水性聚氨酯胶粘剂的优化选择

水性聚氨酯胶粘剂是以水为分散介质的聚氨酯胶粘剂，具有无溶剂、无臭味、无污染等优点，同时还具有溶剂型聚氨酯胶粘剂所固有的高强度、耐磨损、耐疲劳等优异性能。随着人们环保意识的增强，水性PU正逐步取代溶剂型PU，成为胶粘剂领域的一个组成部分。

1.合成

水性聚氨酯是配制水性聚氨酯（APU）胶粘剂的基础物质和关键组分，它的性能直接决定胶粘剂的最终性能。根据粒子所带电荷的种类，水性聚氨酯可分为阴离子、阳离子、非离子三种类型。水性聚氨酯的制备方法有外乳化法和自乳化法。外乳化法是在乳化剂、高剪切力的存在下，将聚氨酯预聚体强制性乳化于水中，形成乳液。该法制备的聚氨酯乳液的贮存稳定性不好，所成膜的物理性能不好。自乳化法就是将亲水基团直接引入到分子链中，使分子部分有亲水性而使整个分子分散于水中。目前，以自乳化法为主。根据扩链反应的不同，自乳化法可分为丙酮法、预聚体分散法、熔融分散法、酮亚胺/酮连氮法、封端乳化法等。其中，丙酮法和预聚体分散法较为成熟。

2.性能

一般的水性聚氨酯胶粘剂的性能见表46。

表4-6 一般的水性聚氨酯胶粘剂的性能

与溶剂型聚氨酯胶粘剂相比，水性聚氨酯胶粘剂除了无溶剂、无臭味、无污染的优点外，还具有以下特点：

（1）粘接力强 大多数水性聚氨酯胶粘剂中不含—NCO基团，但存在氨酯键、脲键、醚键、离子键等，因此对多种基材粘接力较强，亲合性好。由于水性聚氨酯中含有羧基、羟基等活性基团，在适当条件下可形成交联，提高粘接力。

（2）粘度小 水性聚氨酯胶粘剂的粘度一般通过水溶性增稠剂及水来调节，除了外加的高分子增稠剂外，影响水性聚氨酯胶粘剂粘度的重要因素还有离子电荷、胶粒结构与粒径等。相同的固体含量，水性聚氨酯胶粘剂的粘度较溶剂型的胶粘剂小。水性聚氨酯胶粘剂的粘度不随聚合物相对分子质量的改变而有明显差异，因此可使聚合物高相对分子质量化，以提高其内聚强度；而溶剂型的胶粘剂粘度则随聚合物相对分子质量的增高呈指数关系上升，交联时易产生凝胶。

（3）干燥速度慢 由于水的挥发性比有机溶剂差，故水性聚氨酯胶粘剂干燥较慢，并且由于水的表面张力大，对表面疏水性的基材的润湿能力差。

（4）共混性好 水性聚氨酯胶粘剂易与其他树脂或颜料混合，以改进性能，降低成本。

（5）其他特性 不燃、无毒，适用于易被有机溶剂侵蚀的基材。残胶易清理，操作方便。

3.水性聚氨酯的改性

大多数水性聚氨酯主要是线型热塑性聚氨酯，相对分子质量较低，因此耐水性、耐溶剂性、胶膜强度等性能较差。为提高水性聚氨酯的性能，需对其进行改性。高性能水性聚氨酯胶粘剂应具有以下特点：

1）耐水、耐介质性好。

2）粘接强度高，初粘力大。

3）良好的贮存稳定性。

4）耐冻融，耐较高温度。

5）干燥速度较快，低环境温度下成膜性良好。

6）施工工艺佳。

从水性聚氨酯的制备工艺过程来看，聚氨酯预聚体的分子结构对水性聚氨酯的最终性能有着决定性的影响。通过改变预聚体的分子结构、相对分子质量的大小等因素，可达到改性的目的，得到高性能水性聚氨酯。通常，用以下几种方法进行改进：

（1）调整原料 聚醚的耐水解性较好，有时也可以与聚酯并用制备聚氨酯胶粘剂。多元醇的相对分子质量越大，所制成水性聚氨酯的胶膜越软；反之，聚醚相对分子质量越小以及官能团越多，则胶膜越硬，耐水性也较好。在胶粘剂配方中添加少量的有机硅偶联剂，也能提高胶粘层的耐水解性。(https://www.xing528.com)

（2）热处理 大多数水性聚氨酯产品通过适当的热处理，可提高胶膜的强度和耐水性。

（3）与其他聚合物共混或共聚 其中，最重要的是水性聚氨酯改性丙烯酸酯，称为“第三代水性聚氨酯”。它结合了聚氨酯突出的力学性能与丙烯酸树脂（PA）较好的耐水性及耐化学品等性能，使材料的综合性能得到提高。

