一种聚四氟乙烯乳液改性聚丙烯酸酯乳液压敏胶的制备方法

摘要

本发明为一种聚四氟乙烯乳液改性聚丙烯酸酯乳液压敏胶的制备方法。该方法采用物理共混法，选用聚四氟乙烯乳液和通过预乳化和半连续聚合的方法制备的丙烯酸酯压敏胶乳液；乳液聚合中选用一种新型的阴离子乳化剂以及多层聚合单体进行聚合，改善物料的加料方式，优化反应条件制得丙烯酸酯乳液，然后与聚四氟乙烯乳液进行物理共混，最终得到了耐高温、耐化学综合性能优异的改性压敏胶体系。本发明实验操作简单可控性能强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚四氟乙烯乳液改性聚丙烯酸酯类乳液压敏胶的制备方法，属于胶粘剂改性领域。

背景介绍

压敏胶(Pressure-sensitive adhesives，简称PSAs)是一种在轻压条件下，能瞬间粘合到被粘物表面的粘弹性材料，也就是在较小的压力下，瞬间能形成较强的粘接性能，广泛应用于广告、印刷、医疗用品、家用电器，车辆和办公用品等领域中。聚丙烯酸酯乳液型压敏胶是压敏胶中产量最大、应用最广的品种，在我国现已有二十多年的发展历史，它有着传统的溶剂型压敏胶不可比拟的优点，如成本低、使用安全、无污染、聚合时间短、对被粘材料有良好的粘结性、涂膜无色透明等，是二十世纪八十年代以来我国发展最快的压敏胶品种。近年来，随着全球对环境保护问题的日益重视，乳液型的压敏胶具有成本低、安全、无公害；聚合物合成时，操作简便，聚合时间短；聚合物的分子量比较高；容易制成高浓度、低粘度的压敏胶粘剂乳液等优点。以水为分散介质的乳液型聚丙烯酸酯压敏胶成为重要的发展方向。但同时也存在耐水性与高温稳定性差、原料基于不可再生石油基化学品，和涂布及干燥速率慢等缺点，限制了其应用。因此，需要对乳液型聚丙烯酸酯压敏胶进行改性，以满足市场的要求。

何敏等人以丙烯酸酯为原料，通过改进的溶液聚合工艺，研制了一种表面保护膜用聚丙烯酸酯压敏胶。研究表明，聚合工艺对压敏胶的耐高温性能有显著影响；丙烯酸可提高压敏胶的内聚强度；当交联剂的用量从0.5％增大至1.5％时，压敏胶的耐高温性能显著增加；当交联剂的用量为1.5％时，用该胶制成的保护膜可以通过100℃、24h的耐热性能试验实验，提高剥离速度会导致保护胶带180°剥离强度的增加。但是溶剂法后处理复杂、能耗较多、污染环境。(何敏,张秋禹,程金奎,等.保护膜用耐高温溶剂型丙烯酸酯压敏胶的研究[J].2006,(12):35-38.)近年来，在乳液型聚丙烯酸酯压敏胶改性方面已有大量的研究。刘康等使用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和水性多异氰酸酯(GH)固化剂为改性剂，制备出一种耐高温的、综合性能好的丙烯酸酯压敏胶乳液。但是多异氰酸酯价格昂贵、易吸潮且有毒性，对环境不友好，并且改性的压敏胶在高温固化后脆性比较大，并且耐热性能提升的幅度不是特别大。(刘康,傅和青.双重改性耐高温丙烯酸酯压敏胶的制备[J].中国胶粘剂，2015，24(3)：24-28.)。也有报道，在乳液型压敏胶中添加了0.005～0.035％的硅醇类交联剂，最终使聚合物的粘附力、高温内聚力和剥离力达到了良好平衡，但是耐化学性能比较差。此外，发现有机蒙脱土对丙烯酸酯的聚合动力学影响较小，但可降低聚合物的凝胶含量，从而合成出一种内聚强度较好的复合型丙烯酸酯压敏胶。但是有机蒙脱土表面的亲水性使其不利于在有机相中分散以及吸附有机物，且固化时采用具有双键的固化剂，胶粘剂的抗老化性能比较差。

