研究背景

近年来，随着我国工业自动化进程的不断加快，热熔胶由于具有环保、固化速度快等特点，其发展取得显著成效。与此同时，高装饰包装材料的应用不断扩大，对热熔胶的粘接性能提出了新的挑战。卷烟工业中对烟支的“软包硬化”包装材料便是其中之一。烟支包装材料的正面和背面均为光滑平面，使用EVA或聚烯烃热熔胶对其进行粘接，经常出现开胶、粘接不牢等问题。

为了扩大EVA热熔胶的应用范围，提高其在难粘材料上的应用，本文采用OWRK法测定热熔胶及其原料、烟用包装材料在常温下的表面能，初步讨论烟用包装材料的表面能，热熔胶原料表面能与热熔胶表面能的关系，最后结合粘接力学数据，讨论材料表面能与粘接性能的关系。

实验方法

仪器：Drop Shape Analyzer-DSA25接触角测量仪，德国KRÜSS有限公司

方法：将热熔胶或原料分别放在隔离纸上，放入烘箱中30min（150℃）后取出，室温冷却至少2h，选择表面平整处，裁剪成2 cm × 1cm 样品，备用。

将上述样品放在DSA25平台上，使用去离子水和二碘甲烷两种液测定接触角，然后进行表面能及分量的计算。

结果与讨论

1.包装材料

包装材料的接触角、表面能及其分量见表1。

表1 烟用包装材料数据表

烟用包装材料在生产过程中，其表面处理工艺有一定的不同，纸箱表面的瓦楞纸需要加入大量的疏水剂和施胶剂（如疏水性淀粉胶等），为提高强度防止吸水后变软，所以其与水的接触角大于90°，实测在103.5°，二碘甲烷则体现完全润湿，无法测定其接触角。

普通条盒纸和软包硬化纸均是以白卡纸为基材，具有一定的强度，表面进行不同处理更加考虑其外观性及手感。普通条盒纸的正反面与水的接触角远低于软包硬化纸，同时，前者正面与二碘甲烷的接触角同样低于后者正面的。前者正面的表面能及其分量均高于后者正面，条盒白卡纸正面表面能44.7mN/m，软包硬化纸正面31.5mN/m。因此，普通条盒纸为易粘接材料，而软包硬化材料属于难粘接材料。

2.烟用热熔胶主要原料

烟用热熔胶主要原料的接触角、表面能及其分量见表2。

表2 烟用热熔胶主要原料数据表

增粘树脂的表面能在42.0 ~61.4mN/m，属于高表面能材料，用于提高热熔胶的粘接性。由表2可知，1#~4#原料为烟用热熔胶主体树脂，均为乙烯的共聚物。值得注意的是，在相同条件下，低醋酸乙烯含量的聚醋酸乙烯与乙烯共聚树脂对纤维类基材的粘接性要优于高醋酸乙烯含量。5#和6#原料为烟用热熔胶两种常用蜡：乙烯蜡和费托蜡，其中，费托蜡的表面能高于石蜡和乙烯蜡。7#~10#原料为烟用热熔胶常用增粘树脂，其中，C9氢化石油树脂与水及二碘甲烷的接触角均最大，表面能最低，为42.0mN/m。11#原料为实验室自制马来酸酐改性松香季戊四醇酯树脂，由于含有一定过量的马来酸酐，其对水的接触角减少至51.7°，与二碘甲烷的接触角只有 21.7°，其表面能为61.4mN/m。

3.烟用热熔胶

合成的热熔胶及表面性能见表3。

表3 自制烟用热熔胶数据表

由表3可知，1号胶使用费托蜡改性聚醋酸乙烯与乙烯共聚树脂，导致表面分子中的结构、结晶和分布状态的改变，致使表面能由30.8mN/m上升至41.5mN/m。2号胶在1号胶的基础上，加入了松香，通过松香中的羧基亲水基团进一步提高胶体表面能。3号胶的表面能下降为38.3mN/m，是由于所使用材料的水滴角均较高，导致表面能偏低。4、5号热熔胶分别采用材料9#或10#（即氢化C5或C9）替换3号胶中的松香季戊四醇酯，得到4号热熔胶的表面能与3号几乎相等，略高于5号胶。基于以上，我们看到单独使用增粘树脂时，即使少量松香加入也会使热熔胶在主体材料（1号胶）基础上表面能有一定的增加，而松香酯、氢化C5和氢化C9合成的热熔胶，即使大量加入也会导致表面能减少，在37.6 ~38.4mN/m，这是由于大量增粘树脂的存在减少了胶中唯一能与水形成氢键的酯基在表面的数量，使3~5号胶表面亲水性降低，表面能降低。

鉴于增粘树脂的亲水性对热熔胶表面能影响较大，利用松香季戊四醇酯对二碘甲烷接触角较小的性质，实验室制备了马来酸酐改性松香酯树脂，其表面性质如上所述。分别在6号和7号胶中添加了材料11#，从结果看，11#的加入使两项接触角都有一定的下降，表面能明显增加至53.3和55.9mN/m，而将6和7号对比，得知其加入量对热熔胶的表面能均有较大提升作用。

4.热熔胶与各种基材的粘接性能

表4自制热熔胶与烟用包装材料的粘接性能对比

表4为采用表3中1 ~7号胶进行粘接实验后测得的粘接强度数据。由表4可得，纸箱属于易粘接材料，1~7号胶均达到基材破坏的效果。普通条盒包装材料，粘接效果也较为理想，2 ~7号胶配比均能达到基材破坏，这说明在基材表面能为44.7mN/m，属于高表面能材料时，与基材表面能相似的热熔胶均能取得理想的粘接效果。而1号胶的胶粘效果要相对差一些，说明对于高表面能基材，胶粘效果不由热熔胶表面能的高低决定，而取决于对基材的润湿性。对于软包硬化白卡纸，其表面能为31.5mN/m，属于低表面能基材。1 ~ 5号胶粘接效果均不理想，剥离强度均小于5N/cm，这是由于低表面能所导致。6和7号胶粘接效果较为理想，其中6号胶对基材的粘接剥离强度最高，达到11.2mN/m，破坏类型为胶层开裂，7号胶强度达到7.8N/cm，破坏类型为基材破坏。6和7号胶表面能与2~5号胶有明显差异，是取得高粘接性和基材破坏效果的主要原因。

结论

应用OWRK法测得烟用包装材料、热熔胶主要原料及其制备烟用热熔胶的接触角和表面能，普通条盒白卡包装纸正面的表面能为44.7mN/m，而软包硬化白卡包装纸正面的表面能为31.5mN/m，即前者更易于粘接，后者更难粘接。

所制备的烟用热熔胶表面能在37.6~55.9mN/m，均分别高于主体树脂和蜡的表面能。松香季戊四醇酯、氢化C5和C9对热熔胶表面能的提升有限，其胶体表面能低于主体树脂和蜡混合后（1号胶）的表面能，而含一定量羧基的增粘树脂能够不同程度提高热熔胶的表面能，其数值均高于主体树脂和蜡混合后（1号胶）的表面能。

对于易粘接基材（封箱和普通条盒白卡纸），热熔胶的表面能对粘接效果影响有限，主要取决于热熔胶在基材上的润湿性。对于难粘性基材（软包硬化白卡纸），热熔胶的高表面能，尤其是使用高表面能增粘树脂是取得优异粘接效果的关键。

参考文献

[1]耿志忠,刁立翔,杨帆,张弘胤,董彦林,刘瀑,宋秭龙,刘文富.烟用热熔胶及其粘接材料表面性能的研究[J].粘接,2022,49(01):46-50.