CN103237820A - 水分固化性异丁烯粘合剂共聚物 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了由烷氧基硅烷改性的交联异丁烯共聚物制备的压敏粘合剂和粘合密封剂,以及由其制备的条带制品。
Description
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2010年12月2日提交的美国临时专利申请No.61/419017的优先权,该专利的公开内容以引用方式全文并入本文。
技术领域
本发明涉及由异丁烯共聚物制备的压敏粘合剂和粘合密封剂,以及由其制备的条带制品。压敏粘合剂的特征在于显示出粘合和内聚特性的总体平衡以及对低表面能基材的异常粘附力。
背景技术
压敏条带在家庭和工作场所中几乎随处可见。在压敏条带的最简单的构造中,其包括粘合剂和背衬,且整体构造在使用温度下是粘性的,并且仅使用适度的压力便可以粘附至多种基材以形成结合。以此方式,压敏条带构成了完整的、自持的结合系统。
根据压敏条带协会,已知压敏粘合剂(PSA)具有以下性质:(1)有力而持久的粘着力;(2)用不超过指压的压力即可粘附;(3)具有足够固定在粘附体上的能力;以及(4)足够的内聚强度,使其可干净地从粘附体上移除。已发现的可很好地用作PSA的材料包括经设计和配制以表现出所需粘弹特性的聚合物,所述粘弹特性可实现所期望的粘着力、剥离粘附力与剪切保持力的平衡。PSA的特征在于通常在室温(如20℃)下是发粘的。PSA不包括仅因为其具有粘性或仅能够附着到表面上的组合物。
通常使用设计用来逐个地测量粘着力、粘附力(剥离强度)和内聚力(剪切保持力)的测试方法来评估这些要求,如A.V.Pocius在由俄亥俄州辛辛那提汉瑟加德纳出版社(Hanser Gardner Publication,Cincinnati,OH)于2002年出版的Adhesion and Adhesives Technology:AnIntroduction(粘附和粘合剂技术:概论)(第2版)中所指明的那样。这些量度合在一起构成了通常用于表征PSA的诸性质的平衡。
随着多年来压敏条带使用的扩展,性能要求已变得更加苛刻。例如,原来预期用于在室温下支承适度负载的剪切保持能力,现已在操作温度和负载方面对于许多应用而言大幅度提高。所谓的高性能压敏条带是能够在高温下支撑负载达10,000分钟的那些。一般是通过交联PSA来实现提高剪切保持能力的,但必须相当小心,要同时保持高水平的粘着力和粘附力,从而保持前述各种性能的平衡。
如今存在多种可得的压敏粘合剂(PSA)材料,其包括天然未加工或合成橡胶、嵌段共聚物和丙烯酸酯基聚合物组合物。对于所有PSA极为重要的是粘附力和内聚力的所需平衡,所述平衡常常通过优化丙烯酸类弹性体的物理性质(如玻璃化转变温度和模量)而实现。例如,如果弹性体的玻璃化转变温度(Tg)或模量过高,并高于粘性的Dahlquist标准(在室温和1Hz的振动频率下3×106达因/厘米2的储能模量),则所述材料将不是粘性,且本身不可用作PSA材料。通常在这种情况中,低分子量高Tg树脂聚合物(增粘剂)或低分子量低Tg聚合物(增塑剂)常用于将Tg和模量调节至最佳PSA范围内。
发明内容
本发明的粘合剂(共)聚合物包含:a)具有侧链烷氧基硅烷基团的异丁烯共聚物,b)增粘剂,和c)任选的非官能化聚(异丁烯)聚合物。在一个方面,压敏粘合剂包含异丁烯和具有侧链烷氧基硅烷基团的至少一种单体的共聚反应产物。
本发明的压敏粘合剂提供粘着力、剥离粘附力和剪切保持力的所需平衡,且还符合Dahlquist标准;即,频率为1Hz时,粘合剂在涂敷温度(通常室温)下的模量小于3×106达因/厘米。
在一些实施例中,提供了在熔融状态下涂敷到基材的热熔粘合剂组合物。此类热熔粘合剂组合物是基本上不含溶剂的。热熔粘合剂是通用的且广泛用于工业应用,例如装订、硬纸箱、塑料件和木制品等等。它们通常为100%固体粘合剂,涂敷温度从约150至约180℃不等,
近年来,低表面能、烯烃型热塑性塑料(如聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯双烯单体橡胶(EPDM))在汽车、油漆、器具和电子器件市场中的使用显著增加。该新材料的优点包括可承受的成本、易于加工和优异的机械性能。然而,这种趋势在对这些低表面能表面进行粘合剂结合带来了一定的挑战。
当考虑到粘合剂条带时,压敏粘合剂(PSA)条带是最容易使用的,但在大多数情况下,压敏粘合剂不会良好地粘附到低表面能基材上。另外,大部分PSA不适用于需要在高温下具有良好内部(内聚)强度的应用。例如,加热时橡胶-树脂PSA往往发生软化和降解。基于包含苯乙烯的嵌段共聚物的PSA在加热时也不会保持良好的内部强度,因为苯乙烯具有低Tg,所以在适度高温下会发生软化。目前通过在基材上用极性液体打底然后再涂敷PSA来实现与低表面能表面的粘合。即使在这两个步骤的处理之后,现有的PSA还是不能满足客户要求。需要开发成本有竞争力但仍具有最佳性质的无底漆LSE PSA。
