基于治污控制的環(huán)保型丙烯酸酯膠粘劑制備與綜合性能研究

王 鵬,彭 林

(1.河北瑞三元環(huán)境科技有限公司,河北 石家莊 050000 ;2.石家莊學院,河北 石家莊 050000)

烯酸系膠粘劑由于具有生產(chǎn)成本低、粘接性能優(yōu)良、生產(chǎn)工藝成熟、污染小等特點,在金屬與非金屬的粘接方面有著廣泛應(yīng)用,目前生產(chǎn)企業(yè)以生產(chǎn)出溶劑型、乳液型、反應(yīng)型、壓敏型、瞬干型、厭氧型、光敏型和熱熔型等類型的丙烯酸膠粘劑[1-3]。在環(huán)保要求不斷提高和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)α悴考p薄方向發(fā)展的需求,基于環(huán)境污染治理的膠粘劑具有更好的熱穩(wěn)定性、更低的吸濕率以及更高的粘接強度[4-5]。傳統(tǒng)的丙烯酸酯膠粘劑的制備,大多考慮基礎(chǔ)配方、操作工藝等對膠粘劑性能的影響[6];而對于外加固化劑、工藝參數(shù)等對丙烯酸酯膠粘劑性能的影響方面的報道較少[7]。本文通過外加固化劑的方法對丙烯酸酯膠粘劑進行了改性,并設(shè)計了3因素2水平正交試驗表,考察了聚合工藝、交聯(lián)單體和外加固化劑作為3因素對包封樣剝離強度、膠膜樣剝離強度和吸濕率的影響,結(jié)果將有助于基于環(huán)境污染治理的高綜合性能丙烯酸酯膠粘劑的開發(fā),并推動其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料:國藥集團化學試劑有限公司提供的分析純衣康酸(MEA),山東齊魯石化有限公司提供的工業(yè)級丙烯酸(AA);外加固化劑包括:愛珂瑪化工有限公司提供的工業(yè)級水溶性酚醛樹脂(PF)、水性氨基樹脂 7301、水性氨基樹脂 M25 和雙馬來酰亞胺 PBM,廣東華麗寶實業(yè)有限公司提供的BOPP薄膜、韓國SKC公司的PI膜和SIT-304型單面板。

1.2 試樣制備

預(yù)先配置丙烯酸酯乳液,然后加入4種不同的外加固化劑攪拌均勻,調(diào)節(jié)黏度后消泡[8],得到丙烯酸酯膠粘劑。以聚合工藝、交聯(lián)單體和外加固化劑作為3因素,設(shè)計了3因素2水平正交試驗表,如表1所示。以考察各因素對膠粘劑的綜合改性效果[9]。將膠粘劑涂抹在BOPP薄膜上,采用熱塑機轉(zhuǎn)移至PI膜上并覆合,再與SIT-304型單面板一起壓制[10],溫度為180 ℃、壓力為2 MPa、時間為120 s,壓制后進行160 ℃保溫2 h的固化處理。

表1 3因素2水平正交試驗表

1.3 測試與表征

根據(jù)GB/T 13557—2017《印制電路用撓性覆銅箔材料試驗方法》對膠粘劑試樣分別進行剝離強度(PS)測試[11],試樣尺寸為3 mm×120 mm×10 mm;耐焊性測試[12],試樣尺寸為3 mm×5 mm× 5 mm;吸濕率測試過程中取均勻的膠膜試樣進行測試,試樣置于恒溫恒濕箱(25 ℃、75%RH)中放置24 h后取出,稱量放置前后的質(zhì)量并計算吸濕率[13]。在DSC-500A差示掃描量熱儀上對膠粘劑試樣進行DSC曲線測試[14];在THEMYS熱重分析儀(TGA)上對膠粘劑試樣進行TGA測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 外加固化劑

表2為外加固化劑對膠粘劑性能的影響,分別列出了包封樣和膠膜樣的剝離強度和耐焊性,以及膠粘劑試樣的吸濕率測試結(jié)果。

表2 外加固化劑對膠粘劑性能的影響

由表2可知,對于PF固化劑而言,隨著固化劑質(zhì)量分數(shù)從2%增至10%,包封樣和膠膜樣的剝離強度先增加后減小,耐焊性都為100%,PF質(zhì)量分數(shù)為8%時取得剝離強度最大值;此外,吸濕率隨著PF質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸增大。對于7301固化劑而言,隨著固化劑質(zhì)量分數(shù)從2%增至10%,包封樣和膠膜樣的剝離強度逐漸減小,耐焊性都為100%;PF質(zhì)量分數(shù)為8%時取得剝離強度最大值;此外,吸濕率隨著7301固化劑質(zhì)量分數(shù)的增加而先增大后減小,在7301固化劑質(zhì)量分數(shù)為6%時取得最大值。對于M25固化劑而言,隨著固化劑質(zhì)量分數(shù)從2%增至10%,包封樣和膠膜樣的剝離強度先增加后減小,M25質(zhì)量分數(shù)為4%時取得剝離強度最大值;此外,吸濕率隨著M25質(zhì)量分數(shù)增加而逐漸增大,包封樣的耐焊性都為100%,膠膜樣的耐焊性都小于41%。對于PBM固化劑而言,隨著固化劑質(zhì)量分數(shù)從2%增至10%,包封樣和膠膜樣的剝離強度先增加后減小,耐焊性都為100%;PBM質(zhì)量分數(shù)為8%時取得剝離強度最大值。此外,吸濕率隨著PBM質(zhì)量分數(shù)增加而逐漸增大。對比4種固化劑對包封樣和膠膜樣的剝離強度、耐焊性和吸濕率的影響,選取PF固化劑質(zhì)量分數(shù)為4%和PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時,膠粘劑試樣具有較高的剝離強度和較低的吸濕率,且耐焊性為100%。

