技术领域
本发明涉及热熔辅助水性粘合剂(hot melt assist waterborne adhesive)。特 别地，所述热熔辅助水性粘合剂适于作为用于包装制品的热熔粘合剂的部 分或完全替代。本发明的热熔辅助水性粘合剂可以用降低的压力挤出，并 且所述粘合剂保持高幅度的珠粒轮廓(high amplitude bead profile)并填充基 材之间的间隙以形成包装制品。
背景技术
纸张加工和包装操作需要用粘合剂将纤维素片材(例如纸板或硬纸板) 粘结在一起。通常，将水性粘合剂或热熔粘合剂施加到一个或两个基材上， 并且将基材压在一起以彼此粘合，从而形成壳体、纸箱、袋提手、农用盒、 散装盒层合体、胶合搭接等。
在高度压紧无法实现的某些纸张加工和包装操作领域中，热熔粘合剂 优于水性粘合剂。挤出的热熔粘合剂线具有高幅度的珠粒状轮廓，从而允 许纸制品的基材即使存在小的间隙也能粘结在一起。热熔粘合剂的快速凝 固性质还允许快速和有效通过量的包装或加工操作。然而，热熔粘合剂的 缺点包括低的耐热性、高的能量使用和非可再制浆性。
水性粘合剂通常用于施加薄的粘合剂膜而不是厚珠粒并且可以实现坚 固和长时间的压紧的纸张加工和包装操作中；然而，水性粘合剂不容易在 两个不平坦的基材(例如来自瓦楞纸的波浪形的那些)之间实现“间隙填充”。 尽管增加水性粘合剂的粘度特别是低剪切粘度将有助于克服珠粒流挂 (sagging)问题，从而实现“间隙填充”，但粘的粘合剂由于其高粘度难以挤出。 此外，水从粘的水性粘合剂层或珠粒非常缓慢地排出(蒸发)，从而使得此类 粘合剂的通过量远远低于热熔粘合剂的通过量。
本发明通过使用具有膨胀的微球体的水性粘合剂组合物改善常规的水 性粘合剂在纸张加工和包装操作中的缺点。本发明的水性粘合剂可以在纸 张加工和包装操作中作为热熔辅助粘合剂替代一个或多个热熔粘合剂珠粒 线以改善性能。
发明内容
本发明涉及热熔辅助水性粘合剂。本发明提供纸张加工和包装操作中 的至少一个热熔粘合剂线的替代，其在较低的挤出压力下以高幅度的(珠粒) 轮廓施加，保持高的幅度，并且允许快速蒸发，从而实现增加的通过量和 更高的耐热性。此外，与常规的热熔粘合剂和水性粘合剂相比，所述热熔 辅助水性粘合剂的施加需要更少的能量，例如热和压力。
在第一实施方案中，提供包含乳液聚合物、防腐剂、水和多个预膨胀 的中空微球体的热熔辅助水性粘合剂组合物。所述热熔辅助水性粘合剂中 的微球体的体积分数在约10-约40V/V％的范围内。所述热熔辅助水性粘合 剂替代用于纸张加工和包装操作的热熔粘合剂的一些或全部部分。
另一个实施方案提供制品，其是用包含多个预膨胀的中空微球体的热 熔辅助水性粘合剂组合物粘结到另一纸板的纸板。
又一个实施方案提供用热熔辅助水性粘合剂组合物将两个基材接合在 一起的方法，包括以下步骤：(1)制备包含乳液聚合物、防腐剂、水和多个 预膨胀的中空微球体的热熔辅助水性粘合剂组合物，(2)将热熔辅助水性粘 合剂组合物挤出到第一基材上，(3)将第二基材接合到粘合剂上，(4)将水从 热熔辅助水性粘合剂组合物蒸发，由此将两个基材接合。包含膨胀的中空 微球体的热熔辅助水性粘合剂的施加或挤出压力小于没有膨胀的中空微球 体的常规水性粘合剂的施加压力。
附图说明
图1是各种粘合剂的粘度对剪切速率的曲线。
图2是各种粘合剂的干珠粒高度对添加量(add-on)的曲线。
图3是用于测量粘合剂的耐热性的测试工具。
具体实施方式
在纸张加工和包装操作中，与热熔粘合剂相比，典型的水性粘合剂需 要显著更长的时间来产生粘合性。由于不足的幅度高度(珠粒)和水性粘合剂 中水的蒸发，对于快速通过量操作，优选热熔粘合剂。
