瓦楞纸板黏结技术与抗水性优化

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：将尺寸20mm×150mm的瓦楞纸板标准试样浸于水中，在纸板上悬挂标准重砣，并使施力方向与胶粘线垂直，测量胶粘线抵抗重砣牵引所需的时间。因此，在常见的粗细瓦楞搭配的双瓦楞纸板的测试中，所得的数据离散性甚大。表5-1-1中纸的正、反面与瓦楞纸黏合强度比较从表5-1-1可见，方案2可有效解决细瓦楞与中纸在常规黏结与抗水黏结中，数值偏

瓦楞纸板在潮湿条件下强度会迅速降低，这是个世界性的难题，发达国家在这方面进行了长期的研究与探索，并取得了令人瞩目的成果，目前比较有效且公认的途径有三条：

（1）提高瓦楞纸板黏结剂（俗称糊或胶）的抗水性能；

（2）原纸抄造中无机填充物的改良；

（3）纸板表面涂覆防水或防潮剂。

上述后两种方案，都是在纸板表面添加或涂刷一层特殊的防水物质（如蜡、硅等），使纸张的纤维在接触水或水汽时，具有低表面的张力，形成对水的不浸润层，从而使纸板达到防水的效果，但它对瓦楞纸板内部黏结点中的水分却完全不起作用。

在我国，几乎所有的瓦楞纸板生产线，都采用水溶性玉米淀粉（或木薯淀粉）作为胶黏剂，淀粉颗粒的直径一般为4～50μm，主要成分为碳水化合物（葡萄糖化合物），它们本身是不溶于水的，在水中随温度的上升而发生膨胀，然后破裂而糊化，变成非常黏稠的半透明液体，从而产生较强的黏合力。

玉米淀粉胶黏剂的优点是无毒、无腐蚀、不污染环境、原料来源广、成本低、制造工艺简单等，但它的耐水性差，却是一个十分致命的缺陷。

瓦楞纸箱行业日常所讲“黏合强度”的测定，是在大气中进行的，俗称“六针测试法”（见图5-1-1）。它是将12根针形附件，分两组插入试样的瓦楞纸与里纸（或面纸、中纸）之间，然后对针形附件施压，使其做相对运动，直至被分离。其数值的大小，直接反映了瓦楞纸与里纸之间结合的牢固程度。

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图5-1-1　六针测试法

在国家标准GB/T 6544—2008《瓦楞纸板》中规定，任何一黏结层的黏合强度均应大于400N/m（注：此版本升级前的GB/T 6544—1999规定为“不低于588N/m”）。

此处国家标准所指黏合强度的测定，是在恒温、恒湿环境中进行预处理后进行的，因此，它与纸箱在常温下使用的实际环境条件差异很大。

下面，来讨论“抗水性黏结”。

由于瓦楞纸板胶黏剂中含水量很高（约占80%），因此纸与纸之间黏结点中的水分子，会向原纸内部不断渗透，在瓦楞中形成水分梯度，即水分多的地方向水分少的地方移动（见图3-2-1），使整个瓦楞纸板很快受潮变软，造成纸板的黏结强度、边压强度等主要物理性能指标下降，严重时甚至会造成整个纸箱功能的失效。

在生产高档出口纸箱中，外方往往会对胶黏剂的抗水性指标，提出明确要求，有的还列为产品出口到目标地国的准入先决条件，如通用汽车、亨斯迈化学（汽巴）等，而一些冷冻行业或需在高湿环境中储运的纸箱用户，对此要求也非常强烈，但国内在这方面的研究与生产，尚属起步阶段。

评价与衡量瓦楞纸板抗水性能的优劣，有一个重要的国际标准，即ISO 3038：1975《瓦楞纸板胶粘抗水性的测定（浸水法）》，它源于原西德的工业标准DIN 53133，三十多年后，我国才将ISO 3038：1975国际标准转译修订为GB/T 22873—2008，并于2009年9月1日生效实施。