最近,聚异丁烯(PIB)被认为是用于低表面能(LSE)粘合应用的值得注意的材料,因为它在烯烃型热塑性塑料上具有出色的粘附性。另外,PIB出色的水分和氧气阻隔性表明PIB型材料在电子和光伏封装应用中具有潜在用途。尽管它具有有益的性质,但材料的低内聚强度限制了它在高剪切应用中的用途。PIB型材料的另一个可能的应用是医用粘合剂领域。大部分丙烯酸酯型PSA不适用于医学应用,因为丙烯酸酯PSA在高温下往往会散发有毒蒸汽。丙烯酸酯型PSA通常包含即使在通常的室温下也会散发气味的单体材料,这使得丙烯酸酯PSA条带一般不适用于医学用途。聚异丁烯PSA通常用于医学用途,因为它们是生理惰性的,但它们在内部强度方面也往往不足。
本发明的粘合剂组合物提供了改进的压敏和热熔粘合剂组合物,其可以在很宽的温度范围内粘附到包括低表面能(LSE)基材在内的多种基材上,并提供了良好的粘附强度和保持特性。该粘合剂组合物容易处理,并且环保,因为它的挥发性有机化合物(VOC)(例如溶剂)的含量低。本发明的粘合剂组合物还提供了压敏粘合剂制品,例如胶带和密封剂。
如本文所用:
“烷基”是指具有一至约十二个碳原子的直链或支链、环状或无环的饱和一价烃基,如,甲基、乙基、1-丙基、2-丙基、戊基等等。
“亚烷基”是指具有一至约十二个碳原子的直链不饱和二价烃基或具有三至约十二个碳原子的支链饱和二价烃基,如亚甲基、亚乙基、亚丙基、2-甲基亚丙基、亚戊基、亚己基等等。
“烯基”是指具有一至约十二个碳原子的直链饱和一价烃基或具有三至约十二个碳原子的支链不饱和烃基。
“芳基”是指一价芳族基团,诸如苯基、萘基等等。
“亚芳基”是指多价芳族基团,诸如亚苯基、萘等等。
“亚芳烷基”是指连接有芳基的亚烷基的上述定义的基团,如苄基、1-萘乙基等等。
如本文所用,“(杂)烃基”包括烃基烷基基团和芳基基团,和杂烃基杂烷基基团和杂芳基基团,后者包含一个或多个链(链中)杂原子如醚或氨基。杂烃基可任选地包含一种或多种链(链中)官能团,该官能团包括酯、酰胺、脲、氨基甲酸酯和碳酸酯官能团。除非另外指明,否则非聚合的(杂)烃基通常包含1至60个碳原子。除了以上对于“烷基”、“杂烷基”、“芳基”和“杂芳基”所述的那些外,如本文使用的这种杂烃基的一些例子包括(但不限于)甲氧基、乙氧基、丙氧基、4-二苯基氨基丁基、2-(2′-苯氧基乙氧基)乙基、3,6-二氧杂庚基、3,6-二氧杂己基-6-苯基。
具体实施方式
粘合剂共聚物包含:a)具有侧链烷氧基硅烷基团的异丁烯共聚物,b)增粘剂,和c)任选的非官能化聚(异丁烯)聚合物。在一个方面,压敏粘合剂包含异丁烯和具有侧链烷氧基硅烷的至少一个单体的共聚反应产物。
具有侧链烷氧基硅烷基团的异丁烯共聚物可由下式表示:
其中R6表示具有至少20个重复单元的聚合异丁烯,R2为(杂)烃基,下标y表示由烷氧基硅烷基团取代的那些重复单元的比率,并且每个R3为烷基或芳基。通常1-5%的异丁烯共聚物的重复单元将由烷氧基硅烷取代。优选地,R2为1至10个碳原子的饱和亚烷基,任选包含一个或多个。
具有侧链水分固化烷氧基硅烷基团的单体单元可衍生自卤化丁基橡胶,并且可由下式表示:
其中Q为多价,优选地二价连接基团,Z为烷氧基硅烷基团,并且R7为H或CH3。更具体地讲,异丁烯共聚物可以由下式表示:
其中a为至少20,并且b和c中的至少一者为至少1,Q为多价连接基,Z为烷氧基硅烷基团;或
其中a和d为至少1,优选地a为至少20,d为至少1,R7为H或CH3,Q为多价连接基,并且Z为烷氧基硅烷基团。
对于式I和II的共聚物,将认识到具有下标“a”的单体单元为共聚的异丁烯单体单元。-Q-Z部分可以由下式表示:
其中
R1为多价亚烷基或亚芳基,X1为-O-、-O2C-、-NR4-,其中R4为H或C1-C4烷基;R2为(杂)烃基基团,优选地为饱和亚烷基,R3为烷基或芳基,x为1至3,优选地为3,并且q为1或2。
另外,就式I和II而言,选择下标“b”和“c”或“d”,使得共聚物包含1至20重量%的各单体单元:如,b和c使得包含-Q-Z的单体单元占共聚物的1至20重量%。
异丁烯的共聚物可以包括其中异丁烯与另一种单体共聚合,随后可以通过改性以包含不饱和侧基的那些。合成橡胶包括丁基橡胶,该丁基橡胶是大部分异丁烯与少量异戊二烯的共聚物,例如,可以商品名VISTANEX(埃克森化学公司(Exxon Chemical Co.))和JSR BUTYL(日本丁基聚合物有限公司(Japan Butyl Co.,Ltd.))获得的丁基橡胶。在一些实施例中,共聚物基本上为异丁烯的均聚物,例如,可以商品名OPPANOL(巴斯夫股份公司(BASF AG))和GLISSOPAL(巴斯夫股份公司(BASF AG))获得的聚异丁烯树脂,其可以随后通过改性以包含不饱和侧基。共聚物还包括大部分异丁烯与正-丁烯或丁二烯的共聚物,其可以随后通过改性以包含不饱和侧基。在一些实施例中,可以使用共聚物的混合物,即,第一聚异丁烯包含异丁烯的均聚物,而第二聚异丁烯包含丁基橡胶,或者第一聚异丁烯包含丁基橡胶,而第二聚异丁烯包含异丁烯的共聚物,随后进行改性。还可以想到异丁烯均聚物和改性的聚(异丁烯)的共混物。
异丁烯共聚物可以包括异丁烯和改性的对甲基苯乙烯单元的无规共聚物,其中所述无规共聚物包含1至20重量%的所述改性的对甲基苯乙烯单元并具有交联结构。该无规共聚物(例如)可以商品名EXXPRO系列从Exxon Chemical Co.(埃克森化学公司)商购获得,它们的例子包括MDX90-10、MDX89-4。可以对该对甲基苯乙烯的对位处的甲基的一部分进行溴化处理,以形成供随后由式III化合物进行亲核取代所用的位点。因此,可以用下文详述的技术形成交联结构。具体地讲,就共聚物MDX90-10而言,对共聚物中包含的1.2摩尔%(7.5重量%)的对甲基苯乙烯进行溴化处理。就MDX89-4而言,对共聚物中包含的0.75摩尔%(5重量%)的对甲基苯乙烯进行溴化处理。另外,出于制备无规共聚物的目的,可以用已知的技术进行对甲基苯乙烯的溴化以及异丁烯与对甲基苯乙烯之间的无规聚合。
