CN114517422A - 一种用于纸制品的涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于纸制品的涂料及其制备方法，所述用于纸制品的涂料的制备原料包括：水性聚氨酯0.3～0.7重量份、聚醚改性氨基硅油0.3～0.7重量份、纳米氧化物0.7～1.6重量份、聚阴离子纤维素0.1～0.4重量份、乳化促进剂1.0～1.8重量份、成膜助剂0.4～1.0重量份和去离子水93～96重量份；纸制品涂料由以下步骤制得：将水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油混合，搅拌乳化分散后制得复合水溶性成膜剂；往去离子水中加入聚阴离子纤维素，搅拌溶解后往聚阴离子纤维素水溶液中加入纳米氧化物，搅拌均匀后制得复合粘稠剂；往去离子水中加入复合水溶性成膜剂，搅拌分散后，在搅拌状态下依次加入复合粘稠剂、乳化促进剂、成膜助剂和余量的去离子水；搅拌均匀。

Description

一种用于纸制品的涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及用于纸制品的防水涂料技术领域，尤其是涉及一种用于纸制品的涂料及其制备方法。
背景技术
目前纸制品仍大量用于商品包装，包括纸张、纸板、纸盒、纸容器。相比于塑料等其它材质而言，纸制品具有廉价易得，印刷简便，和绿色环保等多种优异的特性。然而，防水性较差的缺点也大大限制了纸制品在许多领域的应用。特别是那些容易与水或溶剂接触的场合。为防止纸质包装后的产品被水破坏，人们采用两种方式，即在纸制品包装上塑料覆膜或将涂料涂覆在纸制品的表面，以起到保护纸制品的作用。
CN104594118A公开了一种用于纸制品的防水涂料。含有两种协同作用的防水功能成份，即(1)占涂料总质量2-10％的高分子硅油乳液，以及(2)占涂料总质量1-10％的纳米蜡乳液。高分子硅油乳液是指由分子量不低于1000的聚硅氧烷，表面活性剂和水制备而成的水包油乳液。纳米蜡乳液是指是由天然蜡和/或合成蜡，表面活性剂和水制备而成的粒径在50-1000nm的水性分散液。
CN113250006A公开了一种涂料、涂布纸及其制备方法、纸杯，该涂料包括：聚合物的混合体，所述聚合物的混合体包括若干种改性有机聚合物，所述改性有机聚合物包括丙烯酸酯改性聚合物；无机物，所述无机物包括滑石粉、瓷土、碳酸钙中的至少一种；其中，所述聚合物的混合体在所述涂料中的质量占比不小于49％，所述无机物在所述涂料中的质量占比不大于51％。
现有技术中，塑料覆膜的成本较高，且难以降解或回收利用，容易造成环境污染。在水性涂料中常使用丙烯酸酯改性聚合物、硅油、石蜡成份，对提高防水性有限，用于与食品接触纸制品的涂料较少。因此，开发一种环保型纸制品涂料，满足高防水防油性能，且能满足用于与食品接触纸制品的涂层要求，是本领域迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题在于提供一种用于纸制品的涂料及其制备方法。所述用于纸制品的涂料采用复合水溶性成膜剂和复合粘稠剂，且在配方中加入乳化促进剂和成膜助剂；使得用于纸制品的涂料具有优良的防水防油性能、低毒性和低环境危害，生产过程中无环境污染物产生，能满足用于与食品接触纸制品的涂层要求，适于工业化生产与自动化涂覆。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于纸制品的涂料，所述用于纸制品的涂料的制备原料包括如下组分：水性聚氨酯0.3～0.7重量份、聚醚改性氨基硅油0.3～0.7重量份、纳米氧化物0.7～1.6重量份、聚阴离子纤维素0.1～0.4重量份、乳化促进剂1.0～1.8重量份、成膜助剂0.4～1.0重量份和去离子水93～96重量份；所述用于纸制品的涂料由以下步骤制得：
