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水性聚氨酯粘合剂性能影响因素及改性研究

2008/8/15/09:59

    李焱 刘吉平(北京理工大学化工与材料学院北京市100088)

    1引言

    聚氨酯弹性体是一类特点鲜明、性能优异的热塑性树脂,水性聚氨酯粘合剂作为其中一类,起步较晚但发展很快,综合性能提高明显,目前已具有与溶剂型相近的品质。

    溶剂型聚氨酯粘合剂在施胶过程中往往需要加入大量的有机溶剂以降低粘度,便于使用。有机溶剂易挥发、易燃、易爆、有毒、污染环境。近些年来,随着各国环保法对VOC(VolatileOrganicCompound)含量的限制以及人们环保意识的增强,水性聚氨酯粘合剂得以迅速发展,通过改性手段提高其力学性能和使用性能,成为当前聚氨酯树脂的主要发展方向之一。

    2聚氨酯弹性体结构与性能

    聚氨酯是指分子主链上含有较多氨基甲酸酯基团(-NH-COO-)的一类高分子聚合物。聚氨酯链段结构是典型的多嵌段共聚物结构,软段与硬段交替出现。软段由分子量500~3,000的聚醚或聚酯多元醇构成,硬段由异氰酸酯与小分子扩链剂(醇或胺)反应而成,其结构示意图如图1所示[1]。在聚氨酯弹性体中,由于软硬链段的热力学高度不相容性,而存在明显的微相分离结构,其中软段相提供弹性,硬段相分子间通过氢键缔合在一起形成许多微晶区分散在软段相基质中,起到物理交联点和活性增强填料的作用,两相之间亦存在着氢键等相互作用。

    聚氨酯弹性体的独特结构赋予该种材料具有优良的综合力学性能[2]:(1)优异的耐磨性能;(2)在很宽的硬度范围内(邵氏A10至邵氏D80)保持较高的弹性(400%~800%的伸长率);(3)高强度;(4)高减震性能;(5)高表面粘接性能。其综合性能是其他商品化的橡胶和塑料所不具备的。

    3水性聚氨酯合成方法对性能的影响

    水性聚氨酯粘合剂的制备方法可分为内乳化法和外乳化法。外乳化法需要外加乳化剂强制乳化,乳液稳定性较差,并且小分子乳化剂残留会影响聚氨酯品质。目前,应用最广泛的是内乳化法,即在聚氨酯分子链段中引入亲水性成分,无需乳化剂即可形成稳定乳液的方法。

    可以用于聚氨酯水性化的亲水基团分为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型几类,其产物性能上存在明显差异。阴离子型通常有羧酸型和磺酸型两大类。羧酸型常用二羟甲基丙酸(DMPA)来制备,其优点是分子量小,且由于位阻作用大部分羧基得以保留,因而具有较高乳化效率。磺酸型靠引入S03-Na+基团获得亲水性,成品耐水性好于羧酸型,但国内很少采用。

    由DMPA制备的水性聚氨酯性能较好,应用也最为广泛。阳离子型用N-甲基二乙醇胺或三乙醇胺扩链获得亲水性,由于阳离子水性聚氨酯性质不稳定,对电解质过于敏感,因此有关应用和研究相对较少,但它对含阴离子的基质有非常好的粘结性能。两性离子型和非离子型则很少应用,也很少有相关研究报道。

    根据扩链反应历程不同,内乳化法可分为丙酮法、预聚体分散法、熔融分散法、酮亚胺连氮法四大类。丙酮法制得的水性聚氨酯乳液稳定,相对分子量高而分布较窄,因而力学性能好,批次间重复性也好;但需耗用大量有机溶剂,成本高,效率低,并且受反应速率影响,一般只适用于制备线性聚合物。

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