对甲基苯乙烯单体单元还可以通过对甲基苯乙烯自身的内聚力和硬度赋予共聚物耐热性和强度。为了获得此类效应,按共聚物的总量计,对甲基苯乙烯在共聚物中的含量优选地大于0重量份,优选地为约1至20重量份。当对甲基苯乙烯的含量小于1重量份时,内聚力不足,并且获得足以承受实际应用的粘附力将变得困难。另一方面,当对甲基苯乙烯的含量大于20重量份时,柔韧性大幅下降,并且作为粘合剂重要特性的粘附性消失,因此,不可能再将其称为压敏粘合剂。
式I和II的共聚物通常通过市售的卤化PIB的亲核取代制备而成,所述卤化PIB包括卤化的异丁烯-甲基苯乙烯共聚物、卤化的异丁烯-异戊二烯共聚物。或者,可以先将非卤化的PIB型材料卤化,随后再进行取代。这些材料中的卤素部分允许利用亲核烷氧基硅烷来引入侧链烷氧基硅烷基团,该亲核烷氧基硅烷由下式表示:
其中
X1为-O-、-S-、-NR4-,其中R4为H或C1-C4烷基;R2为多价饱和或不饱和的亚烷基或亚芳基,R3为烷基或芳基,x为1至3,优选地为3,并且q为1或2。
亲核烷氧基硅烷化合物具有至少两个反应性官能团。第一反应性官能团“HX1-”能够取代卤化异丁烯共聚物的卤素原子。例如,诸如氨基、羟基或硫醇的反应性官能团可取代互补卤素离子,诸如,异丁烯共聚物上的氯代、溴代、碘代。
更多关于亲核烷氧基硅烷化合物的资料可见于授予Van Ooij等人的美国专利No.5,204,219、授予Stofko等人的美国专利No.5,464,900和授予Bilkadi的美国专利No.5,639,546以及欧洲专利申请No.0,372,756 A2中。
可用的硫代硅烷包括(巯甲基)二甲基乙氧基硅烷、(巯甲基)甲基二乙氧基硅烷、3-巯丙基甲基二甲氧基硅烷、3-巯丙基三乙氧基硅烷(巯甲基)甲基二乙氧基硅烷。
适用于实施本发明的一些氨基硅烷描述在美国专利No.4,378,250(Treadway等人,以引用方式并入本文)中,并且包括氨乙基三乙氧基硅烷、β-氨乙基三甲氧基硅烷、β-氨乙基三乙氧基硅烷、β-氨乙基三丁氧基硅烷、β-氨乙基三丙氧基硅烷、α-氨乙基三甲氧基硅烷、α-氨乙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三丁氧基硅烷、γ-氨丙基三丙氧基硅烷、β-氨丙基三甲氧基硅烷、β-氨丙基三乙氧基硅烷、β-氨丙基三丙氧基硅烷、β-氨丙基三丁氧基硅烷、α-氨丙基三甲氧基硅烷、α-氨丙基三乙氧基硅烷、α-氨丙基三丁氧基硅烷,和α-氨丙基三丙氧基硅烷。
反应方案涉及与“亲核烷氧基硅烷化合物”的取代反应;有机化合物与至少一个亲核官能团以及至少一个烷氧基硅烷基团。
方案1
其中
R7为H或CH3,
X1为-S-、-NR4-,其中R4为H或C1-C4烷基,R1为多价亚烷基或亚芳基,
R2为多价饱和或不饱和亚烷基或亚芳基,
R3为烷基或芳基,x为1至3,优选地为3,
q为1或2;
X2为离去基团,诸如卤离子,并且优选地为溴离子。
本发明的粘合剂任选地还包含非官能化聚(异丁烯)聚合物。该非官能化异丁烯(共)聚合物合成橡胶通常为具有聚异丁烯主链或侧链的树脂。在一些实施例中,异丁烯(共)聚合物基本上为异丁烯的均聚物,例如,可以商品名OPPANOL(巴斯福股份公司(BASF AG))和GLISSOPAL(巴斯福股份公司(BASF AG))获得的聚(异丁烯)树脂。在一些实施例中,异丁烯(共)聚合物树脂包含异丁烯的共聚物,例如,其中异丁烯与另一种单体共聚的合成橡胶。合成橡胶包括丁基橡胶,该丁基橡胶是大部分异丁烯与少量异戊二烯的共聚物,例如,可以商品名VISTANEX(埃克森化学公司(Exxon Chemical Co.))和JSR BUTYL(日本丁基聚合物有限公司(Japan Butyl Co.,Ltd.))获得的丁基橡胶。合成橡胶还包括大部分异丁烯与正丁烯或丁二烯的共聚物。在一些实施例中,可使用异丁烯均聚物和丁基橡胶的混合物,即第一聚异丁烯包含异丁烯的均聚物,而第二聚异丁烯包含丁基橡胶;或第一聚异丁烯包含丁基橡胶,而第二聚异丁烯包含异丁烯的均聚物。
非官能化异丁烯(共)聚合物型合成橡胶(如PIB)材料通常具有基本上高于胺官能化(如,PIB)合成橡胶材料(在下文中进一步描述)的分子量。在一些实施例中,非官能化异丁烯(共)聚合物型合成橡胶(如PIB)的重均分子量(Mw)为至少35,000克/摩尔、至少100,000克/摩尔、至少250,000克/摩尔、至少500,000克/摩尔或甚至至少1,000,000克/摩尔。重均分子量通常不大于4,000,000克/摩尔。
非官能化异丁烯(共)聚合物型合成橡胶可为均聚物、共聚物,或它们的混合物。共聚物可为无规共聚物或嵌段共聚物。嵌段共聚物可在聚合物的主链、侧链或主链和侧链两者中含有聚异丁烯部分。通常通过单独的聚合异丁烯或通过聚合异丁烯外加烯键式不饱和单体(诸如异戊二烯),在存在诸如氯化铝、三氯化硼(四氯化钛作为助催化剂)或三氟化硼的路易斯酸催化剂的情况下制备聚异丁烯材料。
