单组分湿固化聚氨酯胶粘剂’
李永德,杨颖霞
(清华大学土木系,北京市100084)
摘要:概述了单组分湿固化聚氨酯胶粘剂在预聚体、改性剂及其它助剂等方面的研究现状.并指出了该类胶粘剂将向环保型胶粘剂发展的趋势。
关键词:单组分湿固化;聚氨酯;综述;胶粘荆
中圈分类号:TQ433
432
文献标识码:A文章编号:1004—2849(2003)02—0051—05
氨酯树脂其主链上含有醚键结构单元,属于柔性链,
前言
聚氨酯胶粘剂是分子键中含有异氰酸酯基(一
而且醚键不易水解,故比相应的聚酯多元醇有较好的柔软性、耐水解性与耐低温性。但醚键的极性不如酯键,所以其粘接性和耐高温性不如聚酯型聚氨
NCO)及氨基甲酸酯基(一NH—C00一),具有很高的
极性和活泼性的一类胶粘荆。它极易与含有活泼氢化合物起作用,对多种材料具有极高的粘附性。分子结构中具有柔性分子键,耐振动性、耐冲击性和疲劳性能优良,耐水性和耐低温性良好,另外还具有性能的可设计性,粘合层从柔性到刚性任意调整,可满足不同材料间粘合的需求…。因此,聚氨酯胶粘剂成为目前发展速度很快的胶粘剂种类之一。按使用方式来分,聚氨酯胶粘剂可分为单组分和双组分型两种。单组分聚氨酯胶粘剂较双组分聚氨酯胶粘剂的一个明显的优点是其使用时不需进行化学计量,也不需要添加其它的交联剂,只利用空气或基材表面的水分就可以固化,产生粘接作用,给施工带来了极大的方便.所以目前应用比较广泛,在某些领域还
酯胶粘剂。现在对单组分聚氨酯胶粘剂预聚体的研究大多都是围绕如何克服单一预聚体胶粘剂的缺点,得到综合性能高的单组分湿固化聚氨酯胶粘剂。
通过添加其它聚合物或采用不同种多元醇合成用氢化的聚丁二烯多元醇和过量MDI反应制得预聚体,并和聚醚一MDI的预聚体混合,制得的胶粘剂触变性和耐久性都很好,20。C粘度为154Pa.S,拉伸强度为32MPa,伸长率达380%【2J。还有添加聚烯烃、聚二烯烃来改性预聚体等【3j。所添加的聚合物
一般在某一方面性能优异,可以弥补单一预聚体的
聚氯酯胶粘剂,得到综合性能比较好的胶粘剂。
多元醇是聚氨酯胶粘剂的软段部分,直接影响胶粘剂的柔性,耐温性等。以前使用较多的是采用聚醚和聚酯多元醇复合和异氰酸酯反应,得到的胶
具有其它胶粘剂无法替代的优势。如汽车的风挡玻
璃,现在几乎百分之百的使用单组分湿固化的聚氨酯胶粘剂。其它行业如建筑装饰、木材加工、纤维复
合等都大量使用这种聚氨酯胶粘剂。
粘剂在耐水解性和耐高温性上都有所提高。随着研
究工作的进行,多元醇的种类已经多样化。通过使用多种多元醇组分和异氰酸酯反应,使预聚体中含不同的链段,从而具有比单一的多元醇合成的预聚体综合性能好的胶粘剂。如日本专利“1用丙烯酸单体和分子量分布在1000—20000的聚合物多元醇聚合,用含活泼氢的化合物(如2,2一偶氮二羟甲基丙腈)做引发剂,制得含端羟基的丙烯酸聚合物,然后再和多异氰酸酯反应,通过这种方法所得的胶粘剂
1预聚体结构
聚氨酯胶粘剂预聚体主要采用聚醚或聚酯多元醇和异氰酸酯反应。聚酯多元醇主链是一C00一键,键的极性大、牯结力比较强,而且由于该键内聚能大,使聚酯胶牯剂的耐高温性、耐油性好。但是酯键容易水解,所以聚酯型的聚氨酯胶粘材料的耐水
解性不理想。以聚醚多元醇为多元醇原料合成的聚
・收稿口期:2002—04—24;
作者简介:李永德(1946一),1970
修【u1日期:2002—06—06
3本科、198112硕士.毕业于清华大学高分子阜业,现为清华大学上术系建材研究所剐教授
tsinghua
电话:01062781986,Email:liyongde@mail
e“en
