废EPS改性制备清香型乳液胶粘剂及粘接应用研究

废EPS改性制备清香型乳液胶粘剂及粘接应用研究 龚新怀，康晓燕（武夷学院环境与建筑工程系，绿色化工技术重点实验室，福建武夷山354300）摘要：以MAA（甲基丙烯酸）和PVA（聚乙烯醇）为主要原料，以BPO（过氧化苯甲酰）为引发剂，以乙酸乙酯、丙酮和废弃橙皮精油作为废EPS（聚苯乙烯泡沫塑料）的混合溶剂，制备了清香型废EPS改性胶粘剂。研究结果表明：当混合溶剂中V（乙酸乙酯）V（废弃橙皮精油）V（丙酮）=532时，其对废EPS的溶解力（8.20g/10mL）最强；采用正交试验法优选出制备废EPS改性胶粘剂的最佳工艺条件为w（EPS中MAA）=8%、w（EPS中BPO）=3%、反应温度70和w（胶液中PVA）=10.0%，此时改性胶粘剂胶接实木单板的剪切强度可达到0.825MPa，并且其对织物纤维、纸张等胶接性能良好。关键词：废弃橙皮精油；废聚苯乙烯泡沫塑料；胶粘剂；粘接性能中图分类号：TQ433.434文献标志码：A文章编号：10042849（2011）120051-040前言EPSPS（聚苯乙烯）泡沫塑料具有良好的耐水性、耐酸碱性、电绝缘性、保温隔热性和抗震性等特点，并且其制备工艺成熟、成本低廉，故已广泛应用于保温隔热材料、电子仪表和食品包装等领域1。EPS制品多为一次性用品（用后即被废弃），由于其体积大、化学性质稳定且不易降解，故对废EPS进行简单填埋或焚烧处理，既不利于环保，也导致资源的巨大浪费。因此，废EPS制品的回收利用，已成为人们急需解决的问题之一2。发达国家早在20世纪80年代就开始对废EPS制品的综合利用进行了深入研究，并在某些方面已实现工业化生产。近年来，国内对废EPS制品的回收利用也作了大量研究，将改性废EPS用于涂料、胶粘剂等3-6是该研究领域的重要发展方向之一。目前人们大多采用有毒溶剂（如芳香烃、卤代烃等）或高价溶剂（如酯类等）回收废EPS制品7，再通过不同改性法制备废EPS改性胶粘剂或涂料。然而，上述有机溶剂虽对EPS溶解力较强，但因毒性较大、刺激性味较强而难以推广应用。柠檬、橙子和柑橘等果皮经水蒸气蒸馏后可制成一种精油（主要成分为柠檬烯），该精油对EPS溶解力较强，并且无毒无污染，具有水果清香味8。本研究以废治废，利用废弃橙皮提取得到的橙皮精油部分替代有机溶剂，回收废EPS；然后采用油水相共混法9制得一种清香型乳液胶粘剂，并对其粘接应用性能进行了探讨。有关此方面的研究国内未见报道。1试验部分1.1试验原料包装用废EPS（聚苯乙烯泡沫塑料），自行收集；聚乙烯醇（PVA），化学纯（聚合度17001900），汕头西陇化工厂有限公司；氧化锌、邻苯二甲酸二丁酯（DBP），分析纯，汕头西陇化工厂有限公司；十二烷基磺酸钠（SDS），化学纯，天津市福晨化学试剂厂；过氧化苯甲酰（BPO）、乙酸乙酯、MAA（甲基丙烯酸），分析纯，市售；非离子型乳化剂（OP-10），化学纯，成都科龙化工试剂厂；丙酮，分析纯，福建三明市三圆化学试剂有限公司；废弃橙皮精油，自制。实木单板（2mm厚）、软质聚氯乙烯（PVC）填充塑料、织物纤维、聚丙烯（PP）塑料、牛皮纸、聚丙烯酰胺文具胶（PAM胶）、聚乙烯醇胶（PAVL胶）、AB胶（改性丙烯酸酯胶）、白乳胶（聚醋酸乙烯胶）、万能胶（氯丁胶），市售。1.2试验仪器WDW-2E型微机控制电子式万能材料试验机，济南试金集团有限公司；BLD-200N型电子剥离试验机，济南兰光机电技术有限公司；电热鼓风干燥箱，上海福玛实验设备有限公司；S312型数显恒温搅拌器，上海申生科技有限公司。1.3废EPS改性胶粘剂的制备（1）水相制备：在装有搅拌装置的三口烧瓶中，加入一定量的PVA和水，边搅拌边升温至9095；待PVA完全溶解后，降温至70，加入0.4gSDS，继续搅拌0.5h，即得水相。