用于包装应用的热熔粘合剂
技术领域
本发明涉及包含饱和脂肪酸的低应用温度热熔粘合剂。
背景技术
热熔粘合剂在熔融时被应用于基材,然后与第二基材接触放置。粘合剂冷却并硬化而在基材之间形成粘接。热熔粘合剂广泛用在工业粘合剂应用中,如产品装配和包装。后者包括箱和盒的密封。
用于包装应用如箱和盒密封的热熔体典型地包括聚合物、稀释剂(通常为增粘剂)和蜡。蜡具有几种功能。因为其分子量低,所以它降低粘度。低粘度有助于降低应用温度,提供较清洁的加工过程以及也提供对基材的优良润湿。另外,蜡迅速结晶,这有助于材料迅速硬化或凝固。快的凝固速度对于高速生产是重要的。最后,由于其升高的熔点,蜡为最终粘接提供耐温性。
常规包装粘合剂使用石油来源的蜡,如石蜡和微晶蜡。石蜡的较低分子量使其成为低应用温度粘合剂的首选。
近来,由于石蜡的供应有限,已经将关注转向天然蜡的应用。在天然蜡中,最低成本材料基于高度氢化的甘油三酯(Borsinger等,US6,890,982)。高水平氢化(低碘值)对将熔点提高为更接近石蜡是必需的。不幸的是,使用这些材料,难于获得具有足够高熔点和适当固化速度的粘合剂。另外,甘油三酯具有比石蜡高得多的分子量——对于纯的甘油三硬脂酸酯为大约890Da,而典型的石蜡为430Da。当使用高度氢化的甘油三酯时,结果是较高的粘度和较低的耐热性。
迄今,已提出使用饱和脂肪酸,并且脂肪酸的衍生物(如酰胺)已经被广泛用作含高度极性聚合物的粘合剂组合物中的蜡组分,用于水敏性应用(水分散性或生物可降解粘合剂)。这些极性聚合物是乙酸乙烯酯/聚环氧乙烷接枝共聚物(Ray-Chaudhuri等;US 3,891,584;Brady等;EP0512250B1)、聚(烷基噁唑啉)(poly(alkyloxazoline))(Flanagan,EP0212135B1;Sheldon等US 4,522,967)、淀粉酯(starchesters)(Riswick,EP0705895A1)、聚乙烯吡咯烷酮及其与乙酸乙烯酯的共聚物(Colon等,US 4,331,576和4,325,851)、磺化聚酯(Blumenthal等US 5,750,605)和生物可降解的聚醚酯(Sharak等5,583,187)。不饱和脂肪酸已经被提出用作多种粘合剂配方中的油替代品(Doody等,WO1999/013016)。然而,饱和脂肪酸还没有作为基础蜡(base wax)与常规乙烯或丙烯共聚物和增粘剂一起使用。
对石蜡的替代品以及对价格合理的天然蜡的需求持续存在,它们可以被用于低应用温度粘合剂,并且不损失耐热性。本发明满足了这种需求。
发明内容
已经发现,脂肪酸特别是饱和脂肪酸可以被用作配制热熔粘合剂以及特别是低应用温度热熔粘合剂中的基础蜡组分。当与常规粘合聚合物和增粘剂适当配制时,可以制备具有低粘度、长晾置时间和高耐热性的饱和脂肪酸如硬脂酸粘合剂。
已经惊人地发现,硬脂酸和较高熔点饱和脂肪酸如山嵛酸可以起着基于常规增粘剂和聚合物的包装配方中的单独蜡的作用。
本发明的一个实施方式涉及热熔粘合剂,其包括约10至约60wt%,更优选约20至约40wt%的基础聚合物(base polymer);约10至约60wt%,更优选约20至约40wt%的增粘剂;和约15至约55wt%,更优选约30至约50wt%的饱和脂肪酸。
本发明的另一实施方式涉及热熔粘合剂,其包括约10至约60wt%的基础聚合物;约10至约60wt%的增粘剂;约15至约55wt%饱和脂肪酸;和0至约10wt%的晶体习性改变剂,所述粘合剂的粘度在350°F为2000cps以下,Tm(熔融温度)为55℃以上,以及Tc(结晶温度)为35℃以上55℃以下。
本发明的又一实施方式涉及热熔粘合剂,其包括约10至约60wt%的基础聚合物;约10至约60wt%增粘剂;约15至约55wt%饱和脂肪酸;和0至约10wt%的晶体习性改变剂,所述粘合剂的粘度在250°F为2000cps以下,Tm为60℃以上,以及Tc为40℃以上55℃以下。