非官能化异丁烯(共)聚合物型橡胶可商购自一些制造商。均聚物可(例如)以商品名OPPANOL(如,OPPANOL B10、B15、B30、B50、B80、B100、B150和B200)从巴斯夫公司(新泽西州的弗洛勒姆帕克(Florham Park,NJ)商购获得。这些聚合物的重均分子量(Mw)通常在约35,000克/摩尔至4,000,000克/摩尔的范围内。其它示例的的均聚物可以宽泛的分子量范围商购自联合化工产品公司(United ChemicalProducts(UCP))(俄罗斯圣彼得堡(St.Petersburg,Russia))。例如,以商品名SDG商购自UCP的均聚物的粘均分子量(Mv)在约35,000克/摩尔至65,000克/摩尔的范围内。以商品名EFROLEN商购自UCP的均聚物的粘均分子量(Mv)在约480,000克/摩尔至约4,000,000克/摩尔的范围内。以商品名JHY商购自UCP的均聚物的粘均分子量在约3000克/摩尔至约55,000克/摩尔的范围内。这些均聚物通常不具有反应性双键。应意识到未官能化(如PIB)合成橡胶可具有极小浓度的其聚合残余的反应性双键或其他它官能团。此类反应性双键或其它官能团的浓度通常小于5摩尔%、4摩尔%、3摩尔%或2摩尔%。此类烯属不饱和基团也通常不是经由自由基聚合形成共价键的合适官能团。
压敏粘合剂组合物中非官能化异丁烯(共)聚合物型合成橡胶材料的浓度相对于组合物的总重量通常小于50重量%,优选地大于10重量%。
常规的粘合剂对某些基材(诸如某些类型的汽车油漆和低能表面)不良好粘附。已努力改进粘合剂的粘附力,即发展对这些类型的表面更有力的粘性;常常实施将基体聚合物增粘。各种类型的增粘剂包括酚改性的萜烯、烃类树脂(诸如聚乙烯基环己烷和聚(叔丁基苯乙烯)),和松香酯(诸如松香的甘油酯和松香的季戊四醇酯)。
各种类型的增粘剂包括酚改性的萜烯和松香酯,诸如可以商品名NurozTM、NutacTM(纽卜特工业有限公司(Newport Industries))、PermalynTM、StaybeliteTM、ForalTM(伊士曼公司(Eastman))得到的松香的甘油酯和松香的季戊四醇酯。通常来自石油脑裂解的C5和C9单体副产物的烃类树脂增粘剂也可得到,并可以以商品名PiccotacTM、EastotacTM、RegalrezTM、RegaliteTM(伊士曼公司(Eastman))、ArkonTM(荒川公司(Arakawa))、NorsoleneTM、WintackTM(克雷威利公司(CrayValley))、Nevtack、LX(内维尔化工有限公司(Neville ChemicalCo.))、HikotackTM、HikorezTM(科隆化工(Kolon Chemical))、NovaresTM(罗格斯N.V.公司(Rutgers N.V.))、QuintoneTM(瑞翁公司(Zeon))、EscorezTM(埃克森美孚化工公司(ExxonmobileChemical))、NuresTM和H-RezTM(新港工业(Newport Industries))得到。
常规的经增粘的压敏粘合剂也可显得浑浊,显示出存在于许多常规压敏粘合剂组合物中的特性透明性的损失。浑浊为增粘剂和聚合物的有限的相容性或不完全的相容性的指示。降低的相容性可导致老化时粘合剂性质的劣化,如粘性的损失或降低的剥离粘附力所证实。在一些情况下,将增粘剂加入至粘合剂组合物中可为澄清的,并显得可相容。然而,在去除溶剂、固化粘合剂之后,或在老化时,粘合剂可变得浑浊,说明在增粘剂和丙烯酸基聚合物之间的一些不相容性。
在许多实施例中,本发明提供了克服本领域中所述的问题的经增粘的粘合剂组合物。该增粘剂优选选自基本上不含任何烯键式不饱和键或炔键式不饱和键的材料。该增粘剂包括但不限于氢化松香树脂、氢化和酯化的松香树脂、氢化萜烯树脂、脂族石油树脂、芳族石油树脂、通过氢化芳族石油树脂而获得的脂环族石油树脂等等。优选地,所用的增粘剂选自氢化的C9石油树脂,诸如但不限于RegalrezTM增粘剂(伊士曼公司(Eastman))或ArkonTM(荒川公司(Arakawa))增粘剂。此类“疏水增粘剂”可以相对于组合物的总重量的大于零,通常小于50重量%,优选地大于1重量%的量使用。
增塑剂也可以用于粘合剂配方中,以提供润湿作用和/或粘度控制。这些增塑剂在本领域中是熟知的,并且可以包括烃油;液态或柔软的增粘剂,包括液态烃类树脂、液态聚萜烯、液态聚(异丁烯)诸如GlissopalTM等等;蜡;以及油的混合物。增塑剂可以相对于组合物的总重量的通常小于30重量%,优选地大于1重量%的量存在于本发明的压敏粘合剂中。
在多个实施例中,粘合剂组合物可包含
a)大于30重量%,优选地大于50重量%的的具有侧链烷氧基硅烷基团的异丁烯共聚物;
b)0至50重量%的增粘剂,优选地为1-50重量%,和
c)0至50重量%的非官能聚(异丁烯),优选地为10-50重量%。
本发明的粘合剂可使用常规涂覆技术涂覆在多种柔性和非柔性背衬材料上以制备粘合剂涂覆的材料。柔性基底在本文中定义为通常用作条带背衬或可具有任何其它弹性材料的任何材料。实例包括(但不限于)塑料薄膜,诸如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚碳酸酯、聚甲基(甲基)丙烯酸酯(PMMA)、醋酸纤维素、三乙酸纤维素和乙基纤维素。可使用泡沫背衬。非柔性基底的实例包括(但不限于)金属、金属化聚合物薄膜、铟锡氧化物涂覆的玻璃和聚酯、PMMA板、聚碳酸酯板、玻璃或陶瓷片状材料。粘合剂涂覆的片状材料可采用常规已知能够与粘合剂组合物一起使用的任何制品形式,诸如标签、条带、指示牌、封面、标记标志、显示组件、触摸面板等等。也可设想具有微复制型表面的柔性背衬材料。
