交聯改性苯丙乳液的制備及其在食品包裝紙中的應用研究

作者簡介：劉曉慶，在讀碩士研究生；主要從事紙用丙烯酸酯阻隔涂料等方面的研究。

關鍵詞：食品包裝紙；防水防油；交聯改性；苯丙乳液 中圖分類號：TS75 文獻標識碼：A DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.08.012

Preparationof Cross-linkedModified Styrene-acrylic Emulsionand ItsApplication inFoodPackagingPaper

LIU XiaoqingWANG Xiwen*YANG Jin*（ColegeofLighdustryiencedEgnering，outhinaUiersityflogyuangouangdongProce）（*E-mail： wangxw@scut.edu.cn； yangjin@scut. edu.cn）

Abstract：Intudyethethacyate（A）asuseseardordtycylate（B）astesofmonoer.ereulsifd seedemusionpolezatimetodasadoptdeiigagntNroxyetyce/metacyliccid（A）addto thecorelaede（asdoellrtepedhllsclusd emulsionwsatedotppetoree.spdhat，Stalled copolerzatoefulltoucueofsilleadattep entacoreshlcefoiiesooteled PMBS-NA3 emulsion （with St dosage of 20% and crosslinking agent dosage of 0.5% ） had good water resistance， Cobb_1800s water absorption value was （204號 8.6g/m² ，whichwasapproximately48.5%lowerthantatofterpaprprepadiumodifedsionndadexcellentilsacd， kit grade reached 10 grade.

Key words：food wrapping paper;waterproof and oilproof； cross-linked modified；styrene-acrylic emulsion

隨著人們環保意識的不斷增強，塑料作為包裝材料所帶來的“白色污染”問題日益引起關注，而基于木質纖維的紙質包裝材料因其可生物降解和環保特性，在包裝材料中的應用正逐步提高1-5]。2022年，紙和紙板及其制品的市場分額占包裝材料的 24.77% ，僅次于塑料制品。然而，傳統紙質材料具有組織結構疏松、高親水性和多孔特性、防水防油性能較差的特點，且缺乏熱封性能，這在一定程度上限制了其應用。水性丙烯酸酯涂料是一種低VOC含量的環保涂料，具有合成工藝簡單、安全、成本較低等優點，同時具備改性靈活、成膜性良好以及優異的耐水性和耐化學性等特點。此外，作為常見的膠黏劑，丙烯酸酯聚合物涂布于紙張表面后可形成高質量的熱封?；谝陨咸攸c，水性丙烯酸酯涂料已成為紙質包裝材料防水防油改性的重要研究方向。然而，僅依靠丙烯酸酯乳液作為水性涂料的成膜基材會帶來高溫熱回黏與熱封性不佳、防水防油性能不足等問題。因此，人們致力于研究改性丙烯酸酯乳液以突破以上限制。

制備具有核殼互穿結構的丙烯酸酯乳液的常用方法是預乳化半連續種子乳液聚合。這種方法確保了各種單體之間的互補特性，消除了與單一單體相關性能不佳的問題，同時允許控制玻璃化轉變溫度和乳膠粒粒徑。為提高丙烯酸酯乳液防水防油性能，打破其在實際應用中的限制，人們做了大量改性研究，大致可分為2個方向：一是通過引入功能性單體對其改性，利用特殊基團的疏水疏油特性提升涂層的防水防油性能，包括摻入堿性有機氟、有機硅、納米 SiO₂ 、長鏈酯和苯乙烯改性；二是通過改善涂層的成膜致密性來增強其防水防油性能，具體方法包括設計乳膠粒的核殼結構以控制乳液的最低成膜溫度，引入交聯單體以提高乳膠粒的交聯程度等8-1，以及添加成膜助劑等。

