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丙烯酸酯压敏胶的应用性能分析

2016-12-05 08:35:00编辑:团结印刷

压敏胶(PSA)是一类无须借助于溶剂或热等条件,只需施加轻度的指压,就能与被贴物黏合牢固的胶黏剂。它主要用于制造压敏胶带和不干胶标签。由于使用方便,揭开后一般又不影响被贴物的表面状况,因此目前用途十分广泛。

1928年,人们开始得知丙烯酸酯可以用于生产压敏胶,1950年开始大规模生产,在1960年丙烯酸酯在制造压敏胶中获得重要地位。相对于其他类型的压敏胶,丙烯酸酯在某些性能上更具优势,如饱和性高、抗氧化、透明无色、在阳光照射下不变黄等。尤其在抗氧化性上,除了硅胶外,它比其他用于压敏胶生产的聚合物都要好。由于其优越的性能,丙烯酸酯压敏胶现已发展成为用得最多的压敏胶之一。

随着标签在各工业领域的广泛应用,多样化的应用市场与特殊需求对压敏胶的性能提出了越来越高的要求。本文对不同类型的丙烯酸酯压敏胶进行简单的对比,主要介绍衡量丙烯酸酯压敏胶的分类及其几大性能参数,并针对不同的应用要求,讨论提高丙烯酸压敏胶性能的方法。

丙烯酸酯压敏胶性能分析

丙烯酸酯压敏胶的分类

丙烯酸酯压敏胶是丙烯酸酯单体和其他乙烯类单体的共聚物。由于均聚物的玻璃化转变温度较低(-20~-70℃),丙烯酸酯压敏胶的生产方法一般是由起黏着作用的软性单体为主(如丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2-乙基己酯),加入玻璃化转变温度高,能赋予黏性和内聚力的硬性单体(如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯等),以及少量含官能团的单体(如甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯等)共聚而成。加入含官能团单体的目的是使压敏胶能够通过交联反应进一步提高其胶黏力、内聚力和耐热蠕变性。丙烯酸酯压敏胶按其存在形式不同,大致分为三种类型:溶剂型、乳液型和100%固态的热熔型。

1.溶剂型丙烯酸酯压敏胶

溶剂型丙烯酸酯压敏胶的聚合物分子溶解在溶剂中,干燥后可以形成连续、均一的胶膜,里面不含有诸如表面活性剂、润湿剂或消泡剂等一些在乳液型压敏胶中所必须用到的、易生成杂质的物质。溶剂型丙烯酸酯压敏胶在耐水性、耐溶剂性、耐增塑剂和耐老化性上有突出的性能,相对于乳液型丙烯酸酯压敏胶更好,且由于溶剂型丙烯酸酯压敏胶的原料及溶剂处理费用较高,因此价格也较高;不过,溶剂型丙烯酸酯压敏胶在使用过程中存在火灾甚至爆炸的危险,生产和涂布工艺较乳液型也更为复杂。随着人们环保意识的增强,尽管迄今为止溶剂型丙烯酸酯压敏胶在许多领域的应用被认为还不能被其他系统所代替,但其使用还是受到了限制。

2.乳液型丙烯酸酯压敏胶

乳液型丙烯酸酯压敏胶近年来发展较快,它的特点是无公害、分子量高、成本低、耐侯性好和剥离强度高等,适合高速涂布以及良好的初黏性是它在标签工业中占主导地位的重要因素;不足之处是涂布后干燥速度慢,耐热、耐水性能差、表面张力高,但从成本、性能、节能、设备和环境卫生等多方面来看,其与溶剂型丙烯酸酯压敏胶相比仍有一定的优越性。当前主要用于生产不干胶标签材料、瓶贴和商标等。

3.热熔型丙烯酸酯压敏胶

热熔型丙烯酸酯压敏胶是固含量为100%的固体胶料,涂胶时必须将胶黏剂加热熔化(熔点一般为150~200℃)后进行涂布,再冷却固化。优点是可快速涂布、固化速度快、无公害;缺点是高温黏结性差、蠕变大、需要特殊的涂胶工具、操作温度高。目前已用于生产标签材料,也可制作纸基或布基的胶带。热熔型丙烯酸酯压敏胶是无溶剂型压敏胶黏剂中发展较快的品种之一。它的黏结性、耐久性与溶剂型丙烯酸酯压敏胶相似,在耐热、耐侯和热稳定性方面均比EVA系和二烯系热熔胶更加优越。

丙烯酸酯压敏胶的重要性能参数

图1为丙烯酸酯压敏胶的黏胶物性图。影响丙烯酸酯压敏胶性能的主要参数为黏着力、初期(黏)力、内聚力和投锚力。

1.黏着力

黏着力反映压敏胶黏于被贴物表面的剥离强度。剥开标签所需要的力主要用来克服胶黏剂与被贴物界面间的结合力以及胶黏剂本身凝集破坏产生的力。

黏着力的模拟模型力学方程式如下:

F1=btafc2/4Ea

b:上胶宽度;ta:胶层厚度;fc:胶黏剂与被贴物界面结合力;Ea:胶黏剂弹性模量

从公式中可知,要提高黏着力主要有以下方法。

(1)提高胶层厚度。对于一些表面纹路很深的被贴物(如磨砂铁板),如果胶层厚度不及纹路深度,黏在被贴物表面时,胶黏剂只与被贴物纹路的突出部分接触,因此黏着效果不佳,此时适当增加上胶量,可使胶黏剂与被贴物的接触面积增加,从而提高黏着力。

