水性聚氨酯膠粘劑開發(fā)應(yīng)用進展

    水性聚氨酯膠粘劑(簡稱PU膠)是水性膠粘劑中的重要一類，以其優(yōu)良的粘接性、突出的耐油、耐沖擊、耐磨、耐低溫等特性，近年來得到了迅速發(fā)展。

    1水性PU膠的定義及分類

    水性PU膠是指聚氨酯溶于水或分散于水中而形成的膠粘劑。其分類方法很多，按外觀和粒徑可分為3類，即聚氨酯乳液、聚氨酯分散液和聚氨酯水溶液。實際應(yīng)用最多的是聚氨酯乳液和分散液[1]。

    1.1聚氨酯乳液

    聚氨酯乳液是指水分散體中含有乳化劑的聚氨酯分散體系�？赏ㄟ^外乳化法制得。其粒徑>0.1μm，外觀白濁。由于這種聚氨酯不易溶于水，因此需通過強力攪拌，依靠剪切力和大量乳化劑作用將聚氨酯強制乳化分散于水中。大多數(shù)外乳化聚氨酯乳液的產(chǎn)品粒徑粗大，且親水性小分子乳化劑的殘留，會影響固化后聚氨酯膠膜的性能，現(xiàn)在已經(jīng)逐步向自乳化聚氨酯分散液方向發(fā)展。

    1.2聚氨酯分散液

    通常將不含有乳化劑的聚氨酯分散體叫水性聚氨酯分散體，或聚氨酯分散液，其粒徑在0.001-0.1μm，外觀半透明，可通過內(nèi)乳化或自乳化法制得。采用帶有成鹽親水基團的物質(zhì)與預聚體的--NCO基團反應(yīng)生成親水的聚氨酯鹽，這種聚氨酯鹽不用加入乳化劑，經(jīng)攪拌可直接分散于水中得到半透明分散體。根據(jù)聚氨酯分子中所引入的親水基團的不同，又可將其分為陰離子型、陽離子型和非離子型。在成膜過程中水分逐漸被排除，其分子鏈問及離子基團間呈有規(guī)律的排布，不但存在靜電作用和氫鍵力，而且分子之間還發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于沒有乳化劑的存在，這些粒子對機械攪拌、加熱或稀釋的敏感性不大，耐電解質(zhì)；膠膜牢固且富有彈性，粘附力強。

    1.3聚氨酯水溶液

    聚氨酯水溶液是指所生成的聚氨酯分子溶于水中而形成的溶液。其粒徑<0.001μm，外觀透明，穩(wěn)定性良好。但由于聚氨酯水溶液中聚合物的親水性好，致使其膠膜的耐水性等性能比前2者差，而且工藝復雜，成本也較高，其應(yīng)用受到了限制。

    2水性聚氨酯膠粘劑的現(xiàn)狀及應(yīng)用

    國外在20世紀50年代就開始了水性PU膠的研究，直到80年代才在技術(shù)上取得突破，90年代推向市場[2]。我國的研究始于20世紀70年代初，近年來研究工作十分活躍，但與國外水平相比，仍處于開發(fā)階段[3]。

    隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，環(huán)保要求越來越高，國內(nèi)許多單位都積極投入到水性聚氨酯的研發(fā)中，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國水性PU膠粘劑的科研、生產(chǎn)單位已有上百家。水性PU膠粘劑具有耐低溫、柔韌性、粘接性能好、膠膜物性可調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點，已在植絨、多種層壓制品的粘合(包括薄膜、織物、棉或化纖、無紡布、紙張、食品包裝復合塑料薄膜等)、汽車內(nèi)飾材料的粘接、木工、壓敏膠、制鞋等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

    2.1植絨膠粘劑

    水性聚氨酯具有優(yōu)良的柔韌性，性能超過了丙烯酸乳液膠粘劑，可用作植絨膠。如許戈文[5]等人研制出的環(huán)氧改性聚氨酯陽離子乳液體系，其粘附力、耐水性、耐溶劑性、手感等方面性能優(yōu)異。

