JP5566903B2 - 水性接着剤の発泡方法ならびに発泡装置 - Google Patents

Description

本発明は、水性接着剤の発泡方法に関する。さらに、本発明は、該方法を実施するための装置に関する。

適切な接着を実現するためには、固定すべき表面上にある種の薄層で接着剤を塗布すべきことが知られている。接着剤の使用を最小限の量とすることはあらゆる観点から有利であるが、それは接着剤の使用をより少量とすると、より経済的であり、接着剤はより速く乾燥し、固着物の重量が小さくなるためであり、また環境の観点からも有利である。しかしながら、このプロセスに使用する機械装置は、連続的で信頼性のある形での適切な接着量に十分であるべき薄層には一般的には適用できず、必要とされる量を超える接着剤が使われる。例えば、積層時には、約３０〜６０ミクロンの層厚があれば十分であるのに、装置の不正確さは通常１〜２桁は高い。接着剤の使用量を減らすために、機械の製造業者は一層正確で従って高価な機械装置を作り出し、一方で接着剤の製造業者は接着剤の抽出分を増加させる。

接着剤の主要ユーザーは上記課題を解決するために発泡装置を利用するが、その場合、特殊技術によって圧縮ガス、通常は空気を接着剤中へ導入する。塗布する発泡材料の大部分はガスであるため、この方法を用いることによって接着剤の有効量を低減することができる。その一方法がＧＢ８８７０７８の明細書に記載されており、例えば窒素又は空気又はフレオンなどのガスを用いて接着剤を１０〜３０分間激しく混合する、即ち「泡立て」法によって発泡を実現しているが、これは一方では複雑な機械を必要とし、また他方では例えば粘度を調節するだけでなく発泡安定剤を用いることによる発泡条件を与えるべき必要が生じ、その上、装置は正確な流量制御を備えていなければならない必要が生じる。こういった解決法は複雑であって、また高価な機械装置を必要とするため、年間数百トンの接着剤を使用する場合にのみ採算が取れる。

ＧＢ８８７０７８号明細書 ＷＯ８６／０６３２８号公報

本発明の目的は、より少量の接着剤を使用する場合であっても有益であり得る接着剤を発泡するための解決法、即ち、高価な機械を必要とせず、簡単な方法で実施可能であって、それによって同時に良好な結果が得られる一方で、接着剤の必要量を減少させ得る解決法を提供することである。

ＷＯ８６／０６３２８は、水性ポリマー溶液又は分散体の発泡方法を開示する。この方法では、塩、好ましくは炭酸塩をポリマー溶液又はエマルションに添加するが、これは酸が添加されるとガス、とりわけ二酸化炭素を発生する。この方法によると、酸が混合物に添加されると瞬時に発泡が起こる。そのため、この発泡方法を十分に制御することはできない。

本発明は、この方法とは、添加され又はインサイチュで生じたガスを圧力下でポリマー溶液又はエマルション中にまず溶解させ、この工程中には全く或いはごく限られた発泡しか起こらないことによって区別される。発泡は、第２ステップで制御した方法で圧力を解放した場合にのみ起こる。

一般的な態様では、本発明の方法は以下のように記述できる。
水性ポリマー溶液又は分散体である発泡水性接着剤の塗布方法であって、
第１ステップ（ａ）において、２０℃及び圧力１０１．３２５ｋＰａ（１ａｔｍ）下でガスである物質（以下、「ガス状物質」と称する）であって、ガス圧力を１０１．３２５ｋＰａ（１ａｔｍ）から２０２．６５ｋＰａ（２ａｔｍ）へ増加させるとその２０℃での水中溶解度が少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７５％増加する物質を、圧密容器に含まれる水性ポリマー溶液又は分散体中へ、水性ポリマー溶液又は分散体への２０℃でのガス圧力が周囲圧力より少なくとも２０．２６５ｋＰａ（０．２ａｔｍ）、少なくとも６０ｋＰａ（０．５９ａｔｍ）高くなる量で溶解し、及び
第２ステップ（ｂ）において、水性ポリマー溶液又は分散体である水性接着剤を圧密容器からバルブを介して基材上へ周囲圧力で放出し、それにより、ガス状物質がバルブを出る水性ポリマー溶液又は分散体中に気泡を形成して、水性ポリマー溶液又は分散体を発泡させること
を特徴とする方法。