万方数据
具有高的粘接强度和耐蒸煮性。还有用原甲酸三甲酯cH—O—CH一(OcH3)2与2一丁基一2一乙基一1.3一丙二醇和季戊四醇反应制得聚原酸酯多元醇,和聚酯多元醇一起与多异氰酸酯反应制得预聚体胶粘剂,用于塑料薄膜与金属层的粘接固化时不产生烟雾…。
除了对多元醇组分采用不同的原料,使软段具有不同的结构外,异氰酸酯除采用MDI和TDI以
外,也开始采用其它的原料,如IPDl,HMDIHDI等。
夏卫华等人用多次甲基多异氰酸酯(PAPI)与聚醚合成微泡型单组分湿固化聚氨酯胶粘剂-6J。或对异氰酸酯进行结构上的各种改性,从而改善胶粘剂的性能。如Nimura等人【71选用碳化二元胺改性的多异氰酸酯和多元醇反应制得高活性的聚氨酯预聚体,碳化二元胺改性的多异氰酸酯分子内形成了交联键.因此制得的胶粘剂稳定性比一般胶粘剂好。还有研究者在聚氨酯预聚体中加入环氧化的天然橡胶(如ENR50)以及其它助剂提高胶粘剂的初始粘度㈣。
2有机硅改性
2.1有机硅树脂
凡是含si—c键的化合物通称为有机硅化合
物,习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基团
与硅原子相连接的化合物也称作有机硅化合物。有机硅很早就已被用于聚氨酯的改性,因其分子链当中的Si—O~Si键具有较大的内聚能而具有耐高
温.耐水解等优良的性能,且该链属于柔性链,具有
低温柔顺性好、表面张力低、生物相容性好等优点,用它对聚氨酯预聚体进行物理或化学的改性,可以提高胶粘剂的综合性能。其中以硅氧键(一si—O—Si~)为骨架组成的聚硅氧烷应用最广。以聚硅
氧烷为软段合成的聚硅氧烷。聚氨酯嵌段共聚物兼具有聚硅氧烷和聚氨酯两者的优异性能,表现出良好的低温柔顺性、介电性、表面富集性和优良的生物
相容性等,克服了聚硅氧烷机械性能差的缺点,也弥补了聚氨酯耐候性差的不足。王文忠等人用带有活性端基(一0H,一NH2)的聚硅氧烷与端异氰酸酯基的化合物或预聚体通过加成聚合和扩链反应,可制
成有机硅改性聚氨酯共聚物。在共聚物中,作为软段的聚硅氧烷链段在使用温度区处于粘弹态,而硬段如氨基甲酸酯基、脲基处于玻璃态或结晶态,软段
的存在使材料具有良好的弹性,硬段部分作为物理交联点使材料强度增加。其中水气的作用使链端具
万
方数据有Si(OR),或SiR(OR)2结构的硅烷化聚醚发生链端水解而交联成具有si一廿一si网状结构的弹性
体,达到粘结的效果”o。
2.2硅烷偶联剂
硅烷偶联剂是有机硅的一个重要分支,通式可
以表示为:Y—R—Sjb.x和Y是两类反应特性不同
的活性基团。近年来,随着复合材料的迅速发展,利
用硅烷偶联剂对某些材料引入特定功能性基团,可
以改进材料的表面性质,成为硅烷偶联剂新用途的开端。硅烷偶联剂在单组分湿固化聚氨酯胶粘剂中的应用可谓多种多样。可以在端NCO基团的预聚
体中引入含活性端基一0H,一NH2的硅烷偶联剂,
或在端OH的预聚体中加入含NCO基团的硅烷偶联剂,从而合成端硅氧烷基的预聚体。端硅氧基团在
催化剂存在的条件下,借助空气中的湿气硅烷基团
水解固化成硅醇,进而与另一个硅醇或硅烷基团反应交联成网状结构,产生粘接。这样可以避免NCO基团直接与水反应而产生过多气泡,造成过多的粘
接缺陷,影响粘接强度的弊端。
硅烷偶联剂还可以作为固化剂加入单组分湿固
化的预聚体中,使制得的胶粘剂粘接强度和耐热、耐
蒸煮能力都得到提高。如将端NCO基团的硅烷偶联剂加入到端NCO的预聚体中。一些研究者还将
含NCO端基的硅烷偶联剂和小分子的多元醇或胺
