熱熔膠的主要成分及其對性能的影響

熱熔膠無溶劑, 幾乎無氣味, 無污染, 施膠方便, 因而在許多領域得到廣泛應用。以乙烯—醋酸乙烯無規共聚物(EVA)為基礎樹脂的熱熔膠,是熱熔膠最重要的品種之一, 可用于包裝材料、書籍裝訂、木材加工等行業, 其中包裝材料所用又幾乎占了EVA 熱熔膠的一半。本文以包裝用EVA熱熔膠為主, 討論了熱熔膠各主要成分的作用, 以及組成和用量對熱熔膠性能的影響。

EVA 熱熔膠的主要成分

EVA 熱熔膠主要由以下四種成分熔混而成:基礎樹脂即EVA 樹脂、增粘樹脂、蠟、抗氧劑, 某些場合還可加入少量填料以增加填隙性并降低成本。

EVA 聚合物

乙烯和醋酸乙烯的無規共聚物(EVA)是熱

熔膠的基礎樹脂, 其分子結構可表示為:

　　EVA 的類型決定了熱熔膠的內聚強度、柔韌性、對基材的粘接性以及可加工性。對熱熔膠而言, 應注意EVA 的下列性能:分子質量及其分布、醋酸乙烯酯(VA)含量、結晶度、軟化點、熔點、熔體指數(MI)以及熔體粘度等, 因為這些性能直接影響熱熔膠的各項性能。EVA 的上述性能是相互聯系的。同一系列的EVA , 分子質量越大, 通常軟化點越高而熔體指數MI 越小;不同系列的EVA , 結晶度和熔點隨VA 含量的增加呈直線下降。熔體粘度與MI有直線反比關系。一般用VA 含量在9 %～ 40 %的EVA , 當VA 含量超過40 %以上,EVA 不再結晶。此外, 當VA 含量超過30 %時, 雖然對極性及多種無孔非極性基材的粘接性有所提高, 但此種EVA 聚合物常常與蠟不相容, 這是熱熔膠配方設計時要注意的一點。有時, 在一個配方中往往要用MI 高低不同的EVA 或VA 含量不同的EVA 搭配使用, 才能獲得滿意的綜合性能。

表1 列舉了Ex xon 公司U L 系列幾種牌號的EVA 及其性能。

　　從表1 中可見:當VA 含量相同時(例如為27 .5 %時), 隨著EVA 熔體指數的增加, 其強度、硬度、軟化點和粘度均呈有規律地下降;而VA 含量越多的EVA , 一般斷裂伸長率要大一些, 硬度會低一些。

填料

有時在熱熔膠中加入一些填料, 可降低收縮率, 增加填隙性, 降低成本?？捎玫奶盍嫌刑妓徕}、滑石粉、二氧化硅等。

熱熔膠的性能調節

粘接性

粘接性是熱熔膠最重要的性能之一, 影響因素也最多。首先,EVA 是熱熔膠粘接性能的主要決定者。如前所述, 當EVA 中VA 含量增加時,熱熔膠的粘接性大大提高, 高VA 含量的EVA 可用來粘接無極性的非多孔材料, 例如聚乙烯和聚丙烯膜。其次, 增粘樹脂和蠟對粘接性的影響主要取決于它們的熔體粘度和化學結構。粘度越低, 熱熔膠越容易滲入多孔基材, 從而形成機械結合。蠟的表面能低, 當蠟量增加時, 熱熔膠的潤濕性提高, 可增加粘接性。用微晶蠟代替石蠟可改進價鍵力引起的粘附, 這是因為微晶蠟熱熔膠的模量低, 凝定時間長的緣故。

對于極性基材, 采用有極性基團的蠟(如羥基蠟或天然蠟)可提高粘接性。熱熔膠的粘接性受整個膠體系相容性的影響。以蠟和EVA 為例,蠟與VA 含量在18 %～ 28 %的EVA 相容性最佳, 容易形成共結晶, 粘接性很好, 但當VA 含量低于9 %時, EVA 先于蠟結晶, 成了蠟的填料, 膠的粘合性很差。

粘度和流動性

熱熔膠的粘度和流動性與施膠性能密切相關。選擇MI 大的EVA , 熔體粘度小的增粘樹脂都可以使熱熔膠粘度下降, 還可選擇MI 高低不同的EVA 配合使用來調節熱熔膠的施工粘度。但是, 影響最大的還是蠟, 因為蠟是熱熔膠中粘度最小的成分, 增加蠟的用量, 可以顯著降低熱熔膠的粘度, 增加其流動性, 盡可能選用粘度小、分子質量小的蠟, 這樣可以增加EVA 用量或采用低MI 的EVA 。粘接多孔材料(紙板、瓦楞板)時, 一般來說熱熔膠的粘度越小越好。粘度太大, 可能在膠未充分滲透基材時已固結, 致使粘接不好;粘度太低又可能造成膠過度滲入多孔基材, 從而產生缺膠現象, 這在機械化定量施膠的包裝中特別要引起注意。

