莊曉莎
摘 要:文章主要針對(duì)單組分水性聚氨酯膠黏劑在合成過(guò)程中合成條件對(duì)其性能的影響進(jìn)行了分析,并采用了紅外觀測(cè)的手段,通過(guò)分析看出,內(nèi)加交聯(lián)劑同水性聚氨酯乳液之間會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)反映,從而有效提高膠粘劑的性能,提高其粘結(jié)強(qiáng)度,從而證實(shí)二者結(jié)合使用后粘結(jié)效果更佳。
關(guān)鍵詞:合成條件;交聯(lián)劑;水性聚氨酯;性能
PU膠粘劑即平時(shí)所常見(jiàn)的聚氨酯膠粘劑,主要用與塑塑粘合以及紙塑粘合或者鋁塑粘合,在包裝粘合領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而隨著環(huán)保呼聲的提高,為了相應(yīng)環(huán)保需求,PU膠粘劑在未來(lái)的發(fā)展方向主要為水基型膠粘劑。雖然在性能上水性聚氨酯膠粘劑較為優(yōu)越,但是同溶劑型聚氨酯膠粘劑相比仍舊有不足之處。從硬度以及強(qiáng)度性能角度分析,聚醚型PU不如聚酯型PU。但是由于醚基旋轉(zhuǎn)性較高,因而聚醚型PU相比較而言低溫性能以及柔順性相對(duì)較高,所以具有較高的初粘度。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 原料分析
在試驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)原料主要包括以下幾種:Mn=1187的聚醚多元醇,Mn=2556的聚酯多元醇,內(nèi)加交聯(lián)劑A、內(nèi)加交聯(lián)劑B,以及催化劑。另外還需要1,4-丁二醇(BDO)以及甲苯二異氰酸酯和二羥甲基丙酸(DMPA)以及雙酚A。
1.2 制備PU乳液
水性聚氨酯乳液的基本配方為羧基含量1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),NCO/OH比值(摩爾比)1.3,雙酚A含量10%(摩爾分?jǐn)?shù)),聚酯聚/醚2∶1(moL/moL)。典型的PU乳液的制備過(guò)程如下。先將脫除水分的聚酯多元醇(38.55g)、聚醚多元醇(30.42g)、二羥甲基丙酸(DMPA)(2.23g)和雙酚A(1.03g)加入到反應(yīng)器中,同時(shí)加入TDI(14.01g),攪拌升溫至80℃,加入適量的催化劑,保溫反應(yīng)。3h后加入內(nèi)加交聯(lián)劑B(0.11g),在80℃下繼續(xù)反應(yīng)1h。然后加入一定量丙酮并使反應(yīng)體系降溫至30℃,加入內(nèi)加交聯(lián)劑A(0.57g)。繼續(xù)反應(yīng)1h后加入三乙胺(TEA)(1.69g)進(jìn)行中和反應(yīng),15min后在高速攪拌下滴加去離子水(139.40g),得到乳狀水性聚氨酯膠粘劑(PU乳液)。
1.3 復(fù)合薄膜的制備
將塑料薄膜進(jìn)行電暈處理,并在其表面均勻涂抹乳液,密度為6-7g/m2,使用PET/PE座位粘接材料,烘干后進(jìn)行壓合得到符合薄膜。
1.4 分析測(cè)試
1.4.1 測(cè)試乳液性能:依照國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)乳液粘度進(jìn)行測(cè)試,并通過(guò)涂-4粘度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。
1.4.2 吸水率測(cè)試:針對(duì)膠膜性能測(cè)試,必須要進(jìn)行吸水率測(cè)試。首先按照規(guī)定面積大小將樣品進(jìn)行剪裁,并稱量。繼而浸泡于清水中,24h后取出瀝干,再次進(jìn)行稱量,通過(guò)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出吸水率。
1.4.3 剝離強(qiáng)度測(cè)試:針對(duì)復(fù)合薄膜還需要進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試,將樣品剪裁,規(guī)格為200mm×25mm大小,然后依照國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用專業(yè)測(cè)試儀器進(jìn)行T型剝離強(qiáng)度的檢測(cè)。
1.4.4 結(jié)構(gòu)測(cè)試:針對(duì)內(nèi)加交聯(lián)劑以及PU等材料還需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)試,通過(guò)涂膜法將此類符合體系樣品涂抹在溴化鉀鹽片上,待其成膜后采用紅外光譜進(jìn)行分析,掃描次數(shù)為16,并將分辨率調(diào)至2cm-1。
2 結(jié)果與討論
2.1 材料表征分析