反应,或用端胺基的硅烷偶联剂和低聚的异氰酸酯反应制得低聚物做为固化剂加入到端NCO的预聚物中。如Miyata等人¨01的胶粘剂包括端异氰酸酯预聚体100份(由聚氧化丙烯二元醇500份,聚氧化丙烯三元醇750份和4。4’一二苯甲基二异氰酸酯214份制得)、碳黑102份、和聚己内酰胺三元醇和端NCO基取代丙基三羟甲基硅烷的反应产物65.94
份,以及HDll08.07份,最终产物对玻璃、铝、覆有丙
烯酸涂层的钢材基材具有良好的粘接力。日本专利1111介绍了一种用于灰泥和铝粘接的单组分湿固化聚氨酯胶粘剂,其中在端NCO基团的预聚物中加入了一种硅烷偶联剂,是由HD|一TMP的加成物和丙胺取代的三羟甲基硅烷反应的按NCO/NH=1.2—4.0反应而得。另有专利”“用胺丙基三乙氧基硅
烷(H2N一(cH2)3一Si一(OC2H5)3(也可以用琉基硅烷)和十八烷基单异氰酸酯反应,反应产物以5:100
加入由聚氧化丙烯和MDI聚合的预聚物中,最终对不锈钢和玻璃的粘接性良好。
Ishikawa等人【l纠在胶粘剂中加入了少量甲硅烷
基的磷酸酯,提高了预聚体的贮存稳定性,而且所加
的量的多少能改变胶粘剂的表干时间,调节的范围
为63小时到7小时,而同时不改变其触变性。
3环保型单组分湿固化聚氨酯胶牯剂
3.1单组分湿固化热熔胶
热熔胶由于其对环境污染小以及运输方便等优
点,成为近年来发展比较快的一种聚氨酯胶粘剂。
单组分湿固化聚氨酯热熔胶成分中含有端NCO聚
氨酯预聚体,在加热之后产生高温状态下活泼的官能团与空气中或被粘物上的水分或活泼氢物质反应而形成部分交联网状结构,使粘接强度、耐化学品、
耐热、耐水解等性能优于一般热熔胶。它具有普通
热熔胶的热塑冷固性能,粘接操作简便,且具有可胶接物范围广、性能可调性大、对油漆面等处理过的表面相容性好等聚氨酯胶的特性。近年报道的单组分湿固化聚氨酯热熔胶除主要为聚酯型MDI预聚体为主要成分外,还有以聚醚聚酯混合预聚体为主要成分,甚至研究全由聚醚型预聚体为主要成分的聚氨酯热熔胶。全聚醚型预聚体为主要成分的聚氨酯热熔性胶粘剂具有熔融粘度低、熔体粘度稳定性好、耐水性好、成本低等优点,但初粘和终粘强度较低。
最近报道在台适的改性剂下,可以得到初粘、终粘性能与市售聚酯型相当的聚醚型预聚体为主要成分的聚氨酯反应热熔胶。有研究表明利用聚酯原料的结晶性对聚氨酯反应型热熔胶适当调配,对其影响非常大。如有些综述性报道中谈到国外利用高结晶性
聚酯和低结晶性聚酯以适当比例配合的MD]预聚体为主成分的热熔胶可同时获得好的初粘和终粘强度¨4|。德国HENKEL公司【l纠报道了一种适用于鞋底鞋帮粘接的聚氨酯反应型热熔胶,由不同结晶性、
不同强的聚酯二元醇和低分子质量聚醚二醇混合
物的MDI预聚物制得。
3.2无溶剂单组分湿固化聚氨酯胶粘剂
无溶剂聚氨酯胶粘剂与热熔胶不同,常温下不
是固体,而是非常粘稠的液体,加热到60—100℃是粘度很低的流动液体,可以涂胶。单组分无溶剂聚
氨酯胶粘剂目前主要用于复合膜包装材料、无纺布
的复合等,具有经济性、安全性和环境保护的优势,因此在德,美,日及欧洲发展很快。但是与双组分无溶剂聚氨酯胶粘剂相比,单组分的也有其自身的缺
点,如固化速度慢、水分不充足时影响固化质量等,所以发展不如双组分无溶剂聚氨酯胶粘剂。美国Adco公司¨61研制的单组分无溶剂型湿固化聚氨酯胶粘剂可用于将房屋隔热板粘接到屋顶的构架上。
万
方数据主要原材料包括硅烷基的异氰酸酯和硅烷基的聚醚
合成预聚体,扩链剂(如煤焦油,芳香族油脂,烃类树
脂),吸水剂(如4,4一二苯甲基二异氰酸酯)和二月桂酸二丁基锡催化剂。具体生产条件和过程是:将质量分数为23.43%的硅烷化的预聚物加入到54.
