具有宽范围开模时间的热熔湿 固化聚氨酯粘合剂
技术领域
本发明涉及热熔湿固化的聚氨酯粘合剂组合物,它显示出宽范围的开模时间和良好的原始强度以及对低表面能基质良好的粘结。
背景技术
热熔湿固化聚氨酯粘合剂由异氰酸酯封端的聚氨酯预聚物组成,所述预聚物在环境温度下基本上是不含溶剂的固体。这些预聚物常以液体或熔体形式被施涂,和当冷却并固化时,通过异氰酸酯基与表面湿气或环境湿气反应的扩链形成粘合。
尽管常规的热熔粘合剂可反复加热成液体并冷却为固体,但一旦在环境湿气存在下分配时,热熔湿固化粘合剂经历不可逆的化学反应,成为固体“固化”形式。因此,热熔湿固化粘合剂可用于经历高温的场合,包括例如在建筑物外部上的建筑组件和游乐车的组件。
一些应用受益于具有相对短开模时间的热熔湿固化粘合剂。例如,高速连续的粘结工艺常要求使两个片状组件(例如薄片或层压材料和型材或实芯材)之间的起始粘结非常快,例如粘结的组件尽可能快地从辊中挤出。然而,其它应用受益于具有相对较长开模时间的热熔湿固化粘合剂。例如,组装可用于结构体的大型组件如复合板,包括例如游乐车侧壁或车库门,常要求在较长的时间段内,例如在粘合剂从液态熔体转化为固体状态之前使工作完成的充足时间内,使两个大型部件之间的起始粘结进行。
具有宽开模时间范围和良好原始强度以及对低表面能基质具有良好粘结的热熔湿固化粘合剂将对各种工业需要有利。
发明概述
一方面,本发明提供一种热熔湿固化的聚氨酯粘合剂组合物,它包括至少一种聚氨酯预聚物。该聚氨酯预聚物包括多元醇组分和多异氰酸酯组分的反应产物。多元醇组分包括:
a)至少一种无定形聚酯多元醇,所述聚酯多元醇包括新戊二醇、己二醇与邻苯二甲酸酐和邻苯二甲酸中至少一种的反应产物;
b)在80℃下粘度大于约10000cps的至少一种液体聚酯多元醇;
c)熔点为约40℃至约120℃的至少一种结晶聚酯多元醇;和
d)至少一种热塑性聚氨酯。
另一方面,本发明提供粘结基质的方法,该方法包括将本发明的热熔湿固化粘合剂组合物施涂到第一基质的至少一个表面上,使该粘合剂组合物与第二基质接触,和固化该粘合剂组合物。一旦施涂到第一基质的表面上,则粘合剂组合物形成涂层,该涂层可以是连续或间断的。
再一方面,本发明提供包括通过本发明的粘合剂组合物粘结在一起的至少两种基质的制品。
可配制粘合剂组合物以具有不大于约12分钟的开模时间。热熔湿固化粘合剂的开模时间可描述为与粘合剂的流动和硬度有关。一旦在基质表面上施涂时,粘合剂将开模一段时间,在这一段时间内,粘合剂能流动并润湿基质的表面。通过使用流变动态分光计,测定当tgδ=1时的时间,可估计粘合剂的开模时间。在一个实施方案中,配制粘合剂组合物以具有约2分钟至约8分钟的开模时间。在另一实施方案中,配制粘合剂组合物以具有约5秒至约30秒的开模时间。
也可配制粘合剂组合物以固化时显示出至少约220°F的剥离破坏温度(PAFT)°在一个实施方案中,配制粘合剂组合物以显示出至少约250°F的剥离破坏温度(PAFT)。在另一实施方案中,配制粘合剂组合物以显示出至少约300°F的剥离破坏温度(PAFT)。
也可配制粘合剂组合物以显示出良好的原始强度(它也被称为“起始处理强度”),即粘合剂组合物固化之前的粘合剂结合强度。
附图说明
图1代表固化之前实施例1的粘合剂组合物的复数模量(G*)和tgδ。
图2代表固化之前实施例2的粘合剂组合物的复数模量(G*)和tgδ。
图3代表固化之前实施例3的粘合剂组合物的复数模量(G*)和tgδ。
图4代表固化之前实施例4的粘合剂组合物的复数模量(G*)和tgδ。
发明详述
