水性聚氨酯復膜膠的制備與表征

馬 鋼，劉樹來，李孟倩，馬玲玲，肖繼君，耿耀宗

（河北科技大學，河北 石家莊 050018）

水性聚氨酯復膜膠的制備與表征

馬 鋼，劉樹來，李孟倩，馬玲玲，肖繼君，耿耀宗

（河北科技大學，河北 石家莊 050018）

以甲苯二異氰酸酯（TDI）、聚酯二元醇和二羥甲基丙酸（DMPA）為主要原料，采用自乳化法合成了水性聚氨酯復膜膠。研究了OH/NCO值對水性聚氨酯復膜膠的粒徑、黏度、涂膜力學性能的影響以及聚酯多元醇的種類對水性聚氨酯復膜膠力學性能的影響。結果表明，水分散前的聚氨酯復膜膠液中無NCO基團存在；復膜膠乳液的粒徑隨OH/NCO值的增大變小，黏度變大，膠膜的斷裂伸長率變大、拉伸強度變小；聚酯多元醇的種類對膠膜的力學性能也有影響。

使用塑料復合膜的軟包裝廣泛應用于食品、醫藥、化妝品和辦公消費品等領域。有很多因素影響復合薄膜的質量，但最主要的是復合所用的膠粘劑。塑料復合膜所用的復膜膠主要有溶劑型、熱熔型和水基型［1］。

水性聚氨酯復膜膠以水為介質，屬于環保型的膠粘劑［2～4］，但目前許多商品仍存在諸如殘存異氰酸根、涂層的強度不夠以及乳液穩定性不高等問題。

1　實驗部分

1.1實驗原料

聚酯多元醇Ⅰ（2000），煙臺華大化學工業有限公司；聚酯多元醇Ⅱ（2000），青島新宇田化工有限公司；甲苯二異氰酸酯TDI（80/20），天津市博迪化工股份有限公司；二羥甲基丙酸（DMPA）、丙酮、三乙胺、無水乙醇及二月桂酸二丁基錫，均為市售品。

1.2制備工藝

先將一定量的聚酯二元醇裝入帶有溫度計和攪拌器的500 mL圓底四口燒瓶中，在120℃，0.01 MPa真空度下減壓脫水3 h；降溫到80 ℃左右加入TDI，將溫度控制在84～90℃，反應4 h，降溫至50 ℃再加入DMPA，升溫至84～90 ℃，在此期間當黏度增大時需加入一定量的丙酮。反應5 h后將溫度降到50 ℃左右加入三乙胺使其成鹽，在高速攪拌剪切下加入去離子水進行分散、過濾。包裝、封存以備測定。

1.3性能表征

傅立葉變換紅外光譜分析：室溫下用美國伯樂公司的FTS-135型紅外光譜儀對膠膜進行掃描測定。

拉伸強度及斷裂伸長率的測定：在CMT7104型微機控制電子萬能試驗機上進行測定，拉伸速率為200 mm/min。

乳液的平均粒徑：在室溫用歐美科科技有限公司的LS-900型激光粒度儀測定。

表觀黏度：用涂-4杯測定。

2　結果與討論

2.1紅外光譜分析

為了研究NCO反應的程度，對水分散前的聚氨酯復膜膠進行了紅外光譜分析，其結果如圖1所示。

圖1　水分散前的聚氨酯復膜膠的紅外光譜圖Fig.1　Infrared spectra of polyurethane laminating adhesive before dispersing with water

由圖1可知，2955、1730、1537和1221 cm-1處分別對應的是甲基的非對稱伸縮振動峰、CO-NH的C=0伸縮振動峰、苯環骨架的振動峰和酯基中的C-O伸縮振動特征吸收峰；NCO基的特征吸收峰2273 cm-1消失，說明TDI完全參加了反應。

2.2OH/NCO值對水性聚氨酯復膜膠乳液粒徑的影響

采用激光粒徑分布測定儀對不同OH/NCO值的水性聚氨酯乳液的粒徑分布進行了觀察，所得數據如表1所示。

表1　OH/NCO值對水性聚氨酯復膜膠乳液粒徑的影響Tab.1　Effect of OH/NCO value on particle size of waterborne polyurethane adhesive emulsion

