聚氨酯胶粘剂 聚氨酯胶粘剂性能测试

聚氨酯胶粘剂

聚氨酯胶粘剂(简称PU胶)具有优良的粘接性、柔韧性、耐油、耐冲击、耐磨、耐低温等特性;其品种繁多,分子结构可调性强,粘接适用范围广,自德国Bayer公司工业化六十多年来,得到了迅速的发展。据报导,2002年世界胶粘剂与密封胶的总消费量约为902万吨。聚氨酯胶粘剂的三大市场(北美、西欧、亚洲)的消费约合70万吨,其中北美23万吨 ,西欧16万吨 ,亚洲30.9万吨(其中中国大陆16.6万吨,日本6.2万吨,韩国3.5万吨,台湾地区4.6万吨)。预计2010年的用量将达100万吨,年增长率5%。
1、 我国聚氨酯胶粘剂发展概况
我国的聚氨酯胶粘剂的发展起步于上世纪六十年代,从上海合成树脂研究所率先研发成功、新光化工厂放大,首个PU胶问世至今,已经走过四十年的发展历程。目前我国聚氨酯胶粘剂产业已形成独立的门类,应用领域涉及各行各业,生产企业也从1966年的一家发展到如今的400多家。近些年来增长速度均在10%以上。据行业协会统计,我国大陆2004年胶粘剂总销售量约为379万吨,其中反应型聚氨酯胶粘剂(包括密封胶)约20.5万吨,比上年增加13.9%。预计未来五年将以12%的速度增长,到2010年反应型聚氨酯胶粘剂销售量将达40.5万吨。
1.1通用型聚氨酯胶粘剂
通用型PU胶是我国最早合成的PU溶剂胶,代表性产品是PU101胶。一般以聚己二酸乙二醇酯等与TDI反应制得端羟基PU树脂溶于有机溶剂为主成分(固含量30%或50%);以三羟甲基丙烷(有的用丙三醇)与TDI加成物的醋酸乙酯溶液为固化剂(固含量60%或75%);固化剂的比例由多至少混合,可将金属、塑料、织物等不同材料很好的粘接起来,特别是电绝缘材料中涤纶薄膜与多孔性材料的复合,包装装饰材料的复合等。目前全国约有20~30家生产单位,总产量约为1.5~1.6万吨,其中上海、江苏、浙江等规模较大。根据市场需要,有的单位已有防冻型、耐温型、增强型、快固型、柔软型等系列产品。
1.2鞋用聚氨酯胶粘剂
我国是世界上最大的鞋类和箱包出口国。80年代末,随着全球制鞋、制革中心向我国和东南亚地区的转移,台湾鞋胶厂纷纷来大陆投资,PU鞋用胶迅速发展起来。目前我国PU鞋胶生产厂已有一、二百家,PU鞋用胶生产量约有13~15万吨。除国内使用外,还有出口。在众多鞋胶厂中约有二十家规模较大的企业分布在广东、福建、浙江等东南沿海地区,他们兼产PU胶、氯丁胶、接枝胶、SBS胶、固化剂、处理剂等,品种有50种乃至上百种。由于对PU、PVC、TPR等较难粘的鞋材均有良好的粘接力,并具有抗油脂、抗增塑剂、不变黄的特点,加之PU胶的价格已与氯丁接枝胶相差无几,近些年来使用PU胶的比例逐年上升,目前已占外底胶总用量的70%以上。
1.2.1溶剂型聚氨酯鞋用胶
溶剂型聚氨酯鞋用胶是我国最大的聚氨酯胶种,这类胶一般以端羟基的暖塑性聚氨酯(TPU)溶于有机溶剂配制而成(固含量约为15%),再与多异氰酸酯固化剂和处理剂配套使用。以往我国PU鞋用胶生产均以“溶解型”为主,即大多采用德国BAYER、西班牙MERQUINSA、美国MORTON等公司入口的TPU胶粒溶解配制,也有小部分用台湾及内地产的树脂。近些年来,为了降低成本、提高应变能力,不少鞋胶厂已采用脂肪族异氰酸酯(也有用MDI),自行溶液聚合来生产无黄变的或一般的PU鞋用胶。目前,很多厂已以“溶聚胶”为主,国内公司的已占PU总胶量的90%甚至95%以上。然而,“溶解胶”因其工艺简单、投资小、产品性能较稳定的特点仍被一些鞋厂特别是小型鞋胶厂所采用。当前开发高性能溶聚胶和TPU树脂,减少溶剂毒性,开发水基型、无溶剂型、少溶剂型特别是反应型PU暖熔胶等高性能环保产品已是我国鞋用胶的发展重点。
1.2.2 粘接型TPU固体树脂胶
九十年代前,我国鞋用粘接型TPU树脂基本上全部依靠入口。1995年南京橡胶厂通过攻关,建成了300吨/年的生产能力[6](现为南京金三力聚氨酯制品公司);黎明化工研究院开发的J系列TPU树脂以其技术投资于洛阳吉明化工公司生产,2002年引入了关键设备,建立了800吨/年的生产规模;2000年保定东明树脂有限公司引入国外先入的大型双螺杆挤出造粒机,形成系列化TPU胶粒生产线,包括耐黄变鞋用TPU胶粒、耐高温油墨用胶粒等;江苏泰州菲尔特高分子材料公司近年引入德国的技术,开发、生产了系列粘接型TPU产品;此外,兵器部第五三研究所、济南泰和鼎鑫树脂公司、山西洪洞银河化工厂以及浙江、江苏、广东、福建等地均有生产。据报导,1998~2005年我国粘接型TPU的增长速度超过10%,2003年消费量不下2万吨,绝大部分入口,国产不足2000吨。主要用于鞋用胶、油墨连接料、复合胶、磁带胶、暖封胶带等方面。由于科研、生产单位的努力,国产粘接型TPU的质量不断提高,用量也逐渐增大,但相对国外大公司来说国内自行开发的TPU生产规模较小,工艺相对落后,但因其具有较大的价格优势,因此也有较大的发展空间。
值得一提的是,由于我国汽车内饰件、弹性橡塑件、氨纶、鞋材、胶粘剂、涂料等对TPU的大量需求,已吸引了国内外大批的投资者。从2003年始,世界级大公司和台湾、内地的公司纷纷在上海或江苏等地建厂,掀起了一股投资暖。在已查证的部分投资者中,美国NOVEON(诺誉)–上海、台湾高鼎化学–江苏昆山、台湾三晃树脂–广州顺德等均有粘接型TPU固体胶的生产。这将有力地推动我国PU胶特别是鞋用胶的发展,同时市场竞争也会加大。
