前 言
胶粘剂在包装工业中的使用已经有近百年的历史。随着包装行业的发展,胶粘剂的消费量保持着较高的水平,全球包装工业年用胶量约占胶粘剂总用量的35%,据此推测包装行业可能是胶粘剂最大的消费市场。
包装行业使用胶粘剂主要集中在以下三个方面:
1)包装材料的制造为了满足使用方便、价格低廉的实际需要,大量的包装材料是用合成材料制成的。这些材料的合成过程中,胶粘剂被广泛地采用。这些材料主要包括六大类:(1)镀锡钢板、无锡钢和铝材;
(2)金属箔,主要是铝箔;
(3)镀金属膜,主要是镀铝的聚丙烯和聚酯;
(4)各种高分子材料,如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯酸酯离子交换聚合物、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酯、聚酰胺;
(5)纸张、纸板;
(6)玻璃
2)包装物的成型
包装物成型过程主要有:包装板的成型,包装板的拼接,包装容器的成型及密封。现代化的产品生产线可以使包装容器成型、装入产品、容器密封连续完成,其工作效率明显高于单独完成各工序的工艺。包装物为软复合材料(如纸袋)和硬塑料时,可以实现连续操作。而用于包装物为纸箱的胶粘剂,在这项操作中需具备特殊的性能。
3)标签的胶接、印制,封口胶带的制造等方面胶粘剂在包装工业中的应用主要为前两个方面,但最后一个方面也是一个不容忽视的领域。
1 胶粘剂的分类及组成
1.1 胶粘剂的分类
天然胶粘剂和合成胶粘剂均可在包装行业中使用。表1列出了包装用胶粘剂的种类及它们的市场占有率。
同性能优越的合成胶粘剂相比,天然胶粘剂凭着其价格低廉、易于清除及符合环保要求的优势,仍然发挥着重要作用。天然胶粘剂主要在纸张和纸板工业中使用。胶粘剂以水溶液、浆糊或乳液的形式存在,使用胶辊、刮板、喷嘴等涂胶工具施胶。这些工具表面的多孔结构可以使胶粘剂的初粘性迅速增加。以聚醋酸乙烯及其共聚物为主体合成的分散液,性能明显地提高,成为新的纸张和纸板用胶粘剂。这类胶粘剂的特点是可以用于一些使用天然胶粘剂无法粘接的材料,如聚乙烯、聚丙烯和亮光板。
包装行业生产中,产品的制造速度是制约成本的重要因素。为了降低生产成本,层合纸的生产速度可以达到每分钟几百米,而包装物每分钟可以成型几百个。在这种生产线上,溶剂型胶粘剂由于溶剂挥发速度的影响,正被乙烯-醋酸乙烯共聚型(ＥＶＡ)热熔胶所代替。热熔胶采用喷涂的方法施胶,喷胶的胶接结构冷却后,即可达到满意的胶接强度。热熔胶的优点是可以把纸张和纸板与一些表面难粘的材料粘接在一起,如铝箔、聚合物薄膜、亮光板。
胶粘剂在实际应用中以不同形式存在:
(1)以有机物溶液的形式存在这种形式大约占总数的19%。主要应用在软复合材料的层合和部分标签的制作上,通常这些标签均为表面难粘的材料。
(2)以水溶液、乳液或水分散液的形式存在这种形式为46%,主要应用于纸张和纸板工业中。
(3)无溶剂型胶粘剂
主要类型有热熔胶、胶粉、胶带、胶膜和反应型胶粘剂。热熔胶带主要用于包装物快速成型和压敏胶带的制造,而反应型胶粘剂主要用于复合材料的制造。环保意识和安全使用观念的不断加强,促使包装行业使用无溶剂型胶粘剂。最初制造软复合材料,主要使用有机物为溶剂的胶粘剂。目前,无溶剂型胶粘剂及双组分或三组分聚氨酯胶粘剂的使用迅速增加。聚氨酯胶粘剂在涂胶辊上使用可以现用现配,固化时依靠吸收空气中的水分加快固化速度。
1.2 胶粘剂的组成
胶粘剂往往由多个成分构成。首先其核心是粘料,然后构成胶粘剂的成分要考虑到胶粘剂的性能合理、操作方便以及溶剂挥发时间、粘性、粘接性能稳定等多种要求。通常,一种胶粘剂配方中至少包含以下内容的两项。
(1)粘料-聚合物;
