聚氯乙烯帶膠膜的制備與性能研究

季玉秋 段廣宇 王文良

上海艾樂影像材料有限公司（上海 201600）

科研開發(fā)

聚氯乙烯帶膠膜的制備與性能研究

季玉秋 段廣宇 王文良

上海艾樂影像材料有限公司（上海 201600）

將適量的二氧化硅（SiO2）分散液、潤滑劑、抗氧化劑、流平劑加入到1#、2#、3#、4#等幾種化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的水性熱塑性聚氨酯（TPU）中得到相應(yīng)的熱熔膠。研究了幾種熱熔膠涂覆于聚氯乙烯（PVC）基材上得到的帶膠膜的光學(xué)性能、力學(xué)性能、耐老化性能、層壓性能等。結(jié)果表明：配制的熱熔膠符合生產(chǎn)要求，制備的帶膠膜具有良好的透光率；帶膠膜與證卡材料層壓后剝離強度適宜，且在60℃、95%濕度條件下老化72 h后依然滿足剝離強度要求；使用的聚氨酯（PU）均為水性，避免了溶劑對環(huán)境的污染。

熱塑性聚氨酯 帶膠膜 熱熔膠 剝離強度

聚氨酯（PU）是分子鏈上含有—NH—COO—特征基團的雜鏈高聚物，一般由二異氰酸酯與多元醇縮聚生成。聚氨酯可以分為熱塑性聚氨酯（TPU）和熱固性聚氨酯兩大類，其產(chǎn)品隔熱、耐油、耐老化，可用作軟硬泡沫塑料、膠黏劑、纖維、人造革、涂料等。TPU由于其可重復(fù)加工性能，且有利于節(jié)能環(huán)保，目前廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、服裝、工業(yè)等領(lǐng)域[1-4]。TPU在高溫下成黏流態(tài)，黏附性能優(yōu)異；低溫時固化成型，是熱熔膠的主要材料。帶膠膜是在基材上涂覆一層熱熔膠而形成的，常用的基材有聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）、聚四氟乙烯（PTFE）等。帶膠膜常用于信用卡、智能卡、明信片等材料的保護，經(jīng)過層壓工藝，在證卡材料正反兩面形成一層透明的保護膜，起到抗氧化、防酸堿、耐磨損的作用，并延長證卡材料的使用壽命[5-7]。

本課題制備了不同種類的熱熔膠，并將其涂覆在PVC基材上得到相應(yīng)的帶膠膜。通過性能測試發(fā)現(xiàn)，幾種帶膠膜的透光率、霧度、剝離強度等性能均滿足要求，在很高的室內(nèi)溫度下，帶膠膜表面也不會發(fā)黏，層壓后也可以順利剝離，并且高溫層壓后仍具有優(yōu)異的黏附牢度和透光率。

1 實驗部分

1.1 實驗原料和相關(guān)設(shè)備

聚氨酯乳液97（1#）、聚氨酯乳液216（2#），科思創(chuàng)聚合物（中國）有限公司；聚氨酯乳液201（3#）、聚氨酯乳液100（4#），巴斯夫應(yīng)用化工有限公司；二氧化硅（SiO2），粒徑為5 μm，上海凱茵化工有限公司；乳液蠟，上海鼎明化工有限公司；有機硅油，道康寧（張家港）有機硅有限公司。上述原料均為工業(yè)級。

NDJ-8SN數(shù)字黏度計，上海儀電分析儀器有限公司；JB90-SH數(shù)顯恒速強力電動攪拌機，上海標(biāo)本模型廠；雙列4孔電子恒溫水浴鍋，上海宜昌儀器紗篩廠；DHG-9146A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；KHC.10.2/KHC.11.2線棒涂布器，英國RK公司；L003熱壓機，澳大利亞IDM儀器有限公司；老化試驗箱，上海滬升實驗儀器廠；KJ-1065C電子萬能材料試驗機，東莞市科建檢測儀器有限公司；透光率霧度儀，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司。

1.2 熱熔膠乳液的配制

首先制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的SiO2水分散液；然后稱取50 g聚氨酯，適量的乳液蠟、有機硅油、表面活性劑及乳液質(zhì)量5%的SiO2分散液混合于燒杯中，高速攪拌0.5 h，無機粒子分散均勻后得到熱熔膠乳液。幾種聚氨酯對應(yīng)的乳液編號為：1#E，2#E，3#E，4#E。

1.3 帶膠膜的制備

將4種熱熔膠乳液用線棒涂布器分別涂覆于PVC基材的一面，放置于65℃的干燥箱中熱風(fēng)干燥20 min，得到PVC帶膠膜。幾種帶膠膜的編號為：1#F，2#F，3#F，4#F。

1.4 性能測試方法

熱熔膠固含量按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料—不揮發(fā)物含量的測定》進行測試。PVC帶膠膜透光率按照GB/T 2410—2008《透明塑料透光率和霧度的測定》進行測試。PVC與證卡的剝離強度按照GB/T 17554.1—2006《識別卡—測試方法—第1部分：一般特性測試》進行測試。PVC帶膠膜老化試驗在溫度為60℃、濕度為95%的條件下進行。

