一种环保型水性聚氨酯胶粘剂的制备与性能研究

孟 龙，孙宾宾，张军科

（陕西国防工业职业技术学院， 陕西 西安 710000）

水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水为溶剂，具有无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点。聚氨酯树脂的水性化已逐步取代溶剂型，成为聚氨酯工业发展的主要方向。聚氨酯胶粘剂是指分子链中含有氨基甲酸酯基团（-NHCOO-）或异氰酸酯基团（-NCO）的胶粘剂。因其具有高粘接强度和剥离强度，耐冲击性、耐超低温性、耐油性和耐磨性好等优点，故应用面越来越广。随着人们环保意识的增强，以水为溶剂生产水性聚氨酯胶粘剂代替溶剂型聚氨酯胶粘剂成为大势所趋。水性聚氨酯是上世纪40年代，由P.Schlack率先实现了阳离子型水性聚氨酯的制备与设计，美日等发达国家已经相继实现了水性聚氨酯从实验设计到实际工业大规模化生产的发展转变。含阴、阳离子的水性聚氨酯又称为离聚物型水性聚氨酯，水性聚氨酯可广泛应用于涂料、胶粘剂、织物涂层与整理剂、皮革涂饰剂、纸张表面处理剂和纤维表面处理剂等领域。水性聚氨酯整个合成过程可分为两个阶段。第一阶段为预逐步聚合，即由低聚物二醇、扩链剂、水性单体、二异氰酸酯通过溶液逐步聚合生成相对分子质量为1 000量级的水性聚氨酯预聚体；第二阶段为中和后预聚体在水中的分散[1-4]。

1 实验设计过程

1.1 设计原料

聚酯多元醇、二羟甲基丁酸(DMPA)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)；1,4－丁二醇(BDO)、二月桂酸二丁基锡、乙酸乙酯、三乙胺、乳化剂、N-甲基吡咯烷酮（NMP）。

1. 2 基于水性聚氨酯乳液的设计制备

本文设计的含有亲水性羧基的高分子聚氨酯通过二步骤实现，实现过程如下：

首先在0.25 L的烧瓶中放置已脱水的聚酯多元醇、MDI和少量二月桂酸二丁基锡，温度升至 80℃，反应1 h，产物是异氰酸酯封端的聚氨酯预聚体(I)；接着将扩链剂DMPA，80 ℃加入设置反应时间为1 h，加入1，4-丁二醇(BDO)继续反应，再利用胶头滴管逐滴加入三乙胺中和，最后得到的是乳白色乳液就是我们要得到的物质。

1.3 水性聚氨酯胶粘剂的制备

制备水性聚氨酯胶粘剂，需要在水性聚氨酯乳液中添加助剂，以适应施工条件及基材等因素的要求。可添加的助剂包括交联剂、增稠剂、填料、增塑剂、颜料等。为获得较高的耐水性、耐热性及粘接强度，许多水性聚氨酯胶粘剂体系需要添加必要的交联剂，组成双组分体系[5-8]。

2 实验测试

2.1 测试条件

乳液粘度、乳液稳定性、耐化学品性能和剥离强度都是性能测试的内容，那么他们是如何进行测试的呢？乳液粘度是用涂料粘度计来测定的；乳液稳定性是利用离心机加速沉降试验来测试的；耐化学品性能需要很多试剂的参与，在1 mol/L的盐酸溶液、1 mol/L的氢氧化钠溶液以及乙酸乙酯等各种纯溶剂中分别浸泡10 min，最后根据反映程度来测试；剥离强度是把PET和铝箔剥开时，使用剥离强度仪测试在90 ℃和180 ℃条件下的剥离强度。

2.2 影响水性聚氨酯乳液性能的要素分析

2.2.1 DMBA加入形式

溶解DMPA再加入预聚体合成，确定其稳定的反应。由于DMPA在NMP中的溶解性最好。所以，把NMP作为溶剂进行亲水改性的合成试验，稳定的水性聚氨酯乳液就得到了。

2.2.2 DMPA用量

DMPA可以引入水性聚氨酯（WPU）中的亲水基团—COOH，它的化学反应性质是可以和碱性化合物发生中和反应得到盐类。保持 n(NCO)／n(OH)值是1的情况下，调整DMPA的质量分数，这样就能得到水性聚氨酯乳液，如表1所示。

表1 DMPA用量对乳液性能的影响Table 1 DMBA amount of influence on the properties of emulsion

表 1 详细阐述了质量分数为 1%～9%的DMPA能够得到水性聚氨酯乳液。其中，质量分数为5%～8%的DMPA，乳液为最佳。

2.3 乳化过程分析

预聚反应是用二异氰酸酯与聚醇、DMPA进行聚合反应的，生成具有一定分子量的、以-NCO为端基的预聚体。乳化是将预聚体扩链并分散到水中，为了获得高性能的聚氨酯乳液，本实验对乳化工艺进行了研究。

预聚体制得后，要将其溶解在水中得到乳液，我们将含有三乙胺的水作为溶剂，高速搅拌，预聚体加入其中被迅速分散成微米数量级的微粒，有效的避免了分散后的颗粒聚集，所制得的乳液性能较好。聚氨酯的乳化过程也就是预聚体(油相)在水(水相)中分散的过程，分散过程中最直接我们注意的就是乳化的成败问题。因为预聚体的粘度很大，而且预聚体中的NCO很容易和水反应，所以低温环境是非常必要的。如果在预聚体加入水，它就会在很短时间内分散成微米数量级的微粒，分散后也不会有聚集现象发生，乳液性能也是很好的。从表2可以看出，当乳化剂的质量分数为 3%，水与溶剂的比例为5∶1，能够得到半透明的乳液。

表2 加水量对乳液性能的影响Table 2 Effect of water amount on properties of emulsion

2.4 固化剂不同的影响

固化剂的不同影响着水性聚氨酯乳液复配后体系的交联程度。一般情况下，固化温度要在100 ℃以上。表3叙述了不同的固化剂对乳液性能的影响。表3诉我们，基板综合性能最好的是用多异氰酸（甲苯二异氰酸酯）固化剂得到的。

表3 固化剂的不同对乳液性能的影响Table 3 Effect of curing agent types on properties of emulsion

3 结束语

要合成性能优异的水性聚氨酯胶粘剂，需要采用上面介绍的水性聚氨酯乳液、固化剂、填料和助剂，这种高级材料制备的胶粘剂外观好、剥离强度高。控制各反应材料用量能够控制反应过程和反应产物：将NMP作为溶剂，能够提高预聚体反应效率；如果要得到外观较好的半透明乳液，预聚体中DMPA用量最好控制在6%～8%；三乙胺能够和水很好的互溶而且沸点不高，是溶剂的最佳选择；水与溶剂的体积比在5：1比例时得到乳液；固化剂最好采用的多异氰酸类。

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