本发明提供可以部分替代热熔粘合剂的热熔辅助水性粘合剂组合物。 本文所述的热熔辅助水性粘合剂组合物可以用在具有两个纸板基材的传统 的纸张加工和包装操作中。通过使用本发明的热熔辅助水性粘合剂组合物， 可以在其附着的两个基材之间在粘合点提供较高幅度的间隙填充粘合剂。
本发明基于用于在纸张加工和包装操作中部分或完全替代热熔粘合剂 用于粘结纸板基材的包含多个可膨胀微球体的水性粘合剂组合物的发现。 高幅度的热熔辅助水性粘合剂间隙填充在两个基材之间。当水从热熔辅助 水性粘合剂蒸发时，在两个基材之间形成粘合。与常规的热熔粘合剂和常 规的水性粘合剂相比，所得粘合剂具有更高的模量和更高的耐热性。
在第一实施方案中，本发明包括包含乳液聚合物、防腐剂、水和多个 预膨胀的中空微球体的热熔辅助水性粘合剂组合物。
所述热熔辅助水性粘合剂包含具有约-50℃-约80℃，优选约-20℃-约 40℃的Tg值的乳液聚合物。例示性乳液聚合物包括聚乙烯醇稳定化的聚乙 酸乙烯酯乙烯分散体、聚乙烯醇稳定化的聚乙酸乙烯酯均聚物、糊精稳定 化的聚乙酸乙烯酯、糊精稳定化的乙烯共聚物、乙烯基丙烯酸系聚合物、 苯乙烯丙烯酸系聚合物、苯乙烯丁基橡胶、丙烯酸系聚合物、熟化的(cooked) 聚乙烯醇和其混合物、丙烯酸系单体，例如丙烯酸2-乙基己酯、丙烯酸丁 酯、丙烯酸己基乙酯、甲基丙烯酸甲酯等。对于热熔辅助水性粘合剂组合 物，特别优选的乳液聚合物包括聚乙烯醇稳定化的聚乙酸乙烯酯乙烯分散 体、聚乙烯醇稳定化的聚乙酸乙烯酯均聚物、糊精稳定化的聚乙酸乙烯酯 和糊精稳定化的乙烯共聚物。
乳液聚合物的固体含量在约40重量％-约70重量％的范围内。
可用在热熔辅助水性粘合剂组合物中的防腐剂包括1,2-苯并异噻唑啉 -3-酮的水分散体或2-吡啶硫醇-1-氧化锌的水分散体。作为5-氯-2-甲基-4- 异噻唑啉-3-酮和2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮的混合物的KathonTM防腐剂(Dow Chemicals)也适于所述热熔辅助水性粘合剂组合物。防腐剂可以按热熔辅助 水性粘合剂组合物凝固之前组合物的约0.05重量％-约1.0重量％的量使用。
所述热熔辅助水性粘合剂组合物包含多个预膨胀的微球体。可用于本 发明的微球体包括例如聚合物微球体，包括具有空气或烃核心和聚丙烯腈 壳的那些(例如以商品名出售的那些)以及其它类似的微球体(例如 以商品名出售的那些)。已发现，如果粘合剂组合物包含太高浓度 的预膨胀的微球体，则粘合剂的粘合性会不够。然而，如果预膨胀的微球 体的浓度太低，则凝固时间会延长。因此，当确定组合物中膨胀的微球体 的最佳浓度时，必须考虑加载水平这个考虑因素。优选地，热熔辅助水性 粘合剂的微球体的体积分数在约5-约60V/V％，优选约10-约40V/V％的范 围内。组合物中的微球体的所需量可以根据组合物中所使用的预膨胀的微 球体的特定直径进行调节。如果微球体的直径较小，则在粘合剂组合物中 的浓度较高，反之，如果微球体的直径较大，则在粘合剂组合物中的浓度 较低。
膨胀的微球体的尺寸在粘合剂完全凝固之前可以在一定范围内变化， 包括直径为约10微米到约200微米，优选约50微米到约150微米。
如果需要，可以将可膨胀微球体加入热熔辅助水性粘合剂中。为实现 可膨胀微球体的全部潜力，向粘合剂施加热和/或辐射以使微球体膨胀。
如本领域技术人员所理解的，本发明的热熔辅助水性粘合剂组合物在 基于流体乳液聚合物的粘合剂组合物中包含多个膨胀的微球体。在粘合剂 组合物完全凝固或固化之前，这些微球体能够在组合物内移动，在将水从 粘合剂组合物驱除并且粘合剂凝固后，微球体基本上锁定就位。
