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高性能水性環(huán)保聚氨酯膠粘劑及施工工藝
目前,世界合成膠粘劑發(fā)展的趨勢(shì)突出表現(xiàn)為環(huán)保和高性能化[1]。隨著環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格,各發(fā)達(dá)國(guó)家大力研制水性膠粘劑。由于水性聚氨酯膠粘劑的綜合性能優(yōu)越,在各類(lèi)水性膠粘劑中獨(dú)樹(shù)一幟,近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注,特別是高性能水性聚氨酯膠粘劑的開(kāi)發(fā)研究已成為熱點(diǎn)課題[2-6]。1、水性聚氨酯水性聚氨酯是配制水性聚氨酯膠粘劑的基礎(chǔ)物質(zhì)和關(guān)鍵組分,它的性能直接決定膠粘劑的最終性能。根據(jù)粒子所帶電荷種類(lèi),水性聚氨酯可分為陰離子,陽(yáng)離子,非離子三種類(lèi)型。水性聚氨酯的制備一般是先合成一定分子量的聚氨酯預(yù)聚體,然后在剪切力作用下將預(yù)聚體分散在水中。目前其制備方法以親水單體擴(kuò)鏈、自乳化法為主(所謂親水單體擴(kuò)鏈法),即在聚氨酯預(yù)聚體的分子結(jié)構(gòu)中引入親水性擴(kuò)鏈劑,所得聚合物無(wú)需外加乳化劑就能直接分散于水中形成水性聚氨酯。親水單體擴(kuò)鏈法的合成工藝有溶劑法、預(yù)聚物分散水中擴(kuò)鏈法、熔融分散縮聚法等。早在四、五十年代,水性聚氨酯已有少量的研究,但由于貯存穩(wěn)定性差等原因,這項(xiàng)研究工作進(jìn)展不大,直到1972年德國(guó)Bayer公司正式將聚氨酯水分散液作為皮革涂料后,才開(kāi)始迅速發(fā)展[8]。據(jù)報(bào)道,1992年至1997年間水性聚氨酯的年平均增長(zhǎng)率為8%[9]。我國(guó)從70年開(kāi)始研究水性聚氨酯,近年來(lái)研究工作也十分活躍[10]。研制工作具有以下特點(diǎn):(1)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)看,主要是乳液型,水溶性次之,膠乳型則不常見(jiàn)。(2)從原料來(lái)看,多元醇主要用聚醚型,聚酯型次之,聚碳酸酯極少見(jiàn)。異氰酸酯的品種更少,只有TDI,HDI、MDI僅見(jiàn)報(bào)道。擴(kuò)鏈劑多用醇類(lèi),胺類(lèi)較少使用。(3)從制備方法及種類(lèi)來(lái)看,一般是自乳化,羧酸型、陰離子體系;外乳化,磺酸型,季銨鹽型乳化體系較少;熔融分散,固體自發(fā)分散法等則未涉及。(4)從理論與應(yīng)用角度來(lái)看,著重應(yīng)用開(kāi)發(fā),理論研究很少。欲配制高性能水性聚氨酯膠粘劑,必須制備高性能水性聚氨酯。大多數(shù)水性聚氨酯主要是線性熱塑性聚氨酯,由于其涂膜沒(méi)有交聯(lián),分子量較低,因而耐水性,耐溶劑性,膠膜強(qiáng)度等性能還較差。為提高水性聚氨酯的性能,必須對(duì)其進(jìn)行改性。2、水性聚氨酯的改性從水性聚氨酯的制備工藝過(guò)程來(lái)看,聚氨酯預(yù)聚體的分子結(jié)構(gòu)對(duì)水性聚氨酯的最終性能有著決定性的影響。因此其改性主要應(yīng)從預(yù)聚體上做文章,通過(guò)改變預(yù)聚體的分子結(jié)構(gòu),分子量大小等等因素而達(dá)到改性的目的,以得到高性能水性聚氨酯。2.1合成預(yù)聚體的原料選擇聚氨酯預(yù)聚體的合成原料主要是低聚物多元醇和二異氰酸酯。