纸箱防潮技术及其应用

徐 恒 王晓敏

(大连工业大学,辽宁大连,116034)

·纸箱防潮·

纸箱防潮技术及其应用

徐 恒 王晓敏

(大连工业大学,辽宁大连,116034)

从纸板表面处理和浆料处理两方面介绍了纸板获得防潮性能的方法,以及不同处理方法和常用的防潮涂料的组成及特点。重点介绍了拨水剂、防潮上光剂及纤维素酶处理纸浆等近几年来国内外的研究成果和方法,分析和比较了多种表面用防潮剂、浆内用助剂的优缺点。

防潮瓦楞纸箱;防潮处理;拨水剂;防潮上光剂;纤维素酶处理纸浆

(＊E-mail:xuhengwangy@yahoo.com.cn)

Abstract:In this paper,themethods of obtainingmoistureproof corrugated paper based on paperboard surface treatment and pulp preparation were introduced.The different treatment methods and the composition and characteristics of moistureproof coatings commonly used were described.The dampproofing agent,dampproofing glazing agent,the trea tment of pulp by cellulase and other research results at home and abroad in recent yearswere emphasised.A variety ofmoistureproof agents used on the surface and additives used in the pulp were also analyzed and compared.

Key words:moistureproof corrugated paper box;moisture-proof treatment;dampproofing agent;dampproofing glazing agent;the treatmentof pulp by cellulase

瓦楞纸箱是一种很重要的运输包装容器,它由箱纸板和瓦楞原纸制成的瓦楞纸板经过模切、压痕、钉箱或粘箱而制成。因其具有轻便、牢固、对商品保护性好、可回收使用、便于装卸运输的特性,被广泛应用于家用电器、纺织品和食品等诸多商品的运输和销售包装。瓦楞纸箱作为一种绿色包装材料所制成的容器,在现代商品包装中占有极其重要的地位。

由于纸箱内容物和运输环境的不同,瓦楞纸箱难免要较长时间处在高湿环境下,这样纸箱的各种物性指标衰减较快,有时在潮湿季节,纸箱出厂前各项指标都合格,但经过运输(尤其雨天),到达客户处就会出现不合格产品。因此需要纸箱在高湿环境下仍能维持一定的物性指标。

使瓦楞纸箱获得防潮性能的工艺方法有很多,归纳起来主要有:①对纸板表面进行处理;②对纸浆浆料进行浆内处理。本文从这两方面介绍其防潮性能获得的方法及近些年来国内外的研究进展。

1 处理纸板表面获得防潮性能

对纸板表面的处理是指用防潮剂、表面施胶剂或者其他防潮材料对箱纸板、瓦楞原纸或制好的瓦楞纸板表面进行涂布、浸渍或复合操作,以使其获得防潮性能。表面处理是目前国内外使用较为普遍的一类方法。

1.1 纸板表面处理的方式

纸板表面处理的方式主要有涂布处理、浸渍处理和复合处理3种。

(1)涂布处理

涂布处理即在纸板表面涂覆一层防潮涂料使其在纸板表面形成连续致密的防潮膜而起到防潮作用。辊筒式涂布和刮涂式涂布是最常见的瓦楞纸板表面涂布方式。辊筒式涂布法适于用比较黏稠的防潮剂;刮涂式涂布法一般在瓦楞纸板自动生产线上安装相应的涂布设备,瓦楞纸板未复合的一层面纸经过涂料储存盘、橡皮刮板和热干辊后,再与单面瓦楞纸板黏贴复合[1]。这种形式具有的优点是:容易控制防潮剂在纸上的涂布宽度且涂布均匀,因此更为常用。

有时为了提高瓦楞纸板端面的防水性,还要在瓦楞纸板的切纸工序之后,将切割后的瓦楞纸板两端切口喷涂防潮剂。

(2)浸渍处理

浸渍法是指使纸板通过防潮剂浸渍装置,使其双面吸收防潮剂,然后再将纸板送入干燥部,在热空气中加热[2],使纸板表面进一步吸附防潮剂,冷却后,防潮剂便吸附在纸板表面。经过防潮剂浸渍处理的瓦楞纸板,因防潮剂涂量大,浸透充分,获得更强的防潮性能。