Zhang等以丙烯酸酯單體為主要原料，甲基丙烯酸八氟戊酯（OFPMA）為改性單體，采用半連續種子乳液聚合法合成了核殼型丙烯酸乳液，OFPMA的加入降低了乳膠膜的吸水率（ 3.2% ），涂膜表面接觸角由 80.7^° 增加到 90.7^° ，提高了其疏水性。尹哲[13]通過硅基單體和丙烯酸類聚合物共聚制備了共聚物乳液，涂布量 9.5g/m² 時，可達到防油 kit=5 、防水Cobb₁₂₀=9.5g/m² 效果。通過含氟或含硅單體對丙烯酸酯乳液進行改性可降低涂膜表面能，從而使紙張表面潤濕性下降，疏水疏油性能提升。然而，這類化合物價格昂貴，改性條件苛刻，同時硅氟類物質在環境中極難降解，且具有生物毒性。Volfova等4用兩步乳液聚合法制備了含N-羥甲基丙烯酰胺（NMA）的聚苯乙烯/丙烯酸丁酯核殼乳液，發現NMA的交聯反應在乳液聚合過程中就已經部分發生，而且NMA的引入提高了乳液在室溫成膜后的力學性能。魏鑫鑫等利用淀粉改性丙烯酸酯乳液制備防水防油涂料，當涂布量為 7.5g/m² 時，防油 kit=10 、防水 Cobb₆₀=1.9g/m² 使用熔融蠟、丙烯酸類聚合物和共聚物乳液制備可熱封的水基涂料組合物，并將其應用于紙包裝，涂布紙張可以用于制作紙杯，具有優異的防水和熱封性能?？梢钥闯觯F有的研究多是選擇上述2種改性方向中的種個來提升丙烯酸酯乳液的防水防油及可熱封性能，取得的成果也多是某一方面的性能得到顯著提升，但其余方面難以兼顧。

本研究結合上述2種改性的優勢，通過粒子設計的方式制備交聯改性核殼型苯丙乳液。在核層引入交聯單體N-羥甲基丙烯酰胺/甲基丙烯酸（NMA/MAA）以提升涂膜成膜致密性，殼層引入苯乙烯部分替代硬單體以提升涂膜防水性，使改性后的乳液能夠實現防水防油性能的綜合改善，同時表征其力學性能和熱封性能，為紙質食品包裝材料的市場化應用提供一種新的可能性。

1實驗

1.1 實驗試劑

苯乙烯（St，工業級，質量分數 99.5% ）、甲基丙烯酸甲酯（MMA，工業級，質量分數 99.5% ）、丙烯酸丁酯（BA，工業級，質量分數 99.5% ），濟南雙盈化工有限公司；N-羥甲基丙烯酰胺（NMA，分析純），上海麥克林生化科技有限公司；甲基丙烯酸（MAA，分析純），天津市大茂化學試劑廠；烯丙氧基異構醇醚硫酸酯氨鹽（SR-10，工業級，質量分數 98% ），濟寧棠邑化工有限公司；過硫酸鉀（KPS，工業級，質量分數99% ），山東卓?；び邢薰?；碳酸氫鈉 （NaHCO₃ 分析純），上海阿拉丁生物科技股份有限公司。

1.2實驗儀器及設備

實驗儀器及設備如表1所示。

表1實驗儀器及設備

Table1 Experimental instrumentsand equipments

1.3 實驗方法

1.3.1 核殼型苯丙乳液的制備

1.3.1. 1 預乳化液

燒瓶中加入 0.69g 復合乳化劑（SR-10，ER-10），0.06g 引發劑（過硫酸鉀水溶液）， 8.4g 去離子水，在室溫下快速攪拌（ 150r/min. ）使其充分溶解，分散成乳化劑溶液。調整轉速至 300r/min ，將核單體混合均勻后緩慢加入到乳化劑溶液中，乳化 30min 得到核層預乳化液；另取一個燒瓶，在燒瓶中加入 2.07g 復合乳化劑（SR-10，ER-10）， 0.3g 引發劑， 25.2g 去離子水，在室溫下快速攪拌（ 150r/min ）使其充分溶解分散成乳化劑溶液。調整轉速至 300r/min ，將殼單體混合均勻后緩慢加入到乳化劑溶液中，乳化 30min 得到殼層預乳化液。

1.3.1. 2 釜底液

在四口燒瓶中加入 0.24g 復合乳化劑（SR-10，ER-10）， 62.4g 去離子水和 0.5gpH 值調節劑 （NaHCO₃） ），加熱至 65°C 攪拌至完全溶解，得到釜底液。

