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第四章 烯类高聚物胶黏剂. 烯类高聚物胶黏剂是以 烯类 高聚物作为 粘料的一大类胶黏剂。因烯类高聚物的 种类不同,该类胶黏剂有很多品种。. 第一节 聚乙酸乙烯酯乳液胶黏剂. 最低成膜温度( MFT) : 是指能使乳液形成 连续 透明薄膜的 最低温度 。. 聚乙酸乙烯酯 乳液胶黏剂是以 乙酸乙烯酯 ( VAc ) 作为单体在分散介质中经乳液聚合而制得的,俗称白胶 或乳白胶。 聚乙酸乙烯酯乳液问世于 1929 年 ,于 1937 年 在德 国实现工业化生产,特别是法本公司的 W. Starck 和
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烯类高聚物胶黏剂是以烯类高聚物作为 • 粘料的一大类胶黏剂。因烯类高聚物的 • 种类不同,该类胶黏剂有很多品种。
最低成膜温度(MFT): • 是指能使乳液形成连续透明薄膜的最低温度。
聚乙酸乙烯酯乳液胶黏剂是以乙酸乙烯酯(VAc)聚乙酸乙烯酯乳液胶黏剂是以乙酸乙烯酯(VAc) 作为单体在分散介质中经乳液聚合而制得的,俗称白胶 或乳白胶。 聚乙酸乙烯酯乳液问世于1929年,于1937年在德 国实现工业化生产,特别是法本公司的W. Starck和 Frendeberg发明以聚乙烯醇(PVA)作保护胶体进行乙 酸乙烯酯乳液聚合的方法,大大推动了PVAc乳液工业 的进展。
PVAc乳液胶黏剂是水基胶黏剂,无污染,不燃 烧,性能又优于动物胶,开始代替动物胶。 优点: (1)对多孔材料如木材、纸张、棉布、皮革、陶瓷 等有很强的粘合力; (2)能够室温固化,干燥速度快; (3)胶膜无色透明,不污染被粘物;
(4)不燃烧,不污染环境,安全无害; • (5)单组分,使用方便,清洗容易,贮存期较长, • 可达1年以上。
缺点: • (1)耐水性和耐湿性差。对冷水有一定的耐水性, 但对温水的抵抗性极差;易吸湿,在湿度为65%的空 气中吸湿率为胶重的1.3%,而在湿度为96%的空气中 吸湿率则为3.5%。 • (2)具有热塑性,耐热性差。
一、原料 • 聚乙酸乙烯酯乳液合成时,除了单体乙酸乙烯酯 外,还需要分散介质、引发剂、乳化剂、保护胶体、 增塑剂、冻融稳定剂以及各种调节剂等。
(一)乙酸乙烯酯(亦称醋酸乙烯酯) • 乙酸乙烯酯为无色可燃液体,具有甜的醚香,微 溶于水,它在水中的溶解度28℃时为2.5%,而且容易 水解。 • 乙酸乙烯酯蒸气有毒,对中枢神经系统有伤害作 用,同时刺激粘膜并引起流泪。当有少量氧化物存在 时,乙酸乙烯酯即可聚合。
(二) 分散介质 • 在乳液聚合过程中应用最多的分散介质是水。水便 宜易得,没有任何危险。 • 用水作分散介质,放热反应易于控制,有利于制 得均匀的高分子量产物。
(三) 引发剂 • 常用过氧化物作引发剂。用得较多的是过硫酸钾、 过硫酸铵,也有用过氧化氢的。用量为单体重量的0.1~ 1%。过硫酸钾和过硫酸铵的引发性能非常相似,但由于 室温下过硫酸钾在水的溶解度为2%,而过硫酸铵在水中 的溶解度可达20%以上,所以工业生产用过硫酸铵更为 方便。
(四) 乳化剂 • 是由亲水的极性基团和疏水(亲油)的非极性基团 构成 ,它可使互不相溶的油(单体)—水,转变为相当 稳定、难以分层的乳液。 常用的乳化剂有OP-10、烷基硫酸钠、烷基苯磺酸 钠、油酸钠等。 阴离子型乳化剂可用磺化动物脂,磺化植物油、烷基 磺酸盐(如十二烷基磺酸钠)。
(五)保护胶体 • 保护胶体在粘性的聚合物表面形成保护层,以防 凝聚。常用的保护胶体有聚乙烯醇、甲基纤维素、羧甲 基纤维素、聚丙烯酸钠等。 乙酸乙烯酯乳液聚合常采用聚乙烯醇作为保护胶体 .