66%的煤焦油中,并加入19.52%的邻苯二甲酸二十
一酯.2.15%的MDI、0.007%的OabcoBLl9的催化
剂,混合均匀,再加入锡类的催化剂,在真空度>20
的条件下,搅拌30—60分钟即可。该胶粘剂用于混
凝土或纤维板的房屋隔热板上,粘接强度分别为
139和109N/cm2。
4其它助剂
4.1潜湿气固化剂
最早出现的湿固化聚氨酯胶粘剂都是端NCO的预聚体.隔绝空气密封贮存。使用时开封施胶,NCO基团与空气中的水气发生固化交联。但这种体系存在一个缺点,即空气中水分如果不足,固化就慢;但如果湿度太大,固化时会产生太多的气泡,使胶粘部分产生缺陷,影响胶粘剂的粘接强度。潜湿气固化剂解决了这一问题。潜固化剂是一种比
NCO基团的反应活性高,先与水反应,分解成含活泼氢的化合物,然后这种含活泼氢的化合物和NCO基团反应,可避免产生气泡,提高初粘性。随着研究的不断进行,目前使用的潜固化剂种类也很多,如酮亚胺、醛亚胺、烯胺、嗯唑烷等,前三者是被封闭了的
二元胺。当遇到湿气时,立即水解,产生游离二元伯/仲胺,活性比水高得多,优先与预聚物中的NCO反应,因而固化快且不会产生气泡。专利中有报道使用由苯胺酸酯或酰胺和茴香醛反应生成的醛亚胺-17。以及用酮亚胺【l“作为潜湿气固化剂。
嗯唑烷在聚氨酯体系中的使用也逐步被重视,
与多元醛亚胺、酮亚胺、烯胺等潜固化剂相比,嚼唑
烷遇湿气后水解产物一般含仲胺及羟基,反应活性较伯胺低,对水的敏感性相对较低,因而使体系比较稳定【伸]。如Dainippom公司【201用聚氧化丙烯多元醇和2,4一甲苯二异氰酸酯反应制得端51120预聚物,然后将所制得的部分预聚物和嗯唑类化合物2
一异丙基一3一(2一羟乙基)一【,3一嚼唑烷反应,产物作为潜湿气固化剂,再向体系中加入少量4一甲
苯磺酰异氰酸酯和少量硝基苯甲酸(或/氯苯甲酸/甲基苯甲酸)。最终产物在50℃条件下贮存2周后仍具有良好的流动性。
4.2催化剂
单组分湿固化的聚氨酯胶粘荆常用的催化剂是有机锡类和脂肪族、脂环族叔胺类化合物。有机锡类化合物对NCO/OH的正反应和逆反应都有催化作用,所以应控制其用量。叔胺类常用的有三亚乙基二胺、N一烷基二胺、N一烷基吗啡啉等。近来多有报道用2,2’一二吗啉二乙基醚或2,6一吗啉甲基乙基醚做催化剂,如日本SUNTAR公司”“和Uchiga・ta等人的研究中¨23都使用了这种物质做催化剂。
这种催化剂可以促进预聚体中异氰酸酯与空气中或
被粘物上的水分发生反应,提高反应速度和粘接强度。最后胶粘剂在低温即可固化,不会产生过多的
气泡,尤其适用于汽车风挡玻璃的密封。
Yamada等人12“研究了一种用于单组分湿固化热熔胶用的固化催化剂,可通过在甲苯溶液中进行下面的反应制得:
”\o+…。。卜呦o,k一止。\c口
在1,6一己二酸己二醇酯和4,4’一二苯甲基二
异氰酸酯聚合所得预聚体的体系当中加入0.05phr
的(I),可以提高反应速度。他们还研究了一种用
于单组分湿固化热熔胶的催化剂;N,N一二甲基己
醇胺,将它加入由己二酸己二醇酯和4,4’一MDI共聚的端NCO的预聚体胶粘剂中.在相对湿度为60%,温度为30ac的条件下固化30分钟,剪切强度达320N/cm2[2“。
5结束语
综上所述,目前对单组分湿固化聚氨酯胶粘剂的研究趋势是:
(1)预聚体不再只是聚醚或聚酯型。而由单一型向复合型发展。
(2)有机硅作为该类胶粘剂的改性剂或固化剂已经得到了普遍的应用,随着研究的深入,该类改性剂的用途将会进一步多样化。
(3)随着人类环保意识的增强,单组分湿固化聚氨酯胶粘剂也必然朝着低污染或无污染的方向发
展。溶剂型单组分湿固化聚氨酯胶粘剂因有机溶剂挥发带来的环境问题以及成本问题使其发展逐步受到局限,单组分湿固化无溶剂型和热熔型胶粘剂会
万
方数据成为今后发展的热点之一。
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One.componentmoisture—curablepolyurethaneadhesives
L/Yong-de,
YANGYing—xia
(Civil
EngineeringDepartment,Tsinghua