1.3.1. 3 核乳液

將溫度升高至 ，取出預先制備好的核層預乳化液（用量 10% ）加入到四口燒瓶中，并加入 4g 引發劑（KPS水溶液，質量分數 1% ），溫度保持在75°C 反應 30min ，乳液出現藍光，即得到種子乳液。將剩余核層預乳化液放入恒壓滴液漏斗中，以 3～ 5s/ 滴的速度進行滴加， _1～2h 內滴加完畢，保溫 ^2h 得到核乳液。

1.3.1.4核殼型苯丙乳液

將殼層預乳化液放入恒壓滴液漏斗中，以3～5s/滴的速度滴加到已經制備好的核乳液中， 1～2h 內滴加完畢，保溫 2h ，待冷卻至室溫，使用孔徑約 85μm 濾網過濾出料，得到核殼型苯丙乳液。

交聯改性苯丙乳液詳細的基本配方見表2，根據 乳液中St含量的不同（0、 5% 、 10% 、 15% 、 20% 、 25% 、 30% ），將苯丙乳液依次命名為PMBS-1、 PMBS-2、PMBS-3、PMBS-4、PMBS-5、PMBS-6、 PMBS-7。當St含量為 20% 時，向乳液中加入交聯劑， 根據乳液中交聯劑含量的不同（ 0.1% 、 0.3% 、 0.5% 、 0.7% 、 1.0% ）將乳液依次命名為PMBS-NA1、PMBSNA2、PMBS-NA3、PMBS-NA4、PMBS-NA5。交聯改 性苯丙乳液提高紙張防水防油性能機理見圖1。

1. 3.2 核殼型苯丙乳液涂布紙的制備

使用線棒手動涂布，將所制備的乳液均勻涂布于定量 30g/m² 的薄頁紙表面，通過更換涂布棒的型號控制涂布量為 8g/m² 。涂布完成后，將涂布紙置于105^°C 烘箱中干燥 10min ，以確保涂層充分干燥固化，最終得到核殼型苯丙乳液涂布紙。

圖1交聯改性苯丙乳液提高紙張防水防油性能機理

Fig.1Mechanismof improving water andoilresistance of paperby crosslinking modified styrene-acrylic emulsion

表2核殼型苯丙乳液合成配方

Table2Core-shell typestyreneacrylicemulsionsynthesis

1.4 測試與表征

1.4.1 乳液性能

1.4.1. 1 FT-IR

使用FT-IR在環境溫度下表征苯丙乳液的結構。選擇衰減全反射（ATR）法，每個樣品掃描32次，分辨率 4cm^-1 ，掃描范圍 500～4000cm^-1 。

1. 4.1. 2 TEM

將乳液樣品稀釋數倍，浸涂在載膜銅網上，用質量分數 2% 的磷鎢酸染色，待自然干燥，用TEM觀察樣品形貌。

1. 4.1. 3 乳液粒徑

將乳液進行稀釋和超聲處理后，使用馬爾文激光粒度儀對乳液進行粒徑測試。

1. 4. 1. 4 穩定性

凝膠率：將乳液經孔徑 85μm 濾網過濾，并將反應器壁及攪拌葉上凝固物充分收集，用去離子水清洗干凈，置于恒溫鼓風干燥箱中于 干燥至恒質量，并記錄其質量，乳液凝膠率按式（1）計算。

式中， A 為乳液凝膠率， % ； m₁ 為篩余物絕干質量， g ; m₀ 為聚合單體的總質量，g。

機械穩定性：取一定量的乳液于離心管中，放入離心機，以 3000r/min 轉速離心 10min 后取出，觀察乳液是否出現分層或沉淀。

黏度測試：用表盤式旋轉黏度儀測試乳液黏度， 。

1. 4. 1. 5 乳液涂膜吸水率

將乳液倒在玻璃板上刮膜，并于恒溫鼓風烘箱中干燥至恒質量，裁剪成 20mm×20mm 大小的薄膜，稱量得到 m₂ ，然后放入盛有 200mL 去離子水的燒杯中，密封、靜置 24h ，取出薄膜，用濾紙迅速吸干表面浮水，稱量得到 m₃ 。乳液涂膜吸水率按式（2）計算。