含氟聚合物乳液具有许多优异的性能，如突出的耐候性、耐水性、耐油性、耐化学腐蚀性等，可用于建筑、汽车、纺织、皮革涂饰等领域。因此，用含氟乳液改性聚丙烯酸酯旨在得到兼有两者优异性能的复合乳液。为提高聚丙烯酸酯乳液的性能，可采用共混方法制备含氟聚合物乳液改性的聚丙烯酸酯乳液。所谓共混改性是将制备的聚丙烯酸酯乳液调节pH值至中性，并以一定的配比与含氟聚合物乳液混合，树脂间没有发生化学反应，但有分子间链段的相互缠绕或基团分子间的相互作用力，包括范德华力、静电作用，甚至氢键。物理改性方法实施起来比较简单，通过调控两种乳液的用量，实现复合乳液压敏性能的可设计性。

本课题组先前的两篇专利CN 101412783 B和CN 1944479A均采用的是以二氧化硅为核层种子，与丙烯酸酯单体进行原位聚合，但固含量高，且二氧化硅粒径只能控制在一定范围内，但是调控工艺复杂，影响因素较多。随着硬单体的滴加最终得到的压敏胶粘剂的残胶量较多，初粘性和持粘性不能很好的达到平衡，并且耐溶剂性能和耐热性比较差，性能仍需优化。

发明内容

本发明的目的在于针对当前乳液型压敏胶具有高温稳定性差、耐化学性差等问题，提出一种聚四氟乙烯乳液改性聚丙烯酸酯乳液压敏胶的制备方法。该方法区别于之前的原位聚合方法，采用物理共混法，选用具有优异性能的聚四氟乙烯乳液和通过预乳化和半连续聚合方法制备的丙烯酸酯压敏胶乳液；乳液聚合选用一种新型的阴离子乳化剂以及多层聚合单体进行聚合，改善物料的加料方式，优化反应条件制得丙烯酸酯乳液，然后与聚四氟乙烯乳液进行物理共混，最终得到了耐高温、耐化学综合性能优异的改性压敏胶体系。本发明实验操作简单可控性能强。

本发明的技术方案为：

一种聚四氟乙烯乳液改性聚丙烯酸酯乳液压敏胶的制备方法，包括如下步骤：

a、内层单体的预乳化

按照以上配比，向反应器中加入乳化剂和去离子水，并混合搅拌；再加入丙烯酸酯类单体，并混合搅拌，即获得内层单体预乳液，备用；

b、外层单体的预乳化

将上述各组分放入另外一个容器中，混合搅拌，即得到外层单体预乳液，备用；

c、聚丙烯酸酯乳液的制备

向盛有a步骤内层单体预乳液的反应器中，抽真空后用氩气置换；然后继续通入氩气，冷凝器中通冷凝水，在搅拌状态下将反应物升温至65.5°～73.5℃，待温度恒定后，在5～10分钟内匀速滴加引发剂水溶液1，然后反应1小时，内层单体聚合反应阶段结束；接着向反应体系中滴加b步骤制得的外层单体预乳液，同时在另一加料口也开始连续匀速滴加引发剂水溶液2；其中，引发剂水溶液2在10～15分钟内滴加完毕，外层单体预乳液则在180分钟内滴加完毕，完成外层增长；之后保温反应0.5～2小时，再降至室温，调制体系的pH值为7，即得到聚丙烯酸酯乳液。

