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环保型黏合剂在包装材料中的应用

时间: 2011-07-06 08:00 来源: 作者: 点击:
在这个题目下,要讲二个大问题。第一个问题是怎么样的黏合剂才是环保型的,环保型黏合剂应具备的内涵是什么。第二个是环保型黏合剂的应用及特性。

怎么样的黏合剂才是环保型的黏合剂,这要从包装材料中使用黏合剂的历史变革谈起。

软性复合包装材料是指以各种薄膜、纸张和铝箔等基材,用黏合剂将它粘合起来做成的包装膜或包装袋。在我国,用各种方法去制造复合包装材料的产业,是从上个世纪的七十年代中期萌芽起步、八十年代中期快速发展、九十年代以后飞速前进、至今形成了完整工业体系的朝阳产业,其中以干式复合方法为主,大部分都用在食品和药品的包装之中。

我国在干式复合中使用的黏合剂,最早是用单组份的溶剂型黏合剂,到八十年以中期后,采用酯溶性的聚氨酯黏合剂,且一直大量使用到现在,到九十年代后期出现了无溶剂的聚氨酯黏合剂,本世纪初又出现了水性黏合剂和醇溶性黏合剂。最近几年,人们把无溶剂型、水性型和醇溶性黏合剂统称为环保型黏合剂。

究竟哪一种黏合剂才是卫生安全、绿色环保?这得对它们进行逐个的分析叙述,要与无毒无害、卫生安全、保护环境、节约资源、降低能耗的内涵去对照,才能得出答案。

单组份溶剂型黏合剂

它是以合成为基料,再加上增粘剂、抗氧剂和稳定剂,用有机溶剂做成的,有些产品中还含有苯类溶有点像现在的压敏胶,它能把所有基材都粘合起来,价钱便宜、使用方便,在上个世纪的七十年代中期到八十年代中期曾风行一时。但是,粘合牢度不高、不耐热、不耐水、也不耐介质的腐 特别是残留溶 多、有异味、有毒性,又有易燃易爆的危险,不符合卫生安全、绿色环保的要求,所以自八十年代中期后便逐步被淘汰,被酯溶性的聚氨酯黏合剂所代替。

水性黏合剂

最近三、五年出现的水性黏合剂,包括水性的聚丙烯酸酯类和水性的聚氨酯这二大类。

水性聚丙烯酸酯黏合剂

它是以丙烯酸、丙烯酸酯(甲酯、乙酯、丁酯、羟乙基酯等)和甲基丙烯酸酯等共聚而成的。在这个体系中,不仅仅含丙烯酸酯共聚物和水这二种简单的物质,还含有残留的催化剂或其分解产物、自由基、乳化剂、PH

节剂、稳定剂、抗冻剂等。这些助剂是否卫生安全,是否对人体无害,目前还没有肯定的结论。况且,提供这类产品的企业在介绍其产品性能和应用技术时,还特别提醒不能用纯水去稀释,而一定要用水和异丙醇“对冲”后的混合物去稀释。我们知道,异丙醇是有机溶剂,沸点为82.4℃,是易燃易爆的一级易燃液体。异丙醇对人体的生理作用比乙醇强,其毒性、麻醉性以及对粘膜的刺激也比乙醇强,大鼠经口的LD50只有5840mg/公斤体重(乙醇为13700mg/公斤体重),只有乙醇的43%,又有报导说长期接触异丙醇会导致鼻腔癌,自上世纪八十年代中期后,就限制滥用异丙醇。因此,像这样的水性聚丙烯酸酯类黏合剂,也还不能称其为环保型黏合剂。

水性的聚氨酯黏合剂

它用水代替醋酸乙酯,无臭无味,没有刺激性,不会燃烧爆炸,使用安全,成本也便宜,这是它的优点。但是要做成水性聚氨酯黏合剂,其体系中所含的物质也和水性聚丙烯酸酯黏合剂一样复杂,这些物质也同样存在着是否卫生安全,是否绿色环保的问题。如果是双组份的水性聚氨酯,在含—NCO基那个组份中,保护该 —NCO基不与活泼的水分子发生化学反应的“封端剂” ,其卫生安全性问题更大,若采用酚类化合物,那它对人体健康的损害就更为明显。这样看来,水性聚氨酯黏合剂也很难说是环保型黏合剂。

醇溶性聚氨酯黏合剂

它与自上个世纪五十年代起一直沿用至今的酯溶性聚氨酯黏合剂相比,就其基料而言是完全相同的聚氨酯,只不过所采用的溶剂由醋酸乙酯改为酒精而巳。

酒精和醋酸乙酯都是有机溶剂,同样存在着易燃易爆的危险和对大气污染的问题,而且经过最近六、七年的研究发现,酒精对人体健康的损害是十分严重的,它比醋酸乙酯对人体健康损害的广泛性和严重性更可怕。