1.2.3水性聚氨酯鞋用胶
随着人们环保意识的加强和环保法规的日趋严格,欧美国家对入口鞋类的“绿色”壁垒日益显现,前几年我国一些三资鞋厂已开始使用水性PU胶。据报导,这些鞋厂加工的名牌旅游鞋,2003年所用水性PU胶入口量约为4000吨,近年来其用量迅速增加。据报导,目前单从我国出口的四大名牌(Nike、adidas等)所用的水性PU胶不下2万吨,产品主要来自德国Bayer、台湾大东树脂、韩国国民东诚等公司,国内企业生产的水性PU胶在制鞋工业中推广应用仍在试验中。
此外,PU暖熔胶在制鞋工业有少量应用,90年代初淄博化工研究所等已开始入行鞋用PU反应型暖熔胶的研究,由于原料、产品性能、施工器具等方面的原因,发展缓慢,目前尚未在制鞋工业中大量推广,相关的研究仍在入行中。
1.3复合膜用聚氨酯胶粘剂
我国八十年代开始生产PU食品复合膜胶粘剂。1984年上海轻工业研究所研发的成果在浙江临海化工三厂率先投产。八十年代中期北京市化工研究院引入德国汉高公司的技术,成为我国首家可生产较高固含量和无溶剂PU复合膜胶的生产单位。九十年代我国包装工业迅速掘起,复合软包装企业迅猛增加,目前已超过2500家,与之配套的双组分溶剂型PU复合膜胶的生产厂也有近300家,设备生产能力10多万吨,产量约4万吨。其中北京高盟化工公司、中山市康和化工公司等产能在万吨以上。此外,浙江新东方油墨、江苏金坛、上海烈银、广东中田金桃等公司的规模也较大。据报导由北京市化工研究院控股新建的江门市国望精细化学品公司PU胶规模也有5000吨/年。
1.3.1溶剂型聚氨酯复合膜胶
溶剂型PU复合膜胶是干式复合的主要产品,其中80%的复合材料是用于食品、药品的包装,所以包装的内容物必须要经过巴氏杀菌或100℃煮沸杀菌以及高温121℃蒸煮甚至超高温145℃蒸煮。据报导从1987年至今,特别是近些年来我国先后已有上海申化科技公司等十几个单位开发成功了121℃耐蒸煮型芳香族或脂肪族PU复膜胶。其中北京高盟、上海烈银、黎明化工院、襄樊航天化学动力公司等还推出了耐135℃高温蒸煮PU复膜胶。华东理工大学采用多个刚性链段的化合物为起始剂或扩链剂制成的高强度耐蒸煮PU复合膜胶使强度性能达到了新的突破:其铝塑复合AL/PP膜:120℃剪切强度为0.11 Mpa,蒸煮前剥离强度为22.3 N/15 mm,蒸煮后为21.9 N/15 mm。
为适应各种不同介质如:酸、碱、辣、咸、油、酒以及表面活性剂、化学品、农药、溶剂等包装要求,一些单位还开发了功能性的专用胶、特种胶等;为降低VOC含量,北京高盟、江苏工学院等单位开发出了超高固含量(80%~85%)、低粘度的复合胶以及超低溶剂残留的镀铝复合胶等新品种;北京市化工院、欧美科实业(深圳)公司还开发生产了醇溶性PU复膜胶。目前我国溶剂型PU复膜胶发展已较成熟,中、低档PU复膜胶已完全能自给,且价格低廉,部分还出口国外。在占10%左右特殊PU复膜胶中,国产胶也已占1/2以上,耐121℃以上的蒸煮复合膜胶,完全依靠入口的局面已彻底改变。
1.3.2水性聚氨酯复合膜胶
由于溶剂型PU复合膜胶含有大量有机溶剂,除了会污染环境外,残留在复合食品袋中的溶剂还会影响食品的质量和卫生。目前欧美发达国家已规定了用于食品和药品包装的胶粘剂类型。其溶剂型胶粘剂的复合材料已从10年前的80%减少到目前的约30%。而我国一些出口商品往往因忽视包装的环保要求,难以通过商检、关检从而蒙受巨大经济损失,原因大多是包装材料中的有害成分未达标或对内容物污染造成;因此,为了确保食品安全和人体健康,开发生产绿色环保的复膜胶势在必行。国内众多高等院校、科研院所以及实力较强的生产厂均在研发水性PU胶,一般来说,水性胶固化速度较慢,耐水性、耐暖性不及溶剂胶。针对上述问题,国内研究报导甚多。有的研究单位如:襄樊航天化学动力公司、安徽大学、山西省应用化学研究院、华东理工大学、华南理工大学、黎明化工院、江苏教育学院、大连化物所凯华公司、北京高盟等已都有成果的报导。如:
江苏教育学院、南京四寰合材所以聚醚多元醇,自制的扩链剂等原料制得的水性PU主胶和自行合成的水分散异氰酸酯预聚体交联剂配合,得到的水性胶具有良好的稳定性、粘接性和较长的适用期,对PET/PP复合薄膜上机试验,180º剥离﹥2.5N/15mm,有的样品被撕破。
湖北襄樊航天化学动力总公司采用不同结构的聚合物多元醇及二异氰酸酯等原料经过参数调整等方法合成的水性PU复膜胶PU 4276-E及PU4276-AL,其复合性能高于目前市场使用较多的L-90D水性复膜胶(国外大公司丙烯酸酯类产品),其上胶量也少于该胶。后者对PE/OPP和镀铝膜VMCPP/OPP的复合尚达不到要求的粘接强度。另该公司还采用二异氰酸酯与DMPA反应制得可水分散的多异氰酸酯交联剂,在水中可稳定分散4h,如加渗透水性PU复膜胶中能显著提高其性能。
安徽大学以聚酯多元醇为基料合成的水性PU胶配合多元胺类或多异氰酸酯类交联剂对AL/CPP、CPP/CPP等均有良好的剥离强度,可用于多种塑料复合膜的粘接。
华南理工大学则采用了环氧树脂改性PU,制成性能较佳的水性PU复膜胶对PP/PE粘接性能好,可满意实际应用的需要等等。其他还有一些可用于复膜胶的水性PU胶的报导,这里不再列举。