2 結(jié)果和討論

2.1 熱熔膠乳液的物理性能

熱熔膠乳液的物理性能見表1。

表1 熱熔膠乳液的物理性能

2.2 PVC帶膠膜的透光率和霧度

PVC帶膠膜可以用來保護證卡材料表面圖案，使其免受劃傷，且要求層壓之后具有高透明度來保證圖案的清晰度、保持圖像的色彩鮮艷。低透光率會影響層壓之后證卡材料圖案的色澤，降低美感。因此，根據(jù)帶膠膜透明性的要求研究了幾種帶膠膜的透光率和霧度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 帶膠膜的透光率及霧度

由圖1可知，制備的幾種帶膠膜的透光率均在70%以上，其中4#F的透光率接近90%；而幾種帶膠膜的霧度都很低，層壓以后證卡圖案清晰、色彩鮮艷。從光學(xué)性能的角度來考慮，幾種帶膠膜均符合生產(chǎn)要求。

2.2.1 不同SiO2分散液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對PVC帶膠膜透光率的影響

SiO2是應(yīng)用廣泛的無機粒子，可以用于制造玻璃、陶瓷、水泥等。粒徑小的SiO2可與聚合物物理共混，改善聚合物的物理和化學(xué)性能[8]。乳液中添加SiO2粒子是由于SiO2粒徑較小，能夠滲入聚氨酯大分子鏈，形成“交聯(lián)”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而提高聚氨酯的韌性、拉伸強度、耐摩擦性能等[9]。但值得注意的是，SiO2含量的增加會影響帶膠膜的光學(xué)性能，導(dǎo)致其透光率下降、霧度增大，從而降低層壓圖像的清晰度，不符合生產(chǎn)要求。以2#E熱熔膠乳液為考察對象，研究了不同SiO2含量對帶膠膜透光率及霧度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 SiO2分散液對2#F帶膠膜透光率和霧度的影響

由圖2可知，2#F帶膠膜的透光率隨SiO2含量的增加而下降，霧度隨SiO2含量的增加而上升。添加的SiO2為白色顆粒，對光有一定的反射和折射作用，隨著體系中SiO2含量的增加，這種效果更加明顯，進而引起帶膠膜透光率明顯下降。

2.2.2 不同熱熔膠涂覆厚度對PVC帶膠膜透光率的影響

在SiO2分散液加入量相同的情況下，對2#E熱熔膠的涂覆厚度及其對透光率的影響進行了研究。涂覆量分別為20，50，75，100 g/m2時，在干燥箱中干燥后制得的帶膠膜及熱熔膠的厚度如表2所示，帶膠膜的透光率如圖3所示。

由表2可知，隨著每平方米熱熔膠涂覆克數(shù)的增加，膠涂層的厚度也逐漸增加。由圖3可知，隨著熱熔膠厚度的增加，帶膠膜的透光率逐漸降低。這是由于隨著涂覆質(zhì)量的增加，帶膠膜上的SiO2含量也相應(yīng)增加。值得一提的是，當(dāng)熱熔膠涂覆量超過50 g/m2后，帶膠膜表面粗糙感明顯，滑爽感下降；而低于50 g/m2時，熱熔膠膠膜太薄，降低了層壓后的剝離強度。

表2 涂覆后帶膠膜及熱熔膠的厚度μm

圖3 涂覆厚度對帶膠膜透光率的影響

2.3 PVC帶膠膜的剝離強度

由GB/T 14916—2006《識別卡—物理特性》可知，構(gòu)成卡結(jié)構(gòu)的各層材料應(yīng)黏合在一起，每一層都應(yīng)具有0.35 N/mm的最小剝離強度。幾種帶膠膜與證卡材料在層壓機中熱壓后，利用電子萬能材料試驗機分別測取了幾種帶膠膜與證卡材料之間的剝離強度（見圖4），其中帶膠膜的熱熔膠涂覆量均為50 g/m2，層壓溫度為120℃，層壓壓力為10 MPa。

由圖4可知，幾種純聚氨酯的剝離強度均大于配制的熱熔膠的剝離強度，但二者都符合剝離強度（不小于0.35 N/mm)要求。這是因為熱熔膠中加入了一定量的SiO2、乳液蠟、有機硅油等來降低熱熔膠涂覆干燥后表面的黏度，防止帶膠膜在大量積壓存儲過程中相互黏連在一起，造成帶膠膜起皺，甚至無法剝離使用的情況。同時，為了保證帶膠膜與證卡材料的熱層壓牢度，應(yīng)加入適量的無機粒子以滿足表面防黏要求。

