圖書館書架用改性膠粘劑的制備與性能研究

王蓬緒，李超

摘要：為了提升圖書館書架用膠粘劑的膠接強度，研究了反應溫度、反應時間、—OH與—NCO摩爾比、催化劑用量、熱壓溫度和熱壓時間對聚氨酯膠粘劑中—NCO含量和膠粘劑試樣剪切強度的影響。結果表明，膠粘劑體系中適宜的反應溫度為70 ℃、反應時間為5 h、催化劑用量為0.1%、—OH與—NCO摩爾比為0.4。隨熱壓時間的增加，試樣的干狀剪切強度（τd）和濕狀剪切強度（τm）都先增大后保持穩定。隨著熱壓溫度（Tr）從130 ℃增至150 ℃，試樣的τd和τm先增大后減小，當熱壓溫度為140 ℃時取得最大值。在熱壓溫度為140 ℃、熱壓時間為75 min時，膠粘劑試樣具有最大的τd和τm，且為適宜的熱壓工藝參數。

關鍵詞：圖書館書架；膠粘劑；異氰酸根含量；熱壓參數，剪切強度

中圖分類號：TQ433文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0001-04

Study on preparation and properties of modified adhesive for library shelf

WANG Pengxu1，LI Chao2

（1.Yantai Vocational College，Yantai 264670，Shandong China;2.Qilu University of Technology，Jinan 250300，China）

Abstract：In order to improve the bonding strength of adhesives for library bookshelves，the effects of reaction temperature，reaction time，molar ratio of —OH/—NCO，amount of catalyst，hot pressing temperature and time on —NCO content in polyurethane adhesives and shear strength of adhesive samples were studied.The results showed that the suitable reaction temperature in the adhesive system was 70 ℃，the reaction time was 5 h，the amount of catalyst was 0.1%，and the molar ratio of —OH/—NCO was 0.4; With the increase of hot pressing time，the dry shear strength（τd） and wet shear strength（τm） of the adhesive sample both increased first and then remained stable.With the increase of hot pressing temperature（Tr） from 130 ℃ to 150 ℃，the τd and τm? of the specimen increased first and then decreased，and the maximum value was obtained when Tr was 140 ℃.At a hot pressing temperature of 140? ℃ and a hot pressing time of 75 min，the adhesive specimen had the maximum （τd） and （τm），which was a suitable hot pressing process parameter.

Key words：library shelves;an adhesive;isocyanate content;hot pressing parameters;shear strength

書架作為圖書館的重要組成部分，需要根據圖書館的結構打造不同的書架，裝載不同類型、不同種類的文化書籍等，這也要求圖書館書架需要具有較高的膠接強度，以滿足圖書館書架日益發展的需要。在圖書館書架組裝過程中，不可避免地需要進行膠接，而膠粘劑質量是影響其膠接質量的關鍵因素[1]。作為圖書館書架用膠粘劑，還需要具有價格低廉、環境污染小等特點[2-4]，因此具有環保特性的異氰酸酯受到大家普遍關注，但目前腰果二酚作為膠粘劑封閉劑體系的熱壓工藝參數、反應溫度和時間等參數，對圖書館書架用膠粘劑膠接強度等影響規律不清楚[5-9]。因此，對高性能圖書館書架用膠粘劑的開發與應用進行研究受到關注。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

異氰酸聚亞甲基聚亞苯基酯（PMDI）：工業級，—NCO質量分數為30%，南通潤豐石油化工有限公司；PPG-1000：工業級，河北林峯科技發展有限公司；質量分數70%的腰果二酚：武漢浩榮生物科技有限公司；二正丁胺：分析純，武漢浩榮生物科技有限公司；苯胺、乙酸乙酯、丙酮、溴甲酚綠、鹽酸：分析純，國藥集團；二月桂酸二丁基錫（T12，催化劑）：分析純，國藥集團；氮氣（99.99%）：煙臺豐蓬氣體有限公司。

1.2試樣制備

將腰果二酚、二月桂酸二丁基錫、丙酮（腰果二酚質量分數的40%）攪拌均勻，氮氣保護作用下加入工業級PMDI，在78 ℃高溫反應4 h后測試—NCO含量直至其含量不再變化。自然降溫至45 ℃，加入體系中—NCO摩爾數1.1倍的工業級PPG-1000，攪拌均勻后以6 ℃/min速度升溫，在溫度達68 ℃后保溫2 h，然后冷卻至室溫即制備出聚氨酯膠粘劑。

1.3測試方法

—NCO含量測定：采用二正丁胺法[10]；羥甲基環己酮的羥值測定：依據DIN 53240—2—2007，R為—OH與—NCO摩爾比[11]；干狀剪切強度（τd）和濕狀剪切強度（τm）測定：以樺木做基材，聚氨酯膠粘劑為粘接材料制備成剪切強度測試試樣，搭接面積和涂膠量分別為25 mm×25 mm和110 g/m2[12]，其中τm測試條件為：98 ℃沸水/4 h+70 ℃/18 h干燥+98 ℃沸水/4 h，冷卻至室溫后測試，參照GB/T 17517—1998《膠粘劑壓縮剪切強度試驗方法》[13]。

