水性聚氨酯胶粘剂简要概述

水性聚氨酯 (WPU) 是指分子链中具有氨酯基 (—NHCO0—) 和亲水基团的大分子。因氨酯键极性较强, 对金属、塑料及玻璃等各种底材均具有良好的粘接性, 并且可以通过调整原料和工艺来调整聚氨酯的结构, 从而调节胶粘剂的性能, 如耐寒性、耐油性、耐磨性、韧性等。因此, 聚氨酯胶粘剂在国内外获得快速的发展。国内起步晚, 因相关理论基础薄弱, 原材料种类匮乏, 以及工艺方法单一等问题, 研究进展缓慢。近些年来随着我国环保法规的实施和人们环保意识的增强, 一些传统的溶剂型胶粘剂逐渐淡出市场, 加之市场空间和绿色、可持续发展政策指引等因素给了水性胶粘剂巨大的发展空间, 而水性聚氨酯胶粘剂由于其综合性能突出, 合成和改性等方面研究更是获得了飞速的发展。

从近几年国内的报道看, 单组分高固含量、双组分、自交联型、光固化和热活化水性聚氨酯胶粘剂等已经成为研究的热点。

1 未改性水性聚氨酯胶粘剂研究进展

1.1 高固含量水性聚氨酯胶粘剂

水性聚氨酯由于其分子链上极性基团较多, 且含有一定量的亲水基团, 从而分子之间, 分子与水分子之间均有较强的作用力。在其固体含量偏高时, 容易出现黏度过大, 流动性差的缺点, 因此, 一般水性聚氨酯的固含量在20%～35%。作为胶粘剂应用时, 其干燥后的胶膜厚度过小, 对微观不平整的基材的覆盖率产生影响。为了提高干燥后胶膜的厚度, 常常需要多遍上胶, 导致上胶效率低下。而一旦固含量提高到35%以上, 触变性急剧上升, 流动性变差, 导致胶液对基材的润湿性能产生明显负面影响, 从而影响粘接性能。因此, 近几年高固含量的水性聚氨酯胶粘剂成为了研究热点。通过不同方法引入磺酸盐基团, 从而得到高固含量水性聚氨酯胶粘剂的研究报道较多。磺酸盐属于强酸强碱盐, 而传统的聚氨酯中亲水基团为羧酸盐, 属于弱酸弱碱盐, 在电离程度方面, 前者大大高于后者, 因此仅需少量引入磺酸盐, 便可使得水性聚氨酯分子在水中达到理想的离子浓度和水合程度, 稳定分散于水中, 大大减少强极性的羧基基团数量, 分子间力大幅降低后, 在固含量提高的情况下, 产物触变性大幅下降。从而达到高固含量的目的。

1.2 双组分水性聚氨酯胶粘剂

单组分聚氨酯胶粘剂在鞋子、箱包等方面应用时, 粘接强度较为理想。而在金属构件、木质家具等需要承受更大应力的场合, 单组分聚氨酯的胶膜强度难以满足要求, 往往需要交联密度更大的胶膜。双组分聚氨酯胶粘剂正是在这种情况下产生的。双组分聚氨酯胶粘剂由2个组成组分, 其中1个是分子链上含有多个羟基基团的组分, 另1个是分子链上含多个异氰酸酯基团的组分。目前, 国内使用的大多数仍为溶剂型双组分聚氨酯胶粘剂, 环境污染严重, 且资源浪费严重。随着国内限制挥发性有机物 (VOC) 法律法规的出台, 水性双组分聚氨酯胶粘剂的研究开始活跃起来。

1.3 自交联水性聚氨酯胶粘剂

自交联水性聚氨酯, 是在聚氨酯分散体中引入一定的活性基团, 在贮存条件下, 基团保持稳定, 在应用中, 随着条件的改变, 基团的活性激发, 参与反应, 从而产生分子交联, 提升胶粘剂的耐水、剥离强度等性能。

1.4 光固化水性聚氨酯胶粘剂

光固化水性聚氨酯胶粘剂是在水性聚氨酯合成过程中引入双键基团, 在贮存过程中双键稳定, 在应用时, 光引发剂在紫外光等的作用下, 引发双键发生自由基反应, 从而使得分子质量急剧增大, 交联度大幅提升, 体系中的分子成为一个个体形结构, 粘接强度、耐水性等性能得到大幅度提升。

2 改性水性聚氨酯胶粘剂

胶粘剂的粘接强度一般取决于胶膜和基材的附着力以及胶膜本身的强度。目前的水性聚氨酯胶粘剂, 其分子大多是线性的结构, 其分子间的作用力主要依靠分子缠绕以及氢键作用等非化学键作用产生, 这导致胶膜的强度存在一定的上限, 在一定的应力下, 会导致胶膜破损, 从而粘接失效。因此只能应用在鞋用、箱包等应力较小的基材上。在温度升高时, 分子运动活跃以及氢键作用减弱, 常导致粘接强度下降, 耐热性能不佳。单组分的聚氨酯胶粘剂由于分子交联密度不够, 且分子链上含有亲水基团, 在和水分子接触时, 水分子容易渗入胶膜内部以及胶膜和基材之间, 导致胶膜强度下降, 且胶膜和基材的附着力下降, 从而粘接性能下降。因此, 常需要对水性聚氨酯胶粘剂进行改性, 以引入交联结构以及改性基团具有的性能, 从而提高粘接强度、耐水性、耐热性等性能, 得到性能满足要求的产品。另外, 一些改性往往可以提升胶粘剂的特别性能, 比如阻燃性、对高分子质量聚乙烯纤维的粘接力等。