本发明粘合剂的一些实施方式也包括可达约10wt%的晶体习性改变剂。优选的晶体习性改变剂是脂肪酸涂敷的超细沉淀碳酸钙。用于本发明实践中的基础聚合物是乙烯和丙烯共聚物,乙烯共聚物如乙烯乙酸乙烯酯是特别优选的。增粘剂包括但不限于改性萜烯树脂。萜酚增粘剂是特别优选的。硬脂酸是可以被用在本发明实践中的饱和脂肪酸的例子。
本发明的粘合剂作为包装粘合剂特别有用,并且本发明提供利用本发明的粘合剂而制备的箱、盒和盘及类似物。
附图说明
图1是粘合剂样品2的DSC扫描。
图2是粘合剂样品3的DSC扫描。
图3是来自批量冷却样品(实线)和来自波形粘接(corrugated bond)的样品2的DSC扫描叠加图。
图4a是含3%合成石蜡的粘合剂样品6的DSC扫描。
图4b是含6%合成石蜡的粘合剂样品7的DSC扫描。
图4c是含12%合成石蜡的粘合剂样品8的DSC扫描。
具有实施方式
在本文中引用的所有参考文献被全部引入作为参考。
包装热熔体依赖蜡组分,以降低粘度和产生快速的凝固(通过蜡的固化(重结晶))。蜡也提供耐热性(参见C.W. Paul,Hot MeltAdhesives,in Adhesion Science and Engineering-2,Surfaces,Chemistry and Applications,M.Chaudhury和S.V.Pocius编辑,Elsevier,New York,2002,第712页),然而,为有效改进耐热性,蜡与聚合物的相互作用是关键的(参见同一参考文献的第745页)。蜡必须不仅仅充当填料的作用。然而,蜡熔点设定了可以从粘合剂获得的潜在耐热性的上限。采用极性蜡,不像石蜡,蜡的熔点高度依赖配制。严重的熔点下降可能是由于蜡与其他成分的强相互作用或迅速冷却(在箱和盒密封操作中,这是正常情况)而产生的。
已经发现,较高熔点饱和脂肪酸可以起着基于常规增粘剂和聚合物的包装配方中的单独蜡的作用。本发明的粘合剂包括粘性的基础聚合物组分、增粘剂组分和蜡组分。尽管其他常规蜡(参见前面引用的Paul的参考文献的第725页)或类似蜡的物质可以被加入粘合剂中,然而饱和脂肪酸在配方中是首要和主要的蜡。最优选的饱和脂肪酸是单独蜡组分,不包括晶体习性改变剂,如果其存在的话。优选使用的是硬脂酸。
本发明的粘合剂包含饱和脂肪酸组分。在链中具有最小程度的烯烃双键的饱和脂肪酸是生产高且窄的熔点必需的。不饱和程度通常以碘值表征。合适的值为25以下,优选为10以下,而最优选为5以下。脂肪酸是由甘油三酯的水解得到的,然后通常进行氢化,以实现低碘值。
饱和脂肪酸链长度在C4至C22范围。最常见的是C18和C16酸。C18酸是优选的,因为这些酸具有较高的熔点。60℃以上的熔点在使用中是足够的耐热性所期望的。纯C16脂肪酸(棕榈酸)在62.9℃熔化,而纯C18硬脂酸在69.6℃熔化。12-羟基硬脂酸(氢化蓖麻油酸)在约80℃熔化,但是其比硬脂酸贵得多,并且更易于严重延缓结晶速率(低重结晶温度Tc)。
熔点也取决于脂肪酸的纯度。熔点随具体酸的纯度增加,这将产生更完美的晶体。通过配制在粘合剂组合物中,熔点也倾向于被基本上降低。硬脂酸是最优选的,原因在于稍微不纯的物质(其成本较低)可以以这样的方式应用——甚至在配制之后,可获得60℃以上的熔点。硬脂酸具有比石蜡高的熔点(约70℃对约64℃)和低的分子量(280Da对约430Da)。
饱和脂肪酸组分典型以约10至约60wt%的量存在,更优选以约15至约55wt%的量存在,甚至更优选以约30至约50wt%的量存在。
配制本发明热熔粘合剂中所使用的聚合物是乙烯和丙烯均聚物和共聚物及其混合物。优选使用的是乙烯共聚物。例子是乙烯与乙酸乙烯酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸正己酯、丁烯、辛烯、丙烯酸和甲基丙烯酸的共聚物。同样有用的是非晶态聚α-烯烃如无规立构丙烯和丙烯与乙烯、丁烯、己烯和辛烯的共聚物。优选的是乙烯与极性共聚单体如按重量计5-40%的乙酸乙烯酯的共聚物。最优选的是约28%的乙酸乙烯酯。
