CN107278212B - 具有低voc和雾化值的粘合剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有低VOC和雾化值的基于聚酯的热熔粘合剂。

Description

具有低VOC和雾化值的粘合剂
本发明涉及具有低VOC和雾化值的基于聚酯多元醇的粘合剂。
热熔粘合剂是用于许多应用的重要粘合剂类别，例如用于汽车行业、包装行业、家具生产或纺织品粘结。其在室温下为固体且通过加热熔融，且以处于高温下的物质形式应用于基板。在冷却过程中，其再次固化且因此仅在短时间之后即确保牢固的粘合剂粘结。
热熔粘合剂的子群为反应性热熔粘合剂，其在施用之后额外交联且因此不可逆地固化形成热固性物质。与非交联、纯物理固化的热塑性热熔粘合剂相比，额外化学固化产生较高稳定性的粘合剂粘结。反应性热熔粘合剂特别适用于汽车及运输行业及包装行业中以及建筑业、纺织行业及木材加工工业中的粘结。
反应性热熔粘合剂的优选实例为单组分湿固化热熔粘合剂。其一般为可通过使多元醇或多元醇混合物与过量聚异氰酸酯反应获得的异氰酸酯官能化聚合物。
多元醇可为带有羟基的任何所需聚合物。其实例包括聚碳酸酯二醇、羟基封端的聚丁二烯、聚醚或聚羟基丙烯酸酯或聚羟基甲基丙烯酸酯。尤其优选聚酯多元醇。这些可例如经由内酯的开环聚合并优选经由多元醇与多羧酸或其衍生物的无溶剂熔融缩合来制备。优选由二醇及二羧酸、二酯和/或二酐形成的线性双官能聚酯多元醇。基于聚酯多元醇的反应性热熔粘合剂展现对众多基板的良好粘合性，因为酯基可经由氢键结合至基板表面。另外，经由共聚单体的性质及比率可以在宽范围内调节聚合物特性且因此也调节粘合剂特性。
在生产前述系统时，应确保所获得的聚合物具有最小VOC值。VOC(挥发性有机化合物)为易于蒸发且因此为挥发性的有机(即含碳)物质的集合术语。
缺点在于在二醇与二羧酸、二酯和/或二酐的熔融缩合过程中可能发生多个副反应。其中之一为通过二醇分子与二羧酸衍生物的闭环而形成环状二聚体。环状二聚体由线性二聚体经平衡反应而形成，其继而在线性聚酯链的链末端处通过酯交换反应而形成(参见EP 1571171)。这意味着始终存在一定比例的环状二聚体以及线性聚酯。根据环的尺寸及稳定性，典型比例至多为1重量％(参见US 5712320)。
环状物的挥发性取决于环尺寸且因此取决于所用单体单元的性质。例如，己二酸和二乙二醇形成由总共13个环原子组成的易于升华的环状二乙二醇己二酸酯(参见US5712320)。由于环状二聚体不具有任何羟基官能性，其不与异氰酸酯基团反应且不并入聚氨酯网状结构中。因此，所述环状物可从固化的粘合剂蒸发出或迁移出。这在机动车内饰及食品包装行业中粘结的情况下特别成问题。在食品包装的情况下，挥发性组分可迁移至食品中且改变口味或以此方式损坏食品以致构成健康问题。在汽车行业中，挥发性成分积聚在车厢内的可吸入空气中且可产生令人不适的气味。这些可能具有健康问题。其在排气物质沉积于诸如挡风玻璃的冷表面上且引起视觉障碍时特别危险。该效应一般被称为“雾化”。
由于上文提及的原因，对于在汽车内饰行业中的应用，需要通常通过行业标准VDA278测量具有低VOC和雾化值的组分及粘合剂、密封剂及涂布材料。该标准定义在特定温度下测定释放值的测试条件。根据对具有规定层厚度的固化的粘合剂及密封剂所要求的限制，VOC值必须不超过100μg/g，VOC值是在90℃下在30分钟内以气体形式释放的挥发性有机物质的比例。另外，称为FOG值的值必须不大于250μg/g，该值为在预先测量VOC值之后在120℃下在30分钟内有机排放物的量的量度。
