（来源：买化塑）

曹继刚 

上海紫江企业集团股份有限公司虹桥管理总部，上海 201100

摘要

当下纸质印刷包装行业环保管控标准持续收紧，同时市场对包装成品综合性能要求同步提升，对包装行业技术迭代与绿色转型提出了更高要求。阐述了一种单组分无溶剂自交联聚氨酯涂层材料的研发过程与产业化应用成果。该技术基于封闭型异氰酸酯的可逆反应机理，设计出常温储存稳定、加热条件下快速固化的自交联分子体系，有效解决了传统单组分涂料储存期与固化速度之间的矛盾。项目同步配套开发了“无溶剂复合”与“水性联机上光”两种差异化应用工艺，攻克了涂层与基材界面结合、高速制袋热封等产业化关键技术。应用测试结果表明，该涂层体系可完全替代BOPP 覆膜与PE淋膜工艺，赋予纸制品优异的耐水防潮、耐磨抗爆、可印刷及热封性能，同时实现生产过程零溶剂排放和最终产品的去塑化。该技术的成功落地，为印刷包装行业提供了一种兼具高性能与环境友好特性的表面处理新方案。

关键词

单组分无溶剂聚氨酯；自交联涂层；绿色去塑包装；无溶剂复合涂层

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引言

传统的双向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene，BOPP）覆膜、聚乙烯（polyethylene，PE）淋膜等工艺虽能提升纸质包装的防护性，但存在溶剂依赖、回收困难、能耗高等问题，与可持续发展理念相悖。覆膜所用含溶剂的胶黏剂使塑膜难以从纸张剥离，淋膜则因引入塑料层阻碍纸浆再利用。本研究旨在开发一种单组分、无溶剂、可自交联固化的聚氨酯涂层体系，并围绕该体系构建与之匹配的灵活应用工艺。研究成果有望解决材料环保性与性能之间的平衡难题，为纸质印刷包装行业的技术迭代与绿色转型提供理论支撑与实践范例。

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 研制背景与需求分析

纸质包装虽具有可再生、易降解优势，但其多孔亲水结构导致防潮、耐油脂、抗磨损等性能不足。长期以来，覆膜与淋膜作为主流技术，确实在一定程度上满足了包装的防护需求，但其弊端也日益显现：覆膜工艺中胶黏剂常含挥发性有机化合物，复合后的膜层难以从纸张上剥离，给回收利用带来极大困难；淋膜工艺则直接在纸张表面涂覆一层塑料，使原本可循环的纸张变成难以降解的复合材料[1]。这些工艺增加环境负荷，与“双 碳”目标相悖。单组分无溶剂聚氨酯涂层技术应运而生， 其核心研制目标是创制一种不含任何挥发性溶剂、仅通过加热即可实现交联固化的液态涂层材料，并开发与之相适应的高效、低能耗应用工艺，以期实现对传统含塑工艺的全面替代。

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 材料体系创新与双轨工艺开发

2.1 单组分无溶剂体系的构建原理 

单组分无溶剂体系的成功构建是本项目的技术基石。其关键在于运用了“封闭-解封闭”的可逆化学反应原理[2]。该反应机理可分解为两个阶段：封闭阶段，通过聚酯或聚醚多元醇与二异氰酸酯[如异佛尔酮二异氰酸酯（isophorone diisocyanate，IPDI）]反应，合成含有端异氰酸酯（Isocyanate，-NCO）基团的聚氨酯预聚体。然后选用特定的封闭剂（如己内酰胺、甲乙酮肟、3,5-二甲基吡唑等）与预聚体中的-NCO基团反应，生成氨基甲酸酯衍生物，将高活性的-NCO基团暂时“保护”起来，从而获得一种在常温下化学性质稳定、可长期存放的单组分产品。该产品固含量达到100%，不含任何有机溶剂。解封闭阶段，当施工后加热到130～150℃特定温度时，氨基甲酸酯键发生逆反应断裂，封闭剂解离，重新释放出活性的-NCO基团。这些重新生成的-NCO基团随即与体系中环境水分或基材表面的羟基的活性氢发生扩链或交联反应，最终形成一个三维网络结构，实现涂层的完全固化。这一设计协同解决了便于储存与高效固化的矛盾。