本发明的粘合剂组合物优选是增粘的。增粘剂组分通常将以约10wt%至约60wt%的量存在,更优选以约20wt%至约50wt%的量存在,甚至更优选将以约20wt%至约40wt%的量存在。可以被用在本发明的实践中的各种常规增粘剂描述在C.W.Paul,Hot MeltAdhesives,in Adhesion Science and Engineering-2,Surfaces,Chemistry and Applications,M.Chaudhury和S.V. Pocius编辑,Elsevier,New York,2002,第711页中。这些包括天然和合成树脂。天然树脂包括松香、松香酯和多萜。合成树脂包括C5环状树脂和无环树脂、芳族树脂、C9树脂、纯单体树脂如基于α-甲基苯乙烯的树脂以及上述单体彼此之间和/或与酚的共聚物树脂。最优选的是萜酚树脂,如供应自ArizonaChemical的那些萜酚树脂。
已经发现,与常规蜡相比,脂肪酸的极性和不对称性产生了许多优势(长晾置时间、坚固粘合和可调制的熔融与重结晶性质)。然而,它们独特的结构也使得这些物质更难于以不依赖于冷却速度的方式结晶。快速冷却的样品可以被嵌入低熔融结构中。这些低熔融结构使许多脂肪酸的固有高熔点无效。现也发现,一些在本文中被称为晶体习性改变剂的物质当少量加入时可以将该问题最小化或消除该问题。尽管未理解这种机理,然而其效果是改变了蜡的晶体结构,使得其甚至在迅速冷却时仍保持高且窄的熔点。执行此种功能的添加剂包括某些填料,如脂肪酸涂敷的超细沉淀碳酸钙(来自Solvay的WinnofilSPM);其中一个嵌段是聚乙烯的二嵌段共聚物,如AB-1,其中第二嵌段是非晶态聚烯烃。AB-1在D.Schwahn等,Macromolecules,vol.35,2002,p.861描述的物质种类中。这些物质产生“多毛小盘状(hairyplatelet)”烯晶体(ethylenic crystal)。据发现,第二嵌段也可以是聚环氧乙烷,如供应自Baker-Petrolite的Unithox 380。令人惊奇地,聚丙烯的成核剂——来自Milliken Chemicals的Hyperform HPN-68L,其基于二环[2.2.1]庚烷-2,3-二羧酸二钠盐,(1R,2R,3S,4S)-REL-——也是有效的。典型的烃蜡或硬脂酸盐尽管迅速结晶,但对于使硬脂酸晶体成核或确保它们具有高度完整性(熔点)是无效的。优选的晶体习性改变剂是用脂肪酸涂敷的超细(主要颗粒<0.1微米)沉淀碳酸钙。优选此种物质的原因在于其与任何其他材料一样有效而成本最低。当使用时,所述晶体习性改变剂优选以可达约10wt%的量存在。
本发明的粘合剂也优选含有稳定剂或抗氧化剂。这些化合物被加入,以保护所述粘合剂免受与氧反应而导致的降解,所述与氧的反应是通过诸如热、光或来自原材料如增粘树脂的残留催化剂而诱导的。可以使用的常规抗氧化剂包括受阻酚、亚磷酸盐、芳香胺、硫代酸酯、硫化物以及类似物。本发明粘合剂典型地将包括0至约3wt%的抗氧化剂。
取决于粘合剂预期的最终用途,可以包括常规加入热熔粘合剂中的其他添加剂,如增塑剂、颜料和染料。
粘合剂将典型地以及期望地被配制用于在低温下应用,即,可以在约300°F和低至约200°F,更典型地低至约250°F的温度下应用的组合物。
本发明的粘合剂粘度低且熔点高,具有长晾置时间,如通过低重结晶温度所表征。适当的凝固速度通过维持40℃以上的重结晶温度得以保证。
优选的粘合剂将具有在350°F(177℃)下为1500cP以下的粘度。因为在较高的温度下稳定性被损害,所以优选地,粘度在300°F(149℃),更优选在250°F(121℃)下为1500cP以下。
需要具有优良耐热性的粘合剂,以密封要通过卡车或轨道运输的容器(箱、盒及类似物)。被运送和/或贮存在卡车或机动有轨车内的密封容器在夏季暴露于非常高的温度(可达145°F或更高)。因此,在实际条件下冷却之后的高熔点是期望的。在DSC中采用20℃/min的冷却速率以及同样的加热速率(如下所述),期望熔点(最大吸热温度)为约55℃以上,更优选为约60℃以上。
