在包装工业中,除了要用塑料、纸、木材、金属等包装材料外,还需要一些其他的材料与这些材料配合才能够形成一个完整的包装,这些材料称为包装辅助材料。包装辅助材料主要包括各种黏合剂、涂料、包装件用的捆扎材料以及封缄材料等。
黏结剂又称黏合剂,是一种生活中不可缺少的材料。黏结剂已渗入到各个领域,在交通工具、航空航天工业、建筑、家具等领域中广泛使用,在包装业和印刷业中也是如此,如在制作纸盒、纸箱等包装容器中,是离不开的一种材料。
(一)黏结利的组成及分真
1 .黏结剂的组成
黏结剂一般由几种成分组成,通常是以具有黏性或弹性体的天然产物或合成高分子化合物(无机黏结剂除外)为基料,并加入固化剂、填料、增韧剂、稀释剂、防老剂等添加剂组成的一种混合物。对于一种具体的黏结剂来说,并不都需要这所有组分。这主要决定黏结剂的性质和使用要求。
(1)基料
这是黏结剂的主要而必需的成分,又称为基体,也称黏结剂的骨架。它具有使黏结剂赋于黏附的特性。基料通常是由一种或几种高分子化合物混合而成。如淀粉、天然橡胶、合成橡胶、合成树脂等。对基料的主要要求有:
① 对被黏结制品材料应有良好的黏附性和润湿性。
② 应具有一定的基料强度和韧性。
③ 对被黏结制品材料不产生化学反应及腐蚀,而且耐使用介质的作用。
④ 应具有一定的耐热性能,能经受得住使用温度的变化。
⑤ 基料本身应具有一定的耐老化性能,并能溶入一定的有机溶剂中。
有时,单独使用一种热固性树脂作基料,常不能满足黏结剂多种性能的要求。因此,常在基料中加入橡胶或热塑性树脂或其他热固性树脂,以改善黏结剂的性能。如,在热固性树脂中加人橡胶,可增加黏结层的柔韧性,从而使冲击、弯曲、剥离强度得到提高。
(2) 固化剂又称硬化剂或熟化剂
它能使线型分子形成网型或体型结构,从而使黏结剂固化。一般按基料固化反应的特点和需要形成黏结层膜的要求(如硬度、韧性等)以及使用时的情况等来选择固化剂,也可以根据使用要求与具体条件进行选择。
(3) 填料
填料的加人可以增加黏结剂的弹性模量,降低线膨胀系数,减少固化收缩率,增加黏度、抗冲击韧性,提高使用温度、耐磨性能、胶接强度。改善黏结剂耐水、耐介质性能和耐热老化性能等。此外,由于填料的加人也相应地降低了黏结剂的生产成本。
当然,填料的加人也有不利的一面,即增加了黏结剂的重量,增加了黏度而不利于涂布施工,丧失了透明度,容易造成气孔等。
(4) 增韧剂
增韧剂能改善黏结剂的性能,增加韧性、降低脆性,提高黏结层的抗剥离、抗冲击能力,且可以改善黏结剂的流动性、耐寒性与耐振性等。但同时会使黏结剂的抗剪强度、弹 性模量、耐热性能等有所降低。增韧剂按其是否参与固化反应情况,可分为惰性增韧剂与活性增韧剂。惰性增韧剂是高沸点液体或低熔点固体有机物,与基料有良好的相溶性,它不参与黏结剂的固化反应,仅为机械混合。活性增韧剂起增韧作用,它参与黏结剂的固化 反应,并进人到固化产物最终形成的一个大分子链结构之中。
(5) 稀释剂
稀释剂的主要作用是降低黏度,以便于涂布施工。同时,也延长黏结剂的使用时间。
稀释剂分为两大类:一类为非活性稀释剂又称为溶剂,如丙酮、甲乙酮、乙酸乙酯、苯、甲苯等。它不参与黏结剂的固化反应;另一类是活性稀释剂,既可以降低黏结剂的黏度,又参与黏结剂的固化反应,如环氧丙烷丙基醚、甘油环氧树脂等。因此,能克服因溶剂挥发不彻底而使黏结剂的性能下降的缺点,但活性稀释剂一般都有毒性,易使皮肤过敏,使用时应慎重。
