水性聚氨酯膠粘劑(簡(jiǎn)稱PU膠)是水性膠粘劑中的重要一類，以其優(yōu)良的粘接性、突出的耐油、耐沖擊、耐磨、耐低溫等特性，近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。
1水性PU膠的定義及分類
水性PU膠是指聚氨酯溶于水或分散于水中而形成的膠粘劑。其分類方法很多，按外觀和粒徑可分為3類，即聚氨酯乳液、聚氨酯分散液和聚氨酯水溶液。實(shí)際應(yīng)用最多的是聚氨酯乳液和分散液[1]。
1.1聚氨酯乳液
聚氨酯乳液是指水分散體中含有乳化劑的聚氨酯分散體系?？赏ㄟ^(guò)外乳化法制得。其粒徑>0.1μm，外觀白濁。由于這種聚氨酯不易溶于水，因此需通過(guò)強(qiáng)力攪拌，依靠剪切力和大量乳化劑作用將聚氨酯強(qiáng)制乳化分散于水中。大多數(shù)外乳化聚氨酯乳液的產(chǎn)品粒徑粗大，且親水性小分子乳化劑的殘留，會(huì)影響固化后聚氨酯膠膜的性能，現(xiàn)在已經(jīng)逐步向自乳化聚氨酯分散液方向發(fā)展。
1.2聚氨酯分散液
通常將不含有乳化劑的聚氨酯分散體叫水性聚氨酯分散體，或聚氨酯分散液，其粒徑在0.001-0.1μm，外觀半透明，可通過(guò)內(nèi)乳化或自乳化法制得。采用帶有成鹽親水基團(tuán)的物質(zhì)與預(yù)聚體的--NCO基團(tuán)反應(yīng)生成親水的聚氨酯鹽，這種聚氨酯鹽不用加入乳化劑，經(jīng)攪拌可直接分散于水中得到半透明分散體。根據(jù)聚氨酯分子中所引入的親水基團(tuán)的不同，又可將其分為陰離子型、陽(yáng)離子型和非離子型。在成膜過(guò)程中水分逐漸被排除，其分子鏈問(wèn)及離子基團(tuán)間呈有規(guī)律的排布，不但存在靜電作用和氫鍵力，而且分子之間還發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于沒(méi)有乳化劑的存在，這些粒子對(duì)機(jī)械攪拌、加熱或稀釋的敏感性不大，耐電解質(zhì)；膠膜牢固且富有彈性，粘附力強(qiáng)。
1.3聚氨酯水溶液
聚氨酯水溶液是指所生成的聚氨酯分子溶于水中而形成的溶液。其粒徑<0.001μm，外觀透明，穩(wěn)定性良好。但由于聚氨酯水溶液中聚合物的親水性好，致使其膠膜的耐水性等性能比前2者差，而且工藝復(fù)雜，成本也較高，其應(yīng)用受到了限制。
2水性聚氨酯膠粘劑的現(xiàn)狀及應(yīng)用
國(guó)外在20世紀(jì)50年代就開始了水性PU膠的研究，直到80年代才在技術(shù)上取得突破，90年代推向市場(chǎng)[2]。我國(guó)的研究始于20世紀(jì)70年代初，近年來(lái)研究工作十分活躍，但與國(guó)外水平相比，仍處于開發(fā)階段[3]。
隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，環(huán)保要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)許多單位都積極投入到水性聚氨酯的研發(fā)中，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)水性PU膠粘劑的科研、生產(chǎn)單位已有上百家。水性PU膠粘劑具有耐低溫、柔韌性、粘接性能好、膠膜物性可調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已在植絨、多種層壓制品的粘合(包括薄膜、織物、棉或化纖、無(wú)紡布、紙張、食品包裝復(fù)合塑料薄膜等)、汽車內(nèi)飾材料的粘接、木工、壓敏膠、制鞋等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
2.1植絨膠粘劑
水性聚氨酯具有優(yōu)良的柔韌性，性能超過(guò)了丙烯酸乳液膠粘劑，可用作植絨膠。如許戈文[5]等人研制出的環(huán)氧改性聚氨酯陽(yáng)離子乳液體系，其粘附力、耐水性、耐溶劑性、手感等方面性能優(yōu)異。
2.2層壓制品及復(fù)合包裝
