聚氨酯胶粘剂介绍及在囊体材料中的应用

董 莉，李向阳

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

聚氨酯(PU)胶粘剂是分子链中含有氨基甲酸酯基(-NHCOO-)和/或异氰酸酯基(-NCO-)的胶粘剂，聚多元醇为软段，异氰酸酯和扩链剂为硬段[1]。我国PU胶粘剂行业经过50多年的发展，品种已经包含了溶剂型及水性PU胶粘剂、单双组份胶、无溶剂胶、热熔胶等，其应用已涉及国民经济的各个领域，并且PU胶粘剂在行业中正发挥着重要的作用。

1 聚氨酯胶粘剂合成及应用

合成PU胶粘剂的主要原材料有多元醇、异氰酸酯化合物、扩链交联剂以及其它助剂。其中，多元醇主要为聚酯多元醇、接枝多元醇、聚醚多元醇、聚烯烃多元醇等[2]。PU胶粘剂常用的异氰酸酯化合物主要有甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)等。为了使聚氨酯形成交联的网络结构，通常需要加入交联剂。常用的交联剂有多种，例如胺类、醇胺类、脂肪醇类。另外，PU胶粘剂在制备的过程中有时还需加入增塑剂、稳定剂、催化剂等不同种类的助剂。

PU胶粘剂的粘接性、韧性、耐温等性能可在较大范围内调节，可以加热固化，也可以室温固化；因其优异的粘接性、高弹性、耐低温、耐疲劳、耐磨等特性，广泛用于汽车、建筑、纺织、包装、汽车、航天航空等领域，伴随着经济的发展，其使用量也逐年增加[3]。

2 粘接的机理

与胶粘剂相关的粘接机理，到目前为止已经提出过很多解释。但是，这些理论均有一定的局限性，只能解释某种粘接现象，而不能对所有的粘接进行说明。目前，已经报道的粘接原理主要有：界面化学结合理论、吸附理论、扩散理论、静电理论等。

目前大多认为的观点是，胶粘剂先浸润、扩散、渗透到被粘接的材料表面，之后经过固化、交联在粘接界面形成结合的作用力。为了使胶粘剂将两种基材牢固的粘接，有一个必要条件是要是胶粘剂能够在固体的表面上实现完全浸润，形成一个均匀、完整的胶膜。只有胶粘剂完全润湿基材表面，才能使各种机理发挥作用，这也是获得最佳粘接效果的前提。如果浸润不完全，在胶膜断开的地方会产生很多应力集中点，很容易从该处发生破坏，粘接强度也会下降很多。只有当胶粘剂的表面张力与基材的表面张力相同时，胶粘剂在基材表面实现了完全润湿，粘接强度才达到最大。

经过测试可知，PU胶粘剂的表面张力大约为40达因。因此，复合基材表面的张力也要达到40达因左右才能实现胶粘剂在表面的完全润湿。但是有很多基材表面的张力最开始比PU胶粘剂要低得多，如果使这些基材复合必须使其表面张力提高到38达因以上，否则使胶粘剂不能在材料表面润湿，最终的复合牢度低。为了提高材料的表面张力，通常采用的方法是电晕处理。在高压电场的作用下，使低表面能的基材表面发生氧化，表面分子极性增大，表面张力提高，最终使胶粘剂达到润湿。但是这种表面张力是不稳定的，如果处理后没有及时复合，在放置过程中张力会随时间延长而衰减，因此，放置时间一般不超过7天。如果放置时间长，需要重新进行电晕处理。此外，电晕处理时，高压电场下电子流对基材表面进行轰击，还可以使基材表面粗糙化，这样就增加了表面积，有利于凹凸的表面对胶粘剂的固定[4]。

3 聚氨酯胶粘剂分类

3.1 单组份胶粘剂

大部分单组份PU胶粘剂以醋酸乙烯酯、乙烯酯、乙烯-醋酸乙烯酯等为体系，无需现场配制、操作简单、使用方便[5]。但是该类PU胶粘剂大多存在粘接强度偏低、固化过程易产生气泡等问题。

3.2 双组份胶粘剂

双组份PU胶粘剂一般由主剂和固化剂组成，大多数的主剂为羟基封端组份，固化剂为含游离异氰酸酯基团的组份；还有的主剂为异氰酸酯基团封端预聚体，固化剂为小分子多元胺或者多元醇。双组份PU胶粘剂的粘接范围广、粘接强度高、粘接性能可以在一定范围内调节。但是，双组份调节范围过大，则会出现胶层不干、胶层柔韧性下降[6]。