(2)溶剂-水,有机物;
(3)增塑剂-降低玻璃化温度;
(4)增粘剂-通常为天然树脂,可以提高胶粘剂成膜后的内聚强度;
(5)增稠剂和填料-控制粘度,增加固含量;
(6)表面活性剂-增加胶粘剂对胶接表面的浸润程度;
(7)杀虫剂和杀菌剂-在天然胶粘剂、纸张和纸板用胶粘剂中使用;
(8)乳化剂;
(9)蜡-改进胶粘剂熔融后的流动性;
(10)抗氧剂。
2 胶粘剂在包装体系中的实际应用
2.1 包装材料选择的依据
根据实际需求,选择或设计一种包装物时必须考虑多种因素。
(1)成本;(2)消费者的需求;(3)能够标明被包装的物品,主要指标签的设计;(4)能够与装填工具匹配;(5)性能,如机械强度,隔离能力(可以隔绝有机溶剂、微生物、潮气、氧气和二氧化碳)、耐温性(可以经受煮沸、高温消毒、冰冻等条件)、与被包装物不发生化学反应。
选择包装体系时,成本通常是一个重要的因素。为了降低成本,可以通过层合技术形成一种复合结构。设计复合结构时,通过不同材料优化组合来满足性能的需要。复合材料需求最大的一个领域是用于制造有隔离层的食品、饮料包装容器。金属罐或玻璃瓶是良好的隔离型容器;另一方面,将纸、隔离型聚合物、金属箔复合而成的复合材料也拥有相当大的市场需求。在这些材料的层合过程中,胶粘剂的使用提高了复合材料的性价比。
2.2 胶粘剂在复合材料合成中的应用
2 .2. 1 软复合材料
2 .2. 1. 1 食品包装膜
食品包装用的薄膜通常为可印刷的定向拉伸聚丙烯(ＰＯＰＰ)。为了便于密封,这种ＰＯＰＰ膜的内侧是用聚氨酯类胶粘剂粘接的一层热熔材料。
2.2 .1 .2 隔离型纸盒
这种纸盒是用纸板和铝箔复合而成的,结构如下图所示:
│热熔材料│可印刷的纸‖纸板‖铝箔│热熔材料│
胶粘剂 胶粘剂
在这种结构中,纸板提供必需的机械强度,铝箔可以充分地隔绝氧气。纸盒的内外表面是分别在纸和铝箔表面用热熔涂布法涂的聚烯烃类热熔材料,在纸板两侧通常使用淀粉—ＰＶＡ(聚醋酸乙烯酯胶浆胶接成复合结构。
2.2.2 隔离型层合材料
铝箔和镀有金属的薄膜均是性能良好的隔绝材料,低透气率的聚合物成为一种新型的隔离材料,作为传统隔离材料的更新换代产品,在市场中占有着一定的位置。表2、表3分别列出了包装材料常用聚合物的氧气和潮湿空气透过率。
从表2、表3中可以看出,气体隔绝效果最好的聚合物为聚偏二氯乙烯(ＰＶＤＣ),乙烯-乙烯醇共聚物(ＥＶＯＨ),由于这两种材料价格昂贵,因此作为包装材料无法大范围使用。聚烯烃类膜可以很好地隔绝潮湿空气,其价格便宜,同时具有一定的机械强度,成为一种实用的隔离材料。聚烯烃类膜用热熔涂布法在材料表面成膜,作为隔离层在液体饮料包装盒的制造中使用。据报道,一种成本较低的-二氧化硅涂布的ＰＥＴ薄膜已研制成功,这种超微米涂层是使用有机硅/氧气/氦气混合物通过等离子分解形成的,隔离效果好于或相当于ＥＶＯＨ和ＰＶＤＣ层合结构。
2 2 2 1 胶接层合的隔离型复合材料
封口膜的制造是隔离型软层合结构实际应用的例子,其典型结构如下:
│强度层│印刷层‖隔离层‖强度层‖热密封层
胶粘剂 胶粘剂 胶粘剂
一般使用的胶粘剂是聚氨酯类胶粘剂,这类胶粘剂可以满足产品灭菌时所需的耐压、耐温要求。强度层为聚酯,隔离层是金属箔、镀金属膜、ＰＶＤＣ、ＥＶＯＨ等。热密封层材料要求具有耐热老化性,密封后具有可剥离性。
2 2 2 2 层压层合的隔离型复合材料
硬质和软质隔离型包装都可以用不同薄膜或板通过层压法或吹塑法成型。盛装果酱的塑料瓶就是采用层压-吹塑法制成的,其隔离型层压结构如下:
│强度层│胶粘剂│隔离层│胶粘剂│
强度层强度层