式中， B 為涂膜的吸水率， % ； m₂ 為浸泡處理前薄膜的質量， g ; m₃ 為浸泡處理后薄膜的質量，g。

1.4.2 阻隔紙性能

1.4.2.1 SEM

采用SEM對阻隔紙表面形貌進行測試，加速電壓 10kV 。

1. 4.2.2 防水防油性能

按GB/T1540—2002測定阻隔紙的防水性能，使用可勃吸水性測試儀（LB-K100）進行測試，測試時間 1800s ；按TAPPIT559測定阻隔紙的防油等級，以防油等級來代表紙張的防油性，等級越高防油性能越好。

1. 4. 2.3 力學性能

抗張強度和撕裂度按GB/T12914—2018和GB/T455一2002進行測試。測試前，阻隔紙先在溫度（23.0±1.0） ℃、相對濕度 （50±2.0）% 的條件下靜置 ^12h 平衡水分?？箯堉笖狄约垙埧v橫向平均抗張強度除以定量表示。撕裂指數以紙張縱橫向平均撕裂度除以定量表示。

1. 4.2.4 熱封強度

將阻隔紙的涂布面相對彼此覆蓋，進行熱封，熱封溫度分別為130、150、180和 210°C ，熱封壓強0.3MPa ，熱封時間 1s ，熱封寬度 15mm 。將熱封好的樣品在恒溫恒濕環境下放置 24h 。

按QB/T2358—1998進行熱封強度測試。試樣寬度 （15±0.1）mm ，展開長度 （100±1）mm ，將試樣條以熱封部位為中心打開呈 180^° ，兩端夾在拉伸壓縮材料試驗機夾具上，試樣軸線與夾具中心線相重合。夾具間距 50mm ，實驗速度 （300±20）mm/min ，讀取試樣斷裂時的最大載荷。實驗10次取平均值，單位N/15mm 。

2 結果與討論

2.1 化學結構分析

圖2為核殼型苯丙乳液的FT-IR譜圖。由圖2可 知， 3 261cm^-1 處為一NH的締合伸縮振動吸收峰，

PMBS-NA3較PMBS-5吸收峰強度明顯更大，說明NMA與MAA發生交聯，且成功接枝于乳液主鏈結構；在 2860～2960cm^-1 處有苯環上的C一H伸縮振動吸收峰； 2933cm^-1 處是一 ?CH₃ 的伸縮振動吸收峰；在1 732cm^-1 出現 c=0 的伸縮振動吸收峰，說明膠膜結構中較好地保持了聚合單體的酯基、甲基等結構；從1492、1540和 1602cm^-1 處的峰型可以得出，結構中有苯環存在；其中 1492cm^-1 是苯環的骨架振動吸收峰； 1383cm^-1 是一 ?CH₃ 的對稱變形振動吸收峰；1145cm^-1 處是C—O一C的對稱伸縮振動吸收峰；從756cm^-1 處可以判斷出結構中有單取代苯環存在；702cm^-1 處是苯環中的C一H面外彎曲的特征峰，說明St、BA、MMA、NMA、MAA單體均參與了共聚。

圖2核殼型苯丙乳液FT-IR譜圖

2.2 微觀形貌及粒徑

本研究設計的核殼聚合物是由相同單體以不同比例組成的，核單體在反應過程中先形成聚合中心，然后隨殼層單體緩慢滴加進入，殼單體包覆在核的表層形成核殼結構。在核層單體的構成中引入NMA/MAA，對乳液進行交聯改性，乳膠粒核層中的反應性基團被惰性共聚物的殼層包覆，因此，部分具有反應性基團的聚合物鏈必須擴散穿過惰性聚合物殼層，然后與擴散至粒子表面的羧基接觸并發生反應。這意味著部分聚合物鏈的擴散先于交聯反應發生，對于提高乳膠膜的性能非常重要，有利于形成更致密的網狀結構。殼層使用St部分代替硬單體，成膜后功能型單體中的特殊結構會留在膠膜表面，不僅可以更好地發揮其功能性，賦予共聚物材料更好的防水性能，還可減少用量，效果顯著。

圖3為核殼型苯丙乳液PMBS-5用磷鎢酸染色后的TEM圖。由圖3可知，根據粒子設計得到的苯丙乳膠粒粒子，具有明顯的正向核殼結構，粒徑分布均勻。經磷鎢酸染色后，核層電子云密度低，透光率高，而殼層電子云密度高，透光率低。因此，通過TEM觀測到乳液粒子內部顏色較亮，外部顏色較暗，即硬核外層包覆著一層顏色較深的軟殼結構。