1)将0.3～0.7重量份水性聚氨酯和0.3～0.7重量份聚醚改性氨基硅油混合，搅拌乳化分散后制得复合水溶性成膜剂；
2)取适量去离子水，在搅拌下往去离子水中加入0.1～0.4重量份聚阴离子纤维素，搅拌溶解后；往聚阴离子纤维素水溶液中加入0.7～1.6重量份纳米氧化物，继续搅拌均匀后制得复合粘稠剂；
3)往40～50重量份的去离子水中加入步骤1)制得的复合水溶性成膜剂，搅拌分散后，在搅拌状态下依次加入步骤2)制得的复合粘稠剂、1.0～1.8重量份乳化促进剂、0.4～1.0重量份成膜助剂和余量的去离子水；搅拌均匀。
作为优选技术方案，本发明提供的用于纸制品的涂料，所述乳化促进剂为2-丁氧基乙醇或异丙醇。
作为优选技术方案，本发明提供的用于纸制品的涂料，所述成膜助剂包括：PSE系列非离子型超分散剂0.1～0.3重量份；聚乙烯蜡或漆仔蜡防沉淀剂0.15～0.25重量份；酒石酸盐0.05～0.15重量份；聚醚消泡剂0.05～0.15重量份；抗菌剂0.05～0.15重量份。
作为优选技术方案，本发明提供的用于纸制品的涂料，所述抗菌剂包括甲壳素、芥末、蓖麻油中的至少一种。
第二方面，本发明提供一种用于纸制品的涂料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)将0.3～0.7重量份水性聚氨酯和0.3～0.7重量份聚醚改性氨基硅油混合，搅拌乳化分散后制得复合水溶性成膜剂；
2)取适量去离子水，在搅拌下往去离子水中加入0.1～0.4重量份聚阴离子纤维素，搅拌溶解后；往聚阴离子纤维素水溶液中加入0.7～1.6重量份纳米氧化物，继续搅拌均匀后制得复合粘稠剂；
3)往40～50重量份的去离子水中加入步骤1)制得的复合水溶性成膜剂，搅拌分散后，在搅拌状态下依次加入步骤2)制得的复合粘稠剂、1.0～1.8重量份乳化促进剂、0.4～1.0重量份成膜助剂和余量的去离子水；搅拌均匀。
作为优选技术方案，本发明提供的用于纸制品的涂料的制备方法，所述水性聚氨酯以4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、新戊二醇己(二)酸酯为原料，以三乙胺为中和剂，以乙二胺为扩链剂，通过无溶剂法制得预聚物，乳化后制得；所述聚醚改性氨基硅油用端环氧基硅油(m＝30-300)、氨基聚醚(x＝1-30，y＝1-30)，以异丙醇为溶剂，在40～75℃温度下反应5小时以上，加入氨基保护剂后，在75℃温度下继续反应1～3小时，蒸出溶剂，乳化后制得。
作为优选技术方案，本发明提供的用于纸制品的涂料的制备方法，所述成膜助剂包括：PSE系列非离子型超分散剂0.1～0.3重量份；聚乙烯蜡或漆仔蜡防沉淀剂0.15～0.25重量份；酒石酸盐0.05～0.15重量份；聚醚消泡剂0.05～0.15重量份；抗菌剂0.05～0.15重量份；成膜助剂加入时依次加入PSE系列非离子型超分散剂、聚乙烯蜡或漆仔蜡防沉淀剂、酒石酸盐、聚醚消泡剂、抗菌剂。
本发明采用由水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油制备的复合水溶性成膜剂，可以显著提高涂料的耐水性与耐咖啡性，乳化促进剂的加入促进成膜剂的溶解与乳化；复合粘稠剂的加入可明显提高涂料的粘结强度，减少涂料固含量，有效改善流动性；成膜助剂中的PSE系列非离子型超分散剂和防沉淀剂的加入，极大提高了涂料的分散效果和稳定性，各组份协同作用能大幅度改善水性聚氨酯的混溶性，从而提高涂膜性能，便于工业化生产与自动化涂覆；粘度低更易于渗入纸张内，使涂层与纸张纤维结合紧密。
本涂料以水为溶剂，混溶温度低，生产过程中无污染物产生，节能环保，安全可靠。