（2）油相制备：在装有搅拌装置的三口烧瓶中，加入8.0gEPS和20mL混合溶剂，搅拌溶解后，加入0.6g增塑剂（DBP）、0.8gOP-10，升温至60时加入2/3的BPO和MAA（1h后加入剩余1/3BPO和MAA）；待升温至预定温度时开始计时，反应2.5h后加入0.75g氧化锌，继续搅拌0.5h，即得油相。（3）乳液型胶粘剂的制备：在400r/min强烈搅拌条件下，将水相缓慢加入到油相中，继续搅拌0.5h，即得废EPS改性胶粘剂。1.4性能测试（1）剪切强度：按照GB/T71242008标准，采用万能试验机（胶粘剂/木材胶接件）和电子剥离试验机（除木材外其他基材/胶粘剂胶接件）进行测定（基材尺寸为125mm20mm2mm，施胶尺寸为20mm20mm，一定压力下室温固化18h）。（2）pH值：采用广泛pH试纸进行测定。2结果与讨论2.1PS溶剂的选择目前国内外许多企业都采用溶剂回收法再次利用废EPS生产胶粘剂10。其中溶剂的选择（主要根据其对PS的溶解能力、毒性大小、成本高低及其与其他溶剂混溶性等方面进行选择）是最重要的环节之一。PS的良溶剂主要是酯类、酮类及芳香烃类溶剂等，芳香烃类溶剂大多具有一定的毒性，而酯类、酮类等溶剂则成本较高。经过大量试验及综合考虑成本与性能等因素，本研究选择混合溶剂中乙酸乙酯为主溶剂（其余为助溶剂），并且V（乙酸乙酯）V（废弃橙皮精油）V（丙酮）=532，此时混合溶剂对废EPS的溶解力（8.20g/10mL）最强。2.2制备废EPS改性胶粘剂的最佳工艺条件胶粘剂的粘接效果是最重要的性能之一，其影响因素主要有粘接接头设计、胶粘剂选用和粘接工艺实施等。本研究以改性胶粘剂胶接实木单板的剪切强度为考核指标，以MAA含量（相对于EPS质量而言）、BPO含量（相对于EPS质量而言）、PVA含量（相对于胶液质量而言）和温度为试验因素，采用正交试验法优选制备废EPS改性胶粘剂的最佳工艺条件。表1、表2、表3分别为正交试验因素水平表、正交试验设计与结果、正交试验结果与分析。PS是非极性高分子材料，其分子呈刚性（柔性小），故其对竹木材等极性物质表面黏附力较小（漆膜强度较差），以此作为胶粘剂时粘接效果欠佳。MAA单体中含有羧基强极性基团，其在引发剂作用下可接枝PS分子链11，从而有效提高了改性PS对极性基材的黏附力；PVA中富含-OH极性分子链，其与PS共混后，亦可有效增加PS材料的极性。由表1、表2和表3可知：各因素对EPS改性胶粘剂剪切强度的影响依次为DACB；其最佳工艺条件为A3B3C1D3，即w（EPS中MAA）=8%、w（EPS中BPO）=3%、反应温度70和w（胶液中PVA）=10.0%。验证试验结果表明：由最佳工艺条件制成的EPS改性胶粘剂，其胶接实木单板的剪切强度可达到0.825MPa。2.3EPS改性方式对胶接件性能的影响为进一步考察EPS改性方式对改性胶粘剂粘接效果的影响，在其他条件保持不变的前提下（如各种改性剂用量按最佳工艺条件确定等），不同废EPS的改性方式对胶接件剪切强度的影响如图1所示。由图1可知：不同改性方式对胶接件剪切强度的影响依次为EPS的最优方案胶（经接枝共混复合改性的最优EPS胶粘剂）EPS共混胶（即经PVA共混改性的EPS胶粘剂）EPS接枝胶（即经MAA接枝改性的EPS胶粘剂）EPS溶剂胶（即未改性废EPS的纯溶剂胶粘剂）；废EPS经接枝共混复合改性后，相应胶粘剂对木材的剪切强度比未改性废EPS胶粘剂提高了520%。这是由于PS分子链的极性较低，故由未改性废EPS制成的胶粘剂对木材的粘接性能欠佳；利用极性单体MAA（或极性高聚物PVA）对废EPS进行接枝改性（或共混改性），能明显改善胶粘剂对极性基材的粘接效果，但MAA接枝改性效果不如PVA共混改性效果（这是由于PS分子链的反应活性不高，其分子链上接枝的改性单体数量较少所致）。2.4废EPS改性胶粘剂与市售胶粘剂性能比较常用的木材用胶粘剂主要有生物质胶（如淀粉胶、木质素胶等）12、三醛胶、白乳胶和PU（聚氨酯）胶等。