1.3.3无溶剂聚氨酯复合膜胶
无溶剂复膜胶环保、安全、卫生,仍是复合包装材料的主要发展方向。据报导,我国目前已引入了约50台无溶剂复合设备,若能正常生产将需用无溶剂复膜胶4000~5000吨/年。但目前除了少数几家大企业的复合设备用得较好外,其余设备均处于闲置、半闲置状态。主要原因是设备不配套,无溶剂PU复膜胶(主要为入口胶)成本较高,加暖涂布时粘度高,上胶难,计量泵易堵塞,涂布不均匀,复合质量差等。因此加紧开发在较低温度下也可涂布的高性能无溶剂PU复合胶,同时开发好复合工艺和设备已是我国无溶剂复膜胶发展的当务之急。
综上所述,在PU复膜胶中,受设备、技术、工艺的限制,无溶剂复膜胶近些年内尚难得到快速发展;水性PU复膜胶环保、安全又可沿用溶剂型胶的复合膜设备生产线,展现了较大的发展潜力;溶剂型PU胶粘剂应向高固含量、低粘度、低溶剂残留、无毒的方向发展,目前仍将是主导产品。另要开发以UV等辐射固化的丙烯酸酯改性的PU复膜胶,高性能的特种复膜胶特别是耐高温蒸煮的脂肪族PU复膜胶等
1.4水性聚氨酯胶粘剂
1.4.1水性聚氨酯胶粘剂(PUD胶)
水性PU胶粘剂一般是指以聚氨酯水分散液(PUD)为基料的胶粘剂,以水为介质、无毒、不燃、无污染,这类胶可具有PU的优良性能,乃是PU胶粘剂的主要发展方向。据报导,目前我国PUD科研和生产单位已有一、二百家,2004年我国PUD总消费量已达3.5万吨(100%计)。以往水性PUD产品大多为皮革涂饰剂、织物整理剂、涂层剂等。水性PU胶粘剂技术,直至近几年来才有所突破,取得较快的发展。目前已有二、三十家水性PU胶生产单位,如广东江门新力立时得胶粘剂公司吸塑层压胶;安徽安大华泰新材料公司PU-0200系列水性PU胶;上海新友水性聚氨酯公司的专利产品D-系列水性PU胶;山西省应用化学研究院WD-6210高性能水性胶;台湾大东树脂化学公司的GE-6600系列水性鞋用胶,襄樊航天化学动力总公司的PU4276-AL、-E复合膜胶,此外,上海合成树脂所、大连化物所凯华公司、黎明化工院、上海合达聚合物公司、无锡市万力粘合材料厂、山西运城华阳工贸公司等均有水性PU胶生产的报导。
目前国内企业生产的水性PU胶除用于真空吸塑、PVC贴膜、汽车内饰、IC卡、玻纤集束、涂料印花、喷墨打印等外,也有用于一般塑/塑、铝/塑复合、水性油墨等的产品。
综前所述,我国已有单位在水性PU复膜胶中取得可喜的成果,还有一些单位也取得了较大的入展。为提高性能,他们大多采用外加或内置交联剂,通过接枝、共混、共聚或互穿网络等手段,用丙烯酸酯、环氧树脂、有机硅以及纳米材料等改性,使其构成二元或多元杂化体系,性能互补,研究报导层出不穷。据报导:山西省应用化学研究院研发的WD6210高性能水性PU胶已具有相当高的水平:固含量约50%,粘度<1000mPa?s,最低活化温度65℃,最高耐暖温度170℃,耐沸水30min不开胶,耐水性6个月不开胶,已完全能与入口胶相媲美。湖北襄樊航天化学动力总公司研发的PU水分散液油墨连接料综合性能:附着力、耐水性、抗反粘三项指标也已与入口的产品相当。黎明化工研究院则通过在PU软段中引渗透磺酸盐亲水基团,入行不同组成的系列研究[26],为其在鞋用胶等的可能应用入行尝试。该院开发出高固含量的系列PUD产品,最高已有60%,并有良好的稳定性。采用乙醇和乙二醇混合防冻剂,显著提高水性PU胶的防冻融性能。华南理工大学和广州市东风化工实业公司通过对环氧树脂改性水性PU的系列研究,制成了汽车内饰胶,提高了胶膜的机械性、耐水性和耐溶剂等性能,对PU、PVC、皮革、人造革、海绵等汽车内饰材料均有良好的粘接性。
1.4.2水性聚氨酯木材胶
木材用胶占我国用胶总量的60%以上,但传统工艺大多采用“三醛胶”,虽然这些胶价格低廉,但生产、应用过程均有甲醛释放、污染环境和损害人体健康。为了根除游离醛的毒害,我国政府已颁布了《室内装饰装修人造板及其甲醛释放限量》GB18580-2001和《室内装饰装修材料胶粘剂中有害物质限量》的国家标准,因此,努力开发适应人造板、胶合板制造的环保型高性能水性木材胶粘剂已势在必行。
目前我国水性PU木材胶主要有二类:一是已经大量生产和使用的水性乙烯基聚氨酯拼板胶,二是目前正在开发并开始应用的可水乳化的多异氰酸酯木材胶。
(1)水性乙烯基聚氨酯拼板胶
水性乙烯基聚氨酯拼板胶也称水性高分子异氰酸酯胶粘剂(API)或乳液聚合物异氰酸酯胶(EPI)。该胶是在醋酸乙烯、丙烯酸酯、丁苯、苯乙烯基聚合物乳液或水溶液高分子的基础上,将多异氰酸酯或其预聚体的有机溶液分散配合而成。用其将短材接长、薄材加厚、窄材拼宽、小材大用,也可用于指接、硬木、门窗及其它木制品的粘接,既无甲醛排放又可节约资源,在我国发展很快[28]。该胶最先是由日本光洋公司开发成功并在集成材拼板制造中推广应用。国内上海木材工业研究所于1992年首先研发成功,并为我国首家集成材生产企业奥克兰木业公司配套;此后南京林产化学工业研究所等多家单位开发成功并投产。迄今为止,我国水性乙烯基PU拼板胶的生产单位已不下两百家,总产量约为3~4万吨。其中上海东和胶粘剂有限公司、上海路嘉实业有限公司、光明集团股份有限公司胶业分公司等规模较大。此外南京天竹科技实业有限公司、江门丁氏胶粘剂实业公司、上海木材工业研究所、有行企业胶粘剂公司、苏州丛岭胶粘剂公司、山西三维集团等也均有一定量的生产。目前广东、东北以及上海等地的小型生产企业较多,市场上各式拼板胶的质量良莠不齐,如何鉴定拼板胶的性能包括粘接强度、耐水性、耐沸水性及甲醛释放量等迫切需要强化标准。据报导,南京天竹胶业公司的高性能拼板胶的粘接强度、耐水性、耐沸水性均居行业领先。上海东和胶粘剂有限公司等的拼板胶已在行业中率先执行了较规范的标准。目前市场上还有不少国外大公司的性能优良的拼板胶产品,如:国民淀粉、富勒、日本的光洋、小西、大鹿、艾克、美国的富兰克林等。
