用于附着低和高表面能材料的水性、非氯化改性聚烯烃附着力促进剂
作者：Andrew E. Andrade，实验室经理，Advanced Polymer公司，新泽西州，Carlstadt
氯化改性聚烯烃（CMPO）主要用于溶剂型体系中，作为涂料的底漆或添加剂，这些涂料需要附着在低表面能的塑料基材上，如聚丙烯、聚乙烯、聚酯和其他许多材料。非氯化改性聚烯烃（NCMPO）用于与CMPO类似的应用，但它们具有更高的耐化学性和耐温性，并且无色。NCMPO还可用于氯不能耐受的应用，因暴露于高温下可能产生盐酸。图1显示了NCMPO的基本结构。由于范德华力的作用，聚合物上的聚烯烃主链可以更好地润湿聚烯烃表面，并使其表面与聚烯烃表面结合。对聚合物的改性使其可与树脂中的反应基团发生潜在反应，以及与无机基材产生相互作用和粘结。NCMPO的结构使其能够与聚烯烃和非聚烯烃基材粘结。
在过去的几年中，尽管使用聚烯烃的原材料成本高于其他塑料，但在屋顶和地板等不同应用中使用聚烯烃基材的趋势也已经出现。聚烯烃也因其理想的物理性能和可回收性而被使用。聚烯烃在许多应用中都可以使用，但事实并非如此，因为聚烯烃的表面能较低，因此没有实际的方法将其附着在需要的地方。聚烯烃通常经过电晕或火焰处理，以增加表面能，使其更易于粘附，但有时电晕处理和火焰处理都不足以使基材更易附着。因此，CMPOs和NCMPO作为附着力促进剂被用于提高与烯烃基材的附着力上，但它们通常用于溶剂型产品以达到必要的附着力。但有许多应用无法使用溶剂型产品，用电晕和火焰处理又太过昂贵。在本研究中，我们将我们的水性NCMPO乳液——AdvaBond?7400系列附着力促进剂——应用于三种不同的应用中，以展示它们如何在不使用溶剂和表面改性的情况下提高与聚烯烃基材的附着力，以及它们如何提高与非聚烯烃基材的附着力。第一种是水性薄膜胶粘剂，第二种是水性地板胶粘剂，最后一种是通用型填缝/密封胶粘剂。
实验和测试
在这项研究中，我们对四种不同的NCMPO乳液和一种CMPO乳液进行了评估。乳液的物理性质见表1。不同乳液之间的区别在于基础树脂的熔点，以及它在乳液中是否有一定比例的共溶剂。
在第一种应用中，即水性薄膜胶粘剂，表2和表3中的配方胶粘剂是使用牙科材料搅拌机制成的。通过评估不同树脂、碳酸钙类型和NCMPO用量水平对配方进行了优化。将配方以100-150平方英尺/加仑的比率施涂到胶合板上。一旦涂上胶粘剂，便在它上面涂上一层TPO屋面薄膜。在测试前，让胶粘剂至少固化24小时，然后在固化24小时、48小时、1周、2周和3周后分别进行测试。胶粘剂也在四种不同的固化条件下固化，以复制真实的屋顶条件。第一种是室温条件，第二种是55℃，第三种是60℃和95%的相对湿度，第四种是0℃环境。通过在胶粘到胶合板上的TPO基材上进行180°的剥离来测试胶粘剂。在胶粘剂仍然处于热/冷状态时，以及在它们下降/达到室温后，也对它们进行了测试。
在第二种应用中，表4中配方中所示的水性地板胶粘剂也是使用牙科材料搅拌机制成的。通过评估不同树脂、碳酸钙类型、NCMPO和CMPO用量水平，优化了配方。该配方用于制造枫木、聚丙烯、低密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、粒面橡胶和再生轮胎的搭接剪切。根据修改后的ASTM D3163方法测试搭接剪切，将未经处理的塑料/橡胶基材与枫木粘结。在试验之前，允许搭接剪切进行1周的固化。