圖3核殼型苯丙乳液TEM圖

Fig.3TEM image of core-shell styrene acrylic emulsion

圖4為核殼型苯丙乳液PMBS-5的粒徑分布曲線。由圖4可知，乳液粒子呈現出良好的單分散性，乳液平均粒徑在 111nm 左右，與TEM圖較一致，粒徑分布峰較窄，表明粒徑尺寸較均勻。乳液粒徑為納米級，呈淡藍色。

圖4核殼型苯丙乳液粒徑分布曲線

Fig.4Particle size distribution curve of core-shell styrene-acrylicemulsion

2.3穩定性及黏度分析

穩定性是評價涂料性能的一項關鍵指標，為評估交聯改性苯丙乳液的穩定性，對乳液進行離心處理。表3為交聯劑NMA/MAA用量對乳液性能影響。由表3可知，隨著交聯劑NMA/MAA用量的增加，當用量在 0～0.5% 之間時，乳液黏度隨交聯劑用量的增加呈明顯上升趨勢且增幅穩定，當交聯劑用量 gt;0.5% ，黏度從 940mPa?s 急劇增加到 36200mPa?s ，乳液流動性變差，呈膏狀。這主要是因為交聯劑雖然是親水性單體，但在聚合過程中發生交聯反應，交聯劑用量的增加導致聚合中交聯越來越多，使得聚合物分子數量增加，分子鏈之間的纏結也越來越多，乳液聚合中乳化越來越困難，從而導致乳液的黏度快速上升。離心處理后，乳液均能保持穩定，未見分層現象。且添加交聯劑的乳液凝膠率均低于未添加乳液，其中交聯劑用量為 0.5% 時，凝膠率最低，為 0.07% 。

表3NMA/MAA用量對乳液性能影響

Table 3 Effect of NMA/MAA dosages on emulsion properties

2.4乳液涂膜吸水率

圖5為功能單體用量對涂膜吸水率的影響。由圖5可知，隨St含量的增加，涂膜吸水率逐漸下降，耐水性增強，因為St的水溶性小于MMA，用St取代MMA的量增加，耐水性增強。但當St含量達到一定程度（ gt;20% ），高含量的St會使涂膜變脆并出現開裂，這嚴重影響了其成膜性。這種脆化現象抵消了St增加所帶來的耐水性增強，導致涂膜吸水率再次呈現上升趨勢。因此，在實際應用中，需要精確控制St含量，以達到最佳的性能平衡。根據研究結果，乳液PMBS-5的St含量為 20% 時，涂膜的吸水率達到最低值 1.92% ，這表明此時涂膜的耐水性最佳，較乳液PMBS-1下降了 50% 。

圖5功能單體用量對涂膜吸水率的影響

Fig.5Effect of dosages of functional monomer onwater absorption of film

隨著交聯劑NMA/MAA用量的增加，涂膜吸水率呈先升高后降低再緩慢升高的趨勢。當交聯劑用量為0.3% 時，吸水率已超過 7.5% ，表明此時涂膜的耐水性較差。這種現象的原因在于，交聯劑用量較少時，參與交聯反應的交聯劑數量有限，導致乳液涂膜的交聯程度較低。未參與交聯反應的NMA/MAA因其親水性，使得乳膠膜的吸水率顯著增加。當交聯劑的用量達到 0.5% 時，乳液的交聯程度顯著提高，未參與交聯反應的交聯劑數量減少，乳液涂膜的交聯度增加，從而使乳膠膜的吸水率降低，此時涂膜吸水率降至最低點為 3.3% 。然而，即使在這種情況下，膠膜中仍存在未反應的交聯劑，這些親水性基團仍然會吸收水分，導致其吸水率高于不含交聯劑的乳液。當交聯劑的用量進一步增加時，由于交聯反應不充分，未反應的交聯劑數量再次增加，這些親水性基團的存在導致涂膜的吸水率再次上升。因此，過量的交聯劑同樣會使涂膜的吸水率增大。這表明，交聯劑的用量需要精確控制，以達到最佳的防水性能。