(3)复合处理

复合处理一般是将纸板与塑料薄膜或者金属箔等材料复合。此种方式制成的防潮瓦楞纸板有很强的表面防水性,但其废弃物不易分离,难以回收利用。

1.2 防潮剂种类及其应用

用于纸板表面涂布的防潮剂多种多样,按其组成可分为:单一成分的防潮剂,以废弃塑料泡沫为原料制成的防潮剂和以蜡为主要成分的乳液型防潮剂。

1.2.1 单一成分的防潮剂

我国纸箱行业早期的防潮处理主要是使用一些简单成分的防潮剂,如蜡、桐油、清漆、维利油等。它们的防潮效果不是十分理想,而且有的成本较高,有的处理之后会对纸箱的其他物性指标造成影响。因此在现代生产中已经很少使用。

蜡,主要是指石蜡(paraffin wax),容易成膜,膜层致密,其薄膜防潮性能良好,但是会引起纸板变色,影响外观。用蜡对纸箱进行防潮处理一般采取热熔浸渍或者涂布处理。

熟桐油(tung oil),桐油是我国特产油料树种——油桐种子所榨取的油脂,为脂肪酸甘油三酯混合物。它是一种优良的植物油,具有干燥快,密度轻,光泽度好,附着力强,耐热,膜层防水防潮等优良特性。传统做法是先将生桐油熬制好,再进行涂布或者浸渍处理。但是熟桐油自然资源较为紧缺,成本较高。

清漆(varnish),它是一种不含颜料的透明涂料,俗称“凡立水”,是用树脂、亚麻油或松节油等制成的,其特点是有光泽,疏水耐水性能良好,在纸板表面可以干结形成光滑的薄膜。但纸箱需进行打底预处理,使用时还需加汽油等有机溶剂进行调配,然后才能进行涂布处理,成本也较高。

维利油,一般由亚麻仁油加氢氧化铝炼制而成,市场上的商品多为稠厚的乳化油脂状。纸板纤维吸收维利油后,可能会引起色泽深沉灰暗,影响美观。另外,对纸箱封口牢固程度也会造成一定影响[2]。

1.2.2 以废弃塑料泡沫为原料制成的防潮剂

近年来随着我国包装工业的发展,缓冲包装材料——聚苯乙烯(PS)泡沫塑料的用量也在逐年增加,这些材料多数为一次性使用,回收再利用性不好。由于其化学性质较稳定,在环境中难以自然降解,造成了严重的环境污染。以废弃的聚苯乙烯塑料泡沫为主要原料制成的防潮剂,可以变废为宝。

董文丽等[3]以废聚苯乙烯泡沫塑料为主要原料,甲苯、乙酸乙酯作为混合溶剂,用丙烯酸和丙烯酸丁酯对聚苯乙烯进行接枝改性,制备了性能稳定的乳液型防潮剂。经过测试该防潮剂耐水性、耐冻融循环性、耐紫外线、附着力、表面干燥时间等指标均符合GB9755—1988标准。该防潮剂耐水性能好,制备工艺简单,可用于瓦楞纸箱、纤维板及木材的防潮防水,起到防潮和密闭的作用。

傅叔余等[4]以聚苯乙烯塑料泡沫为主要原料研制出一种水乳性瓦楞纸箱防潮剂。该防潮剂经纸箱企业涂刷应用,证明其成膜外观、干燥时间、附着力、耐水性均可以达到预期要求,具有较好的防潮性能。其涂膜光滑稳定,不粘连,不剥落,达到了一定的防潮效果。

但是随着国家新的法规政策的颁布,以塑料泡沫为原料的防潮剂生产和使用逐渐减少,而且还存在着纸箱在封箱时胶带纸粘贴不牢固和纸箱搬运时易打滑的问题,所以其应用前景较为有限。

