热熔胶
热熔胶全称热熔胶粘剂(Hot Melt Adhesives),是一种无溶剂的热塑性固体胶粘剂。在室温下是固态,利用加热使其达到熔点左右变成液态,获得流动性,湿润被粘物表面,显示出优异的粘合能力,能迅速地与其他物体粘合在一起,冷却之后能通过硬固或化学反应瞬间形成较高强度的粘接。
热熔胶以热塑性树脂或弹性体为基料,添加增黏剂、粘度调节剂、抗氧化剂、填料等,经熔融混合而成的可塑性黏合剂,加热熔融后化学特性不变,无毒无味,属环保型化学产品。热熔胶由于本身为固体,便于包装、运输、存储,无溶剂,无污染,并具有生产工艺简单、附加值高、黏合强度大、速度快等优点。
热熔胶可用于粘接塑料、纸张、木材、皮革、织物、陶瓷、玻璃、金属、宝石、橡胶等多种材料,在印刷、制鞋、包装、装饰、电子、汽车、家具、玩具、家用电器、卫生用品,服装、首饰、工艺品等行业获得广泛应用,经济效益显著。
发展历史
最早的热熔胶是蜡混合物、脂松香、沥青等天然热熔胶,直至20世纪50年代才出现了以聚合物为基料的合成热熔胶。由于热熔胶具有粘接快、效率高、不污染、无毒害、易储运等特性,因而深受重视,获得迅速发展。80年代又开发了泡沫热熔胶,密度小、用量少、韧性大、保温好。90年代出现了被粘物表面不需预热可直接粘接的热熔胶。同时也研究成功了结构热熔胶,不仅粘接强度高,而且耐热性可高达180℃。
中国从20世纪70年代中期开始热熔胶的研究。其中DEF类、聚酰胺类、聚类、SBS、SIS类、聚氨酯类等主要品种基本都能生产,且有一定规模。热熔胶的发展趋势有两个方面:一是为了满足性能的需求,在基料、组成配方等方面进行改性研究,如使之具有水溶性,解决纸包装回收问题,使之具有生物降解性能,解决环境污染问题以及具有某些特殊的性能等;二是使用形状上加以改变,以满足新的需求。
组成成分
主体聚合物
主体聚合物是制作热熔胶的主要成分,它的作用是使胶具有必要的胶接强度和内聚强度。热熔胶的主体聚合物是热塑性树脂,其类型通常也是按主体成分划分。常用的热塑性树脂包括乙烯醋酸乙烯酯共聚树脂(EVA)、聚酰胺树脂(PA)、聚氨酯树脂(PU)、乙烯丙烯酸乙酯共聚物(EEA)、聚酯树脂(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等。
增粘剂
增黏剂是热熔胶的主要助剂之一,占热熔胶的30%~50%。热熔胶中加入增黏剂可提高胶体的流动性和对被粘物的润湿性,改善黏结性能,达到所需的黏结强度。热熔胶中一般使用的增黏剂有脂松香、改性松香、C₅石油树脂、C₉石油树脂和萜烯树脂等。
黏度调节剂
黏度调节剂也是热熔胶的主要助剂之一。其作用是增加胶体的流动性、调节凝固速度,以达到快速黏结牢固的目的,否则热熔胶黏度过大、无法或不易流动,难以渗透到纸张中去,无法将其黏结牢固。加入软化点低的黏度调节剂,就可以达到黏结时渗透好、粘得牢的目的。黏度调剂一般有石蜡、微晶蜡、合成蜡(PE或PP)和费托蜡等。
抗氧化剂
加入适量的抗氧化剂可增强热熔胶的长期稳定性。由于胶体在高温熔融状态下会发生氧化反应,加入抗氧化剂可以保证胶体在高温条件下黏结性能不发生变化,可延缓或抑制热熔胶的氧化、阻止热熔胶的老化,从而达到延长热熔胶使用寿命的目的。
填料
填料可增加黏合剂的内聚强度,降低成本。同时,还可以防止渗胶,减少收缩。热熔胶常用的填料有滑石、碳酸钙、黏土等。
主要特性
热熔胶是100%固体,无溶剂,能节约能源,不污染环境,无毒害作用;热熔胶易湿润,粘接力大,强度较高,耐水、耐酸、耐油,电性能较好,加热和冷却后都有粘性,固化快,且能反复加热,多次粘接,拆胶容易;热熔胶品种较多,可制成粉状、粒状、块状、条状、棒状、网状、薄膜状等多种形态,制备原料易得,成本较低,生产效率高,适合自动化和自动化流水作业,且用途广泛,能够粘接多种材料,性能稳定,便于包装、储存和运输;热熔胶的缺点是耐热性和粘接强度较低,不适宜粘接热敏性材料。
