軟包裝無溶劑復(fù)合工藝及牢度規(guī)律研究

郭鵬飛，孔真，黃汝權(quán)，魏華，李小東，楊俊煒

軟包裝無溶劑復(fù)合工藝及牢度規(guī)律研究

郭鵬飛1，孔真1，黃汝權(quán)1，魏華1，李小東1，楊俊煒2

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808 2.東莞嘉頤實業(yè)有限公司，廣東 東莞 523541）

研究軟包裝無溶劑復(fù)合膜制品的生產(chǎn)條件，通過剝離強(qiáng)度分析復(fù)合牢度規(guī)律，從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過控制無溶劑復(fù)合過程中工藝條件，分別制備干輕包裝BOPP/CPP組合、水煮包裝PET/PE組合、蒸煮包裝BOPA/RCPP組合無溶劑復(fù)合膜，研究膠黏劑涂布量與復(fù)合速度對樣品剝離強(qiáng)度的影響規(guī)律。在實驗條件范圍內(nèi)，所制備無溶劑復(fù)合膜樣品的剝離強(qiáng)度隨涂布量的增加而逐漸增大，分別在涂布量為1.0、1.2和1.6 g/m2時，剝離強(qiáng)度能夠達(dá)到國標(biāo)要求；而復(fù)合速度對強(qiáng)度的影響較小，復(fù)合速度為450 m/min時的剝離強(qiáng)度與復(fù)合速度為100 m/min時的剝離強(qiáng)度相比，降低率在20%以內(nèi)，遠(yuǎn)低于涂布量的影響。耐熱性與耐高溫介質(zhì)性實驗結(jié)果說明，通過回歸計算，水煮包裝PET/PE組合與蒸煮包裝BOPA/RCPP組合分別在涂布量達(dá)到1.19 g/m2和1.73 g/m2后，高溫加熱能夠進(jìn)一步促進(jìn)膠黏劑固化反應(yīng)，從而使剝離強(qiáng)度反高于水煮或蒸煮之前。針對上述3種復(fù)合軟包裝類型，無溶劑復(fù)合工藝能夠在一定涂布量與復(fù)合速度范圍內(nèi)，滿足國標(biāo)對強(qiáng)度的相關(guān)要求，是替代干式復(fù)合工藝、實現(xiàn)節(jié)能減排生產(chǎn)的有力方法。

無溶劑復(fù)合；涂布量；復(fù)合速度；剝離強(qiáng)度

隨著國內(nèi)包裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，商家、包裝供應(yīng)鏈以及消費者都對產(chǎn)品包裝的環(huán)保安全越來越重視。多層復(fù)合軟包裝材料被廣泛應(yīng)用以來，其傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中VOC揮發(fā)大、包裝溶劑殘留嚴(yán)重的問題亟待解決[1]。無溶劑復(fù)合工藝所用到的無溶劑型聚氨酯膠黏劑，其固含量接近于100%，在涂布后利用化學(xué)反應(yīng)固化的原理，整個生產(chǎn)過程中不存在VOC揮發(fā)[2-3]。相比干式復(fù)合工藝，無溶劑復(fù)合膠黏劑在可以涂布后直接復(fù)合，省略了溶劑烘干的步驟，不僅有效減少了對環(huán)境的污染，同時也能降低生產(chǎn)成本，是一種發(fā)展前景十分廣闊的復(fù)合工藝[4-5]。