ここで、「周囲」圧力」とは、水性接着剤を塗布する場所及び時間における気圧を指す。この圧力は、塗布サイドの高さ、天候状態に応じて変化する。

そこで、本発明の原理は、水性接着剤中に圧力下でガスを溶解させることにある。接着剤がバルブを介して加圧容器を出るまで、接着剤中のガス溶液が安定したままとなるように圧力が維持される。バルブを出ると、溶解ガスを有する水性接着剤は気圧下に入る。減圧下ではガス溶液は不安定となるため、水性接着剤中に気泡を形成し水性接着剤をフォームに変形させる。発泡の度合いは、容器内の圧力と気圧の間の圧力差を調節すること、及びバルブ開口部のサイズを調節することによって、容易に制御される。従って、発泡接着剤を極めて制御された形で基材上に塗布することができ、また安全上の理由で必要以上に接着剤を塗布する必要性はかなり低減される。

水性接着剤の入った圧密容器中へガス状物質を導入する一つの方法は、この容器に、ガス状物質を含み圧密容器内の圧力より高い圧力を有する圧力シリンダーを接続することである。これにより、圧力シリンダー内の加圧ガスが水性接着剤を有する容器中へ部分的に移動し、この容器中のガス圧力を増加させる。上昇した圧力によって、平衡条件に達するまでガス状物質が水性接着剤の水相中に部分的に溶解する。この溶解プロセスは、該水溶液又は分散体を例えば撹拌することによりかき混ぜることによって加速させることができる。圧力シリンダーを水性接着剤の入った圧密容器と接続するために減圧バルブのような適当なバルブを用いる場合、圧密容器内のガス圧力を容易に制御できるため、水相中に溶解した平衡量のガスも制御される。

ガス状物質を冷却することによって大気圧下で液体又は固体に変換することができる場合には、水性接着剤の入った圧密容器中にガス状物質をこの形態で周囲圧力下に導入してよい。そして圧密容器を閉じた場合には、液化又は固化したガス状物質を圧密容器中の支配的な温度まで暖めると内部で圧力が増加する。圧密容器中のガス状物質は、平衡条件に達するまで水相中に溶解する。同じく、この溶解プロセスは、該水溶液又は分散体を例えば撹拌することによりかき混ぜることによって加速させることができる。最終的な圧力、従って水相中に溶解したガス状物質の量は、容器中へ導入する液化又は固化したガス状物質の量を選択することによって制御することができる。固相から気相への変化に時間を要し、固化したガス状物質の添加後に圧密容器を閉じるために十分時間があるため、ガス状物質を冷固体として添加できる場合にこの方法は特に効果がある。

本発明を実施するためにガス状物質として二酸化炭素を使用することが、特に好ましい。それは本発明の溶解度基準を満足し、また下記のように容易に水性接着剤の水相中に直接生成し得るし、若しくは、加圧シリンダーから或いは「ドライアイス」として既知のように固体状で圧密容器中にこれを容易に導入できる。さらには、二酸化炭素は安価かつ非毒性である。発泡接着剤を塗布する際、十分な通気に気をつけることを要するのみである。

また、上記設定目標は、試薬を接着剤中へ添加する方法で本発明よって達成することができるが、該方法では、その試薬が化学反応を引き起こし、その間に圧力が減少するとガス、好ましくは二酸化炭素ガスが接着剤中に放出される。混合することによって均一性が確実となり、また、接着剤と接触するガスの過圧によって、接着剤を減圧に導いた場合にのみ発泡が生じることを確保できる。こうして、さらに上述した実施形態にも該当するように、発泡機能を有する接着剤を圧密容器中に貯蔵することができる。

この実施形態では、本発明は、第１試薬を接着剤中へ添加し、混合することによってこれを均一分散し、混合物を加圧し、次いで第２試薬を該混合物へ添加し、混合することによってこれを均一分散し、及びその反応の結果として、圧力が減少する際にガス、好ましくは二酸化炭素ガスが気泡状に放出されるように前記試薬を選択する、水性接着剤の発泡方法である。

