水性聚氨酯膠黏劑的研究進展

李蒙

摘 要：水性聚氨酯膠黏劑有極性強和化學性質活躍等特點，具有較好的附著力，并且以水為介質，無毒無污染。近年來，水性聚氨酯產品的研究與開發已成為我國的一個熱點領域。本文總結了國內水性聚氨酯膠黏劑的常用合成方法和存在的基本問題，介紹了幾種水性聚氨酯的改性，最后提出了水性聚氨酯膠黏劑未來的發展前景。

關鍵詞：水性聚氨酯;膠黏劑;改性;展望

1 WPU的合成方法

WPU是膠黏劑最關鍵的基材，其各項性能直接決定著膠黏劑的綜合性能。WPU的合成方法主要有兩種，一種是自乳化，一種是外乳化。自乳化合成方法中較常用的合成方法有丙酮法和預聚物法。同時，由于封閉異氰酸酯具有良好的穩定性和解決儲存問題的能力，其封閉方法引起了人們的關注。此外，高活性異氰酸酯單體可以很好地溶解，可以用于制備WPU。

2 WPU膠問題

①固含量低。目前，固含量小于45%分子量的體系導致干燥和運輸成本高;②貯存穩定性差。隨著WPU膠黏劑體系固含量和交聯度的增加，貯存穩定性變差;③潤濕性差。水的表面張力是普通溶劑的三倍，水在低能表面的潤濕性差;④初粘性差。與改性WPU膠相比，未改性WPU

膠初粘性差，對施工影響大;⑤耐水性和耐熱性差。大多數WPU膠黏劑是線性熱塑性塑料其分子鏈含有親水基團，從而影響到其耐水性和耐熱性。

3 水性聚氨酯的改性

膠黏劑的粘合強度一般取決于膠膜和基材的粘合強度以及膠膜本身的強度。目前，水性聚氨酯膠黏劑主要是線性分子結構，分子間作用力主要依賴于分子纏繞和氫鍵等非化學鍵，導致膠膜強度有一定的上限。在一定的壓力下，會引起薄膜的附著力減弱，甚至會出現損壞脫膠的想象，只能用于鞋類等應力較低的基材。由于分子鏈中的分子交聯密度較低，水分子很容易滲透到膜的內部以及膜與基底和水分子之間的連接處，從而導致膜的強度和粘附膜與水分子之間的粘附力降低，粘合劑的性能下降。因此，通過引入交聯結構對水性聚氨酯膠黏劑進行改性，大大的提高了膠黏劑的強度和耐水性，從而獲得性能滿意的產品。

3.1 有機硅改性

有機硅化合物的結構中含有硅元素，是一種屬于半有機和半無機高分子的化合物。引入有機硅材料對WPU進行改性，可以提高WPU固化膜的耐高溫、耐低溫以及耐水性能。因此，研究有機硅材料的改性對提高WPU性能具有重要意義。有機硅改性水性聚氨酯通常是一種化學合成方法。聚氨酯樹脂的組分含有活性自由基和活性烷氧基，再加上有機硅在處理后能夠形成有機硅改性聚氨酯，具有一定的活性。在有機硅進行改性后，聚氨酯水基乳液的粘度會降低，聚氨酯膠黏劑的性能顯著提高。

張彩云[1]等人以聚酯二醇和聚醚硅油為軟段，與MDI反應得到聚氨酯預聚物，然后進行擴鏈反應，從而實現有機硅的改性。因此能夠得出結論：膠粘劑的高溫剪切強度相對于室溫剪切強度的下降幅度，隨著有機硅含量的增加而降幅減小，說明了耐熱性能的提升。當聚醚二醇與聚醚硅油的質量比為2/1時，掃描電鏡中就會存在不同的晶區，且相分離明顯。這表明改性的水性聚氨酯具有良好的環境適應性能和力學性能。

3.2 環氧樹脂改性

環氧聚合物是一種含有兩個及以上環氧基的聚合物。根據環氧基的化學性能，可以利用各種含活性氫的化合物打開環氧基的環氧樹脂環，固化交聯形成三維網絡結構。環氧樹脂的優勢非常明顯：①優異的耐水性;②耐化學性;③機械性能好;④附著力強;⑤穩定性好。然而環氧樹脂材料也存在其局限性：①抗沖擊性差;②耐候性差;③柔韌性差。同時，水性聚氨酯材料也有其獨特的優勢：具有優異的柔韌性和彈性。通過環氧樹脂改性，環氧樹脂改性水性聚氨酯不僅可以將兩者的優良性能結合起來，而且可以彌補兩者的不足。在改性過程中，環氧基同時與氨基甲酸酯反應形成新的物質，環氧樹脂改性水性聚氨酯已成為研究的熱點之一。

