季玉秋 段广宇 王文良

上海艾乐影像材料有限公司（上海 201600）

科研开发

聚氯乙烯带胶膜的制备与性能研究

季玉秋 段广宇 王文良

上海艾乐影像材料有限公司（上海 201600）

将适量的二氧化硅（SiO2）分散液、润滑剂、抗氧化剂、流平剂加入到1#、2#、3#、4#等几种化学结构不同的水性热塑性聚氨酯（TPU）中得到相应的热熔胶。研究了几种热熔胶涂覆于聚氯乙烯（PVC）基材上得到的带胶膜的光学性能、力学性能、耐老化性能、层压性能等。结果表明：配制的热熔胶符合生产要求，制备的带胶膜具有良好的透光率；带胶膜与证卡材料层压后剥离强度适宜，且在60℃、95%湿度条件下老化72 h后依然满足剥离强度要求；使用的聚氨酯（PU）均为水性，避免了溶剂对环境的污染。

热塑性聚氨酯 带胶膜 热熔胶 剥离强度

聚氨酯（PU）是分子链上含有—NH—COO—特征基团的杂链高聚物，一般由二异氰酸酯与多元醇缩聚生成。聚氨酯可以分为热塑性聚氨酯（TPU）和热固性聚氨酯两大类，其产品隔热、耐油、耐老化，可用作软硬泡沫塑料、胶黏剂、纤维、人造革、涂料等。TPU由于其可重复加工性能，且有利于节能环保，目前广泛应用于汽车、医疗、服装、工业等领域[1-4]。TPU在高温下成黏流态，黏附性能优异；低温时固化成型，是热熔胶的主要材料。带胶膜是在基材上涂覆一层热熔胶而形成的，常用的基材有聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）、聚四氟乙烯（PTFE）等。带胶膜常用于信用卡、智能卡、明信片等材料的保护，经过层压工艺，在证卡材料正反两面形成一层透明的保护膜，起到抗氧化、防酸碱、耐磨损的作用，并延长证卡材料的使用寿命[5-7]。

本课题制备了不同种类的热熔胶，并将其涂覆在PVC基材上得到相应的带胶膜。通过性能测试发现，几种带胶膜的透光率、雾度、剥离强度等性能均满足要求，在很高的室内温度下，带胶膜表面也不会发黏，层压后也可以顺利剥离，并且高温层压后仍具有优异的黏附牢度和透光率。

1 实验部分

1.1 实验原料和相关设备

聚氨酯乳液97（1#）、聚氨酯乳液216（2#），科思创聚合物（中国）有限公司；聚氨酯乳液201（3#）、聚氨酯乳液100（4#），巴斯夫应用化工有限公司；二氧化硅（SiO2），粒径为5 μm，上海凯茵化工有限公司；乳液蜡，上海鼎明化工有限公司；有机硅油，道康宁（张家港）有机硅有限公司。上述原料均为工业级。

NDJ-8SN数字黏度计，上海仪电分析仪器有限公司；JB90-SH数显恒速强力电动搅拌机，上海标本模型厂；双列4孔电子恒温水浴锅，上海宜昌仪器纱筛厂；DHG-9146A电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；KHC.10.2/KHC.11.2线棒涂布器，英国RK公司；L003热压机，澳大利亚IDM仪器有限公司；老化试验箱，上海沪升实验仪器厂；KJ-1065C电子万能材料试验机，东莞市科建检测仪器有限公司；透光率雾度仪，上海仪电物理光学仪器有限公司。

1.2 热熔胶乳液的配制

首先制备质量分数为10%的SiO2水分散液；然后称取50 g聚氨酯，适量的乳液蜡、有机硅油、表面活性剂及乳液质量5%的SiO2分散液混合于烧杯中，高速搅拌0.5 h，无机粒子分散均匀后得到热熔胶乳液。几种聚氨酯对应的乳液编号为：1#E，2#E，3#E，4#E。

1.3 带胶膜的制备

将4种热熔胶乳液用线棒涂布器分别涂覆于PVC基材的一面，放置于65℃的干燥箱中热风干燥20 min，得到PVC带胶膜。几种带胶膜的编号为：1#F，2#F，3#F，4#F。

1.4 性能测试方法

热熔胶固含量按照GB/T 1725—2007《色漆、清漆和塑料—不挥发物含量的测定》进行测试。PVC带胶膜透光率按照GB/T 2410—2008《透明塑料透光率和雾度的测定》进行测试。PVC与证卡的剥离强度按照GB/T 17554.1—2006《识别卡—测试方法—第1部分：一般特性测试》进行测试。PVC带胶膜老化试验在温度为60℃、湿度为95%的条件下进行。

2 结果和讨论

2.1 热熔胶乳液的物理性能

热熔胶乳液的物理性能见表1。

表1 热熔胶乳液的物理性能

2.2 PVC带胶膜的透光率和雾度

PVC带胶膜可以用来保护证卡材料表面图案，使其免受划伤，且要求层压之后具有高透明度来保证图案的清晰度、保持图像的色彩鲜艳。低透光率会影响层压之后证卡材料图案的色泽，降低美感。因此，根据带胶膜透明性的要求研究了几种带胶膜的透光率和雾度，结果如图1所示。