(2)可水分散多异氰酸酯木材胶
可水分散多异氰酸酯木材胶又称多异氰酸酯乳液胶,一般是由异氰酸酯化合物(如PMDI,MDI等)或含端NCO基的预聚体分散于水中而形成的分散液;用这类乳液粘接制造人造板,耐水、耐老化性能优良,虽然价格较“三醛”胶高,但无甲醛释放,用量小,压制时间短,对木材含水量要求低,乃是我国重点发展的环保及综合利用项目。
近些年来,我国在利用木片、木屑、刨花及农业废弃物的粉末制成环保型人造板如刨花板、木屑板、纤维板等方面已取得较大的入展:东北林业大学林产工业学院生产的YQJ-E可乳化异氰酸酯胶粘剂已被用于刨花板的制造;顾继友(东北林业大学材料与工程学院)2000年率先采用NCO封端的予聚体与一定浓度的乳化剂水溶液、稳定剂的水溶液混合制成的异氰酸酯乳液胶粘剂,用于压制木质、稻草、麦草及刨花板等,各项物理性能均达到了要求的指标;近些年来南京林业大学木材工业学院和荆州基立新新型复合材料公司用国产异氰酸酯胶粘剂制成的中密度稻草板,其生产技术已达到了国际先入水平。稻草碎料板可广泛用于建筑,家具、包装等行业,市场前景广阔,既可解决农业秸秆出路又有利环境资源综合利用,已被列渗透国家863重点高科技发展计划。据报导,南林大周国定教授经过多年努力使该校拥有制造稻草碎料板的专利技术,并实现了产业化;河南省信阳木工机械股份有限公司与其合作开发成功的中密度稻草板成套设备(年产50000m3)已于2004年12月通过河南省鉴定,其工艺、设备处于世界领先水平。目前已在湖北、江苏二省推广建成生产线。另据报导烟台万华PU股份有限公司近年来也已开发出用于植物桔杆粉末板的可水分散的多异氰酸酯木材胶,用该胶生产板材时,暖压时间只须2-5min,并且抗弯曲、内结合强度都比原来的工艺要高。
据报导,可水分散异氰酸酯类胶目前尚存在初粘性差、平整性及价格高等问题,有待入一步改入和提高。
1.5 单组份聚氨酯液体胶粘剂
单组份PU液体胶,流动性好,无需称量混合,使用方便,很受用户欢迎。此类胶有反应型和非反应型二类。非反应型胶是暖塑性的,一般是由TPU溶解配制的溶剂胶,涂布成膜后加暖压合可获良好的粘接效果,被用于PVC复合,纺织品、纸品涂层和要求不高的场合的粘接。反应型单组份PU液体胶主要有湿固化型、潜固化型、封闭型以及丙烯酸酯改性的PU用紫外光、电子束辐射固化等类型。?
1 单组份湿固化型聚氨酯胶
这类胶是利用PU预聚体中的NCO基与空气中或基材表面微量水分或活泼氢反应交联产生粘接强度;潜固型PU胶则是在单组湿固胶中引渗入渗出潜固剂,如恶唑烷类或被封闭了的多元胺等[6],在碰到湿汽或水份时这些潜固剂先与水反应生成活性氢化合物,再与NCO基反应,有利于提高初粘性和防止气泡。
我国单组份湿固化型PU胶的生产单位较多,最早生产的是上海制笔零件三厂(现长城精细化工公司)的717无溶剂胶,此胶系环氧化物与异氰酸酯反应而成,可用于多种材料的粘接;上海科友新型建材公司的单组份PU胶可用于皮革/橡胶粘接密封,其-NCO%=6~8,剥离强度25-60N/cm;嘉兴禾欣化学工业公司一液型PU胶被用于PU合成革的制造;东北林业大学林产工业学院[30]生产的YQJ-A异氰酸酯预聚体树脂胶,其含固量60-80%,-NCO=11-18%,粘度10-40s,可用于刨花板,特别是桔杆(麦草、稻草)人造板的制造,有良好的粘接性能;洛阳吉明化工公司的JM-2010溶液胶,由聚酯、聚醚预聚体为主制成的单组分可喷涂的湿固化胶,用于汽车内饰等材料的粘接[30];中科院长春应化所的MPV湿固胶、上海新光化工厂的1021、1026单组湿固胶,固化后胶膜强韧,对多种材料均有良好的粘接性,粘接45#钢,室温固化72h,剪切强度>7MPa,可达通用型双组份PU胶的水平;该厂的1080单组胶在用于潮湿园木对接时,半小时即可起吊堆放;黎明化工院以含氯烃类高分子和增润剂改入的蓖麻油型单组份PU胶,初粘性好,在高湿度的环境下也具有良好的性能;江苏化工研究所等单位用单组份无溶剂胶粘接废旧橡胶粒制作弹性垫,粘接软木屑制成软木塞等。
此外,单组份湿固型液体胶还可与交联固化剂配合组成双组份快固化、具有良好性能的另一类胶种,这里不再列举。
这类胶的发展趋势是入一步提高贮存稳定性,加快固化速度,提高初粘性,预聚体由单一型向复合型发展,使固化产物兼具聚氨酯和改性剂的性能。另要入一步开发高性能无溶剂及低游离异氰酸酯单体的环保型产品。
2 单组份湿固化聚氨酯发泡胶
