一種水基高性能封口膠的研制

劉 毅，鄭 軍，楊鵬沖

（1.保定光普化工研究所，河北 保定 071000；2.河北創(chuàng)領(lǐng)粘合劑制造有限公司，河北 保定 071000）

一種水基高性能封口膠的研制

劉 毅1，鄭 軍1，楊鵬沖2

（1.保定光普化工研究所，河北 保定 071000；2.河北創(chuàng)領(lǐng)粘合劑制造有限公司，河北 保定 071000）

按照“高分子合金”的設(shè)計(jì)理念，復(fù)配成一種符合HJ 2541-2016《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求膠粘劑》標(biāo)準(zhǔn)的水基封口膠。工業(yè)化應(yīng)用結(jié)果表明，復(fù)配而成的水基封口膠對(duì)難粘基材的粘接強(qiáng)度較高、耐熱性較好且抗凍性較佳。

高分子；合金；水基；高性能；封口膠

膠粘劑是包裝工業(yè)領(lǐng)域用量相對(duì)最大的市場(chǎng)之一，封口膠是包裝工業(yè)使用較為廣泛的一種膠粘劑。常用于紙盒、紙箱和手提袋等接口粘接。封口膠主要有油性封口膠和水性封口膠2種。油性封口膠一般以甲苯等為溶劑，以SBS、萜烯樹脂和松香等為主要原料，對(duì)環(huán)境和生命健康構(gòu)成較大危害。隨著我國(guó)印刷包裝行業(yè)的不斷發(fā)展，水性封口膠技術(shù)經(jīng)過不斷完善，已經(jīng)能夠滿足環(huán)保無(wú)毒、粘接強(qiáng)度較高、耐候性和耐高低溫性較好等使用要求。本研究采用“高分子合金”的設(shè)計(jì)方案、復(fù)配出一種純水性封口膠。這種純水性封口膠不含甲苯，環(huán)保無(wú)毒、初粘性較高、持粘力較強(qiáng)、耐熱性較好以及抗凍性較佳，可廣泛用于BOPP/紙、磨光/紙、PET/紙、紙/紙、油墨/紙和UV上光/紙的封邊或搭口。

“高分子合金”是指有2種或2種以上水性高分子聚合物與少量功能助劑，在熔融狀態(tài)下，經(jīng)過共混，因機(jī)械剪切力作用，使部分高聚物斷鏈，再接枝或嵌段，亦或基團(tuán)與鏈段交換，從而形成聚合物∽聚合物之間的復(fù)合黏合劑或復(fù)合新材料。在“高分子合金”中，不同高分子的特性可以得到優(yōu)化組合，從而顯著改進(jìn)了材料的性能，或賦予材料原不具有的性能。讓熱力學(xué)不相容的不同高分子聚合物相容復(fù)配，可獲得兼具各聚合物優(yōu)點(diǎn)的新型材料[1]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

T-906A包裝膠乳液、H-723A常溫自交聯(lián)乳液、T-138水性SBS乳液、H-645常溫自交聯(lián)乳液、AMP-95多功能助劑、H-102慢干劑，上海光普化工有限公司；DF-568消泡劑，上海忠誠(chéng)精細(xì)化工有限公司；HF-1防腐劑，科萊恩公司分裝；工業(yè)氨水，市售；VINNAPAS?920乳液，瓦克化學(xué)（中國(guó)）有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海上天精密儀器有限公司；PB-10型精密酸度計(jì)，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；Hydro2000MU型激光粒度儀，英國(guó)Malvern儀器有限公司；剝離強(qiáng)度試驗(yàn)儀，濟(jì)南格瑞特公司；J2-MC型離心機(jī)，美國(guó)貝殼曼庫(kù)爾特有限公司；DSC-1150B型差示掃描量熱儀，上海盈諾精密儀器有限公司；STA 409 PC型同步熱分析儀，德國(guó)Netzsch公司；Instron5567型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Instron公司。

1.3 水性封口膠的制備

1.3.1 水性封口膠配比

純水性封口膠的配比如表1所示。

1.3.2 水性封口膠制備工藝

（1）將組分1的各個(gè)組分分別稱量，在低速攪拌下將各組分依次加入攪拌罐。

（2）繼續(xù)低速攪拌30～60 min至充分均勻。

（3）根據(jù)使用要求，適量加入氨水，調(diào)整pH值與黏稠度。

表1 水性封口膠原料配比Tab.1 Material ratio of water-based sealing glue

（4）充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，抽檢、過濾（100目≈48 μm）出料、包裝。

1.4 性能測(cè)試

（1）外觀：目測(cè)。

（2）固含量：取2 g乳液，于120 ℃烘箱中烘至恒量，記錄烘干前后乳液聚合物質(zhì)量（g），以固含量=樣品干重/樣品濕重計(jì)算固含量。

（3）黏度：根據(jù)GB/T 11175—2002標(biāo)準(zhǔn)，采用旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)試（選擇合適的轉(zhuǎn)子）。