國外，尤其是歐美發(fā)達(dá)國家的無溶劑復(fù)合技術(shù)起步早、發(fā)展快。最早在1974年，德國首次推出了單組分無溶劑復(fù)合工藝，并進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)[6-8]。隨后，無溶劑復(fù)合工藝開始在歐洲一些國家得到推廣，到80年代以后，無溶劑復(fù)合工藝呈現(xiàn)出較快的增長勢態(tài)，所占比例也逐步超過傳統(tǒng)干法符合工藝[9]。發(fā)展到目前為止，歐美地區(qū)有70%～80%的復(fù)合設(shè)備為無溶劑型，且新增的薄膜復(fù)合設(shè)備中93%均為無溶劑復(fù)合設(shè)備[10]。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，唯有日本仍大量使用干式復(fù)合，但近幾年也開始推廣無溶劑復(fù)合技術(shù)，并且有了較快的發(fā)展[11-12]。研究方面，意大利Nordmeccanica公司在專利中提到的五輥涂布工藝、單驅(qū)動涂布系統(tǒng)以及涂布輥自清潔功能，提供了更為先進(jìn)、高效的無溶劑復(fù)合工藝與設(shè)備[13-14]。Schumacher[15]研究了水基的聚氨酯膠黏劑，為降低無溶劑膠黏劑的固化時間提供了新思路。Kimura等[16]和Nakagawa等[17]在專利中研發(fā)了適用于高速涂布的無溶劑膠黏劑，其在高復(fù)合速度下也能保證涂布穩(wěn)定性與牢固度。

我國早期在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)過程中，對環(huán)境問題的重視程度不夠，一段時間內(nèi)存在著“先污染，后治理”的現(xiàn)象。在軟包裝復(fù)合生產(chǎn)領(lǐng)域，無溶劑復(fù)合技術(shù)整體上起步較晚，且初期發(fā)展緩慢。隨著近幾年國內(nèi)軟包裝行業(yè)的發(fā)展壯大，以及我國對環(huán)境保護(hù)方面的重視程度不斷加強(qiáng)，針對食品、藥品等行業(yè)已出臺相關(guān)的規(guī)定、頒布相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，無溶劑復(fù)合技術(shù)從而迎來了快速發(fā)展的階段。當(dāng)前，國內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)的的雙涂布快固化型無溶劑復(fù)合機(jī)、用于多層復(fù)合的雙工位無溶劑復(fù)合機(jī)、適用于大幅面或異形盒的專用無溶劑復(fù)合設(shè)備相繼問世，填補了國內(nèi)該領(lǐng)域的空白[18-19]。趙有中等[20]和衛(wèi)艷玲等[21]通過對低聚物多元醇的結(jié)構(gòu)改性，使無溶劑聚氨酯膠黏劑的流平性、后期固化性能以及最終的剝離強(qiáng)度得到一定提高，應(yīng)用范圍更廣。

在無溶劑復(fù)合實際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品質(zhì)量受到多方面因素的影響，除了設(shè)備及膠黏劑自身性能以外，還要有嚴(yán)格的工藝過程控制和參數(shù)匹配等因素，如張力的匹配、涂布量的控制、復(fù)合速度的控制、固化條件的控制等問題[22]。對不同基材與膠黏劑的相互配合，需要針對性地研究其復(fù)合工藝及牢度規(guī)律。

1 實驗

本文在不同條件（基材組合、復(fù)合速度、涂布量）下制備多組無溶劑復(fù)合膜樣品，并檢測其復(fù)合牢度性能，通過分析剝離強(qiáng)度，研究復(fù)合速度與涂布量對無溶劑復(fù)合效果的影響，及復(fù)合膜制品的牢度規(guī)律。

1.1 材料

本實驗選擇了3組軟包裝材料的類型，每組選擇具有代表性的基材組合，分別為干輕包裝BOPP/CPP組合、水煮包裝PET/PE組合、蒸煮包裝BOPA/RCPP組合等3種類型，基材參數(shù)如表1所示。膠黏劑選擇了德國漢高、法國波士和美國富樂3個品牌中的無溶劑型聚氨酯膠黏劑（為避免實驗誤差對品牌方造成的影響，實驗結(jié)果中隱去了具體品牌信息）。

1.2 設(shè)備

本實驗所用到的生產(chǎn)設(shè)備及測試設(shè)備信息見表2。

1.3 樣品制備

對3種基材組合分別應(yīng)用3種不同品牌的膠黏劑，每種基材對應(yīng)5種不同涂布量參數(shù)、5種不同復(fù)合速度參數(shù)，進(jìn)行單一因素變量實驗。每組基材組合的參數(shù)設(shè)置見表3。

