水性醋丙乳液封口膠的研制

1　摘 要     

　　通過對一種環(huán)保水性醋丙乳液共聚配方的研究 ,加入聚乙烯醇作為膠體保護劑 ,在膠體乳液反應完成后添加松香樹脂等助劑 ,大大提高了乳液的粘性和穩(wěn)定性 ,并綜合各方面因素對乳液性能及剝離強度的影響 ,得出了最優(yōu)配方 ,即反應溫度控制在 86 ℃、軟硬單體組成比為 119～210、交聯(lián)劑用量 2～212 %、玻璃化溫度 ( Tg ) - 10 ℃、增粘樹脂 9～11 % ,得到的水性封口膠的剝離強度達到315～316kN/ M。

2    結(jié)果與討論

2.1 軟硬單體組成

　　乳液共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 ( Tg ) 是膠粘劑性能的決定因素 ,而共聚物的 Tg取決于各單體均聚物的 Tg和比例。在選擇單體比例時根據(jù) FOX 公式計算出乳液共聚物的 Tg 。單體 Tg低 ,其粘連性大 ,有利于提高膠粘劑的初粘性 ;單體 Tg高其強度也高 ,有利于提高聚合物的內(nèi)聚強度 ,從而提高膠粘劑的持粘力、粘接強度和抗蠕變性。因此 ,根據(jù)實驗確定合適的軟、硬單體用量比 ,以保粘合劑有最佳的玻璃化溫度。

　　不同單體的聚合物玻璃化溫度和脆化點不一樣 ,因此選用不同的軟硬單體組成能得到不同硬度和柔韌性的聚合物。選用丙烯酸丁酯作為主要軟單體時 ,由于該軟單體聚合物的玻璃化溫度低 ( Tg =- 55 ℃) ,其內(nèi)聚強度弱 ,剝離強度低 ,不能滿足要求粘合力大的需要。醋酸乙烯酯屬于硬單體 ,其聚合物的玻璃化溫度 Tg = 30 ℃,能提供較好的內(nèi)聚強度 ,而且價廉 ,多使用此單體可降低成本 ,但比例太大會使粘附性能降低 ,屈曲性能減弱 ,從而使剝離強度下降 ,如圖 1 所示。

由圖 1 可知 ,隨著丙烯酸丁酯用量的增加 ,開始剝離強度增大 ,當軟、硬單體用量比為 119 左右時剝離強度最大達到 3170 kN/ M。隨著其含量的繼續(xù)增加 ,由于丙烯酸丁酯柔軟性不夠 ,剛性逐漸增大 ,粘附力減弱致使剝離強度又逐漸下降。

2.2 玻璃化溫度( Tg ) 對膠粘劑性能的影響

　　在室溫下使用的乳液涂料和膠粘劑等 ,需要制備最低成膜溫度 (MF T) 低于室溫的乳液共聚物。若共聚物的 MF T 高于使用溫度 ,其乳液膠粘劑不能形成連續(xù)的粘接層 ,粘接強度非常低。而乳液的圖 1 軟硬單體組成對剝離強度的影響曲線MF T 主要決定于乳液聚合物的玻璃化溫度( Tg ) 。

    MF T 一般都很接近 Tg (可以采用 Fox 公式計算聚合物的 Tg ) 。因此 ,從封口膠的使用工藝和使用性能考慮 , Tg 在較低的情況下 ,膠膜性能較好、粘性強 ,但不能太低。圖 2 是此乳液玻璃化溫度與膠的剝離強度的關系圖。

由圖 2 可以看出 ,隨著共聚物玻璃化溫度的降低 ,膠的剝離強度逐漸增大 ; 當玻璃化溫度降到- 9 ℃時 ,剝離強度最大為 3151kN/ M。隨著玻璃化溫度的進一步下降 ,剝離強度又開始逐漸下降。

2.3 交聯(lián)劑用量對膠粘劑性能的影響

　　交聯(lián)劑的作用主要是增加膠的內(nèi)聚力及耐濕性。由于膠溶液中有大量水存在 ,交聯(lián)劑的選用必須是在水中穩(wěn)定 ,而且交聯(lián)溫度低、速度快。金屬鹽型交聯(lián)劑滿足這些條件 ,其交聯(lián)原理是隨著水的揮發(fā) ,金屬離子與聚合物中的-O H 等基團進行配位結(jié)合 ,達到交聯(lián)的目的 ,提高膠的粘合強度[6 ] 。圖 3 是交聯(lián)劑的用量與膠的剝離強度的關系。