在暴露于水或湿度时,烷氧基硅烷基团水解成硅烷醇基团,该硅烷醇基团通过与相邻烷氧基硅烷形成硅氧烷连接而交联聚合物。水解和交联的结果是,粘合剂的粘合强度性质随时间而增加。硅氧烷基团的交联和形成在方案V中说明,其中R6表示具有至少20个重复单元的聚合型异丁烯基。无需额外的交联剂(诸如二价或多价醇或胺)来形成离子交联。应当理解,硅氧烷键在存在水分的情况下是不稳定的,并且不断地分开和重新形成。
其中
R2为多价饱和的或不饱和的亚烷基或亚芳基
R3为烷基或芳基,
x为1至3,优选地为3,
R6表示具有至少20个重复单元的聚合型异丁烯基
在存在硅烷醇缩合催化剂的情况下可实现更快速的交联。适当催化剂包括有机金属化合物,诸如锡羧酸盐和钛酯或螯合物,如四丁基钛酸盐和双(乙酰丙酮基)钛酸二异丙酯;有机碱,诸如乙胺、己胺和哌啶;和酸,诸如矿物酸和脂肪酸。优选的催化剂为有机锡化合物,例如,二丁基二月桂酸锡、二乙酸二丁基锡和二丁基二异辛酸锡。通常,此类催化剂以一重量份至约3重量份每100重量份的水分固化性聚异丁烯聚合物进行添加。
在不存在硅烷醇缩合催化剂的情况下,水解在低相对湿度(小于50%的相对湿度)下缓慢进行,以使得使涂覆条带经受高相对湿度(至少50%)和适度高温(如,30℃至100℃)的条件可为期望的,优选地立即进行下述涂覆步骤。相反,可使得涂层吸收水分(如,通过暴露于蒸汽),并且含水分条带可缠绕于大辊上,其中支撑件在其背面可具有剥离涂层,该含水分条带然后在烘箱中加热直至PSA涂层已变得水分固化的。另一种技术涉及,在涂覆和随后加热条带以产生水分固化之前,无论条带处于卷形式或已投入使用后,将PIB聚合物与一至十重量%(优选地一至二重量%)的水合盐混合。合适的水合盐包括CuSO4.5H2O、MgSO4.7H2O、BaSO4.2H2O、BaCl2.2H2O、CaSO4.2H2O。
采用改进的适用于具体基底的常规的涂覆技术,将上述组合物涂覆在基底上。例如,可通过诸如辊涂、流涂、浸涂、旋涂、喷涂、刮涂和压模涂覆之类的方法将这些组合物涂覆至各种固体基底。这些多种多样的涂覆方法可以将这些组合物按照不同厚度置于基底上,从而使得这些组合物得到更广泛的应用。涂层的厚度可以有差别,但是可设想2微米至500微米(干燥厚度),优选约25微米至250微米的涂层厚度。
在一个实施例中,粘合剂组合物可直接地涂覆于基底上(从溶液、乳状液或100%固体)并暴露于高湿度环境以影响水解。在另一个实施例中,粘合剂组合物可如前文进行涂覆,但是通过暴露于环境湿度进行被动地水解。在任一方法中,随着交联的程度的变化,异丁烯聚合物可包含烷氧基硅烷基团和硅氧烷键两者。
在一些实施例中,粘合剂组合物(特别是压敏粘合剂组合物)以溶剂溶液或分散体的形式涂敷,在水分条件下溶剂蒸发,且粘合剂组合物发生交联。此类溶剂型组合物的交联可以在涂布和溶剂移除之前进行,但优选地在涂布和溶剂移除之后进行。合适的溶剂,诸如烷烃、乙酸乙酯、甲苯和四氢呋喃不与共聚物组分的官能团发生反应。
常规的热熔粘合剂在高于其熔点的温度下具有较差的粘附力,并且耐热性较低,这限制了它的用途。由于常规的热熔粘合剂在高温下不能保持足够的粘附力,所以它们不能用于许多应用。本发明的组合物提供了克服该缺陷的反应性热熔粘合剂。当本发明的粘合剂组合物在粘合之后交联时,它们提供改善的耐热性。
本发明的粘合剂可特别用于形成对低表面能(LSE)基材的强结合。本文所用的低表面能基材为表面能小于约45达因/厘米,更通常小于约40达因/厘米,最通常小于约35达因/厘米的那些。聚丙烯、聚乙烯(如高密度聚乙烯或HDPE)、聚苯乙烯和聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)包括在这种材料中。其它基板也可由于在基板的表面上有残余物(如油状残余物)或薄膜(如涂料)的原因而具有低表面能性质。然而,即使本发明的粘合剂良好地粘合于低表面能表面,本发明也不局限于粘合至低表面能基板,因为已发现,本发明的粘合剂也可良好地粘合于较高表面能的基板,例如其它塑料、陶瓷、玻璃和金属。
取决于基材待用于的特定应用而选择基材。例如,可将粘合剂施用至片材产品(如装饰性图形和反射性产品)、标签纸(label stock)和条带背衬。另外,可将粘合剂直接施用至基材(如汽车面板或玻璃窗口)上,使得另一基材或物体可被附接至所述面板或窗口。
粘合剂也可以以压敏粘合剂转移条带的形式提供,其中粘合剂的至少一层设置于剥离衬垫上以用于在以后施用至持久基材。粘合剂也可作为单一涂布或双涂布的条带提供,其中粘合剂设置于持久背衬上。背衬可由塑料(如聚丙烯(包括双轴取向的聚丙烯)、乙烯基、聚乙烯、聚酯(如聚对苯二甲酸乙二醇酯))、非织造物(如纸、布、非织造稀松布)、金属箔、泡沫(如聚丙烯酸类、聚乙烯、聚氨酯、氯丁橡胶)等等制成。泡沫可购自各种供应商,如3M公司、Voltek公司、积水公司(Sekisui)和其它。泡沫可成型为共挤出的片材,所述片材在泡沫的一侧或两侧上具有粘合剂,或者粘合剂可被层合至所述片材。当粘合剂被层合至泡沫时,可能有利的是处理表面以改进粘合剂对泡沫或对任何其它类型的背衬的粘附力。这种处理通常基于粘合剂的材料的性质和泡沫或背衬的性质进行选择,并包括底漆和表面改性(如电晕处理、表面磨损)。另外的条带构造包括描述于U.S.5,602,221(Bennett等人)的那些,所述专利以引用方式并入本文。本领域的技术人员还将会知道,可以将其它添加剂(诸如如填料、抗氧化剂、稳定剂和着色剂)与粘合剂共混,以获得有益的性质。