本发明提供的优选方案中，水性聚氨酯采用含有侧甲基的新戊二醇己(二)酸酯(NPGA)与4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)反应合成，使其具有足够低的粘度从而适于聚氨酯乳液的无溶剂法制备，并能确保成膜后具有足够好的力学性能；在水性聚氨酯中加入用端环氧基硅油(m＝30-300)、氨基聚醚(x＝1-30，y＝1-30)，以异丙醇为溶剂，在40～75℃温度下反应5小时以上，加入氨基保护剂后，在75℃温度下继续反应1～3小时，蒸出溶剂，乳化后制得的聚醚改性氨基硅油，可以显著提高涂料的耐水性、耐油性与耐咖啡性，并改善其与聚氨酯的混溶性，从而提高涂膜性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。所述实施例仅仅是帮助理解本发明，而不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种用于纸制品的涂料，所述用于纸制品的涂料的制备原料包括如下组分：水性聚氨酯0.3重量份、聚醚改性氨基硅油0.3重量份、纳米SiO2 0.7重量份、聚阴离子纤维素0.4重量份、2-丁氧基乙醇1.0重量份、PSE系列非离子型超分散剂0.1重量份、聚乙烯蜡防沉淀剂0.15重量份、酒石酸盐0.05重量份、聚醚消泡剂0.15重量份、甲壳素抗菌剂0.05重量份和去离子水93重量份。
所述用于纸制品的涂料由以下步骤制得：
1)将水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油混合，搅拌乳化分散后制得复合水溶性成膜剂；
2)取适量去离子水，在搅拌下往去离子水中加入聚阴离子纤维素，搅拌溶解后；往聚阴离子纤维素水溶液中加入纳米SiO2，继续搅拌均匀后制得复合粘稠剂；
3)往40重量份的去离子水中加入步骤1)制得的复合水溶性成膜剂，搅拌分散后，在搅拌状态下依次加入步骤2)制得的复合粘稠剂、2-丁氧基乙醇、PSE系列非离子型超分散剂、聚乙烯蜡或漆仔蜡防沉淀剂、酒石酸盐、聚醚消泡剂、甲壳素抗菌剂和余量的去离子水；搅拌均匀。
实施例2
一种用于纸制品的涂料，所述用于纸制品的涂料的制备原料包括如下组分：水性聚氨酯0.7重量份、聚醚改性氨基硅油0.7重量份、纳米TiO21.6重量份、聚阴离子纤维素0.1重量份、异丙醇1.8重量份、PSE系列非离子型超分散剂0.3重量份、漆仔蜡防沉淀剂0.25重量份、酒石酸盐0.15重量份、聚醚消泡剂0.05重量份、芥末抗菌剂0.15重量份和去离子水96重量份。
所述用于纸制品的涂料由以下步骤制得：
1)将水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油混合，搅拌乳化分散后制得复合水溶性成膜剂；
2)取适量去离子水，在搅拌下往去离子水中加入聚阴离子纤维素，搅拌溶解后；往聚阴离子纤维素水溶液中加入纳米TiO2，继续搅拌均匀后制得复合粘稠剂；
3)往50重量份的去离子水中加入步骤1)制得的复合水溶性成膜剂，搅拌分散后，在搅拌状态下依次加入步骤2)制得的复合粘稠剂、异丙醇、PSE系列非离子型超分散剂、漆仔蜡防沉淀剂、酒石酸盐、聚醚消泡剂、芥末抗菌剂和余量的去离子水；搅拌均匀。
实施例3
一种用于纸制品的涂料，所述用于纸制品的涂料的制备原料包括如下组分：水性聚氨酯0.5重量份、聚醚改性氨基硅油0.5重量份、纳米ZnO 1.2重量份、聚阴离子纤维素0.25重量份、2-丁氧基乙醇1.4重量份、PSE系列非离子型超分散剂0.2重量份、聚乙烯蜡防沉淀剂0.2重量份、酒石酸盐0.1重量份、聚醚消泡剂0.1重量份、蓖麻油抗菌剂0.1重量份和去离子水94重量份。
所述用于纸制品的涂料由以下步骤制得：