針對(duì)水性聚氨酯采用紅外光譜的方式進(jìn)行了表征分析,通過(guò)對(duì)其沒(méi)有嫁入交聯(lián)劑的乳液進(jìn)行紅外光譜分析可以看出,在光譜中3400cm-1附近會(huì)出現(xiàn)寬大的吸收帶,并且在1535至1555cm-1處還會(huì)存在明顯的-NH特征峰,在光譜1715cm-1附近則會(huì)存在C=O伸縮振動(dòng)峰,并且該伸縮震動(dòng)峰強(qiáng)烈。而圖譜1130cm-1則是C-O-C結(jié)構(gòu)伸縮震動(dòng)峰。通過(guò)分析可以看出該類物質(zhì)為水性聚氨酯。而在水性聚氨酯中加入交聯(lián)劑后,紅外圖譜1600~1580cm-1附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)寬大的弱峰,該峰是內(nèi)加交聯(lián)劑A中的-NH2基團(tuán)所致,而在圖譜1130~1000cm-1范圍存在強(qiáng)峰,該強(qiáng)峰主要由Si-O基團(tuán)所致。通過(guò)分析可以看出若在水性聚氨酯中加入占反應(yīng)體系中過(guò)量的NCO的9%(摩爾分?jǐn)?shù))的內(nèi)加交聯(lián)劑A改性所得的水性聚氨酯中基團(tuán)-NH(1530cm-1附近)和C-O-C、S-iO(1130~1000cm-1)以及C=O(1715cm-1)會(huì)出現(xiàn)明顯的變化,從圖譜中可以看出,其基團(tuán)吸收強(qiáng)度會(huì)明顯增強(qiáng),這就說(shuō)明,通過(guò)嫁入外加交聯(lián)劑,水性聚氨酯的化學(xué)性能發(fā)生了變化。
通過(guò)加入內(nèi)加交聯(lián)劑B后,針對(duì)水性聚氨酯進(jìn)行紅外圖譜分析,首先需要針對(duì)沒(méi)有嫁入內(nèi)加交聯(lián)劑的材料進(jìn)行紅外分析,可以從圖譜中看出,在圖譜的3500cm-1處為-OH的振動(dòng)吸收峰,832cm-1為環(huán)氧基團(tuán)特征峰。而在經(jīng)占反應(yīng)體系中過(guò)量的NCO的3.0%(摩爾分?jǐn)?shù))的內(nèi)加交聯(lián)劑B改性后的水性聚氨酯的譜圖中,1535~1555cm-1處-NH和1715cm-1處C=O的特征峰面積均有明顯增大,這是由于PU中的-NCO基團(tuán)與內(nèi)加交聯(lián)劑B中的-OH發(fā)生反應(yīng),生成-NH-COO-所致,而832cm-1處環(huán)氧基團(tuán)特征峰消失,說(shuō)明環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生了開(kāi)環(huán)反應(yīng)。
2.2 聚酯聚醚多元醇的配比影響
通過(guò)試驗(yàn)分析可以看出聚酯聚醚多元醇對(duì)于水性聚氨酯化學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在配比上,可以明顯的分析出,若在水性聚氨酯中加入純聚醚多元醇,那么材料膠膜的硬度相對(duì)較少。隨著聚酯多元醇的增加,涂膜的硬度也會(huì)隨之增加,涂膜粘性也會(huì)相應(yīng)降低,這是由于材料化學(xué)結(jié)構(gòu)中,聚酯鏈中酯鍵比醚鍵具有更強(qiáng)的極性,而材料配置中所形成的氫鍵也會(huì)具有更高的性能,所以聚氨酯硬度會(huì)隨著原料中聚酯含量的增加而增加。酯鍵的水解性較強(qiáng),因而在耐水性上,聚醚型性能要高于聚酯型水性聚氨酯,并且聚酯數(shù)量越高,則材料耐水性越高。因此在PU中加入聚醚多元醇可以有效提高材料低溫耐性以及提高初粘力,但是材料中聚醚多元醇含量越高,則其粘結(jié)強(qiáng)度便會(huì)越低,所以,外加劑的嫁入比例應(yīng)當(dāng)以PU膠粘劑性能作為基礎(chǔ)。
2.3 小分子擴(kuò)鏈劑影響
通過(guò)有效的分析,可以總結(jié)出,擴(kuò)鏈劑含量增加,那么T剝離強(qiáng)度便會(huì)隨之增高。如果擴(kuò)鏈劑含量超過(guò)規(guī)定范圍,那么材料的剝離強(qiáng)度反而會(huì)有所降低。水性聚氨酯粘膠劑硬段結(jié)構(gòu)會(huì)隨著小分子擴(kuò)鏈劑的嫁入而提高,并且極性也有所增強(qiáng),T剝離度也會(huì)隨之提高。但是如果加入小分子擴(kuò)鏈劑加入過(guò)多也會(huì)相應(yīng)降低材料分子量,那么粘接性便會(huì)受到影響。另外,通過(guò)對(duì)雙酚A以及丁二醇對(duì)復(fù)合薄膜進(jìn)行比較,針對(duì)其對(duì)T剝離強(qiáng)度影響,可以發(fā)現(xiàn),在適當(dāng)?shù)姆秶校褂秒p酚A的效果更高。因此在水性聚氨酯中使用雙酚A作為外加劑較好。
而在PU乳液中加入雙酚A對(duì)其膠膜性能將會(huì)有所影響。雙酚A作為擴(kuò)鏈劑加入到水性聚氨酯中會(huì)增加其苯環(huán)含量,因此會(huì)提高結(jié)構(gòu)硬度。通過(guò)分析可以看出PU乳液中粘度會(huì)隨著雙酚A的加入而降低,因而粘度會(huì)所有降低。
3 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)嫁入內(nèi)加交聯(lián)劑,水性聚氨酯性能有了很大的改善,結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度有了很大的提高。并且結(jié)合兩種交聯(lián)劑效果更好。另外,控制NCO/OH比值(摩爾比)為1.3,羧基含量1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),能夠得到粘接性能較好的水性聚氨酯乳液。通過(guò)在水性聚氨酯中嫁入小分子雙酚A可以有效提高結(jié)構(gòu)粘接強(qiáng)度以及硬度,或者嫁入丁二醇,提高水性聚氨酯性能,并有效降低吸水性。
參考文獻(xiàn)
[1]蔡棟宇,項(xiàng)尚林,劉榮榕,等.丙烯酸酯對(duì)水性聚氨酯乳液及其塑料凹版油墨的性能的影響[J].包裝工程,2006,27(3):10.
[2]蔡棟宇,項(xiàng)尚林,陳賢益,等.以聚氨酯-聚丙烯酸酯乳液為連接料的塑料凹版水性油墨的研制[J].包裝工程,2005,26(3):22.