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聚烯烃是一类性能优良的通用塑料,广泛应用于包装工业、电子工业、建筑工业等领域,但聚烯烃材料难于粘接。在分析聚烯烃材料难粘原因的基础上,综述了聚烯烃表面处理技术及各种聚烯烃用胶黏剂。论述了等离子体处理、底漆促进剂等技术,同时讨论了氧化聚丙烯改性胶粘剂、热熔胶粘剂、SBS热塑性弹性体胶粘剂、丙烯酸脂类胶粘剂、有机硅密封胶粘剂。后对今后聚烯烃粘结的发展趋势做了简要介绍。
聚烯烃材料以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)为主,是通过高分子材料的品种,也是合成材料家族中的重要成员,大约占世界热塑性塑料产量的1/2以上。它具有优异的物理性能、化学稳定性,良好的加工性,可以循环利用,为现代农业提供了必不可少的农膜、灌溉材料,为现代建筑业提供了大量性能优异的基础材料。聚烯烃片材及各种注塑成型制品还被广泛应用于包装工业、汽车工业、电子工业等领域。
PE自1933年实现工业化生产以来,已形成低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和线型低密度聚乙烯(LLDPE)3大系列。PE具有优异的加工性能和使用性能,应用领域广泛。PP于1957年实现工业化生产,已成为通用热塑性树脂发展快的品种,是合成树脂的第二大品种。PP生产工艺简单,原料来源丰富,可以通过化学和物理手段开发多样化、系列化高性能化产品。聚烯烃材料物理化学性能都很优异,但是,它难于粘接,使其在更多领域的应用受到了限制。
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本文首先分析了聚烯烃材料难粘的原因,然后综述了聚烯烃材料的表面处理及各种聚烯烃用胶黏剂,后对它的发展趋势作了简要介绍。
一、聚烯烃材料难粘的原因
聚烯烃材料之所以难粘,原因是多方面的,既有自身结构的原因,也有外界条件的原因。总的来说,可以归结为以下4个方面。
1.1. 非极性高分子
胶粘剂吸附在被粘物的表面上是由分子间作用力引起的,这种作用力包括取向力、诱导力和色散力。极性分子相互靠近时,分子的固有偶极之间同极相斥异极相吸,分子在空间按一定取向排列,使体系处于更稳定状态,这种固有的偶极之间的作用力称为取向力。在极性分子和非极性分子之间,由于极性分子偶极所产生的电场对非极性分子发生影响,非极性分子就产生了偶极,叫作诱导偶极,诱导偶极和固有偶极相互吸引而产生的作用力叫作诱导力。由于分子中电子和原子核不停地运动,非极性分子电子云的分布呈现有涨有落的状态,从而使它与原子核之间出现瞬时相对位移,产生了瞬时偶极,瞬时偶极可使其相邻的另一非极性分子产生瞬时诱导偶极,这种随时产生的分子瞬时诱导偶极间的作用力为色散力。极性分子之间既有取向力又有诱导力,而聚乙烯、聚丙烯等都是非极性高分子,对于这些非极性高分子材料表面,不具备形成取向力和诱导的条件,只能形成较弱的色散力,因而其粘附性能较差。
1.2. 润湿能力差
胶粘剂在未固化前一般都呈流动态,粘接过程是胶液在粘接件表面浸润,然后固化的过程,所以胶粘剂能牢固粘接材料的主要条件之一是胶粘剂必须可以在被粘材料上充分铺展,对被粘材料的表面有良好的润湿性。流动态胶粘剂与基体材料接触时,胶粘剂分子会受到垂直而向内的力,要使胶粘剂分子进入到基体材料表面层进行良好的胶接,基体必须有足够高的表面能来克服胶粘剂的表面张力,而聚烯烃材料的表面张力都很低,即润湿能力很差,比较难粘。
接触角θ是一个由液、气、固三相交界的边缘形成的角度。如下图所示,液滴的形状是由三相的界面张力控制的。θ是一种液体相对一种固体的润湿性的定量。
表面张力γ的产生,是因为液体内部的分子受到各个方向的同等引力,而表面的分子受到的朝液体方向的力大于朝空气方向的力。因此就发生表面的自发收缩。对于洗涤、润湿、乳化和其它表面相关问题,γ可以特别灵敏的进行表征。
接触角θ越小,液体浸润固体的倾向越大,直至发生完全润湿(接触角θ=0,cos θ=1),对于发生完全润湿,液体的表面张力应小于或等于基材的临界表面张力(YSA - YSL)。大的接触角则与润湿性差相关联。杨氏公式认为表面化学性均匀且形貌光滑时,是理想表面。
1.3. 结晶度高
在粘接高分子材料时,由于分子或链段的热运动,胶粘剂的分子或链段与被粘物的分子或链段能够互相扩散,使粘合界面消失,形成一个过渡区,产生牢固的胶接,称为粘接的扩散理论[8]。聚烯烃材料都是高结晶度物质,所以化学稳定性好,它们的溶胀和溶解都比非结晶高分子困难,当与溶剂型胶粘剂粘接时,由于聚烯烃结晶度高,分子量较大,分子链不易运动和扩散,很难与胶粘剂分子链发生相互缠结,不能形成很强的粘附力,且聚烯烃材料表面分子排列紧密,胶粘剂很难扩散到基体中,不能产生有效的粘接作用。
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小编注:在上面推荐阅读中,介绍选择无规共聚PP作为射粘包胶橡胶的TPV的连续相更好。小编在前15年,TPV注塑包胶脚轮,发觉用均聚PP作为连续相的TPV,在脚轮熔接痕处粘接强度已经下降,说明,均聚聚丙烯固化温度高,在型腔流动末尾已经固化,不再具有粘接力,另外,正如本文所述,均聚聚丙烯的结晶度更高,导致粘接效果下降,而换用无规聚丙烯,则粘接效果提升很高。
1.4. 存在弱的边界层
在过去很长的时间里,人们对一些聚合物,尤其是聚烯烃聚合物的弱粘附性的原因一直都在研究。弱边界层理论认为基材与胶粘剂之间低内聚强度的区域造成了弱的粘附性能。由于多种原因,相对低的内聚强度区域更趋于出现在未处理的聚合物表面。聚烯烃材料通常具有较宽的分子量分布,而其低分子量部分的分子易于向表面迁移,从而形成弱边界层。这种弱的边界层还来自聚烯烃在合成加工过程中所带入的助剂、杂质,如增塑剂、增韧剂、脱模剂等,以及在储运过程中所带入的污染物,如空气中沉降物等。这种弱边界层的存在大大降低了接头的粘接强度。