1)将水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油混合，搅拌乳化分散后制得复合水溶性成膜剂；
2)取适量去离子水，在搅拌下往去离子水中加入聚阴离子纤维素，搅拌溶解后；往聚阴离子纤维素水溶液中加入纳米ZnO，继续搅拌均匀后制得复合粘稠剂；
3)往45重量份的去离子水中加入步骤1)制得的复合水溶性成膜剂，搅拌分散后，在搅拌状态下依次加入步骤2)制得的复合粘稠剂、2-丁氧基乙醇或异丙醇、PSE系列非离子型超分散剂、聚乙烯蜡防沉淀剂、酒石酸盐、聚醚消泡剂、蓖麻油抗菌剂和余量的去离子水；搅拌均匀。
实施例4
在实施例1的基础上，本实施例中的水性聚氨酯以4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、新戊二醇己(二)酸酯(NPGA)为原料，以三乙胺为中和剂，以乙二胺为扩链剂，通过无溶剂法制得预聚物，乳化后制得；所述聚醚改性氨基硅油用端环氧基硅油(m＝30-300，m表示分子量大小)、氨基聚醚(x＝1-30，y＝1-30，x、y表示聚合度)，以异丙醇为溶剂，在40～75℃温度下反应5小时以上，加入氨基保护剂后，在75℃温度下继续反应1～3小时，蒸出溶剂，乳化后制得。
实施例5
在实施例2的基础上，本实施例中的水性聚氨酯以4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、新戊二醇己(二)酸酯为原料，以三乙胺为中和剂，以乙二胺为扩链剂，通过无溶剂法制得预聚物，乳化后制得；所述聚醚改性氨基硅油用端环氧基硅油(m＝30-300)、氨基聚醚(x＝1-30，y＝1-30)，以异丙醇为溶剂，在40～75℃温度下反应5小时以上，加入氨基保护剂后，在75℃温度下继续反应1～3小时，蒸出溶剂，乳化后制得。
实施例6
在实施例3的基础上，本实施例中的水性聚氨酯以4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、新戊二醇己(二)酸酯为原料，以三乙胺为中和剂，以乙二胺为扩链剂，通过无溶剂法制得预聚物，乳化后制得；所述聚醚改性氨基硅油用端环氧基硅油(m＝30-300)、氨基聚醚(x＝1-30，y＝1-30)，以异丙醇为溶剂，在40～75℃温度下反应5小时以上，加入氨基保护剂后，在75℃温度下继续反应1～3小时，蒸出溶剂，乳化后制得。
上述各实施例中，PSE系列非离子型超分散剂分别选用聚乙二醇或聚丙烯酸的PSE系列非离子型超分散剂。
应用例1
在定量为320g/m2的纸张上，通过刮涂的方式将实施例1制得的用于纸制品的涂料涂布于纸张的一面，随后在105～120℃的温度下烘干，制得涂布纸，涂布量控制在20g/m2。
应用例2
在定量为320g/m2的纸张上，通过刮涂的方式将实施例2制得的用于纸制品的涂料涂布于纸张的一面，随后在105～120℃的温度下烘干，制得涂布纸，涂布量控制在20g/m2。
应用例3
在定量为320g/m2的纸张上，通过刮涂的方式将实施例3制得的用于纸制品的涂料涂布于纸张的一面，随后在105～120℃的温度下烘干，制得涂布纸，涂布量控制在20g/m2。
应用例4
在定量为320g/m2的纸张上，通过刮涂的方式将实施例4制得的用于纸制品的涂料涂布于纸张的一面，随后在105～120℃的温度下烘干，制得涂布纸，涂布量控制在20g/m2。
应用例5
在定量为320g/m2的纸张上，通过刮涂的方式将实施例5制得的用于纸制品的涂料涂布于纸张的一面，随后在105～120℃的温度下烘干，制得涂布纸，涂布量控制在20g/m2。
应用例6
在定量为320g/m2的纸张上，通过刮涂的方式将实施例6制得的用于纸制品的涂料涂布于纸张的一面，随后在105～120℃的温度下烘干，制得涂布纸，涂布量控制在20g/m2。
性能测试：
