摘要：針對(duì)紙與膜粘接在低溫環(huán)境下的脫膠失效問(wèn)題，尋求改善其低溫粘接性能的方法。通過(guò)對(duì)比分析不同類型的膠粘劑性能指標(biāo)，篩選出更適合低溫環(huán)境使用的膠粘劑。研究發(fā)現(xiàn)，丙烯酸類膠粘劑在低溫條件下具有較好的粘接性能。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度更低，接觸角更小的膠粘劑，在低溫環(huán)境下具備更好的粘接性能，能滿足日常使用要求，為解決紙膜粘接在低溫下的脫膠問(wèn)題提供了有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：膠粘劑；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；表面張力；接觸角；低溫粘接性能

中圖分類號(hào)：TQ437+.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）01-0035-04

Effect and performance comparison of different adhesives on paper film bonding in low temperature environment

WANG Na1，XU Jianwei2，WANG Bo1，HU Suxia1，CHEN Lin1，YANG Xi1，LIU Xinghai2

（1.Hubei China Tobacco Industry Co.，Ltd.，Wuhan 430030，China；

2.Research Center of Image Communication and Printing Packaging，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

Abstract：Aiming at the problem of debonding failure of paper-film bonding in low-temperature environments，a method to improve its low-temperature bonding performance was sought.By comparing and analyzing the perfor-mance indexes of different types of adhesives，a more suitable adhesive for low-temperature environment was screened out.It has been found that acrylic adhesives have better bonding performance at low temperatures.Theadhe-sive with lower glass transition temperature and smaller contact angle has better bonding performance in low tempera-ture environment，which can meet the requirements of daily use，and provides an effective solution to solve the prob-lem of degumming paper film bonding at low temperature.

Key words：adhesive；glass transition temperature；surfacetension；contact angle；low-temperature bonding properties

紙與膜的粘接在許多工業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)市場(chǎng)中都有著廣泛的應(yīng)用。從食品和飲料包裝到醫(yī)藥封裝，甚至是復(fù)雜的多層復(fù)合材料，紙與膜的結(jié)合都是關(guān)鍵組成部分[1]。但是，這種復(fù)合材料在低溫環(huán)境下，尤其是在冷凍或接近冰點(diǎn)的環(huán)境中，往往面臨嚴(yán)重的脫膠和失效問(wèn)題。

近年來(lái)，低溫脫膠問(wèn)題已成為工業(yè)界和研究者的關(guān)注焦點(diǎn)，因?yàn)樗鼘?duì)于許多產(chǎn)品的性能和使用壽命有著直接的影響[2]。冷凍食品包裝、冷藏物流以及某些高海拔和寒冷地區(qū)的應(yīng)用場(chǎng)景，都強(qiáng)烈要求紙與膜粘接技術(shù)能夠在低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，在國(guó)內(nèi)外，不少學(xué)者對(duì)膠粘劑的耐低溫性能進(jìn)行了研究，內(nèi)容涉及到聚氨酯改性、膠粘劑耐低溫研究[3-4]，耐低溫環(huán)氧膠粘劑研究[5]以及環(huán)氧樹脂在低溫環(huán)境下的增韌的研究[6]等等。2018年，廖宏等人[7]對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外通過(guò)添加聚氨酯、尼龍、填料和柔性劑等制備耐低溫環(huán)氧膠粘劑的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)未來(lái)耐低溫環(huán)氧膠粘劑的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。2020年，Z.Sápi等[8]回顧了有關(guān)復(fù)合材料，包括膠粘劑，在低溫下的性能表現(xiàn)，如拉伸、壓縮和剪切強(qiáng)度，彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變行為，機(jī)械和熱疲勞響應(yīng)，斷裂韌性，耐沖擊，熱膨脹和熱導(dǎo)率，摩擦學(xué)和磨損以及滲透率等。此外，還討論了在低溫下產(chǎn)生這種性能表現(xiàn)的基本物理原理，并介紹了低溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試所面臨的挑戰(zhàn)。2022年，田富竟等[9]關(guān)注到了低溫環(huán)境下膠粘劑材料的老化壽命問(wèn)題，通過(guò)人工加速老化的方法對(duì)所選用的聚氨酯膠粘材料進(jìn)行加熱老化實(shí)驗(yàn)，對(duì)材料的拉伸強(qiáng)度隨老化時(shí)間、老化溫度等因素的變化及性能退化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并應(yīng)用阿累尼烏斯圖對(duì)聚氨酯膠粘材料進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

