基于治污控制的環保型丙烯酸酯膠粘劑制備與綜合性能研究

王 鵬,彭 林

(1.河北瑞三元環境科技有限公司,河北 石家莊 050000 ;2.石家莊學院,河北 石家莊 050000)

烯酸系膠粘劑由于具有生產成本低、粘接性能優良、生產工藝成熟、污染小等特點,在金屬與非金屬的粘接方面有著廣泛應用,目前生產企業以生產出溶劑型、乳液型、反應型、壓敏型、瞬干型、厭氧型、光敏型和熱熔型等類型的丙烯酸膠粘劑[1-3]。在環保要求不斷提高和應用領域對零部件輕薄方向發展的需求,基于環境污染治理的膠粘劑具有更好的熱穩定性、更低的吸濕率以及更高的粘接強度[4-5]。傳統的丙烯酸酯膠粘劑的制備,大多考慮基礎配方、操作工藝等對膠粘劑性能的影響[6];而對于外加固化劑、工藝參數等對丙烯酸酯膠粘劑性能的影響方面的報道較少[7]。本文通過外加固化劑的方法對丙烯酸酯膠粘劑進行了改性,并設計了3因素2水平正交試驗表,考察了聚合工藝、交聯單體和外加固化劑作為3因素對包封樣剝離強度、膠膜樣剝離強度和吸濕率的影響,結果將有助于基于環境污染治理的高綜合性能丙烯酸酯膠粘劑的開發,并推動其在工業領域的應用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料:國藥集團化學試劑有限公司提供的分析純衣康酸(MEA),山東齊魯石化有限公司提供的工業級丙烯酸(AA);外加固化劑包括:愛珂瑪化工有限公司提供的工業級水溶性酚醛樹脂(PF)、水性氨基樹脂 7301、水性氨基樹脂 M25 和雙馬來酰亞胺 PBM,廣東華麗寶實業有限公司提供的BOPP薄膜、韓國SKC公司的PI膜和SIT-304型單面板。

1.2 試樣制備

預先配置丙烯酸酯乳液,然后加入4種不同的外加固化劑攪拌均勻,調節黏度后消泡[8],得到丙烯酸酯膠粘劑。以聚合工藝、交聯單體和外加固化劑作為3因素,設計了3因素2水平正交試驗表,如表1所示。以考察各因素對膠粘劑的綜合改性效果[9]。將膠粘劑涂抹在BOPP薄膜上,采用熱塑機轉移至PI膜上并覆合,再與SIT-304型單面板一起壓制[10],溫度為180 ℃、壓力為2 MPa、時間為120 s,壓制后進行160 ℃保溫2 h的固化處理。

表1 3因素2水平正交試驗表

1.3 測試與表征

根據GB/T 13557—2017《印制電路用撓性覆銅箔材料試驗方法》對膠粘劑試樣分別進行剝離強度(PS)測試[11],試樣尺寸為3 mm×120 mm×10 mm;耐焊性測試[12],試樣尺寸為3 mm×5 mm× 5 mm;吸濕率測試過程中取均勻的膠膜試樣進行測試,試樣置于恒溫恒濕箱(25 ℃、75%RH)中放置24 h后取出,稱量放置前后的質量并計算吸濕率[13]。在DSC-500A差示掃描量熱儀上對膠粘劑試樣進行DSC曲線測試[14];在THEMYS熱重分析儀(TGA)上對膠粘劑試樣進行TGA測試。

2 試驗結果與分析

2.1 外加固化劑

表2為外加固化劑對膠粘劑性能的影響,分別列出了包封樣和膠膜樣的剝離強度和耐焊性,以及膠粘劑試樣的吸濕率測試結果。

表2 外加固化劑對膠粘劑性能的影響

由表2可知,對于PF固化劑而言,隨著固化劑質量分數從2%增至10%,包封樣和膠膜樣的剝離強度先增加后減小,耐焊性都為100%,PF質量分數為8%時取得剝離強度最大值;此外,吸濕率隨著PF質量分數的增加而逐漸增大。對于7301固化劑而言,隨著固化劑質量分數從2%增至10%,包封樣和膠膜樣的剝離強度逐漸減小,耐焊性都為100%;PF質量分數為8%時取得剝離強度最大值;此外,吸濕率隨著7301固化劑質量分數的增加而先增大后減小,在7301固化劑質量分數為6%時取得最大值。對于M25固化劑而言,隨著固化劑質量分數從2%增至10%,包封樣和膠膜樣的剝離強度先增加后減小,M25質量分數為4%時取得剝離強度最大值;此外,吸濕率隨著M25質量分數增加而逐漸增大,包封樣的耐焊性都為100%,膠膜樣的耐焊性都小于41%。對于PBM固化劑而言,隨著固化劑質量分數從2%增至10%,包封樣和膠膜樣的剝離強度先增加后減小,耐焊性都為100%;PBM質量分數為8%時取得剝離強度最大值。此外,吸濕率隨著PBM質量分數增加而逐漸增大。對比4種固化劑對包封樣和膠膜樣的剝離強度、耐焊性和吸濕率的影響,選取PF固化劑質量分數為4%和PBM固化劑質量分數為8%時,膠粘劑試樣具有較高的剝離強度和較低的吸濕率,且耐焊性為100%。