图1 带胶膜的透光率及雾度

由图1可知，制备的几种带胶膜的透光率均在70%以上，其中4#F的透光率接近90%；而几种带胶膜的雾度都很低，层压以后证卡图案清晰、色彩鲜艳。从光学性能的角度来考虑，几种带胶膜均符合生产要求。

2.2.1 不同SiO2分散液（质量分数）对PVC带胶膜透光率的影响

SiO2是应用广泛的无机粒子，可以用于制造玻璃、陶瓷、水泥等。粒径小的SiO2可与聚合物物理共混，改善聚合物的物理和化学性能[8]。乳液中添加SiO2粒子是由于SiO2粒径较小，能够渗入聚氨酯大分子链，形成“交联”网状结构，进而提高聚氨酯的韧性、拉伸强度、耐摩擦性能等[9]。但值得注意的是，SiO2含量的增加会影响带胶膜的光学性能，导致其透光率下降、雾度增大，从而降低层压图像的清晰度，不符合生产要求。以2#E热熔胶乳液为考察对象，研究了不同SiO2含量对带胶膜透光率及雾度的影响，结果如图2所示。

图2 SiO2分散液对2#F带胶膜透光率和雾度的影响

由图2可知，2#F带胶膜的透光率随SiO2含量的增加而下降，雾度随SiO2含量的增加而上升。添加的SiO2为白色颗粒，对光有一定的反射和折射作用，随着体系中SiO2含量的增加，这种效果更加明显，进而引起带胶膜透光率明显下降。

2.2.2 不同热熔胶涂覆厚度对PVC带胶膜透光率的影响

在SiO2分散液加入量相同的情况下，对2#E热熔胶的涂覆厚度及其对透光率的影响进行了研究。涂覆量分别为20，50，75，100 g/m2时，在干燥箱中干燥后制得的带胶膜及热熔胶的厚度如表2所示，带胶膜的透光率如图3所示。

由表2可知，随着每平方米热熔胶涂覆克数的增加，胶涂层的厚度也逐渐增加。由图3可知，随着热熔胶厚度的增加，带胶膜的透光率逐渐降低。这是由于随着涂覆质量的增加，带胶膜上的SiO2含量也相应增加。值得一提的是，当热熔胶涂覆量超过50 g/m2后，带胶膜表面粗糙感明显，滑爽感下降；而低于50 g/m2时，热熔胶胶膜太薄，降低了层压后的剥离强度。

表2 涂覆后带胶膜及热熔胶的厚度μm

图3 涂覆厚度对带胶膜透光率的影响

2.3 PVC带胶膜的剥离强度

由GB/T 14916—2006《识别卡—物理特性》可知，构成卡结构的各层材料应黏合在一起，每一层都应具有0.35 N/mm的最小剥离强度。几种带胶膜与证卡材料在层压机中热压后，利用电子万能材料试验机分别测取了几种带胶膜与证卡材料之间的剥离强度（见图4），其中带胶膜的热熔胶涂覆量均为50 g/m2，层压温度为120℃，层压压力为10 MPa。

由图4可知，几种纯聚氨酯的剥离强度均大于配制的热熔胶的剥离强度，但二者都符合剥离强度（不小于0.35 N/mm)要求。这是因为热熔胶中加入了一定量的SiO2、乳液蜡、有机硅油等来降低热熔胶涂覆干燥后表面的黏度，防止带胶膜在大量积压存储过程中相互黏连在一起，造成带胶膜起皱，甚至无法剥离使用的情况。同时，为了保证带胶膜与证卡材料的热层压牢度，应加入适量的无机粒子以满足表面防黏要求。

图4 带胶膜和聚氨酯与基体材料的剥离强度

2.3.1 不同SiO2含量对PVC带胶膜剥离强度的影响

剥离强度是带胶膜的重要性能之一。鉴于带胶膜对证卡材料进行保护的目的，要求在保证证卡图案清晰、色彩鲜艳的前提下，二者之间还要有足够大的剥离强度，同时保证生产过程中带胶膜大量层压后上下两张带胶膜不会相互黏在一起。因此，研究了不同SiO2含量对PVC带胶膜剥离强度的影响，结果如图5所示。

图5 SiO2分散液含量对带胶膜剥离强度的影响

由图5可知，几种热熔胶得到的带胶膜的剥离强度随SiO2分散液含量的增加而下降。原因包括两个方面：一，随着带胶膜中SiO2含量的增加，带胶膜表面的粗糙度增大，意味着当带胶膜与证卡材料进行层压时，两种材料的接触面积减小；二，随着带胶膜中SiO2含量的增加，带胶膜表面的黏性降低。当SiO2分散液含量超过10%时，3#F带胶膜的剥离强度已经不能达到使用要求，同时，考虑到SiO2含量对带胶膜透光率及雾度的影响，热熔胶乳液中SiO2分散液的含量不宜超过7.5%。

