摘要：以多元醇、異氰酸酯、硅烷偶聯(lián)劑(KH560)和一縮二乙二醇(DEG)等為原料，合成了雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑。討論了小分子多元醇、異氰酸酯指數(shù)(R值)[ R= n(-NCO)∶n(-OH)]和熟化時間對膠粘劑性能的影響。采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀和熱失重(TGA)分析儀對膠粘劑進(jìn)行性能表征并研究了膠粘劑固化反應(yīng)與時間的關(guān)系。結(jié)果表明，R值為1.6時，剝離強(qiáng)度相對最佳，耐熱性能良好，表干時間適中，符合軟包裝企業(yè)的生產(chǎn)要求。
關(guān)鍵字：聚氨酯;無溶劑;膠粘劑;軟包裝
復(fù)合材料的出現(xiàn)是包裝的一次革命性轉(zhuǎn)變，復(fù)合即取長補(bǔ)短，使單一性能的材料結(jié)合成具有各種綜合性能的新材料。聚氨酯膠粘劑有著分子可設(shè)計性較強(qiáng)、物性寬泛以及對許多材料有良好粘接性能等特點(diǎn)，在軟包裝行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。溶劑型膠粘劑是最早被使用在軟包裝領(lǐng)域的膠水類型，到目前為止，溶劑型膠粘劑依舊占據(jù)著軟包裝膠粘劑的大部分市場份額。隨著人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)、國家相關(guān)法規(guī)的不斷出臺以及節(jié)能減排和有機(jī)溶劑排放收費(fèi)等一系列政策措施的頒布實施，使得無溶劑膠粘劑的開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)得到了快速的推廣和發(fā)展。
本研究以多元醇、異氰酸酯、硅烷偶聯(lián)劑(KH560)和一縮二乙二醇(DEG)等為原料合成了雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑，并對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了測試和討論，以使研制的雙組分聚氨酯膠粘劑符合軟包裝企業(yè)的生產(chǎn)要求。
1 實驗部分
1.1 實驗原料
4 , 4 ' -二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)，工業(yè)級，萬華聚氨酯化學(xué)有限公司; 液化MDI(Desmodur 2460M)，工業(yè)級，Bayer公司; 聚醚多元醇P - A(f = 2，羥n值為56mgKOH/g)，工業(yè)級，天津石化化工三廠;聚醚多元醇P-C(羥值為112mgKOH/g)，工業(yè)級，江蘇鐘山化工有限公司;芳香族聚酯多元醇P-B(羥值為56mgKOH/g)，工業(yè)級，南京康塑德化工有限公司;一縮二乙二醇(DEG)，分析純，上?；瘜W(xué)試劑有限公司;硅烷偶聯(lián)劑(KH560)，工業(yè)級，南京能德化工有限公司;鄰苯二甲酸酐，化學(xué)純，國藥集團(tuán)化工試劑有限公司;聚酯薄膜(PET)，上海紫東薄膜材料有限公司;流延聚丙烯膜(CPP)、流延聚丙烯鍍鋁膜(VMCPP)、蒸煮級流延聚丙烯膜(RCPP)，上海大匯塑業(yè)有限公司;尼龍膜(NY)，廈門長塑實業(yè)有限公司;聚乙烯膜(PE)、聚酯鍍鋁膜(VMPET)、雙向拉伸聚丙烯膜(BOPP)，上海宏塔塑業(yè)有限公司。
1.2 儀器及設(shè)備
CMT6103型萬能拉伸試驗機(jī)，美特斯( 中國)有限公司;DZF-6020型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;Lab Combi 400型實驗型無溶劑復(fù)合機(jī)， 意大利Nordmeccanica公司;FPT-F1型摩擦系數(shù)儀，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司;DV-+Pro型Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計， 美國博勒飛公司。AVATAR 330型傅里葉變換紅外光譜( FT-IR)儀，Thermo Nicole公司; Perkin Elmer Pyris-?型熱失重(TGA)分析儀， 美國Perkin Elmer公司。
1.3 實驗制備
1.3.1 雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑A、B組分的制備