1)各应用例制得的涂布纸，分别测试水、食用油和咖啡液滴的表面接触角，以此评价不同配方涂布纸的疏水、疏油与疏咖啡性能。
表面接触角按华南理工大学、广州市质量监督检测研究院、北京东方德菲仪器有限公司联合制定的“DB44/T 1232-2013测定固体涂层、基材和颜料表面张力的试验方法接触角法”进行测试与评价。
2)耐溶剂性(渗漏性)按以下方法进行测试与评价：
分别用前述各应用例的涂布纸，裁剪成200mm*200mm大小,涂布面向内，将其4边折叠,4个角粘合牢固后做成底面长和宽均为100mm、4边高均为50mm的试样盒,然后放在一块衬有滤纸的干玻璃板或平板上。测试液的选择根据产品的用途进行选择，分别选择23士1℃和95士3℃的水、23士1℃和95士3℃的食用油，23士1℃和95士3℃的咖啡。分别将上述测试液倒入试样盒内,加液至离上边缘10mm,静止不同时间后,观察玻璃板或平板上是否有渗出的水、油或咖啡印迹。根据有无印迹出现，判定该样品有无渗漏，从而判断用于纸制品的涂料对水、油或咖啡的抗耐性。每种测试液测试3次。
3)涂料涂布性的评价
采用在纸杯用纸上进行刷涂和气刀涂布后的表观质量来进行评价，评价指标包括均匀性、流平性、快干性能。
将上述应用例1～6所生产得到的涂布纸进行性能测试，检测结果如下表所示：
Figure BDA0003536083910000071
备注：耐溶剂性好坏评价中，微漏指只有渗漏痕迹，但没有明显的成线或成片渗漏。
实施例1至6制得的用于纸制品涂料按GB/T 23986—2009《色漆和清漆挥发性有机化合物(VOC)含量的测定气相色谱法》对涂料的有机化合物(VOC)含量进行测定。
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
VOC含量(g.L<sup>-1</sup>) <0.4 <0.5 <0.5 <0.1 <0.1 <0.1
从检测结果可以看出，各应用例获取的涂布纸在盛装23℃冷水60min、95℃热水30min、23℃食用油60min、95℃食用油30min、23℃咖啡8h、95℃咖啡4h均能保持纸杯不渗漏，达到能生产合格的纸杯的要求。进一步地，耐95℃热水性能测试延长至60min、耐95℃食用油性能测试延长至60min、耐95℃咖啡性能延长至8小时，实施例1～3为采用市购水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油成膜剂为原料制得用于纸制品的涂料，对应的应用例1～3制成的涂布纸，在耐95℃热水性能测试延长至60min和耐95℃咖啡性能延长至8小时时有微漏现象；实施例4～6为采用本发明提供的技术路线合成的水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油成膜剂为原料制得用于纸制品的涂料，对应的应用例4～6制成的涂布纸，在耐95℃热水性能测试延长至60min和耐95℃咖啡性能延长至8小时时均无渗漏。用本发明提供的技术路线合成的水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油成膜剂制得的用于纸制品的涂料具有更优的耐水性、耐油性与耐咖啡性性能。
实施例4～6用本发明提供的技术路线合成的水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油成膜剂为原料制得用于纸制品的涂料，VOC含量均小于实施例1～3用市购水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油成膜剂为原料制得用于纸制品的涂料；对于涂料的涂布性而言，实施例4～6用本发明提供的技术路线合成的水性聚氨酯和聚醚改性氨基硅油成膜剂为原料制得用于纸制品的涂料，具有较低的粘度，改善涂料各组分的混溶性，提高了涂膜性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明一种用于纸制品的涂料及其制备方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (7)