2.2 基于应用场景的双轨工艺优化 

2.2.1 无溶剂复合工艺 

此路线采用前述100%固含量的单组分无溶剂聚氨酯涂料。通过专用的五辊涂布单元将涂料均匀地涂覆在印刷后的纸张等基材表面，涂布量控制在3～8g/m2 。随后，加热温度为130～150 ℃的辊筒，在加压辊（压力 0.3～0.5 MPa）的协同作用下，与另一层基材或自身对折瞬间复合成型。加热过程不仅促使涂层中的封闭剂解 离、释放NCO基团，同时引发NCO与基材表面水分或活性氢的反应，实现涂层的快速交联固化，并与基材形成化学键合。该工艺形成的涂层质地致密且连续，使得成品拥有极佳的耐水性，浸泡24 h后强度保留率>90%、 其整体力学强度显著提升，适用于高端手提袋、重型包装等对耐久性有极致要求的产品。整个工艺过程无溶剂挥发，能量消耗主要集中在加热固化环节，能耗较低。 

2.2.2 水性联机上光工艺

为进一步满足彩盒包装等领域对生产效率和表面平整度的严苛要求，项目团队开发了水性联机上光方案。该方案使用的是自主研发的高性能水性聚氨酯分散体，其配方组成包括：聚酯多元醇（分子量1000～2000）、异佛尔酮二异氰酸酯、二羟甲基丙酸作为亲水扩链剂、乙二胺作为后扩链剂，以及三乙胺作为中和剂。通过预聚体法合成，得到固含量35%～40%、黏度＜200 mPa·s 的稳定分散体。该分散体具有优异的成膜性和复溶性，能够与高速印刷机实现无缝对接，即在印刷工序完成后立刻进行在线涂布，并直接利用印刷机组自带的红外或热风干燥系统一次性完成水分的挥发和涂层的初步固化[3]。水性体系本身具有极佳的环境友好性，加之工艺高度集成，能够显著提升生产效率并降低综合运营成本。尽管在极致耐水性方面略逊于无溶剂体系，但其在防潮（表面吸水性Cobb值<25 g/m2 ）、抗摩擦（Taber耐摩 擦次数>800次）、提升表面光泽（60 °光泽度>70%）和平整度等方面的表现，已足以满足绝大多数彩盒产品的性能指标。

03

 涂层材料产业化应用的关键技术突破

3.1 自交联结构的精细化调控 

实现自交联特性的分子结构精细化设计是性能调控的核心。通过灵活调整聚氨酯预聚体中软段（如聚酯或聚醚型多元醇，分子量1000～2000）与硬段（二异氰酸酯，如IPDI）的组成比例，可以实现对最终涂层柔韧性、表面硬度以及耐温性能的精确控制。典型配方中软段质量分数为60%～70%，硬段为30%～40%。同时，封闭剂的类型选择及其用量，则直接关系到解封温度的高低、固化反应的快慢以及产品储存期的长短[4]。实验证实，不同封闭剂的解封温度存在显著差异：己内酰胺封闭产物解封温度约为140～160℃，甲乙酮肟封闭产物解封温度约为120～140℃，3,5-二甲基吡唑封闭产物解封温度可低至110～120℃。封闭剂用量通常按NCO 与封闭剂摩尔比1∶1.05～1.10投料，以确保-NCO完全封闭。通过控制封闭率（即封闭的-NCO占总量比例）在90%～95%，可以在确保产品拥有至少6个月储存稳定期的前提下，实现涂层在设定温度下的迅速且完全固化，从而完美匹配工业化连续生产的节奏。

为验证涂层材料的长期储存稳定性，将制备的单组分无溶剂聚氨酯涂料在常温（25±2℃）密闭条件下分别存放3个月、6个月、12个月后，取样测试其黏度变化、固化性能及涂膜力学性能。测试结果如表1所示，存放6个月后，涂料黏度由初始的850 mPa·s增至 920 mPa·s，变化率约8.2%，仍处于可涂布范围内（≤1000 mPa·s）；固化后涂膜拉伸强度保持率为92.5%，断裂伸长率保持率为89.8%。存放12个月后，涂料黏度增至1150 mPa·s，超出可涂布范围上限，但固化后涂膜拉伸强度保持率仍达85.3%，说明涂层在6个月储存期内性能稳定，满足工业化生产对物料库存周期的要求。