单组份湿固化聚氨酯发泡胶又称单组份PU夹心板胶或防盗门板胶。此胶遇潮气和水雾可粘接发泡填充缝隙,常用于金属板和泡沫板、纸制蜂窝材料、岩棉芯材等的复合粘接,这些复合夹心板材质轻、保温、隔暖、隔音、价格低廉。由于建筑业的迅速发展,我国复合夹心板用胶也获得了很大的发展。据统计,目前我国单组份湿固化聚氨酯发泡胶生产单位已不下三十家,年产量约1万吨。其中长春应用化学研究所、江苏靖江粘合剂厂等单位MPU胶、东北光明集团股份有限公司F-02单组分发泡PU胶就是代表性的产品。这类胶粘接时,一般涂胶200-400g/m2,表面喷水雾后即可将蜂窝纸材拉展,或将现成的芯材按上,固定,加压固化。由于建筑复合夹心板材的需求迅速增长,我国单组分发泡胶也展现出良好的市场前景。
1.5.3 单组分封闭型的聚氨酯胶
单组份封闭型的PU胶是用封闭剂将PU预聚体中的端NCO基封闭起来,在室温条件下可较稳定的贮存,使用时加暖使NCO解封闭,再与组份中的活泼氢反应交联。上海洛德化学公司有多个不同用途的产品,其中Flock-lok853橡胶植绒胶,使用时在204℃下,3min即可解封闭固化。
1.5.4 单组份UV固化型聚氨酯胶
这类胶又称PU光敏胶。一般由丙烯酸酯改性的PU树脂配以活性稀释剂、光敏剂、流平剂等助剂配制而成,在适当波长的UV光源照射下引发游离基聚合,在几毫秒~几分钟时间内即可引发固化。这类胶无溶剂、无污染、节能、高效,一般用于透明材料之间或透明材料和金属、塑料、木器等材料间的粘接,特别适用于暖敏性材料。在电子、电器、汽车、家具制造、印刷封装、工艺装饰品等领域正得到广泛应用。
我国主要有兵器部第五三研究所、北京天山新材料科技公司、深圳市唯特化工公司、海洋化工研究院等生产单位,上海家俱涂料厂、新光化工厂等也有少量生产;其中兵器部第五三研究所J系列光敏胶主要用于光学透镜以及玻璃、透光材料、大理石等的粘接以及夹层玻璃、镭射玻璃的浇注和贴合;深圳市唯特化工公司的UV5450则用于薄膜扬声器音圈的固定,其收缩小、柔性、抗震性优良;北京天山新材料公司UV光固化结构胶,用于医用针头、车灯、倒车镜、DVD光盘、等光电子行业。此外上海材料研究所、上海中科合臣股份有限公司[33]近年来研制的高强度的UV-快固化PU胶粘剂,玻璃/玻璃剪切均大于20Mpa,性能优于入口的同类产品LPD3966UV固化胶。
目前为有利于这类胶粘剂的深层固化和复杂形状隐蔽部位的固化,采用混杂光固化和双重固化等技术已成为研发的重点。如采用UV-厌氧固化、UV-潮气固化等以入一步提高性能。据报导,今后几年UV固化的胶粘剂市场将是一个快速发展时期。随着世界制造业向中国的转移,预计今后5年我国的UV光固化产品的市场年增长将大于40%。
1.6无溶剂聚氨酯结构胶
PU结构胶韧性好、剥离强度高。往往以异氰酸酯预聚体与多元醇或多元胺等组成双组份。常用环氧树脂、丙烯酸酯等改性,综合性能优良,能承受较大负荷,以代替螺栓连接、铆接、焊接等结构件。近年来在我国也已取得了一定的发展。
除以往报导的上海汉高表面技术有限公司、黎明化工院、上海康达化工厂等生产单位外,中科院广州化学所将环氧树脂和PU预聚体反应,制成PU改性环氧结构胶,对聚乙烯等也有良好粘接力。该所还用蒙脱土插层的聚氨酯预聚体改性环氧结构胶,同时提高了韧性和强度。上海海鹰机械厂4724粘接技术所以蓖麻油、聚醚等为主原料,以PAPI为固化剂,通过工艺调整,制得的PU结构胶,剥离强度有很大提高,室温下10-20min内初固化,七天后剪切强度:不锈钢/钢:10.4MPa,钢/钢:11.2MPa;剥离强度(180°)不锈钢/不锈钢:93N/cm,钢/钢:132N/cm。该胶因在许多方面优于环氧胶而得以广泛应用[35],如电梯中的结构粘接等。黑龙江石化院以PU改性环氧制成的结构胶,其常温剪切、剥离和CTBN增韧环氧相近,高温略低。但成本大大降低。该院以PU改性环氧制成光学结构胶,冲击强度、剥离强度、断裂伸长率都有大幅提高,高低温交变时,玻璃与金属膨胀系数相差很大的材料间的粘接也不破裂,已代替了入口胶。山西省化工研究所开发的JA-17无溶剂PU意气消沉补胶,修补橡套电缆等,室温硫化,弹性好。常温半小时可凝胶,24小时后可使用。该胶包装较独特,双组份同时密封封口在一个铝箔袋中,使用时抽去隔条捏合均匀后即可涂胶。意气消沉补性能与3M公司意气消沉补胶的水平相当
1.7 聚氨酯暖熔胶、反应型聚氨酯暖熔胶
暖熔胶安全、无毒、粘接速度快,有良好的强度和韧性;PU暖熔胶比聚酯型、EVA型暖熔胶具有较好的粘接强度和弹性,比聚酰胺类暖熔胶具有较低的熔点和硬度,是一种性能较优良的暖熔胶;这类胶主要有暖塑性PU暖熔胶(PU暖熔胶)和反应型PU暖熔胶两类。
1.7.1聚氨酯暖熔胶(PU HMA)
聚氨酯暖熔胶是由线型或少量支链的TPU树脂配以有关助剂制成。室温下是固体,使用时加暖熔融涂布,经压合意气消沉却,在几秒~几分钟内即完成粘接;常加工成粉、条、膜等形状,贮运、使用方便,在专用暖熔机、器具的配合下涂胶,浪费少,并可往返收再利用,常用于织物的复合、书籍装订、包装、装饰件、家俱制造等领域,尤其适用于高速的生产线。
我国目前主要的生产单位有:洛阳吉明化工公司、保定东明树脂化工公司、中科院化学所、成都有机硅中心、沈阳市化工设计研究院、泰州菲尔特高分子材料公司等。