低聚物多元醇通常分為聚醚多元醇和聚酯多元醇兩類(lèi),由聚醚多元醇制得的預(yù)聚體有良好的水解穩(wěn)定性,較好的柔韌性和延伸性,且耐低溫性能好;而聚酯多元醇型預(yù)聚體內(nèi)聚力大,粘接強(qiáng)度高。國(guó)外水性聚氨酯的主流產(chǎn)品一般為聚酯型,而國(guó)內(nèi)則以聚醚型為主。有文獻(xiàn)報(bào)道[2],以一定比例的聚醚多元醇和聚酯多元醇的混合物為原料制得的預(yù)聚體性能較為理想。另外,低聚物多元醇的分子量和官能度對(duì)預(yù)聚體的性能也有很大影響,在預(yù)聚體的分子中引入部分分子量適量的三官能度聚醚,能增加預(yù)聚體的分子交聯(lián)度,從而改善水性聚氨酯的耐水性。二異氰酸酯分為芳香族和脂肪族(或脂環(huán)族)兩類(lèi)。由芳香族二異氰酸酯合成的預(yù)聚體有較高的強(qiáng)度,但不耐黃變,而脂肪族二異氰酸酯由于分子結(jié)構(gòu)中不含不飽和雙鍵,由其制得的預(yù)聚體耐黃變性能優(yōu)良。由于受原料品種的限制,國(guó)內(nèi)的水性聚氨酯所用二異氰酸酯原料以TDI為主,而國(guó)外則以脂肪族(或脂環(huán)族)為主。我國(guó)聚酯多元醇商品牌號(hào)不多,特別是適合水性聚氨酯的牌號(hào)更加稀少,而異氰酸酯更是主要依賴(lài)進(jìn)口。但隨著我國(guó)加入WTO,相信這一定能為我們從原料入手來(lái)提高水性聚氨酯的性能創(chuàng)造良好的條件。除了低聚物多元醇和二異氰酸酯外,合成預(yù)聚體原料中還常常用到小分子擴(kuò)鏈劑,一般有胺類(lèi)和醇類(lèi)兩種。胺類(lèi)擴(kuò)鏈劑與異氰酸酯反應(yīng)活性高,生成物為聚氨酯脲,脲鍵的存在使得膠膜變硬,模量增大。常用胺類(lèi)有乙二胺,二乙烯二胺,三乙烯四胺等。胺類(lèi)擴(kuò)鏈劑一般在預(yù)聚體乳化的同時(shí)加入,邊乳化,邊擴(kuò)鏈。有專(zhuān)利報(bào)道[11],用混合胺類(lèi)做擴(kuò)鏈劑制得水性聚氨酯脲分散液粘接性能優(yōu)良,玻璃化溫度較高。醇類(lèi)擴(kuò)鏈劑有1,4-丁二醇,乙二醇,一縮二乙二醇等,國(guó)內(nèi)曾有人研究過(guò)醇類(lèi)擴(kuò)鏈劑對(duì)水性聚氨酯性能的影響[12],發(fā)現(xiàn)用三官能度醇類(lèi)作擴(kuò)鏈劑能提高膠膜的耐水性。親水性擴(kuò)鏈劑引入到預(yù)聚體分子中是制備水性聚氨酯的關(guān)鍵步驟之一。目前水性聚氨酯以陰離子型,自乳化為主[8],陰離子型水性聚氨酯義分為磺酸鹽型和羧酸鹽型兩類(lèi),現(xiàn)在應(yīng)用較多的是羧酸鹽型。含羧基的親水?dāng)U鏈劑—一般有二羥基半酯(簡(jiǎn)稱(chēng)半酯)和2,2-雙羥甲基丙酸(DMPA)。DMPA分子量小,較少的用量就能提供足夠多的羧基當(dāng)量。筆者在研究中發(fā)現(xiàn),由于DMPA為固體,且熔點(diǎn)較高,在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象;而半脂與多元醇相容性好,但用量大,且得到的水性聚氨酯膠膜發(fā)粘。以DMPA為親水性擴(kuò)鏈劑在國(guó)外非常流行。國(guó)內(nèi)DMPA來(lái)源曾一度依賴(lài)進(jìn)口,近年來(lái),國(guó)內(nèi)已有注塑加工加工家能生產(chǎn)。筆者比較過(guò)進(jìn)口DMPA和國(guó)產(chǎn)DMPA的擴(kuò)鏈效果,發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)DMPA性能也相當(dāng)不錯(cuò)。