聚氨酯膠粘劑介紹及在囊體材料中的應用

董 莉，李向陽

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

聚氨酯(PU)膠粘劑是分子鏈中含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)和/或異氰酸酯基(-NCO-)的膠粘劑，聚多元醇為軟段，異氰酸酯和擴鏈劑為硬段[1]。我國PU膠粘劑行業經過50多年的發展，品種已經包含了溶劑型及水性PU膠粘劑、單雙組份膠、無溶劑膠、熱熔膠等，其應用已涉及國民經濟的各個領域，并且PU膠粘劑在行業中正發揮著重要的作用。

1 聚氨酯膠粘劑合成及應用

合成PU膠粘劑的主要原材料有多元醇、異氰酸酯化合物、擴鏈交聯劑以及其它助劑。其中，多元醇主要為聚酯多元醇、接枝多元醇、聚醚多元醇、聚烯烴多元醇等[2]。PU膠粘劑常用的異氰酸酯化合物主要有甲苯二異氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)等。為了使聚氨酯形成交聯的網絡結構，通常需要加入交聯劑。常用的交聯劑有多種，例如胺類、醇胺類、脂肪醇類。另外，PU膠粘劑在制備的過程中有時還需加入增塑劑、穩定劑、催化劑等不同種類的助劑。

PU膠粘劑的粘接性、韌性、耐溫等性能可在較大范圍內調節，可以加熱固化，也可以室溫固化；因其優異的粘接性、高彈性、耐低溫、耐疲勞、耐磨等特性，廣泛用于汽車、建筑、紡織、包裝、汽車、航天航空等領域，伴隨著經濟的發展，其使用量也逐年增加[3]。

2 粘接的機理

與膠粘劑相關的粘接機理，到目前為止已經提出過很多解釋。但是，這些理論均有一定的局限性，只能解釋某種粘接現象，而不能對所有的粘接進行說明。目前，已經報道的粘接原理主要有：界面化學結合理論、吸附理論、擴散理論、靜電理論等。

目前大多認為的觀點是，膠粘劑先浸潤、擴散、滲透到被粘接的材料表面，之后經過固化、交聯在粘接界面形成結合的作用力。為了使膠粘劑將兩種基材牢固的粘接，有一個必要條件是要是膠粘劑能夠在固體的表面上實現完全浸潤，形成一個均勻、完整的膠膜。只有膠粘劑完全潤濕基材表面，才能使各種機理發揮作用，這也是獲得最佳粘接效果的前提。如果浸潤不完全，在膠膜斷開的地方會產生很多應力集中點，很容易從該處發生破壞，粘接強度也會下降很多。只有當膠粘劑的表面張力與基材的表面張力相同時，膠粘劑在基材表面實現了完全潤濕，粘接強度才達到最大。

經過測試可知，PU膠粘劑的表面張力大約為40達因。因此，復合基材表面的張力也要達到40達因左右才能實現膠粘劑在表面的完全潤濕。但是有很多基材表面的張力最開始比PU膠粘劑要低得多，如果使這些基材復合必須使其表面張力提高到38達因以上，否則使膠粘劑不能在材料表面潤濕，最終的復合牢度低。為了提高材料的表面張力，通常采用的方法是電暈處理。在高壓電場的作用下，使低表面能的基材表面發生氧化，表面分子極性增大，表面張力提高，最終使膠粘劑達到潤濕。但是這種表面張力是不穩定的，如果處理后沒有及時復合，在放置過程中張力會隨時間延長而衰減，因此，放置時間一般不超過7天。如果放置時間長，需要重新進行電暈處理。此外，電暈處理時，高壓電場下電子流對基材表面進行轟擊，還可以使基材表面粗糙化，這樣就增加了表面積，有利于凹凸的表面對膠粘劑的固定[4]。

3 聚氨酯膠粘劑分類

3.1 單組份膠粘劑

大部分單組份PU膠粘劑以醋酸乙烯酯、乙烯酯、乙烯-醋酸乙烯酯等為體系，無需現場配制、操作簡單、使用方便[5]。但是該類PU膠粘劑大多存在粘接強度偏低、固化過程易產生氣泡等問題。

3.2 雙組份膠粘劑

雙組份PU膠粘劑一般由主劑和固化劑組成，大多數的主劑為羥基封端組份，固化劑為含游離異氰酸酯基團的組份；還有的主劑為異氰酸酯基團封端預聚體，固化劑為小分子多元胺或者多元醇。雙組份PU膠粘劑的粘接范圍廣、粘接強度高、粘接性能可以在一定范圍內調節。但是，雙組份調節范圍過大，則會出現膠層不干、膠層柔韌性下降[6]。

