水性聚氨酯胶黏剂的研究进展

李蒙

摘 要：水性聚氨酯胶黏剂有极性强和化学性质活跃等特点，具有较好的附着力，并且以水为介质，无毒无污染。近年来，水性聚氨酯产品的研究与开发已成为我国的一个热点领域。本文总结了国内水性聚氨酯胶黏剂的常用合成方法和存在的基本问题，介绍了几种水性聚氨酯的改性，最后提出了水性聚氨酯胶黏剂未来的发展前景。

关键词：水性聚氨酯;胶黏剂;改性;展望

1 WPU的合成方法

WPU是胶黏剂最关键的基材，其各项性能直接决定着胶黏剂的综合性能。WPU的合成方法主要有两种，一种是自乳化，一种是外乳化。自乳化合成方法中较常用的合成方法有丙酮法和预聚物法。同时，由于封闭异氰酸酯具有良好的稳定性和解决储存问题的能力，其封闭方法引起了人们的关注。此外，高活性异氰酸酯单体可以很好地溶解，可以用于制备WPU。

2 WPU胶问题

①固含量低。目前，固含量小于45%分子量的体系导致干燥和运输成本高;②贮存稳定性差。随着WPU胶黏剂体系固含量和交联度的增加，贮存稳定性变差;③润湿性差。水的表面张力是普通溶剂的三倍，水在低能表面的润湿性差;④初粘性差。与改性WPU胶相比，未改性WPU

胶初粘性差，对施工影响大;⑤耐水性和耐热性差。大多数WPU胶黏剂是线性热塑性塑料其分子链含有亲水基团，从而影响到其耐水性和耐热性。

3 水性聚氨酯的改性

胶黏剂的粘合强度一般取决于胶膜和基材的粘合强度以及胶膜本身的强度。目前，水性聚氨酯胶黏剂主要是线性分子结构，分子间作用力主要依赖于分子缠绕和氢键等非化学键，导致胶膜强度有一定的上限。在一定的压力下，会引起薄膜的附着力减弱，甚至会出现损坏脱胶的想象，只能用于鞋类等应力较低的基材。由于分子链中的分子交聯密度较低，水分子很容易渗透到膜的内部以及膜与基底和水分子之间的连接处，从而导致膜的强度和粘附膜与水分子之间的粘附力降低，粘合剂的性能下降。因此，通过引入交联结构对水性聚氨酯胶黏剂进行改性，大大的提高了胶黏剂的强度和耐水性，从而获得性能满意的产品。

3.1 有机硅改性

有机硅化合物的结构中含有硅元素，是一种属于半有机和半无机高分子的化合物。引入有机硅材料对WPU进行改性，可以提高WPU固化膜的耐高温、耐低温以及耐水性能。因此，研究有机硅材料的改性对提高WPU性能具有重要意义。有机硅改性水性聚氨酯通常是一种化学合成方法。聚氨酯树脂的组分含有活性自由基和活性烷氧基，再加上有机硅在处理后能够形成有机硅改性聚氨酯，具有一定的活性。在有机硅进行改性后，聚氨酯水基乳液的粘度会降低，聚氨酯胶黏剂的性能显著提高。

张彩云[1]等人以聚酯二醇和聚醚硅油为软段，与MDI反应得到聚氨酯预聚物，然后进行扩链反应，从而实现有机硅的改性。因此能够得出结论：胶粘剂的高温剪切强度相对于室温剪切强度的下降幅度，随着有机硅含量的增加而降幅减小，说明了耐热性能的提升。当聚醚二醇与聚醚硅油的质量比为2/1时，扫描电镜中就会存在不同的晶区，且相分离明显。这表明改性的水性聚氨酯具有良好的环境适应性能和力学性能。

3.2 环氧树脂改性

环氧聚合物是一种含有两个及以上环氧基的聚合物。根据环氧基的化学性能，可以利用各种含活性氢的化合物打开环氧基的环氧树脂环，固化交联形成三维网络结构。环氧树脂的优势非常明显：①优异的耐水性;②耐化学性;③机械性能好;④附着力强;⑤稳定性好。然而环氧树脂材料也存在其局限性：①抗冲击性差;②耐候性差;③柔韧性差。同时，水性聚氨酯材料也有其独特的优势：具有优异的柔韧性和弹性。通过环氧树脂改性，环氧树脂改性水性聚氨酯不仅可以将两者的优良性能结合起来，而且可以弥补两者的不足。在改性过程中，环氧基同时与氨基甲酸酯反应形成新的物质，环氧树脂改性水性聚氨酯已成为研究的热点之一。