圖1是無溶劑復(fù)合工藝流程。開機(jī)前需檢查設(shè)備電路、循環(huán)水路、涂布輥筒是否正常，正確安裝放卷輥筒、收卷輥筒和基材，調(diào)節(jié)計量輥與轉(zhuǎn)移輥之間的計轉(zhuǎn)間隙至70～90 μm，調(diào)節(jié)張力控制系統(tǒng)、循環(huán)水加熱系統(tǒng)、自動混膠系統(tǒng)等。設(shè)定好實驗所需的涂布量及復(fù)合速度等參數(shù)即可開機(jī)制備樣品。

表1 薄膜基材參數(shù)

Tab.1 Film substrate parameter

表2 實驗設(shè)備

Tab.2 Experimental equipment

表3 實驗參數(shù)

Tab.3 Experimental parameter

注：“涂布”代表涂布量，單位為g/m2；“速度”代表復(fù)合速度，單位為m/min。

圖1 無溶劑復(fù)合工藝流程

1.4 測試方法

1.4.1 剝離強(qiáng)度測試

剝離強(qiáng)度是復(fù)合薄膜最重要的性能指標(biāo)，其強(qiáng)度大小直接影響基材復(fù)合效果及最終包裝性能。剝離強(qiáng)度的測試方法參考GB 8808—1988《軟質(zhì)復(fù)合塑料材料剝離試驗方法》中A法的規(guī)定進(jìn)行[23]。具體測試參數(shù)：試樣裁取尺寸為15 mm×200 mm，采用T型剝離的方法，測試過程中要保持未剝開部分與拉伸方向呈垂直狀態(tài)；實驗速度為（300±50）mm/min。

1.4.2 耐熱性測試（水煮測試）

食品類軟包裝，如奶制品，一般使用巴氏滅菌的方法進(jìn)行消毒殺菌，通常在溫度為62～65 ℃保持30 min，或75～90 ℃保持15～16 s。巴氏滅菌要求包裝能夠承受一定程度的高溫，一般采用100 ℃沸水加熱的方法檢測包裝得耐熱性，也即耐水煮性。由于針對無溶劑復(fù)合材料的國家標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺，因此采用GB/T 10004—2008《包裝用塑料復(fù)合膜、袋干法復(fù)合、擠出復(fù)合》中耐熱性的實驗方法執(zhí)行[24]，對PET/PE基材組合進(jìn)行100 ℃水煮測試。

1.4.3 耐高溫介質(zhì)性測試（蒸煮測試）

魚類、肉類等產(chǎn)品往往需要更高的殺菌溫度，通過加壓處理將食物加熱到121 ℃以上，達(dá)到消滅大部分細(xì)菌的目的。對耐高溫蒸煮袋的測試方法參照GB/T 10004—2008《包裝用塑料復(fù)合膜、袋干法復(fù)合、擠出復(fù)合》中耐高溫介質(zhì)性的實驗方法執(zhí)行，對BOPA/RCPP基材組合進(jìn)行135 ℃高溫蒸煮測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 干輕包裝BOPP/CPP

圖2是BOPP/CPP復(fù)合膜在不同涂布量、不同復(fù)合速度條件下剝離強(qiáng)度的變化情況。從圖2中可以看出，剝離強(qiáng)度在一定程度上隨著涂布量的增加而增大，且逐漸趨于平穩(wěn)，隨著復(fù)合速度的升高而逐漸減小。

圖2 涂布量與復(fù)合速度對BOPP/CPP復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的影響

根據(jù)GB/T 10004—2008《包裝用塑料復(fù)合膜、袋干法復(fù)合、擠出復(fù)合》可知，普通級的剝離力要求為0.6 N/15 mm。從圖2a可以看出，在0.6 g/m2的涂布條件下，3種膠黏劑均不能達(dá)到國標(biāo)要求，一方面是由于涂布量太低、膠層厚度小導(dǎo)致復(fù)合牢度不足，另外也與無溶劑復(fù)合設(shè)備本身的低定量涂布精度有一定的關(guān)系，隨著涂布量增加至1.0 g/m2后，即可達(dá)到國標(biāo)相關(guān)要求。從圖2b，即使涂布量固定不變的情況下，復(fù)合速度加快也會導(dǎo)致最終復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度下降，主要原因是高速下膠黏劑涂層厚度及涂布均勻性有所下降。

