高固含量水性PU聚氨酯胶粘剂的讨论

高固含量水性PU聚氨酯胶粘剂的讨论

水性聚氨酯是以水作为分散介质的聚氨酯,它可制成水溶性、胶乳或乳液的形式。由于它不但具有聚氨酯的优异性能,而且不燃、无毒、无公害、无危险、省资源,因此,受到了人们的普遍欢迎。由于石油危机的影响,以及地球环境保护问题日益严峻,使合成胶粘剂的水基化在制备工艺、性能改进和应用技术上得到了大幅度进步,使其研究和开发取得了可喜的进

展,技术日趋成熟和完善。

1 国内研制现状

我国在1972年开始了对于水性聚氨酯的研究,最早用于制备电泳漆。随后,研制出了织物整理用水溶性聚氨酯、用作皮革涂饰剂的聚氨酯乳液。进入80年代以后,我国对水性聚氨酯的研究更加活跃,但与国外水性聚氨酯胶粘剂系列化、大工业化的水平相比,仍处于开发阶段,仍存在着原料、制备方法单一、品种少、理论研究不足、应用研究不够深入等问题,需

要进一步探索。

2 水性聚氨酯胶粘剂的制备

2.1 强制乳化法

该方法是在乳化剂、高剪切力存在下强制乳化的方法,先将聚醚与有机异氰酸酯反应制成预聚体,以二醇或二胺进行扩链,制成聚氨酯树脂的有机溶液,再于强烈搅拌下,逐渐加入乳化剂的水溶液,形成一种粗粒乳液,再送入均化器,形成粒径适当的乳液。该方法的反应时间较长,乳化剂用量大,特别是使用高分子乳化剂时,乳化剂本身的水溶液粘度高,分散性差,导

致其性能及贮存稳定性差。

2.2 丙酮法

丙酮法是由西德拜耳公司研究成功的,其特点是向聚氨酯分子链中引入乳化性成分,使之在水中自乳化,从而得到高质量的聚氨酯乳液。由于聚合反应在均相中进行,反应易于控制,因此,该方法制得的水性聚氨酯批间重复性好、乳液品质高。但因使用大量丙酮,尤其是当聚氨酯分子量高时用量更大,因此,不但不经济而且危险性大。

2.3 预聚体混合法

该方法是先将亲水单体引入到聚合物中,制成含离子链的预聚体,然后将其分散于水中,再用二胺进行扩链。该法工艺简单,不用大量溶剂,可制得有支化度聚氨酯乳液,但产品的质量

不如丙酮法好。

2.4 熔融分散法

该方法是预先合成含离子基团。端基为-ＮＣＯ的预聚体,经季胺化、甲基化处理后,再分散于水中。由于预聚体与熔融脲进行反应,并于较高温度(40～120℃)下分散于水中而得名。该方法在制备过程中不需要溶剂,工艺简单易于控制,也可用来制备在大分子中具有一定支

链度的水性聚氨酯。

2.4 封端异氰酸酯法

该方法是将端-ＮＣＯ预聚体用肟、ＮａＨＳＯ3、内酰胺、乙酰醋酸酯等封闭剂封端后,与

多元胺扩链剂一起分散于含乳化剂的水溶液中,进而形成稳定的水性聚氨酯。使用时可用加

热的方法达到高分子化和交联的目的。

3 水性聚氨酯胶粘剂的性能和特点

一般的水性聚氨酯胶粘剂的性能见表1。

与溶剂型聚氨酯胶粘剂相比,水性聚氨酯胶粘剂具有以下特点:

(1)水性胶粘剂的粘度不随聚合物分子量的改变有明显差异,因而,可使聚合物高分子量化以提高其内聚强度;而溶剂型的粘度则随聚合物分子量的增高呈指数关系上升,交联时易产生凝胶2)水性胶粘剂易与其他树脂或颜料混合以改进性能、降低成本。

