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      反應(yīng)型聚氨酯熱熔膠的制備及其粘接性能的研究

      2013-09-14 00:45:32唐啟恒何吉宇艾青松楊榮杰
      材料工程 2013年8期
      關(guān)鍵詞:熱熔膠彈性體基材

      唐啟恒,何吉宇,艾青松,楊榮杰

      (北京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100081)

      傳統(tǒng)熱熔膠是一種熱塑性的黏合劑,其無毒無味無溶劑,高溫時(shí)可熔融降低熱熔膠的黏度,而其化學(xué)特性不變,屬于環(huán)保型化學(xué)產(chǎn)品[1]。其黏合機(jī)理是通過加熱將熱熔膠棒熔解,熔解后的膠成為一種液體,然后涂抹到被黏合物表面,熱熔膠冷卻后即完成了粘接。這種熱熔膠操作簡便,工藝簡單,適合大面積施工,但其缺點(diǎn)是粘接性能和耐熱性能差,不適用于高溫環(huán)境。

      反應(yīng)型聚氨酯熱熔膠(Reactive Hot Melt Polyurethane Adhesive,RHMPA)是在傳統(tǒng)熱熔膠基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類新型膠黏劑。其主要由聚醚或聚酯多元醇與二異氰酸酯等進(jìn)行反應(yīng),生成端異氰酸根(-NCO)預(yù)聚體,再加入增黏樹脂、填料、抗氧劑、催化劑等助劑配制而成,利用預(yù)聚體與空氣中的水分或被粘物表面的水分反應(yīng)來產(chǎn)生較好的粘接強(qiáng)度[2-6]。Sandip D.Desai等[7]報(bào)道,利用淀粉與乙二醇通過酯交換反應(yīng)合成新型聚酯,用于合成反應(yīng)型聚氨酯(PU)熱熔膠,結(jié)果表明,該膠具有良好的粘接性能,并且適合商業(yè)應(yīng)用。熱熔膠應(yīng)用于小范圍的粘接時(shí),需要其具有良好的初始粘接強(qiáng)度、較短的開放時(shí)間以縮短固化時(shí)間和提高粘接效率。D.J.Duffy等 將聚醚、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和丙烯酸進(jìn)行三元共混用于制備反應(yīng)性PU熱熔膠,結(jié)果表明,該熱熔膠具有良好的初始粘接強(qiáng)度。詹中賢[9]以4,4-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)和聚醚二元醇與聚酯二元醇為主要原料合成了一系列單組分反應(yīng)型濕固化PU熱熔膠,考察了不同的軟段結(jié)構(gòu)、-NCO含量、固化時(shí)間等對熱熔膠粘接性能的影響,結(jié)果表明,聚酯二元醇為軟段的熱熔膠初始黏結(jié)強(qiáng)度比聚醚二元醇熱熔膠要好。Youn Bok Cho等[10]將聚乙二醇(PEG)與一種偶氮大分子化合物共聚,然后將共聚物插入到Na-蒙脫土(Na-MMT)中,然后去改性RHMPA,提高了熱熔膠的初始粘接強(qiáng)度并且降低了其開放時(shí)間。用硅烷對熱熔膠進(jìn)行改性,熱熔膠表面含有硅氧鍵和極性的氨基甲酸酯鍵,有利于提高熱熔膠對低表面能材料的浸潤性和黏結(jié)力,擴(kuò)大熱熔膠的應(yīng)用范圍。Jiang H.M.等[11]將聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚酯多元醇共混,通過改變-NCO與-OH的比值研究其對濕固化PU熱熔膠粘接性能的影響。唐禮道等[12]通過PU預(yù)聚體法合成出硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)封端的PU熱熔膠(SPUR),并制備了一系列不同封端率的硅烷化PU熱熔膠,研究硅烷對PU熱熔膠粘接性能的影響。楊建軍等[13]還研究了硅烷封端PU熱熔膠的固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

      J.Comyn等[14]對熱熔膠的固化過程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)中生成強(qiáng)極性、化學(xué)活潑性很高的的脲鏈節(jié)(-NHCONH-)、縮二脲鏈節(jié)(-CONRCO-),它們能與含有活潑氫的材料形成氫鍵或產(chǎn)生化學(xué)鍵合,對塑料、木材、金屬等材料都具有良好的化學(xué)粘接力。此外,這些鏈節(jié)構(gòu)成PU分子結(jié)構(gòu)的剛性鏈節(jié),使膠黏劑具有較高的強(qiáng)度和較好的耐熱性能,同時(shí)PU本身的軟段結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的耐低溫性能。