1.2.3 以蜡为主要成分的乳液型防潮剂

由于上述两种类型的防潮剂在实际应用中效果不是很理想,为了满足市场要求,近年来国内很多研究院所和生产企业开发出了多种以蜡为主要成分的乳液型防潮剂。这些防潮剂更为环保,其防潮效果也普遍优于上述两种类型的防潮剂。

(1)拨水剂

拨水剂是20世纪90年代为解决纸箱吸潮吸湿而研制的。它是目前生产疏水瓦楞纸箱的一种常用防潮剂,适用于冷冻食品和果蔬包装纸箱的表面涂覆[5]。与其他传统防潮剂相比,这种防潮剂凸显出许多优点:防水防潮性能佳,拨水性能好,表面印刷适性和透气性良好,便于贮存,使用方便,成本低廉,环保安全。

拨水剂是一种以蜡为主要成分的乳液,其固含量一般为48%～51%,使用时可用多倍的水稀释(最多可达30倍,以此来调节膜层的厚度),然后涂布于瓦楞纸板表面上,经过150℃左右的温度来加速渗透及固化,并且可以使多余的防潮剂从纸板上流下,达到回收利用的目的。这种纸板表面由于有蜡膜的覆盖,从而获得较低的表面张力,使纸板具备了一定的防潮防水性能[5-6]。为了达到更好的效果,一般加入一些松香衍生物或羧化高分子乳液等助剂[5]。这些助剂既对纸张纤维有很好的黏附力又与蜡乳液有较好的相溶性,所以它们的加入既可促进蜡在纸张纤维上的附着性,同时又对蜡乳液进行了改性处理,因此可以增强防潮剂对纸张纤维的附着力。

但是即使增加了这些措施,拨水剂在上述浓度下所形成的仍不是一个牢固的防水膜层,其成膜附着力不强,在遇到摩擦时(纸箱在搬运、堆码过程中遇到的摩擦),往往会使这一防水表面失去作用,影响防水防潮效果[6]。

(2)防潮上光剂

当纸箱较长时间与水接触时,需要用防水能力更强的防水涂料对瓦楞纸板进行处理,以使瓦楞纸箱的表面达到遮水防水要求,所用的防水涂料多称为防潮上光剂。

与其他种类的防潮剂相比,防潮上光剂最大的特点就是使纸板在具备更强的防潮特性的同时,又对其表面进行一次上光整饰,使纸板表面的光泽度有很大提升。

我国纸箱行业中有很长一段时间对纸箱的防水防潮处理都是采用油性防潮剂。在纸箱上涂刷这种防潮剂,能使其光亮,耐水性好,且在涂刷后不会产生塌楞现象。但这类防水试剂由于是油性的,不利于水性油墨的印刷和纸箱回收利用,对环境和操作者均会造成一定的伤害,近年来已很少采用,取而代之的是水性或乳液型防潮剂[7]。

这类乳液型防潮剂是用乳化剂把蜡和低分子聚乙烯或硅油乳化制得,涂覆于纸板表面,水分蒸发后,蜡和低分子聚乙烯便附着在纸板表面使其具有防水性。由于有了聚乙烯及硅油的加入,防水膜层能够有效地克服蜡膜脆、易断裂、附着力差的不足,同时又有较高的光泽度。

翟广玉等[8]讨论了低分子聚乙烯、蜂蜡、石蜡、巴西棕榈蜡等和乳化剂对防潮剂质量效果的影响,研制出一种乳液型瓦楞纸箱防潮上光剂。此种防潮剂可以达到滴定24 h无渗透,60℃以下涂膜无变化,表面干燥时间10～15 min,实际干燥时间小于60 min。该防潮剂稳定性好,防潮效果较为显著。

金振华等[9]用石蜡、氧化聚乙烯、松香等制成了一种纸箱防潮上光剂,也得到了较好的防潮效果。该防潮剂无毒,无异味,不易起火,表面干燥时间7 ～10 min,实际干燥时间1 h,滴定48 h无渗透, 60℃以下涂膜无变化,光泽度好,使用成本0.05～0.10元/m2。该防潮剂生产成本低廉,耐水性能良好,纸箱防潮效果也较为显著。