總之, 熱熔膠的粘度主要由蠟的種類、用量和EVA 的MI 來調節。蠟的熔點和熱熔膠的軟化點高低與熱熔膠的粘度并無對應關系。

拉伸強度和模量

從表1 可知, EVA 的強度隨其VA 含量和MI(或分子質量)不同有很大的變化。通常MI較小的EVA 強度高, 制成的熱熔膠強度也大。此外, 在相容性允許的情況下蠟能使熱熔膠強度和模量增加, 若不相容則會使膠的剛性增大對提高強度無益。采用正烷烴含量高的高結晶蠟或高熔點蠟, 會使熱熔膠的拉伸強度和模量提高。

延伸率和柔韌性

EVA 的分子質量直接影響膠的柔韌性, MI越小, 柔韌性越小。以VA 含量為28 %的EVA為例, 熔體指數MI 與柔性模量的關系見表3 。

　蠟對熱熔膠的柔韌性也有很大影響。用微晶蠟代替石蠟, 或用窄分布的合成蠟代替普通合成蠟, 可以增加熱熔膠的柔韌性, 這是因為微晶蠟比石蠟有更好的柔韌性, 而窄分布合成蠟更易與EVA 中的乙烯鏈段相容之故。另外, 松香酯和萜烯樹脂增粘劑極性越大, 與高VA 含量的EVA 相容性也越好, 這樣也可提高熱熔膠的室溫柔韌性。蠟分子中的異構及環化烷烴量高, 制成的熱熔膠延伸率大。幾種石油蠟的異構和環化情況見表4 。

書籍裝訂用熱熔膠要求延伸率高達500 %～600 %, 冰箱包裝用膠也要求有較好的柔韌性, 因而配方中多采用微晶蠟。

玻璃化溫度Tg

熱熔膠的Tg 直接關系到膠的低溫性能, 在Tg 以下, 膠脆, 受沖擊或彎曲時容易斷裂。熱熔膠中EVA 的Tg 較低, 但增粘樹脂和蠟的Tg 一般較高。由高聚物物理學可知:若組份相容, 混合體系的Tg 處于組份高低Tg 之間, 由混合比決定;若體系不相容, 則會出現幾個Tg 。熱熔膠也是如此, 高分子質量的聚乙烯蠟與EVA 的相容性往往不好, 而窄分布的合成蠟、石蠟和微晶蠟與EVA 相容。軟微晶蠟的加入會使熱熔膠的Tg 稍稍上升, 而高熔點的合成蠟使熱熔膠Tg 上升較大。要想使熱熔膠的Tg 較低, 還應盡量采用Tg低的增粘樹脂。

開放時間

開放時間指的是施膠后不會因凝定或結晶矢去潤濕能力仍能使用的時間間隔。熱熔膠的開放時間常以秒計。對聚合物增粘樹脂體系而言, 蠟的加入總是縮短開放時間, 影響程度隨蠟的性質而變。一般來說, 蠟用量越大, 熔點越高, 結晶度越大, 則使熱熔膠開放時間越短。不同用途的熱熔膠要求有不同的開放時間。如工藝品用膠開放時間要長些, 以便于手工操作和調整, 而高速紙板密封膠則開放時間很短, 這樣有利于縮短工期。

凝定時間

凝定時間即膠的定位時間, 與熱熔膠的熔點、環境溫度有關。冬季氣溫低, 散熱快, 凝定時間短。配方設計中可用蠟來調節凝定時間, 高結晶度、高熔點蠟可縮短凝定時間, 而微晶蠟則延長凝定時間。

未固化強度和初粘性

膠未固化前的粘接強度直接影響到施膠后的加壓時間, 從而也影響到粘接工藝。未固化強度與膠的極性、潤濕性有關, 選取內聚強度和抗張強度高的組份有利于提高膠的未固化強度。蠟的類型和用量對未固化強度也有很大影響。

耐熱性

與組份的熔點和分子質量分布有關。用高熔點組份制成的熱熔膠耐熱性高, 而蠟的加入常常降低耐熱性。

　抗粘連性

熱熔膠膠粒的抗粘連性對膠的貯存有直接關系?？拐尺B性差的膠高溫高濕下貯存易結塊。用較硬的蠟可防止膠粒粘連, 如聚乙烯蠟。除了選擇合適的蠟外, 蠟的用量也可控制粘連。此外, 在某些場合下還可在膠粒中拌入滑石粉一類的粉狀物防粘連