使用聚乙烯(ＰＥ)或聚丙烯(ＰＰ),隔离层为ＰＶＤＣ或ＥＶＯＨ。胶粘剂为热塑性,主要是用羰基化合物(酸、丙烯酸酯、酸酐)改性的ＥＶＡ或聚乙烯,这类胶粘剂对纸张、金属、和高分子材料均有较好的粘接作用。ＰＥ、ＰＰ类胶粘剂的耐热性优于ＥＶＡ类胶粘剂,可用在需要进行高温处理和食品包装上。压合层合法可以降低生产成本,使生产连续进行,满足生产高速化的要求。
2 2 3 金属复合材料
2 2 3 1 金属表面的保护
19世纪初,食品工业开始采用薄镀锡钢板制造食品包装容器。为了增加容器对某些内容物的惰性,需要在容器内表面使用涂层进行保护。内涂层材料通常是环氧类聚合物,通过溶剂法刮涂或喷涂在金属表面。现在,已经开始使用水基涂料,逐步减少涂层中挥发性有机化合物(ＶＯＣ)的含量。目前,镀锡钢板、无锡钢板(ＴＦＳ)或铝都已经成为金属容器的原料。涂层法仍然是活性金属表面与内容物隔离开的主要方法。作为更先进的隔离方法,把聚合物膜复合在金属表面的材料已经出现。这种结构是在钢板两面用聚酯、聚丙烯或尼龙-聚丙烯复合膜复合而成的。这种膜是在钢板卷筒成型的过程中使用粘接材料热压复合而成的,由于使用粘接材料,膜和基材的胶接力得到提高。聚丙烯膜既可以是丙烯均聚物,也可以是乙烯-丙烯的共聚物,粘接用的树脂是一种用酸或酸酐改性的聚丙烯。聚酯类薄膜是用双向拉伸ＰＥＴ膜与低熔点聚酯层合而成,其中低熔点聚酯在热压层合过程中可以达到较高的粘接强度。尼龙-聚丙烯膜的结构为四层,这种结构是用胶粘剂把尼龙与聚丙烯粘在一起,再把聚丙烯与钢板粘在一起。最外层的尼龙表面硬度大,摩擦力小,在很多成型工序中易于操作。金属-聚合物层合技术具有无溶剂、能耗低的优点,已经应用在气溶胶罐、食品罐的制造中。
2.2 金属罐的胶接
金属罐成型,最先采用的是直接焊接法。首先,把镀锡钢板加工成圆筒和两端封盖;然后,把边缘电镀空白处焊接在一起,形成圆柱形罐体。最近20年这种工艺已被使用焊条焊接的技术替代,使用镀锡钢板焊条可以形成一个完整的焊缝。由于国际市场锡价不断上涨,无锡钢板出现在金属罐的制造过程中。由于无锡钢板的焊接技术不成熟,最初这种材料制罐成型是采用拉伸罐体和封盖。随着胶接技术的发展,出现了一种类似传统焊接工艺的胶接食品罐。无锡钢板表面涂环氧底漆,在处理好的边缘空白处,用涂布聚酰胺的尼龙胶带胶接[9]。通过调整聚酰胺与环氧漆的配比,使工艺性能达到要求,并通过热压复合过程,达到胶接要求,并能满足高速生产线的要求。
3 包装用胶粘剂的发展
包装用胶粘剂的发展正受到严格的环保法规、人类的生命健康意识和生产安全要求的制约。为了降低产品的环境污染,首先是使用有机溶剂的胶粘剂需求减少;其次,水基胶粘剂中挥发性有机物的含量逐步降低。目前,欧洲已经不允许胶粘剂生产商在水乳液中使用含氯有机物。因此,在纸、包装物、标签和软复合材料的生产过程中,热熔胶及其它无溶剂胶粘剂的使用量不断增加。在纸包装物的生产中,为了适应高速生产线的要求,热熔胶被用于密封,而部分层合工艺增加了水乳胶的使用比例。同时,为了更好地节约能源,热熔胶使用温度范围不太苛刻时,可以使用低熔点热熔胶。金属与聚合物层合技术中,由于没有使用溶剂,与其它层合技术相比,具有明显的环保优势,未来将会有快速的发展。为了减少生态破坏,包装材料要求可以被循环利用。胶粘剂在循环利用过程中,可以很容易地被清除掉。例如,在纸包装物的生产过程中使用胶粘剂,要求在纸品回收重新制浆的过程中,很容易地被过滤掉。另一种途径就是使用可微生物降解的胶粘剂,这类胶粘剂将成为一个重要的发展方向。
4 结 论
在将来很长一段时间内,包装行业仍然是胶粘剂使用的主要领域。随着胶粘剂胶接性能的不断提高,胶接工艺的技术进步将对包装材料的选择、包装加工设备的改进起到积极的影响。日前,包装业面临的环保要求和制造、装配生产线的高速化要求,是包装用胶粘剂发展的两大方向。