(6) 促进剂及着色剂
在热固性黏结剂中,凡能加速固化反应或降低固化反应温度的物质叫固化促进剂,如环氧树脂黏结剂中常用的叔胺、酚类、硫脲等。
使黏结剂赋予所要求的颜色,称为着色剂。可使黏结剂黏结或黏补好的制品外表美观。
在黏结剂的组成中,除了上述几个组分外,还可以加人其他特殊组分,如抗紫外线老化剂、抗蚀剂等。
2. 黏结剂的分类
黏结剂的品种繁多,用途各异,一般按照黏结剂的基料性质来进行分类:有机黏结剂和无机黏结剂两大类。
(1) 有机黏结剂
有机黏结剂有天然黏结剂和合成黏结剂。天然黏结剂有:骨胶、虫胶、淀粉、糊精、松香等。合成黏结剂品种很多,主要有树脂型黏结剂、橡胶型黏结剂和混合型黏结剂。天然黏结剂常用于黏结纸张、木材和皮革等,天然黏结剂的来源少,性能不够完善,逐渐有趋向淘汰的趋势。
合成黏结剂发展很快,品种很多.性能也很优良。树脂型黏结剂的黏结强度高,硬度、耐热、耐介质的性能都很好,但具有一定的脆性,韧性和起黏性较差。橡胶型黏结剂有很好的起黏性和柔韧性、抗振、抗弯曲性能比较好,但强度和耐热性比较低。混合型黏结剂是将树脂与橡胶或多种树脂、橡胶混合使用,相互掺混,取长补短,既提高强度,又增加柔籾性。
合成树脂型黏结剂又可分热固性树脂黏结剂和热塑性树脂黏结剂两大类。热固性树脂黏结剂是通过加热固化后成为坚硬的不熔不溶的物质,再加热不会变软。如环氧树脂、脲醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯等。热塑性树脂黏结剂加热会软化,冷却后变硬.有一定的强度,再受热又会软化。如聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇等。
(2) 无机黏结剂
无机黏结剂有磷酸盐类黏结剂、硼酸盐类黏结剂、硅酸盐类黏结剂。在包装业上用得最多的是硅酸盐类黏结剂。如硅酸钠黏结剂(也称水玻璃)。
(二)包装素用黏结剎
1. 天然黏结剂及无机黏结剂
天然黏结剂是人类应用最早的黏结剂,按来源可分为动物胶、植物胶和矿物胶等,而按化学结构则可分为葡萄糖衍生物、氨基酸衍生物及其他天然树脂等。无机黏结剂也称为无机胶,如水泥、石膏、水玻璃及其他无机黏结剂都有非常广泛的应用范围。
葡萄糖衍生物黏结剂是从植物中提取出的胶质,包括淀粉、糊精、阿拉伯树胶及海藻酸钠等。淀粉糊在热的时候黏度较低,冷却时黏度和凝胶强度都增大。以尿素、硫脲作糊化剂时黏度较低,而以硼砂与氧结合,则具有交联效果,使糊液黏度升高,在一定浓度时流动性消失。
氨基酸衍生物黏结剂主要是氨基酸组成的蛋白质类黏结剂,用于包装工业中的这类黏结剂主要有酪朊、骨胶等。酪朊使用时先加水使其膨胀,再加入一些碱性附加剂使其易于溶解,然后加热、搅拌,使其配成25%的溶液。新加的碱性附加剂可选用硼砂、氨水、氢氧化钠、磷酸钠、碳酸钠、硅酸钠等。
酪朊黏结剂特别适用于木材制品(包括软木、纸张、胶合板、纤维板等)的黏结加工,以及木材与金属、陶瓷、塑料、玻璃等异种材料的黏结。若在酪朊黏结剂中加人橡胶乳液等柔软的黏结剂,将会产生更好的作用。
骨胶是骨胶朊衍生的蛋白质总称,属于硬蛋白,水解后便变为明胶,明胶除纯度高、品质好以外,与骨胶没明显的区别。
骨胶对皮革、纸张、金属、木材等都有很强的黏合力,被广泛用于包装工业中。如胶合板、木材的黏结,可涂在纸的背面制成胶黏带,用以密封硬纸板及皱纹纸的包装箱,也用于纸袋、纸盒的黏结。