所述的步骤a、b中的丙烯酸酯类单体均为丙烯酸戊酯；

所述的步骤b中的功能单体混合物为甲基丙烯酸和丙烯酸羟乙酯的混合物，其中，甲基丙烯酸的质量占功能单体混合物的45％～55％；

所述步骤a、b中所用的乳化剂均为阴离子乳化剂；步骤b中链转移剂为十四烷基硫醇；

其中，所加入物料的质量比为内层单体预乳液：外层单体预乳液＝143.52：(181.32～206.76)；

所用引发剂为过硫酸盐，以水溶液的方式加入，具体配比如下：

过硫酸盐的质量份数 水的质量份数

引发剂水溶液1 0.26 15

引发剂水溶液2 0.15 50

其中，质量比引发剂水溶液1：外层单体预乳液：引发剂水溶液2＝15.26：(181.32～206.76)：50.15；

d、将所述的聚丙烯酸酯类乳液和粒径为118nm、固含量为50％的聚四氟乙烯乳液(PTFE)混合，然后在280～350转/分钟速度下搅拌0.5小时，最后得到改性的压敏胶复合乳液；其中，质量比聚丙烯酸酯类乳液：聚四氟乙烯乳液＝100:0～91:9。

所述步骤a、b中所用阴离子乳化剂均为丁二酸二戊基磺酸钠。

所述步骤c中所用的过硫酸盐为过硫酸胺。

上述步骤d中所用的聚四氟乙烯乳液由广东松柏化工有限公司提供(市售产品)。

以上物质具体质量并非对发明的限定，实际生产中，根据所需产品量按照上述质量比例整体扩大或缩小。

本发明的有益效果是：采用预乳化半连续聚合的方法制得的聚丙烯酸酯乳液，聚合单体为丙烯酸戊酯、丙烯酸和丙烯酸羟乙酯，其中以水为分散介质，采用改进的间歇加料的方式和一种新型阴离子乳化剂制备多层单体组成的丙烯酸酯类乳胶粒子乳液，实现了乳液聚合体系的稳定，制得的乳液每隔30分钟取一次样测得的单体的转化率特别高(99％)，单体全部参与共聚反应无残留。粒径分布很窄，分布系数近为0.011，没有二次成核现象，按照乳胶粒子乳液的设计方式生长，此聚合反应制备的压敏胶乳液本身具有较好的初粘性且绿色环保可用于比较苛刻的医学等领域。同时由于聚四氟乙烯乳液具有优异的性能，为提高聚丙烯酸酯乳液的性能，采用物理共混法制备氟乳液改性的聚丙烯酸酯乳液，得到具有两者优异性能的压敏胶。物理共混改性是将自制的聚丙烯酸酯乳液调节pH值到中性，并以一定的配比和含氟乳液混合通过分子间链段的相互缠绕或基团分子间的相互作用力，包括范德华力、静电作用，甚至氢键。经PTFE乳液物理共混改性的丙烯酸酯压敏胶乳液的持粘力和残胶量都有很大改善，方法实施起来比较简单，通过调控两种乳液的用量，实现复合乳液压敏性能的可控。当丙烯酸酯共聚物与PTFE乳液(粒径为118nm、固含量为50％)的质量比为94:6～92:8时，复合乳液的初粘性能是丙烯酸酯共聚物乳液的2.5倍，剥离强度是丙烯酸酯共聚物乳液的3.1倍，同时持粘性能和耐溶剂性能均有大幅度的提高。时此方法操作简单，成本低，适合工业生产并且在一定共混比例范围内，制得较好的耐高温、耐化学综合性能优异的改性压敏胶体系。

附图说明

图1为实施例1中丙烯酸酯类共聚物的乳胶粒子的转化率随反应时间的变化曲线。

图2实施例1中丙烯酸酯类共聚物的乳胶粒的粒径随反应时间的变化曲线。

图3为实施例1中最终乳液的动态光散射粒径分布图(采用英国Malvern公司的Zetasizer ZS90动态光散射仪测试)。

具体实施方法

结合以下的实施例，对本发明作进一步的详细说明，但并不限制本发明的范围，实施本发明的过程、条件、试验方法等，除以下专门提及的内容外，其余均为本领域的普通知识和公知常识。