University,Beijing100084,China)
Abstract:Thispaperreviewsthe
curablepolyurethaneadhesivesin
recent
recent
progresses
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prepolymer,madifier
ofthe
one-component
moisture
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andgeneralizesthetrendsoftheresearche¥-
Keywords:one-componentmoisture—curable;polyurethane;review;adhesive
户弱尬晶盆国馥。曰圆绺回
广东迪美生街技术有限公司,依托于广东省科学院囊生物研究所和广东省重生物菌种保藏与应用重点实验宣雄厚的技术力量.应用霉庸●生畅防治专家多年的研究成果,专门从事各类1=业材科及其材品的防膏荆.防霉剂和抗蕞拊的研究.开发.生产和销傅。
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Ⅲ枷榭黔司
万方数据
单组分湿固化聚氨酯胶粘剂
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
李永德, 杨颖霞
清华大学土木系,北京市,100084中国胶粘剂
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引用本文格式:李永德.杨颖霞 单组分湿固化聚氨酯胶粘剂[期刊论文]-中国胶粘剂 2003(2)
单组分湿固化聚氨酯胶粘剂’
李永德,杨颖霞
(清华大学土木系,北京市100084)
摘要:概述了单组分湿固化聚氨酯胶粘剂在预聚体、改性剂及其它助剂等方面的研究现状.并指出了该类胶粘剂将向环保型胶粘剂发展的趋势。
关键词:单组分湿固化;聚氨酯;综述;胶粘荆
中圈分类号:TQ433
432
文献标识码:A文章编号:1004—2849(2003)02—0051—05
氨酯树脂其主链上含有醚键结构单元,属于柔性链,
前言
聚氨酯胶粘剂是分子键中含有异氰酸酯基(一
而且醚键不易水解,故比相应的聚酯多元醇有较好的柔软性、耐水解性与耐低温性。但醚键的极性不如酯键,所以其粘接性和耐高温性不如聚酯型聚氨
NCO)及氨基甲酸酯基(一NH—C00一),具有很高的
极性和活泼性的一类胶粘荆。它极易与含有活泼氢化合物起作用,对多种材料具有极高的粘附性。分子结构中具有柔性分子键,耐振动性、耐冲击性和疲劳性能优良,耐水性和耐低温性良好,另外还具有性能的可设计性,粘合层从柔性到刚性任意调整,可满足不同材料间粘合的需求…。因此,聚氨酯胶粘剂成为目前发展速度很快的胶粘剂种类之一。按使用方式来分,聚氨酯胶粘剂可分为单组分和双组分型两种。单组分聚氨酯胶粘剂较双组分聚氨酯胶粘剂的一个明显的优点是其使用时不需进行化学计量,也不需要添加其它的交联剂,只利用空气或基材表面的水分就可以固化,产生粘接作用,给施工带来了极大的方便.所以目前应用比较广泛,在某些领域还
酯胶粘剂。现在对单组分聚氨酯胶粘剂预聚体的研究大多都是围绕如何克服单一预聚体胶粘剂的缺点,得到综合性能高的单组分湿固化聚氨酯胶粘剂。
通过添加其它聚合物或采用不同种多元醇合成用氢化的聚丁二烯多元醇和过量MDI反应制得预聚体,并和聚醚一MDI的预聚体混合,制得的胶粘剂触变性和耐久性都很好,20。C粘度为154Pa.S,拉伸强度为32MPa,伸长率达380%【2J。还有添加聚烯烃、聚二烯烃来改性预聚体等【3j。所添加的聚合物
一般在某一方面性能优异,可以弥补单一预聚体的
聚氯酯胶粘剂,得到综合性能比较好的胶粘剂。
多元醇是聚氨酯胶粘剂的软段部分,直接影响胶粘剂的柔性,耐温性等。以前使用较多的是采用聚醚和聚酯多元醇复合和异氰酸酯反应,得到的胶
具有其它胶粘剂无法替代的优势。如汽车的风挡玻
璃,现在几乎百分之百的使用单组分湿固化的聚氨酯胶粘剂。其它行业如建筑装饰、木材加工、纤维复
