水性聚氨酯熱熔黏合劑滲透控制對黏合-剝離的影響

徐 璀，儲昭華，徐應興，陳八斤，陳英英，周銀彬

（杭州傳化精細化工有限公司，浙江 杭州 311215）

隨著環保問題日益嚴峻，各行業對溶劑的使用和排放要求日益嚴格。在紡織復合領域，傳統的熱熔復合領域因為多使用溶劑型熱熔黏合劑，因此面對嚴峻的環保壓力。目前，行業上下游都在積極推進水性聚氨酯熱熔黏合劑替代溶劑型熱熔黏合劑，即 “油改水”[1-2]。

紡織熱熔復合產品最關鍵的性能指標是復合牢度，在水性化的過程中，需要水性黏合劑的貼合牢度達到溶劑型黏合劑的水平。但在實際過程中發現，有時即使水性黏合劑的本體強度已經超過溶劑型黏合劑了，但貼合牢度卻不如溶劑型黏合劑。用掃描電子顯微鏡對布樣截面進行觀察，以考察油性黏合劑和水性黏合劑在布面上的分布差異，掃描電鏡照片如圖1所示。對比圖1（a）油性和圖1（b）水性布樣可知，油性黏合劑膠水集中在布面表面，形成一層黏合劑膠層，而水性黏合劑滲透過度，膠水分散在紗線內部。這表明水性黏合劑與油性黏合劑存在一個明顯差異，即滲透問題，水性黏合劑滲透過度導致有效黏合劑的量減少，剝離牢度降低。同時帶來背滲色變等一些成品瑕疵。在水性涂料領域，乳液流變特性的調節及控制研究也比較成熟[3-5]。在直涂領域，一些研究表明，采用預防水、軋光等方式可減少水性涂層膠滲入織物內部[6，7]。但針對紡織復合領域的輥涂應用，水性聚氨酯熱熔黏合劑的滲膠和流變控制未見文獻報道。本文主要研究水性聚氨酯熱熔黏合劑流變特性與滲透之間的關系，分析實際輥涂加工工藝的剪切形式及其對流變特性的需求，分析不同類型增稠流變助劑的流變特性，由此提出最適合輥涂加工工藝的增稠體系。

圖1 布樣滲透電鏡圖

1 實驗部分

1.1 實驗原料

水性聚氨酯黏合劑基礎乳液P14U10，工業級，杭州傳化精細化工有限公司；水性聚氨酯流變增稠劑，PU-40，丙烯酸增稠劑AB718A，工業級，臨安市科達涂料化工研究所；丙烯酸增稠劑TF-601H，TF-601B，工業級，杭州傳化精細化工有限公司。

1.2 實驗部分

以水性聚氨酯黏合劑基礎乳液P14U10為基膠，分別加入不同的流變增稠劑調節漿料的流變行為得到不同流變特性的黏合劑漿料。

1.3 測試與表征

1）乳液膠膜成膜條件：將鏡面紙貼于玻璃板上，根據樣品含固量調整絲棒于鏡面紙的間隙，將樣品刮涂在鏡面紙上，保證 固體份成膜后厚度在（0.15±0.05）mm。用電熱恒溫干燥箱于（30±2）℃下干燥1 h，然后于（40±2）℃ 下干燥1 h，再在（60±2）℃下干燥2 h，最后于（80±2）℃下干燥2 h。最終用實驗室用小型定型機在（120±2）℃ 下干燥1 min，得到樣品膜。再在GB／T 6529規定的標準大氣中平衡24 h，待用。

2）膠膜力學強度測試：按2.3.1乳液成膜條件成膜后，模擬實際貼合加工條件采用實驗室用小型定型機在（160±2）℃ 下熱處理3min，之后再在GB／T 6529規定的標準大氣中平衡24 h。按GB／T 528-2009中表2中2型尺寸，裁剪試樣，測試的試樣數量應不少于3個；按GB／T 528-2009的中13.1的規定進行測試，得到斷裂拉伸強度，即膠膜斷裂強度。

3）剝離性能測試樣品制備流程：刮涂→烘干→貼合。刮涂與貼合：將需要刮涂的基布固定在指定涂布架上，選擇合適的刮刀，將準備好的黏合劑漿料通過移動刮刀勻速涂布施膠于基布表面，設置烘焙溫度為150℃，烘培時間50s，將涂布好的布樣送入鼓風烘箱焙烘。烘干以后，室溫放置冷卻后。在180℃，壓力為50kg／cm2的熱壓下將布樣和PVC熱壓貼合。

4）剝離性能測試：將經2.3.3貼合后的織物，裁剪成寬為（2.0±0.1）cm，長度不小于 7.0 cm的測試樣條，按 FZ／T 01085的規定測得平均剝離強力。測試條件為：拉伸速率：100mm／min，測試長度100mm，每一樣品測試6個平行樣，計算平均值。

5）流變測試：采用奧利地 Anton Paar公司的旋轉流變儀TA對乳液黏合劑流變特性進行測試。

6）SEM測試：樣品經氮氣吹掃后，真空鍍金處理，采用Phenom Prox電鏡能譜一體機觀察。

1.4 流變特性與滲透的關系

油性黏合劑的分散狀態見圖2（a），水性黏合劑的分散狀態見圖2（b）。因為油性黏合劑分子鏈間互相纏繞為均一狀態，分子鏈伸展在溶液相中，因此油性黏合劑的流變狀態基本為牛頓流體。溶劑型黏合劑分子間作用力大，刮涂在布面后，漿料黏度不隨加工剪切力影響，滲透少。而水性黏合劑和油性黏合劑分子鏈分散狀態存在差異，水性黏合劑為乳液，分子鏈蜷縮在粒子內部的，乳液粒子間相互作用力小，流變行為靠助劑控制。

