 90^°C ，并保持 30min ，然后將溫度降低至45^°C ，出料，得水性膠材料。

1.3 性能測試

1.3.1 吸水率

向一個干燥的表面皿中添加一定質量的檔案保存用水性膠材料，在恒溫105 C 環境中烘干，稱重記錄水性膠材料烘干后的質量。然后將表面血放入水中浸泡， ^24h 后取出，用濾紙擦拭干凈水性膠材料表面的水分，并稱重記錄此時的水性膠材料質量[9]。

1.3.2 粘接強度

以牛皮紙作為基底材料測試檔案保存用水性膠材料粘接強度。先將牛皮紙適當裁剪為牛皮紙紙條，并干燥處理 24h 。將制備好的水性膠材料充分攪拌后，取 _0.5g 水性膠材料均勻涂抹到牛皮紙紙條一端，同時搭接另一牛皮紙紙條，施加一定壓力使水性膠材料與牛皮紙充分接觸。 10min 后解除壓力，得粘接試樣。再通過萬能力學試驗機對粘接試樣的剪切強度進行測試，即水性膠材料對牛皮紙的粘接強度。

1.3.3 續燃時間

將水性膠材料牛皮紙粘接試樣干燥處理 24h ，然后使用垂直燃燒測定儀對粘接試樣進行垂直燃燒試驗，并記錄材料續燃時間。根據水性膠材料對續燃時間的影響，分析水性膠材料阻燃性能。

2 結果與分析

2.1無機填料對水性膠材料的影響

2.1.1 吸水率

為提高檔案保存效果，針對水性膠材料耐水性較差的問題，本試驗通過石墨烯納米片、納米二氧化鈦這2種無機填料對水性膠材料進行改性。圖1為在不同無機填料種類、添加量條件下，各水性膠材料的吸水率。

20 納米二氧化鈦00 2.5 5 7.5 10無機填料添加量/%

由圖1可知，未添加無機填料的空白水性膠材料吸水率最大，達到 27.3% ，材料耐水性能較差。而添加有石墨烯納米片或納米二氧化鈦的水性膠材料吸水率明顯降低，材料耐水性能提高。當無機填料為石墨烯納米片時，隨著無機填料添加量增加，材料吸水率呈波動變化，但整體遠小于空白水性膠材料。其中添加 2.5% 或 7.5% 石墨烯納米片的材料耐水性較好，吸水率分別是 13.6%.16.4% 。這說明，石墨烯納米片的添加可以提高水性膠材料耐水性能。這是因為，石墨烯納米片獨特的材料結構會使水分子在水性膠材料中的擴散路徑更加曲折，因此水分子擴散程度減弱，更不容易滲入水性膠材料內部，材料吸水率降低，耐水性能提高[10-11] 。

除此之外，當無機填料為納米二氧化鈦時，隨著無機填料添加量增加，材料吸水率先減小后增大。當納米二氧化鈦添加量為 2.5% 時，材料吸水率略微降低至 24.5% 。當納米二氧化鈦添加量為 7.5% 時，材料吸水率最小，為 14.9% ，材料耐水性能較好。而當納米二氧化鈦添加量增多至 10% 時，材料吸水率略有增大，為 15.8% 。這些變化是因為，在納米二氧化鈦添加量適當的情況下，由于納米二氧化鈦本身表面活性較強，因此納米二氧化鈦可以與水性膠材料中的乙酸乙烯酯等物質發生反應，形成大量氫鍵，增強分子間作用力，從而提高水性膠材料致密性[12]。因此水分子更不容易擴散到水性膠材料內部，材料吸水率減小，耐水性提高。但過多納米二氧化鈦可能會影響其在水性膠材料體系中的均勻分散，所以材料吸水率反而提高。綜上，石墨烯納米片和納米二氧化鈦均可以降低水性膠材料吸水率，提高材料耐水性能。其中納米二氧化鈦對水性膠材料耐水性提高效果更好。當添加 7.5% 納米二氧化鈦時，材料吸水率最小，僅為 14.9% 。

2.1.2 粘接強度

為提高水性膠材料在檔案保存應用中的適應性，在提高水性膠材料耐水性的同時，還需要保證水性膠材料對牛皮紙的粘接強度。本試驗針對不同無機填料種類、添加量的水性膠材料分別進行粘接性能測試，結果見圖2。

由圖2可知，未添加無機填料的空白水性膠材料粘接強度較小，為 6.49MPa 。當添加石墨烯納米片或納米二氧化鈦無機填料后，材料粘接強度有不同程度提高。當無機填料為石墨烯納米片時，水性膠材料粘接強度為 6.64～7.22MPa 。當無機填料為納米二氧化鈦時，水性膠材料粘接強度為7.52＼～8.42MPa 。由此可見，石墨烯納米片和納米二氧化鈦均可以增強水性膠材料粘接強度，其中納米二氧化鈦對水性膠材料粘接性能的增強效果更佳。這是因為，納米二氧化鈦有著較大的比表面積，表面能較高，可以使水性膠材料體系中的氫鍵數量大幅度增加，分子間作用力顯著增強，所以水性膠材料體系變得更加致密。所以材料粘接性能提高。從圖2也可看到，過多的無機填料添加反而會降低水性膠材料粘接強度，這主要與無機填料粒子本身的結團聚集有關。綜上，石墨烯納米片和納米二氧化鈦均可以增強水性膠材料粘接性能。當添加 7.5% 納米二氧化鈦時，水性膠材料粘接強度最大，為 8.42MPa ，此時材料粘接性能較好。

