聚丙烯非織造布/無機(jī)材料粘接用膠黏劑的制備

包漢符 朱新生 (蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州，215021)

聚烯烴材料力學(xué)性能好，化學(xué)性能穩(wěn)定，被廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，但由于具有非極性結(jié)構(gòu)和高結(jié)晶度，導(dǎo)致其表面張力小和粘接性差，因此其更廣泛的應(yīng)用受到一定的限制。通常采用物理與化學(xué)方法進(jìn)行改性，氯化改性是其中較常用方法之一［1-2］。

氯化聚丙烯(CPP)是聚丙烯氯化后制得的一種性能優(yōu)良的高分子材料，在印刷、包裝、涂料和黏合劑等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［3-4］，但在應(yīng)用時通常是將氯化聚丙烯溶解在甲苯或二甲苯等有毒溶劑中，這會造成環(huán)境污染［5-6］。因此，水性氯化聚丙烯乳液的制備受到了國內(nèi)外的高度重視。

近年來水性氯化聚丙烯乳液的研究有了新的發(fā)展，主要是借助表面活性劑或?qū)β然郾┻M(jìn)行接枝改性，以利于氯化聚丙烯在水中的分散，即采用物理混合法(機(jī)械法)［7］或化學(xué)改性法［8-13］來制備氯化聚丙烯水乳液。其中，物理混合法的制備工藝相對簡單，易于控制，且價格低廉［14］。

一般認(rèn)為，氯化聚丙烯是通過色散力與聚烯烴底材發(fā)生鍵合而附著［15］。當(dāng)氯化聚丙烯溶液與聚丙烯材料接觸時，聚丙烯表面發(fā)生有限溶脹，而以相同化學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)晶的結(jié)晶間力相吸引，從而顯示出粘接能力［2］。本文采用物理混合法制備氯化聚丙烯水乳液，并通過正交試驗(yàn)的方法對乳液的粒徑、黏度、穩(wěn)定性等物理性能進(jìn)行優(yōu)化分析與表征，且成功應(yīng)用于聚丙烯非織造布與無機(jī)材料之間的粘接。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

氯化聚丙烯，工業(yè)級;

乙酸丁酯，化學(xué)純;

陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑、陶瓷地面磚和聚丙烯紡粘非織造布，均為市售商品;

去離子水。

1.2 儀器

JB90-D強(qiáng)力電動攪拌器，MASTERSIZER 2000激光粒度儀，AR 2000流變儀，HD034N電子剝離強(qiáng)力儀，冰箱，DZF-6051型真空干燥箱。

1.3 乳化劑的選擇與制備

分別選擇陽離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑、非離子表面活性劑與離子型表面活性劑混合物以及兩種非離子表面活性劑的混合物，配制成一定濃度的乳化劑水溶液，待用。

1.4 氯化聚丙烯水乳液的制備

將一定濃度的乳化劑水溶液緩慢滴加到一定濃度的帶有攪拌裝置的氯化聚丙烯的乙酸丁酯溶液中，在一定水浴溫度(乳化溫度)下攪拌一定時間(乳化時間)，得到氯化聚丙烯水乳液;待體系穩(wěn)定后，滴加一定量的去離子水，繼續(xù)攪拌一定時間;停止攪拌，在室溫下放置24 h后，經(jīng)減壓蒸餾一定時間去除乙酸丁酯，制得氯化聚丙烯水分散液樣品。

1.5 氯化聚丙烯水乳液的性能表征

(1)乳液外觀。采用目測的方法觀察乳液外觀，用玻璃棒均勻地將試樣涂在干凈的玻璃板上，觀察有無粗大顆粒和異物。

(2)固含量。用容器稱取約1 g試樣，準(zhǔn)確至0.001 g，并使之流平;將其置于恒溫105℃的電烘箱中部，1 h后取出，置于含有變色硅膠的玻璃干燥器中冷卻至室溫，稱量。對同一試樣做平行試驗(yàn)，取平均值。

(3)貯存穩(wěn)定性。將試樣密封，在50℃恒溫箱中放置20 h后，在室溫下冷卻3 h，用目測的方法觀察是否分層，有無粗顆粒產(chǎn)生，考察涂布性能。

(4)凍融穩(wěn)定性。將試樣密封置于－10℃的低溫環(huán)境下冷凍16 h，然后在23℃干燥箱中解凍8 h;將試樣容器的蓋子打開，用玻璃棒攪拌，觀察容器內(nèi)試樣的狀態(tài)。如果出現(xiàn)凝固物則試驗(yàn)結(jié)束，否則重復(fù)上述操作，最多試驗(yàn)3次。