（4）耐水性：將室溫干燥48 h后的膠膜浸入水中48 h，觀察膠膜的變化；若膠膜基本不泛白，無(wú)皺皮、翹邊和脫落等現(xiàn)象，則視為耐水性合格。

（5）凍融穩(wěn)定性：取50 g乳液放置于100 mL的玻璃杯中，在（-20±1）℃的冰箱中冷凍18 h，再于23 ℃下融化6 h，連續(xù)操作5個(gè)循環(huán)后乳液不破乳，則視為凍融穩(wěn)定性合格。

（6）剝離強(qiáng)度：根據(jù)GB/T 2790—1995標(biāo)準(zhǔn)，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

（7）穩(wěn)定性：按照GB/T 11175—2002標(biāo)準(zhǔn)，采用離心機(jī)進(jìn)行測(cè)試（離心速率為3 000 r/min，離心時(shí)間為15 min，若乳液無(wú)沉淀現(xiàn)象時(shí)，則認(rèn)為其貯存穩(wěn)定期超過180 d）。

（8）pH值 ： 按 照GB/T 14518—1993標(biāo)準(zhǔn)，采用精密酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)試（常溫25℃）。

（9）機(jī)械穩(wěn)定性：按照GB/T 9268—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

（10）耐熱性：采用熱失重（TGA）分析法進(jìn)行表征（N2氣氛，升溫速率為3 K/mi n）。

（11）堿增稠性：將適量的氨水加入乳液中攪拌均勻，根據(jù)乳液的增稠情況，判定乳液的堿敏感性。

（12）干黏性：采用“手感法”進(jìn)行測(cè)試。

（13）濕黏性：取出浸泡在水中的試樣，立即測(cè)試其粘接強(qiáng)度，并以此作為衡量指標(biāo)。

（14）對(duì)玻璃的粘接性：用劃格器在涂層上切出十字格圖形（齒間距1 mm和2 mm），切口直至基材（玻璃），取毛刷對(duì)膠線方向各刷3次，將膠帶貼在切口上再拉開，用放大鏡觀察格子區(qū)域的變化情況。

（15）Tg值 （玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）：按照GB/T 29611—2013標(biāo)準(zhǔn)，采用差示掃描量熱（DSC）法進(jìn)行表征（N2氣氛，升溫速率為10 K/min，取樣量為5～15 mg）。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性封口膠的性能

純水性封口膠的性能如表2所示。

2.2 影響水性封口膠性能的因素

2.2.1 乳液的選用

保定光普化工研究所利用丙烯酸丁酯（BA）取代乙烯，制成了一系列性能優(yōu)異的新型VAE共聚物乳液，其綜合性能顯著優(yōu)于市售常規(guī)VAE乳液，并進(jìn)行了長(zhǎng)期大批量的工業(yè)生產(chǎn)，其產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，得到 了 用 戶 的 認(rèn) 可[2]。

T-906A包裝膠乳液是一種復(fù)合交聯(lián)型的醋酸乙烯－丙烯酸酯共聚乳液，具有堿增稠的特性，初始黏度較高并以PVA為保護(hù)膠體，具備高濕黏性和相容穩(wěn)定性。因其含有特殊的交聯(lián)單體，易與粘接界面形成復(fù)合交聯(lián)，賦予了該產(chǎn)品以更強(qiáng)的附著力、柔韌性和持粘性；由于其Tg較 低，故抗凍性能較好，所以綜合性能顯著優(yōu)于市售常規(guī)VAE乳液。

H-723A、H-645是一種羧基化的醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚乳液，具有常溫自交聯(lián)的優(yōu)異特性。其對(duì)多種聚合物薄膜表面、套印上光及復(fù)膜表面和其他較難粘接表面具有優(yōu)異的粘接性能；通過獨(dú)特的聚合工藝將常溫自交聯(lián)和羧基化反應(yīng)結(jié)合起來，賦予其耐高溫、耐低溫和堿增稠的優(yōu)異特性；H-723A、H-645是由聚乙烯醇來作保護(hù)膠體，有著高濕黏性和機(jī)械穩(wěn)定性。優(yōu)異的內(nèi)聚力使其具有比常規(guī)乳液更好的透明度和耐水性。較低的Tg， 使其具有更好的柔韌性、初粘性和持粘性；H-723A、H-645具有很好的機(jī)械性能，可被用于各種滾筒、擠壓和噴涂涂膠應(yīng)用，也可通過微熱和微壓的方式來預(yù)先固化。

表2 水性封口膠的基本性能Tab.2 Basic properties of water-based sealing glue

2.2.2 水性SBS的選用

T-138水性SBS乳液是SBS和丙烯酸酯的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）乳液；特含潛伏性固化基團(tuán)，具有常溫自交聯(lián)的優(yōu)異特性；不含烷基酚聚氧乙烯醚類化合物（APEO），對(duì)難粘基材具有優(yōu)異的粘接性能，濕粘接力和干粘接力俱佳。T-138水性SBS乳液的粘接性能顯著優(yōu)于SBS的甲苯溶液，具有優(yōu)異的耐高溫性、耐低溫性和耐候性，壓敏性較好，內(nèi)聚強(qiáng)度較高，混容穩(wěn)定性較佳。