缓慢重结晶速率甚至在低应用温度下提供了长晾置时间。然而,重结晶温度(在20℃/min下冷却之后的最大放热温度)必须充分高于室温(约20℃),更优选高于35℃,以及最优选高于40℃但在55℃以下。
本发明的热熔粘合剂在包装和加工(converting)工业特别有用,所述粘合剂作为箱、盒和盘组成以及作为密封粘合剂具有特别的用途。容器如筐、箱、盒、袋、盘以及类似物被本发明包括。
实施例
测试方法:
用来自Brookfield的杯锤式(cup and bob)Thermosel粘度计测量粘度。使用27号转子。
用来自TAinstruments公司的2920MDSC装置,在8-12mg样品上进行示差扫描量热法(DSC)。使样品在铝盘上形成波形。在所有情况下,样品在20℃/min下被加热和冷却。将样品加热至120℃,在20℃/min下冷却至-10℃——在其期间,记录重结晶峰,然后在20℃/min加热返回120℃——在此期间记录熔点。
通过用薄的粘合剂密封条粘结双面凹槽的瓦楞纸板,使粘接样品在期望条件下平衡至少24小时,并用手拉动粘接,评价粘合。纤维撕裂(fiber tear)的存在或缺乏被表示为粘接面积的百分比。
通过制备双面凹槽波形的重叠粘接件而测量耐热性。粘接件的底部被固定至一支架上。顶部悬挂在悬臂构造中的支架上,粘接线位于边缘处。在悬挂顶部的远端处放置100g的重量,其在粘接上提供劈裂应力(cleavage stress)。将粘接样品放置在固定温度下的烘箱中。如果粘接保持24小时,则其被认为通过测试。报告的结果是三个样品的平均值。材料:
用下列原材料制备粘合剂样品:松香,得自PDM Inc.,具有75℃的软化点和160mgKOH/g的酸值。Sylvares TP96,萜酚树脂,具有95℃的软化点和大约65mg KOH/g的羟基值,供应自Arizona Chemical。Sylvares TP2040,萜酚树脂,具有118℃的软化点和大约140的羟基值,供应自Arizona Chemical。Ultrathene UE 665-67,乙烯乙酸乙烯酯共聚物,含有按重量计28%乙酸乙烯酯,并且具有800的熔体指数,供应自Equistar Chemicals LP。Prifrac 2981,98%纯硬脂酸,供应自Uniqema。Prifrac 2979,92%纯硬脂酸,供应自Uniqema。AB-1,二嵌段共聚物,其中一个嵌段为聚乙烯而另一嵌段为非晶聚烯烃嵌段。SasolWax H4,通过费-托法生产的合成石蜡,供应自SasolwaxAmericas。该物质表现出两个熔点,93℃和105℃,并且具有96℃的Tc。NAT155,高度氢化豆油,具有≤2的碘值,供应自Marcus Oil andChemical Co。Cool 250,基于常规蜡的低应用温度包装粘合剂,供应自NationalStarch and Chemical Co。实施例1
在加热至300°F的单桨式搅拌机中,通过将示于表1中的组分混合在一起,直到均匀,制备粘合剂样品1-10和比较样品A。实施例2增粘剂选择的影响
通常地,较高软化点增粘剂提供较高的耐热性,但是经常对粘合不利。如在样品1和2中所见,发现,用硬脂酸作为蜡,较高软化点萜酚(95℃,SylvaresTP 96)可以代替较低软化点树脂(75℃,松香),其既改进了耐热性,也改进了粘合。使用较高软化点增粘剂也将配方中蜡的熔点从58℃提高至63℃。实施例3晶体习性改变剂的影响
出乎意料地发现,一些物质改变了蜡的晶体结构,使得其甚至在迅速冷却时可保持高且窄的熔点。一种此类物质是二嵌段共聚物,其中一个末端为聚乙烯。
晶体习性改变剂AB-1被用于样品3的配方中。没有AB-1(参见样品2和图1)时,快速冷却(20℃/min)产生了较低的熔融峰侧(shoulder)。样品2粘合剂的图1DSC扫描显示了加热、冷却和再加热循环。如此制备的样品冷却非常缓慢,原因在于其为100g的粘合剂容纳者。因此,初始熔点很高(约66℃)。在以20℃/min冷却之后,在42℃可见重结晶峰。在以20℃/min再加热之后,观察到物质具有两个熔化峰,一个在55℃处,而另一个在约63℃处。根据表2所列的数据可见,AB-1晶体习性改变剂的加入(样品3和图2)既增加了耐热性,又提高了粘合。样品3粘合剂的图2DSC扫描显示单个高熔点(66℃),无论是大量地缓慢冷却还是以20℃/min冷却。重结晶温度稍微增加(从42℃至45℃)。