热熔湿固化聚氨酯粘合剂组合物包括至少一种聚氨酯预聚物。聚氨酯预聚物包括多元醇组分和多异氰酸酯组分的反应产物。多元醇组分包括:a)至少一种无定形聚酯多元醇,b)至少一种高粘度液体聚酯多元醇,c)至少一种结晶聚酯多元醇,和d)至少一种热塑性聚氨酯。
所述粘合剂组合物包括约5wt%至约30wt%,优选约10wt%至约20wt%的至少一种无定形聚酯多元醇,基于组合物的总重量。有用的无定形聚酯多元醇包括羟值为约20至约110,优选约30至约75,和更优选约50至约60的新戊二醇、己二醇与邻苯二甲酸酐和邻苯二甲酸中至少一种的反应产物。有用的无定形聚酯多元醇包括羟值为约51至约61的新戊二醇、1,6-己二醇和邻苯二甲酸酐的反应产物,它以名称Agent 2227-1000获自Stepan Company(Northfield,IL)。
粘合剂组合物包括约20wt%至约60wt%,优选约30wt%至约50wt%的至少一种液体聚酯多元醇,基于组合物的总重量。有用的液体聚酯多元醇包括高粘度,即在80℃下粘度大于约10000cps的液体聚酯多元醇。有用的高粘度液体聚酯多元醇包括至少一种二元醇(例如乙二醇、二甘醇、新戊二醇、己二醇和丁二醇)和至少一种二元酸(例如己二酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸及其混合物)的反应产物。有用的可商购的高粘度液体聚酯多元醇包括获自DegussaCorporation(Parsippany,NJ)的Dyancoll7200系列。
所述粘合剂组合物也可包括约10wt%至约50wt%,优选约20wt%至约40wt%的至少一种结晶聚酯多元醇,基于组合物的总重量。有用的结晶聚酯多元醇包括熔点为约40℃至约130℃和玻璃化转变温度(Tg)为小于约0℃的多元醇。结晶聚酯多元醇优选包括二元醇(包括例如乙二醇、己二醇、丁二醇及其结合)和二元酸(包括例如己二酸、十二烷二酸、癸二酸、对苯二甲酸及其结合)的反应产物。可商购的聚酯多元醇的实例包括获自Degussa Corporation的Dyancoll7300系列聚酯多元醇、获自Bayer Corporation(Hicksville,NY)的RucoflexS-102系列和S-105系列。
所述粘合剂组合物还包括约5wt%至约20wt%的至少一种热塑性聚氨酯(TPU),基于组合物的总重量。热塑性聚氨酯也被称为热塑性聚氨酯弹性体,因为它们是高度弹性的。热塑性聚氨酯包括在嵌段结构体内结合的线型聚合物链。这些嵌段结构体内含有低极性链段,所述低极性链段相对长且被称为软链段。软链段被共价键合到较短、高极性的“硬”链段上。有用的热塑性聚氨酯包括至少一种软链段(例如聚醚、聚酯和聚己内酯)和异氰酸酯(例如二苯甲烷二异氰酸酯(MDI))的反应产物。可在“Thermoplastic Polyurethane:Chemistry Opens Up NewOpportunities”,Urethane Technology,pp.24,26,1997年12月/1998年1月中找到关于热塑性聚氨酯的更多信息,在此引入参考。有用的热塑性聚氨酯以Pearlbond获自Aries Technologies(Derry,NH,位于西班牙Barcelona的Merquinsa的销售商)。
所述粘合剂组合物也包括多异氰酸酯组分。该多异氰酸酯组分包括异氰酸酯官能度为至少约2.0的至少一种多官能异氰酸酯。有用的多官能异氰酸酯包括性质上是脂族和芳族的那些异氰酸酯。有用的多官能异氰酸酯也包括芳族和脂族异氰酸酯的混合物,以及具有脂族和芳族这两种特征的异氰酸酯。有用的多官能异氰酸酯包括二苯甲烷-4,4’-二异氰酸酯(MDI)(以Isonate125M获自Dow ChemicalCo.(Midland,MI))。有用的多官能异氰酸酯还包括在US 4775719、US4808255和US4820368中所述的那些,在此通过参考引入。