對(duì)于紙與膜粘接部位容易發(fā)生低溫脫落現(xiàn)象的問(wèn)題，主要原因?yàn)槭褂玫哪z粘劑耐低溫性能不足，無(wú)法在低溫環(huán)境下保持良好的粘接性能。本文旨在結(jié)合實(shí)際情況以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，深入探討膠粘劑低溫失效問(wèn)題的原因，并提出相應(yīng)的解決措施，以期有效消除紙與膜粘接的低溫失效現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)不同膠粘劑的研究和實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)現(xiàn)有解決方案的改進(jìn)和優(yōu)化，力求為紙與膜粘接提供更為可靠和穩(wěn)定的低溫性能表現(xiàn)。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料與儀器

材料：本試驗(yàn)主要使用的材料為7種不同的水基膠，記為G70，J1，J2，J3，J4，J5，J6，由湖北中煙提供，其中G70為原用膠粘劑。一種包裝紙，一種塑料薄膜，均由湖北中煙提供。

儀器：DMA242型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA，德國(guó)耐馳公司）；CCIZY-1表面張力儀（上海方瑞儀器有限公司）；SL200B接觸角測(cè)量?jī)x（美國(guó)科諾工業(yè)有限公司）；3340系列拉力機(jī)（英斯特朗（上海）實(shí)驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司）；XMTD-8222恒溫恒濕箱（上海成順儀器儀表有限公司）；Nicolet iS50傅里葉紅外光譜儀（賽默飛世爾科技公司（美國(guó)））；7890B 7000C熱裂解氣相質(zhì)譜聯(lián)用（安捷倫科技有限公司）。

1.2試驗(yàn)制備

1.2.1平張化測(cè)試樣品制備

為真實(shí)地模擬包裝中紙與膜的實(shí)際粘接過(guò)程，我們?cè)趯?duì)實(shí)際生產(chǎn)線進(jìn)行詳細(xì)觀察和深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用人工模擬方式對(duì)紙張與薄膜進(jìn)行粘接。首先，將一張裁剪好的薄膜平整地鋪設(shè)在玻璃板上。接著，在紙張的一端滴加適量膠樣，滴加膠樣時(shí)需迅速在距離紙張一端的位置滴加一行8個(gè)點(diǎn)。緊接著，將另一張紙張迅速覆蓋在膠樣涂抹的表面上，覆蓋過(guò)程中需注意保持邊緣的對(duì)齊，且在覆蓋完成后，切勿用力擠壓涂膠部分。將這些粘接好的試樣放置在平整的表面上，并在試樣上方放置一塊定重（10 N）的平整鋼板以保證良好的粘接效果。最后，將試樣置于室溫下進(jìn)行固化處理。待試樣完全干透后放入不同溫度（-15τ到+10τ）的恒溫恒濕箱處理6 h以上。

1.2.2紅外光譜測(cè)試樣品制備

將溴化鉀粉末于130τ下烘干24h，在干燥研缽中充分磨細(xì)（顆粒約2μm）。在壓片機(jī)上壓制透明溴化鉀薄片，均勻滴涂1-2滴經(jīng)水稀釋的膠粘劑樣品，在強(qiáng)光照射10 min左右成膜。取約8 mm×8 mm干樣，壓在ATR平臺(tái)上測(cè)試，掃描范圍400～4 000 cm-1，分辨率2 cm-1，掃描32次。

1.3測(cè)定或表征

1.3.1玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）法進(jìn)行測(cè)定[10]（取干樣品3 mg，置于鋁盤中進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析，-80τ升到60τ，10τ/min，氮?dú)夥諊?，氮?dú)饬魉?0 mL/min）

1.3.2表面張力

取一定量的膠粘劑置于30 mL燒杯中，在25τ利用CCIZY-1表面張力儀采用白金板法測(cè)定乳液的表面張力[11]。以3次測(cè)量的平均值表示，精確至0.1 mN/m。

1.3.3接觸角

按照標(biāo)準(zhǔn)YC/T 424—2011《煙用紙表面潤(rùn)濕性能的測(cè)定接觸角法》進(jìn)行測(cè)定，其中調(diào)整液滴體積為5μL，針頭距離待測(cè)試樣表面約5.0 mm。采用切線法對(duì)每次測(cè)量過(guò)程第5 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)試結(jié)果以5次測(cè)量的平均值表示，精確至0.01°。