戴震[2]等人在環氧樹脂水性聚氨酯改性研究中，已經取得一定的成效。有關研究顯示，改性水性聚氨酯在拉伸強度、防水性、熱穩定性和耐溶劑性能等方面均有所提高，當環氧樹脂用量達到6%時，改性水性聚氨酯的性能最好。

3.3 納米改性

納米改性是一種新型的水性聚氨酯改性方法，納米復合材料是指在納米范圍內通過納米二氧化硅、納米碳酸鈣等納米材料和其他水基聚氨酯復合乳液，可以提高其他水基聚氨酯薄膜的強度、硬度和物理力學性能。在1-100nm的晶粒中，晶粒是由納米材料組成的，因此這種晶粒具有許多優異的性能，如小尺寸效應、表面界面效應等，將其與WPU乳液相結合，可顯著提高材料的力學性能和熱穩定性。

在納米改性中，王玥[3]以IPDI、PBA、DMPA為原料，水為分散劑，可以合成不同R值（NCO/OH）的WPU乳液，干燥成膜后，對乳液的性能進行測試，選擇合適比例的WPU軟硬段作為空白對照組，在添加不同比例的納米羥基磷灰石（HA）的基礎上進行檢測。研究表明，納米材料改性WPU能顯著提高材料的力學性能、耐磨性和熱穩定性。

3.4 丙烯酸改性

在對丙烯酸改性的研究中，主要是研究原料配比對丙烯酸酯改性產物合成的影響。實驗結果表明，與未改性乳液相比，改性乳液的粒徑逐漸增大，液相逐漸由透明狀態向半透明狀態發展。復合乳液在剪切過程的初期表現出剪切稀化現象，符合牛頓流體的特性。隨著PA含量的增加，用丙烯酸酯改性分子量大、狀態半透明、顏色有點藍的乳液合成乳液，玻璃化轉變溫度升高，耐水性增加。

伊廷法在丙烯酸改性的研究中也取得了一定的研究成果，以烯丙基聚氧乙烯醚（APEG）為偶聯劑，成功合成了性能相對穩定的丙烯酸WPUA乳液，研究了聚酰胺用量（PA）對產品性能的影響。最終證明，當PA含量逐漸增加，WPU乳液的粒徑增大，乳液黏度由大變小，耐水性增強。

3.5 化合物改性

復合改性WPU由兩種或兩種以上改性材料組成，可以彌補其他單一材料的不足，有利于制備改性性能較好的WPU乳液。在復合改性中，王亞東主要以PDMS、PCD、IPDI、

DMPA和KH-550為原料，采用丙酮法制備PDMS/氨基硅氧烷復合WPU乳液。結果表明，PDMS含量為8%（質量分數）和KH-550含量為5%時，復合改性WPU的拉伸強度和耐水性均有顯著提高。最近，肖家偉等用環氧E44和KH-550改性水性聚氨酯，研究了環氧樹脂和有機硅用量對乳液穩定性的影響，并對改性膠黏劑與超高分子量聚乙烯纖維的粘接性能進行了研究。結果表明，環氧樹脂和有機硅的引入提高了纖維的耐水性，而有機硅基團的引入可以有效地提高UHMWPE纖維的附著力。

4 水性聚氨酯的發展趨勢

如今，環保政策越來越嚴格，環保型膠黏劑的性能要求也越來越高，綠色環保復合材料將越來越受到重視，降低膠黏劑中VOC的含量和需求將變得越來越迫切。因此，以下幾點將成為WPU未來的發展趨勢：①提高WPU的粘接強度，尤其是初始粘接強度，進一步縮小WPU與傳統溶劑型PU的差距。在WPU合成過程中，盡量少用或不用有機溶劑，以真正滿足環保要求，增加WPU合成的固含量，降低運輸和使用成本;②利用生物質資源對水性聚氨酯進行改性，如天然高分子和天然松香樹脂。纖維素已經在航空航天、醫藥等領域引起了廣泛的關注。近年來，如何充分有效地利用纖維素已成為眾多科學家關注的焦點，利用生物質資源對WPU進行改性將成為未來的發展趨勢之一。

5 結論

隨著水性聚氨酯各方面研究的不斷深入，水性膠黏劑產品研究方法、環保意識和綜合性能的不斷提高，將會有越來越多的新型環保水性聚氨酯產品問世，拓展新的研究方法，采用改性原料，如采用植物油改性可降低其成本，提高產品質量。

參考文獻：

[1]張彩云.有機硅改性聚氨酯的合成及其作為耐熱膠黏劑的應用研究[D].廣州：廣東工業大學，2014.

[2]戴震，劉瀏，黎兵等.環氧樹脂改性水性聚氨酯合成與表征[J].聚氨酯，2010（1）：56-58.

[3]王玥.水性聚氨酯/納米粒子復合材料的制備與性能研究[D].天津：天津科技大學，2017.