1.一种用于纸制品的涂料，其特征在于，所述用于纸制品的涂料的制备原料包括如下组分：水性聚氨酯0.3～0.7重量份、聚醚改性氨基硅油0.3～0.7重量份、纳米氧化物0.7～1.6重量份、聚阴离子纤维素0.1～0.4重量份、乳化促进剂1.0～1.8重量份、成膜助剂0.4～1.0重量份和去离子水93～96重量份；所述用于纸制品的涂料由以下步骤制得：
1）将0.3～0.7重量份水性聚氨酯和0.3～0.7重量份聚醚改性氨基硅油混合，搅拌乳化分散后制得复合水溶性成膜剂；
2）取适量去离子水，在搅拌下往去离子水中加入0.1～0.4重量份聚阴离子纤维素，搅拌溶解后；往聚阴离子纤维素水溶液中加入0.7～1.6重量份纳米氧化物，继续搅拌均匀后制得复合粘稠剂；
3）往40～50重量份的去离子水中加入步骤1）制得的复合水溶性成膜剂，搅拌分散后，在搅拌状态下依次加入步骤2）制得的复合粘稠剂、1.0～1.8重量份乳化促进剂、0.4～1.0重量份成膜助剂和余量的去离子水；搅拌均匀。
2.根据权利要求1所述的用于纸制品的涂料，其特征在于，所述乳化促进剂为2-丁氧基乙醇或异丙醇。
3.根据权利要求1所述的用于纸制品的涂料，其特征在于，所述成膜助剂包括：PSE系列非离子型超分散剂0.1～0.3重量份；聚乙烯蜡或漆仔蜡防沉淀剂0.15～0.25重量份；酒石酸盐0.05～0.15重量份；聚醚消泡剂0.05～0.15重量份；抗菌剂0.05～0.15重量份。
4.根据权利要求3所述的用于纸制品的涂料，其特征在于，所述抗菌剂包括甲壳素、芥末、蓖麻油中的至少一种。
5.一种用于纸制品的涂料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
1）将0.3～0.7重量份水性聚氨酯和0.3～0.7重量份聚醚改性氨基硅油混合，搅拌乳化分散后制得复合水溶性成膜剂；
2）取适量去离子水，在搅拌下往去离子水中加入0.1～0.4重量份聚阴离子纤维素，搅拌溶解后；往聚阴离子纤维素水溶液中加入0.7～1.6重量份纳米氧化物，继续搅拌均匀后制得复合粘稠剂；
3）往40～50重量份的去离子水中加入步骤1）制得的复合水溶性成膜剂，搅拌分散后，在搅拌状态下依次加入步骤2）制得的复合粘稠剂、1.0～1.8重量份乳化促进剂、0.4～1.0重量份成膜助剂和余量的去离子水；搅拌均匀。
6.根据权利要求5所述的用于纸制品的涂料的制备方法，其特征在于，所述水性聚氨酯以4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、新戊二醇己(二)酸酯为原料，以三乙胺为中和剂，以乙二胺为扩链剂，通过无溶剂法制得预聚物，乳化后制得；所述聚醚改性氨基硅油用端环氧基硅油、氨基聚醚，以异丙醇为溶剂，在40～75℃温度下反应5小时以上，加入氨基保护剂后，在75℃温度下继续反应1～3小时，蒸出溶剂，乳化后制得。
7. 根据权利要求4所述的用于纸制品的涂料的制备方法，其特征在于，所述成膜助剂包括： PSE系列非离子型超分散剂0.1～0.3重量份；聚乙烯蜡或漆仔蜡防沉淀剂0.15～0.25重量份；酒石酸盐0.05～0.15重量份；聚醚消泡剂0.05～0.15重量份；抗菌剂0.05～0.15重量份；成膜助剂加入时依次加入PSE系列非离子型超分散剂、聚乙烯蜡或漆仔蜡防沉淀剂、酒石酸盐、聚醚消泡剂、抗菌剂。
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