双组分聚氨酯胶

双组份聚氨酯胶

聚氨酯胶粘剂(PU胶粘剂)是分子链中含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)或异氰酸酯基(-NCO)的胶粘剂，由异氰酸酯和含羟基化合物如聚酯、聚醚、蓖麻油或其他多元醇反应得到。

1.背景

聚氨酯胶粘剂(PU胶粘剂)是分子链中含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)或异氰酸酯基(-NCO)的胶粘剂，由异氰酸酯和含羟基化合物如聚酯、聚醚、蓖麻油或其他多元醇反应得到。它的性能优异，具有分子可设计性强、物性广泛、粘接适用范围广等特点，是合成胶粘剂中的重要品种之一。双组份聚氨酯胶粘剂是PU中品种最多、用量最大、用途最广的产品。该产品两个组份分别包装，易贮存，性能可调，具有粘合强度高、适用范围广、耐候性好等特点，在应用领域显示出独特的优势。

2.分类

聚氨酯胶粘剂主要分为多异氰酸酯和聚氨酯两大类，按使用方式来分聚氨酯胶粘剂可分为单组份和双组份两种。异氰酸酯基和氨酯基的极性、化学活性都很强，因此对多孔材料(皮革、泡沫等)和表面光洁的材料(玻璃、金属等)有着良好的化学粘结力。而且聚氨酯胶粘剂具有柔韧性好、耐震动性优良、耐冲击、耐磨、粘结强度大等优点，用途越来越广泛。双组份聚氨酯胶粘剂按有无溶剂可分为溶剂型和无溶剂型两大类。溶剂型聚氨酯胶粘剂技术成熟，但有机溶剂的挥发，不但浪费资源，还会威胁环境和生产安全。无溶剂型聚氨酯胶粘剂具有明显的优点：第一、无溶剂挥发、使用完全；第二、无需烘道除去溶剂，属于节能减排技术；第三、生产效率高，适用于自动化生产线。无溶剂型双组份聚氨酯(PU)胶粘剂具有粘接效果好、软硬可调、储存稳定和无溶剂挥发等优点，是PU胶粘剂行业的重要研究方向。由于制备PU胶粘剂的主要原料之一的异氰酸酯对水分特别敏感，所以制备过程中需要对原料进行真空干燥，氮气保护，这无疑增加了胶粘剂的生产成本。另外，预聚体制备过程中出现的气泡问题也是困扰生产的一个重要问题。异氰酸酯与活泼氢化合物的反应是PU胶粘剂制备及固化过程中所发生的主要反应，是PU胶粘剂最重要的反应机理。异氰酸酯与水反应产生CO2是气泡的主要来源。

3.组成

双组份聚氨酯胶粘剂通常由甲、乙两个组份组成。使用前按一定的比例配制即可。甲组份(主剂)为含活泼氢组份，乙组份(固化剂)为含-NCO基团的聚氨酯预聚体组份。双组份聚氨酯胶粘剂属反应性胶粘剂，两组份混合发生交联反应而固化粘接。通常可室温固化，也可以加热固化，其最终粘合强度比单组份胶粘剂大，可以满足结构胶粘剂的要求。制备时，可调节两组份的原料和分子量，使之在室温下有合适的粘度，可制成高固含量或无溶剂双组份胶粘剂。两组份的用量一般存在一定容忍度。由于双组份聚氨酯胶粘剂具有性能可调节性、粘合强度大、粘接范围广等优点，已成为聚氨酯胶粘剂中品种最多、产量最大的产品。双组份无溶剂型聚氨酯胶粘剂一般为低分子质量的多元醇和多异氰酸酯，或端NCO预聚物和多元醇或多元胺。其柔韧性、可吸收应力、对基材粘接性能等方面都优于环氧胶粘剂。

3.1聚合物多元醇

聚氨酯材料的性能很大程度取决于软硬段的相结构及微相分离程度，聚醚类聚氨酯由于主链上具有许多醚键，其柔顺性和耐水性优于聚酯类聚氨酯。本选用官能度高、物质的量较低的聚醚多元醇，目的是加快体系反应速率，使胶料成胶后的硬度和强度提高，改善胶的韧性及耐热性。聚醚多元醇是分子主链上含有醚键、端基带有羟基的聚合物，因分子结构中的醚键内聚能较低，并易于旋转，所以由它合成的聚醚型聚氨酯胶粘剂的耐低温性、耐水解性及柔韧性等均较优，但其力学性能不如聚酯型聚氨酯。在聚氨酯胶粘剂中最常用的聚醚多元醇的主要品种有PEG、PPG和PTMG等。

3.2多异氰酸酯

常用的芳香族二异氰酸酯有TDI、MDI、NDI和PPDI，脂肪族二异氰酸酯有HDI、IPDI和CHDI，一般芳香族异氰酸酯耐热性能要好于脂肪族的异氰酸酯。TDI制得的PU制品耐温性能较一般，MDI采用碳化二亚胺改性，用改性MDI制得的PU其耐热性、耐水性和阻燃性均得到改善。NDI制得的PU其耐热性比MDI要好，但国内无生产，且价格比MDI贵。PPDI制得的PU耐热性最好，其它的力学机械性能也是最好的，但价格也是其中最贵的。由于MDI、NDI和PPDI的价格都比较昂贵，且不易购得，所以本次实验选用的二异氰酸酯为TDI。

3.3扩链交联剂

常用的扩链交联剂有小分子多元醇和胺，与–NCO端基反应生成氨基甲酸酯或脲基起到扩链作用的称之为扩链剂；在分子链之间搭桥，产生交联形成三维网状结构的称之为交联剂或硫化剂。小分子二元醇为扩链剂，二胺、醇胺和3个羟基以上的多元醇为交联剂。常用的扩链交联剂为MOCA、MDA和丙三醇等多元醇、乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺及三异丙醇胺等。

3.4催化剂

聚氨酯反应常用的催化剂有：有机叔胺类(如三乙胺)和金属有机化合物类(如辛酸亚锡、辛酸铅、二月桂酸二丁锡等)。有机叔胺类催化剂能促进异氰酸酯与水反应放出二氧化碳，金属类催化剂对异氰酸酯与醇类反应有特效，催化剂的影响催化剂加入量一般控制在1%-2‰即可。

3.5添加剂

添加剂包括干燥剂、阻燃剂、偶联剂、抗氧剂、紫外抑制剂、着色剂、粘接促进剂、填充物、增塑剂、其它聚合物等。其中增塑剂可以改善体系中各组份的相容性；调节固化物的物理性能，如拉伸强度、低温柔韧性、延伸率、硬度等；还可以用于降低体系的黏度，使其保持良好的流动。填料用于补强、增稠、阻燃，降低成本等，一般为钛白粉、碳酸钙等。

3.6参考工艺流程

双组份聚氨酯胶配方

3.7参考配方

3.8生产过程中产生气泡的原因及解决途径

在预聚物的制备过程中通常会出现气泡，原因有两个，一是异氰酸酯与水反应会产生CO2，包括原料中微量的水和环境中的水分；另一个是搅拌过程中体系中混入了空气。对于黏度较低的体系，制备完毕冷却至室温后，气泡很容易被排出，如果要求较高可以采用抽真空的方式将残留的气泡排除。气泡会影响胶膜的强度，对于反应性的无溶剂PU胶粘剂而言，在固化过程中产生气泡是不可避免的，但是可以将其控制在一个较小的范围，使其对胶膜的影响降低到一个可以接受的范围。试验结果表明：预聚物中游离的–NCO含量越低，固化过程产生的气泡就越少，但是粘结强度也就越低。

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