可以加入任选存在的组分以改性热熔辅助水性粘合剂。任选存在的组 分包括增塑剂、流变改性剂、填料、保湿剂和消泡剂。有用的流变改性剂 在低剪切速率下与乳液聚合物相容。例示性流变改性剂包括聚丙烯酸的碱 溶胀性乳液、疏水改性的碱溶胀性乳液、具有疏水性臂的丙烯酸系主链或 具有疏水性臂的氨基甲酸酯主链。可以根据乳液聚合物的pH选择适当的流 变改性剂。
可用于热熔辅助水性粘合剂的优选增塑剂包括苯甲酸酯类，例如来自 Eastman的BenzoflexTM增塑剂系列；己二酸酯类，例如来自Ashland的 增塑剂；磺酰胺类，例如来自Unitex的Uniplex等。可以使用如 本领域已知的任何期望的填料。可用于本发明的保湿剂帮助保持组合物的 粘度稳定性，并且可以包括例如甘油(glycerol、glycerine)；脲；丙二醇；三 乙酸甘油酯；糖类和糖醇类，例如山梨糖醇、木糖醇和麦芽糖醇；聚合多 元醇类，例如聚右旋糖，或者具有保湿性的任何其它期望的组成。有用的 消泡剂包括系列(Munzing)、配制物添加剂系列(BASF)和 消泡剂系列(Air Products)。所述任存在选的组分以至多约10重量 ％的热熔辅助水性粘合剂的少量加入。
所述热熔辅助水性粘合剂还包含水。在期望的实施方案中，在组合物 凝固之前，所述粘合剂组合物所包含的水的量为热熔辅助水性粘合剂组合 物凝固之前组合物的约30重量％-约75重量％，最期望地，组合物凝固之 前组合物的约40重量％-约60重量％。
所述热熔辅助水性粘合剂替代用于纸张加工和包装操作的热熔粘合剂 的一些或全部部分。在纸张加工和包装操作中，将常规的热熔粘合剂以多 线珠粒施加到基材上。热熔粘合剂具有高的初始粘性并且将两个基材结合 在一起，并且随着热熔粘合剂冷却，在两个基材之间形成粘结。在纸张加 工和包装操作中，本发明的热熔辅助水性粘合剂可以替代多线珠粒中的至 少一个。包含常规的热熔粘合剂和本发明的热熔辅助水性粘合剂两者的纸 张加工和包装操作具有更高的耐热性和降低的能量输出而不降低操作的高 通过量。
在其它实施方案中，本发明提供用于提供具有改善的耐热性的壳体或 纸箱的试剂盒。在这个实施方案中，所述试剂盒包括两部分，即第一部分 和第二部分，期望将它们储存在单独的容器中。第一部分包含常规的热熔 粘合剂。第二部分包含热熔辅助水性粘合剂组合物，所述组合物包含乳液 聚合物、防腐剂、水和多个预膨胀的中空微球体。将两种粘合剂施加到壳 体或纸箱的基材上，并将基材粘结在一起以形成壳体或纸箱。
另一个实施方案提供用本发明的热熔辅助水性粘合剂将两个基材接合 在一起的方法。向基材施加常规的热熔粘合剂和本发明的热熔辅助水性粘 合剂。两种粘合剂均通过挤出或一些强制压力从罐施加，以从容器施加粘 合剂。在一个实施方案中，将热熔辅助水性粘合剂挤出到基材上。常规的 热熔粘合剂和本发明的热熔辅助水性粘合剂可以分别或同时施加到相同的 基材或两个不同的基材上。将第二基材施加到粘合剂上，随着热熔粘合剂 冷却并且水从热熔辅助水性粘合剂蒸发，在两个基材之间形成粘结。随着 水从热熔辅助水性粘合剂蒸发并且粘合剂凝固，热熔粘合剂表现出初始强 度并且形成粘结；并且热熔辅助水性粘合剂在凝固后形成具有较高的模量 和较高的耐热性的强粘结。这两种粘合剂一起使用形成具有改善的性质的 纸板制品。
粘合剂的流速是压力、粘度、挤出枪(包括尖端)的设计的函数。给定相 同的流速、挤出头的直径和长度，以及水性粘合剂的基本上类似的粘度， 施加粘合剂的挤出压力应基本上相同。令人惊奇的是，本发明的热熔辅助 水性粘合剂可以在与没有微球体的常规水性粘合剂相比较低的压力下挤 出。在一些情况下，所述热熔辅助水性粘合剂可以在比其没有微球体的对 应物低20％或者甚至30％的压力下挤出。当挤出机的喷嘴变得更小时，具 有微球体的水性粘合剂和没有微球体的水性粘合剂的挤出压力的差异变得 更加显著。