圖2 黏合劑分散狀態圖

1.5 水性黏合劑流變行為的控制方式

水性黏合劑粒子為分散相，粒子間作用力小，乳液本身黏度很低，流變行為要依靠助劑控制，增稠劑通過增加粒子間相互間作用力提高乳液黏度。締合型增稠劑對水性黏合劑的增稠效果示意圖如圖3所示。

圖3 締合型增稠劑增稠水性黏合劑原理示意

2 結果與討論

2.1 輥涂工藝特點分析及流變需求

為了選擇最合適的增稠劑，首先對輥涂上漿的過程進行分析分解，黏合劑從漿料槽上漿到布面再到烘干，將經歷輥涂、導引、烘箱干燥三個階段，通過驗證，證明影響滲透的關鍵階段是導引段。

圖4 輥涂示意圖

在導引段沒有應力作用，需要選擇低剪型的流變助劑來控制導引段漿料的流變行為，通過提升漿料黏度，減少水性黏合劑在導引段的滲透。

不同類型的增稠劑可以提供不同的流變特性。圖5顯示了幾種締合型增稠劑與觸變型增稠劑的流變行為差異。從圖5中曲線可知，增稠劑601H和601B剪切變稀最明顯，其次是增稠劑718A，而相對來說增稠劑PU40對剪切速率最不敏感。根據以上分析可知，增稠劑601H和601B的流變特性最適合輥涂工藝，PU-40的流變行為最不適合輥涂工藝。

圖5 不同類型增稠劑的黏度-剪切速率響應曲線

2.2 流變助劑對膠膜強度的影響

實驗研究表明，單一使用某一種增稠劑，往往需要較大量才能提升工作液黏度，但大量的助劑添加對黏合劑本體強度有較大的不利影響。表1數據表明，當選擇增稠劑601H增稠時，當添加量達到5%，黏合劑膠膜本體強度下降約13%。對膠膜強度損傷較大。因此增稠效率也是選擇增稠劑關鍵指標。

表1 增稠劑601H對膠膜強度的影響

通過不同類型的增稠劑復配使用發現，不同類型增稠劑之間還存在協同增效作用，優化搭配使用可明顯提高增稠劑的增稠效率。從表2的數據看出，當增稠劑601H與718A搭配使用時，因協同增效作用，可較大幅度地提高增稠效率。

表2 不同增稠劑增稠效率及協調增稠效果的差異

因此，將增稠劑對WPU乳液的增稠效率、對PU膜本體強度的影響等因素進行綜合考察，篩選、優化增稠劑組合后，得到601H與718A組合的流變優化方案。

2.3 流變優化對應用效果的影響

分別選用流變優化方案601H+718A與不適用流變方案PU-40分別對黏合劑基礎乳液增稠，控制總用量一致，得到的膠漿黏度和對應的膠膜本體強度見表3。從表3中看出，流變優化方案可以在對膠膜本體強度影響較小的前提下，將工作液黏度提高到4350 mPa·s左右。

表3 流變優化方案和PU-40增稠工作液的表觀黏度和膠膜本體強度

圖6為樣品A與樣品B工作液流變特性的比較。從圖6中看出，優化方案樣品B觸變型流體，在低剪切速率下黏度較高，以此來提升黏合劑在導引段的黏度，減少發生在導引段的滲透。

圖6 樣品A、B的剪切流變特性比較

圖7為采用樣品A和樣品B在實驗室條件下模擬輥涂上漿后布面膠水分布情況和貼合后PVC面剝離情況的SEM照片。從圖7（b）看出，樣品B輥涂后停留在表明的漿料明顯比圖7（a）樣品A要多；另外，從圖7（d）剝離后樣品B的SEM圖片也可以看出，樣品B剝離后PVC上殘留的PU膠也明顯比圖7（c）樣品A的要多。這表明滲透控制起到了一定的效果，流變優化方案使得更多的漿料停留在了布面表面。

圖7 樣品SEM圖

圖8為黏合劑樣品A與樣品B在實驗室條件下模擬輥涂后貼合測試的剝離強度數據。多次平行樣條測試結構表明，采用流變優化方案的樣品B貼合的剝離牢度可比樣品A高約50%。

圖8 黏合劑樣品A與樣品B輥涂貼合后剝離牢度

3 結論

1）觸變型增稠劑因為低剪黏度高，可以有效的減弱水性黏合劑的漿料滲透，使黏合劑更多的停留在布面表面，提高黏合劑利用率。

2）增稠劑用量增加對黏合劑膠膜強度有負面影響，因此增稠效率也是選擇的關鍵因素之一。不同增稠劑之間存在協調增稠效果，采用不同增稠劑復配使用，可以有效降低增稠劑的總使用量，減少增稠劑對黏合劑膠膜強度的影響。

3）黏合劑在布面的滲透程度直接影響布面剝離強度，是水性聚氨酯熱熔黏合劑加工過程中的關鍵工藝控制點。