戴震[2]等人在环氧树脂水性聚氨酯改性研究中，已经取得一定的成效。有关研究显示，改性水性聚氨酯在拉伸强度、防水性、热稳定性和耐溶剂性能等方面均有所提高，当环氧树脂用量达到6%时，改性水性聚氨酯的性能最好。

3.3 纳米改性

纳米改性是一种新型的水性聚氨酯改性方法，纳米复合材料是指在纳米范围内通过纳米二氧化硅、纳米碳酸钙等纳米材料和其他水基聚氨酯复合乳液，可以提高其他水基聚氨酯薄膜的强度、硬度和物理力学性能。在1-100nm的晶粒中，晶粒是由纳米材料组成的，因此这种晶粒具有许多优异的性能，如小尺寸效应、表面界面效应等，将其与WPU乳液相结合，可显著提高材料的力学性能和热稳定性。

在纳米改性中，王玥[3]以IPDI、PBA、DMPA为原料，水为分散剂，可以合成不同R值（NCO/OH）的WPU乳液，干燥成膜后，对乳液的性能进行测试，选择合适比例的WPU软硬段作为空白对照组，在添加不同比例的纳米羟基磷灰石（HA）的基础上进行检测。研究表明，纳米材料改性WPU能显著提高材料的力学性能、耐磨性和热稳定性。

3.4 丙烯酸改性

在对丙烯酸改性的研究中，主要是研究原料配比对丙烯酸酯改性产物合成的影响。实验结果表明，与未改性乳液相比，改性乳液的粒径逐渐增大，液相逐渐由透明状态向半透明状态发展。复合乳液在剪切过程的初期表现出剪切稀化现象，符合牛顿流体的特性。随着PA含量的增加，用丙烯酸酯改性分子量大、状态半透明、颜色有点蓝的乳液合成乳液，玻璃化转变温度升高，耐水性增加。

伊廷法在丙烯酸改性的研究中也取得了一定的研究成果，以烯丙基聚氧乙烯醚（APEG）为偶联剂，成功合成了性能相对稳定的丙烯酸WPUA乳液，研究了聚酰胺用量（PA）对产品性能的影响。最终证明，当PA含量逐渐增加，WPU乳液的粒径增大，乳液黏度由大变小，耐水性增强。

3.5 化合物改性

复合改性WPU由两种或两种以上改性材料组成，可以弥补其他单一材料的不足，有利于制备改性性能较好的WPU乳液。在复合改性中，王亚东主要以PDMS、PCD、IPDI、

DMPA和KH-550为原料，采用丙酮法制备PDMS/氨基硅氧烷复合WPU乳液。结果表明，PDMS含量为8%（质量分数）和KH-550含量为5%时，复合改性WPU的拉伸强度和耐水性均有显著提高。最近，肖家伟等用环氧E44和KH-550改性水性聚氨酯，研究了环氧树脂和有机硅用量对乳液稳定性的影响，并对改性胶黏剂与超高分子量聚乙烯纤维的粘接性能进行了研究。结果表明，环氧树脂和有机硅的引入提高了纤维的耐水性，而有机硅基团的引入可以有效地提高UHMWPE纤维的附着力。

4 水性聚氨酯的发展趋势

如今，环保政策越来越严格，环保型胶黏剂的性能要求也越来越高，绿色环保复合材料将越来越受到重视，降低胶黏剂中VOC的含量和需求将变得越来越迫切。因此，以下几点将成为WPU未来的发展趋势：①提高WPU的粘接强度，尤其是初始粘接强度，进一步缩小WPU与传统溶剂型PU的差距。在WPU合成过程中，尽量少用或不用有机溶剂，以真正满足环保要求，增加WPU合成的固含量，降低运输和使用成本;②利用生物质资源对水性聚氨酯进行改性，如天然高分子和天然松香树脂。纤维素已经在航空航天、医药等领域引起了广泛的关注。近年来，如何充分有效地利用纤维素已成为众多科学家关注的焦点，利用生物质资源对WPU进行改性将成为未来的发展趋势之一。

5 结论

随着水性聚氨酯各方面研究的不断深入，水性胶黏剂产品研究方法、环保意识和综合性能的不断提高，将会有越来越多的新型环保水性聚氨酯产品问世，拓展新的研究方法，采用改性原料，如采用植物油改性可降低其成本，提高产品质量。

参考文献：

[1]张彩云.有机硅改性聚氨酯的合成及其作为耐热胶黏剂的应用研究[D].广州：广东工业大学，2014.

[2]戴震，刘浏，黎兵等.环氧树脂改性水性聚氨酯合成与表征[J].聚氨酯，2010（1）：56-58.

[3]王玥.水性聚氨酯/纳米粒子复合材料的制备与性能研究[D].天津：天津科技大学，2017.