根據(jù)實驗結(jié)果，BOPP/CPP復(fù)合膜推薦涂布量在1.0～1.2 g/m2，涂布量達(dá)到1.5 g/m2時剝離強(qiáng)度變化逐漸趨于平穩(wěn)，甚至可能發(fā)生由于固化不完全而導(dǎo)致強(qiáng)度下降的情況。復(fù)合速度對剝離強(qiáng)度也有一定的影響，推薦生產(chǎn)速度為300 m/min左右，但是考慮到生產(chǎn)效率問題，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。

2.2 水煮包裝 PET/PE

圖3是PET/PE復(fù)合膜在不同涂布量、不同復(fù)合速度條件下剝離強(qiáng)度的變化情況。對于圖3a，隨著涂布量的增大，3種膠黏劑的剝離強(qiáng)度都在逐漸提高，當(dāng)涂布量大于1.0 g/m2后剝離強(qiáng)度均明顯增大，且超過1.5 g/m2時有繼續(xù)增大趨勢，這與PET薄膜較大的表面張力及較強(qiáng)的表面極性有關(guān)。對于圖3b，3種膠黏劑的剝離強(qiáng)度基本不發(fā)生變化，說明常溫下水煮專用膠對復(fù)合速度變化的響應(yīng)不敏感。

圖3 涂布量與復(fù)合速度對PET/PE復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的影響

將實驗結(jié)果與GB/T 10004—2008中對水煮級復(fù)合膜剝離強(qiáng)度≥2.0 N/15 mm的要求進(jìn)行對比，可看出3種膠黏劑在涂布量為1.0 g/m2時可滿足國標(biāo)；復(fù)合速度對剝離強(qiáng)度的影響非常小，在生產(chǎn)中根據(jù)設(shè)備工況及生產(chǎn)效率定奪。

PET/PE復(fù)合膜推薦涂布量在1.2 g/m2以上，根據(jù)實際需求進(jìn)行調(diào)整，但是涂布量不宜過大或過小。實驗中發(fā)現(xiàn)涂布量過大會影響復(fù)合膜的外觀，容易產(chǎn)生波紋狀缺陷而降低透明度，過小則會導(dǎo)致剝離強(qiáng)度不足。

圖4為PET/PE復(fù)合膜經(jīng)過100 ℃水煮30 min后剝離強(qiáng)度的變化。從圖4中可以看出，隨著涂布量的增大，水煮之后剝離強(qiáng)度先是低于水煮之前的，而后逐漸升高，并在涂布量為1.5 g/m2時超過水煮之前的剝離強(qiáng)度。這種現(xiàn)象是由于耐水煮膠黏劑的固化條件要求較高，在涂布量達(dá)到一定值以后，卷膜在固化時受熱不均勻的現(xiàn)象造成膠黏劑固化反應(yīng)不完全，而在水煮實驗過程中膠黏劑能夠充分受熱，固化反應(yīng)更加充分，從而使樣品剝離強(qiáng)度得到一定提高。

圖4 PET/PE復(fù)合膜水煮前后剝離強(qiáng)度變化

表4為水煮前后剝離強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其比值為水煮后與水煮前剝離強(qiáng)度的比值。將比值作為縱坐標(biāo)、涂布量作為橫坐標(biāo)繪制散點圖見圖5。將圖5中散點采用最小二乘法繪制二元一次線性回歸方程并擬合直線=+，可得到擬合結(jié)果為=70.270 7+24.966 0，其中的標(biāo)準(zhǔn)誤差為5.971 16，的標(biāo)準(zhǔn)誤差為5.597 42，皮爾遜相關(guān)系數(shù)=0.932 18，決定系數(shù)2=0.825 28。在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)，PET/PE復(fù)合膜水煮前后剝離強(qiáng)度比值與膠黏劑涂布量具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，且回歸方程的擬合效果能夠說明82.528%的數(shù)據(jù)可通過該方程進(jìn)行解釋。根據(jù)回歸方程可知，=100時，=1.19，說明PET/PE的涂布量達(dá)到1.19 g/m2以上時，復(fù)合膜在經(jīng)過水煮后剝離強(qiáng)度并不會發(fā)生下降，甚至?xí)^水煮之前的剝離強(qiáng)度。