2.2白乳化工藝白乳化工藝也是制備高性能水性聚氨酯的重要影響因素,筆者結(jié)合實(shí)際工作談幾點(diǎn)看法:(1)乳化溫度宜低不宜高,不應(yīng)超過(guò)45℃。(2)成鹽劑選有機(jī)堿類(lèi)較合適,其用量應(yīng)嚴(yán)格控制。(3)選擇高效乳化設(shè)備能收到事半功倍的效果。2.3其它改性途徑以上提到的通過(guò)原料及工藝的選擇,能制得部分支化和交聯(lián)的水性聚氨酯,干燥固化時(shí)一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),這種方法稱(chēng)為內(nèi)交聯(lián)法,多用于單組分體系。還有所謂外交聯(lián)法,即在使用時(shí)添加交聯(lián)劑到水性聚氨酯中,交聯(lián)劑與聚氨酯分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而交聯(lián),外交聯(lián)法相當(dāng)于雙組分體系。目前,國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的水性聚氨酯幾乎都是單組分的,90年代雙組分水性聚氨酯受到重視[13],其研究重點(diǎn)是減少副反應(yīng),增加反應(yīng)的選擇性及在潮濕低溫下成膜。雙組分水性聚氨酯的研究主要集中在Bayer公司,OECE公司,Miles公司等。用丙烯酸酯改性水性聚氨酯,得到所謂第三代水性聚氨酯",近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[14-18]。第三代水性聚氨酯兼具有丙烯酸酯和聚氨酯的優(yōu)點(diǎn),正日益成為水性聚氨酯改性的重要途徑之一。3、配膠助劑高性能水性聚氨酯膠粘劑應(yīng)具有以下特點(diǎn):(1)耐水、耐介質(zhì)性好。(2)粘接強(qiáng)度高,初粘力大。(3)良好的貯存穩(wěn)定性。(4)耐凍融,耐較高溫度。(5)干燥速度較快,低環(huán)境溫度下成膜性良好。(6)施工工藝佳。要達(dá)到以上幾點(diǎn),除合成高性能水性聚氨酯外,配膜助劑的選擇也尤為重要。水性聚氨酯的配膠助劑主要有增稠劑,流平劑(潤(rùn)濕劑)等。很多性能優(yōu)良的配膠助劑都產(chǎn)自國(guó)外[19],例如Borchers公司的BorchigelL75增稠劑,DIC公司的增稠劑VoncoatHV和流平劑Megafacf-812,美國(guó)氣體公司的表面活性劑Safinol。國(guó)內(nèi)在這方面還很欠缺,這也是發(fā)展我國(guó)高性能水性聚氨酯膠粘劑需要突破的瓶頸之一。4、結(jié)束語(yǔ)發(fā)展高性能水性聚氨酯膠粘劑的最終目標(biāo)是取代目前正在大量使用的高污染的雙組分溶劑型聚氨酯膠粘劑。隨著我國(guó)加入WTO日期的臨近,相信在不遠(yuǎn)的將來(lái),我國(guó)研究開(kāi)發(fā)高性能水性聚氨酯膠粘劑所需各種原料能及時(shí)得到保障供應(yīng)。中國(guó)聚氨酯工業(yè)協(xié)會(huì)翁漢元秘書(shū)長(zhǎng)在聚氨酯工業(yè)"十五"發(fā)展規(guī)劃建議中,曾提到水性聚氨酯膠粘劑是主要發(fā)展方向之一。愿國(guó)內(nèi)同行齊心協(xié)力,為縮短我國(guó)高性能膠粘劑與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的差距作出貢獻(xiàn)。