在第三次应用中，使用牙科材料搅拌机制备丙烯酸乳液填缝/密封胶粘剂配方。通过添加1wt%的NCMPO乳液作为附着力促进剂对表5中的配方进行了修改。根据ASTM C794方法对6061 T2铝材、316不锈钢、玻璃和釉面瓷砖进行180°剥离，评估填缝/密封胶粘剂的附着力。固化14天后，进行了剥离测试。用邵氏A硬度、弹性模数、伸长率和拉伸强度对丙烯酸乳液填缝/密封胶粘剂的物理性能进行了评估。根据ASTMD412，使用万能拉伸试验机测试弹性模数、伸长率和拉伸强度。在物理性能测试中，以NCMPO乳液为添加剂，分别添加1%、4%和10%，考察了NCMPO对丙烯酸填缝/密封胶粘剂配方物理性能的影响。
结果和讨论
在薄膜胶粘剂应用中，剥离强度必须大于或等于5 pli（磅/线性英寸）。图2显示了在21天内，除了0℃条件外，在不同固化条件下添加4.7%的AdvaBond 7418乳液，可以达到最小5 pli的剥离强度。通过使用不同的增稠剂和树脂组合，可以在0℃条件下提高性能。图3显示了胶粘剂稳定到室温后的剥离强度。在21天的固化过程中，当温度达到室温时，具有4.7% NCMPO的胶粘剂的粘结强度保持在5pli以上。当剥离强度大于5pli时，粘结失效主要是粘结力的破坏，也有一些是胶合板的破坏。
在地板胶应用中，我们对许多聚烯烃基材和橡胶基材进行了测试，以比较NCMPO乳液和CMPO乳液的区别，此外，还测试了一个空白样胶粘剂，但在测试之前，搭接剪切就失效了。图4显示了使用添加2.7 wt.%的NCMPO和CMPO乳液，作为附着力促进剂可达到的搭接剪切强度。除枫木、粒面橡胶和再生轮胎外，所有的搭接剪切都出现粘结失效情况。枫木搭接剪切会随粘结失效而失效，粒面橡胶和再生轮胎也随着基材的失效而失效。NCMPO和CMPO对胶粘剂的改性在多种基材上表现出非常相似的性能。
在填缝/密封胶粘剂应用中，180°剥离测试如图5所示。除铝材外，NCMPO乳液对所有试验基材的附着力均有显著提高。NCMPO乳液的加入对铝和不锈钢的附着力没有明显的改善或负面影响，但对玻璃和釉面瓷砖的附着力有了显著改善。在图6中，物理性能显示了相对于不含NCMPO附着力促进剂的丙烯酸乳液填缝/密封胶粘剂的百分比。一旦NCMPO的添加量达到4%及以上，填缝/密封胶粘剂的物理性能就开始发生变化。
结论
这项工作表明，使用NCMPO乳液可以使配方产品与低表面能和高表面能的基材粘结。在第一个应用中，含有NCMPO乳液的薄膜胶粘剂在几乎所有不同的固化条件下都能通过最小剥离强度的要求。当然，为了通过0℃的固化条件，还有更多的配方改善工作要做。在第二个应用中，地板胶粘剂可以通过使用NCMPO和CMPO乳液获得较高的搭接剪切强度。两种乳液的性能非常相似，但NCMPO乳液的优点是不含氯。在最后一个应用中，添加1%的NCMPO乳液的填缝/密封胶粘剂可以显著提高对玻璃和瓷砖的附着力，但对铝和不锈钢的附着力未产生显著影响，具体取决于使用的NCMPO等级。添加1%的NCMPO下的附着力改善，并不会影响填缝料/密封剂的
物理性能。基于我们的研究结果可知，使用NCMPO乳液可以改善各种应用中对基材的附着力。
了解更多信息，请发邮件至aandrade@advpolymer.com。
本文收录在《PCI中文版》杂志2020年11月刊中