表4 水煮對PET/PE復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的影響

Tab.4 Effect of boiling on peeling strength of PET/PE laminating film

圖5 PET/PE復(fù)合膜水煮前后剝離強(qiáng)度比值的變化

2.3 蒸煮包裝 BOPA/RCPP

圖6是BOPA/RCPP復(fù)合膜在不同涂布量、不同復(fù)合速度條件下剝離強(qiáng)度的變化情況。從圖6a可看出，隨著涂布量的逐漸增大，剝離強(qiáng)度幾乎都呈線性增長，涂布量達(dá)到1.6 g/m2時，3種膠黏劑均可滿足國標(biāo)4.5 N/15 mm的強(qiáng)度要求。但需要注意的是，耐蒸煮膠黏劑并不是涂布量越大越好。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涂布量達(dá)到2.0 g/m2時，復(fù)合膜收卷過程中容易發(fā)生滑移、卷曲等收卷不整齊的現(xiàn)象。這是由于無溶劑膠黏劑的初黏力較低，涂布量較大會導(dǎo)致膠層偏厚不利于層間的貼合，若在收卷過程中張力的匹配度調(diào)節(jié)不佳，就會造成收卷不整齊的現(xiàn)象。另外，膠層過厚也會影響透明復(fù)合膜固化后的透光率及透明性。從圖6b可看出，BOPA/RCPP復(fù)合膜剝離強(qiáng)度隨著復(fù)合速度的提高而降低，說明復(fù)合速度對涂布量的精度以及涂布的均勻性有一定的影響。

圖7為BOPA/RCPP復(fù)合膜經(jīng)過121 ℃蒸煮40 min后剝離強(qiáng)度的變化。從圖7中可以看出，隨著涂布量增大，蒸煮之后的剝離強(qiáng)度先是低于蒸煮之前的，而后逐漸升高，并在涂布量為1.8 g/m2時超過蒸煮之前的剝離強(qiáng)度。與耐水煮膠黏劑相比，耐蒸煮的膠黏劑能夠承受更高的濕熱處理溫度，同時膠黏劑固化反應(yīng)不完全的情況會在蒸煮時繼續(xù)反應(yīng)，從而提升膠黏劑本身的強(qiáng)度及與基材之間的黏接。

表5為蒸煮前后剝離強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其中比值為蒸煮后與蒸煮前剝離強(qiáng)度的比值。將比值作為縱坐標(biāo)、涂布量作為橫坐標(biāo)繪制散點圖，見圖8。將圖8中散點采用最小二乘法繪制二元一次線性回歸方程并擬合直線=+，可得到擬合結(jié)果為=42.114 6+33.436 9，其中的標(biāo)準(zhǔn)誤差為4.310 37，的標(biāo)準(zhǔn)誤差為2.652 85，皮爾遜相關(guān)系數(shù)=0.990 69，決定系數(shù)2=0.975 29。在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)，BOPA/RCPP復(fù)合膜蒸煮前后剝離強(qiáng)度比值與膠黏劑涂布量具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，且回歸方程的擬合效果能夠說明97.529%的樣本數(shù)據(jù)可通過該方程進(jìn)行解釋。根據(jù)回歸方程可知，當(dāng)=100時，=1.73，說明BOPA/RCPP的涂布量達(dá)到1.73 g/m2以上時，復(fù)合膜在經(jīng)過蒸煮后剝離強(qiáng)度并不會發(fā)生下降，甚至?xí)^蒸煮之前的剝離強(qiáng)度。