この実施形態では、第１試薬と第２試薬の間の化学反応によるガスの発生は、上述の第１ステップ（ａ）、圧力下で水相へのガスの溶解に相当する。バルブを介して水性接着剤を圧密容器から取り出し、これを大気圧下で基材へ塗布する場合、圧力が減少する際の気泡形態でのガスの放出は、上述の第２ステップ（ｂ）に相当する。

第１試薬は好ましくは金属炭酸塩又はアンモニウム炭酸塩、又は相当する炭酸水素塩、又は異なる炭酸塩及び／又は炭酸水素塩の混合物である。

酸は、酸又は酸塩が十分に水溶性で第１試薬と反応できる限り、任意の無機酸又は有機酸又は例えばリン酸二水素ナトリウムのような酸塩であってよい。

好適な解決策によれば、炭酸塩、有利には炭酸マグネシウム又は炭酸カルシウムの組み合わせ、もしくは炭酸水素塩、有利には炭酸水素ナトリウムの組み合わせを第１試薬として、好ましくは全重量に対して５％〜３０％の量で、接着剤へ添加する。その後、酸、有利には酢酸又は無機酸、とりわけリン酸又はリン酸二水素ナトリウムのようなその酸塩を、第２試薬としてこれに添加する。他の好適な無機酸は、硫酸又はその酸塩（硫酸水素塩）、もしくは硝酸である。更なる好適な有機酸は、クエン酸、乳酸又は酒石酸である。

第１試薬のカチオンと酸アニオンから形成された塩が１ｇ／Ｌ以下、好ましくは０．１ｇ／Ｌ以下、最も好ましくは０．０１ｇ／Ｌ以下の水溶性を有するように、第１試薬と第２試薬の組み合わせを使用することが、とりわけ好適である。このことによって、接着特性を弱め得る最終的な接着剤層中の水溶性塩が大量に存在することが妨げられる。その代わりに、第１試薬と酸の反応生成物は本質的に固体であって、接着剤中で充填剤として働く。

第１試薬の量は、その全てを添加酸と反応させてガスを形成するのではなく、酸との反応後に第１試薬の一部が接着剤中に充填剤として残るように、十分に高く選定してよい。これに代えて又はこれに加えて、添加酸とは反応しない他の充填剤が接着剤中に存在し得る。

その予定時以前に相当量のガスが放出されるのを妨げるためには、即ち、生じたガス、とりわけ二酸化炭素ガスをできるだけ完全に液相中に吸収された状態に保つためには、第２試薬を添加する前に、接着剤混合物に接する（全）圧力を室温（２０℃）の推定で少なくとも６０ｋＰａ（約０．５９ａｔｍ）の過圧（＝周囲圧力に対する圧力差）に設定することが好ましい。その後、この圧力に維持される。こうして、化学反応の結果として生じた二酸化炭素ガスは、本質的に又は完全に液中でいかなる相変態もなく、即ち、本質的に又は完全にいかなる気泡形成もなく、気相と溶解状態の液相の間で完全に分配される。

好適には、水性接着剤は、以下の物質：酢酸ビニルの単独重合体又は共重合体（例えばポリ酢酸ビニルのホモポリマー又は軟化ホモポリマー、ポリ酢酸ビニルエチレンコポリマー）、アクリレート又はアクリル酸又はそのエステルのポリマー又はコポリマー（例えばアクリレート、アクリレートコポリマー）の少なくとも一種を含有する水性分散体であり、及び／又は該接着剤は、以下の物質：ポリビニルアルコール、澱粉又はデキストリン系天然ポリマーの少なくとも一種の水溶液を含有する。