由圖 3 可見 ,隨著交聯(lián)劑用量的增加 ,當達到2.15 %時 ,剝離強度達到最大值 ,繼續(xù)增加交聯(lián)劑用量 ,剝離強度反而減小。這可能是過多的極性物質(zhì)如無機鹽的存在對非極性聚丙烯薄膜的粘接效果產(chǎn)生不利影響。故交聯(lián)劑用量取 2.15 %。

2.4 松香樹脂對膠粘劑性能的影響

松香是以松香酸為主要成份的一元羧酸 ,是雙鍵位置不同的異構(gòu)體混合物。由于松香中有雙鍵 ,容易和空氣中的氧起反應 ,生成過氧化物 ,特別是在光和熱存在的情況下 ,這種作用更快 ,所以通常用于增粘的都是通過加氫、歧化、雙聚等手段改性了的松香。為了充分發(fā)揮增粘樹脂的作用 ,增粘樹脂溶解在彈性體中 ,必須形成均一相。如果相容性小 ,即使增粘樹脂的濃度很低 ,也會發(fā)生相分離。一般認為溶解度參數(shù)值相近的物質(zhì)相容性較好 ,而其值大小又可衡量極性的強弱。松香這種常用的增粘樹脂 ,極性較高 ,且丙烯酸酯類膠粘劑屬于極性彈性體 ,松香與其相容性較好 ,因此 ,松香液加入體系后膠的剝離強度上升 ,而體系原有的其它性能也基本未受影響 ;如果過量的加入增粘劑 ,結(jié)果使膠的剝離強度、外觀、穩(wěn)定性及涂膜透明性均下降 ,嚴重影響了膠粘劑的性能[7 ] 。

由圖 4 可以看出 ,隨著松香樹脂用量的增加 ,膠的剝離強度逐漸增大 ;當增粘樹脂的用量達到 10 %時 ,剝離強度最大為 3.75kN/ M。隨著松香樹脂用量的增加 ,剝離強度又開始逐漸下降。

2.5 反應溫度對剝離強度的影響

　　醋丙乳液聚合反應一般在回流溫度下進行[8 ] 。一方面聚合溫度太低 ,則反應誘導期長 ,聚合速度慢 ,且單體反應不完全 ,殘余單體含量高 ;另一方面反應溫度過高 ,則容易引起系統(tǒng)暴聚凝膠。在反應圖 4 松香樹脂對剝離強度的影響曲線過程中 ,由于反應放熱 ,會使系統(tǒng)溫度升高 ,通過控制單體的滴加速度來調(diào)節(jié)反應速度 ,從而控制反應體系的溫度。單體滴加完畢后 ,因為反應放熱較少 ,這時應升高溫度 ,使未反應的單體繼續(xù)反應完全。實驗考察了反應溫度在 75 ℃、80 ℃、85 ℃和 90 ℃下分別對乳液剝離強度的影響關系 ,所得的結(jié)果如圖5 所示。由圖 5 可以看出 ,聚合溫度控制在 85～90 ℃之間較為理想 ,本實驗反應溫度設為 86 ℃,保溫溫度為 93 ℃,保溫時 0.5h ,反應速度快 ,反應穩(wěn)定 ,單體轉(zhuǎn)化率高 ,乳液剝離強度相對較大。溫度對乳液反應及膠粘劑粘性的影響見圖 5 ,結(jié)合圖和其它因素綜合考慮 ,本實驗制備的反應溫度確定為86 ℃。

3   結(jié)論

　　通過對水性醋丙乳液封口膠的研制和性能影響因素的分析 ,找到了最好的優(yōu)化條件 ,即反應溫度控制在 86 ℃,軟硬單體組成比為 1.9～2.0 ,交聯(lián)劑用量 2.0～2.2 % ,玻璃化溫度( Tg ) - 10 ℃,增粘樹脂 9～11 %。所制備的水性封口膠產(chǎn)品外觀為淡黃色或乳白 色粘稠狀液體 ,剝離強度達到3.5～3.6kN/ M ,p H 值 6.0～7.0 ,粘度 (25 ℃,mPa ·s) 達到 3000～6000 ,貯存期 6 個月。高的剝離強度和穩(wěn)定性能取得并保持很好的粘接效果。