此类防潮剂一般以水为溶剂,无毒无味,无环境污染;其附着力强,涂膜光亮坚硬耐用,防潮防水效果好;一般可涂可喷,均不需要打底,一次涂刷成功;干燥时间短,不粘连,可连续化大规模操作,可以在很大程度上提高生产效率。

1.3 表面施胶剂

在箱纸板和瓦楞原纸的抄造过程中,通常会采用表面施胶技术,它可以提高纸板的表面强度,提高纸板的适印性,还可以增加纸板的憎水性、抗油性,因此也可以在一定程度上提高纸板的防潮性能。

表面施胶剂种类繁多,性能性质也各不相同,大体上可分为两类:天然高分子类和合成聚合物类。天然高分子类表面施胶剂具有原料来源广、价格低、环境生物相容性好等优点,在表面施胶剂市场上一直占有重要比例。

改性淀粉类施胶剂是最常用的一类天然高分子类施胶剂。淀粉资源丰富,价格低廉,种类繁多。由于原淀粉黏度高,流动性差,易产生絮凝现象,因此需要对淀粉进行改性,使其在较高浓度时也具有较低的黏度。改性淀粉主要包括氧化、阳离子化、酶转化、羟烷基化、羧甲基化、醋酸酯化及两性淀粉等品种[10]。

羟丙基淀粉,淀粉经羟丙基化后,由于引入了刚性较强的羟丙基侧链,因而可以削弱淀粉分子间以氢键结合的作用力,提高淀粉对水的亲和力,使淀粉易于溶胀和糊化[11]。羟丙基淀粉用于表面施胶,可改善纸张的适印性,使油墨不易渗入纸内,可提高油墨印刷的光泽度,也可以提高纸张的抗水性能。

氧化淀粉,是一种良好的表面施胶剂,与普通淀粉相比有以下优点:熬制时间短,糊液透明度好,黏合强度高,黏度小。氧化淀粉可以单独使用,也可以与聚乙烯醇或者乳胶等复配使用。用氧化淀粉进行表面施胶可以显著提高纸张的表面强度,增加其抗液体渗透能力,提高纸板防潮性能。

2 处理纸浆浆料获得防潮特性

这种处理方法就是在浆料的制备和纸板的抄造过程中,对浆料作适当的处理,如向其内加入适量的助剂或者用微生物法加以处理等,以使纸板抄造出来具有较好的防潮性能。

2.1 浆内加入助剂

2.1.1 浆内施胶剂

在箱纸板以及瓦楞原纸的生产过程中,常常会向浆内加入一些施胶剂,使得纸板具有防止水性液体扩散或渗透的能力。按照施胶剂所适用的pH值范围的不同,可以将浆内施胶剂分为酸性施胶剂和中碱性(合成)施胶剂两大类[10]。

酸性施胶剂主要是指皂化松香胶、马来松香胶和分散松香胶等,它们在使用时必须与明矾Al2(SO4)3结合使用,因而使得抄纸介质变为酸性,这会使纸张容易返黄且发脆,加之使用量大,成本又较高,国外生产应用已不多见,国内生产应用也有减少的趋势。近年来分散松香胶的使用相对比较多,它是将松香结构上的羧基和共轭双键发生Diels-Alder反应将羧基保护起来,增加乳化后的粒子细度,增强其疏水性,与少量铝盐配合使用,能取得较好的施胶效果,且稳定性较好,不存在施胶剂水解的问题。

中碱性施胶剂可以很好地解决酸性施胶剂所带来的问题[12],现在应用较为广泛,主要有纤维反应型施胶剂烷基烯酮二聚物(AKD)和烯基琥珀酸酐(ASA)[13]。AKD属于反应型施胶剂,在中性或碱性条件下可直接和纤维素纤维上的活泼羟基反应生成牢固的共价键型β-酮酯,且不会产生施胶度逆转现象,很少有结垢问题,可获得重施胶效果而不存在沉积物和假施胶现象,但其熟化时间比较长,而且施胶费用较松香胶高。而ASA含有2个疏水基和1个反应性烷状羧酸酐,与纤维素羟基可以生成共价键,使纸张具有施胶度,在中性条件下能获得较好的施胶效果,且反应时间比AKD要短,施胶费用较AKD低,但是由于它可与水反应生成油状液体水解物,不仅破坏施胶,而且会粘连压榨辊,引起断纸,且容易产生结垢现象[14]。