从波形粘接(corrugated bond)切下一片样品2粘合剂。粘接样品上的DSC扫描结果示于图3中,并且与快速冷却的物质类似,这表明粘接是一个快速冷却的过程。因此较低熔点在粘接结构中是一个真正的问题。实施例4均匀链长度的重要性
采用较高纯度硬脂酸得到较高耐热性(比较样品3(98%纯度)和样品4(92%纯度))。尽管仍然使用较低纯度硬脂酸(样品5),然而增加所使用的增粘剂部分的软化点和酚含量能够补偿并重新获得耐热性。较低纯度降低了硬脂酸的成本。实施例5晶体习性改变剂
因为当被运输经过美国较温暖区域时,在运输箱和盒的过程中温度可以达到稍高于60℃达数小时(参见International Safe TransitAssociation Temperature Study,July 2002,在www.ista.org上获取),所以对许多物质的潜能进行了研究,以避免在快速冷却时熔点非常低的物质。
向样品10的母料中加入1-5%的多种物质。如果在5%有效,也可在1%尝试一些物质。有效性的标准是不存在65℃以下的第二最大温度(如在图1中无合适的改变剂情况下所见)。最优选的是没有65℃以下的第二最大温度以及没有显著的低熔点峰尾。明显的峰尾是当比较快速冷却(20℃/min)样品与那些缓慢冷却(1℃/min)样品时,其面积为总面积15%以上的峰尾。低熔点峰尾是峰下面熔化曲线的面积,其在缓慢冷却样品的峰的面积之外。
令人惊讶地,很多物质是有效的,其范围从无机颗粒(样品11,涂敷有作为分散助剂的脂肪酸)、其中一个端部为聚乙烯而另一个为非晶态聚烯烃的嵌段共聚物(样品3和5)或可结晶环氧乙烷链(样品13)到目的为使聚丙烯成核的有机盐类(样品12)。令人惊讶地,加入较高熔点硬脂酸盐(如硬脂酸钙和硬脂酸锌的低共熔混合物——Synpro 1580,参见样品9)或常规合成石蜡产生了显著的低熔点相(参见样品6-8和图4a-c)以及在耐热性上的相应下降(参见表2)。粘合也被降低,特别是当硬脂酸与合成石蜡结合时(样品6-8)。实施例6与甘油三酯基蜡的比较
样品5和比较实例A比较了同样的配方,只是蜡的选择不同。硬脂酸基配方(样品5)不仅在粘度上低得多,而且表现出高得多的熔点(65℃对48℃),以及位于最佳范围内的重结晶温度(40-55℃)。尽管高度氢化的甘油三酯的熔点接近纯态的硬脂酸(例如,如收到时的NAT155和Prifrac 2979熔点分别为67.7℃和71.4℃),但在配制和/或快速冷却(20℃/min)之后,甘油三酯形成低熔点晶体。甘油三酯-蜡在较低温度下熔化并且在太低的温度下重结晶,这使得凝固速度非常低,特别是在温暖环境中,例如很多生产工厂在夏季月份可能存在的环境。实施例7与目前基于石油蜡的低温粘合剂的比较
Cool 250是高性能、低应用温度粘合剂。该粘合剂意图在250°F下应用。在自动化粘合装配机和测试机上比较Cool 250与样品3。两种粘合剂均在250°F下以密封条形式被应用至单凹槽瓦楞纸板。利用相同的粘合剂附加物,比较粘合剂的晾置时间。晾置时间是将粘合剂应用至一个表面之后、将其粘接至第二基材之前所经过的时间。超过粘合剂的“晾置时间”,形成劣质粘合(一旦粘合剂完全凝固,则不存在波形的纤维撕裂)。处于太长的晾置时间,粘合剂将在粘接之前已经开始结晶,并且导致劣质粘合。不足的粘合剂晾置时间是较低应用温度粘合剂存在的重复问题(recurrent issue),因为它们携带较少的热至基材并因此开始更快地重结晶。商业粘合剂Cool 250在这些环境下表现出4-5秒的晾置时间。样品3的硬脂酸基配方表现出20-25秒的晾置时间。尽管应用温度低,该长晾置时间提供了有力的应用过程,并且被认为原因在于相比Cool 250中的石油来源蜡(57℃),样品3中的硬脂酸(45℃)的较低重结晶温度。