水性材料在纸杯防水涂层的应用前景

■ 文/上海出版印刷高等专科学校 崔庆斌

随着经济的快速发展，纸杯在国内的需求量增长迅速，根据中国产业信息网发布的《2015—2020年中国纸杯纸碗市场年度调研及发展趋势研究报告》调查结果，预测纸杯从2015年的362亿只/年，发展到目前的635亿只/年，预计到2025年，纸杯需求量会达到914亿只，这是一个随着经济发展而快速成长的消费市场，如图1所示。

图1 淋膜纸杯

根据国外调研机构发布的测算数据，虽然欧美市场纸杯和纸碗普及水平较高，但中国是全球最大的纸杯和纸碗产销市场，该区域纸杯和纸碗占全球市场总量的42.3%，欧盟占比为25.3%。

由欧洲限塑令引起的去塑化发展趋势，国内外公司目前都专注于这一领域，研发和研究新的技术或工艺来解决纸杯去塑化问题。英国一家生物降解包装公司（BIOPAC）为红牛软饮料特制了一种纸质可生物降解饮料杯，专供大型户外活动以及大型体育赛事饮料供给之用，已经得到了大众的广泛认可[2]。但是这些可降解材料的成本高居不下，仅限于小众的高品质和高要求应用。

UPM公司特殊造纸部门，也推出一款UPM Solide Lucent半透明牛皮纸，符合FSC标准，可循环降解使用[3]，且适用于传统、数码印刷加工，但价格同样不菲。

针对目前应用最为广泛的、常用的一次性纸杯和纸碗，开发一款纯水性环保底涂料，以替代目前一次性纸杯或纸碗中的PE或PLA淋膜。通过柔版印刷联线涂布，可达到良好的可降解、防水、抗油等性能；在替代传统PE+PLA淋膜层，实现去塑化更环保的同时，印刷和涂布可通过柔印一次完成，具有效率高、成本低的优势。该产品可广泛用于纸杯、快餐等柔印包装产品且能达到欧盟限塑令标准。

1 纸杯和纸碗在国内外的印刷加工工艺现状

无论在国外还是在国内，淋膜纸杯和纸碗的传统加工工艺包含：原纸淋膜、分切、印刷、模切、成型、包装。本文重点讨论模切之前的淋膜和印刷2个环节[4]。

纸杯和纸碗的印刷在欧美以柔印为主，其中美国预计超过95%，欧洲也达到88%的比例。胶印纸杯即使使用大豆油油墨等环保型油墨，其环保性能也无法达到水性柔版油墨得水平。纸杯印制客户的环保需求，尤其是国际品牌，如麦当劳、肯德基、可口可乐、百事可乐等品牌的要求较为苛刻。因此，在国内由胶印和柔印共存向柔印为主发展逐步成为主流，并且柔印的生产成本更低、效率更高[5]。从长远来看，在我国纸杯和纸碗等食品包装领域，采用柔印完成的比例会越来越高。

2 涂层处理现有种类

纸杯和纸碗主要应用食品级纸张通过涂层或复合处理而成，传统处理方式包括涂蜡或淋膜。过去使用最多的是涂蜡纸杯，用蜡浸泡过，只可以装冷饮，不能装含油的食品，因为油能溶解蜡。蜡在40℃左右就会融化，而蜡含致癌物质多环芳烃[6-7]。所以现在主流应用由纸杯原纸和塑料树脂粒子挤出复合组成的纸杯，塑料树脂一般使用聚乙烯树脂(PE)，纸杯原纸经淋膜单面PE膜或双面PE膜后成为单PE纸杯纸或双PE纸杯纸[8]。PE具有无毒、无臭、无味，卫生性能可靠，化学性能稳定，物理及力学性能均衡，耐寒性好，抗水、防潮性和一定的阻氧、耐油性，成型性能和热封性能优良等优点。

3 新型水性丙烯酸酯树脂涂布材料

为减少使用VOCs物质，目前国际国内树脂相关产业主要以水性树脂（如聚氨酯、环氧树脂、水溶性丙烯酸等）为原材料，并采用树脂改性或成盐、细粒径乳化法等制备工艺。然而，聚氨酯、环氧树脂等水剂型树脂的聚合方式注定了其只能进行水性化改性。而在水基型树脂的改性制备过程中，虽然可以减少使用VOCs物质，减少有毒有害物质的使用，但仍无法做到完全摆脱VOCs。因此，现有的水性树脂的生产过程中涉及VOCs排放，对环境安全产生威胁。

纳米级水性窄分子量分布丙烯酸共聚酯可用于制备纯水性油墨，合成纯水性丙烯酸共聚酯的原料包括基础单体，如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和丙烯酸丁酯。基础单体在纯水体系中通过乳化剂和光引发剂的作用聚合成上述丙烯酸共聚酯。丙烯酸共聚酯的D50粒径为40～65 nm[9、13]，多分散指数PDI(Mw/Mn)<1.05[10-12]，可提供了一种纯水性油墨。该纯水性油墨无需添加有机溶剂来降低体系的黏度。因此消除了对含VOCs物质的依赖，保障了人体健康。同时，干燥速率快，无需添加有机催干剂，极大地减少了VOCs的排放；附着力强，具有良好的耐水性，不会产生回粘现象；并且还具有良好的色彩展现，良好的应变力和优秀的耐水煮性能。相关性能指标如表1、表2、表3、表4所示。

表1 纸基替塑性能测试

表2 总迁移量指标的符合性

表3 感官（气味和味道）指标的符合性

表4 重金属特定迁移量指标的符合性

3 结 语

我国政府为了履行国际减排承诺，积极推动绿色低碳循环发展、培育绿色市场，全面加强挥发性有机物（VOCs）污染防治工作。纯水性纳米功能性树脂涂布的研究和产业化，为包装印刷、食品包装内层涂装等食品安全、环保重点治理行业，从源头上控制VOCs开辟了一个全新的环境友好型产业链。未来很多产业将会依靠纯水性树脂涂层实现产业提升。