1.3.4平張化低溫粘接性能

待試樣完全干透后放入不同溫度（-15τ到10τ）的恒溫恒濕箱處理6 h以上，之后按照GB/T 34444—2017《紙和紙板層間剝離強(qiáng)度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)溫度每組樣品測(cè)試10次，觀察計(jì)算良品率。

1.3.5水基膠樣品主成分分析

綜合運(yùn)用紅外光譜、熱裂解-氣相質(zhì)譜（PY-GCMS，取0.5mg干樣，置于熱解器，550τ12 s，接口溫度：300τ，GC進(jìn)樣口溫度：320τ，分流比：30，柱流速：1 mL/min，升溫程序：40τ（1min）5τ/min到80τ，15τ/min到300τ（15 min）電子能量70 eV，離子源溫度230τ，傳輸線溫度300τ，質(zhì)量掃描范圍m/z 40-550，掃描方式：全掃描）等方法確定7種膠粘劑的主要成分。

2結(jié)果與分析

2.1膠粘劑玻璃化轉(zhuǎn)變溫度結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)7種水基膠的差示掃描量熱（DSC）結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，得到其膠粘劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（表1）。結(jié)果表明，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，只有J1，J5樣品以及J6的膠粘劑樣品的Tg在0℃以下，能夠滿足低溫下（小于0℃）使用的要求，而G70膠粘劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為18.00℃，顯然不滿足在低溫環(huán)境下使用的要求。這一結(jié)果為我們?cè)趯ふ疫m用于低溫環(huán)境下的煙用膠粘劑提供了重要依據(jù)。

2.2膠粘劑表面張力結(jié)果分析

在此之前，利用達(dá)因值法測(cè)試薄膜的表面張力約為36 mN/m。通過(guò)白金板法測(cè)試7種不同膠粘劑的液體表面張力，結(jié)果如圖1所示。從圖1可知J6膠粘劑的表面張力為32.2 N/m，在7種膠粘劑中表面張力最小，而G70膠粘劑的表面張力為36.5 mN/m。通過(guò)固液表面的性質(zhì)可知，液體的表面張力小于固體的表面張力時(shí)，液體才能滲透潤(rùn)濕固體，且液體的表面張力越小，潤(rùn)濕效果越好。所以，在此7種膠粘劑中，J6膠粘劑的潤(rùn)濕效果最好。

2.3潤(rùn)濕性能結(jié)果分析

測(cè)試7種不同膠粘劑在薄膜上的接觸角，結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示大部分膠粘劑在薄膜上的接觸角都小于90°，說(shuō)明這些膠粘劑對(duì)薄膜有一定的潤(rùn)濕性，接觸角越小，潤(rùn)濕效果越好。從膠粘劑對(duì)比看來(lái)，J6膠粘劑的潤(rùn)濕性能最好，接觸角達(dá)到了55.30°，與表面張力測(cè)試結(jié)果一致。其次是J1和J5樣品膠粘劑，分別是66.43°和66.29°。

2.4平張化低溫粘接性能結(jié)果分析

通過(guò)分析煙用包裝膠粘接完成后粘接部位的受力情況，可以知道盒片與潤(rùn)香寶內(nèi)襯紙的膠接面被破壞的通?，F(xiàn)象是被剝離翹起或脫膠，更深入的分析可以明確是受與膠接面呈90°的“剝離力”破壞的，也就是T型剝離。通過(guò)對(duì)所有膠粘劑人工粘接后的平張化進(jìn)行剝離測(cè)試，并對(duì)樣品的良品率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，如圖3所示。結(jié)果顯示，當(dāng)溫度為5～10℃時(shí)，所有的膠粘劑都能滿足使用要求（良品率大于等于90%），當(dāng)溫度低至0℃時(shí)，只有J1、J4、J6膠粘劑能滿足要求。當(dāng)溫度低至-5至-10℃時(shí)，膠粘劑和薄膜的粘接性能開始變差，只有J1、J6膠粘劑能滿足要求。而當(dāng)溫度低至-15℃時(shí)，基本上膠粘劑和薄膜的粘接性能變得更差，只有J6膠粘劑能滿足低溫下的粘接性能要求?？傊?，J6膠粘劑的耐低溫性能十分優(yōu)秀在-15℃到10℃都能滿足低溫下的使用要求。

