CN102604561A - 一种水性胶黏剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水性胶黏剂及其制备方法，以EVADA-103乳液和PUDISPERCOLLU54乳液为主要原料、CaCO3为填料、聚乙烯醇为增稠剂、添加少量添加剂，合理配比制备而成。本发明提供的水性胶黏剂不含有机溶剂，无刺激气味，绿色环保；粘结强度大、固化时间短、施工性能佳；耐水性佳；成本适中，市场竞争力强。这将对扩大水性胶黏剂的生产和应用起到了推动作用，具有应用价值和经济价值。

Description

一种水性胶黏剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种胶黏剂及其制备方法，具体涉及一种水性胶黏剂及其制备方法。
背景技术
随着工业的发展，胶黏剂的应用市场越来越广泛，品种也日益增多。常用的胶黏剂主要有溶剂型、水基型以及热熔型等胶黏剂。目前，由于溶剂型胶黏剂是由苯、甲苯等挥发性有机化合物作溶剂，使用过程中所带来的毒害性和环境污染问题而使其产量日渐萎缩。热熔型胶黏剂是在熔融状态下进行涂布，冷却成固态即完成粘接，主要用于纸和布料等低强度、多孔质物质，需向提高强度等高性能方面发展。水性胶黏剂中50%左右由水构成，无污染且价格低廉，可以兼顾胶黏剂的性能、价格和环保各方面的要求，在技术、经济和社会效益诸方面均有优势，因此水性胶黏剂成为世界胶黏剂工业研究重点之一。
目前市场上存在的水性胶黏剂基本上都是由单一乳液和辅料构成，以乙烯-醋酸乙烯共聚（EVA）乳液、聚氨酯（PU）乳液等多乳液复配而成的水性胶黏剂尚未用于生产。目前水性胶黏剂由于均为单一组分，存在耐水性差、粘结力不足的问题。因此，对多种水性乳液共混进行理论和应用研究，制备一种粘附性好，耐水性佳，绿色环保，价格适中的水性胶黏剂，成为世界胶黏剂工业研究的热点。
发明内容
针对现有技术存在的不足，发明人对多种水性乳液共混进行理论和应用研究，将不同水性乳液与其他辅助材料合理配比，制备了一种粘附性好，耐水性佳，绿色环保，价格适中的水性胶黏剂，这将对扩大水性胶黏剂乳液的生产和应用起到很大的推动作用，具有应用价值和经济价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水性胶黏剂，以乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液为主要原料，其组分按重量份计：
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液 20～25份、聚氨酯乳液20～25份、聚乙烯醇溶液25～30份、CaCO320～34份、添加剂0.35～1.5份。
在上述配比组分中，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液为乙烯-醋酸乙烯共聚乳液DA-103（EVA DA-103），由台湾大连化学工业公司购得；聚氨酯乳液为水性聚氨酯U54（PU DISPERCOLL U54），由拜耳（中国）有限公司上海聚合物科研开发中心购得；CaCO3为纯净的轻质CaCO3；聚乙烯醇、CaCO3和添加剂均为市售产品。
所述添加剂为消泡剂、杀菌剂和表面活性剂的混合物，其中消泡剂为Foamaster 8034A，分散性好，是一种广谱消泡剂；杀菌剂为KATHON LXE BIOCIDE，属于CMIT/MIT类杀菌剂，性价比较高；表面活性剂，即润湿剂，型号为OT-75，均为市售产品。
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液分子中，由于乙烯基的引入，降低了分子链上乙酞氧基的数目，减少了分子内的作用力；同时，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液分子中存在较多的乙酞氧基侧链，既增加了聚合物分子链之间的距离，又降低了高分子间的相互作用力，因此，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液具有较强的内塑性，耐酸碱性和较好的柔韧性。此外，乙烯原料易得，其乳液成本低廉也是一大优点。
聚氨酯乳液分子中含有异氰酸酯基（-NCO-）和氨基甲酸酯基（-NHCOO-），与含有活性氢的材料有着优良的粘接力，还可与被粘材料产生氢键作用，使粘合更加牢固。此外，该水性胶黏剂的特点之一是耐水性好，在100℃沸水浸泡8小时开裂率小于10%，这是由于加入了特定配比的聚氨酯乳液，使得该水性胶黏剂在保持良好粘附性的同时，也具有良好的耐水性。
聚合物乳液是胶黏剂体系的主体材料，对体系的内聚强度、干燥速度、耐水性等方面产生重要影响。本发明以乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液为主要原料，充分发挥乙烯-醋酸乙烯共聚乳液的柔韧性与聚氨酯乳液良好的粘附性和耐水性的优势，综合考虑粘附效果和成本因素，将EVA DA-103乳液和PU DISPERCOLL U54乳液作为该水性胶黏剂的主体原料进行共混。