例如专利申请DE 19528539及DE 19601410、JP 2004107457及EP1481998的文献描述通过在高温下及在减压下蒸馏移除挥发性环状物的各种尝试。如果例如聚酯熔融物在缩合之后快速冷却至低于软化点的温度，则有可能减小环状组分的比例。然而，一旦聚酯再次熔融，则二聚环状物的浓度再次上升，因为环状组分由于平衡反应而重新形成。
基于无定形固体或液体聚酯多元醇混合物(特别是组合)的固化的聚氨酯热熔粘合剂满足根据VDA 278的汽车行业的限制。相比之下，除了无定形聚酯多元醇外，市场上常用的包含固体、结晶或半结晶聚酯多元醇的固化的配制物具有过高VOC及FOG值且不满足根据VDA 278的限制。原因是通常用于合成结晶聚酯的单体单元形成在VDA 278相关范围内具有挥发性的二聚环状物。具体来说，这些二聚环状物包括由脂族二醇及二羧酸形成的二聚体，例如环状新戊二醇己二酸酯、丁二醇己二酸酯、己二醇己二酸酯、己二醇癸二酸酯等。
例如，US 5712230要求保护低释放聚酯聚氨酯泡沫，其中使用单体无法形成环尺寸在12与14个原子之间的任何环状物的聚酯。
WO 2012125353要求保护基于邻苯二甲酸酐及所选二醇单元(例如乙二醇、丙二醇、新戊二醇或己二醇)的聚酯多元醇。所述聚酯多元醇具有低浓度环状二聚体，但聚合物不是晶体。
因此，通过本发明解决的问题为提供基于反应性热熔粘合剂的粘合剂或密封剂配制物，其满足与现有技术的配制物相同的需求且具有低VOC及FOG值，并符合根据标准VDA278的汽车行业的限制。此外，热熔粘合剂配制物也应永久地具有低环状物浓度，即，即使在例如熔融状态下储存所用系统之后。在例如用二异氰酸酯固化后，一般不再可能形成任何二聚环状物。
通过在反应性热熔粘合剂中使用根据本发明的特定聚酯实现前述复杂要求特征。
因此，本发明首先提供聚酯在反应性热熔粘合剂中，优选在基于聚氨酯的热熔粘合剂中的用途，所述聚酯含有以多羧酸组分计，至少50摩尔％的对苯二甲酸或其衍生物，且含有以多元醇组分计，至少40摩尔％的式HO-(CH2)x-OH的二醇，其中x≥6。
已出人意料地发现，本发明的单体组合得到熔点高于室温的固体、结晶或半结晶聚酯多元醇，其在反应性热熔粘合剂中在固化之后具有低VOC及FOG值。
即使在配制物仅含有根据本发明的结晶或半结晶聚酯作为多元醇的情况下，根据VDA 278所测量的释放值与常用聚酯多元醇(例如己二醇己二酸酯)相比也处于较低测量值下。根据本发明，VOC及FOG值处于VDA 278的限制内。
根据本发明使用的聚酯具有对苯二甲酸或其衍生物及式HO-(CH2)x-OH(其中x≥6)的二醇的强制性比例。
根据本发明使用的聚酯含有以多羧酸组分计，至少50摩尔％的对苯二甲酸或其衍生物。适合的衍生物尤其为对苯二甲酸的酯。以多羧酸的总比例计，对苯二甲酸或其衍生物的比例为至少50摩尔％，优选至少60摩尔％。
另外，根据本发明使用的聚酯可含有其他二羧酸或多羧酸。其余二羧酸或多羧酸或其衍生物可根据需要而定。适合的二羧酸和/或多羧酸及其衍生物的实例首先为其他芳族化合物，诸如间苯二甲酸、萘二羧酸及邻苯二甲酸酐。其他实例为环状及线性脂族二羧酸，诸如环己烷二羧酸、六氢邻苯二甲酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、癸二酸、壬二酸、十二烷-1,12-二羧酸、十三烷二酸及其二酯和酸酐。也可使用具有多于两个官能团的多羧酸，例如偏苯三酸酐。
在本发明的上下文中，二羧酸或多羧酸也理解为意指其衍生物，例如酯或酸酐。
适合的式HOOC-(CH2)x-COOH，x≥6的二醇尤其为己二醇、壬二醇、癸二醇及十二烷二醇，尤其优选使用己二醇。