2.1.2 湿强剂

普通纸板被水完全浸湿后,就几乎失去了它所有的强度,其中未经施胶的纸只能保持原有纸强度的2%～7%,经高度施胶的纸也只能保持原有强度的10%～12%[12]。湿强剂的作用就是使纸张在高湿环境下仍能保持一定的物性指标。

用于造纸工业的湿强树脂通常分为甲醛树脂(又可分为脲-甲醛和三聚氰胺-甲醛树脂)和聚酰胺多胺-表氯醇树脂。生产常用的纸张增湿强树脂主要有:脲-甲醛树脂(UF)、三聚氰胺-甲醛树脂(MF)和聚酰胺多胺-表氯醇树脂(PAE)[15]。

其中聚酰胺多胺-表氯醇树脂最为常用。它增湿强效果好,用量少,无毒害,使用方便,损纸回收容易,适合中碱性抄纸,兼有助留助滤作用等优点,而且不含甲醛,无甲醛游离问题。它已成为继脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂之后又一性能优良的湿强剂品种,近几年在我国造纸工业中得到了广泛应用[16-17]。

2.2 生物制浆的处理

经过木素生物降解的原料,结合化学、机械制浆和其他生物酶再进一步分离出纤维原料的过程叫生物制浆。尤其是以废纸为原料,用这种方法制备的浆料的滤水性能和打浆性能都有所提高,所抄造出来的纸张物理性能也有不同程度的提高,而且节省能源,环境负载小[18]。

生物制浆所得纸浆抄成的纸板一些物理性能会有所提高,包括纸张的紧度、抗张强度和平滑度。Ken 等[19]通过用洁净的纤维素酶处理回收的硫酸盐浆(此种纸浆已经预先混入了二次纤维),可以全面提高原料的滤水性能。而且更为重要的是在相对湿度为50%～95%条件下,发现这种处理方法还可以在一定程度上提高箱纸板的短距压缩强度,其增加量大约可以达到原值的12%,使纸板在高湿环境下仍能保持一定的强度。预测工业生产上如果使用高浓的纤维素酶,不仅剂量会大为减少而且效率也会相应提高。这种方法对环境污染小而且节省能源,不影响回收再利用,是纸箱防潮方法上的新尝试,同时也提供了一种很好的新思路。

3 结 语

瓦楞纸包装制品所要求的防潮性能与其用途相关,应分为防潮瓦楞纸板和防水瓦楞纸板。按其防水程度的高低,防水瓦楞纸板又分为疏水、遮水和耐水等3种[20]。通常要求防水防潮程度比较高的瓦楞纸板,其防水剂的施涂环节往往放在瓦楞纸板成型后或成型过程中;普通的防潮瓦楞纸板防潮性能的赋予则既可在瓦楞纸板的成型过程进行,也可以在箱纸板的生产过程中进行。通过浆内处理(主要是挂面箱纸板的面层浆)或表面施胶生产防潮箱纸板,可以增加纸板厂的经济效益,减少瓦楞纸板生产过程中的防潮处理步骤,有较好的市场前景。采用恰当的防潮技术生产防潮瓦楞纸板,可以做到在较低的成本下达到需要的防潮性能。

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(责任编辑:孙秋菊)

Corrugated Paper BoxM oisture-proof Technology and Its Application

XU Heng＊WANG Xiao-min

(Dalian Polytechnic University,Dalian,Liaoning Province,116034)

徐 恒先生,在读硕士研究生;主要研究方向:功能性包装材料。

TS764.6

A

0254-508X(2010)03-0066-05

2009-11-03(修改稿)