2.3.2 不同热熔胶涂覆厚度对PVC带胶膜剥离强度的影响

热熔胶胶层过薄时，剥离强度过低，带胶膜容易与证卡材料剥离，减弱了带胶膜对证卡材料的保护作用；热熔胶胶层过厚时，会增加生产成本，也会降低带胶膜的透光率，影响使用性能。因此，合适的热熔胶涂覆厚度对PVC带胶膜的剥离强度有很大的影响。研究了PVC膜上热熔胶涂覆量分别为20，50，75，100 g/m2的情况下带胶膜的剥离强度，结果如图6所示。

图6 热熔胶涂覆量对带胶膜剥离强度的影响

由图6可知，几种带胶膜的剥离强度随着胶层涂覆量的增加而明显上升。这表示，随着涂覆量的增加，胶层的厚度增大；虽然SiO2的含量也上升，但由于胶层厚度大于SiO2颗粒的直径，在层压过程中，随着胶层的软化，SiO2颗粒陷入胶层之中，这种变化反而会增大带胶膜与证卡材料的接触面积，进而引起带胶膜剥离强度的增大。

2.4 PVC带胶膜老化测试

实际情况中，带胶膜会在不同的温度、湿度条件下使用，因此，对不同环境条件下带胶膜使用性能的研究也是十分必要的。在温度为60℃、相对湿度为95%的条件下，对2#F带胶膜与证卡材料层压后的老化性能进行了测试，其结果如图7所示。

图7显示，随着老化时间的延长，带胶膜与证卡材料之间的剥离强度下降。但在高温高湿条件下，老化72 h以后，2#F带胶膜与证卡材料之间的剥离强度仍然满足剥离强度的要求（不小于0.35 N/mm）。由此可知，制备的2#F带胶膜满足老化使用要求。其他几种带胶膜的老化测试结果与2#F带胶膜相似，不再一一进行讨论。

图7 老化时间对2#F带胶膜剥离强度的影响

3 结论

将制备的几种热熔胶涂覆在PVC基材上得到了相应的带胶膜，研究了SiO2含量和热熔胶胶层厚度对带胶膜透光率、雾度、剥离强度的影响及带胶膜的老化性能，得到以下结论：几种热熔胶的涂覆量不宜超过75 g/m2，以50 g/m2为佳；SiO2分散液的添加量不宜过多，否则会影响带胶膜表面粗糙度及黏附性能，建议添加量为乳液质量的5%；在一定温湿度条件下老化72 h后，热熔胶的剥离强度仍然能够满足相关标准的要求。

[1]FRICK A,ROCHMAN A.Characterization of TPU-elastomers by thermal analysis(DSC)[J].Polymer Testing,2004, 23(4):413-417.

[2]王继印,黄毅萍,陶灿,等.二乙醇胺开环环氧树脂改性水性聚氨酯的合成及性能研究[J].涂料工业,2014,44 (2):32-38.

[3]HERRERA M,MATUSCHEK G,KETTRUP A.Thermal degradation of thermoplastic polyurethane elastomers(TPU) based on MDI[J].Polymer Degradation and Stability,2002, 78(2):323-331.

[4]杨文会,覃新林.热塑性聚氨酯弹性体(TPU)研究及应用[J].塑料制造,2015(7):70-77.

[5]程肖飞,于静.PVC带胶膜生产工艺[J].聚氯乙烯,2010, 38(9):25-27.

[6]贺欢.作为智能卡基材PHA的工艺及可靠性研究[D].北京:清华大学,2012.

[7]王礼,匡艳红.层压型卡用带胶膜TPU胶层研究[J].广州化工,2013,41(20):84-85.

[8]ILER R K.The chemistry of silica:solubility,polymeriza-tion,cocolloid and surface properties,and biochemistry[M]. Hoboken:Wiley,1979.

[9]张少朋,王武生,马乃宇,等.用于二氧化硅水分散体系的聚氨酯超分散剂的合成及性能研究[J].涂料工业, 2016,46(4):7-12.

Preparation and Properties of Polyvinyl Chloride Adhesive Film

Ji Yuqiu Duan Guangyu Wang Wenliang

Several kinds of hot－melt adhesives were obtained by adding appropriate amounts of SiO2dispersion, lubricant,antioxidant,and leveling agent to water－borne thermoplastic polyurethanes(TPU)with different structures labeled 1#,2#,3#,and 4#．The optical properties,mechanical properties,aging resistances,laminating performances of the adhesive films obtained by coating the hot－melt adhesives on polyvinyl chloride(PVC)were studied．The results showed that the hot－melt adhesives could meet the production requirements,and the light transmittances of prepared adhesive films were satisfying．The peeling strengths of adhesive films were suitable,and what′s more,the peeling strengths still could meet the application requirement after aging for 72 hours at 60℃and 95%humidity．The polyurethanes used in the experiment were water－based,which could protect the environment from being polluted by solvents．

TPU;Adhesive film;Hot－melt adhesive;Peeling strength

TQ317.3

2017年1月

季玉秋男1975年生本科工程师主要从事影像涂层、证卡材料及相关领域的研究工作