無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑研究動向

陳君華　陳之善　馬曉陽　李滿林

摘要：綜述了無溶劑聚氨酯膠粘劑化學組成與性能，對比水性聚氨酯膠粘劑具有環保高效的優勢，闡述無溶劑聚氨酯膠粘劑從第1代產品到第5代產品的發展歷程。還對國外近些年在無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑的研究方向和成果作了概述;同時介紹了目前無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑發展動向，指出存在的問題及展望。

關鍵詞：無溶劑;雙組分;聚氨酯;膠粘劑

中圖分類號：TQ433.4

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0007-06

Research progress of solvent-free two component polyurethane adhesives

CHEN Junhua CHEN Zhishan MA Xiaoyang LI Manlin

（

1.Guangdong Taiqiang Chemical Industry Co.， Ltd.， Qingyuan 511542，Guangdong China; 2.School of Environmental and Chemical Engineering， Zhaoqing University， Zhaoqing 526061， Guangdong China; 3.Qingyuan Huayuan Institute of Science and Technology Collaborative Innovation Co.，Ltd.，Qingyuan 511517， Guangdong China; 4.Guangdong Taiqiang Technology Industry Co.， Ltd.， Yingde 513042， Guangdong China

）

Abstract：This paper introduced the chemical composition and properties of solvent-free two component polyurethane adhesives. Compared with the advantages of environmental protection and high efficiency of waterborne polyurethane adhesive， the development process of solvent-free polyurethane adhesive from the first generation to the fifth generation was described. The research direction and achievements of solvent-free two-component polyurethane adhesive abroad in recent years are also summarized. At the same time， the development trend of solvent-free two-component polyurethane adhesive was introduced， and the existing problems and prospects were pointed out.

Key words：solvent-free; two component; polyurethane; adhesive

聚氨酯膠粘劑（PU）是由二元或多異氰酸酯（—NCO）與端羥基預聚體（—OH），通過逐步縮聚而成含有氨基甲酸酯（—NHCOO—）重復結構單元的高分子化合物[1]。在一定范圍控制軟段和硬段的比例，以及R值大小，可以制備多種類型聚氨酯產品。聚氨酯膠粘劑具有耐沖擊、柔韌性好、粘接性能優異、原料來源廣等特點[2-4]。隨著國家對節能環保的要求和綠色化學理念的提出，溶劑型聚氨酯膠粘劑面臨巨大挑戰;而水性聚氨酯膠粘劑初粘力低，潤濕性差等缺陷限制其應用范圍。所以促使綠色環保無溶劑聚氨酯膠粘劑成為人們關注重點之一[5]。

無溶劑聚氨酯膠粘劑主要分為兩大類型：單組分聚氨酯膠粘劑和雙組分聚氨酯膠粘劑。單組分聚氨酯膠粘劑主要應用于油墨、裝飾板、汽車密封膠和建筑等領域6-7];但單組分聚氨酯膠粘劑存在初粘力差、固化效率低、粘接性能和儲存穩定性差等問題。雙組分聚氨酯膠粘劑初粘好、粘接性強、能耗低、易調節、耐低溫、韌性強，所以雙組分聚氨酯膠粘劑是目前研究和應用的熱點[8-10]。

雙組分無溶劑型聚氨酯膠粘劑是指無有機溶劑，包含A、B兩組分。其中A組分是以端羥基的低聚物多元醇，B組分為含有—NCO基團的端異氰酸酯基預聚體。使用時兩組分按照一定比例攪拌均勻，涂抹在基材表面;然后羥基和異氰酸根發生反應并交聯固化，使得被粘物緊密結合?？刂艫與B 組分配比，可制備不同類型的膠粘劑，應用范圍廣[11-13]。

盡管雙組分聚氨酯體系性能優異，但由于異氰酸酯的高反應活性，使用前需臨時混合，使用壽命短。若將含—NCO基團的聚氨酯預聚體進行化學封端，會使貯存周期延長，再使用時可活化解封，其應用領域有膠粘劑、涂料、彈性體和密封劑等方面[11]。

