單組分水性聚氨酯膠粘劑性能受到合成條件影響分析

莊曉莎

摘 要：文章主要針對單組分水性聚氨酯膠黏劑在合成過程中合成條件對其性能的影響進行了分析，并采用了紅外觀測的手段，通過分析看出，內加交聯劑同水性聚氨酯乳液之間會產生交聯反映，從而有效提高膠粘劑的性能，提高其粘結強度，從而證實二者結合使用后粘結效果更佳。

關鍵詞：合成條件；交聯劑；水性聚氨酯；性能

PU膠粘劑即平時所常見的聚氨酯膠粘劑，主要用與塑塑粘合以及紙塑粘合或者鋁塑粘合，在包裝粘合領域應用廣泛。而隨著環保呼聲的提高，為了相應環保需求，PU膠粘劑在未來的發展方向主要為水基型膠粘劑。雖然在性能上水性聚氨酯膠粘劑較為優越，但是同溶劑型聚氨酯膠粘劑相比仍舊有不足之處。從硬度以及強度性能角度分析，聚醚型PU不如聚酯型PU。但是由于醚基旋轉性較高，因而聚醚型PU相比較而言低溫性能以及柔順性相對較高，所以具有較高的初粘度。

1 實驗

1.1 原料分析

在試驗中所使用的實驗原料主要包括以下幾種：Mn=1187的聚醚多元醇，Mn=2556的聚酯多元醇，內加交聯劑A、內加交聯劑B，以及催化劑。另外還需要1，4-丁二醇（BDO）以及甲苯二異氰酸酯和二羥甲基丙酸（DMPA）以及雙酚A。

1.2 制備PU乳液

水性聚氨酯乳液的基本配方為羧基含量1.2%（質量分數），NCO/OH比值（摩爾比）1.3，雙酚A含量10%（摩爾分數），聚酯聚/醚2∶1（moL/moL）。典型的PU乳液的制備過程如下。先將脫除水分的聚酯多元醇（38.55g）、聚醚多元醇（30.42g）、二羥甲基丙酸（DMPA）（2.23g）和雙酚A（1.03g）加入到反應器中，同時加入TDI（14.01g），攪拌升溫至80℃，加入適量的催化劑，保溫反應。3h后加入內加交聯劑B（0.11g），在80℃下繼續反應1h。然后加入一定量丙酮并使反應體系降溫至30℃，加入內加交聯劑A（0.57g）。繼續反應1h后加入三乙胺（TEA）（1.69g）進行中和反應，15min后在高速攪拌下滴加去離子水（139.40g），得到乳狀水性聚氨酯膠粘劑（PU乳液）。

1.3 復合薄膜的制備

將塑料薄膜進行電暈處理，并在其表面均勻涂抹乳液，密度為6-7g/m2，使用PET/PE座位粘接材料，烘干后進行壓合得到符合薄膜。

1.4 分析測試

1.4.1 測試乳液性能：依照國際相關標準對乳液粘度進行測試，并通過涂-4粘度計進行試驗測量。

1.4.2 吸水率測試：針對膠膜性能測試，必須要進行吸水率測試。首先按照規定面積大小將樣品進行剪裁，并稱量。繼而浸泡于清水中，24h后取出瀝干，再次進行稱量，通過兩次測量數據計算出吸水率。

1.4.3 剝離強度測試：針對復合薄膜還需要進行剝離強度測試，將樣品剪裁，規格為200mm×25mm大小，然后依照國際相關標準采用專業測試儀器進行T型剝離強度的檢測。

1.4.4 結構測試：針對內加交聯劑以及PU等材料還需要對其進行結構測試，通過涂膜法將此類符合體系樣品涂抹在溴化鉀鹽片上，待其成膜后采用紅外光譜進行分析，掃描次數為16，并將分辨率調至2cm-1。