2.5 阻隔紙的表面形貌分析

圖6為阻隔紙表面和截面的SEM圖。原紙表面較粗糙，纖維之間有明顯的多孔隙結構，由于這種多孔性，原紙缺乏阻隔性能，氣體分子和液體分子能夠輕易地透過原紙，從而影響其在食品包裝應用中的性能表現。經過涂布處理后，纖維結構被涂層完全覆蓋，纖維之間的空隙也得到了充分填充，見圖 6（b） 。紙張表面變得均勻且平整，形成了一層致密且平滑的薄膜。此時，涂層能夠有效阻隔外界物質的滲透，顯著提升紙張的阻隔性能。由橫截面圖（圖6（d））可以清晰地看到，乳液對原紙纖維孔隙的填充作用超出了表面層，已滲透到更深層次。

2.6阻隔紙防水防油性能分析

圖7（a）測試了不同St用量苯丙乳液（PMBS-1～PMBS-7）阻隔紙的1800s時的吸水值。未添加St的乳液PBMS-1涂布紙 Cobb₁₈₀₀ 吸水值為 16.7g/m² ，隨疏水單體St用量增多，阻隔紙的耐水性得到明顯改善，吸水值不斷降低，當St用量 后吸水值緩慢上升。當St用量為 20% ，乳液PMBS-5阻隔紙吸水值為 6.6g/m² 比PBMS-1阻隔紙下降約 60.5% ，與涂膜吸水性測試結果類似。相較于吸水值，防油等級kit值則隨著St用量的增大呈緩慢下降的趨勢。防油性能主要與涂層在紙張表面的覆蓋程度、成膜性好壞以及表面極性有關。St中含有苯環，疏水親油，因此，乳液PMBS-5阻隔紙kit值為8，乳液PBMS-1阻隔紙kit值為9

圖6阻隔紙表面和截面的SEM圖

圖7功能單體用量對阻隔紙防水防油性能的影響

Fig.7Effect of dosages of functionalmonomeronwater and oil resistance of coated papers

圖7（b）測試了不同NMA/MAA用量阻隔紙1800s時的吸水值。隨交聯劑NMA/MAA用量的增大，總體呈先上升后緩慢下降的趨勢。NMA/MAA具有極性基團酰胺基和羧基，親水疏油，當其用量 lt;0.5% 時，乳膠交聯度較低，親水基團起到主要作用，使Cobb吸水值逐步上升，同時親水基團的存在又可以提高涂膜表面的疏油性，因此阻隔紙防油性得到提高。當其用量高于 0.5% 時，乳液的交聯度增加，未參與交聯反應的NMA/MAA較少，涂膜致密性提高，吸水值緩慢下降。防油等級kit值則隨交聯劑用量增加而不斷升高，當NMA/MAA用量為 1% 時，kit等級達到最高值12。但NMA/MAA用量過高時，乳液黏度過高，嚴重影響流動性和正常使用。綜合各項指標，當St用量為 20% ，NMA/MAA用量為 0.5% ，乳液PMBS-NA3阻隔紙 Cobb₁₈₀₀ 吸水值為 8.6g/m² ，比乳液PMBS-1阻隔紙下降約 48.5% ，kit等級達到10。

2.7 阻隔紙力學性能分析

圖8為NMA/MAA用量對阻隔紙力學性能的影響。由圖8可知，隨著NMA/MAA用量的提高，阻隔紙抗張指數呈先上升后降低趨勢，斷裂伸長率也呈現相同趨勢。純苯丙乳液為線性聚合物，分子鏈之間很容易滑動，因此純苯丙乳液阻隔紙抗張指數較低且斷裂伸長率較低。而交聯改性后的苯丙乳液分子間出現了新的化學鍵連接，形成了三維網狀結構，分子間作用力提高。NMA/MAA用量越大，交聯密度越大，涂層剛性越強，抗張指數越大，斷裂伸長率越大。當NMA/MAA用量 0.7% 時，乳液PMBS-NA4阻隔紙抗張指數最大，達到 77.1N?m/g ，當NMA/MAA用量 0.5% 時，乳液PMBS-NA3阻隔紙抗張指數為 74.9N?m/g 比未交聯改性苯丙乳液PMBS-5阻隔紙提高 11.7% 。而當交聯劑用量超過 0.7% 時，過量的交聯劑會破壞乳液自身的結合強度，因此抗張指數會略有下降。

