運動鞋用水性聚氨酯膠粘劑改性優化與性能研究

關鍵詞：運動鞋；水性聚氨酯；膠粘劑；固含量

中圖分類號：TQ433.4+32 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0032-04

較為常見的新型鞋用膠粘劑主要包括聚醋酸乙烯醋膠粘劑、聚氨酷膠粘劑、水性聚氨酯等[1-2]。其中水性聚氨酯是以水代替有機溶劑作為分散介質的新型聚氨酯體系，相較于溶劑型聚氨酯毒性大幅降低，涂膜綜合性能優良，現已成為一種具有廣闊發展前景的環保型鞋用膠粘劑，在皮革、紡織等領域得到了較為廣泛的應用[3-4]。然而在運動鞋生產加工領域，水性聚氨酯蒸發潛熱較高，干燥時間長，一定程度上降低了運動鞋的生產加工效率[5]。因此，本次研究通過提高固含量的方式來強化水性聚氨酯的干燥性能，并對所制備的水性聚氨酯乳液性能進行測試，明確了水性聚氨酯乳液的最佳配置方案。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

試驗所需材料：分子質量分別為1000、2000、3000的聚己二酸1，4-丁二醇酯（PBA1000、PBA2000、PBA3000），以及分子質量為2000的聚己二酸丁二醇乙二醇酯（PEBA2000）分子質量為2000的聚碳酸酯二醇（PCDL2000），5種聚酯均購自上海鴻狀化工科技有限公司；異佛爾酮二異氰酸酯（IP?DI），購自湖北成豐化工有限公司；1，4-丁二醇（BDO），購自綠聯（濟寧）化學科技有限公司；二羥甲基丙酸（DMPA），購自上海和鑠化工有限公司；三乙胺（TEA），購自河北煜錦坤科技有限公司。

試驗所需儀器：HT124R型分析天平（浙江科通儀器有限公司）、HH-M2型恒溫水浴鍋（江蘇新春蘭科學儀器有限公司）、HMS-901H型電加熱套（深圳市博大精科技實業有限公司）、四口燒瓶（無錫德凡儀器有限公司）、MYP2011-150型電動攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）、TTIR-650S型紅外光譜分析儀（天津港東科技股份有限公司）、NDJ-5S型旋轉黏度計（上海方瑞儀器有限公司）、QL-720D型固含量測試儀（廈門米德電子科技有限公司）、臺式鼓風干燥箱DHG-9053A（上海捷呈實驗儀器有限公司）、NS-90Z型納米粒度分析儀（珠海市歐美克儀器有限公司）。

1.2水性聚氨酯乳液的制備

1.2.1聚酯添加量計算

水性聚氨酯乳液的性能與該材料的R值密切相關，R值即—NCO與—OH這2種基團的摩爾比。由于試驗中的第1步反應為2種聚酯與IPDI的聚合，且聚酯1、聚酯2中—OH基團的官能度為2，IPDI中—NCO基團的官能度也為2。R值的計算方法如下：

1.2.2制備方法

取一只潔凈、干燥的四口燒瓶，根據給定的計算方法倒入特定量的2種聚酯（聚酯1和聚酯2），再將四口燒瓶放在電加熱套上，將加熱溫度設定在100～120℃，經過1h的加熱處理后可去除聚酯中的絕大多數水分[6]；將回流冷凝管、溫度計和電動攪拌器連接在燒瓶上，在攪拌的過程中實施水浴加熱處理，待溫度升高至50～70℃時，分別加入80gIPDI；靜置反應1h后稱量9.4gDMPA并將其溶解于8gBDO中，再將混合溶液一同倒入燒瓶中，關閉加熱裝置，使整個體系自然降溫[7-8]；待溫度下降至50℃時，于燒瓶中加入6.8gTEA溶液，充分攪拌后靜置一段時間，待溫度降低至室溫后即可獲得水性聚氨酯乳液[9-10]。

由于本次研究預先準備了PBA1000、PBA2000、PBA3000、PEBA2000和PCDL2000這5種聚酯，各聚酯間兩兩組合共制備出了基于不同聚酯選擇方案的10種水性聚氨酯乳液，各配比方案下的項目編號和配置結果如表1所示。

1.3試驗方法

1.3.1紅外表征測試

本次研究通過薄膜法對樣品結構進行分析，所采用的分析設備為TTIR-650S型紅外光譜分析儀。

1.3.2黏度測試

本次研究通過NDJ-5S型旋轉黏度計來測試樣品黏度，于室內環境下維持乳液與儀器溫度一致，將轉子浸入試樣中心，根據量程表選擇合適的轉速和轉子，待試樣無結團、無氣泡后讀取數值[11]。

