聚氨酯膠粘劑介紹及在囊體材料中的應(yīng)用

董 莉，李向陽(yáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

聚氨酯(PU)膠粘劑是分子鏈中含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)和/或異氰酸酯基(-NCO-)的膠粘劑，聚多元醇為軟段，異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑為硬段[1]。我國(guó)PU膠粘劑行業(yè)經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，品種已經(jīng)包含了溶劑型及水性PU膠粘劑、單雙組份膠、無(wú)溶劑膠、熱熔膠等，其應(yīng)用已涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并且PU膠粘劑在行業(yè)中正發(fā)揮著重要的作用。

1 聚氨酯膠粘劑合成及應(yīng)用

合成PU膠粘劑的主要原材料有多元醇、異氰酸酯化合物、擴(kuò)鏈交聯(lián)劑以及其它助劑。其中，多元醇主要為聚酯多元醇、接枝多元醇、聚醚多元醇、聚烯烴多元醇等[2]。PU膠粘劑常用的異氰酸酯化合物主要有甲苯二異氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)等。為了使聚氨酯形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常需要加入交聯(lián)劑。常用的交聯(lián)劑有多種，例如胺類、醇胺類、脂肪醇類。另外，PU膠粘劑在制備的過(guò)程中有時(shí)還需加入增塑劑、穩(wěn)定劑、催化劑等不同種類的助劑。

PU膠粘劑的粘接性、韌性、耐溫等性能可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可以加熱固化，也可以室溫固化；因其優(yōu)異的粘接性、高彈性、耐低溫、耐疲勞、耐磨等特性，廣泛用于汽車、建筑、紡織、包裝、汽車、航天航空等領(lǐng)域，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其使用量也逐年增加[3]。

2 粘接的機(jī)理

與膠粘劑相關(guān)的粘接機(jī)理，到目前為止已經(jīng)提出過(guò)很多解釋。但是，這些理論均有一定的局限性，只能解釋某種粘接現(xiàn)象，而不能對(duì)所有的粘接進(jìn)行說(shuō)明。目前，已經(jīng)報(bào)道的粘接原理主要有：界面化學(xué)結(jié)合理論、吸附理論、擴(kuò)散理論、靜電理論等。

目前大多認(rèn)為的觀點(diǎn)是，膠粘劑先浸潤(rùn)、擴(kuò)散、滲透到被粘接的材料表面，之后經(jīng)過(guò)固化、交聯(lián)在粘接界面形成結(jié)合的作用力。為了使膠粘劑將兩種基材牢固的粘接，有一個(gè)必要條件是要是膠粘劑能夠在固體的表面上實(shí)現(xiàn)完全浸潤(rùn)，形成一個(gè)均勻、完整的膠膜。只有膠粘劑完全潤(rùn)濕基材表面，才能使各種機(jī)理發(fā)揮作用，這也是獲得最佳粘接效果的前提。如果浸潤(rùn)不完全，在膠膜斷開的地方會(huì)產(chǎn)生很多應(yīng)力集中點(diǎn)，很容易從該處發(fā)生破壞，粘接強(qiáng)度也會(huì)下降很多。只有當(dāng)膠粘劑的表面張力與基材的表面張力相同時(shí)，膠粘劑在基材表面實(shí)現(xiàn)了完全潤(rùn)濕，粘接強(qiáng)度才達(dá)到最大。

經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，PU膠粘劑的表面張力大約為40達(dá)因。因此，復(fù)合基材表面的張力也要達(dá)到40達(dá)因左右才能實(shí)現(xiàn)膠粘劑在表面的完全潤(rùn)濕。但是有很多基材表面的張力最開始比PU膠粘劑要低得多，如果使這些基材復(fù)合必須使其表面張力提高到38達(dá)因以上，否則使膠粘劑不能在材料表面潤(rùn)濕，最終的復(fù)合牢度低。為了提高材料的表面張力，通常采用的方法是電暈處理。在高壓電場(chǎng)的作用下，使低表面能的基材表面發(fā)生氧化，表面分子極性增大，表面張力提高，最終使膠粘劑達(dá)到潤(rùn)濕。但是這種表面張力是不穩(wěn)定的，如果處理后沒(méi)有及時(shí)復(fù)合，在放置過(guò)程中張力會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而衰減，因此，放置時(shí)間一般不超過(guò)7天。如果放置時(shí)間長(zhǎng)，需要重新進(jìn)行電暈處理。此外，電暈處理時(shí)，高壓電場(chǎng)下電子流對(duì)基材表面進(jìn)行轟擊，還可以使基材表面粗糙化，這樣就增加了表面積，有利于凹凸的表面對(duì)膠粘劑的固定[4]。

3 聚氨酯膠粘劑分類

3.1 單組份膠粘劑

大部分單組份PU膠粘劑以醋酸乙烯酯、乙烯酯、乙烯-醋酸乙烯酯等為體系，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)配制、操作簡(jiǎn)單、使用方便[5]。但是該類PU膠粘劑大多存在粘接強(qiáng)度偏低、固化過(guò)程易產(chǎn)生氣泡等問(wèn)題。

3.2 雙組份膠粘劑

雙組份PU膠粘劑一般由主劑和固化劑組成，大多數(shù)的主劑為羥基封端組份，固化劑為含游離異氰酸酯基團(tuán)的組份；還有的主劑為異氰酸酯基團(tuán)封端預(yù)聚體，固化劑為小分子多元胺或者多元醇。雙組份PU膠粘劑的粘接范圍廣、粘接強(qiáng)度高、粘接性能可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。但是，雙組份調(diào)節(jié)范圍過(guò)大，則會(huì)出現(xiàn)膠層不干、膠層柔韌性下降[6]。

