改性聚氨酯膠粘劑在樂器中的應(yīng)用與性能測試

趙莉 王樂源

摘 要：研究了葫蘆巴膠添加量對水性聚氨酯膠粘劑物理特性、接觸角、物相、粒徑分布和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著水性聚氨酯乳液中葫蘆巴膠添加量增加，乳液的形態(tài)逐漸從透明演變?yōu)榘胪该?、微白和白色，但穩(wěn)定性都大于6個月，乳液的吸水率逐漸減小。隨著水性聚氨酯乳液中葫蘆巴膠添加量增加，膠膜的接觸角逐漸增大，在葫蘆巴膠添加量為0.5%時，接觸角達(dá)到84.2°，隨著葫蘆巴膠添加量的增加，改性水性聚氨酯乳液的平均粒徑逐漸增大，隨著葫蘆巴膠添加量的增大，水性聚氨酯膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率都表現(xiàn)為先增大后減小，在葫蘆巴膠添加量為0.3%時，水性聚氨酯膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率取得最大值。

關(guān)鍵詞：樂器；水性聚氨酯膠粘劑；葫蘆巴膠；改性；性能

中圖分類號：TQ433.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0001-03

Application and performance test of modified polyurethane

adhesive in musical instruments

ZHAO Li1，WANG Leyuan2

（1.Pingdingshan Industrial Vocational and Technical College，Pingdingshan 467001，Henan China;2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150006，China

）

Abstract：The effects of the amount of cucurbitacin on the physical properties，contact angle，phase，particle size distribution and mechanical properties of waterborne polyurethane adhesive were studied.The results show that with the increase of fenugreek gum in the waterborne polyurethane lotion，the morphology of the lotion gradually changes from transparent to translucent，slightly white and white，but the stability is more than 6 months，and the water absorption of the lotion gradually decreases.With the increase of fenugreek gum in the waterborne polyurethane lotion，the contact angle of the adhesive film gradually increases.When the addition of fenugreek gum is 0.5%，the contact angle reaches 84.2°.The addition of fenugreek gum helps to improve the water resistance of the adhesive film.With the increase of fenugreek gum，the average particle size of the modified waterborne polyurethane lotion gradually increases.With the maximum amount of cucurbitacin，the tensile strength and elongation after fracture of waterborne polyurethane film increases first and then decreases.When the amount of cucurbitacin is 0.3%，the tensile strength and elongation after fracture of waterborne polyurethane film reached the maximum value.

Key words：musical instrument;waterborne polyurethane adhesive;fenugreek gum;modification;performance

水性聚氨酯膠粘劑是一種將聚氨酯溶于水或分散于水中形成的膠粘劑，由于具有粘接強(qiáng)度大、耐低溫和柔性好等特點［1］，被廣泛應(yīng)用于樂器、機(jī)械零部件等多種金屬-金屬、金屬-非金屬、非金屬-非金屬的粘接中。實際應(yīng)用在樂器粘接的過程中，傳統(tǒng)水性聚氨酯膠粘劑的耐水性、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能等還不能完全滿足使用需求［2-3］，需要進(jìn)一步對水性聚氨酯膠粘劑進(jìn)行改性處理［4］。研究以葫蘆巴膠為改性劑，考察了其含量對水性聚氨酯膠粘劑物理特性、接觸角、物相、粒徑分布和力學(xué)性能的影響，結(jié)果將有助于環(huán)保型改性水性聚氨酯膠粘劑的性能提升并推動其在樂器等器具中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料包括工業(yè)級聚酯多元醇、分析純六亞甲基二異氰酸酯、分析純2，2-二羥基甲基丙酸、分析純?nèi)野?、分析純丙酮、分析純丁酮、工業(yè)級葫蘆巴膠（FG）、分析純二月桂酸二丁基錫和水性聚氨酯（WPU）。

1.2 試樣制備

采用預(yù)聚體合成法制備改性水性聚氨酯膠粘劑，預(yù)先在反應(yīng)器中加入聚酯多元醇+六亞甲基二異氰酸酯，混合均勻后加入2，2-二羥基甲基丙酸，反應(yīng)30 min后加入丙酮和丁酮，在88 ℃混合反應(yīng)15 min后加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的葫蘆巴膠，然后加入三乙胺反應(yīng)90 min后用去離子水分散20 min，蒸餾處理后得到改性水性聚氨酯膠粘劑。取改性水性聚氨酯膠粘劑倒入聚四氟乙烯模具中，室溫干燥24 h后，真空干燥至質(zhì)量不再變化，密封保存得到膠膜試樣［5］。

1.3 測試方法

采用D/max-2280型X射線衍射儀對水性聚氨酯膠膜試樣進(jìn)行物相分析；穩(wěn)定性測試在TDL-10A型低速離心機(jī)上測試，離心15 min無沉淀則認(rèn)定為6個月穩(wěn)定期；粒徑測試采用Mastersizer 2000型激光粒度分析儀進(jìn)行；接觸角測試采用Q500型熱重分析儀；黏度測試采用NDJ28型數(shù)顯黏度計測試［6］；固含量測試過程中，將乳液均勻鋪展在表面器皿上，118 ℃烘干4 h后得到穩(wěn)定質(zhì)量，并計算固含量［7］；采用FEI Technai G2型原子力顯微鏡觀察表面形貌；采用TS2000型萬能材料試驗機(jī)對膠膜樣條（10 mm×50 mm）進(jìn)行拉伸試樣，測試?yán)鞆?qiáng)度和斷后伸長率，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1040，拉伸速率為5 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理特性