圖4 帶膠膜和聚氨酯與基體材料的剝離強度

2.3.1 不同SiO2含量對PVC帶膠膜剝離強度的影響

剝離強度是帶膠膜的重要性能之一。鑒于帶膠膜對證卡材料進行保護的目的，要求在保證證卡圖案清晰、色彩鮮艷的前提下，二者之間還要有足夠大的剝離強度，同時保證生產(chǎn)過程中帶膠膜大量層壓后上下兩張帶膠膜不會相互黏在一起。因此，研究了不同SiO2含量對PVC帶膠膜剝離強度的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 SiO2分散液含量對帶膠膜剝離強度的影響

由圖5可知，幾種熱熔膠得到的帶膠膜的剝離強度隨SiO2分散液含量的增加而下降。原因包括兩個方面：一，隨著帶膠膜中SiO2含量的增加，帶膠膜表面的粗糙度增大，意味著當(dāng)帶膠膜與證卡材料進行層壓時，兩種材料的接觸面積減??；二，隨著帶膠膜中SiO2含量的增加，帶膠膜表面的黏性降低。當(dāng)SiO2分散液含量超過10%時，3#F帶膠膜的剝離強度已經(jīng)不能達到使用要求，同時，考慮到SiO2含量對帶膠膜透光率及霧度的影響，熱熔膠乳液中SiO2分散液的含量不宜超過7.5%。

2.3.2 不同熱熔膠涂覆厚度對PVC帶膠膜剝離強度的影響

熱熔膠膠層過薄時，剝離強度過低，帶膠膜容易與證卡材料剝離，減弱了帶膠膜對證卡材料的保護作用；熱熔膠膠層過厚時，會增加生產(chǎn)成本，也會降低帶膠膜的透光率，影響使用性能。因此，合適的熱熔膠涂覆厚度對PVC帶膠膜的剝離強度有很大的影響。研究了PVC膜上熱熔膠涂覆量分別為20，50，75，100 g/m2的情況下帶膠膜的剝離強度，結(jié)果如圖6所示。

圖6 熱熔膠涂覆量對帶膠膜剝離強度的影響

由圖6可知，幾種帶膠膜的剝離強度隨著膠層涂覆量的增加而明顯上升。這表示，隨著涂覆量的增加，膠層的厚度增大；雖然SiO2的含量也上升，但由于膠層厚度大于SiO2顆粒的直徑，在層壓過程中，隨著膠層的軟化，SiO2顆粒陷入膠層之中，這種變化反而會增大帶膠膜與證卡材料的接觸面積，進而引起帶膠膜剝離強度的增大。

2.4 PVC帶膠膜老化測試

實際情況中，帶膠膜會在不同的溫度、濕度條件下使用，因此，對不同環(huán)境條件下帶膠膜使用性能的研究也是十分必要的。在溫度為60℃、相對濕度為95%的條件下，對2#F帶膠膜與證卡材料層壓后的老化性能進行了測試，其結(jié)果如圖7所示。

圖7顯示，隨著老化時間的延長，帶膠膜與證卡材料之間的剝離強度下降。但在高溫高濕條件下，老化72 h以后，2#F帶膠膜與證卡材料之間的剝離強度仍然滿足剝離強度的要求（不小于0.35 N/mm）。由此可知，制備的2#F帶膠膜滿足老化使用要求。其他幾種帶膠膜的老化測試結(jié)果與2#F帶膠膜相似，不再一一進行討論。

圖7 老化時間對2#F帶膠膜剝離強度的影響

3 結(jié)論

將制備的幾種熱熔膠涂覆在PVC基材上得到了相應(yīng)的帶膠膜，研究了SiO2含量和熱熔膠膠層厚度對帶膠膜透光率、霧度、剝離強度的影響及帶膠膜的老化性能，得到以下結(jié)論：幾種熱熔膠的涂覆量不宜超過75 g/m2，以50 g/m2為佳；SiO2分散液的添加量不宜過多，否則會影響帶膠膜表面粗糙度及黏附性能，建議添加量為乳液質(zhì)量的5%；在一定溫濕度條件下老化72 h后，熱熔膠的剝離強度仍然能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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Preparation and Properties of Polyvinyl Chloride Adhesive Film

Ji Yuqiu Duan Guangyu Wang Wenliang

Several kinds of hot－melt adhesives were obtained by adding appropriate amounts of SiO2dispersion, lubricant,antioxidant,and leveling agent to water－borne thermoplastic polyurethanes(TPU)with different structures labeled 1#,2#,3#,and 4#．The optical properties,mechanical properties,aging resistances,laminating performances of the adhesive films obtained by coating the hot－melt adhesives on polyvinyl chloride(PVC)were studied．The results showed that the hot－melt adhesives could meet the production requirements,and the light transmittances of prepared adhesive films were satisfying．The peeling strengths of adhesive films were suitable,and what′s more,the peeling strengths still could meet the application requirement after aging for 72 hours at 60℃and 95%humidity．The polyurethanes used in the experiment were water－based,which could protect the environment from being polluted by solvents．

TPU;Adhesive film;Hot－melt adhesive;Peeling strength

TQ317.3

2017年1月

季玉秋男1975年生本科工程師主要從事影像涂層、證卡材料及相關(guān)領(lǐng)域的研究工作