(六) 缓冲剂 • 用以保持反应介质的pH值。聚合时如pH太低引发速 度太慢,介质的pH越高,引发剂分解的越快,形成的活 性中心越多,聚合速率就越快,故可通过缓冲剂来控制 聚合速度。常用碳酸盐、磷酸盐、醋酸盐。用量为单体 重量的0.3~5%。
(七) 增塑剂 • 聚乙酸乙烯酯的玻璃化温度为28℃。添加增塑剂的 目的是使聚乙酸乙烯酯在较低温度时有良好的成膜性和 粘接力。常用的有酯类,特别是邻苯二甲酸烷基酯类如 邻苯二甲酸二丁酯和芳香族磷酸酯如磷酸三甲苯酯。
(八)填料 • 目的:降低成本,提高固含量,提高黏度,降低渗透 率,改善填充性能。 分为有机及无机两种。 有机填料:用量一般低于5%~10%; 无机填料:用量可高至50%。
冻融稳定剂 • 防腐剂 • 消泡剂
(一)乳化剂的影响 • 乳化剂是一种表面活性剂,在乳液聚合过程中能 降低单体和水的表面张力,并增加单体在水中的溶解 度,形成胶束和乳化的单体液滴。乳化剂的选择对乳 液的稳定性和质量有很大的影响,乳化剂用量太少乳 液的稳定性差,而用量太大耐水性则差。
当单体用量、温度、引发剂等条件固定时,乳化 剂用量增加,乳胶粒数目也就越多,乳胶粒粒径也 就越小,这样,就可提高聚合反应速度,有利于得 到颗粒度较细、稳定性好的乳液。但若用量太多, 也会降低乳液的耐水性。
聚乙烯醇:是聚醋酸乙烯乳液聚合中最常用的乳聚乙烯醇:是聚醋酸乙烯乳液聚合中最常用的乳 化剂,由于对乳液的质量要求不同,聚乙烯醇的规格 和用量也有所不同。 聚乙烯醇的规格主要是按聚合度和乙酰基含量的 不同来划分。
用聚合度高的聚乙烯醇可以得到黏度较大的乳液。用聚合度高的聚乙烯醇可以得到黏度较大的乳液。 但聚乙烯醇的用量大了就会使耐水性下降,所以当 需要黏度较高的乳液时,最好用聚合度较大的聚乙 烯醇而避免聚乙烯醇的用量增加过多。一般常用平 均聚合度1500以上的聚乙烯醇,如果制备黏度很大 的乳液时,最好用平均聚合度2000以上的聚乙烯醇。
醇解度在99.5%以上的纺丝用的聚乙烯醇,由于 聚乙烯醇分子结构中的乙酰基基本上已全部被羟基取 代,因此结晶性较大,其水溶液在低温时很容易成胶 冻,用这样的聚乙烯醇制成的乳液防冻性就很差。
如果在醇解时留下一部分乙酰基,破坏了分子结 构的规整性,结晶性就较小,乳化作用也较好,所以 用作乳化剂的聚乙烯醇都是这类低醇解度或称高乙酰 基的聚乙烯醇。这种聚乙烯醇在冷水中也能溶解,制 成乳液稳定性好,防冻性能也较好,最常用的是醇解 度为88%~90%,即乙酰基为10%~14%的产品。
其他非离子型或阴离子型的乳化剂:非离子型的 大都是环氧乙烷缩合物,如脂肪醇或烷基苯酚的环氧 乙烷缩合物。常用的如乳化剂OP—10等,是烷基酚的 环氧乙烷缩合物,阴离子型常用的有十二烷基硫酸钠, 十二烷基苯磺酸钠等。
(二)引发剂用量的影响 • 聚合反应的速率 • 聚合物的聚合度(分子量)
引发剂用量多,虽然增加了链游离基的数量,但也引发剂用量多,虽然增加了链游离基的数量,但也 同时增加了链终止的机会,使分子量降低,从而影响乳 液的胶接强度,因此在保证一定的聚合速率的前提下, 减少引发剂用量,可以提高产品的聚合度,得到高分子 量的产物。