1.3.1.1 端異氰酸酯預(yù)聚體的制備
將準(zhǔn)確稱量的聚醚/聚酯多元醇加入到干燥潔凈的三口燒瓶中，于100～120 ℃下真空脫水2～3 h至含水量小于0.05%， 然后降溫至50 ℃左右，加入經(jīng)計量的異氰酸酯，緩慢升溫至75～85℃，通N2保護(hù)反應(yīng)2～3 h，待反應(yīng)產(chǎn)物中的-NCO含量與設(shè)計值基本相符時，停止加熱，繼續(xù)通入N2，待溫度降至室溫時裝瓶，并用N2 排空后密封保存，以此制得無溶劑聚氨酯膠粘劑端異氰酸酯預(yù)聚體A組分。
1.3.1.2 端羥基聚合物多元醇的制備
在干燥潔凈的三口燒瓶中，加入準(zhǔn)確稱量的按配方設(shè)計所要求的幾種聚醚/聚酯多元醇，在100～110 ℃ 的條件下真空脫水2～3h，降溫至55 ℃ 以下后加入配方量所需的硅烷偶聯(lián)劑(KH560)制成無溶劑聚氨酯膠粘劑的B組分，即組合多元醇組分，充N2密封保存待用。
1.3.2 雙組分聚氨酯膠粘劑的配制和制樣
將前面合成的軟包裝用雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑A、B組分按測試比例進(jìn)行混合并攪拌均勻，在一定時間內(nèi)在專業(yè)的無溶劑復(fù)膜機(jī)上進(jìn)行復(fù)合PET / CPP，PET/PE，BOPP/CPP，NY / RCPP，NY/PE，NY/CPP，PET / VMCPP，VMPET/PE試驗，上膠量控制在1.2～1.8g /m2之間。所使用的薄膜均經(jīng)過電暈處理，表面張力大于38dyn。將復(fù)合好的樣品置于42 ℃烘箱中進(jìn)行反應(yīng)固化，用于后續(xù)諸如剝離強(qiáng)度、摩擦系數(shù)和耐熱性等的測試評估。
1.4 性能測試
(1)預(yù)聚體- NCO值：采用甲苯-二正丁胺法進(jìn)行測試。
(2)預(yù)聚體黏度：按照GB /T 2794—1995《膠粘劑粘度的測定》標(biāo)準(zhǔn)，采用旋轉(zhuǎn)黏度計進(jìn)行測試。
(3)羥值(OHv)：采用苯酐-吡啶法進(jìn)行測試。
(4)剝離強(qiáng)度：按照GB/T 8808—1988《軟質(zhì)復(fù)合塑料材料剝離試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用萬能拉伸試驗機(jī)進(jìn)行測試。
(5)耐高溫蒸煮性：按照GB/ T 10004—1998《耐蒸煮復(fù)合膜、袋》標(biāo)準(zhǔn)和BB/T 0003—1994《耐高溫蒸煮膜、袋》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。
(6)微觀結(jié)構(gòu)特征：采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)法進(jìn)行表征。
(7)熱失重：采用熱失重(TGA)分析法進(jìn)行表征。
2 結(jié)果與討論
2.1 影響膠粘劑性能的因素
2.1.1 小分子多元醇對膠粘劑性能的影響
小分子多元醇的添加量對剝離強(qiáng)度的影響如表1所示。
表1 DEG的添加量對剝離強(qiáng)度的影響
由表1可知：增加小分子擴(kuò)鏈劑的添加量， 可以提高軟包裝用雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑對復(fù)合薄膜材料的剝離強(qiáng)度。這是由于小分子擴(kuò)鏈劑的增加，提高了固化后聚合物交聯(lián)密度和硬段的含量，增加了膠粘劑的本體強(qiáng)度，故小分子擴(kuò)鏈劑的增加，有利于提高復(fù)合薄膜的剝離強(qiáng)度。
2.1.2 異氰酸酯指數(shù)對剝離強(qiáng)度的影響
選取異氰酸酯指數(shù)(R)[ R = n(-NCO)∶n(-OH)]為1.2、1.4、1.6、2.0和2.5進(jìn)行性能測試評估，聚氨酯膠粘劑的剝離強(qiáng)度與R值之間的關(guān)系如表2所示。
表2 R值與剝離強(qiáng)度的關(guān)系
由表2可知：當(dāng)R值從1.2上升到1.6時，復(fù)合樣品的剝離強(qiáng)度逐漸上升，這是由于隨著R值的增加，體系中過量的-NCO基團(tuán)彌補(bǔ)了發(fā)生副反應(yīng)所損失的異氰酸酯，使得膠粘劑固化更加完全，所以樣品的剝離強(qiáng)度也會更高。但是當(dāng)R值超過1.6后，樣品的剝離強(qiáng)度不升反降，這是因為此時膠粘劑已經(jīng)固化完全，再過量的-NCO基團(tuán)會因副反應(yīng)而生成穩(wěn)定性較差的副產(chǎn)物，破壞了產(chǎn)品的規(guī)整結(jié)構(gòu)，從而造成樣品的剝離強(qiáng)度下降。綜上所述，選擇R為1.6較適宜， 此時制備的雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑的剝離強(qiáng)度相對最高，性能也相對最佳。