(2)选择与被贴物界面结合力较大的胶黏剂,如选用分子链中含极性基团的胶黏剂或添加增黏树脂等。对于HDPE、PP等非极性材质的材料,即使提高丙烯酸酯压敏胶的上胶量,黏着力提升也并不大,此时,选用一些对此类材质具有较高界面结合力的胶黏剂,可以达到事半功倍的效果。

(3)降低胶黏剂的弹性模量,即降低胶黏剂的硬度。可选用一些玻璃化温度较低的软性单体,或降低交联剂的添加量(因为未交联的压敏胶具有较高的初黏性和剥离强度,经过交联之后,由于分子量增大,初黏性和剥离强度都有少量的下降)。对于一些非常难黏的材料,将胶黏剂调得软一些,可以提高黏着效果。例如在轮胎行业,胶黏剂一般都较软。

2.初期力

初期力反映的是胶黏剂的初黏性,即在短时间内施加较小的压力,对被贴物基材产生黏结强度的瞬间浸润过程,考察的是流动行为。当胶黏剂润湿基材的能力较大时,相应的剥离强度较大。软质胶黏剂的初期力较佳,但内聚力较弱。

影响初期力有两个要素:首先为胶黏剂与被贴物表面间的湿润性,其次为黏弹性材料的时间依存性。因此要改变初期力,可选择软硬度不同的胶黏剂或改变交联剂的添加量,通过改变交联密度来调节胶黏剂的软硬度。另外,增加胶黏剂的厚度也可提高初期力。不同用途的标签对初期力的要求也不相同,例如:铜版纸标签一般要求即贴即用,以适合一些自动贴标的要求,因此其对初期力要求较高,所用胶黏剂相对软一些。而某些产品希望在贴标时,即便贴歪了,也可以撕开重新贴,这些产品所要求的胶黏剂初期力相对要低一些。

3.内聚力

内聚力为胶黏剂内分子链之间的相互作用力,反映胶黏剂的凝集强度。内聚力通过持黏性进行反映,即在恒定载荷下抵抗剪切作用的时间长短。对于在基材上能够良好浸润的压敏胶黏剂,内聚强度越大,抵抗滑移的效果就越好,持黏强度也就越高。内聚力高,则标签撕起时不会出现胶黏剂因分层而留在被贴物上的情况,可移除型胶黏剂一般要求具有较高的内聚力。

内聚力随分子量的增加而增加,改变内聚力方法有以下几种。

(1)调节交联剂用量。聚合物分子之间一定程度的交联会使分子量成级数的增长,分子链段运动更加困难,从而增加了内聚强度。

(2)减少胶黏剂中溶剂的残留量。溶剂起着链迁移剂的作用,从而会导致分子量的降低,这对于胶黏剂的物理性能来说是不利的。

4.投锚力

投锚力反映丙烯酸酯压敏胶对基材的附着牢度。投锚力较低时,丙烯酸酯压敏胶容易出现脱胶现象。此项性能对于可移除型胶黏剂尤为重要,可移除型胶黏剂的要求是投锚力>内聚力>黏着力。

提高投锚力的方法有两种。一是选择对基材结合力好的胶黏剂。二是对基材进行电晕或打底胶处理。

一般来说,极性高的基材,如PET、PVC等对胶黏剂的附着都较好,它们与丙烯酸酯压敏胶基体上的极性基团具有更好的化学成键能力和吸附能力,表现出更高的界面黏结强度。而非极性基材,如PP、PE在上胶前都要进行特殊处理。

丙烯酸酯压敏胶的应用

丙烯酸酯压敏胶是目前主流的、综合性能优异的压敏胶,丙烯酸酯单体种类的丰富性和结构可设计性为其使用范围的扩展、耐热性能的提高提供了可能。比如,共聚时引入活性官能团可以实现内交联或外交联,可以改善胶黏剂的耐热和耐老化性。虽然有机硅类压敏胶的耐热性能优异,但其初期力较弱,对基材的选择和处理要求比较苛刻,所以使用温度在150℃以下的胶黏剂仍以丙烯酸酯压敏胶为主,并且主要以溶剂型为主,因为从性能来讲,溶剂型丙烯酸酯压敏胶仍具有独特优势,更容易控制交联程度,兼顾综合性能。

当前,电子、电器设备上的标签或某些工业应用(如电工绝缘、汽车喷漆中所使用的标签)一般都要求丙烯酸酯压敏胶能承受较高的温度,具有较好的抗老化性。这意味着胶黏剂在高温下要有足够的使用强度,而且在高温或长期使用后,掀开无滞留残胶污染。

综上所述,笔者认为:丙烯酸酯压敏胶具有多种优点,是一种很有发展前途的胶黏剂。由于国内对工业污染问题越来越重视,溶剂型的丙烯酸酯压敏胶的使用已受到限制,今后将趋于使用乳液型、热熔型丙烯酸酯压敏胶。为了适应现代工业发展的需要,还要在保持压敏胶良好涂布性的前提下,开发高黏着强度、耐老化性好的丙烯酸酯压敏胶。

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