      目前研究的熱熔膠由于其自身的固化機(jī)理決定了其難以應(yīng)用在干燥的環(huán)境中,而且Cui Y.J.等[15]報(bào)道,反應(yīng)型熱熔膠在固化時(shí),由于其軟段的結(jié)晶,阻止水分滲入熱熔膠內(nèi)部,導(dǎo)致熱熔膠固化不完全,自身內(nèi)聚力減弱,影響其粘接性能。此外,大多數(shù)熱熔膠的開放時(shí)間很短,很難應(yīng)用于需要大面積涂膠的領(lǐng)域。本工作合成了一種不需要水分即可固化應(yīng)用在干燥條件下、而且開放時(shí)間長以便應(yīng)用于大面積領(lǐng)域的粘接強(qiáng)度高的RHMPA。還研究了RHMPA的固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、粘接強(qiáng)度隨固化時(shí)間和溫度的變化。此外,對該RHMPA在鹽酸溶液、NaOH水溶液、80℃的熱水以及-20℃的低溫下處理后其粘接性能的變化及其在高低溫環(huán)境下的粘接強(qiáng)度也進(jìn)行了探討。

      1 實(shí)驗(yàn)

      1.1 原材料

      4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI),日本三菱公司;聚四氫呋喃醚二元醇 (PTMG),Mn=2000g/mol,阿拉丁化學(xué)公司;1,4-丁二醇(1,4-BDO),分析純,北京化學(xué)有限公司。

      1.2 兩步法制備反應(yīng)型聚氨酯熱熔膠

      (1)預(yù)聚體的合成

      RHMPA由 MDI,PTMG 和1,4-BDO 三組分組成,摩爾比為 MDI∶PTMG∶1,4-BDO=2∶1∶1。將PTMG于110℃真空脫水2h,冷卻至50~60℃,取適量加入到備有攪拌槳和適量MDI的三口燒瓶中,升溫至85℃,在真空下攪拌1h得到預(yù)聚體。

      (2)反應(yīng)型聚氨酯熱熔膠的制備

      向預(yù)聚體中加入適量的1,4-BDO,在真空下攪拌均勻后制得熱熔膠。

      1.3 測試表征

      紅外光譜表征:采用NICOLET 6700紅外光譜儀,掃描32次,頻率為4cm-1;熱失重的測定:采用NETZSCH 209F1熱失重分析儀,升溫速率為10℃/min,氮?dú)鈿夥铡?/p>

      RHMPA的表征與性能測試:①依據(jù) HG/T2409—92測試-NCO含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù));②熱熔膠對不銹鋼粘接強(qiáng)度的測試:拉伸剪切強(qiáng)度和對接粘接強(qiáng)度試樣的制備采用 GB/T 7124—2008 和 GB/T 6329—1996。將制備完成的試樣分別放置在40,50,60℃和70℃的恒溫烘箱內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng),每一個(gè)溫度下分別反應(yīng)5,10,15,20h和25h后取出,放置于室溫下調(diào)節(jié)3天后,采用CMT-4104電子萬能拉力機(jī)進(jìn)行測試;③熱熔膠對聚氨酯彈性體對接粘接強(qiáng)度測試:試樣的制備示意圖如圖1所示。將制備完成的試樣分別放置在40,50,60℃和70℃的恒溫烘箱內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng),每一個(gè)溫度下分別反應(yīng)5,10,15,20h和25h后取出,放置于室溫下調(diào)節(jié)3天后,采用CMT-4104電子萬能拉力機(jī)進(jìn)行測試,測試速率為500mm/min;④開放時(shí)間的測定:將10g制備好的熱熔膠分別放置于40,50,60℃和70℃的恒溫烘箱內(nèi),記錄其在各個(gè)溫度下具備黏性的時(shí)間。

      圖1 聚氨酯彈性體對接示意圖Fig.1 The diagram of tensile strength of butt joints for PU

      2 分析與討論

      2.1 預(yù)聚反應(yīng)中-NCO含量的測定

      在85℃反應(yīng)條件下,預(yù)聚物反應(yīng)體系中-NCO含量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示??梢钥闯?,預(yù)聚物合成時(shí),反應(yīng)體系中-NCO的含量隨著時(shí)間的延長不斷減小,反應(yīng)進(jìn)行到60min后,-NCO的含量受時(shí)間影響不大,因此可以確定此時(shí)預(yù)聚反應(yīng)結(jié)束。預(yù)聚反應(yīng)初期,-NCO反應(yīng)速率快。這主要是前期體系中-NCO,-OH含量比較高,基團(tuán)碰撞幾率比較大,反應(yīng)速率快;預(yù)聚反應(yīng)后期,由于兩個(gè)基團(tuán)含量很低,并且體系黏度不斷增大,兩個(gè)基團(tuán)碰撞幾率減少,反應(yīng)速率較慢。