圖6 涂布量與復(fù)合速度對BOPA/RCPP復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的影響

圖7 BOPA/RCPP復(fù)合膜蒸煮前后剝離強(qiáng)度變化

表5 蒸煮對BOPA/RCPP復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的影響

Tab.5 Effect of retorting on peeling strength of BOPA/RCPP laminating film

圖8 BOPA/RCPP復(fù)合膜蒸煮前后剝離強(qiáng)度比值的變化

3 結(jié)語

通過無溶劑復(fù)合方式制備了干輕包裝BOPP/CPP組合、水煮包裝PET/PE組合、蒸煮包裝BOPA/RCPP組合無溶劑復(fù)合膜樣品，研究生產(chǎn)工藝過程中膠黏劑涂布量與復(fù)合速度對樣品剝離強(qiáng)度的影響規(guī)律。在實驗條件范圍內(nèi)，所制備無溶劑復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度隨涂布量的增加而逐漸增大，而復(fù)合速度的影響較小。耐熱性與耐高溫介質(zhì)性實驗結(jié)果說明，在涂布量達(dá)到一定值后，高溫加熱能夠進(jìn)一步促進(jìn)膠黏劑固化反應(yīng)的進(jìn)行，從而使剝離強(qiáng)度反高于水煮或蒸煮之前。無溶劑復(fù)合一定程度上能夠滿足軟包裝對復(fù)合膜強(qiáng)度性能要求，但應(yīng)重點關(guān)注復(fù)合工藝參數(shù)對制品的影響規(guī)律，發(fā)揮出該工藝技術(shù)的多重優(yōu)勢。

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Solventless Laminating Technology and Fastness Laws of Flexible Packaging

GUO Peng-fei1, KONG Zhen1, HUANG Ru-quan1, WEI Hua1, LI Xiao-dong1, YANG Jun-wei2

(1. Dongguan Polytechnic, Guangdong Dongguan 523808, China; 2. Dongguan Jiayi Enterprises Ltd., Guangdong Dongguan 523541, China)

The work aims to study the production conditions of solventless laminating film used for flexible packaging and analyze the fastness laws by peeling strength, so as to optimize the production process and improve the product quality. By controlling the technological conditions of solventless laminating process, different types of solventless laminating films were prepared separately (dry and light packaging BOPP/CPP combination, boiled packaging PET/PE combination and retorted packaging BOPA/RCPP combination) and the effect of adhesive coating weight and laminating speed on the peeling strength of films was analyzed. Under the experimental conditions, the peeling strength of solventless laminating film samples gradually enhanced as the coating weight increased and met Chinese national standard requirements when the coating weight was 1.0 g/m2, 1.2 g/m2or 1.6 g/m2. The effect of laminating speed was considerably less noticeable compared to that of the coating weight. The peeling strength at a laminating speed of 450 m/min was only 20% less than that at 100 m/min. Regression analysis on results obtained from tests of heat resistance and high-temperature resistance indicated that heating at high temperature facilitated the curing reaction of adhesive when the coating weight reached 1.19 g/m2or 1.73 g/m2, resulting in greater peeling strength compared to that before boiling or retorting. In conclusion, with respect to the aforementioned types of laminating flexible packaging, solventless laminating products can meet the Chinese national standards on product strength when coating weight and laminating speed are set within a specific range. Altogether with the lower consumption of energy and less emission of pollutants, solventless laminating becomes a highly viable and much more environmentally friendly substitute for dry laminating process.

solventless laminating; coating weight; laminating speed; peeling strength

TB484.3

A

1001-3563(2023)15-0032-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.005

2023?01?11

廣東省教育廳2021年度青年創(chuàng)新人才類項目（2021KQNCX228）；廣東省高職院校數(shù)字印刷產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺（2021CJPT005）；東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助（2021d01）；東莞市社會發(fā)展科技項目（20231800903982，20211800900552）

郭鵬飛（1992—），男，碩士，助教，主要研究方向為環(huán)保包裝材料與應(yīng)用。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