(3)在相同固含量下,水性胶粘剂的粘度一般比溶剂型的低,当分散体粒径较小时,水性胶粘

剂的粘度增大,而溶剂型的粘度随高固含量化而急剧上升。

(4)容易调配配方,易于清理。

(5)不燃、无毒,适用于易被有机溶剂浸蚀的基材。

(6)干燥过程比溶剂型慢,耗能较大。

(7)初粘性比溶剂型差。

4 水性聚氨酯胶粘剂的应用

4.1 在木材加工领域中的应用

木材加工是胶粘剂的最大应用领域,在传统的工艺中,胶合板、纤维板、刨花板的加工一般采用脲醛、三聚氰胺-甲醛或酚醛树脂。虽然这些胶粘剂的价格较低,但在使用时要求木材含水量低于2%以下,而木材一般含水10%左右,因而,需进行干燥处理才能进行胶粘加工,不但耗能量大,而且在粘接过程中产生有毒的甲醛,影响工人的身体健康,因此,木材加工业中已逐渐引入了水性胶粘剂。在日本、美国、德国等国家已将水性乙烯基聚氨酯胶粘剂部分取代了污染严重的脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂和酚醛树脂。由于水性聚氨酯胶粘剂无甲醛污染问题,对木材含水量无严格限制,产品耐水性和耐候性极佳,因此,很受欢迎。

4.2 复合层压及雕塑加工

聚氯乙烯、聚酯、ＡＢＳ、经电晕处理的聚烯烃等塑料薄膜及片材,以及棉布和化纤织物、纸张、皮革之间可用水性聚氨酯胶粘剂进行层压复合。聚氨酯具有柔韧的胶膜。并且特别适合于含增塑剂的软质ＰＶＣ的涂层和粘接。大多数水性聚氨酯是热塑性聚氨酯,能够采用热熔胶的方法进行粘接。有人研究用双组分水性聚氨酯作为复合游膜干法复合胶粘剂,使制品仍具有较好的复合强度及柔软性。国外用于房屋建筑材料的铝板、牛皮纸、铝复合板。过去采用乙烯丙烯酸酯共乳液(ＥＡＡ)等胶粘剂制造,而采用水性聚氨酯胶粘剂时粘接性能优于ＥＡＡ。国外某些仪表、汽车装饰构件等用途的层压板,用水性聚氨酯胶粘剂时粘接

强度比用溶剂型胶粘剂还要高。

4.3 植绒加工

水性聚氨酯具有优良的柔韧性,胶层柔软,可作为植绒粘合剂。内交联水性聚氨酯或添加交联剂之水性聚氨酯粘合剂的性能超过丙烯酸酯乳液粘合剂。作为植绒粘合剂,必须增稠。

4.4 压敏胶乳

液压敏胶的用途是制造胶带、不干胶标签等,也可直接使用,广泛用于办公用品、建筑、家具、车辆等领域,考虑到耐老化性、粘接强度、透明性、无毒性等因素,一般使用丙烯酸酯乳液。而聚氨酯具有粘接强度高、耐寒等性能,可成为水性压敏胶中一种新型优良品种,基

材主要是纸张、塑料薄膜及织物等。

4.5 在食品包装中的应用

在当今的食品工业中,常用各种层压复合薄膜对食品、饮料和调味品等进行包装,层压复合薄膜是将塑料膜层与其他材料用胶粘剂粘接在一起制成的,由于溶剂型胶粘剂含有机挥发物会污染食品,不利于人体健康,因此,在食品包装领域中用水基胶代替溶剂型胶粘剂是必然趋势。日本东邦化学工业公司研制出了具有优异贮存性能的离子型水性聚氨酯胶粘剂,特别适用于制备食品包装用多层塑料膜5 水性聚氨酯胶粘剂的发展趋势

目前,制约水性聚氨酯广泛应用的主要因素是成本较高及某些性能尚差于溶剂型,成本高是由于制造过程复杂、产量不高,且干燥时也需要较多的能量和较长的时间所致,针对这些问题,目前各国正致力于降低成本、提高性能的研究。

(1)提高固含量目前所生产的水性聚氨酯胶粘剂的浓度多为20%～40%,干燥和运输费用较高,设法将其提高到50%以上是国外研究者的主要课题,但由于提高固含量会导致性能不稳

定,因此,研究者多从反应工艺学方面加以研究。

(2)采用共混技术,降低成本将水性聚氨酯胶粘剂与其他廉价的水性胶配合使用,可制成高性能、低成本的水性聚氨酯胶粘剂,这是降低水性聚氨酯胶粘剂成本的重要途径之一。

(3)提高初粘性水性聚氨酯胶粘剂的初粘性低是阻碍其广泛应用的重要因素。日本大日本

油墨公司已采用引入环氧树脂的方法制得了具有良好初粘性的产品。

(4)提高稳定性在保持水性聚氨酯耐水性的同时,提高水性聚氨酯胶粘剂的贮存稳定性是目前国外水性聚氨酯研究的重要方向。研究者从乳液的形态学着手研究,以解决粒径、粘度、

贮存性与胶性能之间的矛盾。