煙用熱熔膠及其粘接材料表面性能的研究

研究背景

近年來，隨著我國工業自動化進程的不斷加快，熱熔膠由于具有環保、固化速度快等特點，其發展取得顯著成效。與此同時，高裝飾包裝材料的應用不斷擴大，對熱熔膠的粘接性能提出了新的挑戰。卷煙工業中對煙支的“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或聚烯烴熱熔膠對其進行粘接，經常出現開膠、粘接不牢等問題。

為了擴大EVA熱熔膠的應用范圍，提高其在難粘材料上的應用，本文采用OWRK法測定熱熔膠及其原料、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系，最后結合粘接力學數據，討論材料表面能與粘接性能的關系。

實驗方法

儀器：Drop Shape Analyzer-DSA25接觸角測量儀，德國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平臺上，使用去離子水和二碘jia烷兩種液測定接觸角，然后進行表面能及分量的計算。

結果與討論

1.包裝材料

包裝材料的接觸角、表面能及其分量見表1。

表1 煙用包裝材料數據表

煙用包裝材料在生產過程中，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），為提高強度防止吸水后變軟，所以其與水的接觸角大于90°，實測在103.5°，二碘jia烷則體現*潤濕，無法測定其接觸角。

普通條盒紙和軟包硬化紙均是以白卡紙為基材，具有一定的強度，表面進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低于軟包硬化紙，同時，前者正面與二碘jia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、表面能及其分量見表2。

表2 煙用熱熔膠主要原料數據表

增粘樹脂的表面能在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脂對纖維類基材的粘接性要優于高醋酸乙烯含量。5#和6#原料為煙用熱熔膠兩種常用蠟：乙烯蠟和費托蠟，其中，費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脂，其中，C9氫化石油樹脂與水及二碘jia烷的接觸角均最大，表面能zui低，為42.0mN/m。11#原料為實驗室自制馬來酸酐改性松香季戊4醇酯樹脂，由于含有一定過量的馬來酸酐，其對水的接觸角減少至51.7°，與二碘jia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表3。

表3 自制煙用熱熔膠數據表

由表3可知，1號膠使用費托蠟改性聚醋酸乙烯與乙烯共聚樹脂，導致表面分子中的結構、結晶和分布狀態的改變，致使表面能由30.8mN/m上升至41.5mN/m。2號膠在1號膠的基礎上，加入了松香，通過松香中的羧基親水基團進一步提高膠體表面能。3號膠的表面能下降為38.3mN/m，是由于所使用材料的水滴角均較高，導致表面能偏低。4、5號熱熔膠分別采用材料9#或10#（即氫化C5或C9）替換3號膠中的松香季戊4醇酯，得到4號熱熔膠的表面能與3號幾乎相等，略高于5號膠。基于以上，我們看到單獨使用增粘樹脂時，即使少量松香加入也會使熱熔膠在主體材料（1號膠）基礎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，即使大量加入也會導致表面能減少，在37.6 ~38.4mN/m，這是由于大量增粘樹脂的存在減少了膠中唯1能與水形成氫鍵的酯基在表面的數量，使3~5號膠表面親水性降低，表面能降低。

鑒于增粘樹脂的親水性對熱熔膠表面能影響較大，利用松香季戊4醇酯對二碘jia烷接觸角較小的性質，實驗室制備了馬來酸酐改性松香酯樹脂，其表面性質如上所述。分別在6號和7號膠中添加了材料11#，從結果看，11#的加入使兩項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號對比，得知其加入量對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比

表4為采用表3中1 ~7號膠進行粘接實驗后測得的粘接強度數據。由表4可得，紙箱屬于易粘接材料，1~7號膠均達到基材破壞的效果。普通條盒包裝材料，粘接效果也較為理想，2 ~7號膠配比均能達到基材破壞，這說明在基材表面能為44.7mN/m，屬于高表面能材料時，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號膠的膠粘效果要相對差一些，說明對于高表面能基材，膠粘效果不由熱熔膠表面能的高低決定，而取決于對基材的潤濕性。對于軟包硬化白卡紙，其表面能為31.5mN/m，屬于低表面能基材。1 ~ 5號膠粘接效果均不理想，剝離強度均小于5N/cm，這是由于低表面能所導致。6和7號膠粘接效果較為理想，其中6號膠對基材的粘接剝離強度最高，達到11.2mN/m，破壞類型為膠層開裂，7號膠強度達到7.8N/cm，破壞類型為基材破壞。6和7號膠表面能與2~5號膠有明顯差異，是取得高粘接性和基材破壞效果的主要原因。

結論

應用OWRK法測得煙用包裝材料、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，均分別高于主體樹脂和蠟的表面能。松香季戊4醇酯、氫化C5和C9對熱熔膠表面能的提升有限，其膠體表面能低于主體樹脂和蠟混合后（1號膠）的表面能，而含一定量羧基的增粘樹脂能夠不同程度提高熱熔膠的表面能，其數值均高于主體樹脂和蠟混合后（1號膠）的表面能。

對于易粘接基材（封箱和普通條盒白卡紙），熱熔膠的表面能對粘接效果影響有限，主要取決于熱熔膠在基材上的潤濕性。對于難粘性基材（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脂是取得優異粘接效果的關鍵。

參考文獻

[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.