中科院化学所84 PU暖熔胶用于服装的部分粘接和腈纶人造毛加固及防风涂层,超声波锁扣眼及修补服装等代替缝合工艺,可混炼及压延成膜,130ºC加暖粘合,手感柔软、耐水洗。该胶对涤纶的剥离强度老化前为220N/5cm;大气暴晒9个月为200N/5cm;水洗20次,234N/5cm;水洗60次为200N/5cm;成都有机硅中心的暖熔透明胶膜主要用于安全玻璃夹层材料的暖熔贴合;沈阳市化工设计研究院HM-3PUHMA则为粘接硬质PVC塑料制品专用胶,另也用于皮革、织物的复合;洛阳吉明化工公司生产的家俱贴边用PUHMA在部分家具厂也已替代了入口产品,其施工温度:165-180℃,抗拉≥30Mpa,300%定伸强度≥6Mpa,剪切强度≥45Mpa,75℃剪切≥12Mpa,熔融指数≥8g/145℃;此外,保定东明、洛阳吉明、泰州菲尔特等单位PU暖熔粉也已在织物复合、包装,内饰材料等行业得以应用。
1.7.2 反应型聚氨酯暖熔胶(PU RHMA)
反应型PU暖熔胶也称湿固化PUR暖熔胶,由于暖熔粘接后,胶中的端NCO基可与环境中或基材表面的湿汽、活泼氢入一步反应固化,其粘接强度、耐温、耐湿、耐介质、耐蠕变等性能入一步提高,因此是性能更为优异的一种PU暖熔胶,更适合于高要求的装配流水线。
目前我国已有一些单位开发成功,并投渗透了生产和应用,如:黎明化工研究院研发成功的J-3061PU反应型HMA,前几年已同合作方建立了100吨/年中试生产装置,产品应用于家电等产品的金属、塑料、木材等的快速粘接;无锡万力粘合材料厂生产的PURHMA使用方法是把胶放渗透130℃烘箱中加暖40min,然后用气动或手动胶枪挤在需粘部位,1min完成粘合,产品已在汽车、家电和木地板、运动鞋大底胶等行业应用;上海康达化工有限公司近几年来研制的W8540系列PURHMA产品已分别用于车灯及家俱、装饰、电子等行业。该公司还配备了手动和自动打胶设备,为产品的应用提供保证。台湾德渊企业股份公司的分公司德圆化工科技(深圳)有限公司已有系列的PUR产品,已用于型材复膜、圆角包边、书籍装订、车灯、滤清器、木工等复合,也可用于PET、PP塑料透明盒、。山东省科学院新材料研究所合成的具有初粘力强、结晶快、伸长率高、弹性好的湿固化PU暖熔胶。该胶120℃熔融粘度4~6Pa.S,晾置时间90~180s,24小时后拉伸强度达2.94Mpa,30天:19.96Mpa,伸长率870%。在120℃连续加暖24小时或在密封条件下保存6个月粘度无明显变化,能满意高档书籍装订时的高速生产的要求。
东北林业大学材料科学与工程学院利用PAPI、多元醇及活化处理的纳米碳酸钙,萜烯等原料合成的湿固化暖熔拼板胶,其定位时间约为1.5min,开放时间4-4.5min,初强度2.57MPa,终强度14.3MPa,施胶温度95℃;该胶用于桐木快速拼板的生产线,不仅可适应下道工序线刨切等处理,而且由于室温可入一步固化,提高耐水、耐暖性,故更适合在厨房、卫生间等特殊场合的装修、家俱中使用。江苏工业学院,湖北来回天胶业公司以聚醚多元醇为原料,辅以多种添加剂与多NCO聚合,以得到一种性能优良的反应型PUHMA,软化点为80~90℃,性能优于HG/T3698-2002标准的要求,可用于书本的装订,该合成工艺简单,成本与EVA成本相近,而性能却优于EVA暖熔胶,具有很好的应用前景。
此外,河南科技大学、洛阳吉明化工公司用聚四氢呋喃二醇(PTMG),MDI和乙烯-醋酸乙烯共聚物等为主原料,制备了性能良好的反应性PUHMA。
另据报导,台湾Li-Bond树脂公司与闻名的反应型PU暖熔胶生产商-日本日立化成聚合物公司在无锡的合资生产线已投产,其产品主要用于汽车、电子和建筑等行业。
PURHMA是性能优良的环保型产品,由于原料、技术、设备、施工机械及成本等方面的原因,在我国开发较晚,其产品品种和有关施工机具等均有待入一步的开发。
1.8聚氨酯密封胶
聚氨酯密封胶性能优良,有良好的弹性、柔韧性和对位移的补偿性,其价格适中,粘接强度和内聚强度一般高于有机硅和聚硫密封胶,近些年来发展很快,已被广泛应用于建筑、汽车、舟舶、集装箱、土木工程、电子电器、基础设施等的密封粘接。这类密封胶主要有:单组份湿固化PU密封胶和双组份PU密封胶。
1.8.1双组份聚氨酯密封胶
我国七十年代开始研究PU密封胶。北京建筑工程研究所最早研制出双组份焦油型和彩色PU密封胶;1983年河南建材设计院研制出双组份浅色PU密封胶,后经“六五”攻关,在上海汇丽化学建材总厂建成年产200吨的生产线;湖北沙市建材厂1987年从国外引入生产设备,建成700吨/年的生产能力;当时这些密封胶均以焦油型为主,因价格低、性能适中,曾用于不少重点工程[6]。
据报导,1984年上海隧道施工技术研究所等单位研发,由上海长宁橡胶制品厂生产的821遇水膨胀型弹性密封胶通过了市级鉴定。这类密封胶是水溶性PU预聚体,用MOCA或非MOCA体系固化,膨胀形成橡胶弹性体达到止水密封;可用于各种管道接头、隧道接缝、堤坝、人防工程,也可用于地下基础工程沉降的浇灌防水。
双组份PU密封胶的制造工艺比单组分简单,对填料中的含水量要求不十分严格,其固化速度比较快,性能在很大的范围内可调节,成本较低,但缺点是现场须计量调配,调合不均,将影响质量,调合后有一定的使用期,否则要固化造成浪费。此类胶一般在建筑工程的防水密封中用量较多。据报导,2005年我国双组份PU密封胶消费总量约4万/吨,生产单位约有一百多家。其中上海隧道工程公司防水材料厂、苏州建筑材料科学研究院、广东俊瑞防水工程公司、广州鲁班建筑防水补强有限公司、大连傅禹防水工程公司、南京瑞迪高新技术公司以及山东、山西、河南、河北、北京、天津等地均有一定量的生产。
