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反应型聚氨酯热熔胶的制备及其粘接性能的研究

2020-10-29 来源:好走旅游网
反应型聚氨酯热熔胶的制备及其粘接性能的研究 55 反应型聚氨酯热熔胶的制备 及其粘接性能的研究 Synthesis and Bonding Properties of Reactive Hot Melt Polyurethane Adhesives 唐启恒,何吉宇,艾青松,杨荣杰 (北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081) TANG Qi—heng,HE Ji—yu,AI Qing—song,YANG Rong—jie (School of Materials and Technology,Beij ing Institute of Technology,Beijing 100081,China) 摘要:以4,4 r_二苯基甲烷二异氰酸酯、采四氢呋喃醚二元醇和1,4-丁二醇为基本原料,采用两步本体聚合方法制备了 一种耐热性能好、粘接强度高的反应型聚氨酯热熔胶黏合剂(RHMPA)。通过拉伸剪切强度和对接粘接强度来研究不 同扩链温度和时间对RHMPA粘接性能的影响。结果表明:热熔胶粘接强度不仅随着扩链反应时间的延长而变大,还 随着温度的升高而升高,并且,反应温度越高,对接粘接强度增大的幅度越明显。同时,还研究了热熔胶在盐酸溶液、 NaOH水溶液、8O℃的热水以及一2O℃的低温下处理lOh后粘接性能的变化,研究表明,这种热熔胶粘接性能没有发生 明显的变化,表现出良好的耐化学性能。 关键词:聚氨酯;反应型热熔胶;扩链反应动力学;粘接强度 doi:10.3969/j.issn.1001—4381.2013.08.009 中图分类号:TQ436 .4 文献标识码:A 文章编号:1001—4381(2013)08—0055—05 Abstract:One kind of heat resistant and high bonding strength of reactive hot melt polyurethane adhe— sive(RHMPA)was successfully synthesized using a two—step bulk polymerization with 4.4 一diphenly— methane diisocyanate(MDI),poly(tetramethylene glyco1)(PTMG),and 1,4-butanediol(1,4-BDO). The effect of R H MPA chain extended at different time and temperatures on adhesive performance was studied by single lap shear strength and tensile strength of butt joints.The results showed that the bonding strength increased with the chain extending reaction time and temperature.Moreover,the higher the reaction temperature,the increasing trend of butt bond strength was more obvious.In addi— tion,the influence on adhesive performance of the RHMPA dealed with hydrochloric acid solution, NaON aqueous solution,hot water at 8O℃,high and low temperature were also investigated.The re— sults showed that the bonding strength of the RHMPA almost unchanged and exhibited an excellent chemical resistance to these conditions. Key words:polyurethane;reactive hot melt adhesive;chain extended reaction kinetics;bonding strength 传统热熔胶是一种热塑性的黏合剂,其无毒无 味无溶剂,高温时可熔融降低热熔胶的黏度,而其化 学特性不变,属于环保型化学产品l_1]。其黏合机理 是通过加热将热熔胶棒熔解,熔解后的胶成为一种 发展起来的一类新型胶黏剂。其主要由聚醚或聚酯多 元醇与二异氰酸酯等进行反应,生成端异氰酸根 (一NCO)预聚体,再加入增黏树脂、填料、抗氧剂、催 化剂等助剂配制而成,利用预聚体与空气中的水分或 被粘物表面的水分反应来产生较好的粘接强度 ]。 Sandip D.Desai等 报道,利用淀粉与乙二醇通过酯 液体,然后涂抹到被黏合物表面,热熔胶冷却后即完 成了粘接。这种热熔胶操作简便,工艺简单,适合大 面积施工,但其缺点是粘接性能和耐热性能差,不适 用于高温环境。 反应型聚氨酯热熔胶(Reactive Hot Melt Polyu- rethane Adhesive,RHMPA)是在传统热熔胶基础上 交换反应合成新型聚酯,用于合成反应型聚氨酯(PU) 热熔胶,结果表明,该胶具有良好的粘接性能,并且适 合商业应用。热熔胶应用于小范围的粘接时,需要其 具有良好的初始粘接强度、较短的开放时间以缩短固 58 材料工程/2013年8期 羔 童 盒 鲁 0 氲 墨 鲁 Timet h Timel h 图5对接粘接强度随时间的变化 (a)聚氨酯弹性体;(b)不锈钢棒 Fig.5 Tensile strength of butt joints"OS time(a)PU;(b)stainless steel rod 式,基材为聚氨酯弹性体的粘接强度比基材为不锈钢 毛 l 的要高得多。