实施例1：

a内层单体预乳液的制备

首先，向500ml四口烧瓶中加入0.52g丁二酸二戊酯磺酸钠乳化剂和135g的去离子水，并混合搅拌20分钟；再向反应器中加入8g丙烯酸戊酯，继续搅拌20min，即获得内层单体预乳液，静置，备用。

b外层单体预乳液的制备

将1.86g阴离子乳化剂丁二酸二戊酯磺酸钠、112g丙烯酸戊酯单体、40g甲基丙烯酸、40g丙烯酸羟乙酯功能单体、0.06g十四烷基硫醇链转移剂加入到400ml烧杯中，然后放置在电磁搅拌上混合搅拌20分钟，即得到外层单体预乳液，静置，备用；

c聚丙烯酸酯乳液的制备

向a步骤盛有143.52g内层单体预乳液的500ml四口烧瓶中，抽真空后用氩气置换三次，以除去氧气，实现体系的惰性气氛；然后继续通入氩气，冷凝器中通冷凝水，在搅拌状态下将反应物升温至65.5℃，待温度恒定后，在以2滴/秒的速度在8分钟内匀速滴加引发剂水溶液1，反应1小时后内层单体聚合反应阶段完成然后向反应体系中以3滴/秒的速度滴加b步骤制得的外层单体预乳液，同时在另一加料口以2滴/秒的速度15分钟内连续匀速滴加引发剂水溶液2，外层预乳液b在180分钟内滴加完毕完成外层增长；之后再保温0.5小时，降至室温取出后将浓度为20％的氨水逐滴加入到聚合物乳液中，边滴加边搅拌，用酸度计监测其pH值，直至pH值为7，即得聚丙烯酸酯乳液。

所用引发剂为过硫酸胺。在使用时需以一定比例加入去离子水，并在电磁搅拌器上搅拌溶解20分钟制成引发剂水溶液。具体配比如下：

过硫酸胺的质量/g 水的质量/g

引发剂水溶液1 0.26 15

引发剂水溶液2 0.15 50

d共混改性聚丙烯酸酯复合乳液压敏胶的制备

取上述聚丙烯酸酯乳液100g，不添加聚四氟乙烯乳液(粒径为118nm、固含量为50％)，即以聚丙烯酸酯类乳液为主体的压敏胶，进行胶乳涂布。本实验选用厚度为75μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作为基材，保护纸选用SL79有机硅纸，以槽深为60μm的Elcometer 4360/15涂覆棒作为涂覆工具。将PET薄膜裁剪成B5纸张大小，用丙酮擦拭干净并自然晾干。将混合乳液均匀连续地倒在基材薄膜的固定端。先将涂覆棒在基材薄膜上的胶乳中滚动几次，使它完全被胶乳覆盖，然后以大约6cm/s的速率在基材薄膜上拖拽涂覆棒，得到均匀连贯涂布的胶膜，随后将其放入鼓风式烘箱中在105℃下干燥4分钟。最后，将干燥好的薄膜取出冷却半分钟，把保护纸经有机硅处理过的一面朝下覆盖在胶层上，展平后赶出气泡，备用。

实施例2～7具体步骤同实施例1，但是实施例2～6中步骤d中聚丙烯酸酯乳液与聚四氟乙烯乳液(粒径为118nm、固含量为50％)的质量份数不同，见表1。将制备好的纯丙烯酸酯乳液与聚四氟乙烯乳液按照一定比例进行复配，制备一系列聚四氟乙烯乳液含量不同的复合乳液，随后进行压敏性能测定，结果见表3。

表1实施例1～7中两乳液的质量份数

对制备的聚丙烯酸酯乳液的表征如下：

本发明在聚丙烯酸酯乳液制备过程中，每间隔30分钟取样2ml，0.05ml经去离子水稀释后，在Malvern Zetasizer Nano-ZS90动态激光粒度分析仪检测乳胶粒的最终粒径为254nm，如图2所示；另外，最终乳液的乳胶粒粒径分布见图3，其粒径分布指数为0.012。因此，该聚丙烯酸酯乳液的粒径分布指数远小于0.2，说明乳液体系中乳胶粒粒径大小非常一致。