他の好適な実施形態によれば、該接着剤は（圧密）容器中に貯蔵され、また該酸は酸容器中に貯蔵される。酸容器の排出口は、第１バルブを介して接着剤容器に接続している。接着剤容器中に酸を添加するために、酸容器の排出口での圧力が接着剤容器の酸容器に接続する部分の圧力よりも高くなるように、第２バルブを介して（例えば圧縮空気又は窒素の作用で、もしくはポンプを活用して）酸容器の供給口に圧力を与える。これは既述の第１ステップ（ａ）に相当する。その後、利用時に（即ち、既述の第２ステップ（ｂ）の過程で）、圧力減少時に発泡する添加接着剤（即ち、酸と第１試薬の反応によるガス形成後の接着剤）を容器から圧力下で外部への排出バルブを介して、接着剤によって固定すべき表面へ伝導し、ここで、該表面は好ましくは大気圧にある。

好適な解決手段によれば、接着剤の不揮発分は水性接着剤の全重量に対して５〜７５重量％である。ここで「不揮発性分」は、継続的に乾燥して更に重量減少がなくなるまで、周囲圧力下に１１０℃で水性接着剤を乾燥した後に残存する固形物を意味する。勿論、ここで「揮発性物質」は主に水である。

本発明の製法によって発泡させた接着剤は、表面を固定する（即ち、表面を一緒に結合させる）ために利用することが好ましい。好ましくは、表面の少なくとも一方が吸水性であるか、少なくとも水による可湿性であり、例えば紙と紙、木材と木材、紙と合成フィルム、木材と金属などの接着用である。しかしながら、水性接着剤の乾燥条件を十分に制御するのであれば、疎水性表面を結合するために本発明を使用してもよい。

本発明は更に、接着剤用に圧密容器を含んでなり、ここで、第１バルブを介して過圧が与えられ、及び該容器の排出口に排出バルブが設置された、本発明の各実施形態による方法を実施するための装置を包含する。さらには、該容器中にモーター駆動の混合機が挿入されている。さらには、該装置は、酸用にその供給口に第２バルブが設置された圧密酸容器をさらに含んでなり、該容器の排出口は第３バルブを介して該容器に接続している。

該装置は、酸容器を、該装置から酸容器を取り外し可能でもあるようにして含んでなることが好ましい。

本発明によれば、混合と適切な圧力調節によって、生成する気泡のサイズが理想的なものとなり、平均サイズは２００〜２５０ミクロンより小さくなり、また本発明によれば、約２０〜４０％の接着剤の節約を達成することができる。

実施例：
本発明の方法の実施例として、以下の接着剤混合物の組成物を出発点とした。
ポリ酢酸ビニルエチレンコポリマー（Vinavil EVA 202、Vinavil SpA、イタリア）、抽出物含有量５５重量％：６５重量％；
ポリビニルアルコール（Mowiol 30-92、クラレ、日本）、加水分解８８％：３重量％；
粉末状の炭酸カルシウム（Omyacarb、Omya GmbH、オーストリア)、平均粒度２ミクロン：２０重量％；
水：１２重量％

上記組成物は、水７部をポリビニルアルコール３部と混合する方法で、上記成分から製造することができ、９６℃までボイルする。更に水５部を炭酸カルシウム２０部と混合する。その後、３つの主成分を任意の順序で一緒に混合する。次いで、該混合物をその粘度に応じた程度で水によって更に希釈することができる。

実施例において、炭酸カルシウムは接着剤の充填剤であり、同時に上記他の成分と完全に混合すべき第１試薬でもある。その後、圧密容器Ｔ１に上記混合物をレベルＬ１、第３バルブＶ３と排出バルブＶ４の閉鎖位置、まで充填する。次いで、少なくとも６０ｋＰａの過圧を容器Ｔ１中、接着剤混合物の上方に生じさせ、第１バルブＶ１を閉鎖する。気密シールを介して容器Ｔ１中へ挿入され、モーターＭによって回転し得るミキサーＫの回転を開始する。十分に混合した接着剤と炭酸カルシウムの混合物へ、レベルＬ２まで第２試薬、即ち２０重量％の酢酸が充填された容器Ｔ２から酢酸を、接着剤混合物の全重量に対して３．５重量％の量（２．５〜４．５重量％の量でも適切であり得るが）で、酸容器Ｔ２の排出口での圧力を確実に接着剤容器Ｔ１の酸容器Ｔ２に接続する部分での圧力より高くする第２バルブＶ２を介して、圧力によって添加する。次いで、第３バルブＶ３を開ける一方、ミキサーＫをモーターによって１０００ｒ／ｍｉｎ（＝１分あたりの回転）の回転速度で回転させる。しかしながら、５００〜３０００ｒ／ｍｉｎの回転速度であっても良好な結果を達成することができる。必要量の酸を添加した後、第３バルブＶ３を閉じ、添加後に、添加された接着剤を１〜１．５分間更に混合する。次いで、第３バルブＶ３の次に、必要であれば容器Ｔ２を装置から取り外すことができる。容器Ｔ１内で起こる化学反応の間、接着剤中で二酸化炭素が発生し、また、圧力が減少する場合、即ち、接着剤混合物が排出バルブＶ４を介して大気圧へ出る際の接着手順の間、二酸化炭素が放出されて発泡が起こる。発生する気泡の平均サイズは２００〜２５０ミクロン下であって、発泡の度合い、即ち発砲後と発泡前の密度比は０．６６である。