随着环保意识的加强,有气味和毒性的焦油型PU密封胶已被国家强制淘汰,取而代之的是以无机填料为增量剂的无溶剂的双组份PU密封胶。这些PU密封胶一般采用聚醚多元醇与二异氰酸酯合成的含NCO的预聚体为主剂,以多元醇、填料、催化剂等助剂组成固化剂。
目前开发高性能环保型双组分PU密封胶已成为发展的重点。北京宏图防水材料厂用聚醚、T.D.I和石油馏份油、促凝剂、滑石和水为原料,制得双组PU密封胶可用于各种建筑设施的密封防漏,该密封胶在水中也可固化,因此,也可用于堤坝、水塔、舟舶、游泳池的防水堵漏。天津化工研究设计院精细化工所和保定市化工研究院等单位开发生产用于中空玻璃密封用的双组份PU胶,分别适用于中空玻璃与中空的双道密封;山东龙口市宇龙密封材料公司则开发和生产了硅烷改性的双组份PU密封胶。该公司以自制的硅氧烷封端的PU预聚体为主剂,以催化剂、氨基硅烷为粘附促入剂组成固化剂,通过对B组中的催化剂水份用量的选择,使适用期控制在30-50min,2-3h固化,且成本较低。目前该胶已在中空玻璃第二道密封中得到应用,其剥离强度:玻璃/铝为5KN/m,断裂伸长300%,拉伸强度约1 Mpa。
1.8.2单组份湿固化聚氨酯密封胶
这类密封胶主要有弹性密封胶和泡沫密封剂两类。
聚氨酯胶粘剂 聚氨酯胶粘剂性能测试
(1)单组分湿固化聚氨酯弹性密封胶
单组份湿固化PU密封胶一般是由聚氨酯予聚体配以催化剂、增塑剂、稳定剂、触变剂、发泡抑制剂、填料、颜料等助剂组成。这类密封胶通过湿气固化后能形成具有优良粘接性、伸长率、抗撕裂、耐磨、耐暖等性能的弹性密封材料。它无臭、无污染、强度高、耐候好、使用方便,对金属、橡胶、木材、漆面等均有良好的粘接力。近些年发展十分迅速,已被广泛用于汽车、建筑、舟舶、集装箱等行业。
我国八十年代开始少量使用单组份湿固化PU密封胶,九十年代后,由于入口胶的品种、数量的增加,大大促入了单组份PU密封胶的开发。
九十年代初,黎明化工研究院率先研制出单组分湿固型PU密封胶,主要用于电子、仪表、车辆等行业。重庆双龙化工实业有限公司研制出一种浇注型的SL-919单组湿固化的PU密封胶,在建筑、机车、汽车滤清器、燃气计量仪表的粘接密封上得到应用。1993年,一汽集团工艺研究所等研制了汽车用PU密封胶,达到奥迪轿车用AWV16905挡风玻璃粘接密封的要求。1994年山东化工厂首先从欧洲引入了关键设备和技术,建立了有机硅、聚氨酯、丙烯酸酯“三大”密封胶年产2000吨的生产规模,其中单组份湿固化PU密封胶,AM-140相当于国外SicaSikaflex255或Sunstar Betaseal 551,AM-130则为通用型多用途密封胶。
90年代后期,随着汽车引入生产线的建立,高模量、快固化、高粘接性的单组份PU密封胶已被大量应用于汽车挡风玻璃、后窗玻璃的直接粘接密封和车身、内饰件及维修等方面。另外,建筑市场的金属幕墙、机场、道桥、隧道接缝等的密封施工也扩大了对单组份PU密封胶的需求。促使不少合资、独资及民营企业相继建立和发展起来。
据统计,目前我国生产单组份湿固化PU密封胶的单位已有30多家。其中有引入国外先入技术和设备或入口加工分装的公司如长春依多科化工公司、武汉爱塞克斯化学公司、北京森聚柯高分子材料公司、长春汉高表面技术公司等。国产品牌的公司有山东北方现代化学工业有限公司山东诺瑞克密封胶分公司、深圳市奥博胶粘剂化工公司、东莞市普赛达密封粘胶公司、淄博海特曼化工公司等。
目前山东北方现代化学工业有限公司的规模最大,2005年产量已近2000吨。东莞普赛达密封粘胶公司在原北京、深圳普赛达密封粘胶公司的基础上扩建生产,2005年也有千吨产量,是国内第二大生产厂。北京天山新材料公司2002年引入意大利Turelld公司生产设备PU胶静态混合器设备和罐装一体化生产,最快罐装速度50支/分,最大充填量800ml/次,年灌装能力可达1500吨。据专家和资深人士估计,1998年我国单组份湿固化PU密封胶总消费量约为5千吨,绝大部分依赖入口;2005年单组份湿固化PU密封胶总消费量约为1万多吨,其中国产胶已占一半以上。目前高档的单组分PU密封胶的市场仍以跨国公司的或引入分装的产品为主。国产单组分PU密封胶以其良好的性价比也占据了绝大部分中低档市场,特别是汽车维修等市场,并逐渐向高档市场扩展。
据报导,锦西化工院生产的GS-400为汽车外焊缝密封胶,该胶采用NCO预聚体、PVC糊树脂、助剂填料等配制,具有优良弹性,对汽车涂漆钢板有良好的粘接性、相容性。其Ⅱ号单组份PU密封胶140℃以上烘烤固化,不变色、不泛黄,被用于汽车密封和防护涂层。
另据报导,北方现代化学工业公司近年来又研制出超强单组聚氨酯粘接密封剂,其拉伸强度≥14Mpa,剪切强度≥7Mpa,伸长率≥500%,撕裂强度≥40N/mm。北京高盟化工公司的专利报导该公司研制出的直接粘接型PU密封胶,不用底涂剂可达到用底涂的同等水平。
(2)单组份聚氨酯泡沬密封剂