分类
按基料分类
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物类热熔胶(EVA)
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)热熔胶是热熔胶粘剂中应用最广、用量最大的一种。它具有一系列的优点:良好的黏附性、柔韧性、热熔流动性和耐寒性;与各种配合组分混溶性好;通过配合组分的调节,能获得多种性能的热熔胶,以适应多种用途的需要。EVA热熔胶的缺点是耐油、耐热和耐洗涤性差,强度低。
EVA热熔胶的胶接性能取决于主体树脂的性能,而主体树脂的性能又取决于单体的比例、相对分子质量和分子的变化度。EVA树脂特性,一般是以熔融指数和乙酸乙烯含量来表示。熔融指数高,树脂相对分子质量低,熔融黏度小,流动性好,柔韧性和成形性也好;但物理强度、耐油、耐热和耐洗涤性差。随着醋酸乙烯酯含量的增高,黏附力、抗冲击强度、胶接的剥离强度都提高,胶层柔韧性好,橡胶弹性大,透气性与透湿性增大;但软化温度低,抗拉强度、耐磨性、硬度、耐油性和电气绝缘性都差,成本也高。
聚氨酯类热熔胶(PU)
聚氨酯类热熔胶主要是由聚醚多元醇或聚酯多元醇与二异氰酸酯等反应,生成端异酸酯(-NCO)预聚体,当-NCO含量达到某一设定值时,加入不与-NCO反应的热塑性树脂、增黏树脂、填料、抗氧化剂和催化剂等助剂配制形成。聚氨酯类热熔胶具有热熔胶无溶剂、初粘性高和定位快等特性,又具有反应性胶粘剂的耐水、耐温、耐蠕变、耐湿和耐介质等性能。可用于金属、玻璃、塑料、木材和织物等材料的粘接。
聚酰胺类热熔胶(PA)
聚胺树脂是分子中具有-CONH-结构的缩聚型高分子化合物,它通常由二元酸和二元胺经缩聚而得。用于热熔胶的聚酰胺树脂一般相对分子质量为1000-9000,相对分子质量不同,其性能也不同,但熔点随相对分子质量增大变化不大,而树脂本身的强度和胶接强度,随相对分子质量的增大而明显提高。
聚酰胺树脂突出的优点是软化点温度范围窄,耐寒性良好,具有良好的耐油、耐化学和耐介质性能,能经受干洗处理,其电性能良好;具有优异的色泽,基本无味,不玷污被粘物,对环境污染小,与其他树脂相溶性良好,可通过引入天然或合成树脂改善其性能等。由于聚酰胺树脂分子中具有氨基、羰基、酰胺基等极性基团,因此对于木材、陶瓷、纸、布、黄铜、铝和酚醛树脂、聚酯树脂、聚乙烯等塑料都具有良好的胶接性能。
聚酯类热熔胶(PET)
用于热熔胶的聚酯是由饱和的二元酸和二醇酯化而得到的直链分子的热塑性产物。聚酯树脂热熔胶的优点:具有一定的结晶性和刚性,熔点高,具有良好的耐热性、耐寒性、热稳定性,使用温度范围宽,优良的耐介质性和电性能,对各种材料,特别是柔韧性材料,都能获得较高的胶接强度。缺点是熔体黏度高,需发展高黏度涂胶器或添加无定形聚烯烃来降低熔体黏度,以获得良好的胶接效果。
乙烯-丙烯酸乙酯共聚物类热熔胶(EEA)
当EEA共聚树脂作为热熔胶的基本树脂时,其结构与乙烯-醋酸乙烯酯共聚物类似,丙烯酸含量一般为23%左右。与EVA热熔胶相比有其独特的优点,具有低密度聚乙烯的高熔点和高醋酸乙烯含量的EVA树脂的低温性。乙烯-丙烯酸乙酯共聚物具有优良的耐热性和耐低温特性,低温柔软性和耐应力断裂性强,其极性比EVA共聚物低,对聚丙烯之类难胶接的聚烯烃材料也能获得良好胶接,与石蜡的相溶性优于EVA树脂。
其他热熔胶
其他热熔胶还包括天然高分子类热熔胶、嵌段接枝共聚物类热熔胶、聚烯烃类热熔胶等。
按形态分类
块状与粒状热熔胶:块状有方块、圆柱块;粒状有扁平形、圆柱形、菱形等。
棒状热熔胶:通常为直径10 mm×(150~200) mm的圆棒形胶条。