2.1.3 熟化時間對剝離強(qiáng)度的影響
熟化時間對聚氨酯膠粘劑的性能也有一定的影響，熟化時間太短，膠粘劑不能完全固化， 產(chǎn)品不具備較高的剝離強(qiáng)度;固化時間過長，不僅浪費(fèi)時間，而且還會誘發(fā)副反應(yīng)的發(fā)生，降低了產(chǎn)品的性能。表3為熟化時間對聚氨酯膠粘劑剝離強(qiáng)度的影響。
表3 熟化時間與剝離強(qiáng)度的關(guān)系
由表3可知：當(dāng)固化時間為18h時，膠水尚未完全固化，剝離強(qiáng)度較低，隨著固化時間的增加，當(dāng)達(dá)到48h時，剝離強(qiáng)度提高到了3.2N /15mm，這是由于充分的固化時間確保了膠粘劑中的活性基團(tuán)完全得到反應(yīng)，表現(xiàn)在復(fù)合產(chǎn)品上就是膠水完全固化，此時剝離強(qiáng)度較高。隨后反應(yīng)時間地繼續(xù)延長，由于體系中的活性基團(tuán)已經(jīng)反應(yīng)完全，樣品的剝離強(qiáng)度比較穩(wěn)定，故不會再有明顯的提升。
2.2 膠粘劑固化反應(yīng)和表干時間的研究
2.2.1 膠粘劑固化反應(yīng)的研究
如圖1所示為端異氰酸酯組分與端羥基組分按一定比例混合后，從混合開始到72 h之間的固化反應(yīng)隨時間變化的FT-IR譜圖。由圖1可知：隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行，在3429cm-1 處的-OH吸收峰與3332cm-1處的N-H吸收峰由于-NCO與-OH反應(yīng)產(chǎn)生氨基甲酸酯基，故體系中-OH含量逐漸減少，氨基甲酸酯上的N-H逐漸增加，所以在3332cm-1處N-H吸收峰逐漸變成一個窄的吸收峰，且強(qiáng)度不斷增加。與此同時，2274cm-1處的-NCO基團(tuán)隨反應(yīng)的進(jìn)行，吸收峰顯著變小，在固化反應(yīng)72 h后，異氰酸酯吸收峰已經(jīng)很小，表明固化反應(yīng)已經(jīng)基本完成。當(dāng)然最終的完全固化還需要更長的時間，因為此時A、B組分的有效碰撞概率也在減小，因而完全固化的時間也會相應(yīng)延長。
圖1 膠粘劑固化反應(yīng)紅外譜圖
圖2是以-NCO的紅外吸收峰面積相對于體系中O-C-O鏈段在1100cm-1 附近的吸收峰面積變化為參考指標(biāo)，通過計算所得的轉(zhuǎn)化率隨時間的變化曲線。由圖2可知：在A / B組分混合后的數(shù)小時內(nèi)曲線斜率相對最大，反應(yīng)速率相對最快，經(jīng)過36 h后，轉(zhuǎn)化率達(dá)80%以上，72 h后轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上，以后隨著后反應(yīng)逐漸變緩，大約在5～7 d后反應(yīng)基本完成。
圖2 膠粘劑固化反應(yīng)隨時間的變化
2.2.2 膠粘劑表干時間的研究
膠粘劑表干時間的評估采用測試A、B組分在標(biāo)準(zhǔn)配比下進(jìn)行混合并在40 ℃下黏度的變化來表征。本研究所制備的雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑經(jīng)實測，膠盤壽命約為45min，完全可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。膠水盤壽命測試數(shù)據(jù)如表4所示。
表4 膠粘劑的表干時間
由表4可知： 雙組分A / B體系的聚氨酯膠粘劑在45 min時，黏度已達(dá)到3000mPa·s左右， 說明該膠粘劑的表干時間較長，有利于膠水的涂布流平以及生產(chǎn)車間的生產(chǎn)操作。
2.3 膠粘劑的性能評估
2.3.1 剝離強(qiáng)度(BSV)測試