3.3 溶劑型膠粘劑

常規的雙組份溶劑型PU膠粘劑是以醋酸乙酯為溶劑和稀釋劑，刺激性大、成本高。新型的醇溶型雙組份PU膠粘劑采用乙醇為溶劑，使用中要加固化劑。兩組份的配比用量可在一定范圍內調節，并且膠粘劑的粘接性能夠長時間保持。該類型的膠粘劑比一般PU膠粘劑的優勢在于，其熟化的過程在常溫下就可以進行，初粘強度以及之后的粘接強度都比較高。另外，對于醇溶雙組份PU膠粘劑還可以使用其他多種醇類溶劑進行稀釋，并且該類膠粘劑對濕度不敏感[7]。

3.4 水性聚氨酯膠粘劑

水性PU膠粘劑以水為介質，不含或只含有極少的有機溶劑，在使用過程中沒有刺激性的氣體，對環境影響小，具有安全可靠、節能環保的特點。但是水性PU膠粘劑仍然存在一些缺點，如固化速度慢、潤濕性能差、初粘強度不高等[8]。為此，研究者通過加入快干劑并控制快干劑的添加量開發了固化速度可調的水性PU膠粘劑。當膠粘劑被涂布在材料表面時，大量的催化劑被釋放，極大地提高了后期固化速度[9]。

3.5 無溶劑膠粘劑

現在使用的無溶劑膠粘劑在室溫下黏度較高，呈固態或者半固態；復合時，為了降低膠粘劑的黏度需要首先加熱升高溫度，按照一定的比例在混合器中進行充分混合，然后將膠粘劑通過施膠輥涂覆在基材的表面。由于這種膠粘劑使用過程中不涉及任何的溶劑，所以經過涂膠之后的材料不用再經過烘道，能夠實現和其他種類材料的直接復合。使用此類膠粘劑可以提高復合速度、操作更加安全、降低了材料復合的成本，因此，比溶劑型膠粘劑具有一定的優勢[10-11]。

4 基本性能要求

對于常用PU膠粘劑基本性能要求主要包含持久性、操作性、廣泛性、柔軟性、安全性等。

持久性：復合好的材料需要在相當長的時間內，剝離強度保持在較高的水平，并且剝離強度不能隨著時間的推移強度逐漸降低，影響材料性能。

操作性：復合工藝主要包括配膠、涂布、(干燥)、復合、熟化等幾個過程。要求使用的膠粘劑可以比較方便地配置、膠液具有較好的穩定性、與材料的浸潤性能好、容易轉移、上膠量可控、性能均勻一致。

廣泛性：為了制備多種功能性材料，需要將不同種的薄膜材料復合，例如：聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺(尼龍)、聚偏二氯乙烯等。為了將他們粘接在一起，要求所用的膠粘劑必須具有廣泛的應用性。

柔軟性：為了不影響薄膜材料本身的性能，要求膠粘劑形成膠膜之后除了有高粘接強度之外，還具有一定的柔軟性。

5 改性方法

隨著使用范圍和需求的不斷增加，單一特性的PU膠粘劑不能滿足一些特殊條件下的應用要求，各種改性工作也隨之開展，內交聯改性、外交聯改性、機械共混改性、化學共聚改性和添加助劑等多種方法逐漸被報道和應用。改性后的PU膠粘劑性能增強，使用范圍也逐漸擴大。

6 在囊體材料中的應用

應用于浮空器中的囊體材料是一種多層復合材料，由耐候層、阻隔層、承力層、粘接層組成，各層之間通過膠粘劑進行粘接。此外，將囊體材料連接成型以及外場修補時也需要膠粘劑將材料膠接。所以，浮空器領域對于膠粘劑的需求量較大[12]。

由于浮空器所處的工作環境特殊，紫外線輻照強、臭氧作用強、晝夜溫差大，對膠粘劑提出了更高的要求，需要膠粘劑有很好的初粘力、較高的粘接強度、耐老化及耐溫性能優異、并且粘接后柔韌[13]。根據以上膠粘劑的性能需求，囊體材料中應用較多的為具有優異使用性能的PU膠粘劑。目前，國內浮空器材料的制作多選用進口膠粘劑，成本高、采購周期長。因此，提高國產PU膠粘劑的性能成為了迫切需要解決的問題。