圖1為外加固化劑的膠粘劑的DSC曲線和微分曲線,分別列出了PF固化劑質量分數為4%和PBM固化劑質量分數為8%時的DSC曲線。

(a)DSC曲線

由圖1可知,PF固化劑質量分數為4%和PBM固化劑質量分數為8%時膠粘劑試樣的玻璃化轉變溫度存在明顯差異,具體體現在PF固化劑質量分數為4%時膠粘劑試樣只有一個玻璃化轉變溫度19.7 ℃;PBM固化劑質量分數為8%時膠粘劑試樣有2個玻璃化轉變溫度-21.5 ℃和36.7 ℃。由此可見,PBM固化劑質量分數為8%時膠粘劑試樣的玻璃化轉變溫度更低。

圖2為外加固化劑的膠粘劑的TGA曲線和微分曲線,分別列出了PF固化劑質量分數為4%和PBM固化劑質量分數為8%時的TGA曲線。

圖2 外加固化劑的膠粘劑的TGA曲線和微分曲線

由圖2可知,PF固化劑質量分數為4%和PBM固化劑質量分數為8%時膠粘劑試樣的熱穩定性沒有明顯差異,膠粘劑試樣的初始分解溫度都在320 ℃附近,曲線最大斜率對應的分解溫度也相同。因此,PF固化劑質量分數為4%和PBM固化劑質量分數為8%時膠粘劑試樣的熱穩定性差異不大。結合前述的膠粘劑的性能測試結果可知,PBM固化劑質量分數為8%時,膠粘劑試樣的剝離強度更大、吸濕率更小,更適宜作為外加固化劑。

2.2 綜合改性

從上述的試驗結果可知,外加固化劑會對丙烯酸酯膠粘劑試樣的剝離強度和吸濕率產生明顯影響,這主要是因為外加固化劑會參與膠粘劑的聚合反應,并影響膠粘劑的固化過程[15]。表3為聚合工藝、交聯單體和外加固化劑作為3因素的正交試驗結果,分別以包封樣剝離強度、膠膜樣剝離強度和吸濕率作為考核指標。

表3 3因素2水平正交試驗結果

表4為正交極差分析結果,其中極差(R)反映了綜合改性參數(聚合工藝、交聯單體和外加固化劑)對包封樣剝離強度、膠膜樣剝離強度和吸濕率的影響,R值越大則表示對應的綜合改性參數對膠粘劑試樣性能的影響越大[16]。從包封樣剝離強度的影響結果來看,影響因素從大至小順序依次為:因素A、因素C、因素B;從膠膜樣剝離強度的影響結果來看,影響因素從大至小順序依次為:因素C、因素A、因素B;從吸濕率的影響結果來看,影響因素從大至小順序依次為:因素A、因素C、因素B。由表4可知,3因素2水平的正交試驗法得到的8組包封樣剝離強度、膠膜樣剝離強度都滿足標準要求[17],因此主要分析吸濕率對膠粘劑試樣的影響。因此,選取A1B2C2作為最佳工藝參數,即聚合工藝為核殼聚合、交聯單體為MEA∶AA=0.5∶3.5、外加固化劑為8%PBM。

表4 正交極差分析結果

3 結語

(1)對比4種固化劑對包封樣和膠膜樣的剝離強度、耐焊性和吸濕率的影響上看,選取PF固化劑含量為4%和PBM固化劑含量為8%時,膠粘劑試樣具有較高的剝離強度和較低的吸濕率,且耐焊性為100%;

(2)PF固化劑質量分數為4%時膠粘劑試樣只有一個玻璃化轉變溫度19.7 ℃,而PBM固化劑質量分數為8%時膠粘劑試樣有2個玻璃化轉變溫度-21.5、36.7 ℃;PBM固化劑質量分數為8%時膠粘劑試樣的剝離強度更大、吸濕率更小,更適宜作為外加固化劑;

(3)從包封樣剝離強度的影響結果來看,影響因素從大至小順序依次為:A、C、B;從膠膜樣剝離強度的影響結果來看,影響因素從大至小順序依次為:C、A、B;從吸濕率的影響結果來看,影響因素從大至小順序依次為:A、C、B。