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压敏胶黏剂(pressure sensitive adhesive)就是指对压力很敏感,不需要加热或溶剂活化,只要通过适当加压,就能实现粘接的一种胶黏剂。压敏胶因其使用方便,用途广泛,故发展异常迅速,前景十分广阔。
20世纪20年代合成的电器绝缘用压敏胶黏带使压敏胶制品开始进入工业应用领域,从60年代以来,特别是各种丙烯酸酯压敏胶的相继开发,压敏胶技术及其制品的工业一直处于高速发展中,压敏胶制品已被广泛应用于工业、日用、医用等诸多领域。
1.压敏胶黏剂的分类
虽然压敏胶可以像一般胶黏剂那样直接用于粘接各种材料和物品,但大多数还是将其涂布各种基材上,加工成胶带、标签或者其他各种制品。因此,压敏胶黏剂是一种特殊类型的胶黏剂。在胶黏剂领域里已成为一个重要的独立分支。由于具有干黏性和永久黏性,所以习惯上也称压敏胶为不千胶,其特点是粘之容易,揭去不难,剥而不损。人们常用的医用橡皮膏和绝缘胶布便是最早、最典型的压敏胶制品。
压敏胶黏剂按其主体聚合物的化学结构可分为橡胶型压敏胶和树脂型压敏胶。常用的压敏胶黏剂进一步又可分为5类:
(1)丙烯酸酯压敏胶黏剂丙烯酸酯压敏胶是由各种不同的单体共聚而得的丙烯酸酯共聚物,一般不必另加增黏树脂、软化剂、防老剂等配合剂便有很好的压敏性黏合性能,具有优良的耐老化性,因而发展非常迅速,并在逐渐取代天然橡胶压敏胶。
(2)天然橡胶型压敏胶黏剂天然橡胶型压敏胶黏剂是开发最早、用量较大的橡胶型压敏胶,主要成分是天然橡胶,配合增黏树脂、软化剂、防老剂、硫化剂、溶剂等构成。由于天然橡胶既有很高的内聚强度和弹性,又有很好的相容性、压敏性和抗蠕变性,所以能够制得黏性和湿润性良好的压敏胶。因为天然橡胶大分子结构中存在着不饱和双键,故有耐老化性能差的缺点。
(3)合成橡胶和再生胶压敏胶黏剂这类压敏胶是以丁苯橡胶、聚异丁烯、聚异戊二烯、丁基橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等合成橡胶单独或并用为主体,配以增黏树脂、软化剂、防老剂、混合溶剂等制成。
(4)热塑性弹性体压敏胶黏剂主要是以SIS(苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)和SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)为代表的热塑性弹性体为主要原料,配以增黏树脂、软化剂,抗氧剂等制成的热熔压敏胶黏剂,节省能源,消除污染,值得大力推广。
(5)有机硅及其他树脂型压敏胶黏剂由相对分子质量不同的两种有机树脂和硅橡胶混合组成的有机硅压敏胶,对高能表面和低能表面都有优异的黏附力,具有很好的耐高温(500℃)和耐老化性能。但价格较贵,应用受到限制。其他的树脂如聚氨酯、聚酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA),PVC等也能配成各种压敏胶。
按照压敏胶黏剂的形态分类,又可分为溶剂型、乳液型、热熔型、反应型、压延型及水溶液型等6大类。
按照胶黏剂涂布的形态和用途,压敏胶还分为单面压敏胶和双面压敏胶。
2.丙烯酸酯压敏胶黏剂
