紙塑複合用單組份聚氨酯膠黏劑

December 18,2017
一、軟性包裝複合材料
    過去軟包裝複合材料大多以食品包裝為主,現在已普遍推展到醫藥包裝、工業包裝、建材包裝、化妝品包裝等,其應用範圍越來越廣且使用量也越來越大。為了滿足不同的產品包裝品質與效率,輕薄且具有高功能性、符合環保、和廣大應用範圍的複合材料不斷的被開發出。譬如相同厚度,複合塑膠薄膜比原本單層塑膠薄膜,來得較輕重量、較高強度、阻隔性更好、更耐溫 …… 等多項優點。
    軟包裝的複合材料大多是以多層貼合、或淋膜貼合而成。目前已經開發出的複合包裝材料有:塑膠膜/塑膠膜、紙張/塑膠膜、紙張/鋁箔/塑膠膜、塑膠膜/無機氧化物/塑膠膜等多種貼合。這些複合材料具有高阻隔性、選擇透氣性、耐高溫、以及能再封閉、易開封等等的目的導向。


二、無溶劑包裝複合技術
    軟包裝常見的複合工藝有無溶劑複合、乾式複合、濕法複合和擠出複合等,當前,國際軟包裝重要的三大環保技術為:無溶劑複合技術、柔性版印刷和共擠出複合,而其中以無溶劑複合技術為環保,其工藝為使用聚氨酯膠黏劑通過反應固化將不同基材粘結再一起而獲得新功能性的一種工藝技術。目前無溶劑複合技術在歐美市場已佔據相當重要的地位,占新增複合機設備的80%~90%。在諸多視環保和可持續發展為己任的軟包裝原料廠商的推動下,近幾年開始飛速增長。無溶劑膠黏劑是真正意義上的環保型膠黏劑,其特性為:

(1) 全程無溶劑排放:在整個複合過程中不存在溶劑揮發、零排放。
(2) 產品無溶劑殘留:複合製品中無殘留溶劑,保證內裝物的安全更符合食品安全要求。
(3) 無爆炸火災等安全問題:膠黏劑不屬於易燃易爆、高腐蝕等危險品,運輸和儲存方面不需要做防爆考慮。
(4) 生產效率高:無溶劑複合機生產速度一般可達250~350m/min分或更快可達450~600m/min,較乾式複合機效率提升一倍。
(5) 低能耗優勢:無溶劑複合機生產作業溫度低且無須乾燥,故低耗能。
(6) 膠水性質:無溶劑膠黏劑相對於同等級別溶劑型膠黏劑的分子量小很多,使得膠黏劑在一定合適的溫度下,     不需要溶劑參與的狀態下,對基材表面浸潤、擴散和滲透。


三、無溶劑複合設備的特點
    溶劑型和無溶劑型的複合設備有所不同,一個方面是無溶劑複合設備的塗佈系統和供膠系統不同,另一個方面是無溶劑複合設備無須烘乾道,結構緊湊、能耗小、噪音低、占地空間小。與溶劑型的複合設備相比,無溶劑複合設備有以下優點:

(1) 無烘乾道、能耗低:溶劑型複合機烘乾道一般裝機容量在150~250KW,一年平均耗電量可達50~70萬人民幣,即使用蒸汽烘乾,能耗也不在小數。無溶劑的整機功率較低,沒有烘道,據義大利諾德美克提供的資訊,無溶劑耗能幾乎是溶劑型的二十分之一。
(2) 複合速度快:無溶劑複合不需要烘乾,沒有殘留溶劑制約,致使生產效率高,平均複合速度250m/min。可達600m/min,一台複合機能滿足兩台印刷機生產。
(3) 自動化程度高:無溶劑複合機採用專有設備自動進膠,自動控制甲乙兩個組分的比例,自動控制溫度,可線上調整塗佈量,設備緊湊,節約人力
 

圖1.無溶劑複合機複合加工示意圖

四、無溶劑聚氨酯膠黏劑的類型和發展歷程
    無溶劑複合工藝、設備和膠黏劑是上世紀70年代發展起來的,無溶劑黏合劑主要分為以下幾種:

1. 雙組份聚氨酯膠黏劑:
雙組份無溶劑聚氨酯係以A劑(含異氰酸酯基封端之高聚物)與B劑(一般以多元醇組成)以一定比例搭配使用,其反應機制主要是多元醇組分中的OH與含有異氰酸酯基封端之高聚物混合,經架橋交聯反應後固化,並產生粘接強度,將不同基材粘接在一起。
2. 單組份濕固化聚氨酯膠黏劑:
單組份濕固化聚氨酯膠黏劑(PUR)的化學結構是含有鏈長相對較短的異氰酸酯基封端的聚酯或聚醚,異氰酸酯基(-NCO)與基材或環境中的潮氣發生化學反應,釋放出CO2進行固化。
   