2試驗結果與討論

2.1—NCO含量

圖1為不同反應溫度、反應時間膠粘劑中—NCO含量的變化。

由圖1可知 ，隨反應時間的延長，在不同的反應溫度、反應時間下膠粘劑中—NCO含量都呈先降低，然后趨于穩定的趨勢；在—NCO含量隨反應時間較為穩定階段，反應溫度越高則相同反應時間下膠粘劑中—NCO含量越低。在反應開始階段，由于膠粘劑中羥基濃度較高，且—NCO基團較多，因此反應速率較快[14]；隨著反應時間的延長，膠粘劑體系中—NCO含量和羥基濃度減小，反應體系的反應速率降低，在反應時間為5 h時基本不變。在反應時間為5 h，反應溫度分別為25、50、70和80 ℃時膠粘劑中的剩余—NCO含量分別為8.17%、7.43%、5.43%和4.39%。當反應溫度為80 ℃時，膠粘劑在反應過程中出現氣泡，膠粘劑黏度較大且不易控制，因此適宜的反應溫度為70 ℃。

圖2為不同催化劑用量下膠粘劑中—NCO含量的變化，此時反應溫度為70 ℃，催化劑二月桂酸二丁基錫質量分數分別為0%、0.1%、0.2%和0.5%。

由圖2可知，在不同催化劑用量下，膠粘劑中—NCO含量都會隨著反應時間延長而降低，在相同反應時間下，催化劑用量分別為0.1%、0.2%和0.5%時，膠粘劑中—NCO含量都高于不含催化劑的膠粘劑。這主要是因為催化劑的存在，一定程度會降低反應活化，使得—NCO基團與酚羥基結合形成不穩定的絡合物[15]所致；但催化劑用量也不易過高，若含量較多則會在膠粘劑體系中產生自交聯反應，使得繼續升高催化劑含量時反應后期的—NCO含量較小，因此，適宜的催化劑用量為0.1%。

圖3為R值對封閉體系下膠粘劑中—NCO含量的變化，此時反應溫度為70 ℃，催化劑二月桂酸二丁基錫含量為0.1%。

由圖3可知，當反應時間分別為1、2、3、4和5 h時，隨著R值逐漸增加，不同反應體系下—NCO含量都呈現逐漸減小的趨勢；但在相同R值條件下，反應時間越長則膠粘劑體系中的—NCO含量越小。當膠粘劑體系中R值為0.4時，體系中還有一定含量的—NCO基團，增加R值后體系中—NCO含量進一步減少；但當R值繼續增加時，在R值達0.5及以上時，體系中—NCO含量變化較小，這主要是因為過高的R值會使體系反應產物不完全，因此，適宜的R值為0.4。

2.2膠接強度

圖4為R值對膠粘試樣剪切強度的影響，其中，膠粘劑的制備工藝為反應溫度70 ℃、催化劑二月桂酸二丁基錫質量分數為0.1%、熱壓溫度為135 ℃、熱壓時間為45 min。

由圖4可知，隨著R值增加，膠粘劑試樣的干狀剪切強度和濕狀剪切強度都呈現先增加，然后減小的趨勢；在R值為0.4時取得干狀剪切強度和濕狀剪切強度最大值。這主要是因為R值為0.4時，封閉劑仍存在膠粘劑體系中，并對體系起到一定的增塑作用的同時提高了剪切強度[16]；若R值過大，膠粘劑體系中的—NCO基團在一定程度上被封閉，在熱壓過程中無法獲得活性—NCO基團而影響了羥基基團的化學鍵形成[17]，進而膠粘劑試樣的膠合強度會有一定程度減小。

圖5為熱壓時間對膠粘試樣剪切強度的影響，熱壓溫度為135 ℃，R值為0.4。

由圖5可知，膠粘劑試樣的τd和τm都隨熱壓時間的增加呈現先增大，然后保持穩定的特征。此外，在相同條件下膠粘劑試樣的τd都高于τm，這主要是因為在熱壓時間下，膠粘劑試樣中的部分—NCO基團發生一定程度的自聚反應而形成聚苯，影響活性羥基的形成[18]，從而降低干狀剪切強度和濕狀剪切強度。因此，選擇適宜的熱壓時間為75 min。

圖6為熱壓溫度對膠粘試樣剪切強度的影響，其中，熱壓時間為75 min，R值為0.4。

由圖6可知，隨著熱壓溫度從130 ℃增至150 ℃，膠粘劑試樣的干狀剪切強度和濕狀剪切強度都呈現先增大，然后減小趨勢；當熱壓溫度為140 ℃時取得最大值。在相同熱壓溫度下，膠粘劑試樣的干狀剪切強度都高于濕狀剪切強度，這主要是因為在熱壓溫度低于140 ℃時，膠粘劑體系中的部分—NCO基團還未完全被解封而影響膠合強度[19]；當熱壓溫度高于140 ℃時，雖然膠粘劑體系中—NCO基團被解封，但高溫下也會促使—NCO基團發生自聚反應而形成聚苯，體系中的活性物質減少[20]，膠合強度因此也受到影響。因此，適宜的熱壓溫度為140 ℃。

3結語

（1）在反應時間為5 h，反應溫度分別為25、50、70和80 ℃時，膠粘劑中的剩余NCO質量分數分別為8.17%、7.43%、5.43%和4.39%。膠粘劑中—NCO含量隨R值增加而減小，在相同R值時，反應時間越長則—NCO含量越小；

（2）膠粘劑試樣的干狀剪切強度和濕狀剪切強度都隨R值增加呈現先增大，然后減小的趨勢，在R值為0.4時取得最大值；

（3）膠粘劑試樣的干狀剪切強度和濕狀剪切強度都隨熱壓時的增加呈現先增大，然后保持穩定的特征。在相同條件下，膠粘劑試樣的干狀剪切強度都高于濕狀剪切強度。

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