NMA/MAA用量對阻隔紙力學性能的影響 Fig.8Effect of NMA/MAA dosages on mechanical properties of coated papers

2.8阻隔紙熱封性能分析

對于可封裝的食品包裝紙來說，熱封性能是必不可少的，熱封強度也是封裝紙包裝的重要指標之一。在熱封過程中，2個涂層面發生熔融，形成一定的黏性，并在冷卻后黏結到一起，從而為涂層產生足夠的熱封強度。由于紙張本身撕裂度比熱塑性塑料差，因此在進行熱封強度測試時，紙張可能會因為熱封強度過大導致基材本身撕裂，此時測出的數據并不是真實的熱封強度，而是紙張基材表面剝離強度。所以評價熱封性能要從熱封強度和撕裂方式2方面入手。樣品撕裂方式大致分2類：當熱封強度較小時，紙張基材完整無損，僅出現熱封層的破裂；而當熱封強度較大時，則會出現紙張基材的撕裂。

要想紙張材料實現熱封，首先涂層要達到熔融態，具備一定的黏性，熔融溫度越低，分子流動性越大，黏合性越大。圖9為溫度對阻隔紙熱封性能的影響。由圖9可知，苯丙乳液PMBS-5阻隔紙在 110^°C 時就具有了熱封性能，且熱封強度隨溫度升高而升高， 180^°C 時達 2.13N/15mm 。交聯改性后的苯丙乳液PMBS-NA3阻隔紙，同樣在 110^°C 時就具備熱封性，熱封強度更高， 180^°C 時熱封強度較 150^°C 有明顯提升且出現紙張基材的撕裂，熱封強度為 2.91N/15mm 。

圖9溫度對阻隔紙熱封強度的影響

Fig.9Effect of temperature on heat seal strength of coated papers

3結論

本研究采用預乳化種子乳液聚合法制備了食品級交聯改性核殼型苯丙乳液，并將其應用于紙張，以滿足食品包裝的要求。研究了苯乙烯（St）用量和N-羥甲基丙烯酰胺/甲基丙烯酸（NMA/MAA）交聯劑用量對乳液穩定性的影響，以及對阻隔紙防水性、防油性、力學性能及熱封性能的影響。

3.1使用St部分替代硬單體MMA，苯環的拒水親油性使乳液的防水性能顯著提高，防油性能略有下降。當St用量為 20% 時，乳液PMBS-5涂膜的吸水率達到最低值 1.92% ，較乳液PMBS-1下降了 50% ，其涂布紙 Cobb₁₈₀₀ 吸水值達到最低，為 6.6g/m² ，較乳液PMBS-1涂布紙下降約 60.5% ，kit等級為8，較乳液PMBS-1涂布紙下降1級。除此之外，使用St部分替代硬單體MMA能大幅降低生產成本，為后續工業化生產爭取到更大的經濟利益。

3.2添加NMA/MAA交聯劑后，交聯反應形成三維網狀結構，增強了分子間結合，顯著提升了阻隔紙的防水性、防油性和力學性能。當St用量為 20% ，NMA/MAA用量為 0.5% 時，乳液PMBS-NA3綜合性能最佳，乳液阻隔紙 Cobb₁₈₀₀ 吸水值為 8.6g/m² ，較乳液PMBS-1阻隔紙下降約 48.5% ，kit等級達到10，抗張指數為 74.9N?m/g ， 110^°C 可實現熱封， 180^°C 熱封強度可達 2.91N/15mm 。

參考文獻

[1]KLEMM D，CRANSTON ED，FISCHERD，et al.Nanocellulose as aNatural Source for Groundbreaking Applications in Materials Science：Today’sState[J].MaterialsToday，2018，21（7）： 720-748.

[2] NASERAZ，DEIABI，DEFERSHAF，etal.ExpandingPoly（Lactic Acid）（PLA）and Polyhydroxyalkanoates（PHAs）Applications：A Review on Modificationsand Effects[J].Polymers，DOI：10.3390/ polym13234271.