例えば、実施例として上述した方法及び装置は、紙と紙の接着用だけでなく、他の表面間の接着用、好ましくは表面の少なくとも１つが吸水性を示す場合にも、極めて良好に使用することができる。
本発明の好ましい態様は、以下を包含する。
〔１〕水性ポリマー溶液又は分散体である発泡水性接着剤の塗布方法であって、
第１ステップ（ａ）において、２０℃及び圧力１０１．３２５ｋＰａ（１ａｔｍ）下でガスである物質（以下、「ガス状物質」と称する）であって、ガス圧力を１０１．３２５ｋＰａ（１ａｔｍ）から２０２．６５ｋＰａ（２ａｔｍ）へ増加させるとその２０℃での水中溶解度が少なくとも３０％増加する物質を、圧密容器に含まれる水性ポリマー溶液又は分散体中へ、水性ポリマー溶液又は分散体への２０℃でのガス圧力が周囲圧力より少なくとも２０．２６５ｋＰａ（０．２ａｔｍ）高くなる量で溶解し、及び
第２ステップ（ｂ）において、水性ポリマー溶液又は分散体である水性接着剤を圧密容器からバルブを介して基材上へ周囲圧力で放出し、それにより、ガス状物質がバルブを出る水性ポリマー溶液又は分散体中に気泡を形成して、水性ポリマー溶液又は分散体を発泡させること
を特徴とする方法。
〔２〕ステップ（ａ）において、圧密容器の圧力より高い圧力でガス状物質を含む圧力シリンダーを圧密容器と接続することによって、ガス状物質を圧密容器中に導入することを特徴とする、前記〔１〕に記載の方法。
〔３〕ステップ（ａ）において、ガス状物質を０℃未満の温度Ｔの液体又は固体として周囲圧力にて開口部を介して圧密容器中へ導入し、次いでガス状物質のウォームアップによって圧密容器内の圧力が増加するように開口部を閉じることを特徴とする、前記〔１〕に記載の方法。
〔４〕ガス状物質は二酸化炭素であることを特徴とする、前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の方法。
〔５〕第１試薬を接着剤中へ添加し、混合によってこれを均一分散し、混合物を圧密容器内で加圧し、次いで第２試薬を混合物へ添加し、混合によってこれを均一分散し、及びその反応の結果として、圧力が減少する際にガス、好ましくは二酸化炭素ガスが気泡状に放出されるように前記試薬を選択することを特徴とする、水性接着剤の発泡方法。
〔６〕第１試薬として、金属又はアンモニウム炭酸塩を接着剤中に、好ましくは全重量に対して５％〜３０％の量で添加し、次いで、第２試薬として酸をこれに添加することを特徴とする、前記〔５〕に記載の方法。
〔７〕接着剤混合物と接触するガスの圧力を周囲圧力より少なくとも６０ｋＰａ高く設定することを特徴とする、前記〔５〕又は〔６〕に記載の方法。
〔８〕接着剤は以下の物質：酢酸ビニルの単独又は共重合体、アクリレート又はアクリル酸又はそのエステルの重合体又は共重合体の少なくとも１種を含有する水性分散体であり、及び／又は接着剤は以下の物質：ポリビニルアルコール、澱粉又はデキストリン系天然ポリマーの少なくとも１種の水溶液を含有することを特徴とする、前記〔１〕〜〔７〕のいずれかに記載の方法。
〔９〕酸を酸容器中に貯蔵し、その排出口はバルブを介して接着剤容器に接続し、及び酸を接着剤容器中へ添加するために、酸容器の排出口での圧力が接着剤容器の酸容器に接続した部分の圧力より高くなるように、酸容器の供給口にて第２バルブを介して圧力を与え、次いで使用時に、圧力の減少時に発泡する添加した接着剤を圧力下で容器から外部への排出バルブを介して、接着剤によって固定すべき表面へ伝導し、好ましくは該表面は大気圧にあること、
を特徴とする、前記〔５〕〜〔８〕のいずれかに記載の方法。
〔１０〕接着剤の不揮発分は５〜７５重量％であることを特徴とする、前記〔１〕〜〔９〕のいずれかに記載の方法。
〔１１〕前記〔１〕〜〔１０〕のいずれかに記載の方法によって発泡した接着剤の、表面を一緒に接着するための使用。
〔１２〕接着剤用に圧密容器を含んでなり、ここで、第１バルブを介して過圧が与えられ、該容器の排出口に排出バルブが設置され、さらには該容器中にモーター駆動の混合機が挿入されており、酸用にその供給口に第２バルブが設置された圧密酸容器をさらに含んでなり、ここで、該容器の排出口は第３バルブを介して圧密容器に接続している、前記〔５〕〜〔９〕のいずれかに記載の方法を実施するための装置。