对于单侧条带,与设置粘合剂之处相对的背衬表面的侧面通常涂布有合适的剥离材料。剥离材料是已知的,并包括例如诸如有机硅、聚乙烯、聚氨基甲酸酯、聚丙烯酸类等的材料。对于双涂布条带,另一粘合剂层设置于与本发明的粘合剂设置之处相对的背衬表面上。另一粘合剂层可不同于本发明的粘合剂,如,常规丙烯酸类PSA,或者其可为具有相同或不同配方的与本发明相同的粘合剂。双涂布的条带通常承载在剥离衬垫上。
实例
如该部分所用,词“聚合物”可以是均聚物或共聚物,或它们的混合物。
在90°剥离粘附和静态剪切强度的测试之前,所有条带在23℃和50%相对湿度下进行调整。湿度提供足够的水分以将粘合剂固化于条带上。
名称pph表示按重量计每一百份数的固体聚合物的份数,即,所有聚异丁烯(共)聚合物的重量而不是液体聚异丁烯的重量。
测试方法:
90°角剥离粘附强度测试。
使用ASTM国际标准D3330方法F中所述的工序,用IMASS SP-200滑动/剥离测试仪(得自马萨诸塞州阿科德艾玛氏有限公司(IMASS,Inc.,Accord MA))以305mm/min(12英寸/分钟)的剥离速率测量90°角的剥离粘附强度。使用被表1中所示的对应溶剂润湿的纸巾通过用力手压的方式将面板擦拭8至10次,从而准备好测试面板。再用被溶剂润湿的干净纸巾将该工序重复两次。让清洁的面板干燥。将胶带切割成尺寸为1.27cm×20cm(1/2英寸×8英寸)的条带,然后用2.0kg(4.5磅)的橡胶辊将条带滚到清洁后的面板上,共滚两次。针对每个实例测试两个样品,平均值用N/dm表示。记录失效模式,并记为COH(内聚,即条带和测试表面上均有粘合剂裂缝的残余物),ADH(粘合,即粘合剂从测试表面上干净地剥离),以及2-B(2-粘合)(粘合剂从背衬上剥离)。
表1-剥离粘附性测试面板材料
静态剪切强度
如ASTM国际标准D3654工序A中所述,在23℃和50%RH(相对湿度)下用1000g负荷来评估静态剪切强度。用剥离粘附测试中所述的清洁面板和粘附条带的方法将尺寸为1.27cm×15.24cm(1/2英寸×6英寸)的条带测试样品粘附到1.5英寸×2英寸的不锈钢(SS)面板上。条带与面板重叠的部分为1.27cm×2.5cm,将条带的自由端自身在粘合剂侧折叠,然后再折叠。将钩子挂在第二折叠部分中,并通过将条带钉在钩子上进行固定。将1000g砝码附接到钩子并且将面板悬挂于设定在23℃/50%RH的室内。记录以分钟计的失效时间。如果10,000分钟后没有观察到失效,停止测试并记录>10,000分钟的数值。还记录剥离粘附测试中所述的失效模式。
凝胶含量
凝胶含量的重量%根据ASTM国际标准D3616-95所述的方法进行确定。从涂有聚合物和催化剂(如使用)并固化的条带上冲切直径为63/64英寸的圆形测试样品。样品和测得为3.8厘米×3.8厘米的配衡网篮经称重为近0.1mg,并且确定初始样品重量(初始重量)。将篮和样品放置于含有足以包覆样品的甲苯的封端广口瓶中。24个小时之后,将篮和样品从甲苯移出、排水并在120℃的烘箱中干燥30分钟,然后称重以确定背衬上未提取凝胶的重量(残余重量)。凝胶的重量%(重量%凝胶)计算未提取部分对初始样品的重量%进行确定。冲切出与样品相同尺寸的未涂覆聚酯背衬材料的圆盘,并称重作为背衬的皮重(背衬重量)。下面示出了用于确定凝胶百分比的公式。
重量%凝胶=[(残余重量-背衬重量)/(初始重量-背衬重量)]×100
实例所用的材料
以下材料得自德克萨斯州贝城埃克森美孚公司(ExxonMobilCorporation(Baytown,TX))
■EXXPRO 3745共聚物-溴化的异丁烯-甲基苯乙烯共聚物
■ESCOREZ 1310-烃基增粘剂
以下材料得自密苏里州圣路易斯西格玛奥德里奇公司(SigmaAldrich(St.Loius,MO))
■TBAB-四丁基溴化铵
■CsCO3-碳酸铯
■硅烷-3-巯丙基三甲氧基硅烷
■甲苯
■丙酮
■Lanxess 2030共聚物(溴丁基橡胶)-溴化异丁烯-异戊二烯的共聚物;朗盛(Lanxess);瑞士弗莱堡(Frieberg Switzerland)
■OPPANOL B15聚合物-未官能化的合成橡胶(PIB;中等分子量-80千克/摩尔);巴斯夫(BASF);新泽西州弗洛厄姆帕尔克(Florham Park NJ)
■GLISSOPAL 1000聚合物-液体增塑剂(未官能化的PIB;低分子量-1000g/摩尔);巴斯夫(BASF);新泽西州弗洛厄姆帕尔克(Florham Park NJ)
■DBTDL催化剂-二正丁基锡二月桂酸盐;马萨诸塞州沃德希的阿法埃莎公司(Alfa Aesar;Ward Hill MA)
聚合物的制备
聚合物1:3-巯丙基三甲氧基硅烷改性的溴化异丁烯-甲基苯乙烯
共聚物