（4）交联 交联是提高水性聚氨酯性能，尤其是提高湿粘接强度和耐溶剂性能的重要途径。

4.应用

水性聚氨酯胶粘剂粘接性能好，可用于PVC、PET、PP、ABS、PE等塑料片材或薄膜织物（棉或化纤）、无纺布、纸张、玻璃等基材的粘接或复合层压加工，甚至可用于传统纺织物的缝合。近年开发的热真空复合成型工艺已广泛用于高级家具、轿车等部件。

（1）木材加工 木材加工是胶粘剂的最大应用领域。水性聚氨酯作为胶粘剂，可与泡沫塑料、木材、皮革、织物、纸张、陶瓷等多孔材料和金属、玻璃、橡胶、塑料等表面光洁的材料粘接。由于水性聚氨酯胶粘剂无甲醛污染问题，对木材含水量无严格限制，产品耐水性和耐候性极佳，因而在木材工业中颇受青睐。水性聚氨酯也可以作为木材或石料的修补材料。

（2）在食品包装中的应用 在当今的食品工业中，常用各种层压复合薄膜对食品、饮料和调味品等进行包装。层压复合薄膜是将塑料膜层与其他材料用胶粘剂粘接在一起制成的。由于溶剂型胶粘剂含有机挥发物，会污染食品，不利于人体健康，因此，在食品包装领域中用水基胶代替溶剂型胶粘剂是必然趋势。日本东邦化学工业公司研制出了具有优异贮存性能的离子型水性聚氨酯胶粘剂，特别适用于制备食品包装用多层塑料膜。

（3）汽车工业APU正在逐步替代传统的胶粘剂，如溶剂型或水基氯丁橡胶、丁腈橡胶以及溶剂型PU，用于粘接汽车零部件、仪表板、挡泥板、门板、地毯和顶篷。它们的被粘材料是聚烯烃和ABS塑料、织物和木材等。

（4）复合层压及雕塑加工 聚氯乙烯、聚酯、ABS、经电晕处理的聚烯烃等塑料薄膜及片材，以及棉布和化纤织物、纸张、皮革之间可用水性聚氨酯胶粘剂进行层压复合。聚氨酯具有柔韧的胶膜，并且特别适于含增塑剂的软质PVC的涂层和粘接。大多数水性聚氨酯是热塑性聚氨酯，能够采用热熔胶的方法进行粘接。有人研究用双组分水性聚氨酯作为复合游膜干法复合胶粘剂，使制品仍具有较好的复合强度及柔软性。国外用于房屋建筑材料的铝板、牛皮纸、铝复合板，过去采用乙烯丙烯酸酯共乳液（EAA）等胶粘剂制造，而采用水性聚氨酯胶粘剂时，粘接性能优于EAA。国外某些仪表、汽车装饰构件等用途的层压板用水性聚氨酯胶粘剂时，粘接强度比用溶剂型胶粘剂还要高。

（5）压敏胶 乳液压敏胶的用途是制造胶带、不干胶标签等，也可直接使用，广泛用于办公用品、建筑、家具、车辆等领域。考虑到耐老化性、粘接强度、透明性、无毒性等因素，一般使用丙烯酸酯乳液。而聚氨酯具有粘接强度高、耐寒等性能，可成为水性压敏胶中的一种新型优良品种，基材主要是纸张、塑料薄膜及织物等。

（6）导静电乳液型胶粘剂 在醋酸乙烯酯—丙烯酸酯乳液中，加入水性聚氨酯和增粘树脂提高乳液型胶粘剂的性能，加入导电纤维赋予乳液型胶粘剂导静电性能，制得乳液型胶粘剂。该胶粘剂主要用于粘贴导静电半硬质PVC块状塑料地板，也可以用于大型电子仪器室、电子生产车间、手术室、计算机房等需要导静电的地方。

表4-7为水性聚氨酯胶粘剂的一些应用。

表4-7 水性聚氨酯胶粘剂的一些应用

（续）

5.水性聚氨酯胶粘剂的发展趋势

（1）提高固体含量 目前所生产的水性聚氨酯胶粘剂的质量分数多为20%～40%，干燥和运输费用较高。国内外研究者设法将其质量分数提高到50%以上，但由于提高固体质量分数会导致性能不稳定，因此研究者多从反应工艺学方面加以研究。

（2）采用共混技术，降低成本 将水性聚氨酯胶粘剂与其他廉价的水性胶配合使用，可制成高性能、低成本的水性聚氨酯胶粘剂，这是降低水性聚氨酯胶粘剂成本的重要途径之一。

（3）提高初粘性 水性聚氨酯胶粘剂的初粘性低是阻碍其广泛应用的重要因素。日本某公司已采用引入环氧树脂的方法制得了具有良好初粘性的产品。

（4）提高稳定性 在保持水性聚氨酯耐水性的同时，提高水性聚氨酯胶粘剂的贮存稳定性是目前国内外水性聚氨酯研究的重要方向。研究者从乳液的形态学着手研究，以解决粒径、粘度、贮存性与胶性能之间的矛盾。