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研究背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的不斷加快，熱熔膠由于具有環(huán)保、固化速度快等特點(diǎn)，其發(fā)展取得顯著成效。與此同時(shí)，高裝飾包裝材料的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，對(duì)熱熔膠的粘接性能提出了新的挑戰(zhàn)。卷煙工業(yè)中對(duì)煙支的“軟包硬化”包裝材料便是其中之一。煙支包裝材料的正面和背面均為光滑平面，使用EVA或聚烯烴熱熔膠對(duì)其進(jìn)行粘接，經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)膠、粘接不牢等問(wèn)題。

為了擴(kuò)大EVA熱熔膠的應(yīng)用范圍，提高其在難粘材料上的應(yīng)用，本文采用OWRK法測(cè)定熱熔膠及其原料、煙用包裝材料在常溫下的表面能，初步討論煙用包裝材料的表面能，熱熔膠原料表面能與熱熔膠表面能的關(guān)系，最后結(jié)合粘接力學(xué)數(shù)據(jù)，討論材料表面能與粘接性能的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)方法

儀器：Drop Shape Analyzer-DSA25接觸角測(cè)量?jī)x，德國(guó)KRüSS有限公司

方法：將熱熔膠或原料分別放在隔離紙上，放入烘箱中30min（150℃）后取出，室溫冷卻至少2h，選擇表面平整處，裁剪成2 cm × 1cm 樣品，備用。

將上述樣品放在DSA25平臺(tái)上，使用去離子水和二碘甲烷兩種液測(cè)定接觸角，然后進(jìn)行表面能及分量的計(jì)算。

結(jié)果與討論

1.包裝材料

包裝材料的接觸角、表面能及其分量見(jiàn)表1。

表1 煙用包裝材料數(shù)據(jù)表

煙用包裝材料在生產(chǎn)過(guò)程中，其表面處理工藝有一定的不同，紙箱表面的瓦楞紙需要加入大量的疏水劑和施膠劑（如疏水性淀粉膠等），為提高強(qiáng)度防止吸水后變軟，所以其與水的接觸角大于90°，實(shí)測(cè)在103.5°，二碘甲烷則體現(xiàn)完全潤(rùn)濕，無(wú)法測(cè)定其接觸角。

普通條盒紙和軟包硬化紙均是以白卡紙為基材，具有一定的強(qiáng)度，表面進(jìn)行不同處理更加考慮其外觀性及手感。普通條盒紙的正反面與水的接觸角遠(yuǎn)低于軟包硬化紙，同時(shí)，前者正面與二碘甲烷的接觸角同樣低于后者正面的。前者正面的表面能及其分量均高于后者正面，條盒白卡紙正面表面能44.7mN/m，軟包硬化紙正面31.5mN/m。因此，普通條盒紙為易粘接材料，而軟包硬化材料屬于難粘接材料。

2.煙用熱熔膠主要原料

煙用熱熔膠主要原料的接觸角、表面能及其分量見(jiàn)表2。

表2 煙用熱熔膠主要原料數(shù)據(jù)表

增粘樹(shù)脂的表面能在42.0 ~61.4mN/m，屬于高表面能材料，用于提高熱熔膠的粘接性。由表2可知，1#~4#原料為煙用熱熔膠主體樹(shù)脂，均為乙烯的共聚物。值得注意的是，在相同條件下，低醋酸乙烯含量的聚醋酸乙烯與乙烯共聚樹(shù)脂對(duì)纖維類基材的粘接性要優(yōu)于高醋酸乙烯含量。5#和6#原料為煙用熱熔膠兩種常用蠟：乙烯蠟和費(fèi)托蠟，其中，費(fèi)托蠟的表面能高于石蠟和乙烯蠟。7#~10#原料為煙用熱熔膠常用增粘樹(shù)脂，其中，C9氫化石油樹(shù)脂與水及二碘甲烷的接觸角均最大，表面能最低，為42.0mN/m。11#原料為實(shí)驗(yàn)室自制馬來(lái)酸酐改性松香季戊四醇酯樹(shù)脂，由于含有一定過(guò)量的馬來(lái)酸酐，其對(duì)水的接觸角減少至51.7°，與二碘甲烷的接觸角只有 21.7°，其表面能為61.4mN/m。