聚合物组合物通过将16.00g的EXXPRO 3745共聚物、1.14g的3-巯丙基三甲氧基硅烷、1.50g的Cs2CO3和144.00g的甲苯添加至配备有迪安-斯达克分水器(Dean-Stark trap)、温度计和氮气入口的三颈圆底烧瓶进行制备。在室温下和氮气环境下用磁力搅拌棒搅拌烧瓶的内容物。一旦共聚物完全地溶解,则将烧瓶加热至120℃,在这个温度下Cs2CO3与3-巯丙基三甲氧基硅烷上的硫醇(-SH)部分反应以产生亲核物质铯硫醇盐(-S-Cs+)和水。所产生的水通过迪安-斯达克分水器从系统共沸地移除。在120℃下5个小时后,将反应冷却至室温,并且将组合物通过烧结的漏斗(5μm的孔尺寸)进行真空过滤以移除未反应的Cs2CO3和盐。将滤液倾注到丙酮中,以使烷氧基硅烷改性的聚合物凝结。用新鲜的丙酮将分离的聚合物洗涤三次,以移除残余的3-巯丙基三甲氧基硅烷。过滤烷氧基硅烷改性的聚合物,然后在真空烘箱中于50℃下干燥12小时,然后冷却至室温。
聚合物2:3-巯丙基三甲氧基硅烷改性的溴化异丁烯-异戊二烯共
聚物
聚合物组合物通过将16.00g的LANXESS 2030共聚物、1.14g的3-巯丙基三甲氧基硅烷、0.64g的TBAB和144.00g的甲苯添加至配备有回流冷凝器、温度计和氮气入口的三颈圆底烧瓶进行制备。在室温下和氮气环境下用磁力搅拌棒搅拌烧瓶的内容物。一旦所有组分完全溶解,则将烧瓶加热至105℃。5个小时后,将反应冷却至室温,并且将组合物倾注到丙酮中,以使烷氧基硅烷改性的聚合物凝结。用新鲜的丙酮将分离的聚合物洗涤三次,以移除残余的硅烷和TBAB。过滤烷氧基硅烷改性的聚合物,然后在真空烘箱中于50℃下干燥12小时,然后冷却至室温。
实例1-3和对照组合物C1-C3
通过将表2中所示量的聚合物1和Oppanol B15聚合物、400份数的甲苯、10pph(每百份数的聚合物的份数)的ESCOREZ 1310增粘剂、10pph的Glissopal 1000聚异丁烯和0.2pph催化剂(DBTDL)添加入100mL的玻璃广口瓶中来制备实例1-3的粘合剂组合物。将广口瓶封端,并在滚磨机上混合过夜。用刮刀将所得组合物涂覆到6英寸×25英寸的背衬条(3SAB)上,湿涂层厚度为约15密耳。在设定为70℃的烘箱中将涂覆的膜干燥20分钟,以提供具有大约2密耳的粘合剂涂层厚度的条带。调整之后,对该条带测试静态剪切强度和90°剥离附着力强度。结果在表2和3中示出。
实例C1、C2和C3的粘合剂组合物根据实例1-3的方法来制备,并且具有表2中所示的EXXPRO 3745(未改性的共聚物)和OppanolB15的量、10pph的增粘剂、10pph的增塑剂和400份数的甲苯。根据实例1-3的方法将粘合剂组合物涂覆到条带。这些组合物不添加催化剂。
将条带进行调整并测试剥离粘合剂和静态剪切强度。测试结果在表2和3中示出。
表2-粘合剂组合物和剪切性质
表3.水分固化PIB型PSA的90°剥离附着力
实例4-6和对照组合物C4-C6
通过将表4中所示量的聚合物2和Oppanol B15聚合物、400份数的甲苯、10pph的ESCOREZ 1310增粘剂、10pph的Glissopal 1000聚异丁烯和0.2pph催化剂(DBTDL)添加入100mL的玻璃广口瓶中来制备实例4-6的粘合剂组合物。将广口瓶封端,并在滚磨机上混合过夜。粘合剂组合物用于制备条带,该条带根据实例1-3的方法具有大约2密耳的干燥粘合剂涂层厚度。
实例C4、C5和C6的粘合剂组合物根据实例4-6的方法来制备,并且具有表2中所示的LANXESS 2030(未改性的共聚物)和OppanolB15的量、10pph的增粘剂、10pph的增塑剂和400份数的甲苯。根据实例1-3的方法将粘合剂涂覆到条带。这些组合物不添加催化剂。
将条带进行调整并测试用于剥离粘合剂和静态剪切强度。测试结果在表4和5中示出。
表4.涂层制剂和剪切性能
表5.水分固化PIB型PSA的90°剥离附着力
实例7-8:凝胶含量测试的条带的制备
通过将100份数的聚合物1溶解于400份数的甲苯和通过将0.2pph的催化剂(DBTDL)添加入封端的广口瓶中以及通过在滚磨机上混合过夜,制备实例7的粘合剂组合物以用于凝胶含量测试。将聚合物分散体涂覆于条带上并根据实例1-3的方法干燥。
条带以与实例8相同的方式制备,不同的是将聚合物2用于粘合剂组合物。
条带进行调整并用于凝胶含量测试。结果示于表6中。
表6-凝胶百分比测试结果
实例 | 聚合物 | 厚度(密耳) | 凝胶含量-% |
7 | 1 | 2 | 61 |
8 | 2 | 2 | 59 |
本公开通过以下实施例示出:
1.一种粘合剂组合物,其包含:a)具有侧链烷氧基硅烷基团的异丁烯共聚物,和b)增粘剂。
2.根据实施例1所述的粘合剂组合物,其中所述异丁烯共聚物由下式表示:
其中R6表示具有至少20个重复单元的聚合型异丁烯,R2为多价饱和的或不饱和的亚烷基或亚芳基,下标y表示由烷氧基硅烷基团取代的那些重复单元的比率,和每个R3为烷基或芳基。
3.根据实施例1或2所述的粘合剂,其中1-5%的所述异丁烯共聚物的所述重复单元将由烷氧基硅烷基团取代。
4.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其包含大于0重量%但小于20重量%的具有侧链烷氧基硅烷基团的聚合单体单元。
5.根据实施例4所述的粘合剂组合物,其中具有侧链烷氧基硅烷基团的所述聚合单体单元为异戊二烯单体单元。
