己內酯技術在反應型熱熔膠中的優勢

反應型熱熔膠在各種最終應用領域具有優勢，包括紡織、木工、建築、汽車、書籍裝訂和電子產品。 與傳統的非反應性熱熔粘合劑相比，應用後的初始重結晶與隨後的聚氨酯聚合相結合，使這種類型的粘合劑平台具有優異的粘合性能，以及增強的耐化學性和耐熱性。

聚己內酯通過開環合成路線聚合，其中己內酯單體通過引髮劑部分開環。 引髮劑部分是羥基官能化分子，可以是二醇、三醇或四醇（圖 1）。

圖一：聚已内酯的開環聚合

圖 1 所示的機理是所生產的特種產品的起源，因為己內酯多元醇具有低酸值（最大 0.25），可提供應用耐久性、低色度和窄多分散性（<1.5）。

在反應型熱熔膠中，聚己內酯多元醇通常是分子量在2,000至4,000之間的二醇，用於聚氨酯結構的軟鏈段中。 除了聚己內酯多元醇之外，還使用聚己內酯熱塑性塑料來增強粘合劑的性能。 聚己內酯熱塑性塑料可提高粘合劑的原始強度，並與聚氨酯預聚物結合使用。

在英國沃靈頓的 Ingevity 新創新中心進行的一項研究全面表徵了 4,000 MWt 己內酯二醇與市售聚酯二醇的性能。 表 1 顯示了研究中使用的多元醇的詳細信息。

表一：RHMA研究中的多元醇

在考慮聚氨酯軟鏈段的所需性能時，配方設計師有多種多元醇化學成分可供選擇。 通常使用分子量為 1000-2000 的聚醚多元醇，並摻入聚酯化學成分以提高粘合水平或調節結晶度以控制粘合劑的開放時間。 表 1 中提供的多元醇以及本文中提供的後續數據證明了通過開環聚合生產的己內酯多元醇可實現的性能優勢。

合成了異氰酸酯含量過量 3% 的反應型聚氨酯熱熔膠。 配方保持簡單，以便分別對己內酯和聚酯二醇進行直接比較。 本研究中的配方基於二醇和單體亞甲基二苯基二異氰酸酯(MDI) 之間的反應，其中異氰酸酯含量過量3%，以允許異氰酸酯和環境水分之間進行後續反應，將最終粘合劑轉化為熱固性聚合物。

下面介紹了兩種反應性熱熔粘合劑的完整特性（粘度、粘合力、拉伸性能和開放時間），一種基於4,000 MWt 聚己內酯二醇，另一種基於市售聚酯二醇。

粘性

使用帶有 Thermosel 的 Spindle 27 的 Brookfield 粘度計測量粘合劑在應用溫度 (120-130 ⁰C) 下的粘度。 粘度是一個需要考慮的重要參數，因為它允許配方設計師考慮粘合劑如何潤濕基材，以及在多孔基材上，如果粘合劑可以滲透到基材的結構中。

圖2 : 30 mw 聚酯多元醇3500 分鐘後的粘度：MDI 粘合劑在2 ⁰C 時為5.120% NCO，3500 mw 聚酯多元醇：MDI 3% NCO 在130 ⁰C 和己內酯4000 mw 多元醇： MDI 3% NCO 粘合劑在120 ⁰C 下。

如圖2所示，己內酯基粘合劑的粘度低於聚酯基粘合劑的粘度。 即使溫度降低 10 ⁰C，粘度也會降低，這進一步強調了這一點。 正如所指出的，在考慮粘合劑的潤濕和流動特性時，這可以帶來好處。 它還提供了降低粘合劑應用溫度的選項，這可以節省能源並有助於保護敏感基材免受高溫影響。

聚己內酯較低的粘度歸因於其開環聚合合成路線及其帶來的多分散性的控制。

附著力

採用搭接剪切法測量基材之間的附著力（Fmax，N/mm2），並且在測試過程中還記錄了失效機制。 通過熱熔槍在 120°C 下施加粘合劑，並將粘合的製品在 23°C 和 50% RH 下放置 8 天以固化。 使用圖 3 和 4 中顯示的數據對測試中的基材、聚碳酸酯 (6mm)、山毛櫸木 (6mm) 和鋁 (2mm) 進行了研究。

