水性材料在紙杯防水涂層的應(yīng)用前景

■ 文/上海出版印刷高等?？茖W(xué)校 崔慶斌

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，紙杯在國(guó)內(nèi)的需求量增長(zhǎng)迅速，根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2015—2020年中國(guó)紙杯紙碗市場(chǎng)年度調(diào)研及發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告》調(diào)查結(jié)果，預(yù)測(cè)紙杯從2015年的362億只/年，發(fā)展到目前的635億只/年，預(yù)計(jì)到2025年，紙杯需求量會(huì)達(dá)到914億只，這是一個(gè)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展而快速成長(zhǎng)的消費(fèi)市場(chǎng)，如圖1所示。

圖1 淋膜紙杯

根據(jù)國(guó)外調(diào)研機(jī)構(gòu)發(fā)布的測(cè)算數(shù)據(jù)，雖然歐美市場(chǎng)紙杯和紙碗普及水平較高，但中國(guó)是全球最大的紙杯和紙碗產(chǎn)銷市場(chǎng)，該區(qū)域紙杯和紙碗占全球市場(chǎng)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(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外公司目前都專注于這一領(lǐng)域，研發(fā)和研究新的技術(shù)或工藝來(lái)解決紙杯去塑化問(wèn)題。英國(guó)一家生物降解包裝公司（BIOPAC）為紅牛軟飲料特制了一種紙質(zhì)可生物降解飲料杯，專供大型戶外活動(dòng)以及大型體育賽事飲料供給之用，已經(jīng)得到了大眾的廣泛認(rèn)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(zhì)和高要求應(yīng)用。

UPM公司特殊造紙部門(mén)，也推出一款UPM Solide Lucent半透明牛皮紙，符合FSC標(biāo)準(zhǔn)，可循環(huán)降解使用[3]，且適用于傳統(tǒng)、數(shù)碼印刷加工，但價(jià)格同樣不菲。

針對(duì)目前應(yīng)用最為廣泛的、常用的一次性紙杯和紙碗，開(kāi)發(fā)一款純水性環(huán)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(guò)柔版印刷聯(lián)線涂布，可達(dá)到良好的可降解、防水、抗油等性能；在替代傳統(tǒng)PE+PLA淋膜層，實(shí)現(xiàn)去塑化更環(huán)保的同時(shí)，印刷和涂布可通過(guò)柔印一次完成，具有效率高、成本低的優(yōu)勢(shì)。該產(chǎn)品可廣泛用于紙杯、快餐等柔印包裝產(chǎn)品且能達(dá)到歐盟限塑令標(biāo)準(zhǔn)。

1 紙杯和紙碗在國(guó)內(nèi)外的印刷加工工藝現(xiàn)狀

無(wú)論在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)，淋膜紙杯和紙碗的傳統(tǒng)加工工藝包含：原紙淋膜、分切、印刷、模切、成型、包裝。本文重點(diǎn)討論模切之前的淋膜和印刷2個(gè)環(huán)節(jié)[4]。

紙杯和紙碗的印刷在歐美以柔印為主，其中美國(guó)預(yù)計(jì)超過(guò)95%，歐洲也達(dá)到88%的比例。膠印紙杯即使使用大豆油油墨等環(huán)保型油墨，其環(huán)保性能也無(wú)法達(dá)到水性柔版油墨得水平。紙杯印制客戶的環(huán)保需求，尤其是國(guó)際品牌，如麥當(dāng)勞、肯德基、可口可樂(lè)、百事可樂(lè)等品牌的要求較為苛刻。因此，在國(guó)內(nèi)由膠印和柔印共存向柔印為主發(fā)展逐步成為主流，并且柔印的生產(chǎn)成本更低、效率更高[5]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在我國(guó)紙杯和紙碗等食品包裝領(lǐng)域，采用柔印完成的比例會(huì)越來(lái)越高。

2 涂層處理現(xiàn)有種類

紙杯和紙碗主要應(yīng)用食品級(jí)紙張通過(guò)涂層或復(fù)合處理而成，傳統(tǒng)處理方式包括涂蠟或淋膜。過(guò)去使用最多的是涂蠟紙杯，用蠟浸泡過(guò)，只可以裝冷飲，不能裝含油的食品，因?yàn)橛湍苋芙庀灐Ｏ炘?0℃左右就會(huì)融化，而蠟含致癌物質(zhì)多環(huán)芳烴[6-7]。所以現(xiàn)在主流應(yīng)用由紙杯原紙和塑料樹(shù)脂粒子擠出復(fù)合組成的紙杯，塑料樹(shù)脂一般使用聚乙烯樹(shù)脂(PE)，紙杯原紙經(jīng)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(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)味，衛(wèi)生性能可靠，化學(xué)性能穩(wěn)定，物理及力學(xué)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(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。

3 新型水性丙烯酸酯樹(shù)脂涂布材料

為減少使用VOCs物質(zhì)，目前國(guó)際國(guó)內(nèi)樹(shù)脂相關(guān)產(chǎn)業(yè)主要以水性樹(shù)脂（如聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂、水溶性丙烯酸等）為原材料，并采用樹(shù)脂改性或成鹽、細(xì)粒徑乳化法等制備工藝。然而，聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂等水劑型樹(shù)脂的聚合方式注定了其只能進(jìn)行水性化改性。而在水基型樹(shù)脂的改性制備過(guò)程中，雖然可以減少使用VOCs物質(zhì)，減少有毒有害物質(zhì)的使用，但仍無(wú)法做到完全擺脫VOCs。因此，現(xiàn)有的水性樹(shù)脂的生產(chǎn)過(guò)程中涉及VOCs排放，對(duì)環(huán)境安全產(chǎn)生威脅。

納米級(jí)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(chǔ)單體，如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和丙烯酸丁酯?；A(chǔ)單體在純水體系中通過(guò)乳化劑和光引發(fā)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(shù)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(wú)需添加有機(jī)溶劑來(lái)降低體系的黏度。因此消除了對(duì)含VOCs物質(zhì)的依賴，保障了人體健康。同時(shí)，干燥速率快，無(wú)需添加有機(jī)催干劑，極大地減少了VOCs的排放；附著力強(qiáng)，具有良好的耐水性，不會(huì)產(chǎn)生回粘現(xiàn)象；并且還具有良好的色彩展現(xiàn)，良好的應(yīng)變力和優(yōu)秀的耐水煮性能。相關(guān)性能指標(biāo)如表1、表2、表3、表4所示。

表1 紙基替塑性能測(cè)試

表2 總遷移量指標(biāo)的符合性

表3 感官（氣味和味道）指標(biāo)的符合性

表4 重金屬特定遷移量指標(biāo)的符合性

3 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)政府為了履行國(guó)際減排承諾，積極推動(dòng)綠色低碳循環(huán)發(fā)展、培育綠色市場(chǎng)，全面加強(qiáng)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）污染防治工作。純水性納米功能性樹(shù)脂涂布的研究和產(chǎn)業(yè)化，為包裝印刷、食品包裝內(nèi)層涂裝等食品安全、環(huán)保重點(diǎn)治理行業(yè)，從源頭上控制VOCs開(kāi)辟了一個(gè)全新的環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)鏈。未來(lái)很多產(chǎn)業(yè)將會(huì)依靠純水性樹(shù)脂涂層實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)提升。