所述粘合剂组合物可非必需地包括其它多元醇,其中包括例如玻璃化转变温度(Tg)为约0℃至约50℃的其它无定形聚酯多元醇。合适的无定形聚酯多元醇包括获自Degussa公司的Dynacoll7100系列。
所述粘合剂组合物可进一步包括不是以上所述热塑性聚氨酯的热塑性聚合物。有用的热塑性聚合物包括将在粘合剂组合物中相容,优选与所选择的多元醇相容的任何热塑性聚合物。若热塑性聚合物在粘合剂组合物内基本上均匀,或基本上不相分离,则它是相容的。有用的热塑性聚合物包括乙烯/醋酸乙烯酯共聚物、乙烯/丙烯酸正丁酯共聚物、乙烯/丙烯酸甲酯共聚物、乙烯/丙烯酸酯共聚物、丙烯酸聚合物、丁烯/聚(亚烷基醚)邻苯二甲酸酯聚合物及其混合物。可商购热塑性聚合物的实例包括以商品名Hytrel8171获自DuPont de Nemours(Wilmington,DE)的丁烯/聚(亚烷基醚)邻苯二甲酸酯;以商品名Elvax获自DuPont de Nemours和以商品名Ultrathene获自QuantumChemical Co.,USI Division(Cincinnati,OH)的乙烯醋酸乙烯酯共聚物;以商品名Enathene获自Quantum Chemical Co.、以商品名Escorene获自Exxon Chemical Co.(Houston,TX)和以商品名Lotryl获自Elf Atochem North America(Philadelphia,PA)的乙烯丙烯酸正丁酯;以商品名Optema获自Exxon的乙烯丙烯酸甲酯;以商品名Elvaloy获自Du Pont的乙烯丙烯酸酯共聚物;以商品名Elvaloy获自Du Pont的乙烯丙烯酸正丁酯一氧化碳三元共聚物;和以商品名Elvacite获自ICI Acrylics(St.Louis,MO)的丙烯酸聚合物。
所述粘合剂组合物可进一步包括不大于约2.0wt%,优选约0.01wt%至约2.0wt%的催化剂,基于粘合剂组合物的总重量。有用的催化剂包括具有醚和吗啉官能团二者的那些,例如4,4’-(氧联二-2,1-乙烷二基)双吗啉;具有1-12个碳原子的脂族钛酸酯,如低级烷基钛酸酯,例如钛酸四丁酯和钛酸四乙酯;和胺,其中优选2,2-二吗啉基乙基醚和二(2,6-二甲基吗啉基乙基)醚。可商购的催化剂的实例包括以商品名JeffactTMDMDEE获自Huntsman Corp.(Houston,TX)的4,4’-(氧联二-2,1-乙烷二基)双吗啉。
所述粘合剂组合物可进一步包括其它添加剂,例如增粘树脂、增塑剂、填料、稳定剂、抗氧剂、紫外(UV)清除剂或UV吸收剂、颜料、荧光剂、臭味遮蔽剂、粘合促进剂(例如硅烷)、表面活性剂、消泡剂及其结合。优选以小于约5.0wt%,更优选小于约2.0wt%的用量添加这些添加剂,基于粘合剂组合物的总重量。
视需要,可将增粘树脂掺入到粘合剂组合物中,以改进粘性和赋予粘合剂组合物压敏性能。可基于与粘合剂组合物的相容性,选择增粘树脂。小心地选择具有残留酸值的增粘树脂如松香基增粘树脂,和具有苯酚官能度的那些树脂,因为残留的酸可在热熔湿固化体系中反应。
可选择增塑剂,以促进加工和增加组合物的挠性。可在US4775719、US4808255、US4820368和US5441808中找到有用的增粘树脂和增塑剂的实例,在此通过参考引入。