Claims (11)

1. 第１試薬を接着剤中へ添加し、混合によってこれを均一分散し、混合物を圧密容器内で加圧し、次いで第２試薬を混合物へ添加し、混合によってこれを均一分散し、及びその反応の結果として、圧力が減少する際にガスが気泡状に放出されるように前記試薬を選択することを特徴とする、水性接着剤の発泡方法であって、
   該第１試薬は、金属炭酸塩、アンモニウム炭酸塩、金属炭酸水素塩、アンモニウム炭酸水素塩、または、金属炭酸塩および／またはアンモニウム炭酸塩および／または金属炭酸水素塩および／またはアンモニウム炭酸水素塩の混合物であり、
   該第２試薬は、無機酸、有機酸または酸塩である、方法。
2. ガスは二酸化炭素であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 第１試薬は、金属又はアンモニウム炭酸塩であり、第２試薬は酸であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 第１試薬を、全重量に対して５％〜３０％の量で添加する、請求項３に記載の方法。
5. 接着剤混合物と接触するガスの圧力を周囲圧力より少なくとも６０ｋＰａ高く設定することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 接着剤は以下の物質：酢酸ビニルの単独又は共重合体、アクリレート又はアクリル酸又はそのエステルの重合体又は共重合体の少なくとも１種を含有する水性分散体であり、及び／又は接着剤は以下の物質：ポリビニルアルコール、澱粉又はデキストリン系天然ポリマーの少なくとも１種の水溶液を含有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 酸を酸容器中に貯蔵し、その排出口はバルブを介して接着剤容器に接続し、及び酸を接着剤容器中へ添加するために、酸容器の排出口での圧力が接着剤容器の酸容器に接続した部分の圧力より高くなるように、酸容器の供給口にて第２バルブを介して圧力を与え、次いで使用時に、圧力の減少時に発泡する添加した接着剤を圧力下で容器から外部への排出バルブを介して、接着剤によって固定すべき表面へ伝導すること、
   を特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 該表面は大気圧にあることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 接着剤の不揮発分は５〜７５重量％であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の方法によって発泡した接着剤の、表面を一緒に接着するための使用。
11. 接着剤用に圧密容器を含んでなり、ここで、第１バルブを介して過圧が与えられ、該容器の排出口に排出バルブが設置され、さらには該容器中にモーター駆動の混合機が挿入されており、酸用にその供給口に第２バルブが設置された圧密酸容器をさらに含んでなり、ここで、該容器の排出口は第３バルブを介して圧密容器に接続している、請求項１〜９のいずれかに記載の方法を実施するための装置。