以多元醇的总比例计，这些二醇的比例为至少40摩尔％，优选至少50摩尔％，非常优选100摩尔％。
另外，根据本发明使用的聚酯可含有其他二醇或多元醇。适合的二醇或多元醇及其衍生物的实例为脂族二醇，例如单乙二醇、二乙二醇、丙烷-1,3-二醇、丙烷-1,2-二醇、丁烷-1,4-二醇、戊烷-1,5-二醇、甲基丙二醇、dicidol、环己烷二甲醇、丁基乙基戊二醇、新戊二醇。也可使用具有多于两个官能团的多元醇，例如三羟甲基丙烷、季戊四醇或丙三醇。此外，内酯及羟基羧酸可用作二醇或多元醇。
所述聚酯可提供具有低VOC及FOG值的热熔粘合剂，因为由这些单体形成的环状二聚体由于芳环结构而相对坚固；因此，平衡可能强烈朝向线性侧而非环状二聚体侧。
所述聚酯优选经由熔融缩合来合成。为此目的，前述二羧酸或多羧酸和二醇或多元醇起初以0.5至1.5，优选1.0至1.3的羟基与羧基的当量比加料并熔融。在150与280℃之间的温度下在3至30小时内熔融实现缩聚。首先，在大气压下蒸馏出大部分所释放的水量。在进一步的过程中，除去其余反应水以及挥发性二醇，直至达到目标分子量为止。任选地，这可经由减压、经由扩大表面积或通过使惰性气体流通过反应混合物来容易地实现。可额外通过在反应之前或在反应期间添加共沸物形成剂和/或催化剂来加速反应。适合的共沸物形成剂的实例为甲苯及二甲苯。典型催化剂为有机钛或有机锡化合物，诸如钛酸四丁基酯或氧化二丁基锡。也可以设想基于其他金属(诸如锌或锑)的催化剂以及无金属酯化催化剂。诸如抗氧化剂或色彩稳定剂的其他添加剂及加工助剂也是可能的。
根据本发明使用的聚酯具有至少一个羟基和/或羧基端基，官能度优选在2.0与3.0之间。
根据DIN 53240-2通过滴定方式测定的羟基端基的浓度在0与200mgKOH/g之间，优选在5与50mg KOH/g之间。
根据DIN EN ISO 2114测定的酸端基的浓度在0与50mg KOH/g之间，但优选低于2mg KOH/g。
根据本发明使用的聚酯的数均分子量为500-30 000g/mol，优选1000-20000g/mol。其是根据DIN 55672-1利用凝胶渗透层析法在作为洗提液的四氢呋喃及用于校准的聚苯乙烯中测定。
本发明的聚酯具有一个或多个熔点。优选地，至少一个熔点高于室温23℃。在第一加热曲线中各熔化焓的总和为1-300J/g，优选5-130J/g。
另外，本发明的聚酯的玻璃化转变温度可在-80℃至100℃范围内，优选在-60℃与0℃之间。
热特性是根据DIN 53765通过DSC方法来测定。为了确定熔点，查询第一加热曲线，为了确定玻璃化转变温度，查询第二加热曲线。
在本发明的反应性热熔粘合剂中，优选使用不同聚酯多元醇的混合物，因为可以利用受控混合物建立与其应用匹配的平衡特性特征。更具体地，在室温下为固体或液体的无定形、非结晶聚酯多元醇与固体、结晶聚酯多元醇组合。使用结晶组分可尤其实现快速物理凝固且因此实现高初始强度。高初始强度允许快速进一步处理粘结的组分且因此缩短循环时间。因此，在热熔粘合剂配制物中需要一定比例的结晶聚酯多元醇。
根据本发明，热熔粘合剂为以化学方式额外交联的反应性热熔粘合剂(反应性热熔体，RHM)，尤其优选为湿固化热熔粘合剂。
当在反应性热熔粘合剂中使用时，根据本发明使用的聚酯的数均分子量优选为500-10 000g/mol，更优选为2000-8000g/mol。
配制物中根据本发明使用的聚酯的比例为以总体配制物计为1-99重量％，优选5-85重量％且更优选10-70重量％。
这确保充分的凝固速度，且因此在粘合剂施用之后立刻导致反应性热熔体的充分的操作强度。