(5)粒徑。用水做分散介質(zhì)，測試乳液的粒徑分布情況。

(6)剪切黏度。測試溫度25℃，要求乳液無氣泡，測試乳液黏度隨剪切速率變化的情況。

(7)剝離強(qiáng)度。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2790—1995《膠黏劑180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法撓性材料對剛性材料》，采用HD034N剝離強(qiáng)力電子儀測定剝離強(qiáng)度，每組試樣做三次平行試驗(yàn)。其中:陶瓷地面磚基材寬30 mm，長200 mm;聚丙烯紡粘非織造布試片寬25 mm，長320 mm。涂抹方法:用玻璃棒將乳液均勻涂抹在基材上，待乳液基本表干時，將撓性被粘試片鋪在乳液上，用同一壓板輕壓試樣，使其均勻粘貼。在室溫或固定溫度下放置48 h，測定剝離強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳化劑體系的選擇

不同類型的乳化劑對氯化聚丙烯的乳化效果見表1。由表1可知:1號、2號和5號試樣均出現(xiàn)明顯分層的情況，乳化效果不佳;3號和6號試樣雖未出現(xiàn)分層，但減壓蒸餾以后析出部分顆粒，說明其并未乳化完全或乳化效果不佳;4號試樣無大顆粒析出，為黏稠狀乳液，外觀及性能較為理想。因此，本試驗(yàn)選用陰離子表面活性劑(乳化劑1)與非離子表面活性劑(乳化劑2)混合水溶液作為乳化劑。

表1 不同類型乳化劑的乳化效果

2.2 正交試驗(yàn)

采用四因子三水平正交試驗(yàn)，因素水平表和試驗(yàn)設(shè)計見表2和表3。

2.3 結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4數(shù)據(jù)說明:

表2 因素水平表

(1)3號試驗(yàn)乳液有明顯顆粒存在，這是由于乳化劑含量太少、不足以乳化氯化聚丙烯顆粒所造成的;1號、2號、6號和9號試驗(yàn)乳液有少量顆粒產(chǎn)生，也是乳化劑含量不夠所造成的;而4號、5號、7號和8號試驗(yàn)乳液均無明顯顆粒產(chǎn)生，說明乳化劑已足以使氯化聚丙烯乳化。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計

(2)乳液的固含量波動較小，在30%左右，說明氯化聚丙烯的含量對乳液固含量起決定作用。

(3)大多數(shù)試驗(yàn)乳液的凍融穩(wěn)定性與貯存穩(wěn)定性良好，可以滿足聚丙烯非織造布與無機(jī)材料之間的粘接要求。

圖1和圖2分別是幾組典型試驗(yàn)的乳液粒徑分布曲線和剪切黏度分布曲線。

由表4和圖1可知，顆粒尺寸較大的3號和6號試驗(yàn)乳液的粒徑分布較寬，但幾乎不存在粒徑為1～2 μm顆粒。初步分析認(rèn)為，乳化劑含量對乳液粒徑有決定性影響。這是因?yàn)槿榛瘎┖可贂r，乳膠粒表面不能被乳化劑完全包覆，乳膠粒分子間易發(fā)生碰撞而形成較大顆粒，且體系不穩(wěn)定;隨著乳化劑含量的增加，達(dá)到體系所需的臨界膠束濃度時，乳膠粒顆粒被完全包覆，所得乳液粒子數(shù)目多，粒徑小，乳液的穩(wěn)定性也大大提高;繼續(xù)增大乳化劑的含量，多余的乳化劑分子以各種膠束結(jié)構(gòu)形式分散在水中，其粒徑為1～2 μm，這將改善乳液的穩(wěn)定性。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖1 幾組典型試驗(yàn)乳液的粒徑分布

表4中的剪切黏度是采用AR2000流變儀測得的，對應(yīng)于剪切速率1 s－1。一般乳液粒徑越大，剪切黏度越小，反之亦然。由圖2可知，乳液表觀剪切黏度隨剪切速率的增大而減小，3號試驗(yàn)乳液的黏度最小，而7號試驗(yàn)乳液的黏度最大。這是因?yàn)殡S著乳化劑用量增加，體系中形成的膠束數(shù)目增加，形成的乳膠粒子數(shù)目增加且乳膠粒徑變小，粒子的比表面積增加，粒子間相互作用增大，粒子流動的阻力隨之增大，表現(xiàn)為乳液的黏度增加。另外，隨乳膠粒徑減小，乳膠顆粒間接觸的概率增加，而含有殘存溶劑的顆粒在剪切作用下變形能力加強(qiáng)，致使出現(xiàn)明顯的剪切變稀現(xiàn)象。