2.5 G70與J6膠粘劑主成分分析結(jié)果

在之前測(cè)試結(jié)果基礎(chǔ)上，綜合選用原用的G70膠粘劑與粘接性能優(yōu)異的J6膠粘劑進(jìn)行主成分對(duì)比分析。

2.5.1紅外光譜（IR）

G70膠粘劑的紅外波譜測(cè)試顯示，干樣主要為聚醋酸乙烯酯，其中2 859和2 930 cm-1主要是C—H伸縮振動(dòng)特征峰，1 728 cm-1主要是酯結(jié)構(gòu)中C===O伸縮振動(dòng)特征峰，1 228 cm-1附近為醇酯結(jié)構(gòu)中C—O伸縮振動(dòng)特征峰。

J6膠粘劑的紅外波譜測(cè)試顯示，干樣主要為丙烯酸樹脂，其中2 872、2 957和2 928 cm-1主要是C—H伸縮振動(dòng)特征峰，1 728 cm-1主要是酯結(jié)構(gòu)中C—O伸縮振動(dòng)特征峰，1 165 cm-1附近為醇酯結(jié)構(gòu)中C—O伸縮振動(dòng)特征峰。

2.5.2熱裂解-氣相質(zhì)譜（PY-GCMS）

G70膠粘劑的熱裂解-氣相質(zhì)譜聯(lián)用測(cè)試顯示，樣品熱裂解單體主要為醋酸（乙酸），其它熱裂解單體均來(lái)源于聚醋酸乙烯酯樹脂的衍生裂解產(chǎn)物，還有脫水檸檬酸三丁酯來(lái)源于塑化劑檸檬酸三丁酯的高溫產(chǎn)物。

J6膠粘劑的熱裂解-氣相質(zhì)譜聯(lián)用測(cè)試顯示，樣品熱裂解單體主要為丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯，其它熱裂解單體均來(lái)源于丙烯酸樹脂的衍生裂解產(chǎn)物。

目前使用的紙膜粘接膠粘劑主要原料通常為聚乙酸乙烯酯，部分產(chǎn)品則采用丙烯酸酯類原料進(jìn)行聚合和改性制作[12]。通過(guò)紅外光譜（IR）、熱裂解氣相質(zhì)譜（PY-GCMS）等定性定量分析手段，我們得知原用的G70膠粘劑的主要成分為聚醋酸乙烯酯（PVAc），而J6膠粘劑的主成分為由丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯和丙烯酸乳液共聚而成的丙烯酸樹脂類。

與PVAc相比，丙烯酸系聚合物具有較高的粘接強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，因此J6膠粘劑在低溫環(huán)境下的粘接性能明顯優(yōu)于原用的G70膠粘劑。然而，丙烯酸乳液膠粘劑也存在一定的局限性，如耐水性較差、干燥時(shí)間較長(zhǎng)以及易發(fā)生霉變等問(wèn)題。這些缺點(diǎn)在產(chǎn)品應(yīng)用過(guò)程中需要予以充分關(guān)注，以確保煙用膠粘劑在各種環(huán)境條件下都能發(fā)揮出良好的粘接性能。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同膠粘劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、表面張力、接觸角以及人工粘接效果等方面的綜合分析，本研究得出以下結(jié)論：

首先，在不同水基膠的人工粘接效果評(píng)估中，J6膠粘劑在低溫條件下展現(xiàn)了卓越的性能，能在-15℃環(huán)境中穩(wěn)定工作。這主要?dú)w因于其較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），確保其在低溫環(huán)境下不發(fā)生不良的相態(tài)轉(zhuǎn)變。此外，其較小的接觸角和表面張力為其提供了更好的滲透性和粘接能力。進(jìn)一步分析J6水基膠的主要成分，發(fā)現(xiàn)其主要由丙烯酸酯類組成，相比于G70水基膠的PVAc類成分，其粘接和耐低溫性能更為出色。因此，本研究證實(shí)了J6膠粘劑在低溫條件下的使用效果明顯優(yōu)于原用的G70膠粘劑。

基于以上結(jié)論，建議在低溫環(huán)境下選用J6水基膠，同時(shí)未來(lái)研究可進(jìn)一步探討不同膠粘劑及紙與膜的組合在更廣泛的低溫應(yīng)用場(chǎng)景下的表現(xiàn)，為包裝行業(yè)提供更多有針對(duì)性的解決方案。

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（責(zé)任編輯：張玉平）