纸塑复合用单组份聚氨酯胶黏剂

2017-12-18
 一、软性包装复合材料
    过去软包装复合材料大多以食品包装为主,现在已普遍推展到医药包装、工业包装、建材包装、化妆品包装等,其应用范围越来越广且使用量也越来越大。为了满足不同的产品包装质量与效率,轻薄且具有高功能性、符合环保、和广大应用范围的复合材料不断的被开发出。譬如相同厚度,复合塑料薄膜比原本单层塑料薄膜,来得较轻重量、较高强度、阻隔性更好、更耐温 …… 等多项优点。
    软包装的复合材料大多是以多层贴合、或淋膜贴合而成。目前已经开发出的复合包装材料有:塑料膜/塑料膜、纸张/塑料膜、纸张/铝箔/塑料膜、塑料膜/无机氧化物/塑料膜等多种贴合。这些复合材料具有高阻隔性、选择透气性、耐高温、以及能再封闭、易开封等等的目的导向。


二、无溶剂包装复合技术
    软包装常见的复合工艺有无溶剂复合、干式复合、湿法复合和挤出复合等,当前,国际软包装重要的三大环保技术为:无溶剂复合技术、柔性版印刷和共挤出复合,而其中以无溶剂复合技术为环保,其工艺为使用聚氨酯胶黏剂通过反应固化将不同基材粘结再一起而获得新功能性的一种工艺技术。目前无溶剂复合技术在欧美市场已占据相当重要的地位,占新增复合机设备的80%~90%。在诸多视环保和可持续发展为己任的软包装原料厂商的推动下,近几年开始飞速增长。无溶剂胶黏剂是真正意义上的环保型胶黏剂,其特性为:

(1) 全程无溶剂排放:在整个复合过程中不存在溶剂挥发、零排放。
(2) 产品无溶剂残留:复合制品中无残留溶剂,保证内装物的安全更符合食品安全要求。
(3) 无爆炸火灾等安全问题:胶黏剂不属于易燃易爆、高腐蚀等危险品,运输和储存方面不需要做防爆考虑。
(4) 生产效率高:无溶剂复合机生产速度一般可达250~350m/min分或更快可达450~600m/min,较干式复合机效 率提升一倍。
(5) 低能耗优势:无溶剂复合机生产作业温度低且无须干燥,故低耗能。
(6) 胶水性质:无溶剂胶黏剂相对于同等级别溶剂型胶黏剂的分子量小很多,使得胶黏剂在一定合适的温度下,不需要溶剂参
的状态下,对基材表面浸润、扩散和渗透。

三、无溶剂复合设备的特点
    溶剂型和无溶剂型的复合设备有所不同,一个方面是无溶剂复合设备的涂布系统和供胶系统不同,另一个方面是无溶剂复合设备无须烘干道,结构紧凑、能耗小、噪音低、占地空间小。与溶剂型的复合设备相比,无溶剂复合设备有以下优点:

(1) 无烘干道、能耗低:溶剂型复合机烘干道一般装机容量在150~250KW,一年平均耗电量可达50~70万人民币,即使用蒸汽烘干,能耗也不在小数。无溶剂的整机功率较低,没有烘道,据意大利诺德美克提供的信息,无溶剂耗能几乎是溶剂型的二十分之一。
(2) 复合速度快:无溶剂复合不需要烘干,没有残留溶剂制约,致使生产效率高,平均复合速度250m/min。可达600m/min,一台复合机能满足两台印刷机生产。
(3) 自动化程度高:无溶剂复合机采用专有设备自动进胶,自动控制甲乙两个组分的比例,自动控制温度,可在线调整涂布量,设备紧凑,节约人力。
 
图1 无溶剂复合机复合加工示意图


四、无溶剂聚氨酯胶黏剂的类型和发展历程
    无溶剂复合工艺、设备和胶黏剂是上世纪70年代发展起来的,无溶剂黏合剂主要分为以下几种:

1. 双组份聚氨酯胶黏剂:
双组份无溶剂聚氨酯系以A剂(含异氰酸酯基封端之高聚物)与B剂(一般以多元醇组成)以一定比例搭使用,其反应机制主要是多元醇组分中的OH与含有异氰酸酯基封端之高聚物混合,经架桥交联反应后固化,并产生粘接强度,将不同基材粘接在一起。
2. 单组份湿固化聚氨酯胶黏剂:
单组份湿固化聚氨酯胶黏剂(PUR)的化学结构是含有链长相对较短的异氰酸酯基封端的聚酯或聚醚,异氰酸酯基(-NCO)与基材或环境中的潮气发生化学反应,释放出CO2进行固化。
 