下面介绍“浸水法”测定的原理与设备。

将尺寸20mm×150mm的瓦楞纸板标准试样浸于水中，在纸板上悬挂标准重砣，并使施力方向与胶粘线垂直，测量胶粘线抵抗重砣牵引所需的时间。

时间越长，耐水性能越佳。

这个测试需要在专用的测试仪上进行，但新国家标准公布后，国内尚无生产浸水测试台的厂家，这是瓦楞包装行业检测领域的一个空白。

盛水玻璃水槽长600mm×宽300mm×高350mm，上面装有挂钩、重砣及升降器、自动计时传感器等。

可以记录每个重砣落下的瞬间时间，而无须专人值守。

抗水性测试的过程如下。

（1）用刀片在标准试样上切出两个切口，保证试验区域内有五条胶粘线（见图4-4-5）。

单瓦楞需测试面纸与瓦楞以及瓦楞与里纸各两组，共10件试样。

双瓦楞需测试面纸与细瓦楞（一般为B瓦楞）、细瓦楞与中纸、中纸与粗瓦楞（一般为A楞或C楞）、粗瓦楞与里纸各4组，共20件试样。

（2）每个试件挂上标准重砣后，将所有试件同时浸入水中（试件均应低于水面25mm），并开始计时，测试胶粘线被剥离、重砣落下的实际时间或在额定时间里、试件损坏的数量（一般前者使用较多）。

测试中应注意的事项如下。

（1）重砣（含挂钩）总质量为（250g±1g，为防生锈，选用铜材，密度为8.3～8.9kg/dm3，以保证其浮力在可控范围内。

（2）测试水槽中的水应为蒸馏水，水温在17～23℃。测试时，要防止瓦楞中进入气泡，影响测试结果。

（3）每件试样的上下两端小孔处，应用胶带缠绕，以增强试样孔的强度（见图5-1-2）。

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图5-1-2　缠绕胶带

（4）需要测试的纸板，应在标准大气条件下，至少老化72小时以上，以稳定其抗水性能。

测试结果的比较如下。

（1）以目前中国市场上最常用的玉米淀粉胶黏剂为例（未经特殊处理），纸板剥离、重砣下落的时间一般在2～5分钟。

（2）在常用玉米胶黏剂中，添加了某公司生产的抗水剂后，剥离时间可达2小时左右。

（3）笔者公司测试了从美国与欧洲进口的不同批次、不同厂家、不同时间生产的高档双瓦楞纸箱，它们的重砣下落时间高达45～120小时。

在笔者公司服务的高端客户中，各企业对纸板胶粘抗水性的要求也各不相同，但大多数都要求在24～72小时。

笔者公司的“研发中心”历时10个月，对国内外的各种“胶粘抗水添加剂”进行了深入的研究与探索，取得了不俗的成绩。

经“国家包装产品质量监督检验中心”的权威检测，生产的双瓦楞纸板的重砣下落时间，已达到了139～219小时，远远超过了国外的同类瓦楞包装产品。

从测试的结果来看，粗细不同瓦楞的抗水性能差异很大，细瓦楞的测试值普遍要低于粗瓦楞，其原因是：在被测的五条黏结线中，细瓦楞的黏结面积之和要小于粗瓦楞。因此，在常见的粗细瓦楞搭配的双瓦楞纸板的测试中，所得的数据离散性甚大。

在实际生产中，为提高高档双瓦楞纸板的耐破强度，其中芯纸（中纸）往往会选用牛皮纸，其光滑的正面应该与粗瓦楞相粘才比较合理。

表5-1-1是以BC双瓦楞抗水性纸板为例，中纸系200g/m2（A级）牛皮纸，BC楞均为180g/m2（A级）瓦楞纸时，所得到的实测数据平均值。

表5-1-1　中纸的正、反面与瓦楞纸黏合强度比较

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从表5-1-1可见，方案2可有效解决细瓦楞与中纸在常规黏结与抗水黏结中，数值偏低的问题。

具体的做法与经验如下。

（1）在普通玉米胶黏剂中，添加了从以色列某著名化学品公司进口的抗水型黏合添加剂CP-88（液态），它是热硬化型的酮醛聚乙烯醇化合物，其中近50%为固体，主要成分是聚乙烯醇与其他酮醛。

化学分子结构式：HO—CH2—CH2—CO—CH2—CH2—OH；

pH值7.0，黏度13.5s，比重1.14g/cm3；添加剂与玉米浆的匹配比例为1∶70左右。

这种化合物，能有效提高黏合剂的黏着度和中间层的干强度，使淀粉胶增强流动性和渗透性，改善淀粉分子与纸纤维的亲和性，成膜性能优良，它对多孔或吸水类表面（如纸张）有很好的黏结能力，不但具有良好的耐水性，且胶膜强度高，韧性好，阻延了胶黏剂中水分子的扩散与移动，因此瓦楞纸板的综合物理性能比较稳定。

（2）笔者公司从美国进口了型号为APS-360的全自动电脑程控打浆机，这是一种高剪切搅拌系统，它可对普通玉米粉进行超细颗粒的粉碎及充分搅拌，以提高纸板的黏合强度。