(三)搅拌强度的影响 • 在乳液聚合过程中,搅拌的一个重要作用是把单体分散成单体液滴,并有利于传质和传热。
(四)反应温度的影响 • 反应温度升高的综合结果,是使聚合速率增加, 聚合度降低。 • 单体滴加完,温度升至90~95℃,并保温0.5h,目的 是尽可能减少未反应剩余单体量,提高乳液的贮存稳 定性。
三 聚醋酸乙烯酯乳液胶黏剂的硬化过程 • 聚醋酸乙烯酯乳液的硬化是通过将水分蒸发到 空气中以及被多孔性被胶接物吸收,在高于最低 成膜温度MFT时,各乳胶粒子中的分子相互渗透, 相互扩散,聚结为一体而成为连续透明的薄膜。
MFT越高,结膜硬化速度越慢。如果硬化温度 低于MFT,聚合物乳液中的水分挥发之后,则乳胶 粒仍为离散的颗粒,并不能融为一体,不能形成有 强度的胶膜,胶接产品就建立不起来胶接强度。 因此,聚醋酸乙烯酯乳液的MFT必须低于使用温度。
聚乙酸乙烯酯乳液胶为热塑性胶,软化点低,且制聚乙酸乙烯酯乳液胶为热塑性胶,软化点低,且制 造时用亲水性的聚乙烯醇作乳化剂和保护胶体,因而 使它产生了最大的弱点:耐热性和耐水性差。 为了改善其耐热性和耐水性,一般采用内加交联剂 和外加交联剂两种方法。这两种方法的基本出发点是 使乳胶从热塑性向热固性转化。
内加交联剂 : • 内加交联剂的方法即在制造聚乙酸乙烯酯乳液时, 加入一种或几种能与乙酸乙烯酯共聚的单体,使之反应 而得到可交联的热固性共聚物。
近年来,采用较多的就是这种内加交联剂的方法,近年来,采用较多的就是这种内加交联剂的方法, 用这种方法制得的共聚乳液,在胶合过程中分子进一 步交联,而使胶层固化。固化后的胶层,也和其他热 固性树脂一样,具有不溶(熔)的性质,因此它的胶接 强度及胶层的耐热、耐水、耐蠕变性能大大提高。同 时其他性能,如耐酸碱性、耐溶剂性和耐磨性等,也 相应得到改善。实践证明,这是改进各种热塑性乳液 的缺点的一个有效途径。
外加交联剂 : • 即在聚乙酸乙烯酯均聚乳液中,加入能使大分子 进一步交联的物质,使聚乙酸乙烯酯的性质向热固性 转化。常用作外加交联剂的物质有热固性树脂胶(如 酚醛树脂胶、间苯二酚树脂胶、三聚氰胺树脂胶、脲 醛树脂胶等)、硅胶、异氰酸酯等。
近几年来,国内外都将PVAc乳液的改性作为研 究开发的重点内容并作了大量工作。 • 早期主要是通过加入增塑剂、溶剂等达到改性的 目的。但这样会降低胶膜的强度,并且增塑剂会迁 移到界面,使胶膜发脆,以致使胶接部位产生断裂, 且成本有所提高。随着研究的进一步深入发展,各 种改性方法不断涌现,且效果显著。
(一) 共聚改性 • 醋酸乙烯酯(VAc)单体能够同另一种或多种单体,如 与丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、具有羧基或多官能团的单 体进行二元或多元共聚。引入共聚单体不仅可改善其性 能,而且还可降低成本。目前,国内外研究得较多的是 醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(EVA)。