6.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其中所述侧链烷氧基硅烷基团由下式表示:-R2-Si-(OR3)x(R3)3-x,其中R2为多价饱和的或不饱和的亚烷基或亚芳基,每个R3为烷基或芳基,并且x为1至3。
7.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其中具有侧链烷氧基硅烷基团的所述单体单元由下式表示:
其中Q为多价连接基团,Z为烷氧基硅烷基团并且R7为H或CH3。
8.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其包含相对于所述组合物的总重量的1重量%至50重量%的增粘剂。
9.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其包含相对于所述组合物的总重量的10重量%至50重量%的所述增粘剂.。
10.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其中所述共聚物由下式表示:
其中a为至少20,并且b和c中的至少一者为至少1,Q为多价连接基团,Z为烷氧基硅烷基团,并且7为H或CH3。
11.根据实施例1-10中任一项所述的粘合剂组合物,其中所述共聚物由下式表示:
其中a为至少20,d为至少1,Q为多价连接基团,Z为烷氧基硅烷基团,并且R7为H或CH3。
12.前述实施例中任一项的粘合剂组合物,其中所述共聚物具有50,000至5,000,000的分子量(Mw)。
13.根据实施例7、10或11中任一项所述的粘合剂组合物,其中-Q-Z部分由下式表示:
其中
R1为多价亚烷基或亚芳基基团,X1为-S-、-NR4-,其中R4为H或C1-C4烷基;R2为多价饱和的或不饱和的亚烷基或亚芳基,每个R3为烷基或芳基,x为1至3,并且q为1或2。
14.根据实施例13的粘合剂组合物,其中R1为二价亚烷基或亚芳基,并且R2为二价亚烷基。
15.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其还包含非官能化聚(异丁烯)聚合物。
16.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其包含
a)大于30重量%的具有侧链烷氧基硅烷基团的异丁烯共聚物;
b)0重量%至50重量%的增粘剂,和
c)10重量%至50重量%的非官能化聚(异丁烯)。
17.前述实施例中任一项的交联的粘合剂组合物。
18.根据实施例17所述的交联组合物,所述交联组合物具有硅氧烷交联。
19.一种粘合剂制品,所述粘合剂制品包含交联的根据实施例17或18所述的粘合剂在背衬上的涂层。
20.根据前述实施例中任一项所述的粘合剂组合物,其中具有侧链烷氧基硅烷基团的所述异丁烯共聚物通过用亲核烷氧基硅烷化合物对卤化的异丁烯共聚物进行亲核取代制备而成。
21.根据实施例20所述的粘合剂组合,其中所述亲核烷氧基硅烷由下式表示:
其中
X1为-S-、-NR4-,其中R4为H或C1-C4烷基;R2为多价饱和的或不饱和的亚烷基或亚芳基,每个R3为烷基或芳基,x为1至3,并且q为1或2。
Claims (21)
1.一种粘合剂组合物,其包含:a)具有侧链烷氧基硅烷基团的异丁烯共聚物,和b)增粘剂。
3.根据权利要求2所述的粘合剂,其中1-5%的所述异丁烯共聚物的所述重复单元将由烷氧基硅烷基团取代。
4.根据权利要求1所述的粘合剂组合物,其包含大于0重量%但小于20重量%的具有侧链烷氧基硅烷基团的聚合单体单元。
5.根据权利要求4所述的粘合剂组合物,其中具有侧链烷氧基硅烷基团的所述聚合单体单元为异戊二烯单体单元。
6.根据权利要求1所述的粘合剂组合物,其中所述侧链烷氧基硅烷基团由下式表示:-R2-Si-(OR3)x(R3)3-x,其中R2为多价饱和的或不饱和的亚烷基或亚芳基,每个R3为烷基或芳基,并且x为1至3。
8.根据权利要求1所述的粘合剂组合物,其包含相对于所述组合物的总重量的1重量%至50重量%的增粘剂。
9.根据权利要求1所述的粘合剂组合物,其包含相对于所述组合物的总重量的10重量%至50重量%的所述增粘剂。
12.根据权利要求1所述的粘合剂组合物,其中所述共聚物具有50,000至5,000,000的分子量(Mw)。
14.根据权利要求13所述的粘合剂组合物,其中R1为二价亚烷基或亚芳基,并且R2为二价亚烷基。
15.根据权利要求1所述的粘合剂组合物,其还包含非官能化聚(异丁烯)聚合物。
16.根据权利要求1所述的粘合剂组合物,其包含
a)大于30重量%的具有侧链烷氧基硅烷基团的异丁烯共聚物;
b)0重量%至50重量%的增粘剂,和
c)10重量%至50重量%的非官能化聚(异丁烯)。
17.交联的根据权利要求1所述的粘合剂组合物。
18.根据权利要求17所述的交联组合物,具有硅氧烷交联。
19.一种粘合剂制品,所述粘合剂制品包含交联的根据权利要求1所述的粘合剂在背衬上的涂层。
20.根据权利要求1所述的粘合剂组合物,其中具有侧链烷氧基硅烷基团的所述异丁烯共聚物通过用亲核烷氧基硅烷化合物对卤化的异丁烯共聚物进行亲核取代制备而成。
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