以1000kg的普通常用黏合剂为例，其主要成分的含量如下：

固体玉米粉剂20%；

浓度50%的烧碱（钠）7‰，7#硼砂少许，其余为水；

然后用高剪切方式搅拌10分钟后，检查并控制它的黏度在35秒左右，这时再添加CP-88抗水性添加剂搅匀即可。

常用淀粉胶黏剂耐水性差，主要有两个原因：一是由于淀粉颗粒较大，其相互之间的空隙也大，使胶黏剂主链上带有的较多亲水基因，在加热过程中被大量蒸发，留下的空隙中减少了黏结剂的存在，从而影响了黏结效果；二是它成型后未能形成有效的网状交联结构。

而近似纳米状的超细颗粒，在添加剂的活化作用下，其流动性和渗透性相当优异。待粘表面存在的少量油脂类物质，在苛性纳作用下皂化，达到了去油的目的，减少了胶黏剂渗透阻力，使胶黏剂能有效浸润待粘表面，并充分渗透到纸张表面的微孔中，增加其渗入深度，客观上也提高了单位面积上的胶合部分的面积。

胶黏剂在添加剂的极性作用下，超细颗粒可有效减少淀粉颗粒间的空隙、增加胶黏剂的黏合力及干燥程度，在加热和干燥过程中，可进一步交联成复杂的网状体结构的胶膜，形成很强的化学键力和机械联结力。

（3）对黏结剂在纸板复合过程中的功能与作用进行了分析，并随之对生产中的各项工艺参数进行了优选，例如纸板流水线在复合时的线速度、胶黏剂的糊化与干燥温度、皮带张力等。

当抗水性黏结剂由糊辊转移到瓦楞楞峰后：

（1）该黏结剂会先湿润纸张的表面——水和液碱软化纸张纤维；

（2）扩散与渗透——液态黏结剂被纸张表面吸收或压入；

（3）黏结剂的胶化——淀粉胶受热胶化时黏度极速增高；

（4）黏结剂的干燥——糊中大量的游离水被快速蒸发，糊化加热温度约为165℃，烘干淀粉所吸收的热量为0.26～0.39千卡/平方米。

抗水性黏合强度会随淀粉胶涂量的增加而增加，但过多则会导致瓦楞峰与面纸黏结面积增加，使U型瓦楞峰变为矩形，出现“搓板”状表面，并使纸板平面压缩强度等性能下降，而最佳的涂胶量，是在瓦楞峰面上的施胶宽度为0.5mm左右（见图3-2-1），即淀粉量以10～15g/m2为宜（粗细瓦楞会有差异）。

检查的方法：将试样放在水中分离后，用医用碘酒稀释8～10倍，涂在黏结面上，碘与淀粉结合后会产生显色反应，根据其中的直链淀粉与支链淀粉的含量比，分别呈现出蓝色至红色，其色带宽度即为施胶宽度，可对其进行直接测量。

原纸表面看起来平整光滑，但在放大镜下观察，却是十分粗糙的，表面还呈多孔状凹坑，当抗水性黏结剂渗透到这些纤维的凹坑或孔隙中被固化后，就把胶黏剂与被粘物牢牢连接在一起，这种微观机械结合力的大小，与原纸的材质、等级、纤维、含水率等关系都较密切。

国家权威查新机构提供的资料显示，近几年来，我国一些院校、研究所或有实力的包装企业，相继开展了瓦楞纸板抗水性胶粘的研究，也有一些专利可供查询，但这些成果大多数尚停留在实验室阶段。

从能检索到的相关文献得悉，目前它们能达到的抗水性指标都较低，一般仅几个小时，最高的也只有48小时，最不可思议的是它们的检定方法，全部是在水中自然浸泡、未施加外界重荷检测的，仅以瓦楞不脱胶、不分离为判断标准，这与国际惯例及新国家标准GB/T 22873—2008之规定，在水中悬挂250g重砣来检测，相去甚远。

笔者做过这样的试验：某种社会上用的“抗水性瓦楞纸板”，在水中自然浸泡可达24小时才分离，但如按新国家标准规定，在水中挂重砣再测试，仅仅只有10来分钟而已，两者根本没有可比性。

造成这种检测方法不规范的主要原因是：

因为新国家标准发布才不久，所以国内能做这项正规检测的第三方机构实在太少，我们为此也曾寻找了几个月，才勉强做成，这就大大束缚了这项新技术的深入开展推广，也难以与国际、国内的标准及技术参数接轨比对。

总之，希望相关部门能加快创新步伐，加大科研投入，尽早将瓦楞纸板的抗水性黏结成果转化为生产力，因为它对整个纸箱包装行业来讲，是一项具有深远意义的技术进步。

瓦楞纸板黏结技术与抗水性优化

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