1.3.3固含量測試

本次研究通過QL-720D型固含量測試儀來測試樣品的固含量，于測試儀上滴加1～2g水性聚氨酯乳液，將測試溫度設置為120℃，蓋上機蓋。待水分充分揮發后讀取顯示屏上所示的固含量數值[12]。

1.3.4吸水率測試

將水性聚氨酯乳液涂抹于聚四氟乙烯板上，厚度控制在0.5mm左右；將聚四氟乙烯板放入干燥箱中，溫度為60～70℃，干燥時間為1h。干燥后將膠膜裁剪成20cm×20cm的試件并放入蒸餾水中浸泡24h，完成浸泡后用濾紙吸干膠膜表面水分并稱取膠膜質量，通過式（1）對膠膜吸水率進行計算。

式中：Δ代表吸水率；m₀代表浸泡前質量；m₁代表浸泡后質量。

1.3.5粒徑測試

本次研究通過納米粒度及電位分析儀來對水性聚氨酯乳液的粒徑進行檢測。

2試驗結果與分析

2.1紅外表征結果

5#～10#水性聚氨酯乳液的紅外表征結果見圖1。

由圖1可知，1542、3336cm-1處出現N—H的特征吸收峰，代表羥基與—NCO發生作用并生成氨基甲酸酯基；1737cm-1處為羰基特征吸收峰；2950cm-1附近是亞甲基吸收峰。說明IPDI與混合聚酯發生了較為充分的反應并生成陰離子型水性聚氨酯。

2.2吸水率、黏度、固含量測試結果

5#～10#水性聚氨酯乳液的吸水率、黏度和固含量測試結果如表2所示。

根據表2可知，本次研究所制備的6份水性聚氨酯乳液固含量均在46%以上，高固含量的水性聚氨酯對于縮短運動鞋膠粘所需時間具有極大的促進作用，然而高固含量的水性聚氨酯同時也存在黏度偏大的問題，對于水性聚氨酯乳液的運輸、儲存和使用造成不便[13-14]。經實驗研究發現，5#和7#水性聚氨酯乳液固含量均在48%以上，黏度可滿足運動鞋的膠粘需求且不存在黏度過高的問題。其中5#水性聚氨酯乳液的吸水率較低，綜合性能較好。綜上所述，PCDL2000與PBA2000搭配所制備的水性聚氨酯乳液綜合性能最佳。

2.3粒徑測試結果

5#～10#水性聚氨酯乳液的粒徑測試結果如表3所示。

由表3可知，在DMPA含量相同的情況下所制備出的5#～10#水性聚氨酯乳液樣品粒徑差異較為明顯，其中8#樣品的粒徑最大，但其黏度接近1000mPa·s，將其作為運動鞋生產加工膠粘劑則存在黏度過大的問題。通常情況下，水性聚氨酯乳液的粒徑與軟段分子量大小成反比，較大的軟段分子量可有效提升聚氨酯的柔韌性，使粒子的變形特征得到改善。制備高固含量的水性聚氨酯，控制乳液粒徑是關鍵因素之一，其中8#樣品的粒徑在120mm以上，較大的分子粒徑也是提高膠粘劑固含量的重要條件之一。

3結語

膠粘劑是運動鞋生產加工所需的重要原料，水性聚氨酯雖然具有優良的膠粘性能，且無毒環保，但卻存在固含量較低、干燥時間過長的問題。本次研究運用不同質量分數的聚己二酸1，4-丁二醇酯、分子質量為2000的聚己二酸丁二醇乙二醇酯，分子質量為2000的聚碳酸酯二醇等聚酯等材料來優化水性聚氨酯乳液的配比方案，介紹了聚酯材料用量的計算方法以及水性聚氨酯乳液的配制流程，運用5種聚酯兩兩搭配的方式制備出10種水性聚氨酯乳液，其中5#～10#水性聚氨酯乳液樣品存放穩定，配置成功。在此基礎上，本次研究采用TTIR-650S型紅外光譜分析儀、NDJ-5S型旋轉黏度計、QL-720D型固含量測試儀等設備對水性聚氨酯乳液的綜合性能加以測試。經實驗研究發現，基于PCDL2000和PBA2000這2種聚酯材料所制備的5#水性聚氨酯乳液的固含量達到48.7%，黏度為542mPa·s，可滿足運動鞋的生產加工需求，具有一定的應用價值。