T-138乳液調(diào)pH值后，對(duì)初粘力無(wú)影響，T-138與LD909（氯丁-丙烯酸乳液互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物）的綜合性能無(wú)明顯差異。

2.2.3 Tg值對(duì)性能的影響

表3 Tg值 對(duì)剝離強(qiáng)度的影響Tab.3 Effect of Tgvalue on peeling strength

若水性封口膠的最低成膜溫度高于使用溫度或室溫，則水性封口膠不能形成連續(xù)的粘接層，粘接強(qiáng)度較低，干燥后易開口或脫離。而決定水性封口膠的最低成膜溫度就是Tg值 。最低成膜溫度與Tg值 一般都很接近。經(jīng)過試驗(yàn)表明：Tg值 保持較低時(shí)，水性封口膠膠膜性能較好、粘接強(qiáng)度較大，但不能太低，Tg值 為-9 ℃時(shí)，其剝離強(qiáng)度達(dá)到相對(duì)最高（如表3所示）。

2.2.4 pH值與黏度對(duì)性能的影響

水性封口膠的黏度對(duì)實(shí)際上機(jī)適應(yīng)性和涂膠量有很大影響。黏度過低時(shí)，涂膠量太少，影響粘接效果，易導(dǎo)致上機(jī)飛濺；黏度過高時(shí)，涂膠量太多，影響干燥成膜，導(dǎo)致形成初粘慢。在制備水性封口膠時(shí)，通過加入適量的氨水調(diào)節(jié)pH值，控制黏度。試驗(yàn)結(jié)果表明：水性封口膠pH值調(diào)至6.7～7.0，黏度控制在8 000～12 000 mPa·s時(shí)，實(shí)際上機(jī)使用綜合效果相對(duì)最佳。

2.3 水性封口膠實(shí)際上機(jī)使用效果

將試驗(yàn)篩選后的乳液與相關(guān)功能助劑等進(jìn)行復(fù)配制成高性能水基封口膠，該膠具有環(huán)保、綜合性能優(yōu)越等特點(diǎn)。該產(chǎn)品經(jīng)河北華夏印刷有限公司進(jìn)行上機(jī)使用、性能檢測(cè)，結(jié)果表明，這種高性能水基封口膠具有良好的實(shí)際上機(jī)使用效果，綜合性能優(yōu)異，能夠滿足產(chǎn)品的使用要求。

表4 pH值對(duì)黏度與性能的影響Tab.4 Effects of pH value on viscosity and performance

3 結(jié)語(yǔ)

（1）采用“高分子合金”的設(shè)計(jì)理念制備出了高性能水基封口膠，該膠粘接強(qiáng)度較高、耐熱性較好、抗凍性較佳。

（2）高性能水基封口膠符合HJ 2541-2016《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求膠粘劑》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）T-906A乳 液 、H-723A乳 液 、H-645乳液和T-138水性SBS乳液綜合性能優(yōu)異，與進(jìn)口乳液無(wú)明顯差異。

[1]趙士貴,陳國(guó)文.高分子合金[J].科技信息,1998,15(10):14-15.

[2]曹同玉.保定光普化工研究所新型VAE共聚物乳液-推薦書[M].保定光普化工研究所,2015-11-15.

Abstract：According to the design concept of “polymer alloy”, a water-based sealing glue with the performance meeting the standard of HJ 2541-2016《Technical requirement for environmental labling products-adhesives》was compounded. The results of industrial application show that the compounded water-based sealing glue has higher adhesion to the hard bonding substrates, good heat resistance and good frost-resistance.

Key words：polymer alloy; water-based; high performance; sealing glue

Development of a water-based high performance sealing glue

LIU Yi1, ZHENG Jun1, YANG Peng-chong2
(1.Baoding Guangpu Chemical Research Institute, Baoding, Hebei 071000, China; 2.Hebei Chuangling Adhesive Manufacture Co., Ltd., Baoding, Hebei 071000, China)

TQ437+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2017）08-0022-04

來稿日期：2017-03-01

劉毅（1983-），男，工程師，主要從事水性丙烯酸樹脂乳液聚合、特種膠粘劑的研究開發(fā)工作。E-mail：baodingguangpu@163.com。

鄭軍（1970-），男，保定光普化工研究所所長(zhǎng)，主要從事水性丙烯酸樹脂乳液聚合、特種膠粘劑及涂料的研究。E-mail：shanghaiguangpu@163.com。

2017-01-05

作者簡(jiǎn)介：劉海峰（1985-），男，副研究員，博士，主要從事有機(jī)硅高分子材料制備、金屬防腐研究。E-mail：liuhaifeng@gziit.ac.cn。

貴州省聯(lián)合基金，黔科合LH字[2014]7368號(hào)；貴州省教育廳優(yōu)秀人才獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃，黔教合KY字[2014]245；2015年度南沙區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目2015KF026。