氣相二氧化矽在膠粘劑和密封劑配方中的作用

2021-01-21 hc360慧聰網

    慧聰表面處理網訊：氣相二氧化矽為膠粘劑和密封劑提供多種性能優勢

    在聚合物基材的膠粘劑和密封劑的產品配方中常會使用到顆粒來增強產品的功能。通用詞「氣相二氧化矽」是指具有不同的表面化學，從親水型到疏水型的一系列廣泛的顆粒產品。氣相二氧化矽通常用作流變控制添加劑；提供抗流掛性，防止填料沉降，剪切稀化粘度。這系列產品在不同的聚合物體系表現出不同的兼容性，使得配方在流變性能上可實現精細調節。

    與此同時，配方體系可通過控制顆粒與顆粒的相互作用以及顆粒-基體界面的粘合性來增強液體系統的粘彈性響應，這種相互作用可以產生理想的粘彈性，也是得到牢固結合的硬質材料的一種方法，延長斷裂路徑，以及在界面結合處耗散部分能量1，這些屬性使材料的性能大幅提高。本文介紹了近年來氣相二氧化矽在一些應用開發的研究結果，闡明了這些相互作用有助於科研工作者和工程師開發新的膠粘劑和密封劑。

    氣相二氧化矽不僅在流變控制方面充分證明其效能顯著，同時也有效的增強固化後膠粘劑的強度。本文中的三個示例描述了通過氣相二氧化矽對聚合物的補強，從而得到更高性能的膠粘劑或密封劑。

    透明甲矽烷封端聚合物類

    高清晰度的STP類型膠粘劑和密封劑在「自助式」（DIY）市場是消費者的首選。在歐洲，這些產品的生產已改用透明包裝，以突出這一優勢。產品配方中如用蠟，粘土和碳酸鈣為添加劑實現流變控制和STP膠粘劑和密封劑的補強，這些增強助劑因折射率與聚合物基體不匹配而使產品不透明，氣相二氧化矽則相反，其折射率與聚合物基體非常接近，而不明顯影響產品的透明度。氣相二氧化矽因此被廣泛使用作透明STP膠粘劑和密封劑中的增強劑。

    在STP或聚氨酯這一類使用溼氣的固化系統中使用親水型氣相二氧化矽，由於親水型二氧化矽的快速水吸附能力可能會造成產品過早固化。解決這一難題可以有幾種選擇，包括添加工藝步驟（預乾燥親水型二氧化矽，或通過熱和真空混合期間除去水份）；或添加額外組分（化學乾燥劑）；一個更好的選擇是選用疏水型而不是親水型氣相二氧化矽，可以大大減少甚至消除這些額外的處理步驟。

    兩種疏水型氣相二氧化矽添加劑，CAB-O-SIL®TS-610或CAB-O-SIL®TS-720，分別混配在含有MS聚合物™SAX400甲矽烷基封端的聚醚，二異壬酯和有機錫催化劑的配方模型中，可以清晰地觀察到在該系統中氣相二氧化矽表面化學所賦予的流變效應。氣相二氧化矽CAB-

    O-SIL®TS-610的較弱的疏水性能，使顆粒-基體的相互作用增強，提供了接近牛頓流體的流變性。與此相反，CAB-O-SIL®TS-720擁有較強的疏水性能，使顆粒-基體相互作用減弱，而顆粒—顆粒相互作用增強，使得體系具有了觸變性能；體系具有一定屈服應力，耐流掛以及如圖1中的剪切變稀的粘度。

    上述中任意一種氣相二氧化矽，顆粒-基體相互作用都足以增加體系的拉伸強度和大於3倍的斷裂伸長率（如圖2）。隨著氣相二氧化矽用量的增加，抗拉強度和斷裂伸長率會增加，但是粘度也會同時大幅增加，從而限制了更多的氣相二氧化矽加入量。

    單組份聚氨酯類

    與其它同等重量的流變控制添加劑相比，高表面積的炭黑和氣相二氧化矽作為增強劑更有效。炭黑可用來增加粘度，提供抗流掛性，並提高汽車擋風玻璃膠粘劑的內聚強度。同樣，塗覆沉澱碳酸鈣（PCCs）也用於STP和聚氨酯膠粘劑和密封劑的流變控制。那些PCCs帶有疏水性塗覆（例如，脂肪酸，或硬脂酸）在聚氨酯體系中提供剪切稀化的流變性能及適度增加粘合強度。

    圖3給出了在單組分溼氣固化的聚氨酯膠粘劑中，配方包含了NCO含量<2%的聚氨酯預聚物與二異壬酯增塑劑，重質碳酸鈣填料和有機錫催化劑，但在配方中僅選用疏水型氣相二氧化矽或塗覆的PCC其中一種進行搭接剪切強度的對比。