其中生物质胶具有绿色环保优势，但其粘接性能欠佳，并且其稳定性和防霉性等较差；三醛胶含游离醛等有害物质，对环境、生物和人体健康等危害极大；PU胶性能优异，但其应用领域因成本较高而受到极大限制13。本研究以废治废，利用废油价格改性废弃EPS制备胶粘剂。在其他条件保持不变的前提下，由最佳工艺条件制成的废EPS改性胶粘剂和市售同类产品（如PAM胶、PAVL胶，白乳胶、AB胶及万能胶等）对木材、其他基材如纸张（牛皮纸）、极性塑料（PVC填充塑料）、非极性塑料（PP塑料）及织物纤维等剪切强度的影响如表4、图2所示。由表4可知：废EPS改性胶粘剂对木材的粘接性能优于白乳胶、PAVL胶、PAM胶和万能胶等，但不如AB胶（其成本则远低于AB胶），即废EPS改性胶粘剂的性价比最高。由图2可知（纸张试样均发生断裂）：废EPS改性胶粘剂对不同基材胶接件的剪切强度依次为织物纤维胶接件PVC填充塑料胶接件PP塑料胶接件；废EPS改性胶粘剂/织物纤维胶接件的剪切强度远高于AB胶/织物纤维胶接件，但废EPS改性胶粘剂/PVC填充塑料（或PP塑料）胶接件的剪切强度明显低于AB胶/PVC填充塑料（或PP塑料）胶接件。这是由于经接枝共混复合改性后，废EPS改性胶粘剂的极性明显提高，故其对极性基材的粘接力增强，对非极性基材（如PP塑料等）的粘接力减弱。综上所述，废EPS改性胶粘剂的胶接性能优于市售白乳胶、PAVL胶等，并在粘接织物纤维、纸张等材料方面具有潜在的应用价值。3结语（1）当V（乙酸乙酯）V（废弃橙皮精油）V（丙酮）=532时，混合溶剂对废EPS的溶解力（8.20g/10mL）最强。（2）制备废EPS改性胶粘剂的最佳工艺条件为w（EPS中MAA）=8%、w（EPS中BPO）=3%、反应温度70和w（胶液中PVA）=10.0%。（3）由最佳工艺条件制成的废EPS改性胶粘剂，其胶接实木单板的剪切强度可达到0.825MPa，并且其对织物纤维、纸张等胶接性能较好，具有良好的应用前景。参考文献1黄发荣，陈涛，沈学宁.高分子材料的循环利用M.北京：化学工业出版社，2000.2严义芳，陈福北，张良军，等.废聚苯乙烯泡沫塑料回收利用研究进展J.广西轻工业，2010，26（3）：22-23.3董文丽.利用废聚苯乙烯泡沫塑料制备乳液型防水涂料J.包装工程，2008，29（5）：20-21，34.4李翠珍，李顺如，黄斌.废旧聚苯乙烯泡沫塑料在涂料中的应用J.涂料工业，2005，35（4）：35-37.5严义芳，陈福北，张良军，等.利用废聚苯乙烯塑料制备乳胶漆的研究J.广西轻工业，2010，26（5）：22-23.6刘海龙，曾舟华，余双强.废旧聚苯乙烯泡沫塑料制备胶粘剂的研究J.工程塑料应用，2010，38（12）：29-31.7吴青，苏义华，霍力超.环境友好型胶粘剂的研究进展J.化学工程师，2008，22（7）：41-42，59.8NoguchiT，MiyashitaM，InagakiY，etal.Anewrecyclingsystemforexpandedpolystyreneusinganaturalsolvent（PartI）：AnewrecyclingtechniqueJ.PackagingTechnology&Science，1998，11（1）：19-27.9李金华.用废聚苯乙烯泡沫制备胶粘剂J.吉林地质，2003，22（1）：58-61.10王吉林.溶剂法回收废旧聚苯乙烯泡沫塑料J.塑料科技，2010，38（12）：69-73.11姚明明，杨秋霞，何畏，等.用废聚苯乙烯泡沫塑料制备建筑用胶粘剂J.特种橡胶制品，2001，22（4）：8-10.12张亚慧，于文吉.生物质胶粘剂在木材工业中的研究与应用现状分析J.中国胶粘剂，2007，16（6）：33-38.13刘福生，王晟，池杏微，等.我国木材工业用胶粘剂的现状、存在问题及对策J.化工时刊，2004，18（3）：8-13.