在优选实施方案中，其他多元醇也存在于反应性热熔粘合剂以及根据本发明使用的聚酯中，且这些多元醇应理解为意指例如聚酯多元醇、聚醚多元醇及任何其他羟基官能性组分。这些多元醇可大体上根据需要来选择。然而，所用多元醇不应显著增加配制物的VOC及FOG值。优选地，各多元醇的VOC及FOG值以其在总体配制物中的比例计不应超过根据VDA278所要求的限制。
所添加的聚酯多元醇可为液体或固体、无定形或(半)结晶聚酯，其数均分子量在500g/mol与30 000g/mol之间，优选在2000g/mol与10 000g/mol之间(由羟基数计算得到)，优选使用线性聚酯多元醇。所添加的聚醚多元醇为聚醚二醇及三醇。其实例为乙二醇、丙二醇及丁烷-1,4-二醇的均聚物及共聚物。所添加的聚醚多元醇的分子量(数量平均)应在200g/mol至10000g/mol范围内，优选在400g/mol与6000g/mol之间。可自由选择的羟基官能性组分的实例为官能化(H-酸性)的热塑性聚氨酯(TPU)或聚丙烯酸酯和/或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)。
湿交联热熔粘合剂通过多元醇混合物与聚异氰酸酯的反应来获得。在粘合剂中，聚酯与异氰酸酯的OH：NCO比一般为1：1.2至1：3，优选1：1.5至1：2.5。
聚异氰酸酯可为二官能和/或多官能、芳族、脂族和/或脂环族异氰酸酯及碳化二亚胺改性的异氰酸酯或异氰酸酯封端的预聚物。特别优选芳族聚异氰酸酯。聚异氰酸酯的实例为二苯基甲烷4,4'-二异氰酸酯、二苯基甲烷2,4'-二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯异构体、异佛尔酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、二环己基甲烷4,4'-二异氰酸酯及其混合物。其尤其为二苯基甲烷4,4'-二异氰酸酯及二苯基甲烷4,4'-二异氰酸酯与二苯基甲烷2,4'-二异氰酸酯的混合物。
除根据本发明使用的聚酯及聚异氰酸酯以外，粘合剂配制物也可含有以总体配制物计至多50重量％的其他添加剂，这些添加剂例如确保改进的水解稳定性。这里也应确保总体配制物的VOC和雾化值不显著增加。
这些添加剂可为：单官能化聚合物，例如热塑性聚氨酯(TPU)和/或聚丙烯酸酯和/或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)；颜料或填料，例如滑石、二氧化硅、二氧化钛、硫酸钡、碳酸钙、碳黑或彩色颜料、增粘剂，例如松香、烃树脂、酚树脂，及老化稳定剂和助剂。
在优选实施方案中，湿交联热熔粘合剂额外含有有机硅烷以及或代替聚异氰酸酯。根据本发明使用的聚酯可通过以下方式而被官能化：与聚异氰酸酯反应以得到异氰酸酯封端的预聚物，且随后与有机硅烷反应的逐步反应，或与由聚异氰酸酯及有机硅烷形成的加合物反应。
在最简单的情况下，聚酯与异氰酸基烷基硅烷以1：1至1：1.5的OH/NCO比反应。
有机硅烷的实例为氨丙基三甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、N-甲基氨丙基三甲氧基硅烷、N-环己基氨丙基三甲氧基硅烷、N-苯基氨丙基三甲氧基硅烷、巯基丙基三甲氧基硅烷、巯基三乙氧基硅烷。
在最简单的情况下，本发明的反应性热熔粘合剂通过在搅拌容器中在有或无溶剂的情况下，优选在熔体中混合各组分而制备。熔融温度通过成分的粘度来引导。其通常在100至180℃范围内。