圖2 幾組典型試驗(yàn)剪切黏度分布

由表4可見，剝離強(qiáng)度對乳化溫度顯示較強(qiáng)的依賴性。但總體來說，與乳膠顆粒粒徑和黏度相比，剝離強(qiáng)度變化的幅度很小，在 10.9 ～14.0 N/(2.5 cm)范圍內(nèi)。

圖3是剝離強(qiáng)度試驗(yàn)中看到的剝離破壞形式。圖3顯示，剝離破壞的主要形式是非織造布分層剝離破壞，而黏合層本身的破壞、黏合層與陶瓷地磚之間的剝離破壞以及黏合層與紡粘非織造布之間的剝離破壞形式發(fā)生較少。因此，所測得的剝離強(qiáng)度主要反映了非織造布本身的剝離強(qiáng)度，或者滲透部分膠黏劑后的非織造布的剝離強(qiáng)度，并沒有真實(shí)反映黏合劑的剝離強(qiáng)度。這說明所開發(fā)的膠黏劑可以滿足部分聚丙烯非織造布與陶瓷材料的粘接要求，同時也說明了尚需選擇剝離強(qiáng)度更高的紡粘非織造布進(jìn)行試驗(yàn)，以便較準(zhǔn)確地測定所開發(fā)的黏合劑的剝離強(qiáng)度。

圖3 剝離破壞形式

表5是正交試驗(yàn)的極差分析，表6是剝離強(qiáng)度的方差分析。

表5 正交試驗(yàn)極差分析

表6 剝離強(qiáng)度方差分析

由表5可知:影響乳液粒徑大小的最主要因素是非離子表面活性劑含量，其次是陰離子表面活性劑的含量，乳化溫度和乳化時間對粒徑的影響較小;影響?zhàn)ざ鹊淖钪饕蛩厥顷庪x子表面活性劑含量，其次非離子表面活性劑含量，乳化溫度和乳化時間對黏度的影響較小;影響剝離強(qiáng)度的主要因素是乳化溫度，其次是陰離子表面活性劑的含量，乳化時間和非離子表面活性劑含量對剝離強(qiáng)度的影響較小。隨著陰離子表面活性劑的含量的增加，體系的黏度明顯增加，這會影響到乳液在材料表面的流平與潤濕，從而導(dǎo)致剝離強(qiáng)度下降。乳化溫度低，乳液中殘存的溶劑量相對多，有助于對材料表面的潤濕，從而使得剝離強(qiáng)度提高。

由表6可知，因素A和C對剝離強(qiáng)度影響顯著，而因素B和D對剝離強(qiáng)度無顯著影響。結(jié)合表5和表6分析，基于剝離強(qiáng)度性能指標(biāo)，選取最優(yōu)水平組合試驗(yàn)條件應(yīng)為A2B3C1D1。該組試驗(yàn)在正交表中沒有出現(xiàn)，試驗(yàn)所得水乳液顆粒平均粒徑為21 μm，剝離強(qiáng)度達(dá)到 15.4 N/(2.5 cm)，為正交試驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)的最大值。

3 結(jié)論

(1)選用陰離子與非離子表面活性劑水溶液作混合乳化劑，成功地合成了一種水性氯化聚丙烯膠黏劑，并對其多項(xiàng)性能進(jìn)行了優(yōu)化分析，得出最優(yōu)組合。當(dāng)氯化聚丙烯∶離子型表面活性劑(乳化劑1)∶非離子型表面活性劑(乳化劑2)的質(zhì)量比為50∶2∶1，乳化溫度60 ℃，乳化時間3 h 時，所得膠黏劑的綜合性能最佳，剝離強(qiáng)度達(dá)到15.4 N/(2.5 cm)，可成功地應(yīng)用于聚丙烯紡粘非織造布與陶瓷板之間的粘接。

(2)乳化劑含量是影響乳液黏度和粒徑的最主要因素。隨著乳化劑含量的增加，乳液的黏度呈增長的趨勢，乳液的粒徑呈減小的趨勢;只有在分散體系的黏度與粒徑合適分散時，剝離強(qiáng)度才能達(dá)到理想的效果。

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