大多数丙烯酸酯压敏胶是由几种丙烯酸酯单体共聚而成,多数无需使用增黏树脂、软化剂、防老剂等助剂;透明度好,水白色或无色;耐老化性佳,长期曝露在空气和阳光下仍能保持良好的性能;耐介质性能优异,特别是耐增塑剂迁移:黏合面广,对金属、塑料、纤维、纸张、木材、陶瓷、玻璃等多种材料的表面都有良好的粘接力;毒性较低,可直接用于食品包装和医疗制品。由于上述多种优点,虽然丙烯酸酯压敏胶开发较晚,但发展速度极其惊人,逐渐取代天然橡胶压敏胶,展示出广阔的前景。
丙烯酸酯压敏胶可通过溶剂聚合、乳液聚合,悬浮聚合等方法制得,按其使用形式可分为溶剂型、乳液型、热熔型、水溶型和射线固化型等5大类,其中溶剂型和乳液型己发展得比较成熟。
2.1溶剂型丙烯酸酯压敏胶黏剂
溶剂型丙烯酸酯压敏胶是由丙烯酸酯单体在有机溶剂中进行自由基聚合而得的黏稠液体,加或不加其他的添加剂所构成。溶剂型丙烯酸酯压敏胶具有平均相对分子质量较低,湿润性好,初粘力大,干燥速度快,耐水性好等诸多优点。虽然在环保、资源、能源及安全等方面存在着问题,但仍然占有相当大的比例,还不能完全被其他类型的压敏胶所取代。溶剂型丙烯酸酯压敏胶还进一步分为非交联型、交联型、非水分散型等3种。
交联型溶剂丙烯酸酯压敏胶有自交联和外交联之分。自交联型丙烯酸酯压敏胶是由软单体、硬单体与双烯类单体或带反应性基团的烯类单体进行共聚反应,将丙烯酸酯共聚物分子主链中引入活性基团,然后采用加热或射线辐照的方式,通过双键或活性基团相互反应使共聚物分子联结起来,形成交联的网状结构。
外交联型溶剂丙烯酸酯压敏胶就是先用溶液聚合的方法制备带有各种反应性基团的丙烯酸酯共聚物溶液,然后加入适量的交联剂溶液,混合均匀即得单组分的交联压敏胶液。若室温下储存期小于6个月,就必须将丙烯酸酯共聚物溶液和交联剂溶液单独包装,做成双组分形式的,使用前再现混合。
交联型丙烯酸酯共聚物溶液的制法,基本与非交联丙烯酸酯共聚物溶液相同,只是相对分子质量应控制得稍低些。
由于交联的溶剂型丙烯酸酯压敏胶性能优异,持粘力、耐热性和耐溶剂性显著提高,可以制得具有耐热、耐寒、耐水、耐溶剂、耐油等性能的高档压敏胶制品。因此,工业上大多数实用的溶剂型丙烯酸酯压敏胶黏剂都是属于交联型的。自交联型丙烯酸酯压敏胶黏剂的生产实例如下:
(1)原料配比(质量份)丙烯酸丁酯(BA,聚合级)24.9~60.1;丙烯酸-2-乙基乙酯(2-EHA,工业级)12.5~29.5;丙烯酸乙酯(EA,聚合级)2.5~6.0;丙烯酸(AA,CP) 0.8~3.4;羟甲基交联剂(工业级)0.6~2.7;过氧化苯甲酸(BPO,CP)0.5~1.3;混合溶剂(乙酸乙酯与甲苯)150~200。
(2)生产工艺 在装有电动搅拌器、回流冷凝器、温度计及滴液漏斗的反应器中,先投入2/3的乙酸乙酯(留少量作为洗涤用)和全部的甲苯,升温至乙酸乙酯回流温度,加一半混合单体(溶有全部引发剂),开动搅拌器,开始反应。反应1.5h后,滴加剩余的一半单体,1h内滴完。滴完后再补加少量引发剂。保持在回流温度反应2h,得无色或淡黄色黏稠液体,加稀释剂,保温0.5h,冷却至50℃,结束反应,出料。
2.2通用乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂
乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂的主要成分为各种丙烯酸酯单体用乳液共聚合反应得到的共聚物乳液,然后加入适量的增稠剂(如羟甲基纤维素、聚乙烯醇等)、中和剂(如氨水和氢氧化钠)、湿润剂(如乙二醇、乙二醇单丁醚等)、防霉剂(如五氯苯酚钠、三氯苯酚钠等)和着色剂等。一般不必加入增黏树脂,但在配制用于涂布难粘基材或难以粘贴的材料,往往需要加入增黏树脂乳液以提高其黏合性能。常用的增黏树脂乳液有乳化松香脂、乳化萜烯酚醛树脂和乳化石油树脂等。