这种热熔胶本质为热塑性的聚氨酯,与 聚氨酯弹性体粘接强度更高是十分自然的。 扩链反应温度越高,两种基材的对接粘接强度增 强的幅度越大,而拉伸剪切强度并没有这个趋势,这可 能与粘接方式不同有关。 薹 Time|h 在7O℃下扩链25h后,将对接聚氨酯弹性体样条 分别放置于1mol/L的HC1溶液、lmol/L的NaOH 水溶液、8O℃的热水以及一20℃的低温化学环境下保 持10h,然后室温下测试热熔胶的对接粘接强度结果 如表2所示。可以看出,除了在80℃的热水中其粘接 强度略有降低之外,在其他3种化学环境中,粘接性能 基本不变,说明热熔胶具有良好的耐化学性能。在 图6不锈钢板的拉伸剪切强度随时间的变化 Fig.6 Single lap shear strength of stainless steel plate s time 目前,热熔胶的粘接机理主要有5种:吸附理论、 扩散理论、机械啮合理论、化学键理论以及双电层理 论口 。由图5和图6可知,同一温度下,热熔胶对聚 氨酯弹性体和不锈钢的粘接强度随着扩链反应时间的 延长而变大。刚开始粘接时,粘接力主要是由热熔胶 的结晶来提供。 随着扩链反应时间的延长,热熔胶中的氨基甲酸 酯基与被粘基材形成更多氢键,由于聚氨酯弹性体中 含有一NHCOO一链节,不锈钢表面由于被氧化而含 有活性羟基,引起热熔胶中少部分一NCO与底物上面 8O℃的热水中放置10h后粘接性能下降,可能是由于 粘接面上的部分氢键发生断裂导致的。 表2 聚氨酯热熔胶的对接粘接强度(MPa) Table 2 Tensile strength of butt joints of RHMPA(MPa) 的活性羟基形成共价键,从而提供更强大的粘接力。 当扩链反应温度提高后,不管何种基材或粘接方 式,热熔胶粘接强度均随着反应温度的升高而升高。 在7O℃下扩链25h后,对接以及搭接的不锈钢试 件在5O℃和一3O℃高低温箱中测试其粘接强度。结 果表明:5O℃时,拉伸剪切强度和对接粘接强度稍微降 反应温度越高,热熔胶的黏度越小,流动性越好,胶体 对基材表面浸润作用越好,聚氨酯弹性体和不锈钢表 面均具有很多微小的孔隙,使得热熔胶更大程度地流 低,分别为6.76,3.72MPa;但是在一30℃下,二者分 别为12.O1,7.14MPa,粘接强度明显增高。 2.4热熔胶分子量Mr.随扩链反应时间的变化 热熔胶分子量Mn随扩链反应时间和温度的变化 如表3所示。可以看出,热熔胶的分子量不仅随着反应 时间的延长而增大,而且随着反应温度的升高而增大。 动到基材表面孔隙中去,导致机械啮合作用越强。此 外,扩链反应温度越高,热熔胶中活性的一NCO与聚 氨酯弹性体和不锈钢表面的活性羟基反应程度越高, 形成化学键越多,导致更强的粘接强度。 对比图5与图6,可以看出,对于同一种粘接方 分子量增加使得分子间的相互作用力增大,相互缠绕程 度高,内聚能增加。赵仲卿等_1 ]报道,黏合剂的内聚能 反应型聚氨酯热熔胶的制备及其粘接性能的研究 越大,可消除了底物界面的内应力,粘接强度增强。 表3 Mn随扩链反应时间和温度的变化 Table 3 The variation of Mn with the chain extending time and temperatures 3 结论 (1)采用红外光谱对预聚体和1,4一丁二醇的扩链 反应进行研究,结果表明预聚体的异氰酸根与羟基的 反应符合二级动力学方程。 (2)热熔胶对于聚氨酯弹性体、不锈钢基材展现出 优良粘接性能,粘接强度随着扩链反应温度和时间的 提高而提高。 (3)热熔胶具有良好的耐酸、碱、低温性能,高温环 境下,粘接强度稍微降低。 (4)制备的聚氨酯热熔胶,合成工艺简单,成本低 廉,粘接强度高,开放时间长,适合大面积操作。 参考文献 [1] 叶青萱.反应型聚氨酯热熔胶[J].化学推进剂与高分子材料, 2001,(5):5—9. YE Qing—xuan.Reactive polyurethane hot melt adhesive[J]. Chemical Propellants&Polymeric Materials,2001,(5):5—9. [2] HANNES F.Reactive hot melt systems[J].Materiaux et Teeh— niques,l990,78(3—4):93—96. [3] COMYN J.Moisture cure of adhesives and sealant口].Interna— tional Journal of Adhesion and Adhesives,1998,18(4):247—253. [4] WAITE P.Moisture—curing reactive polyurethane hot—melt adhe— sives[J].Pigment&Resin Technology,1997,26(5):3oo一303. [5] LI Xiao—rui,FEI Gui—qiang,Wang Huai—hua.Mechanical and surface properties of membranes prepared from waterborne cat— ionic hydroxyl—-terminated polydimethylsiloxane/polyurethane sur—- factant—free micro—emulsion[J].Journal of Applied Polymer Sci— ence,2006,100(1):40—46. [6] CUI Yan-jun,HONG Ling,WANG Xin—ling,et a1.Evaluation of the cure kinetics of isocyanate reactive hot—melt adhesives with differential scanning calorimetry[J].Journal of Applied Polymer Science,2003,89(10):2708—2713. [7] DESAI SANDIP D,PATEL儿GAR V,SINHA VIJAY KU— MAR.Polyurethane adhesive system from biomaterial—based polyol for bonding wood[J].International Journal of Adhesion& Adhesives,2003,23(5):393~399. 