粉状热熔胶:将热熔胶用化学粉化和深冷机械粉化方法制成胶粉。
网状热熔胶:通过喷丝装置将热熔胶喷成网状薄片,类似无纺布。
薄膜热熔胶:将热熔胶挤压成薄膜(片)状。
按使用性能分类
从使用性能的不同,热熔胶分为普通型热熔胶、压敏型热熔胶、水溶型热熔胶。
压敏型热熔胶由于具有良好的压敏性而减缓了对黏结剂的热老化。它是由聚酯类、改性丙烯酸酯类、苯乙烯、共轭丁二烯嵌段共聚物或其他聚烯烃等作为基材。采用的树脂有:萜烯树脂与非结晶的聚丙烯、戊二烯与异戊间二烯共聚物组成的固体树脂和W形液体树脂的混合物、乙丙橡胶与非结晶聚烯烃加有机过氧化物的反应生成物等。
水溶性热熔胶则是指由分子链上含有功能性羧基或羟基等亲水性官能团的聚合物组成的热熔胶,常用的水溶性热熔胶有聚乙烯基吡咯类、聚乙烯基甲基醚类、聚酯类、聚烷撑亚胺类等。
应用领域
在塑料中的应用
EVA热熔胶对塑料,特别是难粘塑料有较强的粘合力,可粘接聚乙烯,聚丙烯、聚四乙烯、PS塑料等塑料,应用于聚丙烯管、聚乙烯钙塑管、聚丙烯编织覆膜带、聚丙烯洗衣桶与ABS排水阀粘接、冷藏食品包装、电线捆束、塑料铭牌粘贴、无线绝缘固定等。
乙烯丙烯酸乙酯(EEA)、乙烯-丙烯酸(EAA)、乙烯-丙烯、乙烯-丁烯-1类热熔胶都可用于塑料与金属的复合,制作复合材料,或应用于涂层复合、铸型薄膜、吹制薄膜等,作为包装材料,也可用作电缆外护涂层。无规聚丙烯热熔胶可用于聚丙烯、聚乙烯的粘接。改性聚丙烯粉末热熔胶可用于蒸煮袋用复合材料的复合用胶。
EEA与低分子低密度聚乙烯、EVA、蜡及增粘剂相配混,配制成热熔胶,可粘接聚乙烯、聚丙烯、PS塑料、聚酯、尼龙等塑料,应用于尼龙、聚丙烯包装薄膜、复合薄膜等方面。EEA、EVA及其混合物粘合马来酸酐改性的PE材料,使PE与铝材能达到优良的粘合。
聚酯热熔胶对金属和极性塑料具有优良的粘接性,且可高速粘接,故广泛用于制聚酯/钢板、聚氯乙稀/钢板等金属/塑料层压板等。这类金属增料层压板在汽车工业中用量很大,为汽车的轻量化提供了物质基础。聚酯热熔胶的优良耐热、耐湿和电气特性使其在电子工业中应用广泛,如变压器接头固定、偏光偏转线圈固定,聚氯乙烯电线捆束等以及电气电毯和软电枢的电热线圈绝缘或固定等。
高熔点固体聚酰胺热熔胶可用于家用电器导线的捆束、电器接插件包覆、电器热收缩套和密封电器接头、生产和控制断路器、报警器的电容器、通信电缆、通信器械、洗衣机、冷库立式冷却器、吸尘器、电热扇、碱性电池等生产中的有关部件粘撑和密封。尤其是作为电视机的阴极射线管与偏转线圈的绝缘、固定用难燃胶粘剂,还可应用于汽车顶棚的粘接,包括聚氯乙稀顶棚接缝、顶棚衬里、顶棚隔音衬垫粘接、顶棚拱型加固梁与顶棚的粘接等。
在纺织品中的应用
使用热熔胶的纺织品主要包括地毯、服装、织物的植绒等方面。构成地毯、服装织绒基材的织物可以是天然织物(棉、麻、丝、毛),可以是化纤织物(聚丙烯纤维、聚酯纤维、氨纶、氯纶等),也有天然纤维与化纤混纺的织物。由于织物的多孔性和纤维的极性,这些织物的粘接几乎无需表面处理就能达到很好粘接效果。
服装工业使用热熔胶一般包括衣片的连接、衬布贴合锁边、粘贴lace、装饰品及拉链粘贴等;地毯制作行业引入热熔胶,主要涂布于地毯背面,增强地毯的强度,赋于地毯防水、阻燃及耐热的特殊性能,或将两种地毯粘合在一起使正反面具有不同的舒适性和美感效果;热熔胶在织物的植绒方面的应用是将纤维粉末(由纺织废纤维磨碎或切粉而得到的短纤维)垂直固定于涂有胶粘剂的织物基材上。
在纸用品中的应用
由于热熔胶是固态胶粘剂,在熔融状态下施于被粘体上,冷却后即固化产生粘接性,固化时间短,常以秒计。这种胶粘剂固化时没有溶剂挥发,在粘接纸张时,不像水溶液或水乳液胶粘剂,由于纸张吸水而膨润,使被粘纸张起皱,影响粘接效果,且热熔胶没有溶剂挥发,所以粘接工艺上无需干燥设备。因此,热熔胶是粘接纸张及纸制品理想的胶粘剂,常应用在书籍无线装订、纸盒、纸箱等纸制品的粘接。