丙烯酸酯压敏胶的乳液聚合方法有单体全滴加法、种子聚合法、预乳化法3种聚合工艺。后一种方法较为复杂,生产过程需要增加设备,前两法较简单。实际操作起来种子聚合法更适合于纸用压敏胶,而单体滴加法更适合于胶带压敏胶。乳化剂目前国内大部分采用阴离子型与非离子型复合乳化体系。常用的阴离子乳化剂有K-12,LAS等;常用的非离子乳化剂有平平加、OP-7,OP-10,JFC等。
通用乳液型丙烯酸酯压敏胶黏剂的生产使用带有锚式搅拌器的500L搪瓷反应釜,蒸汽夹套加热,投料系数0.70,搅拌速度90r/min,反应温度80~85℃,滴料时间2~4h,保温时间1.5~2.0h。通用合成工艺如下:
(1)将30kg非离子型乳化剂A与5kg离子型乳化剂B,5kg过硫酸铵、800kg水等配成乳液加入反应釜。
(2)将单体650kg丙烯酸丁酯、70kg甲基丙烯酸甲酯、150kg丙烯酸-a-乙基己酯、30kg丙烯酸混合均匀,将混合均匀的单体的4/5混合液装入滴液斗中,另1/5则加入已有乳化液的反应釜中。
(3)搅拌并升温到80℃,保持0.5~1h。
(4)开始滴加单体,在2~3h内加完,在80~85℃下反应,1.5~2.5h。
(5)降温到60℃,用氨水调pH到9,并放置1~2天,使pH再稳定到7.5左右,即为产品。
目前广泛使用的双向拉伸聚丙烯(BOPP)压敏胶带所用水乳型丙烯酸酯压敏胶的原料配比如下:丙烯酸丁酯(BA) 50~80,丙烯酸-2-乙基己酯(2-EHA) 10.30,甲基丙烯酸甲酯(MMA) 5~20,丙烯酸(AA)1~4,丙烯酸介羟丙酯(HPA)0.5~5,乳化剂A(非离子型)1~5,乳化剂B(阴离子)0.1~1.0,过硫酸铵0.1~0,8,碳酸氢钠0~1,十二烷基硫醇0~0.2,氨水适量,蒸馏水80。
合成工艺:在装有电动搅拌器、回流冷凝器、温度计及滴液漏斗的250mL四口烧瓶中,加入己配制好的乳化剂混合液(乳化剂A、乳化剂B、碳酸氢钠、过硫酸铵、十二烷基硫醇、蒸馏水)的1/3。另将单体混合液(BA、2-EHA、MHA、AA、HPA)与余下的乳化剂混合液在另一三口瓶中于室温下快速搅拌乳化15min,取其4/5注入滴液漏斗中,同时将余下的1/5注入四口烧瓶内。开动搅拌并升温,控制搅拌速度约120r/min,在80℃下反应0.5h后,开始滴加乳化单体混合液,控制在1.5h内滴完,继续在80~85℃下反应1~1.5h。降温至60℃以下,用少许氨水调节其pH约为9后出料;放置过夜或数天后会自然地下降至pH为7.2左右。
3.橡胶型压敏胶黏剂
3.1溶液型橡胶压敏胶黏剂
由橡胶、增黏树脂、防老剂、软化剂、颜填料等组成的溶液型压敏胶是一类最为通用、产量也最大的压敏胶黏剂。它们虽然没有交联,其性能也足以满足许多常用的、没有特殊性能指标的压敏胶黏制品的要求,广泛应用于制造各种基材的包装胶黏带、办公用的透明胶黏带、软质聚氯乙烯电气绝缘胶黏带、压敏胶黏标签、医用橡皮膏和其他医用等压敏胶黏制品。它的制造一般包括生胶的塑炼、切碎、溶解,以及与增黏树脂、防老剂、软化剂、颜填料等组分混合和调制等工艺过程。常用溶液型橡胶压敏胶黏剂的配方(质量份)实例如下。
【实例1】医用布基氧化锌橡皮膏:天然烟片胶100,氢化松香甘油酯 75,氧化锌50,羊毛脂5,防老剂2,溶剂适量。
【实例2】通用型橡胶压敏胶黏剂:丁苯橡胶50,氯化丁基橡胶50,氢化松香甘油酯30,聚异丁烯(低相对分子质量)30,防老剂0.5,溶剂适量。