    目前應用於軟包裝的雙組份聚氨酯無溶劑膠黏劑除須使用AB劑易大幅降低使用便利性外,因粘度低,應用於紙//塑膠膜、塑膠膜//紙//塑膠膜貼合,若參數設定操作不當,易造成紙張滲膠過多,導致紙張容易變色、變硬,且其初期強度較PUR低,而高鼎可提供適用於軟包裝複合之PUR。

 
五、PUR膠黏劑應用於紙塑複合
 
(一)PUR膠黏劑之特性
    PUR膠黏劑為100%固形分、無溶劑及 NCO封端樹脂,故稱反應型PU熱熔膠(Polyurethane reactive)。PUR常溫下以黏稠膠體或結晶塊狀之型式存在,使用時須加熱使其成可流動態,以濕潤基材表面並便於加工。PUR中異氰酸酯基(-NCO)反應性官能基之化性活潑,除可與環境中水氣反應產生分子間架橋外,亦可與紙基材上含活性氫官能基行架橋反應,樹脂架橋後則不可再熱熔,其型態轉換示意如圖2,故所複合成品具有一定的耐溫性且柔軟性佳。

圖2.PUR狀態示意圖(圖片來源:高鼎精密材料)

(二) 紙塑複合加工應用
    PUR應用於軟包裝複合加工工藝,主要用於紙//塑膠膜、塑膠膜//紙//塑膠膜或塑膠膜//塑膠膜貼合,在貼合製程中因無溶劑之使用故無需烘乾程序、車速快、佈膠量少且精準。以PUR之黏著性、功能性和物性可輕易地改良開發,以滿足各紙張與塑膠膜間貼合成品之特殊性能需求,其特點如下:

1. PUR為100%固含量,只需加熱熱熔,無溶劑,故不對環境污染和成品中無有害物質殘留。 
2. PUR加工應用在軟包裝材料的加工溫度約70~90℃,故加工上不會破壞材料的色澤。
3. 膠輥加熱後間隙精準控制,避免上膠不均。
4. PUR熱熔膠與基材或空氣中的濕氣即可形成架橋反應,無須架橋劑使用。
5. 應用於塑膠膜//塑膠膜複合時,建議於複合機上加裝增濕裝置,PUR以專用熔膠機於70~90℃熔融供膠至膠槽,經轉移輥上膠至基材隨後複合,膠水冷卻凝聚產生初始黏性,使貼合物間不易產生滑動,之後借助基材表面附著的濕氣與 PUR反應、擴鏈並逐漸熟成硬化,成為具有高聚力的膠合層,示意圖如圖3。
6. 應用於紙塑複合因期望佈膠量、滲膠程度之考量下,膠水黏度相對重要,以避免紙基材過度滲膠而造成膠合層欠膠及熟成後紙張手感轉硬,以及複合品外觀變深。高鼎PUR紙塑複合膠溫度與黏度關係及熟成速度如圖4,可適當調整膠水溫度使其黏度便於複合加工。高鼎PUR紙塑複合膠應用實例,以加工溫度85℃、理論上膠量可為3~4g/m2(須依紙材粗糙度不同調整),複合結構CPP//紙//PET,複合品可成功通過製袋加工。常見軟包裝紙塑複合成品如圖5所示,此類成品不外乎在意複合強度、熱封強度、摩擦係數及透明性,循市場需求標準以開發適用性產品。

 
 
圖3.PUR的加工時間與貼合強度之變化關係圖(圖片來源:高鼎精密材料)
 
    

圖4.高鼎PUR紙塑複合膠溫度-黏度曲線圖及熟成速度(Film 0.05mm/25℃) (圖片來源:高鼎精密材料)
 

六、未來展望   
    各界環保意識高漲,對於低毒性、低污染性產品之重視程度亦隨之提升,環保型膠合劑已為重要趨勢,PUR 係為綠色環保趨勢指標,並可廣用於軟包裝材料中紙//塑膠膜及塑膠膜//紙//塑膠膜之貼合,成品具柔軟、接著性佳等特性,滿足市場上需求。
    高鼎集團1988年成立,於2015年由『高鼎化學工業股份有限公司Coating Chemical Industry Co., Ltd.』正式更名為『高鼎精密材料股份有限公司(Coating P. Materials Co., Ltd.)』,深耕聚氨酯(Polyurethane)行業,專業生產TPU熱可塑性聚氨酯膠粒、PUR濕氣反應型聚氨酯、FA無溶劑型聚氨酯接著劑、PUD水性聚氨酯及AM複合材等環保材料,各系列產品廣泛應用於食衣住行育樂各種日常生活用品,從食品包裝、功能性紡織加工、傢(廚)俱建材加工、汽車零件組裝、運動用品材料、電線電纜至醫療材料應用等。高鼎一直是客戶的忠實夥伴,除了為國際知名品牌企業提供環境友善的化學材料,並以專業技術支援與共同開發的模式協助客戶品牌企業,提昇產品品牌與企業價值。我們的產品發展與社會責任和環境友善相結合,透過不斷研究發展與創新,協助我們的客戶滿足當前及未來市場對環境友善材料的需求。
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