59 [8] DUFFY D J,HEINTZ A M,STIDHAM H D,et a1.The com— petitive influence of specific interactions and extent of reaction on the miscibility of ternary reactive polymer blends:model for poly— urethane adhesives[J].International Journal of Adhesion&Ad— hesives,2005,25(1):39—46. [9] 詹中贤.单组分聚氨酯反应型热熔胶的研制[J].中国胶粘剂, 2008,17(5):34—37. ZHAN Zhong-xian.Study on one—component polyurethane reac— tive hot melt adhesive[J].China Adhesives,2008,17(5):34—37. [10] Y0UN BOK CH0,HAN M0 JEONG.Reactive hot melt poly urethane adhesives modified by acrylic copolymer[J].Macromo— lecular Research,2009,17(11):879—885. [11] JIANG Hong—mei,ZHENG Zhen,S0NG Wen—hui,et a1.Mois— ture—cured polyurethane/polysil0xane copolymers: effects of the structure of polyester diol and NCO/OH ratio[J].Journal of Ap plied Polymer Science,2008,108(6):3644—3651. [12] 唐礼道,杨建军,张建安,等.用硅烷封端的湿固化聚氨酯热熔胶 的研制[J].中国胶粘剂,2007,16(4):37—39. TANG Li—dao,YANG Jian—jun,ZHANG Jian—an,et a1.The re— search of moisture—curable polyurethane hot melt adhesive with silane ending[J].China Adhesives,2007,16(4):37 39. [13] 杨建军,张建安,吴庆云,等.硅烷封端聚氨酯热熔胶反应动力学 的研究[J].聚氨酯工业,2007,22(5):26—28. YANG Jian-jun,ZHANG Jian—an,WU Qing—yun,et a1.The re— search on kinetics of silylated hot—melt polyurethane adhesives [J].Polyurethane Industry,2007,22(5):26—28. [14] C0MYN J,BRADY F,DUST R A,et a1.Mechanism of mois ture—cure of isocyanate reactive hot melt adhesives[J].Interna— tional Journal of Adhesion and Adhesives,1998,18(1):51—60. [15] CUI Yan—jun,CHEN Dong—hua,WANG Xin—ling,et a1.Crys— talline structure in isocyanate reactive hot melt adhesives[J].In— ternational Journal of Adhesion&Adhesives,2002,22(4):3 1 7 322. [16] MANU S K,SEKKAR V,SCARIAH K J,et al_Kinetics of glycidyl azide polymer—based urethane network formation[J].J Appl Polym Sci,2008,110(2):908—914. [17] PETRIE E M.Handbook of Adhesives and Sealants[M].New York:McGraw—Hill Professional,1999.59—66. [18] 赵仲卿,吕月英.聚酯一聚醚热熔胶的研究[J].粘合剂,1985, (1):1—5. ZHA0 Zhong—qing。LV Yue—ying.Polyester—polyether hot—melt adhesives research[J].Adhesives,1985,(1):1—5. 收稿日期:2012-02—26;修订日期:2012-12—18 作者简介:唐启恒(1986一),男,博士研究生,从事耐热聚氨酯的合成研 究,联系地址:北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学 (100081),E-mail:2005167ltang@sina.corn 通讯作者:杨荣杰(1963一),男,教授,博士生导师,从事POSS阻燃材 料、固体推进剂、高分子功能材料的研究,联系地址:北京市海淀区中关 村南大街5号北京理工大学材料科学与与工程学院(100081),E—mail: yrj@bit.edu.en 

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