CaCO3作为填料，是水性胶黏剂不可或缺的组成部分，可以增加体系的黏度，填料CaCO3的加入可以使产品在保证良好粘附性的前提下，大幅降低成本。由于普通CaCO3棱角分明，在体系应用过程中会产生较大的应力，严重影响胶膜的力学性能，同时比重较大，易沉淀，所以选用纯净的轻质CaCO3，纯净的轻质CaCO3呈现较规则的球形，粒径分布均匀，比重较小，利于乳液体系的稳定。选择目数为700～1250目，若小于700目，则颗粒太大，易沉淀；若大于1250目，则颗粒太小不易分散，同时使共混乳液黏度太高，不利于施工；优选目数为1250目，目数较高，其微粉均匀分散在乳液中，与乳液形成交叉网状结构，增加了体系的内聚力，使得粘接强度和胶膜强度最好。
聚乙烯醇作为增稠剂，具有在冷水中不溶、热水中溶胀溶解的特性，因此向共混乳液中添加聚乙烯醇时，须以溶液形式加入，以便共混，以质量分数为25%的聚乙烯醇溶液为宜。若质量分数过大，体系黏度明显变大，施工不方便，开放时间过长，干燥速度慢；同时，体系的内聚力较差，容易发生粘附过程中的内聚破坏。若质量分数太低，要达到相同的聚乙烯醇固体含量，则需要添加的聚乙烯醇溶液的量就会太大，得到的水性胶黏剂的固含量必定太低。因此聚乙烯醇溶液以质量分数为25%为宜。
所述添加剂为消泡剂、杀菌剂和表面活性剂的混合物，为了保证制得的胶黏剂性能更好，所述消泡剂、杀菌剂和表面活性剂的质量比为3：3：4。
该水性胶黏剂对木材粘结强度大于9MPa、固化时间短、施工性能佳；固含量50%-55%；100℃沸水浸泡8小时开裂率小于10%；对表面能较低的基材（PE/无纺布、PE/纸）同样具有较好的粘接强度。
制备所述水性胶黏剂的方法，具体步骤如下：
（1）将聚乙烯醇固体粉末加入到90℃热水中，搅拌30min使之溶解，得质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，静置，降至室温备用；
（2）将乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液按比例加入烧瓶中，500rpm搅拌15min，加入三乙醇胺调节体系pH至6～7；
（3）向步骤（2）所得乳液中按比例加入质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，搅拌25min，加入CaCO3，搅拌30min至均一，最后加入消泡剂、杀菌剂、表面活性剂，搅拌10min，过滤出料，得乳液，即为产品。
其中，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液与聚氨酯乳液的相容性决定了共混体系的贮存稳定性，进而影响乳液对界面的黏附力。实验证明，当直接将乙烯-醋酸乙烯共聚乳液与聚氨酯乳液共混时，乳液的稳定性变差，这是由于乙烯-醋酸乙烯共聚乳液与聚氨酯乳液均具有一定的pH值，乳胶粒表面的乳化剂或离子基团带有一定量的电荷，在其周围形成了双电层结构，使得乳胶粒之间存在静电斥力，相互之间难以接近，因而保持了乳液的稳定。将聚氨酯乳液加入到乙烯-醋酸乙烯共聚乳液中以后，一方面由于乙烯-醋酸乙烯共聚乳液的乳胶粒直径比聚氨酯乳液的乳胶粒直径大得多，较容易吸附聚氨酯乳液的乳胶粒；另一方面，聚氨酯乳液的乳胶粒表面的电荷密度较大，很容易吸附在几乎处于电中性的乙烯-醋酸乙烯共聚乳液的乳胶粒上。所以，当把聚氨酯乳液和乙烯-醋酸乙烯共聚乳液直接共混时，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液的乳胶粒将大量吸附聚氨酯乳液的乳胶粒，两乳液的乳胶粒之间以氢键方式结合，最终形成絮凝。
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液为防止醋酸乙烯酯基的水解，pH控制在4-6，而聚氨酯乳液pH在7左右。共混后随着体系pH下降，聚氨酯乳液中羧基（-COOH）与乳液中本身存在的碱性物质二乙胺的成盐作用减弱，乳胶粒之间的静电斥力减少，不利于聚氨酯乳液的稳定。根据文献，乙烯-醋酸乙烯共聚乳液在pH为3.0～8.5范围内是稳定的。所以为了调节乙烯-醋酸乙烯共聚乳液与聚氨酯乳液共混体系的稳定性，在共混过程中加入三乙醇胺试剂调节共混体系pH值至6～7，三乙醇胺为无色粘稠状液体，沸点360℃，不易挥发，碱性比氨水低，便于控制pH；使得聚氨酯乳液的乳胶粒表面的羧基（-COOH）在pH值较大时电离而使乳胶粒表面带负电荷，乳胶粒电荷相互排斥而得以稳定。
综上所述，本发明以EVA DA-103乳液和PU DISPERCOLL U54乳液为主要原料、CaCO3为填料、聚乙烯醇为增稠剂、添加少量添加剂，合理配比，制备的水性胶黏剂，弥补了当前单一乳液体系的不足，具有如下有益效果：不含有机溶剂，无刺激气味，绿色环保；不但对木材的粘结强度大，而且对表面能较低的基材（PE/无纺布、PE/纸）同样具有较好的粘结强度；固化时间短、施工性能佳；耐水性佳；成本适中，市场竞争力强。这将对扩大水性胶黏剂乳液的生产和应用起到很大的推动作用，具有很大的应用价值和经济价值。
附图说明
图1为本发明的制备步骤流程图。
具体实施方式
实施例1
一种水性胶黏剂，以乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液为主要原料，其组分按重量份计：