3.3 溶劑型膠粘劑

常規(guī)的雙組份溶劑型PU膠粘劑是以醋酸乙酯為溶劑和稀釋劑，刺激性大、成本高。新型的醇溶型雙組份PU膠粘劑采用乙醇為溶劑，使用中要加固化劑。兩組份的配比用量可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并且膠粘劑的粘接性能夠長(zhǎng)時(shí)間保持。該類型的膠粘劑比一般PU膠粘劑的優(yōu)勢(shì)在于，其熟化的過(guò)程在常溫下就可以進(jìn)行，初粘強(qiáng)度以及之后的粘接強(qiáng)度都比較高。另外，對(duì)于醇溶雙組份PU膠粘劑還可以使用其他多種醇類溶劑進(jìn)行稀釋，并且該類膠粘劑對(duì)濕度不敏感[7]。

3.4 水性聚氨酯膠粘劑

水性PU膠粘劑以水為介質(zhì)，不含或只含有極少的有機(jī)溶劑，在使用過(guò)程中沒(méi)有刺激性的氣體，對(duì)環(huán)境影響小，具有安全可靠、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。但是水性PU膠粘劑仍然存在一些缺點(diǎn)，如固化速度慢、潤(rùn)濕性能差、初粘強(qiáng)度不高等[8]。為此，研究者通過(guò)加入快干劑并控制快干劑的添加量開發(fā)了固化速度可調(diào)的水性PU膠粘劑。當(dāng)膠粘劑被涂布在材料表面時(shí)，大量的催化劑被釋放，極大地提高了后期固化速度[9]。

3.5 無(wú)溶劑膠粘劑

現(xiàn)在使用的無(wú)溶劑膠粘劑在室溫下黏度較高，呈固態(tài)或者半固態(tài)；復(fù)合時(shí)，為了降低膠粘劑的黏度需要首先加熱升高溫度，按照一定的比例在混合器中進(jìn)行充分混合，然后將膠粘劑通過(guò)施膠輥涂覆在基材的表面。由于這種膠粘劑使用過(guò)程中不涉及任何的溶劑，所以經(jīng)過(guò)涂膠之后的材料不用再經(jīng)過(guò)烘道，能夠?qū)崿F(xiàn)和其他種類材料的直接復(fù)合。使用此類膠粘劑可以提高復(fù)合速度、操作更加安全、降低了材料復(fù)合的成本，因此，比溶劑型膠粘劑具有一定的優(yōu)勢(shì)[10-11]。

4 基本性能要求

對(duì)于常用PU膠粘劑基本性能要求主要包含持久性、操作性、廣泛性、柔軟性、安全性等。

持久性：復(fù)合好的材料需要在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，剝離強(qiáng)度保持在較高的水平，并且剝離強(qiáng)度不能隨著時(shí)間的推移強(qiáng)度逐漸降低，影響材料性能。

操作性：復(fù)合工藝主要包括配膠、涂布、(干燥)、復(fù)合、熟化等幾個(gè)過(guò)程。要求使用的膠粘劑可以比較方便地配置、膠液具有較好的穩(wěn)定性、與材料的浸潤(rùn)性能好、容易轉(zhuǎn)移、上膠量可控、性能均勻一致。

廣泛性：為了制備多種功能性材料，需要將不同種的薄膜材料復(fù)合，例如：聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺(尼龍)、聚偏二氯乙烯等。為了將他們粘接在一起，要求所用的膠粘劑必須具有廣泛的應(yīng)用性。

柔軟性：為了不影響薄膜材料本身的性能，要求膠粘劑形成膠膜之后除了有高粘接強(qiáng)度之外，還具有一定的柔軟性。

5 改性方法

隨著使用范圍和需求的不斷增加，單一特性的PU膠粘劑不能滿足一些特殊條件下的應(yīng)用要求，各種改性工作也隨之開展，內(nèi)交聯(lián)改性、外交聯(lián)改性、機(jī)械共混改性、化學(xué)共聚改性和添加助劑等多種方法逐漸被報(bào)道和應(yīng)用。改性后的PU膠粘劑性能增強(qiáng)，使用范圍也逐漸擴(kuò)大。

6 在囊體材料中的應(yīng)用

應(yīng)用于浮空器中的囊體材料是一種多層復(fù)合材料，由耐候?qū)印⒆韪魧?、承力層、粘接層組成，各層之間通過(guò)膠粘劑進(jìn)行粘接。此外，將囊體材料連接成型以及外場(chǎng)修補(bǔ)時(shí)也需要膠粘劑將材料膠接。所以，浮空器領(lǐng)域?qū)τ谀z粘劑的需求量較大[12]。

由于浮空器所處的工作環(huán)境特殊，紫外線輻照強(qiáng)、臭氧作用強(qiáng)、晝夜溫差大，對(duì)膠粘劑提出了更高的要求，需要膠粘劑有很好的初粘力、較高的粘接強(qiáng)度、耐老化及耐溫性能優(yōu)異、并且粘接后柔韌[13]。根據(jù)以上膠粘劑的性能需求，囊體材料中應(yīng)用較多的為具有優(yōu)異使用性能的PU膠粘劑。目前，國(guó)內(nèi)浮空器材料的制作多選用進(jìn)口膠粘劑，成本高、采購(gòu)周期長(zhǎng)。因此，提高國(guó)產(chǎn)PU膠粘劑的性能成為了迫切需要解決的問(wèn)題。