合等都大量使用这种聚氨酯胶粘剂。
粘剂在耐水解性和耐高温性上都有所提高。随着研
究工作的进行,多元醇的种类已经多样化。通过使用多种多元醇组分和异氰酸酯反应,使预聚体中含不同的链段,从而具有比单一的多元醇合成的预聚体综合性能好的胶粘剂。如日本专利“1用丙烯酸单体和分子量分布在1000—20000的聚合物多元醇聚合,用含活泼氢的化合物(如2,2一偶氮二羟甲基丙腈)做引发剂,制得含端羟基的丙烯酸聚合物,然后再和多异氰酸酯反应,通过这种方法所得的胶粘剂
1预聚体结构
聚氨酯胶粘剂预聚体主要采用聚醚或聚酯多元醇和异氰酸酯反应。聚酯多元醇主链是一C00一键,键的极性大、牯结力比较强,而且由于该键内聚能大,使聚酯胶牯剂的耐高温性、耐油性好。但是酯键容易水解,所以聚酯型的聚氨酯胶粘材料的耐水
解性不理想。以聚醚多元醇为多元醇原料合成的聚
・收稿口期:2002—04—24;
作者简介:李永德(1946一),1970
修【u1日期:2002—06—06
3本科、198112硕士.毕业于清华大学高分子阜业,现为清华大学上术系建材研究所剐教授
tsinghua
电话:01062781986,Email:liyongde@mail
e“en
万方数据
具有高的粘接强度和耐蒸煮性。还有用原甲酸三甲酯cH—O—CH一(OcH3)2与2一丁基一2一乙基一1.3一丙二醇和季戊四醇反应制得聚原酸酯多元醇,和聚酯多元醇一起与多异氰酸酯反应制得预聚体胶粘剂,用于塑料薄膜与金属层的粘接固化时不产生烟雾…。
除了对多元醇组分采用不同的原料,使软段具有不同的结构外,异氰酸酯除采用MDI和TDI以
外,也开始采用其它的原料,如IPDl,HMDIHDI等。
夏卫华等人用多次甲基多异氰酸酯(PAPI)与聚醚合成微泡型单组分湿固化聚氨酯胶粘剂-6J。或对异氰酸酯进行结构上的各种改性,从而改善胶粘剂的性能。如Nimura等人【71选用碳化二元胺改性的多异氰酸酯和多元醇反应制得高活性的聚氨酯预聚体,碳化二元胺改性的多异氰酸酯分子内形成了交联键.因此制得的胶粘剂稳定性比一般胶粘剂好。还有研究者在聚氨酯预聚体中加入环氧化的天然橡胶(如ENR50)以及其它助剂提高胶粘剂的初始粘度㈣。
2有机硅改性
2.1有机硅树脂
凡是含si—c键的化合物通称为有机硅化合
物,习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基团
与硅原子相连接的化合物也称作有机硅化合物。有机硅很早就已被用于聚氨酯的改性,因其分子链当中的Si—O~Si键具有较大的内聚能而具有耐高
温.耐水解等优良的性能,且该链属于柔性链,具有
低温柔顺性好、表面张力低、生物相容性好等优点,用它对聚氨酯预聚体进行物理或化学的改性,可以提高胶粘剂的综合性能。其中以硅氧键(一si—O—Si~)为骨架组成的聚硅氧烷应用最广。以聚硅
氧烷为软段合成的聚硅氧烷。聚氨酯嵌段共聚物兼具有聚硅氧烷和聚氨酯两者的优异性能,表现出良好的低温柔顺性、介电性、表面富集性和优良的生物
相容性等,克服了聚硅氧烷机械性能差的缺点,也弥补了聚氨酯耐候性差的不足。王文忠等人用带有活性端基(一0H,一NH2)的聚硅氧烷与端异氰酸酯基的化合物或预聚体通过加成聚合和扩链反应,可制
成有机硅改性聚氨酯共聚物。在共聚物中,作为软段的聚硅氧烷链段在使用温度区处于粘弹态,而硬段如氨基甲酸酯基、脲基处于玻璃态或结晶态,软段
的存在使材料具有良好的弹性,硬段部分作为物理交联点使材料强度增加。其中水气的作用使链端具
万
方数据有Si(OR),或SiR(OR)2结构的硅烷化聚醚发生链端水解而交联成具有si一廿一si网状结构的弹性
体,达到粘结的效果”o。
2.2硅烷偶联剂
硅烷偶联剂是有机硅的一个重要分支,通式可
以表示为:Y—R—Sjb.x和Y是两类反应特性不同
的活性基团。近年来,随着复合材料的迅速发展,利
用硅烷偶联剂对某些材料引入特定功能性基团,可
以改进材料的表面性质,成为硅烷偶联剂新用途的开端。硅烷偶联剂在单组分湿固化聚氨酯胶粘剂中的应用可谓多种多样。可以在端NCO基团的预聚
体中引入含活性端基一0H,一NH2的硅烷偶联剂,
或在端OH的预聚体中加入含NCO基团的硅烷偶联剂,从而合成端硅氧烷基的预聚体。端硅氧基团在