3.煙用熱熔膠

合成的熱熔膠及表面性能見(jiàn)表3。

表3 自制煙用熱熔膠數(shù)據(jù)表

由表3可知，1號(hào)膠使用費(fèi)托蠟改性聚醋酸乙烯與乙烯共聚樹(shù)脂，導(dǎo)致表面分子中的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶和分布狀態(tài)的改變，致使表面能由30.8mN/m上升至41.5mN/m。2號(hào)膠在1號(hào)膠的基礎(chǔ)上，加入了松香，通過(guò)松香中的羧基親水基團(tuán)進(jìn)一步提高膠體表面能。3號(hào)膠的表面能下降為38.3mN/m，是由于所使用材料的水滴角均較高，導(dǎo)致表面能偏低。4、5號(hào)熱熔膠分別采用材料9#或10#（即氫化C5或C9）替換3號(hào)膠中的松香季戊四醇酯，得到4號(hào)熱熔膠的表面能與3號(hào)幾乎相等，略高于5號(hào)膠。基于以上，我們看到單獨(dú)使用增粘樹(shù)脂時(shí)，即使少量松香加入也會(huì)使熱熔膠在主體材料（1號(hào)膠）基礎(chǔ)上表面能有一定的增加，而松香酯、氫化C5和氫化C9合成的熱熔膠，即使大量加入也會(huì)導(dǎo)致表面能減少，在37.6 ~38.4mN/m，這是由于大量增粘樹(shù)脂的存在減少了膠中唯一能與水形成氫鍵的酯基在表面的數(shù)量，使3~5號(hào)膠表面親水性降低，表面能降低。

鑒于增粘樹(shù)脂的親水性對(duì)熱熔膠表面能影響較大，利用松香季戊四醇酯對(duì)二碘甲烷接觸角較小的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室制備了馬來(lái)酸酐改性松香酯樹(shù)脂，其表面性質(zhì)如上所述。分別在6號(hào)和7號(hào)膠中添加了材料11#，從結(jié)果看，11#的加入使兩項(xiàng)接觸角都有一定的下降，表面能明顯增加至53.3和55.9mN/m，而將6和7號(hào)對(duì)比，得知其加入量對(duì)熱熔膠的表面能均有較大提升作用。

4.熱熔膠與各種基材的粘接性能

表4自制熱熔膠與煙用包裝材料的粘接性能對(duì)比

表4為采用表3中1 ~7號(hào)膠進(jìn)行粘接實(shí)驗(yàn)后測(cè)得的粘接強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由表4可得，紙箱屬于易粘接材料，1~7號(hào)膠均達(dá)到基材破壞的效果。普通條盒包裝材料，粘接效果也較為理想，2 ~7號(hào)膠配比均能達(dá)到基材破壞，這說(shuō)明在基材表面能為44.7mN/m，屬于高表面能材料時(shí)，與基材表面能相似的熱熔膠均能取得理想的粘接效果。而1號(hào)膠的膠粘效果要相對(duì)差一些，說(shuō)明對(duì)于高表面能基材，膠粘效果不由熱熔膠表面能的高低決定，而取決于對(duì)基材的潤(rùn)濕性。對(duì)于軟包硬化白卡紙，其表面能為31.5mN/m，屬于低表面能基材。1 ~ 5號(hào)膠粘接效果均不理想，剝離強(qiáng)度均小于5N/cm，這是由于低表面能所導(dǎo)致。6和7號(hào)膠粘接效果較為理想，其中6號(hào)膠對(duì)基材的粘接剝離強(qiáng)度最高，達(dá)到11.2mN/m，破壞類型為膠層開(kāi)裂，7號(hào)膠強(qiáng)度達(dá)到7.8N/cm，破壞類型為基材破壞。6和7號(hào)膠表面能與2~5號(hào)膠有明顯差異，是取得高粘接性和基材破壞效果的主要原因。

結(jié)論

應(yīng)用OWRK法測(cè)得煙用包裝材料、熱熔膠主要原料及其制備煙用熱熔膠的接觸角和表面能，普通條盒白卡包裝紙正面的表面能為44.7mN/m，而軟包硬化白卡包裝紙正面的表面能為31.5mN/m，即前者更易于粘接，后者更難粘接。

所制備的煙用熱熔膠表面能在37.6~55.9mN/m，均分別高于主體樹(shù)脂和蠟的表面能。松香季戊四醇酯、氫化C5和C9對(duì)熱熔膠表面能的提升有限，其膠體表面能低于主體樹(shù)脂和蠟混合后（1號(hào)膠）的表面能，而含一定量羧基的增粘樹(shù)脂能夠不同程度提高熱熔膠的表面能，其數(shù)值均高于主體樹(shù)脂和蠟混合后（1號(hào)膠）的表面能。

對(duì)于易粘接基材（封箱和普通條盒白卡紙），熱熔膠的表面能對(duì)粘接效果影響有限，主要取決于熱熔膠在基材上的潤(rùn)濕性。對(duì)于難粘性基材（軟包硬化白卡紙），熱熔膠的高表面能，尤其是使用高表面能增粘樹(shù)脂是取得優(yōu)異粘接效果的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]耿志忠,刁立翔,楊帆,張弘胤,董彥林,劉瀑,宋秭龍,劉文富.煙用熱熔膠及其粘接材料表面性能的研究[J].粘接,2022,49(01):46-50.