酒精对人体健康有严重的损害作用,其理由是酒精(也即是乙醇)被吸入体内后,在氧化酶的作用下被氧化,生成乙醛:

美国科学家认为,乙醛和甲醛一样,都是一种致癌性物质,所以乙醇并非无毒。

另外,从86年版《溶剂手册》的毒性描述中可以看到,酒精和醋酸乙酯相比,在对人体器官损害的广泛性和严重性方面,酒精要比醋酸乙酯更为严重和厉害,

乙醇(即酒精) 除了损害中枢神经和麻痹运动反射外,还会引起胃炎、消化不良、慢性肝病和肝硬变,甚至引起胰腺和心脏疾病。

醋酸乙酯 有麻醉作用,其蒸气刺激眼、皮肤和粘膜,高浓度蒸气能引起肝、肾充血,大量持续吸入,则可发生急性肺水肿。

酯溶性聚氨酯黏合剂

以醋酸乙酯为溶剂的,只含聚氨酯树脂、美国FDA批准使用的助剂和醋酸乙酯这三种简单的物质,甚至可以只含聚氨酯树脂和醋酸乙酯二种物质,不再含其他不明其卫生安全性能的添加物,自上个世纪五十年代末起,就应用于食品和药品的之中,至今仍大量应用,在我国约有80%的复合材料都是用它去制造的。

就胶料本身来说,经过五、六十年的实际考验、检测、研究和长期全面严格安全性毒理学评价试验,表明这种酯溶性聚氨酯黏合剂是卫生安全的,它的LD50高于21500mg/kg体重,MTD也´大于20000mg/kg体重,远远高于最高安全级别的15000mg/kg体重——这个“无毒级物质”的数据,酯溶性聚氨酯黏合剂中所采用的醋酸乙酯,是属于易燃易爆的一级易燃液体,对人有刺激作用,但对人体健康没有多大的损害。因此,笔者认为它是比较符合卫生安全、绿色环保这一要求的黏合剂产品。

无溶剂型黏合剂

无溶剂型的黏合剂,除了胶料以外就不再含有任何溶剂介质,它既不含有毒有害或易燃易爆的有机溶剂(苯类、醇类或酯类),也不含热容量很大、要用大量热能去干燥的水,因此,使用无溶剂型黏合剂就不存在对操作人员的刺激毒害问题,不存在燃烧爆炸的危险,不会有水汽对机械设备的锈蚀,也没有废气排放、污染空气、破坏环境的问题,其成份就只有聚氨酯和经美国FDA批准过的、卫生安全的助剂这么二种,甚至还可以简单到只有聚氨酯树脂一种,不再有卫生安全性能不确定的东西,它比酯溶性聚氨酯黏合剂更可靠,若是脂肪族的,则更加卫生安全。

在使用无溶剂型黏合剂时,不需要庞大的加热、鼓风和排风系统,比水溶性和酯溶性更节能,机械设备更简单和紧凑,它的复合开机速度很高,最高的可达每分钟600米,大多数都在400~480米,是水性胶的四到五倍、溶剂型的三到四倍,所以劳动生产率很高,生产成本较低。由于无溶剂型黏合剂是100%可利用的物质,每平方米面积的上胶量又少,一般不超过2克,因此,节约了资源,黏合剂的成本消耗也更低。

各种黏合剂比较结果

从对人体无毒无害、没有废气、对环境友好、不燃不爆、降低能耗、高速高产、节约资源等内涵去考虑,无溶剂型黏合剂才是真正意义上的“环保型黏合剂” ;

以醋酸乙酯为溶剂的酯溶性黏合剂,是卫生安全和比较符合绿色环保型的黏合剂;

醇溶性的聚氨酯黏合剂,因其含大量的酒精和某些不明其卫生安全性是否可靠的添加剂,很难把它说成是卫生安全、绿色环保型的黏合剂;

水性聚丙烯酸酯黏合剂,与醇溶性黏合剂相比,只具有不燃不爆、没有刺激和水的价格低廉的优点,但在卫生安全性和还要用异丙醇和水“对冲”的混合物才可以去稀释来看,它与真正意义上的卫生安全、绿色环保型黏合剂还不太吻合;