催化剂存在的条件下,借助空气中的湿气硅烷基团
水解固化成硅醇,进而与另一个硅醇或硅烷基团反应交联成网状结构,产生粘接。这样可以避免NCO基团直接与水反应而产生过多气泡,造成过多的粘
接缺陷,影响粘接强度的弊端。
硅烷偶联剂还可以作为固化剂加入单组分湿固
化的预聚体中,使制得的胶粘剂粘接强度和耐热、耐
蒸煮能力都得到提高。如将端NCO基团的硅烷偶联剂加入到端NCO的预聚体中。一些研究者还将
含NCO端基的硅烷偶联剂和小分子的多元醇或胺
反应,或用端胺基的硅烷偶联剂和低聚的异氰酸酯反应制得低聚物做为固化剂加入到端NCO的预聚物中。如Miyata等人¨01的胶粘剂包括端异氰酸酯预聚体100份(由聚氧化丙烯二元醇500份,聚氧化丙烯三元醇750份和4。4’一二苯甲基二异氰酸酯214份制得)、碳黑102份、和聚己内酰胺三元醇和端NCO基取代丙基三羟甲基硅烷的反应产物65.94
份,以及HDll08.07份,最终产物对玻璃、铝、覆有丙
烯酸涂层的钢材基材具有良好的粘接力。日本专利1111介绍了一种用于灰泥和铝粘接的单组分湿固化聚氨酯胶粘剂,其中在端NCO基团的预聚物中加入了一种硅烷偶联剂,是由HD|一TMP的加成物和丙胺取代的三羟甲基硅烷反应的按NCO/NH=1.2—4.0反应而得。另有专利”“用胺丙基三乙氧基硅
烷(H2N一(cH2)3一Si一(OC2H5)3(也可以用琉基硅烷)和十八烷基单异氰酸酯反应,反应产物以5:100
加入由聚氧化丙烯和MDI聚合的预聚物中,最终对不锈钢和玻璃的粘接性良好。
Ishikawa等人【l纠在胶粘剂中加入了少量甲硅烷
基的磷酸酯,提高了预聚体的贮存稳定性,而且所加
的量的多少能改变胶粘剂的表干时间,调节的范围
为63小时到7小时,而同时不改变其触变性。
3环保型单组分湿固化聚氨酯胶牯剂
3.1单组分湿固化热熔胶
热熔胶由于其对环境污染小以及运输方便等优
点,成为近年来发展比较快的一种聚氨酯胶粘剂。
单组分湿固化聚氨酯热熔胶成分中含有端NCO聚
氨酯预聚体,在加热之后产生高温状态下活泼的官能团与空气中或被粘物上的水分或活泼氢物质反应而形成部分交联网状结构,使粘接强度、耐化学品、
耐热、耐水解等性能优于一般热熔胶。它具有普通
热熔胶的热塑冷固性能,粘接操作简便,且具有可胶接物范围广、性能可调性大、对油漆面等处理过的表面相容性好等聚氨酯胶的特性。近年报道的单组分湿固化聚氨酯热熔胶除主要为聚酯型MDI预聚体为主要成分外,还有以聚醚聚酯混合预聚体为主要成分,甚至研究全由聚醚型预聚体为主要成分的聚氨酯热熔胶。全聚醚型预聚体为主要成分的聚氨酯热熔性胶粘剂具有熔融粘度低、熔体粘度稳定性好、耐水性好、成本低等优点,但初粘和终粘强度较低。
最近报道在台适的改性剂下,可以得到初粘、终粘性能与市售聚酯型相当的聚醚型预聚体为主要成分的聚氨酯反应热熔胶。有研究表明利用聚酯原料的结晶性对聚氨酯反应型热熔胶适当调配,对其影响非常大。如有些综述性报道中谈到国外利用高结晶性
聚酯和低结晶性聚酯以适当比例配合的MD]预聚体为主成分的热熔胶可同时获得好的初粘和终粘强度¨4|。德国HENKEL公司【l纠报道了一种适用于鞋底鞋帮粘接的聚氨酯反应型热熔胶,由不同结晶性、
不同强的聚酯二元醇和低分子质量聚醚二醇混合
物的MDI预聚物制得。
3.2无溶剂单组分湿固化聚氨酯胶粘剂
无溶剂聚氨酯胶粘剂与热熔胶不同,常温下不
是固体,而是非常粘稠的液体,加热到60—100℃是粘度很低的流动液体,可以涂胶。单组分无溶剂聚
氨酯胶粘剂目前主要用于复合膜包装材料、无纺布
的复合等,具有经济性、安全性和环境保护的优势,因此在德,美,日及欧洲发展很快。但是与双组分无溶剂聚氨酯胶粘剂相比,单组分的也有其自身的缺
点,如固化速度慢、水分不充足时影响固化质量等,所以发展不如双组分无溶剂聚氨酯胶粘剂。美国Adco公司¨61研制的单组分无溶剂型湿固化聚氨酯胶粘剂可用于将房屋隔热板粘接到屋顶的构架上。
万
方数据主要原材料包括硅烷基的异氰酸酯和硅烷基的聚醚
合成预聚体,扩链剂(如煤焦油,芳香族油脂,烃类树
脂),吸水剂(如4,4一二苯甲基二异氰酸酯)和二月桂酸二丁基锡催化剂。具体生产条件和过程是:将质量分数为23.43%的硅烷化的预聚物加入到54.