剩余的1.95ml部分用于测定聚合单体的瞬时转化率和总转化率，见图1。称重后(记湿烧杯重量)放入80℃的烘箱中干燥24小时，至质量不变后再称重(记干烧杯重量)。

单体转化率的计算

总转化率OC：

瞬时转化率IC：

式中：M_i为第i次取样时乳液总质量，S_i为第i次取样时的固含量，m'为至第i次取样时加入引发剂的总质量，Δm为至第i次取样时加入乳化剂、交联剂的总质量，M₀为加入单体的总质量，M为至第i次取样时加入单体的质量。

聚结物含量计算公式如下：

式中：w'为干燥前聚结物与烧杯的总质量，w为干燥后聚结物和烧杯的总质量，w₀为配方中所用丙烯酸酯类单体的总质量。

由图1可知，单体的最终转化率为99.97％，聚集物含量为0，说明加入反应器的单体都参加了反应。

对测试样条的制备如下：

在粘性测试中，依照表2所列尺寸裁剪粘性测试所需压敏胶带，要求胶带的切痕应干净、平直，每类胶带样条至少裁剪3个，备用。

表2压敏胶粘性测试中测试样条的尺寸

所得乳液的性能测试：

耐溶剂性能：把涂布有压敏胶乳液的薄膜烘干后，放置在甲苯中30分钟后取出观察是否有脱离或溶胀，脱落为不合格，溶胀明显但不脱落为良好，溶胀不明显或轻微溶胀为优秀。

耐热性性能：将涂在薄膜上的压敏胶粘在钢板上，在140℃、160℃、180℃、200℃、220℃的烘箱内放置30min，取出钢板进行热剥离和冷剥离，观察是否有残胶。

初粘力测试：本实验根据英国FINAT Testing 9标准测试压敏胶的初粘性能，此标准采用垂环初粘测试法测定压敏胶粘剂的初粘力(N/25mm)。每个试样选取三个裁剪好的宽度为25±0.5mm，长度为200mm的样条进行测试，剥去隔离纸，对折，折成环状，涂有胶乳有粘性的一面向下，将其重叠的一端固定在试验机上夹板中；将标准不锈钢板固定在下夹板(水平)，开动试验机，下降上夹板，使胶带垂环与不锈钢板表面完全接触，随后以300mm/min使胶粘带与不锈钢板马上分离，记录最大力。实验仪器：拉伸试验机(垂直夹具，分离速度300mm/min)、表面平整的不锈钢板。测试条件：测试温度为23℃±2℃；每个样条测试前至少在测试条件中放置24h；分离速率300mm/min。

剥离强度测试：本实验根据英国FINAT Testing 1标准测定压敏胶粘带180°剥离强度(N/25mm)。除去每个试样条的保护纸，将每个样条涂有胶乳有粘性的一面向下，放在测试片上并施以轻轻的指压。用标准试验辊以大约10mm/s的速度在各个样条上来回滚压2次，使胶粘剂和被粘表面充分接触，放置24小时后进行测试。用同样的方法处理第二组样条，放置24h后进行测试。将试样条和不锈钢板固定在试验机上，使剥离角成180°。将试验机夹具的分离速度设为300mm/min。试样制备：试样制备：试样胶带宽25mm±0.5mm，长度200mm，试样胶条之间的切痕应干净、平直。每种试样制备6个样条，每个接触时间试验使用3个相同的样条。测试条件：测试温度为23℃±2℃；每个样条测试前至少在测试条件中放置24h。剥离速率为300mm/min。

残胶量：180°剥离钢板残胶面积。

持粘力测试：本实验根据英国FINAT Testing 8标准测试压敏胶的持粘性能。首先将不锈钢板用丙酮溶剂擦洗干净，除去每个试样条的保护纸后将每个样条涂有胶乳的一面向下，仔细地粘贴在紧靠的两块玻璃片上，先施以轻轻的指压，然后用标准试验辊以大约10mm/min的速度在各个样条上来回滚压3次，使胶粘剂和被粘表面完全接触。放置24小时后进行测试。将试样条下悬挂一质量1kg为砝码，记录落下所需时间，即为压敏胶粘剂的持粘力。实验仪器：恒重砝码(1kg)、标准试验辊、表面平整的不锈钢板。试样制备：试样胶带宽25mm±0.5mm，长度75mm，试样胶条之间的切痕应干净、平直。