有用的填料包括例如滑石、粘土、二氧化硅和其处理形式、炭黑、云母及其结合。可商购的有用填料包括以商品名Mistron获自Luzenac America,Inc.(Englewood,CO)的滑石;以商品名Nytal200、300和400获自R.T.Vanderbilt Co.(Norwalk,CT)的不同粒度等级的滑石;以商品名Snobrite获自Evans Clay Co.(Mcintyre,GA)的高岭土;以商品名Cab-o-SilTD-720获自Cabot Corp.(Tuscol,IL)的煅制二氧化硅;和以商品名Mineralite获自Mineral Mining Corp.(Kershaw,SC)的3X与4X云母。
可将稳定剂、抗氧剂及其结合加入到粘合剂组合物中,以保护它防止因与例如热、光或原料如增粘树脂中残留的催化剂诱导产生的氧气反应而导致的降解。有用的抗氧剂包括充当自由基清除剂且可单独或与其它抗氧剂结合使用的主抗氧剂。有用的主抗氧剂的实例包括以商品名Irganox565、1010和1076获自Ciba-Geigy(Hawthorne,NY)的所有受阻酚抗氧剂;和以商品名Anox20获自Great LakesChemicals(West Lafayette,Indiana)的受阻酚抗氧剂。其它抗氧剂包括例如以商品名Irgafos168获自Ciba Geigy的亚磷酸盐抗氧剂。其它可商购的抗氧剂包括例如以商品名CyanoxLTDP获自CytecIndustries(Stamford,CT)的硫醚抗氧剂;以商品名Ethanox330获自Albemarle(Baton Rouge,LA)的受阻酚抗氧剂。可在组合物中以不大于约2.0wt%的用量将抗氧剂加入到粘合剂组合物中。
可通过多元醇组分与多异氰酸酯组分反应获得聚氨酯预聚物,从而制备粘合剂组合物。
典型地在约40℃至约200℃的高温下,通过多元醇组分与至少一种多异氰酸酯反应,制备聚氨酯预聚物。可将多元醇组分首先引入到反应容器内,加热到反应温度,并干燥以除去多元醇组分吸收的环境湿气。然后将多异氰酸酯组分加入到反应器中。在典型地取决于反应物的羟基和异氰酸酯官能度的比例下,通常使多元醇组分与多异氰酸酯组分反应。典型地在导致异氰酸酯基和羟基之间反应的比例下,使反应物反应,从而基本上没有留下残留的羟基和留下最小的异氰酸酯官能度,典型地小于约10wt%,基于所得预聚物的重量。典型地,在约0.75∶1.0至约0.15∶1.0的OH∶NCO比例下,进行多元醇组分与多异氰酸酯组分之间的反应,以便在最终粘合剂组合物中获得约1wt%至约5wt%的NCO重量百分数(%NCO),基于组合物的总重量。典型地,使用ASTM D-2572-80“Standard Method for Isocyanate Group andUrethane Materials or Prepolymers”,来滴定所得预聚物,以测量异氰酸酯的剩余浓度,从而确定反应完全。
尽管组分的选择、添加顺序和添加速度可留给本领域的技术人员,但通常通过使异氰酸酯组分和多元醇反应,然后与热塑性组分和可添加的任何其它非必需的成分共混,来制造粘合剂组合物。各成分的用量基于所得粘合剂组合物的总重量,而与是什么成分无关。非必需地,可在与异氰酸酯组分反应之前,将热塑性组分和任何其它非必需的成分与多元醇共混。
所得粘合剂组合物可被包装在合适的防潮容器中。粘合剂组合物典型地以其固体形式分配并储存。当准备使用时,在施涂之前加热粘合剂组合物并熔化。
所得粘合剂组合物的粘度在250°F下优选为约5000cps至约70000cps,在250°F下更优选为约10000cps至约50000cps.