66%的煤焦油中,并加入19.52%的邻苯二甲酸二十
一酯.2.15%的MDI、0.007%的OabcoBLl9的催化
剂,混合均匀,再加入锡类的催化剂,在真空度>20
的条件下,搅拌30—60分钟即可。该胶粘剂用于混
凝土或纤维板的房屋隔热板上,粘接强度分别为
139和109N/cm2。
4其它助剂
4.1潜湿气固化剂
最早出现的湿固化聚氨酯胶粘剂都是端NCO的预聚体.隔绝空气密封贮存。使用时开封施胶,NCO基团与空气中的水气发生固化交联。但这种体系存在一个缺点,即空气中水分如果不足,固化就慢;但如果湿度太大,固化时会产生太多的气泡,使胶粘部分产生缺陷,影响胶粘剂的粘接强度。潜湿气固化剂解决了这一问题。潜固化剂是一种比
NCO基团的反应活性高,先与水反应,分解成含活泼氢的化合物,然后这种含活泼氢的化合物和NCO基团反应,可避免产生气泡,提高初粘性。随着研究的不断进行,目前使用的潜固化剂种类也很多,如酮亚胺、醛亚胺、烯胺、嗯唑烷等,前三者是被封闭了的
二元胺。当遇到湿气时,立即水解,产生游离二元伯/仲胺,活性比水高得多,优先与预聚物中的NCO反应,因而固化快且不会产生气泡。专利中有报道使用由苯胺酸酯或酰胺和茴香醛反应生成的醛亚胺-17。以及用酮亚胺【l“作为潜湿气固化剂。
嗯唑烷在聚氨酯体系中的使用也逐步被重视,
与多元醛亚胺、酮亚胺、烯胺等潜固化剂相比,嚼唑
烷遇湿气后水解产物一般含仲胺及羟基,反应活性较伯胺低,对水的敏感性相对较低,因而使体系比较稳定【伸]。如Dainippom公司【201用聚氧化丙烯多元醇和2,4一甲苯二异氰酸酯反应制得端51120预聚物,然后将所制得的部分预聚物和嗯唑类化合物2
一异丙基一3一(2一羟乙基)一【,3一嚼唑烷反应,产物作为潜湿气固化剂,再向体系中加入少量4一甲
苯磺酰异氰酸酯和少量硝基苯甲酸(或/氯苯甲酸/甲基苯甲酸)。最终产物在50℃条件下贮存2周后仍具有良好的流动性。
4.2催化剂
单组分湿固化的聚氨酯胶粘荆常用的催化剂是有机锡类和脂肪族、脂环族叔胺类化合物。有机锡类化合物对NCO/OH的正反应和逆反应都有催化作用,所以应控制其用量。叔胺类常用的有三亚乙基二胺、N一烷基二胺、N一烷基吗啡啉等。近来多有报道用2,2’一二吗啉二乙基醚或2,6一吗啉甲基乙基醚做催化剂,如日本SUNTAR公司”“和Uchiga・ta等人的研究中¨23都使用了这种物质做催化剂。
这种催化剂可以促进预聚体中异氰酸酯与空气中或
被粘物上的水分发生反应,提高反应速度和粘接强度。最后胶粘剂在低温即可固化,不会产生过多的
气泡,尤其适用于汽车风挡玻璃的密封。
Yamada等人12“研究了一种用于单组分湿固化热熔胶用的固化催化剂,可通过在甲苯溶液中进行下面的反应制得:
”\o+…。。卜呦o,k一止。\c口
在1,6一己二酸己二醇酯和4,4’一二苯甲基二
异氰酸酯聚合所得预聚体的体系当中加入0.05phr
的(I),可以提高反应速度。他们还研究了一种用
于单组分湿固化热熔胶的催化剂;N,N一二甲基己
醇胺,将它加入由己二酸己二醇酯和4,4’一MDI共聚的端NCO的预聚体胶粘剂中.在相对湿度为60%,温度为30ac的条件下固化30分钟,剪切强度达320N/cm2[2“。
5结束语
综上所述,目前对单组分湿固化聚氨酯胶粘剂的研究趋势是:
(1)预聚体不再只是聚醚或聚酯型。而由单一型向复合型发展。
(2)有机硅作为该类胶粘剂的改性剂或固化剂已经得到了普遍的应用,随着研究的深入,该类改性剂的用途将会进一步多样化。
(3)随着人类环保意识的增强,单组分湿固化聚氨酯胶粘剂也必然朝着低污染或无污染的方向发
展。溶剂型单组分湿固化聚氨酯胶粘剂因有机溶剂挥发带来的环境问题以及成本问题使其发展逐步受到局限,单组分湿固化无溶剂型和热熔型胶粘剂会
万
方数据成为今后发展的热点之一。
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YANGYing—xia
(Civil
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University,Beijing100084,China)
Abstract:Thispaperreviewsthe
curablepolyurethaneadhesivesin
recent
recent
progresses
on
the
prepolymer,madifier
ofthe
one-component
moisture
yeam
andgeneralizesthetrendsoftheresearche¥-
Keywords:one-componentmoisture—curable;polyurethane;review;adhesive
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本公司熏剜产品高教、广谱,安全.叠定,符合GBI8582-2001(室内环保装怖齄任材科一内墙涂料中有害■质限量)以IGBl8583-2001(室内环保装饰装謦村辩一胶粘村中有害■质限量)要求,不含甲醛,也不禽甲醛释放糟。
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等包装用瓶或nE的标签纸的防霉。添加量为O.2l。
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万方数据
单组分湿固化聚氨酯胶粘剂
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
李永德, 杨颖霞
清华大学土木系,北京市,100084中国胶粘剂
CHINA ADHESIVES2003,12(2)18次
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引用本文格式:李永德.杨颖霞 单组分湿固化聚氨酯胶粘剂[期刊论文]-中国胶粘剂 2003(2)