在天然黏结剂中,除葡萄糖衍生物、氨基酸衍生物外,还有一些其他的动植物树脂和矿物树脂。如木素、单宁、生漆、松香、虫胶、沥青等。生漆、松香、虫胶、沥青在包装工业中应用较多。如松香树脂黏结剂可直接用作金属材料,尤其是金属箱包装材料的黏结。虫胶黏结剂特别适用于金属的黏结及塑料等的黏结。
无机黏结剂是一类包括范围相当广泛的黏结材料,如水泥、石膏、硅酸盐等。
2. 合成树脂黏结剂
合成树脂黏结剂是当今产量最大、品种最多、应用最广,也是对国民经济和科学技术发展影响最大的黏结剂。
合成树脂黏结剂可分为的热塑性、热固性和复合型3种类型,而热塑性黏结剂又有热熔黏结剂、溶剂型黏结剂、乳液型黏结剂之分。
(1) 乳液型黏结剂
乳液型黏结剂一般以水为介质、成本较低、无毒、色浅,有良好的稳定性和作业适应性,而且聚合物乳液的树脂的相对分子量可以很高,因此,黏结剂膜的强度较好。乳液黏结剂不用加热或固化剂就能较快地固化。乳液黏结剂的最大缺点是耐水性不佳、蠕变性较大,当然,这两个缺点可通过提高树脂的相对分子量得到一定的改善。乳液型黏结剂最具代表性的是聚醋酸乙烯及其共聚物。
聚醋酸乙烯乳液黏结剂在黏结剂市场上占有很大位置。由于稳定性好,能和填料、增 塑剂等很好地混合.黏度可以自由调节、有良好的早期黏结强度等优点。聚醋酸乙烯乳液可单独使用,也可与脲醛树脂掺混,主要用于木材的黏结,如胶合板、塑料层合板等木材与木材、木材与塑料薄膜的黏结加工。与脲醛树脂并用不仅可以精度降低成本,而且可以提高黏结层的抗水性和耐热性。聚醋酸乙烯乳液还可作为纸张的黏结,用于自动包装、硬纸板加工,铝箔与玻璃纸的层压等。
(2) 溶剂型黏结剂
溶剂型黏结剂是包装中比较常用的一大类黏结剂。将热塑性聚合物、天然橡胶或合成橡胶等物质用适当的溶剂溶解.即可制成溶剂型黏结剂。大部分溶剂型黏结剂是以有机溶剂为溶剂,也有部分是以水为溶剂的。溶剂型黏结剂主要有以下两种:
① 聚乙烯醇溶剂型黏结剂。聚乙烯醇的单体是不稳定的,因此,不能由单体直接聚合而制得,而是由醋酸乙烯在甲醇中的聚合物,经水解而制得。
② 纤维素衍生物溶剂型黏结剂。纤维素衍生物树脂及混合纤维素树脂都可以制成溶液型黏结剂。包装工业中常用的纤维素衍生物黏结剂有硝酸纤维素黏结剂、醋酸纤维素黏结剂、乙基纤维素黏结剂、甲基纤维素黏结剂。
除上述介绍的两类外,还有聚醋酸乙烯、聚丙酸乙烯、聚酰胺等。
(3) 热熔型黏结剂
热熔型黏结剂是一种不含溶剂或水的热塑性树脂为基材的固体黏结剂。其受热时熔融,与被黏物黏结,黏结界面在冷却后固化,而具有一定的黏结强度。这类黏结剂又称为热熔胶。
热熔型黏结剂是多组分黏结剂。它以热塑性树脂为黏结料,加人增黏剂和石蜡等配制而成。按不同性能要求,可适量加人增塑剂、抗氧剂和填料等。
由于热熔型黏结剂具有固化速度快、多功能、黏结范围广,在包装、纸制品加工、木工、纤维加工等部门已有悠久的应用历史。目前,又在某些领域中开拓了新的用途。如罐头的封合,过去全都采用机械方法,现已采用热熔型黏结剂黏结。
(4) 热固性树脂黏结剂
热固性黏结剂是以热固性高分子化合物为主要黏结物质的黏结剂,它可以是单组分的,也可以是两种以上组分的。
大多数热固性树脂黏结剂是由含多官团的线型聚合物或单体,在固化剂或引发剂的作用下,发生不可逆的化学反应,或在加热等其他因素的作用下转变成不溶不熔物,从而获得一定的黏结能力。