圖1為外加固化劑的膠粘劑的DSC曲線和微分曲線,分別列出了PF固化劑質(zhì)量分數(shù)為4%和PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時的DSC曲線。

(a)DSC曲線

由圖1可知,PF固化劑質(zhì)量分數(shù)為4%和PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時膠粘劑試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度存在明顯差異,具體體現(xiàn)在PF固化劑質(zhì)量分數(shù)為4%時膠粘劑試樣只有一個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度19.7 ℃;PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時膠粘劑試樣有2個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度-21.5 ℃和36.7 ℃。由此可見,PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時膠粘劑試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度更低。

圖2為外加固化劑的膠粘劑的TGA曲線和微分曲線,分別列出了PF固化劑質(zhì)量分數(shù)為4%和PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時的TGA曲線。

圖2 外加固化劑的膠粘劑的TGA曲線和微分曲線

由圖2可知,PF固化劑質(zhì)量分數(shù)為4%和PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時膠粘劑試樣的熱穩(wěn)定性沒有明顯差異,膠粘劑試樣的初始分解溫度都在320 ℃附近,曲線最大斜率對應(yīng)的分解溫度也相同。因此,PF固化劑質(zhì)量分數(shù)為4%和PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時膠粘劑試樣的熱穩(wěn)定性差異不大。結(jié)合前述的膠粘劑的性能測試結(jié)果可知,PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時,膠粘劑試樣的剝離強度更大、吸濕率更小,更適宜作為外加固化劑。

2.2 綜合改性

從上述的試驗結(jié)果可知,外加固化劑會對丙烯酸酯膠粘劑試樣的剝離強度和吸濕率產(chǎn)生明顯影響,這主要是因為外加固化劑會參與膠粘劑的聚合反應(yīng),并影響膠粘劑的固化過程[15]。表3為聚合工藝、交聯(lián)單體和外加固化劑作為3因素的正交試驗結(jié)果,分別以包封樣剝離強度、膠膜樣剝離強度和吸濕率作為考核指標。

表3 3因素2水平正交試驗結(jié)果

表4為正交極差分析結(jié)果,其中極差(R)反映了綜合改性參數(shù)(聚合工藝、交聯(lián)單體和外加固化劑)對包封樣剝離強度、膠膜樣剝離強度和吸濕率的影響,R值越大則表示對應(yīng)的綜合改性參數(shù)對膠粘劑試樣性能的影響越大[16]。從包封樣剝離強度的影響結(jié)果來看,影響因素從大至小順序依次為:因素A、因素C、因素B;從膠膜樣剝離強度的影響結(jié)果來看,影響因素從大至小順序依次為:因素C、因素A、因素B;從吸濕率的影響結(jié)果來看,影響因素從大至小順序依次為:因素A、因素C、因素B。由表4可知,3因素2水平的正交試驗法得到的8組包封樣剝離強度、膠膜樣剝離強度都滿足標準要求[17],因此主要分析吸濕率對膠粘劑試樣的影響。因此,選取A1B2C2作為最佳工藝參數(shù),即聚合工藝為核殼聚合、交聯(lián)單體為MEA∶AA=0.5∶3.5、外加固化劑為8%PBM。

表4 正交極差分析結(jié)果

3 結(jié)語

(1)對比4種固化劑對包封樣和膠膜樣的剝離強度、耐焊性和吸濕率的影響上看,選取PF固化劑含量為4%和PBM固化劑含量為8%時,膠粘劑試樣具有較高的剝離強度和較低的吸濕率,且耐焊性為100%;

(2)PF固化劑質(zhì)量分數(shù)為4%時膠粘劑試樣只有一個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度19.7 ℃,而PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時膠粘劑試樣有2個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度-21.5、36.7 ℃;PBM固化劑質(zhì)量分數(shù)為8%時膠粘劑試樣的剝離強度更大、吸濕率更小,更適宜作為外加固化劑;

(3)從包封樣剝離強度的影響結(jié)果來看,影響因素從大至小順序依次為:A、C、B;從膠膜樣剝離強度的影響結(jié)果來看,影響因素從大至小順序依次為:C、A、B;從吸濕率的影響結(jié)果來看,影響因素從大至小順序依次為:A、C、B。