2國外無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑的研究與發展動向

自20世紀30年代聚氨酯研究成功后，德國對其展開許多研究，研發第一種雙組分溶劑型聚氨酯膠粘劑，并以Polystal命名。德國拜耳公司先后研究出Desmocoll系列和 Desmodur系列兩款溶劑型聚氨酯膠粘劑[14]。1974年德國率先將無溶劑聚氨酯膠粘劑投入應用，其產品具有成本低、安全無污染等優勢，而廣泛用于復合軟包裝領域的粘接上。歐美和日本等紛紛開始研究將無溶劑聚氨酯膠粘劑用于軟包裝。國外聚氨酯膠粘劑的發展可以概括以下5個階段[15]。8A6CD9E5-485D-4313-968A-A267743A5F20

（1）第1代無溶劑型聚氨酯膠粘劑是單組分濕固化型，具有高分子量，粘接好。由于體系中含有端異氰酸酯根組分，需要依靠空氣中的水蒸氣進行反應，固化操作手段相對簡單。這類固化需要足夠高的濕度才能完全固化，否則后期產品產生固化不良等現象。同時，由于固化時異氰酸酯與水反應產生的 CO₂，會使產品出現大量鼓泡而出現品質問題，所以第1代無溶劑型聚氨酯膠粘劑很快被市場所淘汰[16];

（2）第2代是雙組分反應固化型膠粘劑，其特點是消除水分和溫度對其的影響，提高了固化程度，分子量偏低、體系黏度較低。其存在缺點，含有較多的游離態的二異氰酸酯，導致粘接性能不強，容易向膜內遷移污染食物，影響人體的健康，不符合食品安全的發展要求。并且熱封強度低，不適用于EVA膜和尼龍和鋁箔等材料的粘接，慢慢也被市場所淘汰[17];

（3） 第3代無溶劑型聚氨酯膠粘劑是在第2代基礎上改進的雙組分無溶劑型聚氨酯體系。通過反催化體系，降低預聚體中游離的異氰酸基的數量，使得體系內不容易向膜內遷移單體，對人體和環境傷害降低。并且預聚體的黏度下降，提高膠粘劑在基材表面的流平性，可耐高溫蒸煮，產品適用范圍得到拓展[18];

（4）第4代雙組分低溫固化膠粘劑，其典型特點是相對于上一代產品固化溫度明顯下降，可在低溫（40 ℃）下快速固化，通常在常溫下固化、成本低，對基材具有優良的潤濕性和相容性。由于加入芳香族多元醇，顯著提升體系的耐高溫性，其代表產品為德國漢高公司的 Liofol UR7780/UR6080[19];

（5）第5代無溶劑型聚氨酯膠粘劑是按照美國食品藥物管理局（FDA）21CFR177.1390的要求研制而成，為脂肪族雙組分體系膠粘劑。采用脂肪族異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）替代芳香族異氰酸酯體系，其特點是易涂布、初粘強度高、外觀透明無黃變、耐高溫蒸煮、適用于各類塑料薄膜和金屬箔的復合，比如德國漢高公司的 LiofolUR7790/UR6092[16]。另外一類是紫外光固化和電子束固化體系，其分子結構設計是在聚氨酯主體結構上引入環氧基團或者丙烯酸酯不飽和基團（C=C），加入引發劑進行紫外光固化和電子束固化，形成交聯結構;優點是固化速率快，瞬間完成固化，且具有節能、高效、無污染且粘接性能優異等特點[20-22]。

國外由于無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑研究起步較早，所以研究范圍相對比較廣泛，產品性能比較成熟。

有學者通過無溶劑技術合成了一系列聚氨酯/丙烯酸分散體，并對分散體的膠體結構、石墨以及2種聚合物相本身進行了研究[23]。由圖1中透射電鏡（TEM）分析表明，顆粒具有聚氨酯為殼，丙烯酸為核結構，該結構將轉化為分散體鑄膜的形態。這種顆粒/薄膜形態導致丙烯酸共聚物具有高玻璃化轉變溫度（T_g），并且可以作為填充材料，其形成的薄膜具有非常高機械強度的。接枝聚氨酯和丙烯酸相可以增加相容性，但對產品機械性能影響不大，產品機械性能主要取決于聚氨酯合成中用的二醇的硬度。