      圖2 -NCO的含量隨時(shí)間的變化Fig.2 The variation of the contents of-NCO with time

      2.2 擴(kuò)鏈反應(yīng)分析

      將制備得到的熱熔膠分別在40,50,60℃和70℃下進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng)。擴(kuò)鏈階段反應(yīng)速率與溫度的變化關(guān)系使用紅外光譜法進(jìn)行跟蹤研究。50℃下反應(yīng)時(shí),聚氨酯熱熔膠在不同時(shí)間的紅外光譜如圖3所示。

      圖3 50℃反應(yīng)時(shí)聚氨酯熱熔膠的紅外光譜圖隨時(shí)間的變化Fig.3 FTIR spectra of the RHMPA after various time at 50℃

      由圖3可以看出,整個(gè)反應(yīng)過程中,在2273cm處(-NCO的伸縮振動(dòng))的吸收逐漸變小,而3000~2500cm-1(CH伸縮振動(dòng))處的吸收幾乎不變。因此,利用同一時(shí)間點(diǎn)-NCO的吸收峰面積與CH吸收峰面積的比值隨時(shí)間的變化來研究熱熔膠擴(kuò)鏈反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。-OH與-NCO的反應(yīng)符合二級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程[16],即

      式中:ANCO,t=0,ANCO,t=t為t=0或t時(shí),NCO的吸收峰面積;ACH,t=0,ACH,t=t為t=0或t時(shí),CH 的吸收峰面積;k為反應(yīng)速率常數(shù)。1/[A]t與時(shí)間t的變化關(guān)系如圖4所示。

      圖4 1/[A]t隨時(shí)間的變化Fig.4 The variation of 1/[A]twith time

      由圖4可以看出,1/[A]t與時(shí)間t在擴(kuò)鏈反應(yīng)過程中呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,說明擴(kuò)鏈反應(yīng)符合二級動(dòng)力學(xué)方程。此外,將4條曲線分別進(jìn)行擬合,所得k值如表1所示。隨著擴(kuò)鏈反應(yīng)溫度的提高,反應(yīng)速率、鏈增長加快,反應(yīng)程度增高,導(dǎo)致熱熔膠的開放時(shí)間變短。

      表1 不同溫度下擴(kuò)鏈的k值及開放時(shí)間Table 1 kvalues and gel time at different temperatures

      2.3 RHMPA粘接性能的分析

      4個(gè)擴(kuò)鏈反應(yīng)溫度下,熱熔膠對聚氨酯彈性體的對接粘接強(qiáng)度和不銹鋼棒的對接粘接強(qiáng)度與拉伸剪切強(qiáng)度隨時(shí)間的變化如圖5,6所示。

      圖5 對接粘接強(qiáng)度隨時(shí)間的變化 (a)聚氨酯彈性體;(b)不銹鋼棒Fig.5 Tensile strength of butt joints vs time (a)PU;(b)stainless steel rod

      圖6 不銹鋼板的拉伸剪切強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig.6 Single lap shear strength of stainless steel plate vs time

      目前,熱熔膠的粘接機(jī)理主要有5種:吸附理論、擴(kuò)散理論、機(jī)械嚙合理論、化學(xué)鍵理論以及雙電層理論[17]。由圖5和圖6可知,同一溫度下,熱熔膠對聚氨酯彈性體和不銹鋼的粘接強(qiáng)度隨著擴(kuò)鏈反應(yīng)時(shí)間的延長而變大。剛開始粘接時(shí),粘接力主要是由熱熔膠的結(jié)晶來提供。

      隨著擴(kuò)鏈反應(yīng)時(shí)間的延長,熱熔膠中的氨基甲酸酯基與被粘基材形成更多氫鍵,由于聚氨酯彈性體中含有-NHCOO-鏈節(jié),不銹鋼表面由于被氧化而含有活性羥基,引起熱熔膠中少部分-NCO與底物上面的活性羥基形成共價(jià)鍵,從而提供更強(qiáng)大的粘接力。