3.3 溶剂型胶粘剂

常规的双组份溶剂型PU胶粘剂是以醋酸乙酯为溶剂和稀释剂，刺激性大、成本高。新型的醇溶型双组份PU胶粘剂采用乙醇为溶剂，使用中要加固化剂。两组份的配比用量可在一定范围内调节，并且胶粘剂的粘接性能够长时间保持。该类型的胶粘剂比一般PU胶粘剂的优势在于，其熟化的过程在常温下就可以进行，初粘强度以及之后的粘接强度都比较高。另外，对于醇溶双组份PU胶粘剂还可以使用其他多种醇类溶剂进行稀释，并且该类胶粘剂对湿度不敏感[7]。

3.4 水性聚氨酯胶粘剂

水性PU胶粘剂以水为介质，不含或只含有极少的有机溶剂，在使用过程中没有刺激性的气体，对环境影响小，具有安全可靠、节能环保的特点。但是水性PU胶粘剂仍然存在一些缺点，如固化速度慢、润湿性能差、初粘强度不高等[8]。为此，研究者通过加入快干剂并控制快干剂的添加量开发了固化速度可调的水性PU胶粘剂。当胶粘剂被涂布在材料表面时，大量的催化剂被释放，极大地提高了后期固化速度[9]。

3.5 无溶剂胶粘剂

现在使用的无溶剂胶粘剂在室温下黏度较高，呈固态或者半固态；复合时，为了降低胶粘剂的黏度需要首先加热升高温度，按照一定的比例在混合器中进行充分混合，然后将胶粘剂通过施胶辊涂覆在基材的表面。由于这种胶粘剂使用过程中不涉及任何的溶剂，所以经过涂胶之后的材料不用再经过烘道，能够实现和其他种类材料的直接复合。使用此类胶粘剂可以提高复合速度、操作更加安全、降低了材料复合的成本，因此，比溶剂型胶粘剂具有一定的优势[10-11]。

4 基本性能要求

对于常用PU胶粘剂基本性能要求主要包含持久性、操作性、广泛性、柔软性、安全性等。

持久性：复合好的材料需要在相当长的时间内，剥离强度保持在较高的水平，并且剥离强度不能随着时间的推移强度逐渐降低，影响材料性能。

操作性：复合工艺主要包括配胶、涂布、(干燥)、复合、熟化等几个过程。要求使用的胶粘剂可以比较方便地配置、胶液具有较好的稳定性、与材料的浸润性能好、容易转移、上胶量可控、性能均匀一致。

广泛性：为了制备多种功能性材料，需要将不同种的薄膜材料复合，例如：聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺(尼龙)、聚偏二氯乙烯等。为了将他们粘接在一起，要求所用的胶粘剂必须具有广泛的应用性。

柔软性：为了不影响薄膜材料本身的性能，要求胶粘剂形成胶膜之后除了有高粘接强度之外，还具有一定的柔软性。

5 改性方法

随着使用范围和需求的不断增加，单一特性的PU胶粘剂不能满足一些特殊条件下的应用要求，各种改性工作也随之开展，内交联改性、外交联改性、机械共混改性、化学共聚改性和添加助剂等多种方法逐渐被报道和应用。改性后的PU胶粘剂性能增强，使用范围也逐渐扩大。

6 在囊体材料中的应用

应用于浮空器中的囊体材料是一种多层复合材料，由耐候层、阻隔层、承力层、粘接层组成，各层之间通过胶粘剂进行粘接。此外，将囊体材料连接成型以及外场修补时也需要胶粘剂将材料胶接。所以，浮空器领域对于胶粘剂的需求量较大[12]。

由于浮空器所处的工作环境特殊，紫外线辐照强、臭氧作用强、昼夜温差大，对胶粘剂提出了更高的要求，需要胶粘剂有很好的初粘力、较高的粘接强度、耐老化及耐温性能优异、并且粘接后柔韧[13]。根据以上胶粘剂的性能需求，囊体材料中应用较多的为具有优异使用性能的PU胶粘剂。目前，国内浮空器材料的制作多选用进口胶粘剂，成本高、采购周期长。因此，提高国产PU胶粘剂的性能成为了迫切需要解决的问题。