由表1可知，隨著OH/NCO值的增加聚氨酯的分子量會逐漸降低，平均粒徑下降。

2.3OH/NCO值對水性聚氨酯復膜膠乳液黏度的影響

采用涂4杯對不同聚氨酯復膜膠乳液的黏度進行了測定，結果如表2所示。

表2　OH/NCO值對水性聚氨酯復膜膠乳液粘度的影響Tab.2　Effect of OH/NCO value on viscosity ofwaterborne polyurethane adhesive emulsion

由表2可知，隨著OH/NCO值的增加，聚氨酯乳液的黏度也增大。

2.4OH/NCO值對水性聚氨酯復膜膠膠膜的力學性能的影響

對不同水性聚氨酯復膜膠膠膜的力學性能進行了測試，其結果如表3所示。

表3　OH/NCO值對水性聚氨酯復膜膠乳液力學性能的影響Tab.3　Effect of OH/NCO value on the mechanical properties of waterborne polyurethane adhesive emulsion

由表3可以看出，隨著OH/NCO的減小，即NCO的相對量增加，水性聚氨酯膜的斷裂伸長率減小，拉伸強度增大。

2.5聚酯多元醇的種類對水性聚氨酯復膜膠力學性能的影響

在其他實驗條件相同的情況下，分別采用不同聚酯多元醇進行了試驗，制得水性聚氨酯復膜膠乳液樣品，并對其膠膜進行了力學性能測試，其結果如表4所示。

表4　不同聚酯多元醇對水性聚氨酯力學性能的影響Tab.4　Effect of different polyester polyols on mechanical properties of waterborne polyurethane

從表4可以看出，聚酯多元醇Ⅱ的斷裂伸長率較聚酯多元醇Ⅰ的大，拉伸強度較聚酯多元醇Ⅰ的小，說明盡管其分子質量相同但結構不同，其力學性能也有所差異。

3　結論

（1）由水分散前的聚氨酯復膜膠的紅外光譜得到，反應體系無NCO基團存在。

（2）水性聚氨酯復膜膠乳液的粒徑隨OH/NCO的增大變小，黏度變大，膠膜的斷裂伸長率變小，拉伸強度變大。

（3）在其他實驗條件相同的情況下，不同聚酯多元醇的水性聚氨酯復膜膠膠膜的力學性能也不同。

［1］劉文芳，李樹材.增稠樹脂對丙烯酸酯乳液膠粘劑性能的影響.熱固性樹脂，2000，15（4）：56～58.

［2］丁莉，杲云.水性聚氨酯膠粘劑結構與性能的研究.功能高分子學報，2001，14（1）：95～99.

［3］白子文，張旭琴，韓雪崗.形狀記憶聚氨酯.合成橡膠工藝，1999，22（3）：184～187.

［4］許俊，楊冬梅，李群.水基聚氨酯高頻熱合膠的研制.中國膠粘劑，1998，7（2）：19～22.Preparation and characterization of water-borne polyurethane laminating adhesive

MA Gang，LIU Shu-lai，LI Meng-qian，MA Ling-ling，XIAO Ji-jun，GENG Yao-zong
（Hebei University of Science and Technology， Shijianzhuang， Hebei 050018， China）

By self-emulsification method， the water-borne polyurethane laminating adhesive was synthesized with toluene diisocyanate （TDI）， polyester glycol and dihydroxymethyl propionic acid （DMPA） as the main raw materials. The effect of OH/NCO value on the particle size and viscosity of the waterborne polyurethane laminating adhesive and the mechanical properties of coating film were investigated. The effect of polyester polyols type on the mechanical behavior of film for the water-borne polyurethane laminating adhesive was also discussed. The results show that the NCO groups do not exist in the adhesive before dispersing with water； the particle size of water-brone polyurethane laminating adhesive emulsion decreases with increasing the ratio of OH and NCO grouops， but its viscosity increases， the elongation at break and tensile strength of the film become larger and smaller， respectively. The different polyester polyols also have the effect on the mechanical properties of water-based polyurethane film.

water-borne； laminating adhesive； property

2014-06-27

馬鋼（1990-），男，碩士，研究方向：復膜膠的制備及應用。E-mail：luckysevenmg@126.com。