本實驗根據(jù)GB/T 8808—1988標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，采用復(fù)合薄膜樣品尺寸為寬(15.0±0.1)mm、長200 mm進(jìn)行測試評估。所選擇的復(fù)合樣品結(jié)構(gòu)為PET/PE、BOPP/CPP、NY / PE、NY / CPP、VMPET/ PE和PET / VMCPP，測試結(jié)果如圖3所示，同時選取VMPET / PE進(jìn)行剝離強(qiáng)度的跟蹤試驗，時間周期為14d(一般為客戶從復(fù)合生產(chǎn)固化完全到后續(xù)分切、制袋及交付至終端客戶使用所需要的時間)，以測試評估聚氨酯膠粘劑在實際生產(chǎn)應(yīng)用中的剝離強(qiáng)度的穩(wěn)定性，結(jié)果如表5所示。
圖3 不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度值(BSV)
表5 剝離強(qiáng)度隨熟化時間的變化
由圖3可知：雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑在粘接不同結(jié)構(gòu)時，膠水固化反應(yīng)完全后其剝離
強(qiáng)度完全可以滿足不同產(chǎn)品的包裝要求。
由表5可知：VMPET/PE復(fù)合結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度在固化反應(yīng)18 h后的強(qiáng)度約為4.02 N/15mm，隨著固化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，膜材的剝離強(qiáng)度在2 d后達(dá)到相對最高值，隨后強(qiáng)度開始有部分衰減，在熟化4 d后其剝離強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并繼續(xù)保持到14 d及更長時間。所以一般在軟包行業(yè)的客戶會在復(fù)合膜材熟化48h后進(jìn)行更進(jìn)一步如熱封制袋以及水煮、蒸煮等工藝操作。
2.3.2 摩擦系數(shù)(COF)測試
本研究選取PET/PE，VMPET/PE，NY/PE復(fù)合樣品進(jìn)行摩擦系數(shù)(COF)測試， 其中PE 55指薄膜厚度為55 μm的PE薄膜， 結(jié)果如表6所示。
表6 復(fù)合結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)
由表6可知：PE原膜的摩擦系數(shù)為0.14～0.15，在使用雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑進(jìn)行復(fù)合試驗后，各個結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)有一定的變化，這是由于PE膜材爽滑劑析出以及膠水對爽滑劑影響的結(jié)果。但復(fù)合膜材的摩擦系數(shù)也符合國標(biāo)要求，可以滿足軟包裝的生產(chǎn)要求。
2.3.3 耐熱性測試
選取PET/ PE(CPP)、NY/PE、NY/ RCPP和PET/RCPP復(fù)合樣品，依據(jù)GB / T 10004—1998及GB / T 0003—1994標(biāo)準(zhǔn)對所制備的聚氨酯膠粘劑進(jìn)行相關(guān)測試評估(水煮條件為100℃/ 30min;蒸煮條件為121℃/ 30min)，結(jié)果如圖4所示。
圖4 膠粘劑的耐熱性測試
由圖4可知：不同復(fù)合樣品在水煮以及蒸煮前后的剝離強(qiáng)度保持穩(wěn)定且較高，可以滿足軟包客戶對水煮、蒸煮包裝剝離強(qiáng)度的要求。
2.4 膠膜的熱失重(TGA)分析
稱取樣品約為18 mg，在高純惰性氣氛中，控制升溫速率為10 K/min，熱失重分析溫度范圍為0～800 ℃。在升溫過程中，樣品的質(zhì)量損失隨溫度的變化關(guān)系如圖5所示。
圖5 固化后膠膜的TGA曲線
由圖5可知：聚氨酯膠膜在228℃開始出現(xiàn)熱失重，證明該聚氨酯膠粘劑具有優(yōu)良的耐高溫性能。
3 結(jié)論
(1)制得的雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑在R為1.6、固化溫度為38℃ 的條件下，基本性能可以滿足軟包裝行業(yè)的生產(chǎn)要求。選取苯酐類聚酯多元醇可以顯著提高膠粘劑的耐高溫性。
(2)合成的雙組分聚氨酯膠粘劑的表干時間約為45 min，完全能夠滿足軟包裝企業(yè)對膠水流平性能和操作時間的要求。
(3)通過TGA分析可以得出，該膠粘劑的耐高溫性能良好，復(fù)合產(chǎn)品能夠承受塑膜高溫水煮、蒸煮級別的要求。膠粘劑對復(fù)合膜所添加爽滑劑的影響較小，更符合現(xiàn)代化生產(chǎn)自動包裝或灌裝和集裝箱長時間運(yùn)輸?shù)鹊囊蟆?/p> |