本发明还提供将基质粘结在一起的方法。该方法包括将所述热熔湿固化粘合剂组合物施涂到第一基质的至少一个表面上,使粘合剂组合物与第二基质接触,并固化该粘合剂组合物。
施涂粘合剂组合物的合适方法包括例如辊涂、喷涂、挤出和缝模涂布。
在湿气例如环境湿气存在下,固化所述粘合剂组合物。
所述粘合剂组合物可用于将各种各样的基质特别地低表面能的基质粘结在一起,所述基质包括例如聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚碳酸酯、纤维增强的塑料(FRP)、聚氨酯、尼龙、涂过底漆的钢、铝、皮革、橡胶、纸张、木材复合板及其结合。
可配制粘合剂组合物以具有相对长开模时间和良好原始强度,和特别地用于将大片材或板材基质粘结在一起,以生产大型制品,对于所述大型制品来说,较长的开模时间用于组装是所需的。这种制品的实例包括游乐车侧壁、建筑门和家具。也可配制粘合剂组合物以具有相对短的开模时间,并因此特别地适合于在高速、连续的粘结工艺中的型材包装。所述粘合剂组合物也适合于在其它工业,包括制鞋和图书装订上使用。
通过下述非限制性实施例,进一步阐述本发明。然而,应当理解,在本发明的范围内可作出许多变化和改性。所有单位以重量百分数为单位,除非另有说明。
实施例
测试方法
粘度
在布鲁克菲尔德粘度计DV-I型上,使用No.27锭子测量粘度。
180°剥离破坏温度(PAFT)
将#10帆布片材切割成1”×4”的长条。使用预热的7mil牵伸棒,在1”×1”的各长条区域上施涂粘合剂,同时维持没有粘合剂的长条的剩余区域。放置两块新涂布的长条,使涂布的区域粘结在一起,产生厚度约14mil的膜。用约5lb的手提橡胶辊压实粘合体,然后在50%的相对湿度和77°F下,使之固化至少10天。
将固化的粘合体放置在设定以25℃/小时增加温度的程控烘箱内,将粘合体的一端夹持到启动开关上。粘合体另一端固定到1000g的重物上。随着温度升高,粘合剂软化到粘合体破坏的温度点,重物落下和开关被启动,从而将信号发送到记录器上,记录粘合体破坏时的温度。报告5个样品的平均破坏温度。
开模时间和原始强度
使用流变动态分光计,在1弧度/秒的频率和25℃下测量粘合剂组合物的复数模量(G*)和tgδ。
实施例1
如下制备粘合剂组合物:
向反应器引入75g Agent 2272-100(一种无定形聚酯多元醇,它包括25mol%1,6-己二醇、25mol%新戊二醇和50mol%邻苯二甲酸酐的反应产物且羟值为56±5(Stepan公司,Northfield,IL))、220gDynacoll7210(一种高粘度液体聚酯多元醇(Degussa公司,Parsippany,NJ))和100g RucoflexS-105-22(一种结晶聚酯多元醇(Bayer公司,Hicksville,NY)),然后加热到120℃。向该混合物中加入40g Pearlbond501(一种热塑性聚氨酯聚合物(AriesTechnologies,Derry,NH))和2.5g Irganox1010(一种受阻酚抗氧剂)。在120℃,在至少27inHg的真空下,在反应器内干燥原料共混物1小时。将共混物冷却到110℃,和向反应器引入62.5gIsonate125M,1,1-亚甲基双(4-异氰酸根合)苯(Dow ChemicalCo.,Midland,MI)。在120℃和真空下进行反应1小时。然后从反应器中倾倒出所得产物并用氮气吹洗。所得预聚物的%NCO为2.0和在250°F(约121℃)下的粘度为15000cps。
图1示出了实施例1的粘合剂组合物的开模时间和原始强度。
实施例2
根据实施例1的步骤,制备粘合剂组合物,所不同的是由75g Agent2272-100、165g Dynacoll7210、150g RucoflexS-102-222(一种结晶聚酯多元醇(Bayer公司,Hicksville,NY))、45g Pearlbond501、2.5g Irganox1010、5g MistronVapor滑石填料和57.5gIsonate125M反应获得预聚物。所得预聚物的%NCO为2.0和在250°F(约121℃)下的粘度为25000cps。
图2示出了实施例2的粘合剂组合物的开模时间和原始强度。
实施例3
根据实施例1的步骤,制备粘合剂组合物,所不同的是由75g Agent2272-100、165g Dynacoll7210、150g Dynacoll7361(一种获自Degussa公司的结晶聚酯多元醇)、45g Pearlbond501、2.5gIrganox1010、5g MistronVapor和57.5g Isonate125M反应获得预聚物。所得预聚物的%NCO为2.0和在250°F(约121℃)下的粘度为30000cps。
图3示出了实施例3的粘合剂组合物的开模时间和原始强度。
实施例4
根据实施例1的步骤,采用75g Agent 2227-100、190g Dynacoll7210、75g RucoflexS-105-10、50g RucoflexS-105-22、45gPearlbond501、2.5g Irganox1010、5g MistronVapor和57.5gIsonate125M,进行反应。反应得到%NCO为2.0和在250°F(约121℃)下的粘度为35000cps的预聚物。
图4示出了实施例4的粘合剂组合物的开模时间和原始强度。