上述反应性，尤其是湿固化热熔粘合剂根据相应配制物的粘度而定，可在50与200℃之间，优选在80与150℃之间的温度下施用。
本发明同样地提供包含聚酯的反应性热熔粘合剂，所述聚酯含有以多羧酸组分计，至少50摩尔％的对苯二甲酸或其衍生物，且含有以多元醇组分计，至少40摩尔％的式HO-(CH2)x-OH(其中x≥6)的二醇。
本发明的反应性热熔粘合剂特别适于生产多种基板的粘合剂粘结物，尤其适于金属基板及纺织品的粘结，且非常特别适于各种塑料的粘结。粘结的性质及程度不受限制。优选地，所述粘结物为木材及家具工业(例如装饰膜组装粘结及层压于纤维板上)中、汽车行业(例如膜或纺织品层压于门侧部件、内顶衬里、座椅制造及保持器粘结)中、建筑业中、鞋业及纺织工业以及窗户构造(例如用于型材加套)中的粘结物。另外，本发明的粘合剂适合于包装工业中作为密封剂及作为涂布材料。
本发明的反应性热熔粘合剂适用于单组分或双组分系统。
在单组分粘合剂的情况下，在与粘合剂施用不同的时间，更特别地在更早的时间产生混合物。本发明的聚氨酯粘合剂施用后例如通过粘合剂中存在的共反应物的湿诱导或热诱导反应来固化。
在双组分粘合剂的情况下，在粘合剂施用之前直接产生混合物。与单组分施用相比，双组分施用的缺点为例如在混合操作中增加技术复杂程度及更易于出错。
即使不存在其他信息，仍假定本领域技术人员可非常详尽地利用以上说明。因此，优选实施方案及实施例仅理解为描述性公开，且当然不理解为以任何方式限制公开内容。
下文参照实施例更详细地阐述本发明。可类似地获得本发明的可选实施方案。
实施例：
实施例1：聚酯1(本发明)
将5.47kg对苯二甲酸二甲酯(31.9mol)与3.77kg己烷-1,6-二醇(31.9mol)、1.58kg丁烷-1,4-二醇(17.6mol)及1g(0.01重量％)钛催化剂一起在有蒸馏附接件(distillation attachment)的烧瓶中在氮气下熔融。在210℃的温度下，在约2至4小时内蒸馏出形成的大部分甲醇。其后，装入1.34kg间苯二甲酸(8.1mol)及0.59kg己二酸(4.0mol)，升高温度至230℃，且在约4至6小时内蒸馏出形成的大部分反应水。随后，设备中的压力逐步降低至10毫巴。当不再存在酸端基(酸值<1mg KOH/g)，且已达到30mg KOH/g的羟基端基的浓度时，反应已结束。聚酯的熔点为89℃，熔化焓为30J/g。在与以2.2的NCO：OH比使用的二苯基甲烷二异氰酸酯反应并在气候控制箱中固化后，根据VDA 278测量，聚酯的VOC值为10mg/kg且雾化值为138mg/kg。
实施例2：聚酯2(本发明)
将961g对苯二甲酸二甲酯(5.0mol)与524g己烷-1,6-二醇(4.4mol)、220g丁烷-1,4-二醇(2.4mol)及0.3g(0.02重量％)钛催化剂一起在具有蒸馏附接件的烧瓶中在氮气下熔融。在210℃的温度下，在约2至4小时内蒸馏出形成的大部分甲醇。其后，装入206g间苯二甲酸(1.2mol)，升高温度至230℃，且在约4至6小时内蒸馏出形成的大部分反应水。随后，设备中的压力逐步降低至10毫巴。当不再存在酸端基(酸值<1mg KOH/g)，且已达到30mgKOH/g的羟基端基的浓度时，反应已结束。聚酯的熔点为98℃，熔化焓为37J/g。在与以2.2的NCO：OH比使用的二苯基甲烷二异氰酸酯反应并在气候控制箱中固化后，根据VDA 278测量，聚酯的VOC值为3mg/kg且雾化值为15mg/kg。
实施例3：聚酯V1(非本发明)