      當(dāng)擴(kuò)鏈反應(yīng)溫度提高后,不管何種基材或粘接方式,熱熔膠粘接強(qiáng)度均隨著反應(yīng)溫度的升高而升高。反應(yīng)溫度越高,熱熔膠的黏度越小,流動(dòng)性越好,膠體對基材表面浸潤作用越好,聚氨酯彈性體和不銹鋼表面均具有很多微小的孔隙,使得熱熔膠更大程度地流動(dòng)到基材表面孔隙中去,導(dǎo)致機(jī)械嚙合作用越強(qiáng)。此外,擴(kuò)鏈反應(yīng)溫度越高,熱熔膠中活性的-NCO與聚氨酯彈性體和不銹鋼表面的活性羥基反應(yīng)程度越高,形成化學(xué)鍵越多,導(dǎo)致更強(qiáng)的粘接強(qiáng)度。

      對比圖5與圖6,可以看出,對于同一種粘接方式,基材為聚氨酯彈性體的粘接強(qiáng)度比基材為不銹鋼的要高得多。這種熱熔膠本質(zhì)為熱塑性的聚氨酯,與聚氨酯彈性體粘接強(qiáng)度更高是十分自然的。

      擴(kuò)鏈反應(yīng)溫度越高,兩種基材的對接粘接強(qiáng)度增強(qiáng)的幅度越大,而拉伸剪切強(qiáng)度并沒有這個(gè)趨勢,這可能與粘接方式不同有關(guān)。

      在70℃下擴(kuò)鏈25h后,將對接聚氨酯彈性體樣條分別放置于1mol/L的 HCl溶液、1mol/L的NaOH水溶液、80℃的熱水以及-20℃的低溫化學(xué)環(huán)境下保持10h,然后室溫下測試熱熔膠的對接粘接強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。可以看出,除了在80℃的熱水中其粘接強(qiáng)度略有降低之外,在其他3種化學(xué)環(huán)境中,粘接性能基本不變,說明熱熔膠具有良好的耐化學(xué)性能。在80℃的熱水中放置10h后粘接性能下降,可能是由于粘接面上的部分氫鍵發(fā)生斷裂導(dǎo)致的。

      表2 聚氨酯熱熔膠的對接粘接強(qiáng)度(MPa)Table 2 Tensile strength of butt joints of RHMPA(MPa)

      在70℃下擴(kuò)鏈25h后,對接以及搭接的不銹鋼試件在50℃和-30℃高低溫箱中測試其粘接強(qiáng)度。結(jié)果表明:50℃時(shí),拉伸剪切強(qiáng)度和對接粘接強(qiáng)度稍微降低,分別為6.76,3.72MPa;但是在-30℃下,二者分別為12.01,7.14MPa,粘接強(qiáng)度明顯增高。

      2.4 熱熔膠分子量Mn隨擴(kuò)鏈反應(yīng)時(shí)間的變化

      熱熔膠分子量Mn隨擴(kuò)鏈反應(yīng)時(shí)間和溫度的變化如表3所示。可以看出,熱熔膠的分子量不僅隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而增大,而且隨著反應(yīng)溫度的升高而增大。分子量增加使得分子間的相互作用力增大,相互纏繞程度高,內(nèi)聚能增加。趙仲卿等[18]報(bào)道,黏合劑的內(nèi)聚能越大,可消除了底物界面的內(nèi)應(yīng)力,粘接強(qiáng)度增強(qiáng)。

      表3 Mn隨擴(kuò)鏈反應(yīng)時(shí)間和溫度的變化Table 3 The variation of Mnwith the chain extending time and temperatures

      3 結(jié)論

      (1)采用紅外光譜對預(yù)聚體和1,4-丁二醇的擴(kuò)鏈反應(yīng)進(jìn)行研究,結(jié)果表明預(yù)聚體的異氰酸根與羥基的反應(yīng)符合二級動(dòng)力學(xué)方程。

      (2)熱熔膠對于聚氨酯彈性體、不銹鋼基材展現(xiàn)出優(yōu)良粘接性能,粘接強(qiáng)度隨著擴(kuò)鏈反應(yīng)溫度和時(shí)間的提高而提高。

      (3)熱熔膠具有良好的耐酸、堿、低溫性能,高溫環(huán)境下,粘接強(qiáng)度稍微降低。

      (4)制備的聚氨酯熱熔膠,合成工藝簡單,成本低廉,粘接強(qiáng)度高,開放時(shí)間長,適合大面積操作。

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