在制鞋业的应用
在制鞋工业中,如制鞋帮、绷鞋帮、粘大底、制勾心、制作主跟、包头等制鞋各工序中及制作鞋用材料中都在应用热熔胶。制鞋行业使用的热熔胶主要是聚酯和聚酰胺类热熔胶,制作主跟包头、绷复帮及粘外底等。此外还有EVA、SBS和聚氨酯等热熔胶用于制鞋业。
在医药行业的应用
热熔胶属无溶剂型黏合剂,安全环保,适合应用于医用领域,医疗上使用的热熔胶可按其基体树脂的不同分为无定型聚烯烃热熔胶、热塑性弹性体热熔胶、丙烯酸酯类热熔胶、聚氨酯类热熔胶及其他种类,一般用于外科手术术、伤口的覆盖、探测仪器的固定、药物传送系统与皮肤的粘接等。一次性医疗卫生用品,如卫生护垫、纸尿裤等也大规模使用热熔胶。
作用机理
热熔胶粘剂的粘接作用是当热熔胶处于熔融状态时,其表面张力相当低,在被粘物表面容易产生润湿和扩散,而当热熔胶与被粘合的表面密切接触时,被粘合面的分子层的温度迅速升高,分子的热运动加速了粘合剂与被粘物材料分子的相互扩散和交织。当整个粘接体系的温度逐步下降到使熔体转变成固态并具有足够的内聚力时,最终产生牢固的粘接。一般热熔胶的粘接是以分子间作用力和氢键力为主的物理交联,其粘接强度随粘接时间增长变化不大。但对于交联型热熔胶如聚氨酯类,随着粘接时间的增长,粘接强度还会逐渐增高。这是由于热熔胶中的-NCO基遇到被粘物表面的活泼氢产生化学结合(化学键)的缘故。
热熔胶粘剂在使用时分两类,一是加工成膜状、卷材状或粉状的热熔胶预先熔融固定于被粘体上,使之处于两被粘体间,与被粘体一起整体加热活化胶接;另一种是借助喷嘴枪或轮形热熔施胶器将熔融状态的胶粘剂涂敷于两被粘体上,同时加热粘接。
制备方法
热熔胶的制造方法通常采用熔融混和法,工业生产热熔胶的方法有两种,一种是釜式生产(间歇法),釜式生产的效率不高,所生产热熔胶的熔融粘度不宜过大,因为各组分受热时间较长,所以要求热熔胶各组分的热稳定性要好,否则,热熔胶会产生热氧化分解,尤其是釜壁上的热氧化降解现象严重,而且对搅拌桨的形状也有特殊的要求,避免釜内产生停滞而局部过热。另一种是挤出法生产(连续法),这种生产方法效率高,热熔胶各组分受热时间短,不易热氧化分解,产品质量均一稳定。
性能指标
熔融粘度
熔融粘度(熔融指数)是体现热熔胶流动性大小的性能指标。熔融粘度直接影响到胶对被胶接物的涂布性、润湿性和渗透性;对胶的拉丝现象也有影响。因此,熔融粘度是确定熔融和涂布工艺的重要依据。熔融粘度与温度有密切的相关性,它随着温度的降低而增加。低熔融粘度的热熔胶,可直接用旋转式粘度计进行测定,高熔融粘度的热熔胶,通常用专门的熔融指数测定仪来测定。
软化点
软化点是热熔胶开始流动的温度,可作为衡量胶的耐热性、熔化的难易程度和晾置时间的大致指标。软化点取决于基本聚合物的结构和分子质量,一般高软化点的胶,耐热性好,晾置时间短。
热稳定性
热稳定性是热熔胶在长时间加热条件下抗氧化和抗热分解的性能,它是衡量胶的热稳定性的重要指标,热熔胶的稳定性主要取决于其组分的耐热性。热稳定性衡量标准为:在使用温度下,胶不产生氧化,粘度变化率在10%以内,所能经历的最长时间。若时间为50-70 h,则热稳定性为良好。
晾置时间
热熔胶的晾置时间是涂胶后到叠合后,能达到胶接强度下限的胶接面的最大暴露时间,影响晾置时间的主要因素有胶的比热容、热导率、涂布温度、涂胶量、涂布方法、被胶接材料种类、被胶接物的温度及环境温度等。
胶接强度
胶接强度主要测定胶接件的剪切强度、剥离强度、冲击强度等,这是衡量胶粘剂质量的主要指标。通过胶接强度的测定可以知道胶接件使用时,满足耐热耐寒条件的极限胶接强度,在此极限范围内选择使用胶粘剂。