单组份的压敏胶,持别是含有苯类溶剂的压敏胶,就更不是卫生安全、绿色环保型黏合剂了。

环保型黏合剂在复合材料中的应用和特性

无溶剂型的聚氨酯黏合剂,不管它是脂肪族的还是芳香族的,都有单组份和双组份二种。

单组份的无溶剂聚氨酯黏合剂,与单组份溶剂型聚氨酯黏合剂中的胶料,是同一种分子结构的物质,都是带多异氰酸酯基(即—NCO)的、具有一定大小分子量的聚合物:

单组份无溶剂聚氨酯黏合剂,是靠湿汽交联固化的产品。一般情况下,被复合的基材中,最少有一种是水蒸汽透过率很大的材料,例如纸张、织物,或者是基材表面吸留水较多,或者在复合时定量加湿(即喷洒水蒸汽),以便让胶中的异氰酸酯基可以交联固化。但是,在使用这种胶粘剂时,加湿量较难控制,产品质量难于把握。因此,也和干式复合工艺方法相似,目前应用得最多的还是双组份无溶剂型聚氨酯黏合剂,而单组份的就很少使用。

双组份无溶剂聚氨酯黏合剂,跟溶剂型双组份聚氨酯黏合剂一样,分主剂和固化剂二个组份。使用时,主剂与固化剂按定量的比例混合,充分搅拌均匀,然后涂布在第一基膜上,不要加热排风烘干,就可以直接跟另一种基膜复合了。它是靠固化剂中的异氰酸酯基跟主 —中的活泼氢反应去达到交联固化的。

这种交联固化是“加成聚合”的化学反应,不会像“缩合聚合”反应那样要放出低分子量的副产物(如水或二氧化碳等),复合的产品不会有气泡、白点等缺陷,质量比较高而且容易控制、稳定。交联固化的最终产物是立体构像的网状分子,除了氨基甲酸酯外,还有脲或缩脲的结构。

经过近四十年的发展,质量很高的双组份无溶剂聚氨酯黏合剂已经商品化,其中包括了普通的塑/塑复合型、铝/塑复合型、耐水煮型和耐蒸煮型等,复合时的操作温度,也从第一代的80~90℃发展到第二代的60~70℃,再到第三代的40~50℃,越来越向室温靠拢,这就为使用者提供了便利,很受欢迎。

当然,由于无溶剂聚氨酯黏合剂的分子量较小,初粘力低,往往造成复合物有皱纹、隧道,操作时要特别小心地去控制基材的张力,这是它比不上溶剂型黏合剂的地方。

由于无溶剂聚氨酯黏合剂完全抛弃了任何种类的溶剂,是100%的有效物质,资源利用率最高,符合节约、合理和可持续发展的科学发展观要求,又不需耗费大量热能去进行烘干,能量消耗少,而且无溶剂复合设备的价格要比干式或湿式复合设备便宜,设备占地面积又小,总体投资大约可减少二分之一,它的生产速度与干式复合相比高出二到三倍,产出率极高,再加上干基涂胶量比水剂型或溶剂型要少,整个无溶剂复合的生产成本,比溶剂型的干式复合,起码降低40%~50%。

无溶剂聚氨酯黏合剂不像水剂型或醇溶型那样含有很多助剂,它的全部成份都是已知的、符合美国FDA 21CFR § 175·105 条和我国的GB9685《食品容器、包装材料用助剂使用卫生标准》中规定的物质,不存在对人体有毒有害的助剂或添加物,它跟酯溶性聚氨酯黏合剂一样,完全可以做到卫生安全、放心可靠,完全可以做到没有残留溶剂和助剂、没有异味和毒性,特别是随着能量交联固化型的无溶剂聚氨酯黏合剂的成功开发和应用,它可以在紫外线或电子束作用下,在几秒钟内达到交联固化的目的,下机后就可以当即分切制袋,随即就可以灌装内容物并允许经受巴氏、煮沸甚至高温蒸煮的杀菌处理,大大缩短了交货期、提高了劳动生产率,经济效益十分显著。

无溶剂黏合剂及其制造复合包装材料的工艺方法,具有许多优点,在目前的所有品种中,笔者认为它是最符合卫生安全、绿色环保要求的一种胶型,应该大力开发研究和推广应用。

虽然现在的无溶剂黏合剂还不能全面赶上酯溶性聚氨酯黏合剂的质量,例如还不能耐130℃以上的高温蒸煮,也还没有抗介质特别是抗强腐蚀性介质(如有机溶剂、强酸强碱、液体农药等)的产品,但是,随着开发研究的深入,它的品种会不断增加,质量会有所提高,应用领域会不断扩大,最终会与酯溶性聚氨酯黏合剂平起平坐、并驾齐驱,甚至到某个时候,无溶剂黏合剂就可以基本上代替其它类型的黏合剂,绝大部分复合包装产品都可以用无溶剂复合的工艺方法去生产了。(end)

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