2.2阻燃劑對水性膠材料的影響

2.2.1 續燃時間

在2.1的基礎上，添加 7.5% 納米二氧化鈦的水性膠材料已具備良好的粘接性能和耐水性能?？紤]在實際應用中，檔案保存過程中的防火處理尤為重要。本試驗將氫氧化鋁、氫氧化鎂、氧化鋅這3種阻燃劑添加到水性膠材料進行改性。圖3為在不同阻燃劑種類、添加量條件下，各水性膠材料牛皮紙粘接試樣的續燃時間。

由圖3可知，與未添加阻燃劑的試樣相比，添加阻燃劑的試樣續燃時間明顯減少。且隨著阻燃劑添加量增多，試樣續燃時間呈先減少后增多的變化趨勢。當水性膠材料未添加阻燃劑時，試樣續燃時間最長，達到 90s 。可以看到，與氫氧化鎂阻燃劑相比，當阻燃劑為氫氧化鋁或者氧化鋅時，試樣續燃時間隨阻燃劑添加量的變化曲線明顯更低。當以氧化鋅為阻燃劑時，最佳阻燃劑添加量為 2% ，此時試樣續燃時間為 54s 。當以氫氧化鋁為阻燃劑時，最佳阻燃劑添加量也為 2% ，此時試樣續燃時間為 48s_? 0然而，阻燃劑添加量過多反而會導致試樣續燃時間增加。經分析，這些阻燃劑主要在水性膠材料中發揮氣相阻燃作用。當水性膠材料受到高溫加熱時，這些阻燃劑中的金屬離子會參與反應生成水，水分子在高溫下蒸發吸熱，因此材料體系的溫度降低，同時可燃性氣體濃度降低，所以材料阻燃性能提高。與氫氧化鎂阻燃劑相比，當以氫氧化鋁或者氧化鋅為阻燃劑時，阻燃劑分解溫度更低，更容易促進水蒸汽生成，從而降低材料體系溫度和可燃性氣體濃度，阻燃效果更佳[13-16]。綜上，氫氧化鋁或者氧化鋅均可大幅提高水性膠材料阻燃性能，添加 2% 氫氧化鋁阻燃劑時試樣續燃時間更短，材料具有一定的阻燃性能。

2.2.2 粘接強度驗證結果

在提高水性膠材料阻燃性能的同時，還需要保證水性膠材料良好的粘接性能，從而更好地保存檔案。因此本試驗針對不同阻燃劑種類、添加量的水性膠材料分別進行粘接性能測試，結果見圖4。

由圖4可知，與未添加阻燃劑的試樣相比，添加阻燃劑的試樣粘接強度均有所降低。同時隨著阻燃劑添加量增多，試樣粘接強度呈先增大后減小趨勢?？梢钥吹?，當未添加阻燃劑時，空白水性膠材料對牛皮紙的粘接強度達到 8.42MPa 。當以氫氧化鋁為阻燃劑時，阻燃劑添加量為 0.5% 的試樣粘接強度降低至 7.61MPa 。而當氫氧化鋁添加量增多至 1% 時，試樣粘接強度小幅度提高至 7.93MPa 。當氫氧化鋁添加量繼續增多到 2% 時，試樣粘接強度降低，為 7.26MPa 。且 3% 氫氧化鋁添加量的試樣粘接強度最小，為 6.96MPa 。除此之外，當以氫氧化鎂或者氧化鋅為阻燃劑時，試樣粘接強度基本在 7MPa 以上，阻燃劑種類的變化對試樣粘接強度的影響較小。

綜上，阻燃劑會導致水性膠材料粘接性能有所下降，但是添加 2% 氫氧化鋁阻燃劑時的試樣粘接強度達到 7.26MPa ，粘接性能依舊良好。結合2.2.1中的試驗結果，本試驗認為應在水性膠材料中添加 2% 氫氧化鋁阻燃劑，此時材料不僅具有一定的阻燃性能，且對牛皮紙的粘接性能良好。

3結語

（1）石墨烯納米片和納米二氧化鈦均可降低水性膠材料吸水率，提高其粘接強度。當添加 7.5% 納米二氧化鈦時，材料吸水率最小，僅為 14.9% ，此時材料粘接強度最大，為 8.42MPa ：

（2）與氫氧化鎂阻燃劑相比，氫氧化鋁或者氧化鋅阻燃劑的添加對水性膠材料阻燃性能提升效果更佳明顯。當添加 2% 氫氧化鋁阻燃劑時，材料續燃時間更短，阻燃性能最佳，此時材料粘接強度達到7.26MPa ，粘接性能良好；

（3）當添加 7.5% 納米二氧化鈦 ，2% 氫氧化鋁阻燃劑時，這種改性水性膠材料綜合性能良好，對檔案保存防火、防水具有重要意義。

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