图1为实施例1中丙烯酸酯类共聚物的乳胶粒子的转化率随反应时间的变化曲线图。由图可以看出，丙烯酸酯单体的瞬时转化率一直维持在比较高的水平，随着反应时间的推移，单体的总转化率逐步提高，最后均可达到99.97％以上，说明反应过程中引发剂的加入量、加入时间和方式合适，加入反应体系当中的单体能立即参与到反应中，且大部分都发生了聚合。

图2为实施例1中聚丙烯酸酯共聚物的乳胶粒的粒径随反应时间的变化曲线图，由图可见，随着反应时间的延长，乳胶粒粒径一直呈现增长趋势，加入的单体的种类、引发剂的加入量和加入方式三者是匹配的，如在加入新单体时未反应的单体含量较高时，容易在乳液体系中形成新的胶束，导致新加入的单体在胶束表层成长，形成二次成核现象，图2中乳胶粒子的粒径随着反应的进行粒径一直呈增长趋势，没有形成新的乳胶粒子，补加的乳化剂量合适，乳胶粒子按照设计的方式增长呈现可控现象。图3为实施例1中最终乳液的动态光散射粒径分布图(采用英国Malvern公司的Zetasizer ZS90动态光散射仪测试)，由图可以看出，粒径分布很窄，分布系数近为0.012，说明没有二次成核现象，且实现乳胶粒子的窄分布和粒径及组成的可控反应，符合种子乳液聚合反应机理。由图2可以得出乳胶粒的最终粒径为259nm。

由聚丙烯酸酯乳液和聚四氟乙烯与聚丙烯酸酯复合乳液的压敏性能测试和耐溶剂性、耐热性测试如果如下：对不同含量聚四氟乙烯乳液共混改性聚丙烯酸酯复合乳液的压敏性能测试结果，见表3。

表3不同含量聚四氟乙烯乳液共混改性聚丙烯酸酯复合乳液的压敏性能结果汇总

由表3可以看出，聚丙烯酸酯乳液制备的压敏胶样条，初粘性能较好，但是内聚力较低，导致剥离强度和持粘力性能较差；当与一定量的聚四氟乙烯乳液共混后，体系中聚四氟乙烯含量较低时，易出现聚四氟乙烯乳液颗粒沉淀的现象，导致混合体系的体系的初粘性能在一定程度上降低或者提升不大。当聚四氟乙烯乳液含量达到一定程度时，沉淀现象消失，与聚丙烯酸酯乳液有较好的相互作用，内聚能提高，初粘力、180°剥离力和持粘强度均提高。当聚四氟乙烯乳液含量超过6％时，初粘性能呈下降趋势。由于聚四氟乙烯乳液存在大量低极化率和高结合强度的碳-氟键，具有卓越的耐候性、优异的耐化学腐蚀性。由表可以看出，物理共混改性具有在一定的共混比例范围内，体系有较好的压敏性能的特点，聚四氟乙烯具有强极性、易剥离的优点，与丙烯酸酯共聚物共混的复合乳液得到的压敏胶其残胶量有明显的改善，均能达到本发明的技术效果。其中实施例2～7，当聚四氟乙烯乳液含量分别为1％、3％、5％、6％、8％和9％时，均能达到本发明的技术效果，且在一定的共混范围中，获得较好的耐温性和耐溶剂性能和优异的压敏胶粘剂综合性能。当丙烯酸酯共聚物与PTFE乳液的质量比为94:6～92:8时，复合乳液的初粘性能是丙烯酸酯共聚物乳液的2.5倍，剥离强度是丙烯酸酯共聚物乳液的3.1倍，同时持粘性能和耐溶剂性能均有很大的提高。

本发明未尽事宜为公知技术。