将2.48kg对苯二甲酸二甲酯(12.8mol)与5.09kg丁烷-1,4-二醇(56.7mol)及1g(0.01重量％)钛催化剂一起在具有蒸馏附接件的烧瓶中在氮气下熔融。在210℃的温度下，在约2至4小时内蒸馏出形成的大部分甲醇。其后，装入2.86kg间苯二甲酸(17.2mol)及2.19kg己二酸(15.0mol)，升高温度至230℃，且在约4至6小时内蒸馏出形成的大部分反应水。随后，设备中的压力逐步降低至10毫巴。当不再存在酸端基(酸值<1mg KOH/g)，且已达到30mg KOH/g的羟基端基的浓度时，反应已结束。聚酯的熔点为92℃，熔化焓为6J/g。在与以2.2的NCO：OH比使用的二苯基甲烷二异氰酸酯反应并在气候控制箱中固化后，根据VDA278测量，聚酯的VOC值为186mg/kg且雾化值为10mg/kg。

Claims (7)

1.聚酯在包含聚异氰酸酯的反应性热熔粘合剂中的用途，所述聚酯含有以多羧酸组分计至少50摩尔％的对苯二甲酸或其衍生物，且含有以多元醇组分计至少40摩尔％的式HO-(CH2)x-OH的二醇，其中x≥6，
所述聚酯具有至少一个羟基和/或羧基端基，官能度在2.0与3.0之间，根据DIN 53240-2通过滴定方式测定的羟基端基的浓度在5mg KOH/g与50mg KOH/g之间，根据DIN EN ISO2114测定的酸端基的浓度在0与50mg KOH/g之间，但低于2mg KOH/g，且所述聚酯的数均分子量为500-30000g/mol，
其中所述聚酯与异氰酸酯的OH：NCO比为1：1.5至1：2.5，
所述反应性热熔粘合剂作为在90℃下在30分钟内以气体形式释放的挥发性有机物质的比例的VOC值不超过100μg/g，作为在预先测量VOC值之后在120℃下在30分钟内有机排放物的量的量度的FOG值不大于250μg/g。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于使用己二醇、壬二醇、癸二醇及十二烷二醇作为式HO-(CH2)x-OH的二醇。
3.包含聚异氰酸酯的反应性热熔粘合剂，其包含聚酯，所述聚酯含有以多羧酸组分计至少50摩尔％的对苯二甲酸或其衍生物，且含有以多元醇组分计至少40摩尔％的式HO-(CH2)x-OH的二醇，其中x≥6，
所述聚酯具有至少一个羟基和/或羧基端基，官能度在2.0与3.0之间，根据DIN 53240-2通过滴定方式测定的羟基端基的浓度在5mg KOH/g与50mg KOH/g之间，根据DIN EN ISO2114测定的酸端基的浓度在0与50mg KOH/g之间，但低于2mg KOH/g，且所述聚酯的数均分子量为500-30000g/mol，
其中所述聚酯与异氰酸酯的OH：NCO比为1：1.5至1：2.5，
所述反应性热熔粘合剂作为在90℃下在30分钟内以气体形式释放的挥发性有机物质的比例的VOC值不超过100μg/g，作为在预先测量VOC值之后在120℃下在30分钟内有机排放物的量的量度的FOG值不大于250μg/g。
4.根据权利要求3所述的热熔粘合剂用于制备粘合剂粘结物的用途。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于所述粘合剂粘结物为木材及家具工业中、汽车行业中、建筑业、鞋业及纺织工业中以及窗户构造中的粘合剂粘结物。
6.根据权利要求3所述的热熔粘合剂作为密封剂和作为涂布材料的用途。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的用途，其特征在于所述热熔粘合剂用于单组分或双组分系统中。
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