[3] LINDSTROM T，OSTERBERG F.Evolution of Biobased and Nanotechnology Packaging—A Review［J].Nordic Pulpamp; Paper ResearchJournal，2020，35（4）： 491-515.

[4]張雪，張紅杰，程蕓，等．紙基包裝材料的研究進展、應用現 狀及展望[J].中國造紙，2020，39（11）：53-69. ZHANGX，ZHANGHJ，CHENGY，etal. Research Progress，Application Status and Prospects of Paper-based Packaging Materials [J].ChinaPulpamp;Paper，2020，39（11）：53-69.

[5］張海艷，程蕓，趙雨萌，等．利用丙烯酸酯共聚物改善紙漿模塑 包裝材料防水防油性能研究[J].中國造紙，2022，41（4）：6-14. ZHANG HY，CHENG Y， ZHAO Y M，et al. Study on Improving Waterand Oil Resistance of Pulp Molding PackagingMaterialswith AcrylateCopolymers[J].ChinaPulpamp;Paper，2022，41（4）：6-14.

[6] KAKADELLIS S，HARRIS ZM. Don’t Scrap the Waste：The Need for Broader System Boundaries in Bioplastic Food Packaging Life-cycle Assessment—A Critical Review[J].Journal ofCleanerProduction， DOI：10. 1016/j. jclepro.2020.122831.

[7] ZHUW，ZHANGJ.Mechanical and Thermal Propertiesof（Acrylonitrilestyrene-acrylic）/（A-methylstyrene-acrylonitrile）Binary Blends[J].Journal of Vinyland Additive Technology，2016，22（2）：156-162.

[8]KOVACS R L，DAROCZI L，BARKOCZY P，et al. Water Vapor Transmission Properties of Acrylic Organic Coatings[J]. Journal of Coatings Technology and Research，2021，18（2）：523-534.

[9]MA J，DONG Y，BAO Y，et al.Tunable Microstructure of Polyacrylate/ZnO Nanorods Composite Emulsion and Its Film-forming Properties[J]. Progress in Organic Coatings，2019，135：382-391.

[10]BECHTOLD M，VALERIO A ，ULSON DE SOUZA A A，et al. SynthesisandApplicationof SilverNanoparticlesasBiocidal Agent in Polyurethane Coating[J].Journal of Coatings Technology and Research，2020，17（3）：613-620.

[11］CHEN D，CHEN L.Preparation and Properties of Long Chain BasedPolyacrylate Latex[J].Journal of Macromolecular Science， PartA，2020，57（4）：250-255.

[12]ZHANGF，JING C，YAN Z，et al.Fluorinated acrylic monomer modified core-shell polyacrylate latex particles：Preparation， propertiesand characterizations [J].Polymer，DOI：10.1016/j. polymer.2022.124783.

[13]尹哲．具有環保、防水和防油性能的紙涂層材料： CN202010392990.3[P]. 2020-08-25. YIN Z.Paper-coated materials with environmental protection，waterresistance and oil resistance properties：CN202O10392990.3 [P].2020-08-25.

[14]VOLFOVA P，CHRASTOVA V，CERNAKOVA L，et al. PropertiesofPolystyrene/Poly（butylacrylate）Core/Shell Polymers Modified with N-methylol Acrylamide[J].Macromolecular Symposia， 2001，170（1）：283-290.

[15］魏鑫鑫，王玉瓏，戴洋，等．食品包裝用水性丙烯酸酯防油劑 的制備及應用性能研究[J]．中國造紙，2023，42（3）：47-52. WEIXX，WANGYL，DAIY，etal.Preparation ofWaterborne Acrylate Oil-resistant Agent for Food Packaging and Its Application [J].China Pulpamp;Paper，2023，42（3）：47-52.

[16]特里洛特M，勒蘭P，貝歇M，等．可熱封的屏障涂料： CN202311853729.9[P]. 2024-06-11. TRIGOTM，RELINP，BECHEM，etal.Heat-sealablebarrier coatings： CN202311853729.9[P]. 2024-06-11.

[17]YANG M J，ZHANG JD. Design and Cross-linking Reaction of BlendofReactivePolymerLatexParticles[J].Journal ofMaterials Science，2005，40（16）：4403-4405.CPP

（責任編輯：宋佳翼）