胶液的配制有两种方法:一种是先将橡胶塑炼后在切碎机上切成碎片,然后在溶解混合器中用有机溶剂溶解,并混入增黏树脂及其他添加剂,搅拌均匀后再用溶剂调节到所需的黏度和固体含量。另一种方法是先将橡胶和增黏树脂及其他添加剂一并在塑炼机上混合均匀,再将混合料切碎并溶解。上述第一种方法混合比较好,在实际生产中应用较多。
将天然橡胶或丁苯橡胶用开炼机或密炼机先塑炼到一定程度,再与其他橡胶、硬脂酸、防老剂、填料等进行混炼,下片后切成小块。于反应釜内加入定量的混合溶剂,在搅拌下加入增黏树脂、交联剂和液体软化剂,待基本溶解后再加入混炼橡胶和丁基橡胶,继续搅拌直至完全溶解为均匀胶液为止。
3.2接枝型橡胶压敏胶黏剂的生产工艺
将前述的溶剂型橡胶压敏胶黏剂中加入单体,与天然橡胶或其他的橡胶进行接枝聚合,可制得接枝型橡胶压敏胶黏剂,明显地改善压敏胶黏剂的性能。选择合适的比例能在对初粘性影响不大的情况下,大大改善持粘性。
生产工艺:在装有搅拌器、冷凝器、温度计的反应釜中,依次加入100份橡胶、7580份增黏树脂(萜烯树脂等)、10~25份软化剂和大部分溶剂(甲苯和溶剂汽油),搅拌使其完全溶解,大约2h。之后加入30~50份单体和0.1~0.3份引发剂,升温至80℃,并通氮气10min。于78~82℃下进行接枝聚合,6h后开始冷却,达到40℃以下时,加入剩余的溶剂和1~2份防老剂,继续搅拌0.5h出料即得成品。
3.3压延型橡胶压敏胶黏剂
压延型橡胶压敏胶黏剂是一类不需要溶剂的橡胶型压敏胶黏剂,采用压延贴覆法加工成胶黏制品。由于加工成制品时所消耗的胶黏剂较多,所以绝大多数利用比较便宜的再生橡胶为原料配制而成。再生橡胶的可塑度对胶黏剂的性能有很大影响,为了使压敏胶黏剂在压延贴覆时有较好的流动性,要根据再生橡胶的可塑度来调整配方。一般配方中软化剂的用量要比相应的溶液型压敏胶黏剂多得多,通常为每100份再生胶需要用80~200份软化剂。但是,若过多使用软化剂就会显著降低压敏胶黏剂的黏着力。典型压延型橡胶压敏胶黏剂配方(质量份)如下:再生天然橡胶100,硫化剂TMTD 3,硬脂酸3,松香酯3,氧化锌10,钛白粉20,碳酸钙80,软化剂(机油)100。
将各组分配料在混炼机辊筒上混合均匀,然后在热压罐中于145℃下加热45min,制成饼状的硫化再生橡胶。再在辊简上塑炼l0min,即得固体状压延型天然橡胶压敏胶黏剂,可直接在压延贴覆式涂布器上加工成压敏胶黏制品。
3.4交联型橡胶压敏胶黏剂
由于交联提高了压敏胶的耐热、耐溶剂和抗蠕变等性能,因此该类压敏胶可以用来制造各种具有某些特殊性能的胶黏制品,例如喷漆保护用压敏胶黏片、某些电绝缘胶黏带以及重包装用压敏胶黏带。典型配方(质量份)实例如下:
【配方1】(交联条件:138℃/2.5min)天然橡胶(弹性体)50,丁苯橡胶(弹性体)50,松香酯(增黏树脂)10.9,氧化锌(颜填料)55.3,2,5-二叔丁基对甲酚(防老剂)2.18,2,5-二特戊基氢醌(防老剂)2.18,烷基酚醛树脂(交联剂)8.2,二乙基甲酯酸钠盐(交联促进剂)0.56,甲苯(溶剂)43.5。
【配方2】(交联条件:163℃/20s)天然橡胶(弹性体)100,萜烯树脂(增黏树脂)51,氧化铝水合物(颜填料)10, 2,5-二叔戊基氢醌(防老剂)2,二丁基二硫代甲酸锌(防老剂)1,烷基酚醛树脂(交联剂)7,硬脂酸锌(交联促进剂)12,溶剂适量。
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