保持本发明的热熔辅助水性粘合剂的高幅度，以在不向基材上施加额 外的压力下在两个基材之间产生粘结。随着水蒸发并且粘合剂凝固，本发 明的热熔辅助水性粘合剂的珠粒仍然具有有效的幅度以保持粘结。此外， 与常规的水性粘合剂相比，热熔辅助水性粘合剂由于降低的水分含量而干 燥得更快。优选地，热熔辅助水性粘合剂在干燥的粘合剂中包含约5-约60 V/V％，优选约10-约40V/V％的中空微球体。此外，在热熔辅助水性粘合 剂中使用中空微球体使得在凝固和水蒸发期间较少收缩。随着水从粘合剂 蒸发，粘合剂仍保持幅度以将两个基材粘结在一起。
本发明还涉及包含热熔辅助水性粘合剂组合物的纸张加工和包装操 作，所述粘合剂组合物包含乳液聚合物、防腐剂、水和多个膨胀的中空微 球体。当与热熔粘合剂组合使用时，作为热熔辅助水性粘合剂，在较低的 能量消耗下保持较高的生产通过量。
本发明的热熔辅助水性粘合剂的耐热性比常规的热熔粘合剂高。常规 的热熔粘合剂具有约125℉-约150℉的耐热性值。用本发明的热熔辅助水性 粘合剂密封的纸板在升高的温度下即使来自热熔粘合剂的粘结失效仍可保 持粘结。本发明的热熔辅助水性粘合剂超过280℉的耐热性。
常规的热熔粘合剂和本发明的热熔辅助水性粘合剂可以用在纸张加工 和包装操作中以粘结纤维质片材(例如，纸板或硬纸板)，以制造壳体、纸箱、 袋提手、农用盒、散装盒层合体、胶合搭接等。此类制品与在水性粘合剂 中没有微球体的常规制品相比具有改善的粘合性、耐热性、较低的收缩率。 实际上，较低等级的热熔粘合剂可以与本发明的热熔辅助水性粘合剂结合 使用，以最大限度地降低成本，同时保持壳体以及纸张加工和包装工艺的 高通过量。
通过分析以下实施例可以更好地理解本发明，所述实施例是非限制性 的，并且仅旨在帮助解释本发明。
实施例
实施例1-热熔辅助水性粘合剂的组分
每种热熔辅助水性粘合剂通过将表1中的组分组合，然后搅拌约1小 时或者直到混合物变均匀来制备。
表1.
实施例2-流变性相对于剪切速率
上述样品的流变性相对于剪切速率进行测量，并在图1中示出。比较 样品A具有最低的粘度，并因此具有最差的珠粒幅度。加入填料(比较样品 B)、流变改性剂(比较样品C)或预膨胀的微球体(样品1、2和3)增加粘合剂 的粘度。比较样品B和C以及样品1-3具有适当的珠粒幅度以提供间隙填 充性质。比较样品B不可挤出，因为磨料会损坏挤出设备。与样品1-3相 比，比较样品C在较低的剪切速率下具有更高的粘度。样品1-3在各种剪 切速率下均具有可接受的轮廓。
实施例3-干珠粒高度
对各样品的干珠粒高度进行测量。将各种添加水平(g/in)的粘合剂置于 在基材上，充分干燥，并测量珠粒的幅度(高度)。出于比较的目的，以0.04 g/in施加Henkel的Technomelt100热熔粘合剂，并且冷却的珠粒的 高度测量为约1mm。干高度和添加水平在图2中示出。
图2示出了常规的水性粘合剂(例如比较样品A)甚至在0.06g/in的添加 水平下也具有相对低的干珠粒高度。而比较样品C在测试的剪切速率下具 有较高的粘度，用流变改性剂增稠水性粘合剂未能形成与热熔粘合剂类似 的高度。在水性粘合剂中加入填料(比较样品B)将干珠粒高度增加到与热熔 粘合剂的幅度类似的水平。此外，在水性粘合剂中加入微球体(样品1和2) 在类似的添加水平下获得类似的干珠粒高度。样品1-3具有足够的幅度以在 基材之间间隙填充并形成粘结。
实施例4-半湿润强度
粘合剂样品的半湿润强度用质构仪测量。将约12mg各样品以珠粒施 加到基材上。将第二基材施加到样品粘合剂上，并压紧到10密耳间隙，并 干燥5分钟。将基材使用拉伸模式以0.2mm/sec拉开，直到粘结破坏。测 量粘结破坏下的间隙和力的量，并记录在表2中。对于样品1，如表2中所 示，通过调节微球体的量改变体积百分比。
表2.