表1為不同葫蘆巴膠添加量的水性聚氨酯乳液的物理特性統(tǒng)計結(jié)果。當(dāng)葫蘆巴膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 % 時，水性聚氨酯乳液為透明態(tài)，穩(wěn)定性大于6個月，吸水率為20.91%，固含量為35%；隨著水性聚氨酯乳液中葫蘆巴膠添加量增加，乳液的形態(tài)逐漸從透明演變?yōu)榘胪该?、微白和白色，但是穩(wěn)定性都大于6個月；此外，在固含量都為35%時，隨著水性聚氨酯乳液中葫蘆巴膠添加量增加，乳液的吸水率逐漸減小。由此可見，在水性聚氨酯乳液中添加一定含量的葫蘆巴膠有助于減小乳液的吸水率，而穩(wěn)定性不變，即添加一定含量的葫蘆巴膠有助于提高耐水性。這主要是因為葫蘆巴膠中的羥基會與水性聚氨酯發(fā)生分子鏈的交聯(lián)作用，并形成之謎的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［8］，一定程度有助于提高致密度，抑制水的浸入而降低吸水率，耐水性得到提高。但是葫蘆巴膠的含量也不能過高，如果過高則會造成體系粘度增大而在乳液中出現(xiàn)絮狀結(jié)構(gòu)，不能保證乳液均勻分散［9］。

2.2 潤濕性

圖1為不同葫蘆巴膠添加量的水性聚氨酯膠膜的接觸角測試結(jié)果。

由圖1可見，當(dāng)葫蘆巴膠含量為0% 時，水性聚氨酯膠膜的接觸角為68.8°；隨著水性聚氨酯乳液中葫蘆巴膠添加量增加，膠膜的接觸角逐漸增大，在葫蘆巴膠添加量為0.5%時，接觸角達(dá)到84.2°。從膠膜接觸角的變化結(jié)果可知，葫蘆巴膠的加入有助于提高膠膜的耐水性，這主要是因為葫蘆巴膠的加入會使得分子遷移更容易，膠膜表面能降低、疏水性增大，潤濕性能減小而提高接觸角［10］。

2.3 物相分析

圖2為葫蘆巴膠和水性聚氨酯的X射線衍射圖譜。

由圖2可見，葫蘆巴膠和水性聚氨酯的XRD圖譜中都有多個結(jié)晶峰，相對而言，葫蘆巴膠的衍射峰寬度要比葫蘆巴膠添加量為0%和0.3%的改性水性聚氨酯的寬，表明前者的結(jié)晶度較低［11］。此外，在引入葫蘆巴膠后，改性水性聚氨酯的結(jié)晶衍射峰位置并沒有發(fā)生顯著改變，只是衍射峰強(qiáng)度不同，由此可見，葫蘆巴膠已經(jīng)成功在改性水性聚氨酯上接枝，且葫蘆巴膠的加入有助于在體系內(nèi)形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)而增加緊密性，結(jié)晶能力相對較高［12］。

2.4 粒徑分布與力學(xué)性能

圖3為不同葫蘆巴膠添加量的水性聚氨酯乳液的粒徑分布結(jié)果。

由圖3對比分析可知，葫蘆巴膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%時，改性水性聚氨酯乳液的平均粒徑分別為56.36 、76.43、105.77、124.10和176.33 nm?？梢?，隨著葫蘆巴膠添加量的增加，改性水性聚氨酯乳液的平均粒徑逐漸增大。這主要是因為葫蘆巴膠的加入會使得自身的羥基與異氰酸酯基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，一定程度上抑制親水基團(tuán)運(yùn)動［13］，使得乳液的分散能力下降，局部出現(xiàn)團(tuán)聚而增加了粒徑。

測試不同葫蘆巴膠添加量的水性聚氨酯膠膜的力學(xué)性能，結(jié)果如表2所示。

由表2對比分析可知，隨著葫蘆巴膠添加量的最大，水性聚氨酯膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率都表現(xiàn)為先增大后減小，在葫蘆巴膠添加量為0.3%時，水性聚氨酯膠膜的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率取得最大值，分別為19.87、572.74%。這主要是因為葫蘆巴膠的加入會使得水性聚氨酯膠膜的交聯(lián)度增加，內(nèi)部形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間作用力增強(qiáng)［14-15］，拉伸強(qiáng)度和塑性會提高，但并不是葫蘆巴膠添加量越高越好，如果添加量超過0.3%，體系中聚合物硬段含量增大，黏度加大，乳液均勻性下降，拉伸性能和塑性會有所減小。整體而言，水性聚氨酯膠膜中適宜的葫蘆巴膠添加量為0.3%。

3 結(jié)語

（1）隨著水性聚氨酯乳液中葫蘆巴膠添加量增加，乳液的形態(tài)逐漸從透明演變?yōu)榘胪该?、微白和白色，但穩(wěn)定性都大于6個月；此外，在固含量都為35%時，隨著水性聚氨酯乳液中葫蘆巴膠添加量增加，乳液的吸水率逐漸減?。?/p>

（2）隨著水性聚氨酯乳液中葫蘆巴膠添加量增加，膠膜的接觸角逐漸增大，在葫蘆巴膠添加量為0.5%時，接觸角達(dá)到84.2°；

（3）隨著葫蘆巴膠添加量的最大，水性聚氨酯膠膜的的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率都表現(xiàn)為先增大后減小，在葫蘆巴膠添加量為0.3%時，水性聚氨酯膠膜的的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率取得最大值，分別為19.87 MPa和572.74%。

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