水性聚氨酯胶粘剂的发展方向

1.  提高固含量

      普通合成工艺制得的水性聚氨酯产品的固含量多为 20%~ 40% , 这样会增加运输费用和干燥时间同时影响粘接性, 设法将固体分提高到 50% 以上是国内外研究的课题之一。 德国 Goldschmidt 公司制得的固含量 55%水性聚氨酯对电解质和冷冻稳定。该公司采用了分子中既含有端羟基又含有磺酸基的聚氧化烷撑和聚酯二醇为合成水性聚氨酯的原料,聚合物中的亲水基团进行自乳化, 能显著提高乳液的稳定性。

2.  提高成膜性能

      水的蒸发潜热高, 干燥比较迟缓; 另一方面, 水的表面张力大, 对粘附的基材特别是对低表面能或疏水性的基材润湿性差, 难于赋予充分的粘接性。加热干燥固化时, 乳液粒子间不易得到连续的涂膜层。 通常的办法是加入少量的溶剂如丙酮、甲苯等,但它们的沸点低, 有毒且有着火的危险, 改进的方法是加入高沸点的氮甲基呲咯烷酮。

3.  水性聚氨酯的高性能化

      随着人们对产品性能的要求提高, 水性聚氨酯粘合剂的高性能化也是其今后发展的重要方向, 可通过以下几方面得以实现。

3. 1 调整原料

a.调整原料的亲水成分

      亲水成分( 羧基、磺酸基团、 季胺的氮原子等) 在树脂固体成分中所占的质量分数越大, 则预聚体即固体树脂的亲水性程度越大, 越易得到颗粒极其细微的乳液。 当含量达到某一程度, 树脂完全溶于水,形成水溶液, 亲水成分越多, 乳液粒径越小, 对贮存稳定越有利, 但却不利于胶膜的耐水性, 故一般在兼顾乳液稳定的前提下, 控制亲水基团的含量尽可能低, 或提高聚酯本身的耐水性, 以长链二元酸及二元醇为原料( 如己二酸等) , 有支链的二元醇或新戊二醇为原料也可提高聚酯的耐水性, 聚醚的耐水解性好, 有时也可以与聚酯并用。 另外, 向聚氨酯分子链中引入表面能低的硅氧烷链段或功能性氟单体,以增强水性聚氨酯的疏水性和耐玷污性。

b.调整预聚体的分子量

      乳化前预聚体的分子量小, 粘度低, 有利于在水中的剪切分散。 含羟基原料的羟基与二异氰酸酯的异氰酸酯基团的摩尔比NCO/ OH 影响预聚体的粘度及制品的性能。 一般说来, NCO/ OH 越大, 预聚体的粘度就越小, 乳化时因水扩链或胺扩链而形成的脲键多, 致使胶膜变硬, 模量高。

c.调整多元醇的分子量

      多元醇的分子量越大, 所制成水性聚氨酯的胶膜越软; 反之, 分子量越小及官能团越多, 胶膜越硬,耐水性越好。

3. 2 热处理

      虽然大多数水性聚氨酯产品可室温干燥固化,但通过适当的热处理, 可提高胶膜的强度和耐水性。热处理能使热塑性聚氨酯的分子链段排列紧密, 羟基和脲基、胺基进行反应而产生一定程度的支化和交联, 从而提高内聚力和粘接强度; 另一方面可使可交联型聚氨酯基团之间发生化学反应, 形成交联结构, 从而提高耐水性、耐热性。

3. 3 与其他聚合物共聚或共混

      在经过 pH 值调节或经过相容稳定处理后, 可将水性聚氨酯与其他水性树脂如丙烯酸乳液、 氯丁胶乳等共混, 组成新的水性胶。 其中最重要的是水性聚氨酯改性丙烯酸酯, 称为/ 第三代水性聚氨酯,它结合了聚氨酯突出的力学性能与丙烯酸树脂较好的耐水性及耐化学品等性能, 使材料的综合性能得到提高。 目前采用的途径主要为在适当条件下, 实施PU , PA 树脂共混、 共聚或接枝。 水性聚氨酯还可作为/ 种子聚合物并作为高分子乳化剂, 加入醋酸乙烯、丙烯酸酯、 苯乙烯等不饱和单体, 以过硫酸盐或烷基氢过氧化物为引发剂, 进行乳液聚合, 得到性能优良的水性树脂。

3. 4 交联

      通过交联是提高水性聚氨酯性能, 尤其是提高湿粘接强度和耐溶剂性能的重要途径。 通常分为内交联和外交联。

a.内交联

      通过选择原料如采用三官能团的聚醚或聚酯多元醇或异氰酸酯, 扩链剂可用二乙烯三胺、三乙烯四胺等, 制得部分支化和交联的聚氨酯乳液。 有的水性聚氨酯含可反应的官能团, 如在聚氨酯分子结构中通过含环氧基多元醇组分引入环氧基团, 经热处理形成交联的胶膜。 内交联的缺点是产生高粘度的预聚体, 导致乳化困难, 有可能得不到粒径细微的稳定乳液。 因此, 必须控制支化和交联度, 否则在乳化预聚体时可能产生凝胶。

b.外交联

      外交联相当于双组分体系, 即在使用前添加交联剂组分于水性聚氨酯主剂中, 在成膜过程或成膜后加热产生化学反应, 形成交联的胶膜, 不是采用 )NCO 基团的交联点, 而是靠线型聚氨酯水分散体中的羟基、羧基、胺基、氨基甲酸酯基及酰胺脲上的活泼氢, 分别与各种交联剂进行化学反应, 实现交联固化的反应。 与内交联相比, 所得乳液性能好, 并且可根据不同交联剂品种及用量, 调节胶膜的性能, 缺点是操作不方便。

4.  提高初粘性

      水性聚氨酯的初粘性较低也是阻碍其广泛使用的原因之一。 改进初粘性除加入增稠剂的方法之外, 大本油墨和化学品公司合成了环氧树脂- 水性聚氨酯体系, 显示了良好的初粘性, 且其耐水性、耐溶剂、耐热蠕变以及附着性能都有明显改善,被用作高级涂装材料。