热固性黏结剂耐热性、耐水性及耐腐蚀性好,蠕变小,黏结强度高,常用于要求强度高的结构件的黏结。对于主要是薄膜、金属箔、纸和片材的黏结,热固性黏结剂一般应用得较少。
用作热固性黏结剂的主要树脂有:氨基树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂等。
(5) 复合型树脂黏结剂
热塑性树脂黏结剂和热固性树脂黏结剂各有其特点,为了在某些特殊的场合以及在结构件上应用,往往需要具有综合性能的黏结剂一复合型树脂黏结剂。复合型树脂黏结剂品种很多,在包装工业中使用最多的是乙烯醋酸乙烯共聚物、丁腈酚醛树脂等。
丁腈橡胶因含有腈基.而对金属有很好的黏合强度。如果再加上羧基,则使金属的黏结性有进一步的提高。用这样的活性基化合物与酚醛树脂复合,在加热时,一方面,酚醛和丁腈橡胶中的双键结合而固化;另一方面,丁腈橡胶中的腈基和酚醛树脂的羟甲基反应,具有和硫化同样的交联作用。
3. 橡肢黏结剂
橡胶是一类对各种物质都有良好黏结性能初期黏结力大的黏结剂。同时,橡胶所具有的弹性,对不同膨胀系数的材料的体积收缩或膨胀,对忍受冲击与振动的部件,都有相当出色的缓冲作用,但天然橡胶耐油和耐溶剂性能很差,与之接触会明显地膨胀或溶解。因此,在实际应用中都采用改性橡胶黏结剂或合成橡胶黏结剂。在包装工业中使用较多的是丁腈橡胶和丁苯橡胶等。
(1) 丁腈橡胶黏结剂
丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈乳液聚合的共聚物,丁腈橡胶黏结剂一般以丁腈橡胶为主体。为了提高黏结强度,可加人改性树脂如改性酚醛树脂、醇酸树脂、聚氯乙烯树脂等。为了提高与金属的黏合性,可加入氯化橡胶。为了改进黏附性,还可使用双酯类、松脂酸或豆酮树脂等。为了增加柔软性和耐寒性.可使用邻苯二甲酸二丁酯等。为了提高丁腈橡胶黏结剂的稳定性,可使用三甲基二氢喹啉等防老剂。
丁腈橡胶黏结剂的外观层是淡棕色到深棕色的黏稠液体,含固量为25%〜30%,喷涂用的黏度为150〜500cP,刷涂用的黏度为1500〜4000cP。储存稳定性较差,储存期一般不宜超过6个月。
丁腈橡胶在常温下的耐水性很出色,可以在高温的场合下长期应用,但在40°C以上的水中或在较高温度的水蒸气中强度就会下降。它还有良好的耐化学介质性,耐油性也比其他黏结剂要好。
丁腈橡胶黏结剂可根据用途制成溶液型、乳液型或低聚合度液态3种类型,适用于金属、塑料,尤其适用于黏结聚氯乙烯板材、聚氯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯织物等软质聚氯乙烯材料,如聚氯乙烯与金属、木材、硬质纤维板等制造的复合材料。
(2) 丁苯橡胶
丁苯橡胶是由丁二烯与苯乙烯在25〜50°C (高温下苯橡胶)或在10°C以下(低温丁苯橡胶)乳液聚合制得的无规共聚物。丁苯橡胶的固有黏性较差,很少单独作黏结剂用,大多采用其他树脂来改进如黏性、内聚强度和耐热性等这样一些性能。提高丁苯橡胶黏结剂性能的树脂有松香、松香脂和一些热塑性酚醛树脂等。
丁苯橡胶可溶解于烃类溶剂中.并很容易分散而得到低黏度的胶液。丁苯橡胶可以通过下述方式制成黏结剂。
① 直接辊压在黏附物件上。
② 与增黏树脂一起分散和溶解于溶剂中形成黏结剂溶液。
③ 与乳化剂一起分散于水中制成乳胶。