對PET 進行降解后的對苯二甲酸二（2-羥乙基）酯和雙（2-羥乙基）對苯二甲酰胺為多元醇組分用來制備無溶劑型聚氨酯膠粘劑（圖2）[24]。在主體結構中引入蓖麻油，發現R值為1.4時，其具有優異的剪切強度。

研究封端硅烷改性聚氨酯（STPUs）。由硅烷封端劑 N-乙基-3-三甲氧基甲硅烷基-2-甲基丙胺、 N-環己基氨基甲基三乙氧基硅烷改性的 PU（如圖3）和4種STPU，并用作適用于室溫濕固化組合物的粘合劑或涂料溫度不釋放二氧化碳[25]。研究了聚氨酯骨架中的異氰酸酯基團和氨基硅烷結構（R₁-NH-R₂-Si[OC₂H₅]₃）、R₁（烷基或芳基）、間隔基R₂（α或γ）中的有機官能團的影響;采用核磁共振、動態力學分析（DMA）、熱重分析（TGA）、傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）等手段研究了PU和STPU的化學結構和物理性能，并評估了力學性能通用拉伸試驗，結果表明：通過利用仲氨基硅烷封端劑和多元醇分子量和 NCO/OH比的最佳組合，可以成功合成具有低黏度和足夠拉伸強度和伸長率的STPUs。

制備不同比例的蓖麻油 （CO） 和六亞甲基二異氰酸酯 （HMDI） 的無溶劑蓖麻油基聚氨酯膠粘劑（如圖4），研究了微觀結構和力學性能之間的關系[26]。這些粘合劑的固化不需要任何外部刺激，在高達140 ℃的溫度下穩定且耐水。通過粘性實驗，機械性能受單鍵—NCO/單鍵—OH比率的影響，該比率會改變粘合劑中的交聯密度。此外，對結構力學性能關系進行了探索，并說明了儲能模量（G）、粘附能（E_ad）和相關長度（ξ）之間的相互關系，G、E_ad均增加，而ξ減少。這種無溶劑生物基粘合劑顯示出粘附不同基材（如木材、紙張、紡織品和金屬）的能力，這使得其在未來工業應用中成為有希望的候選。

有學者研究蓖麻油、有機異氰酸酯和一種二胺的光激活前體在紫外光照射下產生具有顯著粘附強度的聚合物網絡（圖5）[21]。無揮發性有機化合物保護前驅體的尸胺在光照下的釋放相對緩慢，使得尿素和氨基甲酸乙酯的功能分布很均衡，其通過H鍵形成的超分子結構有利于得到具有優異粘附性能的材料。尸胺只提供凝膠狀的行為，光固化膠粘劑彈性特性明顯增強。尸胺在蓖麻油基聚氨酯中的光釋可以被認為是一種觸發平衡和合適固化過程的有效方法，在聚乙烯和木材基板中將產生優異的粘附性能。

雖然基于聚（環狀碳酸酯）與多胺的加聚反應的非異氰酸酯聚氨酯 （PHU） 在過去10年中已成為傳統PU的更環保替代品（如圖6），但其工業應用仍處于早期發展階段。有學者總結了PHU在粘合劑和涂料領域的應用的最新進展，并提出工業上PHU 的機遇和挑戰[27]。8A6CD9E5-485D-4313-968A-A267743A5F20

3國內無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑的研究與發展動向

我國對無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑研究比較晚。自1985年北京市化工研究院從德國引進其生產線和相關技術，我國各大院校和企業對無溶劑聚氨酯紛紛展開研究，我國聚氨酯行業得到飛速發展。目前無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑主要用于出口食品包裝。用液化改性二苯基甲烷-4，4′-二異氰酸酯（MDI）、蓖麻油和環氧樹脂（E-51）為主要原料，制成無溶劑型環氧封端聚氨酯[28]。研究發現，活性稀釋劑的添加有效地降低PU/EP體系的黏度，其中環氧丙烷丁基醚（660A）的效果最好，可以達到實際施工要求。在性能上，當w（稀釋劑）=15%（相對于總質量而言）、聚醚胺（D-230）作為固化劑時，PU/EP體系綜合力學性能最好。