3.2 涂层－基材界面结合强化技术

涂层与多孔的纸质基材之间能否形成牢固附着，是应用成功与否的先决条件。纸张表面疏松多孔且含有各类助剂残留，不利于界面结合的形成[5]。本研究通过双重策略来强化界面作用力。

（1）在涂料配方中引入带有特殊反应性官能团的附着力促进剂，如硅烷偶联剂（KH-550、KH-560）或磷酸酯类化合物。以硅烷偶联剂为例，其分子中的烷氧基在水解后生成硅羟基，可与纸张纤维表面的羟基发生缩合反应形成共价键；同时，分子另一端的氨基或环氧基能与聚氨酯基体中的NCO或羧基反应，从而在涂层与基材之间形成交联结构物质，大幅提升界面结合强度。磷酸酯类促进剂则可通过磷酸基与纤维素羟基形成氢键 酯键，同样起到锚定作用。

（2）在涂布前对纸张进行在线电晕处理。电晕放电产生的高能粒子可有效清洁表面，并引入羰基、羧基等含氧极性基团，使纸张表面能由30～40 mN/m提升至 50 mN/m以上，显著改善涂层对基材的润湿和铺展能力。经上述优化改善，涂层与各类涂布纸、白卡纸间的附着力经划格法测试均可稳定达到0级，有效杜绝了使用过程中可能出现的脱层、爆边等问题。

3.3 面向高速制袋的热封性能匹配

对于需要制成包装袋的产品，涂层必须具备优良的热封性能。为了适应70～100只/分钟的高速制袋机，研究团队对涂层树脂的热封特性进行了专项优化。通过调节聚氨酯分子链段的结晶倾向，如选用结晶性较强的聚酯多元醇，并通过调整NCO/OH比例来控制最终涂层的交联密度，使得涂层在特定的280～350℃高温区间和0.5～2s短时间内能够迅速熔融并产生足够粘性，同时在3～4 MPa外加压力作用下快速形成高强度的封合界面。通过大量实验，确定了最优的热封工艺参数窗口：热封温度300～320℃，压力3.5 MPa，时间 1.0 s。在此条件下，热封边平整、牢固，其剥离强度可达 5～8 N/15 mm，满足甚至超越传统的PE淋膜产品标准（通常为3～5 N/15 mm）。

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 研制结果与测试评估分析

经过持续的研究、开发与优化，单组分无溶剂自交联聚氨酯涂层技术已成功迈入产业化应用阶段。为全面评估涂层性能，参照相关国家标准对采用不同工艺制备的样品进行了系统测试，结果汇总于表2。

上表测试数据表明：采用无溶剂复合+水性联机表面上光工艺的产品，其涂层耐水性极佳，纸张敷水浸泡24小时后强度未见明显下降；成品抗爆边强度显著提升。而采用水性联机上光工艺的产品，则表现出优异的表面平整度、高光泽特性，Taber耐磨次数超过800次，远高于覆膜产品的300次。

为评估涂层在实际使用环境下的长期稳定性，将采用本技术制备的涂层纸样置于温度（40±2）℃、相对湿度（80±5）%的加速老化环境中分别存放3个月、6个月、12个月后，取样测试其耐水性、耐磨性和热封强度。测试结果如表3所示，经12个月加速老化后，涂层耐水性仍保持良好（24h浸泡强度保留率>85%），Taber耐磨次数由初始的850次降至720次，热封强度由7.2 N/15 mm降至6.1 N/15 mm，各项性能指标仍满足包装材料使用要求，表明涂层具有良好的长期环境稳定性。

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 结语

本研究圆满完成了基于单组分无溶剂自交联聚氨酯的涂层材料及其双轨应用技术的开发与产业化推广。该技术体系通过创新的涂层技术设计开发，成功实现了100%固含无溶剂涂层材料环保特性、储存稳定性与高温自固化性能三方面的统一；通过构建“无溶剂复合”与“水性联机上光”双轨并行工艺，实现了对传统BOPP覆膜及PE淋膜工艺的全面、高性能、绿色化替代。现已对此项成果形成了完整的自主知识产权，为纸质印刷包装行业提供了一种经过市场实践检验的高性能去塑化解决方案，开辟了依靠原材料创新推动包装产业绿色升级的可行技术路径，推广示范价值突出。

来源：《现代工程科技》2026 年 6 月第 5 卷第 12 期