圖3 : 搭接剪切附著力 Fmax （N/mm2），適用於聚酯和己內酯基粘合劑與聚碳酸酯和山毛櫸木。

圖4 : 搭接剪切附著力，Fmax （N/mm2），適用於聚酯和己內酯基粘合劑與鋁的粘合力

從圖 3 可以明顯看出，粘合劑的性能在聚碳酸酯上相當。 對於山毛櫸木，己內酯基粘合劑一直會導致基材失效。 山毛櫸木在測試過程中出現裂紋，而相比之下，聚酯基粘合劑在相同的測試條件下出現粘合失敗。 可以假設，較低粘度的己內酯粘合劑潤濕並進一步滲透木材，以产生更多的機械粘合情况，從而引發這種故障類型。

圖 4 說明了與聚酯基粘合劑相比，己內酯基粘合劑的粘合力有所提高。 這可能會引起從事電子或汽車應用的配方設計師的興趣，因為鋁的粘附力對質量至關重要。

拉伸性能

通過張力計按照 ISO 37:20051 中規定的尺寸測量薄粘合膜 (0.5mm) 的機械性能。 與聚醚相比，將聚酯摻入反應性熱熔膠配方中不僅有利於粘合性，而且還可以提高固化粘合膜的機械性能。

研究表明，己內酯基粘合劑的 Fmax (MPa) 值與聚酯相當，約為 24 MPa。 兩位候選人的伸長率也一致，斷裂前伸長率為 520%。 因此，己內酯基粘合劑可以實現一流的機械性能並保持低粘度。

開放時間

本研究中粘合劑的開放時間是通過在 0 ⁰C 的溫度下將 0.2 克粘合劑塗在木製壓舌板上來定義的。 當粘合劑不能潤濕第二基材以形成令人滿意的粘合時，使用經過的時間來定義粘合劑的開放時間。 為了了解所研究的多元醇和最終粘合膜的熱行為，使用差示掃描量熱法 (DSC) 測量玻璃化轉變溫度 (Tg) 和再結晶溫度 (Tc)，如表 2 所示。

表 2 »通過 DSC 測量的多元醇和最終固化膠膜的 DSC 數據，溫度以 ⁰C 表示

己內酯多元醇和後續粘合劑的玻璃化轉變溫度和再結晶溫度 (⁰C) 較低。 這也意味著己內酯基粘合劑的開放時間更長（聚酯粘合劑為 7 分 30 秒，而聚酯粘合劑為 3 分 45 秒）。 己內酯粘合劑的開放時間延長，為研究改變開環聚合中引髮劑部分的影響提供了空間（見圖1）。 通過在引髮劑部分中引入更長的碳鏈、環結構或芳香性，可以改變最終粘合劑的結構性能關係，從而減少粘合劑的開放時間。

表 3 »聚酯多元醇和不同引發的己內酯分子的玻璃化轉變和重結晶溫度。溫度以 ⁰C 表示。

在這項研究中，發現多元醇的重結晶溫度 (Tc) 是最終粘合劑後續開放時間測試的最佳指標。 己內酯引髮劑 C 證明了這一點，其 Tc 為 29℃，開放時間為 4 分 45 秒。 這比目前市售的己內酯多元醇縮短了 2 分 45 秒。

通過改變引髮劑的化學性質，不僅可以縮短開放時間，而且還可以保持己內酯平台提供的增強粘合力和降低粘度的優點。

概括

這項研究為在反應性熱熔膠配方中使用己內酯技術的強大價值主張提供了支持數據。 己內酯多元醇生產低粘度反應性熱熔粘合劑，可改善加工條件並增加基材潤濕性。

測量發現鋁和山毛櫸基材的附著力水平均有所提高。 聚酯和己內酯的機械性能相當。

通過 DSC 研究了所研究的多元醇和配製的粘合劑的熱行為，並將其與粘合劑的開放時間聯繫起來。 結果表明，己內酯基粘合劑比聚酯替代品具有更長的開放時間。 較長的開放時間對於粘合複雜和敏感基材的應用是有益的。 已採用創新策略來提供己內酯多元醇，其提供具有更短開放時間的反應性熱熔粘合劑，但保持現有己內酯產品的較低粘度和增強的粘合力。

圖文來源：adhesivesmag