以聚乙二醇（PEG）、異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）和環氧樹脂（EP）制備出無溶劑型雙組分聚氨酯膠粘劑，當n（IPDI）∶n（PEG）=3∶2、體系中w（PU預聚體）=20%（相對于EP質量而言）時，EP/PU膠膜的綜合性能最好[29]。

以聚碳酸酯二元醇、二環己基甲烷二異氰酸酯、聚己二酸乙二酯為主體材料，采用本體預聚法合成了雙組分聚氨酯膠粘劑，當w（BDO）=8.5%、w（四乙烯五胺）=1.5%時，聚氨酯膠膜的耐溫性較好、耐黃變性優異，并且其力學性能、粘接性能、耐水性俱佳[30]。

用蓖麻油、3，3′-二氯-4，4′-二氨基-二苯基甲烷（MOCA）等為A組分;蓖麻油、甲苯二異氰酸酯合成B組分，配制成無溶劑型雙組分聚氨酯膠粘劑。當MOCA質量分數為A組分的3%、A組分和B組分質量之比為10∶3、填充料為400目CaCO₃時，材料表面用質量分數0.5%的KH-550乙醇溶液清洗后，粘接性能和耐水性明顯提升[31]。

采用合成的聚氨酯預聚物作為無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑主體材料，合成的聚酯多元醇和生物基多元醇蓖麻油作為固化劑。對于軟包裝無溶劑雙組分膠粘劑固化成分進行了表征以及測試，得出最佳的配比即NCO/OH值為1.45，膠粘劑的剝離強度可以達到4.05 N/（15 mm），其復合膜具有更高的熱封強度[5]。

制備了一種鍍鋁膜復合專用的雙組分無溶劑聚氨酯膠粘劑，A組分由以下成分組成，按質量份計：聚酯多元醇25～35份、改性納米二氧化硅1～2份、催化劑0 .2～0 .3份、抗氧劑0.1～0.2份;B組分為多異氰酸酯[32]。[JP2]制得的膠粘劑在形成膠膜后拉伸強度為8.5～8.9 MPa，剝離強度為240～248 N/m，剪切強度為4.8～5.0 N/mm²，適用于鍍鋁膜的復合。

利用貽貝粘附蛋白（MAPs）中鄰苯二酚基團在水下的強粘附能力和聚氨酯（PU）預聚體的快速固化能力，研究了一種簡單而有效的快速固化貽貝水下粘附劑，具體如圖7所示[33]。

該仿生粘合劑PUP-PPG-DBHP是一種液體，由端基異氰酸酯聚丙烯乙二醇（PPG）和端基異氰酸酯多巴胺雙（羥甲基）丙酸（DBHP）組成，可直接在水下使用，無需溶劑稀釋，在玻璃基板上固化時間僅30 s左右，平均粘接強度約1.2 MPa。同時，PUP-PPG-DBHP的水下固化過程對pH值、離子強度和溫度變化具有良好的耐受性。這種工程膠粘劑為水下工程領域開辟了一條創新便捷的可行解決途徑。

4結語

當前我國無溶劑型聚氨酯膠粘劑研究起步晚，研發投入不夠，所占市場份額仍然較小;其次生產設備大多依靠進口，主要應用于中低端領域，還存在涂布黏度高、初粘力低的缺陷等技術問題。針對目前國內情況，國家從政策上給予了大力支持，鼓勵企業及科研工作者進行膠粘劑及涂布設備的研發，逐步牽頭制定行業標準。由龍頭企業或相關研究所培養無溶劑型聚氨酯膠粘劑上下游供應鏈。雖然行業發展近些年受疫情影響，但從環保和碳中和角度，無溶劑聚氨酯膠粘劑必將是未來發展重要方向。

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