2 結果與討論

2.1 材料表征分析

針對水性聚氨酯采用紅外光譜的方式進行了表征分析，通過對其沒有嫁入交聯劑的乳液進行紅外光譜分析可以看出，在光譜中3400cm-1附近會出現寬大的吸收帶，并且在1535至1555cm-1處還會存在明顯的-NH特征峰，在光譜1715cm-1附近則會存在C=O伸縮振動峰，并且該伸縮震動峰強烈。而圖譜1130cm-1則是C-O-C結構伸縮震動峰。通過分析可以看出該類物質為水性聚氨酯。而在水性聚氨酯中加入交聯劑后，紅外圖譜1600～1580cm-1附近會出現一個寬大的弱峰，該峰是內加交聯劑A中的-NH2基團所致，而在圖譜1130～1000cm-1范圍存在強峰，該強峰主要由Si-O基團所致。通過分析可以看出若在水性聚氨酯中加入占反應體系中過量的NCO的9%（摩爾分數）的內加交聯劑A改性所得的水性聚氨酯中基團-NH（1530cm-1附近）和C-O-C、S-iO（1130～1000cm-1）以及C=O（1715cm-1）會出現明顯的變化，從圖譜中可以看出，其基團吸收強度會明顯增強，這就說明，通過嫁入外加交聯劑，水性聚氨酯的化學性能發生了變化。

通過加入內加交聯劑B后，針對水性聚氨酯進行紅外圖譜分析，首先需要針對沒有嫁入內加交聯劑的材料進行紅外分析，可以從圖譜中看出，在圖譜的3500cm-1處為-OH的振動吸收峰，832cm-1為環氧基團特征峰。而在經占反應體系中過量的NCO的3.0%（摩爾分數）的內加交聯劑B改性后的水性聚氨酯的譜圖中，1535～1555cm-1處-NH和1715cm-1處C=O的特征峰面積均有明顯增大，這是由于PU中的-NCO基團與內加交聯劑B中的-OH發生反應，生成-NH-COO-所致，而832cm-1處環氧基團特征峰消失，說明環氧基團發生了開環反應。

2.2 聚酯聚醚多元醇的配比影響

通過試驗分析可以看出聚酯聚醚多元醇對于水性聚氨酯化學性能的影響主要體現在配比上，可以明顯的分析出，若在水性聚氨酯中加入純聚醚多元醇，那么材料膠膜的硬度相對較少。隨著聚酯多元醇的增加，涂膜的硬度也會隨之增加，涂膜粘性也會相應降低，這是由于材料化學結構中，聚酯鏈中酯鍵比醚鍵具有更強的極性，而材料配置中所形成的氫鍵也會具有更高的性能，所以聚氨酯硬度會隨著原料中聚酯含量的增加而增加。酯鍵的水解性較強，因而在耐水性上，聚醚型性能要高于聚酯型水性聚氨酯，并且聚酯數量越高，則材料耐水性越高。因此在PU中加入聚醚多元醇可以有效提高材料低溫耐性以及提高初粘力，但是材料中聚醚多元醇含量越高，則其粘結強度便會越低，所以，外加劑的嫁入比例應當以PU膠粘劑性能作為基礎。

2.3 小分子擴鏈劑影響

通過有效的分析，可以總結出，擴鏈劑含量增加，那么T剝離強度便會隨之增高。如果擴鏈劑含量超過規定范圍，那么材料的剝離強度反而會有所降低。水性聚氨酯粘膠劑硬段結構會隨著小分子擴鏈劑的嫁入而提高，并且極性也有所增強，T剝離度也會隨之提高。但是如果加入小分子擴鏈劑加入過多也會相應降低材料分子量，那么粘接性便會受到影響。另外，通過對雙酚A以及丁二醇對復合薄膜進行比較，針對其對T剝離強度影響，可以發現，在適當的范圍中，使用雙酚A的效果更高。因此在水性聚氨酯中使用雙酚A作為外加劑較好。

而在PU乳液中加入雙酚A對其膠膜性能將會有所影響。雙酚A作為擴鏈劑加入到水性聚氨酯中會增加其苯環含量，因此會提高結構硬度。通過分析可以看出PU乳液中粘度會隨著雙酚A的加入而降低，因而粘度會所有降低。

3 結束語

通過嫁入內加交聯劑，水性聚氨酯性能有了很大的改善，結構膠粘劑的粘結強度有了很大的提高。并且結合兩種交聯劑效果更好。另外，控制NCO/OH比值（摩爾比）為1.3，羧基含量1.2%（質量分數），能夠得到粘接性能較好的水性聚氨酯乳液。通過在水性聚氨酯中嫁入小分子雙酚A可以有效提高結構粘接強度以及硬度，或者嫁入丁二醇，提高水性聚氨酯性能，并有效降低吸水性。

參考文獻

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