    目前应用于软包装的双组份聚氨酯无溶剂胶黏剂除须使用AB剂易大幅降低使用便利性外,因粘度低,应用于纸//塑料膜、塑料膜//纸//塑料膜贴合,若参数设定操作不当,易造成纸张渗胶过多,导致纸张容易变色、变硬,且其初期强度较PUR低,而高鼎可提供适用于软包装复合之PUR。


五、PUR胶黏剂应用于纸塑复合

(一)PUR胶黏剂之特性
    PUR胶黏剂为100%固形分、无溶剂及 NCO封端树脂,故称反应型PU热熔胶(Polyurethane reactive)。PUR常温下以黏稠胶体或结晶块状之型式存在,使用时须加热使其成可流动态,以湿润基材表面并便于加工。PUR中异氰酸酯基(-NCO)反应性官能基之化性活泼,除可与环境中水气反应产生分子间架桥外,亦可与纸基材上含活性氢官能基行架桥反应,树脂架桥后则不可再热熔,其型态转换示意如图2,故所复合成品具有一定的耐温性且柔软性佳。
 
 () 纸塑复合加工应用
    PUR应用于软包装复合加工工艺,主要用于纸//塑料膜、塑料膜//纸//塑料膜或塑料膜//塑料膜贴合,在贴合制程中因无溶剂之使用故无需烘干程序、车速快、布胶量少且精准。以PUR之黏着性、功能性和物性可轻易地改良开发,以满足各纸张与塑料膜间贴合成品之特殊性能需求,其特点如下:


1.PUR为100%固含量,只需加热热熔,无溶剂,故不对环境污染和成品中无有害物质残留。
2.
PUR加工应用在软包装材料的加工温度约70~90℃,故加工上不会破坏材料的色泽。
3.
胶辊加热后间隙精准控制,避免上胶不均。
4.PUR热熔胶与基材或空气中的湿气即可形成架桥反应,无须架桥剂使用。
5.
应用于塑料膜//塑料膜复合时,建议于复合机上加装增湿装置,PUR以专用熔胶机于70~90℃熔融供胶至胶 槽,经转移辊上胶至基材随后复合,胶水冷却凝聚产生初始黏性,使贴合物间不易产生滑动,之后借助基材表面附着的湿气与 PUR反应、扩链并逐渐熟成硬化,成为具有高聚力的胶合层,示意图如图3。
6.
应用于纸塑复合因期望布胶量、渗胶程度之考虑下,胶水黏度相对重要,以避免纸基材过度渗胶而造成胶合层欠胶及熟成后纸张手感转硬,以及复合品外观变深。高鼎PUR纸塑复合胶温度与黏度关系及熟成速度如图4,可适当调整胶水温度使其黏度便于复合加工。高鼎PUR纸塑复合胶应用实例,以加工温度85℃、理论上胶量可为3~4g/m2(须依纸材粗糙度不同调整),复合结构为CPP//纸//PET,复合品可成功通过制袋加工。常见软包装纸塑复合成品如图5所示,此类成品不外乎在意复合强度、热封强度、摩擦系数及透明性,循市场需求标准以开发适用性产品。
图3 PUR的加工时间与贴合强度之变化关系图(图片来源:高鼎精密材料)
 

图4高鼎PUR纸塑复合胶温度-黏度曲线图及熟成速度(Film 0.05mm/25℃) (图片来源:高鼎精密材料)
 
 
六、未来展望   
    各界环保意识高涨,对于低毒性、低污染性产品之重视程度亦随之提升,环保型胶合剂已为重要趋势,PUR 系为绿色环保趋势指标,并可广用于软包装材料中纸//塑料膜及塑料膜//纸//塑料膜之贴合,成品具柔软、接着性佳等特性,满足市场上需求。
    高鼎集团1988年成立,于2015年由『高鼎化学工业股份有限公司Coating Chemical Industry Co., Ltd.』正式更名为『高鼎精密材料股份有限公司(Coating P. Materials Co., Ltd.)』,深耕聚氨酯(Polyurethane)行业,专业生产TPU热可塑性聚氨酯胶粒、PUR湿气反应型聚氨酯、FA无溶剂型聚氨酯接着剂、PUD水性聚氨酯及AM复合材等环保材料,各系列产品广泛应用于食衣住行育乐各种日常生活用品,从食品包装、功能性纺织加工、家(厨)俱建材加工、汽车零件组装、运动用品材料、电线电缆至医疗材料应用等。高鼎一直是客户的忠实伙伴,除了为国际知名品牌企业提供环境友善的化学材料,并以专业技术支持与共同开发的模式协助客户品牌企业,提升产品品牌与企业价值。我们的产品发展与社会责任和环境友善相结合,透过不断研究发展与创新,协助我们的客户满足当前及未来市场对环境友善材料的需求。
 
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