单组份PU泡沬密封剂是一种90年代发展起来的新型密封剂,是将气雾技术和PU泡沫技术相结合的产物。将气雾剂、发泡剂、催化剂等助剂和异氰酸酯预聚物等充填密封包装于气雾罐中,当料液开封注渗入渗出填缝密封时,立即发泡与湿气或水份反应固化,形成密封、防水、隔暖、隔音、保温的PU泡沫层。主要用于建筑门窗与墙体之间、意气消沉库、设备、管道安装等的缝隙、孔洞密封。这种密封胶在我国拥有巨大的市场。1995年德国公司首先在上海建立威固化工有限公司,此后国内也有多家单位研发成功。如黎明化工院、江苏化工所、上海合成树脂所等,发展十分迅速。据统计,目前全国已有30多家生产单位。总能力逾6000万支/年(一般750ml/支和600ml/支),预计2006年可达4000万支。约合产量2万多吨。其中1998年创立的上海昊海企业东元精细化工公司和上海裕中建材公司、上海烁得建材公司的规模最大。三公司分别建有5条和3条生产线,年产能1800万~2000万支。此外2002年建立的上海宇晟、北京瑞纳佳、浙江凌峰等也已是有名的生产厂商。他们的产品除供给国内市场外,都有出口或国外定牌加工的产品。
随着单组份PU泡沫密封剂在我国建筑行业中的迅速推广,国家建材已制定单组份PU泡沫填缝剂的行业标准JC963-2004,并于2005年4月1日起实施。标准明确规定不得使用破坏臭氧层的CFC发泡剂。另对发泡密度、导暖系数、粘接强度、发泡倍率、燃烧性等级等都入行了规范[42]。由于建筑业的迅猛发展,建筑节能已成为我国可持续发展的重大课题。2005年我国已颁布了“建筑节能中长期专项规划”:“十一五”期间,“凡新建的建筑均要严格执行节能标准,现有建筑也将逐步实施节能改造”。业界认为:这将给我国聚氨酯密封胶、特别是泡沫密封剂、发泡胶粘剂以及相关的企业带来巨大的发展机遇。
1.8.3端硅烷基聚氨酯弹性密封胶(SPU)
这类密封胶也称硅烷改性PU密封胶,是将预聚体的NCO基与有机硅烷中的活性氢反应而制得端硅氧烷基的新型材料,这种密封胶具有有机硅和聚氨酯的优点,对基材适应广,又不含游离的NCO,储存稳定,-40℃下仍有弹性,对玻璃与金属等材料有强的粘接力,可以不用底涂剂。但目前尚未有国内企业的产品大量生产。制约我国SPU发展的主要原因是硅烷的价格和一些技术上的问题,由于国内SPU没有工业生产,用于改性聚氨酯的硅烷国内又没有合适的同类产品,所以造成硅烷价格太高[54]。相信随着上述问题的解决,硅烷改性PU密封胶一定会迅速发展起来。
硅烷改性聚醚密封剂(MS),即端硅烷聚醚为基料的弹性密封剂,实际上,这是国际上最新发展的另一类性能优异的弹性密封剂,其粘度低,具有优良的耐候和耐久性,并具高伸长率和适当拉伸强度,良好的耐暖耐寒冷性,且成本较低。目前我国已有北京天山新材料技术公司的可赛新®MS1937系列高模量和MS1939高弹性改性硅烷密封粘接剂;青岛力诺新材料有限公司海誉牌®MS830系列邵A:.25~75的弹性密封胶等供给市场,产品主要用于汽车、建筑、舟舶、集装箱等。
2 存在问题与展望
我国PU胶粘剂产业从产品问世至今已走过了四十多年的发展历程,取得了举世瞩目的成就,但与世界先入水平相比,仍有不小的差距:
(1)产品结构不尽合理:产品中、低档的较多,高性能的较少;一般用途的较多,结构胶、特种胶较少;溶剂型的比例过大,水基型、无溶剂型的环保型的产品较少;大宗PU胶粘剂产品产能过剩,低价竞争激烈,而一些较缺乏的胶种尚未形成规模能力。
(2) PU主要胶种中溶剂含量高,固化剂异氰酸酯预聚物中游离单体(如TDI)含量超标,这既污染环境,又给安全、健康带来了危害。
(3)除东南沿海地区一些大型企业外,总体的产业规模较小,也较分散;生产设备、工艺、控制手段相对落后,缺乏先入的计量、检测仪器,另包装、施胶机具也较滞后。
(4)特种原料、助剂,如特种聚酯多元醇、脂肪族异氰酸酯、特种催化剂、脱水剂、增粘剂、封闭剂、硅烷等改性剂等原料仍较缺乏,有的价格昂贵。
为此,我们PU胶粘剂行业面对上述问题,如何加强规划,加大投渗透、加快技术入步、调整产品结构,已是迫切需要解决的重大课题。目前PU溶剂胶虽然还不可能退出历史舞台,但为了适应环保、安全、健康的发展要求,PU胶粘剂新产品应向无溶剂、少溶剂、水基型、暖熔型、UV固化型、反应性暖熔型等高性能、环保型方向发展,另要向室温固化或低温固化的节能方向发展,向节省资源和资源可再生利用的方向发展。
我国的市场是巨大的,在未来10年里,我国聚氨酯生产仍将以10%速度增长,到2015年我国将成为全球最大的聚氨酯市场。目前闻名的跨国公司:拜耳、BASF、亨斯迈、NOVEON(诺誉)、旭化成、三井化学等已在上海等地投资兴建了大型的聚氨酯原料如多异氰酸酯、特种多元醇、TPU及相关产品生产基地,同时国外先入产品也会不断在中国市场上涌现,这将极大地推动我国乃至世界聚氨酯产业的发展,同时无疑也会使原有的市场竞争更趋激烈。因此国内聚氨酯胶粘剂及其相关的企业要加快技术入步、抓住机遇、迎接挑战、努力发展。按行业发展规划和专家的建议,“十一五”期间,我国将重点开发鞋用和复膜用水性PU胶粘剂,特别是耐高温蒸煮的复合膜胶,将以自主开发的技术为基础引入关键设备,建立连续本体法粘接性TPU的生产线;将加强以单组份湿固化密封胶为重点的PU密封胶及相关设备、器具的开发;开发“绿色”溶剂型、非黄变型、高耐暖型、高性能的PU胶;开发反应性PU暖熔胶、高性能PU结构胶及低成本的水性高分子多异氰酸酯胶,并分别建立数条千吨级规模生产线,以使我国PU胶粘剂的总体水平达到当前世界的先入水平.

  

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