    如圖3，在相同重量配比的基礎上，與PCC相比，疏水型氣相二氧化矽明顯表現出更高的粘接強度。不僅可以降低其在配方中的投入量；並且疏水型氣相二氧化矽具有比碳酸鈣更低的比重，大大減少了此類填料在粘合劑中的重量；從而有助於一些關注膠黏劑重量佔比的特殊應用領域（例如，汽車輕量化）。

    壓敏膠粘劑

    氣相二氧化矽聚集體可用於改善成膜工藝及性能，如天然橡膠，聚氯丁二烯，丙烯酸酯，和許多其他水基膠乳乳液。這些亞微米，高比表面積的顆粒可降低乾燥時間，通過調製毛細管壓力減輕裂紋的形成，從而增強最終產品的機械性能。在水中預分散的氣相金屬氧化物形態，例如CAB-O-SPERSE®分散體，是一種使這些顆粒容易進入粘接膜的有效「侵入」手段。

    卡博特應用開發團隊觀察到在水性壓敏膠粘劑中，由於摻入良好分散的氣相二氧化矽使得產品粘結剪切強度和熱機械性能顯著改善。在適用於壓敏膠粘劑應用的水性丙烯酸乳液的配製中，膠黏劑成膜中氣相二氧化矽的含量範圍從0到15%（乾重），該膜可在瑪拉薄膜上傾倒膠乳並且在110℃烘箱乾燥溼膜20-40分鐘而形成。該幹膜在室溫下冷卻，備覆塗蠟的脫模紙，以17英鎊重量勻速纏繞成卷，測試之前室溫下放置24小時。幹膜厚度分別為1.0至1.3微米。

    剪切烘箱內含兩列並八個位置的試樣架（見圖4），膜剪切強度以剪切力（1.1至4.4psi）和溫度（室溫至100℃）條件下測量。四個或更多樣品可在同樣給定的牽伸下進行樣品評價，可使相對標準偏差控制在15%或更低。該膜的剪切強度增強計算是以未增強膜的破壞的平均時間到標準膜破壞的平均時間。

    剪切測量顯示僅添加百分之幾的氣相二氧化矽便可使剪切強度增強。例如，常溫下的評價中，添加量4%（重量），剪切強度隨剪切力變化可增加8-20倍。在較高氣相二氧化矽添加量（8〜15%）和較高溫度（如100℃）時，剪切強度的增強結果更加驚人；添加了顆粒補強的膠黏劑相比於未含有顆粒補強的膠黏劑有千餘倍粘結剪切強度的增加。這個增強的結果是令人出乎意料的，因此我們目前正在研究在這些膠黏劑膜中是否因添加氣相二氧化矽分散體而形成了化學鍵。不管剪切強度增強的原由，薄膜的粘結強度的增加實在令人印象深刻。

    針對壓敏膠粘劑膜中是否添加氣相二氧化矽補強的剝離強度也給出了評價（設備：ChemInstrumentsAR-1000剝離測試儀）。以7英鎊的重量將10「×1」的膠粘劑條帶勻速滾壓粘附在不鏽鋼上；軋制結束及剝離試驗之間的時間間隔是一分鐘。添加氣相二氧化矽補強引起的剝離強度減少是相當有限的：氣相二氧化矽在重量0〜4%（重量）時，剝離強度逐漸線性降低至其初始值的75%。氣相二氧化矽在重量4%-8%（重量），沒有觀察到剝離強度進一步降低。

    在上述討論的壓敏膠粘劑中沒有使用增粘劑。對於產品要添加增粘劑提高粘合性，我們還通過實驗表明，氣相二氧化矽的補強彌補了由於增粘劑的添加（例如Tacolyn3509）而導致的剪切強度的損失。通常添加增粘劑會引起剪切強度20-40%的損失，而這個損失可以通過添加2-4%重量的氣相法白炭黑補強很容易地恢復。

    結論

    通過選擇氣相二氧化矽適當的表面化學以平衡顆粒-基體和顆粒-顆粒之間相互作用的強度可使配方達到目標性能，具有在未固化狀態時目標值的流變以及固化後粘合劑或者密封劑強度的目標值補強。在廣泛的粘合劑中，從壓敏膠到聚氨酯膠，氣相法二氧化矽是多功能的顆粒，並且在補強方面貢獻卓越。

    作者：卡博特集團應用開發部Elizabeth Sims和Christopher Galli

    參考文獻：(1)Akcora,et.al,Nature Materials,2009,8(4)354-359.

責任編輯：鄭必佳

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