    2.2層壓制品及復合包裝

    聚氨酯膠粘劑中含有異氰酸酯基(-Nc0)和氨基甲酸酯基(-NHCOO-)，與含有活性氫的材料有著優(yōu)良的粘接力，還可與被粘材料產(chǎn)生氫鍵作用，使粘合更加牢固。聚氨酯膠粘劑的配方可調(diào)，膠層從柔性到剛性可任意調(diào)整，適合多種材料復合包裝及層壓復合的要求。另外由于膠膜氣味小、無毒，特別適用于食品包裝復合薄膜及裝飾用復合膠粘劑。

    安徽大學綠色高分子材料重點實驗室研制的PU-5080水性聚氨酯膠粘劑可用于磁層壓、織物處理、材料粘合等領(lǐng)域，固含量(30±1)％，PH值6～9，斷裂伸長率>400％，拉伸強度>13MPa。

    2.3木材膠粘劑

    木材加工是膠粘劑最大的應(yīng)用領(lǐng)域。膠合板、纖維板、刨花板常用的膠粘劑有脲醛、三聚氰胺-甲醛、酚醛樹脂膠等。采用'三醛樹脂'制造復合板材，一般要求木材水分質(zhì)量分數(shù)在2％以內(nèi)，而未經(jīng)干燥處理的木材水分質(zhì)量分數(shù)在10％左右甚至更高，需要經(jīng)過干燥處理才能進行復合加工，否則壓制時可能產(chǎn)生爆裂。另外，三醛樹脂在粘接及制品使用過程中會產(chǎn)生有刺激性氣味的甲醛，對環(huán)境造成污染。脲醛膠粘的制品耐水性較差，聚醋酸乙烯乳液則耐水性及耐熱性均不佳，熱壓時易透膠。而采用乙烯基水性聚氨酯膠粘劑可克服以上缺點，能在室溫下膠接木材，具有初粘性高，對較濕的木材也能適應(yīng)等優(yōu)點。膠層的耐熱性和耐老化性能良好。

    日本首先開發(fā)了水性乙烯基PU系木材膠粘劑，簡稱API，后改名為水性高分子-異氰酸酯系木材膠粘劑(WPI)。該類膠粘劑初粘性高，可常溫膠接，最終粘接強度高，膠層耐水、耐久性良好，粘接木材時受壓時間短，操作簡便，膠粘劑呈中性，對木材無污染[6]。

    2.4鞋用膠粘劑

    前幾年我國一些三資鞋廠已開始使用水性PU膠。目前每年單從我國出口到國外的4大名牌(Nike等)所用的水性PU膠就達到2萬t[2]。由于國產(chǎn)水性PU膠在固化速度、初粘性、耐熱性等方面均不及溶劑型膠，因此國內(nèi)市場上的鞋用水性PU基本上為進口產(chǎn)品。據(jù)報道，山西省應(yīng)用化學研究院開發(fā)、山西運城華陽工貿(mào)公司生產(chǎn)的PUWD26210水性膠對鞋材具有良好的粘接性[2]。

    2.5壓敏膠

    乳液壓敏膠的用途是制造膠帶、不干膠標簽等，也可直接使用，廣泛用于辦公、建筑、家具、車輛等領(lǐng)域。目前丙烯酸類乳液使用較多。而考慮到耐老化、耐寒、粘接強度、透明性、無毒等因素，聚氨酯可成為水性壓敏膠中一種新型優(yōu)良品種。PU乳液的分子質(zhì)量不宜過大。日特開昭62—297375報道了日本花五株式會社研制的一種陰離子型PU乳液，用環(huán)氧交聯(lián)得到的壓敏膠耐水性好、強度高、穩(wěn)定性好[8]。該實驗研制的環(huán)氧改性水性PU壓敏膠，乳液穩(wěn)定，用于鋁板與薄膜及海綿與海綿粘接，具有非常好的初粘性和持粘性。