聚氨酯膠粘劑中含有異氰酸酯基(-Nc0)和氨基甲酸酯基(-NHCOO-)，與含有活性氫的材料有著優(yōu)良的粘接力，還可與被粘材料產(chǎn)生氫鍵作用，使粘合更加牢固。聚氨酯膠粘劑的配方可調(diào)，膠層從柔性到剛性可任意調(diào)整，適合多種材料復(fù)合包裝及層壓復(fù)合的要求。另外由于膠膜氣味小、無(wú)毒，特別適用于食品包裝復(fù)合薄膜及裝飾用復(fù)合膠粘劑。
安徽大學(xué)綠色高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的PU-5080水性聚氨酯膠粘劑可用于磁層壓、織物處理、材料粘合等領(lǐng)域，固含量(30±1)％，PH值6～9，斷裂伸長(zhǎng)率>400％，拉伸強(qiáng)度>13MPa。
2.3木材膠粘劑
木材加工是膠粘劑最大的應(yīng)用領(lǐng)域。膠合板、纖維板、刨花板常用的膠粘劑有脲醛、三聚氰胺-甲醛、酚醛樹脂膠等。采用'三醛樹脂'制造復(fù)合板材，一般要求木材水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2％以內(nèi)，而未經(jīng)干燥處理的木材水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10％左右甚至更高，需要經(jīng)過(guò)干燥處理才能進(jìn)行復(fù)合加工，否則壓制時(shí)可能產(chǎn)生爆裂。另外，三醛樹脂在粘接及制品使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有刺激性氣味的甲醛，對(duì)環(huán)境造成污染。脲醛膠粘的制品耐水性較差，聚醋酸乙烯乳液則耐水性及耐熱性均不佳，熱壓時(shí)易透膠。而采用乙烯基水性聚氨酯膠粘劑可克服以上缺點(diǎn)，能在室溫下膠接木材，具有初粘性高，對(duì)較濕的木材也能適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。膠層的耐熱性和耐老化性能良好。
日本首先開發(fā)了水性乙烯基PU系木材膠粘劑，簡(jiǎn)稱API，后改名為水性高分子-異氰酸酯系木材膠粘劑(WPI)。該類膠粘劑初粘性高，可常溫膠接，最終粘接強(qiáng)度高，膠層耐水、耐久性良好，粘接木材時(shí)受壓時(shí)間短，操作簡(jiǎn)便，膠粘劑呈中性，對(duì)木材無(wú)污染[6]。
2.4鞋用膠粘劑
前幾年我國(guó)一些三資鞋廠已開始使用水性PU膠。目前每年單從我國(guó)出口到國(guó)外的4大名牌(Nike等)所用的水性PU膠就達(dá)到2萬(wàn)t[2]。由于國(guó)產(chǎn)水性 PU膠在固化速度、初粘性、耐熱性等方面均不及溶劑型膠，因此國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的鞋用水性PU基本上為進(jìn)口產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，山西省應(yīng)用化學(xué)研究院開發(fā)、山西運(yùn)城華陽(yáng)工貿(mào)公司生產(chǎn)的PUWD26210水性膠對(duì)鞋材具有良好的粘接性[2]。
2.5壓敏膠
乳液壓敏膠的用途是制造膠帶、不干膠標(biāo)簽等，也可直接使用，廣泛用于辦公、建筑、家具、車輛等領(lǐng)域。目前丙烯酸類乳液使用較多。而考慮到耐老化、耐寒、粘接強(qiáng)度、透明性、無(wú)毒等因素，聚氨酯可成為水性壓敏膠中一種新型優(yōu)良品種。PU乳液的分子質(zhì)量不宜過(guò)大。日特開昭62—297375報(bào)道了日本花五株式會(huì)社研制的一種陰離子型PU乳液，用環(huán)氧交聯(lián)得到的壓敏膠耐水性好、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好[8]。該實(shí)驗(yàn)研制的環(huán)氧改性水性PU壓敏膠，乳液穩(wěn)定，用于鋁板與薄膜及海綿與海綿粘接，具有非常好的初粘性和持粘性。
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