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液 20份、聚氨酯乳液20份、聚乙烯醇溶液25份、CaCO334份、消泡剂0.3份、杀菌剂0.3份、表面活性剂0.4份。
制备所述水性胶黏剂的方法，具体步骤如下：
（1）将聚乙烯醇固体粉末加入到90℃热水中，搅拌30min使之溶解，得质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，静置，降至室温备用；
（2）将乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液按比例加入烧瓶中，500rpm搅拌15min，加入三乙醇胺调节体系pH至6～7；
（3）向步骤（2）所得乳液中按比例加入质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，搅拌25min，加入CaCO3，搅拌30min至均一，最后加入消泡剂、杀菌剂、表面活性剂，搅拌10min，过滤出料，得乳液，即为产品。
实施例2
一种水性胶黏剂，以乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液为主要原料，其组分按重量份计：
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液 25份、聚氨酯乳液23.5份、聚乙烯醇溶液30份、CaCO320份、消泡剂0.45份、杀菌剂0.45份、表面活性剂0.6份。
制备所述水性胶黏剂的方法，具体步骤如下：
（1）将聚乙烯醇固体粉末加入到90℃热水中，搅拌30min使之溶解，得质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，静置，降至室温备用；
（2）将乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液按比例加入烧瓶中，500rpm搅拌15min，加入三乙醇胺调节体系pH至6～7；
（3）向步骤（2）所得乳液中按比例加入质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，搅拌25min，加入CaCO3，搅拌30min至均一，最后加入消泡剂、杀菌剂、表面活性剂，搅拌10min，过滤出料，得乳液，即为产品。
实施例3
一种水性胶黏剂，以乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液为主要原料，其组分按重量份计：
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液 22份、聚氨酯乳液25份、聚乙烯醇溶液27份、CaCO325.65份、消泡剂0.105份、杀菌剂0.105份、表面活性剂0.14份。
制备所述水性胶黏剂的方法，具体步骤如下：
（1）将聚乙烯醇固体粉末加入到90℃热水中，搅拌30min使之溶解，得质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，静置，降至室温备用；
（2）将乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液按比例加入烧瓶中，500rpm搅拌15min，加入三乙醇胺调节体系pH至6～7；
（3）向步骤（2）所得乳液中按比例加入质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，搅拌25min，加入CaCO3，搅拌30min至均一，最后加入消泡剂、杀菌剂、表面活性剂，搅拌10min，过滤出料，得乳液，即为产品。
实施例4
一种水性胶黏剂，以乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液为主要原料，其组分按重量份计：
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液 21份、聚氨酯乳液22份、聚乙烯醇溶液26份、CaCO330份、消泡剂0.3份、杀菌剂0.3份、表面活性剂0.4份。
制备所述水性胶黏剂的方法，具体步骤如下：
（1）将聚乙烯醇固体粉末加入到90℃热水中，搅拌30min使之溶解，得质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，静置，降至室温备用；
（2）将乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液按比例加入烧瓶中，500rpm搅拌15min，加入三乙醇胺调节体系pH至6～7；
（3）向步骤（2）所得乳液中按比例加入质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，搅拌25min，加入CaCO3，搅拌30min至均一，最后加入消泡剂、杀菌剂、表面活性剂，搅拌10min，过滤出料，得乳液，即为产品。
实施例5
一种水性胶黏剂，以乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液为主要原料，其组分按重量份计：