V/V％(微球体) 间隙(mm) 力(g) 比较样品A 0 0.4 380 比较样品B 0 0.6 700 比较样品C 0 0.3 600 样品1 20％ 1.0 900 样品1 30％ 0.7 650 样品1 40％ 0.5 500 样品2 30％ 0.7 800
用比较样品形成的粘结与样品1(20％V/V)和样品2(30％V/V)相比在 较小的间隙和较小的力下破坏。加入微球体获得更好的粘合性、更快速的 粘结形成和粘合剂的半湿润强度。仅在微球体以少量加入量(低于40V/V％) 加入时，才实现半湿润强度。将微球体的含量增加到40V/V％和以上降低 粘合剂的湿粘结强度。
实施例5-挤出压力
挤出比较样品C和样品3，并获得其挤出压力。两种粘合剂均用挤出 机，即Valco MCP-4W/EPC控制器在流量调节(冲程)下施加，所述控制器 具有带有0.7喷嘴的Valco Model 524挤出枪。为模拟热熔粘合剂珠粒线的 相同体积，首先测定热熔粘合剂(Henkel Technomelt100)的流速。通 过改变挤出压力获得表3中所列出的每种粘合剂的相同流速。如图1中所 示，比较样品C和样品3的粘度类似，因此，预期两种粘合剂的施加的挤 出压力应基本上类似。令人惊奇的是，具有微球体的样品3粘合剂的施加 与没有任何微球体的比较样品C粘合剂相比需要显著较低的挤出压力。
表3.
冲程调节 比较样品C(psi) 样品3(psi) 1/2转 112 80 3/8转 285 150
当挤出机的冲程调节降低时，两种样品的挤出压力均增加，但对于具 有微球体的样品，增加的压力较低。当冲程调节降低时，挤出压力的增加 的差异变得更加显著。
实施例6-挤出的珠粒线的观察
将比较样品C和样品3用挤出机，即Valco MCP-4W/EPC控制器挤出 到纸板上，所述控制器具有带有0.7喷嘴的Valco Model 524挤出枪。理想 的粘合剂将形成珠粒线，所述珠粒线与其施加方向平行并且在整个珠粒线 上具有相同的宽度。将样品3挤出并且形成与挤出方向平行的珠粒线，并 且珠粒的宽度在整个珠粒线上基本上保持相同，并没有太多的收缩。另一 方面，比较样品C没有形成在整个珠粒线上基本上相同的宽度。该比较样 品的一些部分与样品3相比具有更显著的收缩。对于比较样品C，珠粒线 在一些部分较粗并且在珠粒线的不同部分较细。而且，珠粒没有干净地逐 渐变细，并且一些拉到垂直方向。为使比较样品形成平行的珠粒线，比较 样品C需要比样品3更高的挤出压力。
实施例7-耐热性
为测量本发明的热熔辅助水性粘合剂的耐热性，在图3中所示的工具 中对样品3进行测试。制备六个样品并进行测试。将样品3挤出到底部基 材上，珠粒重量在0.05-0.1g的范围内，并将顶部基材施加到粘合剂上。将 200克块体重量直接施加在粘结上，保持2-3秒。凝固后，如图3中所示， 在一侧上夹持制品(300)，并将整个制品置于受控烘箱中，在6英寸基材的 端部(非粘结端部)放置300克重量(100)，保持24小时。用新的样品组以5℉ 间隔从150℉开始重复该测试。如果在设定温度下所述重量没有破坏粘结， 则认为粘结(200)通过耐热性测试。典型的热熔粘合剂在125℉-约150℉下 失效。用样品3制成的制品超过285℉。