1.乙烯共聚改性 • EVA乳液自1965年由美国Air Production公司实现工业 化生产以来,得到很大发展。 EVA分子中,由于乙烯的引入,产生了“内增塑”的作 用,既能增大分子内的活动性,又增大分子间的活动性。 这种内增塑的作用是永久的,使PVAc乳液的综合性能得 到很大的改善。
EVA乳液具有较低的成膜温度,机械性能好、 储存性能稳定等特点;另外,EVA胶膜具有较好的耐 水、耐酸碱性能,对氧、臭氧,紫外线都很稳定。因 此,其广泛应用于建筑、纺织包装等行业。
目前商品化的乙酸乙烯酯—乙烯共聚物可分为三类。目前商品化的乙酸乙烯酯—乙烯共聚物可分为三类。 • (1)低VAc含量(约10%~40%)的共聚物(EVA) 这些乙烯为主要单体组分的共聚物用作热熔胶。它们在高压下用本体聚合法制造 。
(2)VAc和乙烯含量接近相同(45%一55%)的共聚物(2)VAc和乙烯含量接近相同(45%一55%)的共聚物 • 这些树脂专用于橡胶方面或作为聚氯乙烯的抗冲击 改性剂。它们是在中等压力下用溶液聚合法生产的。 • (3)高VAc含量(约60%~95%)的VAE • 这类共聚物是在2.07~10.3MPa压力下用乳液聚合 法制造的。它们是热塑性树脂,这些共聚物产品均为 水性乳液或分散体。
2丙烯酸类共聚改性 • 在乳液聚合的过程中加入丙烯酸类单体,与醋酸 乙烯共聚,在合适的工艺条件下,不仅可以降低生产 成本,而且所得的共聚乳液的性能能够得到很大程度 的提高。
由于PVAc均聚物一般是在聚乙烯醇(PVA)水溶液 中聚合得到的,PVA既起乳化剂的作用,又起保护胶体 的作用。因为PVA含有大量的亲水性羟基,而且又缺少 空间障碍,分子间的羟基有很强的氢键作用,随着放置 时间的增长,或者是温度的降低分子键相互缠绕而出现 凝胶化,影响乳液的稳定性和防冻性,而且乳液的耐水 性也较差。
引入可交联的丙烯酸(AA)或者丙烯酸酯类单体, 能够在乳液中引入极性羧基,并能够产生空间障碍,而 增加乳胶韧性和成膜的稳定性。因为丙烯酸类单体的玻 璃化温度较低,如丙烯酸丁酯的玻璃化温度为-54℃,加 入丙烯酸类单体,共聚后可以降低乳液的玻璃化温度和 最低成膜温度。
3 有机硅共聚改性 • 有机硅改性就是在醋酸乙烯乳液聚合过程中加入一 定量的有机硅,作为一种单体参与醋酸乙烯的聚合反应。 所得的乳液因为有机硅的加入,相关性能得到很大改善。
有机硅改性中采用的有机硅大多是聚硅氧烷,硅氧 烷中Si-O键的键能(450kJ/mol)远大于C-O键能(345kJ/mol)和C-C键能(351kJ/mol),具有优良的耐 候、耐热、保光性和抗紫外光能力,同时有机硅表面能 较低,不易积尘,具有抗沾污性能。
一方面,有机硅的加入在聚醋酸乙烯分子链中引入了 一方面,有机硅的加入在聚醋酸乙烯分子链中引入了 疏水性的有机硅链段,提高乳胶膜的耐水性;另一方面, 因为有机硅具有卓越的抗寒性,可以在较低的温度下使 用,而不凝固,共聚后可以提高抗冻性。又由于硅油具有 很好的耐热性,可以在170℃下长期使用,共聚后,在聚合 反应过程中,以及在胶膜干燥过程中形成化学键而达到一 定程度的交联,胶膜的耐热性得到提高。