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液 20份、聚氨酯乳液21份、聚乙烯醇溶液28份、CaCO330.5份、消泡剂0.15份、杀菌剂0.15份、表面活性剂0.2份。
制备所述水性胶黏剂的方法，具体步骤如下：
（1）将聚乙烯醇固体粉末加入到90℃热水中，搅拌30min使之溶解，得质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，静置，降至室温备用；
（2）将乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液按比例加入烧瓶中，500rpm搅拌15min，加入三乙醇胺调节体系pH至6～7；
（3）向步骤（2）所得乳液中按比例加入质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，搅拌25min，加入CaCO3，搅拌30min至均一，最后加入消泡剂、杀菌剂、表面活性剂，搅拌10min，过滤出料，得乳液，即为产品。
比较例
比较例1
以5.0×2.5cm、表面平整均一的标准榉木块为试验基材，将实施例1、3、5中所制得的胶黏剂进行性能测试，结果见表1。
 
表1  以木材/木材为试验基材的性能对比
  实施例1 实施例3 实施例5 水性聚氨酯乳液 醋酸乙烯-乙烯共聚乳液 丙烯酸乳液
粘接强度/Mpaa 9.0 9.5 9.3 10.3 8.0 7.5
开裂率/%b 2 1 3 0 11 40
开放时间/Sc 25 23 20 30 40 45
成本/元/吨 11000 13000 12000 35000-45000 9000-15000 12000-14000
a. 粘结强度测试条件：将胶黏剂单面涂于试样，涂胶量100-110g/m2，涂胶面积3cm×2.5cm，晾至半干后搭接方式粘合，在室温下放置7d后在拉力试验机上测定其剪切强度；
b. 耐水性测试条件：将胶黏剂涂于基材，粘合后放置24h，在100℃沸水中浸泡8h测试开裂率；
c．开放时间测试条件：将胶黏剂涂于基材，至搭接另一基材时产生粘合力的最短时间。
由表1可以看出，本发明所制备的胶黏剂具有较好的性能，粘结强度、开裂率、开放时间远远优于市售普通乳胶，与水性聚氨酯乳液持平，而成本却明显低于水性聚氨酯乳液，与其他市售普通乳胶持平。在成本价格基本持平而粘接效果明显提高的情况下，本发明将具有明显的市场竞争优势，在高端市场具有较强的竞争力。
比较例2
表1为对木材/木材的粘结性能测试，对于PE/无纺布、PE/纸等表面能低，难粘合的基材，在需要较大粘接力的场合，常用的丙烯酸乳液则不尽如人意，为检测本胶黏剂体系对PE/无纺布、PE/纸基材的粘接性能，将实施例1-5与市售丙烯酸乳液对比，结果见表2。
 
表2  对难粘合基材的性能对比
由表2看出，丙烯酸乳液和实施例1-5制得的胶黏剂对PE/纸的粘接力较PE/无纺布大，说明相对PE/纸，PE/无纺布基材更难以粘接。丙烯酸乳液胶黏剂对PE/无纺布、PE/纸的粘合未完全材破，说明该胶黏剂粘接强度或内聚强度较低。实施例1-5制得的胶黏剂对PE/无纺布、PE/纸等基材的粘接性能好于丙烯酸乳液。

Claims (8)

1.一种水性胶黏剂，其特征在于：以乙烯-醋酸乙烯共聚乳液和聚氨酯乳液为主要原料，其组分按重量份计：
乙烯-醋酸乙烯共聚乳液 20～25份、聚氨酯乳液20～25份、聚乙烯醇溶液25～30份、CaCO320～34份、添加剂0.35～1.5份。
2.根据权利要求1所述的水性胶黏剂，其特征在于：所述的乙烯-醋酸乙烯共聚乳液为乙烯-醋酸乙烯共聚乳液DA-103，聚氨酯乳液为水性聚氨酯U54。
3.根据权利要求1所述的水性胶黏剂，其特征在于：所述聚乙烯醇溶液的质量分数为25%。
4.根据权利要求1所述的水性胶黏剂，其特征在于：所述的CaCO3为纯净的轻质碳酸钙，目数为700～1250目。
5.根据权利要求1或4所述的水性胶黏剂，其特征在于：所述CaCO3的目数为1250目。
6.根据权利要求1所述的水性胶黏剂，其特征在于：所述的添加剂为消泡剂、杀菌剂和表面活性剂的混合物。
7.根据权利要求6所述的水性胶黏剂，其特征在于：所述消泡剂、杀菌剂和表面活性剂的质量比为3：3：4。
8.制备如权利要求1所述的水性胶黏剂的方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）将聚乙烯醇固体粉末加入到90℃热水中，搅拌30min使之溶解，得质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，静置，降至室温备用；
（2）将乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液和聚氨酯乳液按比例加入烧瓶中，500rpm搅拌15min，加入三乙醇胺试剂调节体系pH至6～7；
（3）向步骤（2）所得乳液中按比例加入质量分数为25%的聚乙烯醇溶液，搅拌25min，加入CaCO3，搅拌30min至均一，最后加入添加剂，搅拌10min，过滤出料，得乳液，即为产品。
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