水性聚氨酯热熔黏合剂渗透控制对黏合-剥离的影响

徐 璀，储昭华，徐应兴，陈八斤，陈英英，周银彬

（杭州传化精细化工有限公司，浙江 杭州 311215）

随着环保问题日益严峻，各行业对溶剂的使用和排放要求日益严格。在纺织复合领域，传统的热熔复合领域因为多使用溶剂型热熔黏合剂，因此面对严峻的环保压力。目前，行业上下游都在积极推进水性聚氨酯热熔黏合剂替代溶剂型热熔黏合剂，即 “油改水”[1-2]。

纺织热熔复合产品最关键的性能指标是复合牢度，在水性化的过程中，需要水性黏合剂的贴合牢度达到溶剂型黏合剂的水平。但在实际过程中发现，有时即使水性黏合剂的本体强度已经超过溶剂型黏合剂了，但贴合牢度却不如溶剂型黏合剂。用扫描电子显微镜对布样截面进行观察，以考察油性黏合剂和水性黏合剂在布面上的分布差异，扫描电镜照片如图1所示。对比图1（a）油性和图1（b）水性布样可知，油性黏合剂胶水集中在布面表面，形成一层黏合剂胶层，而水性黏合剂渗透过度，胶水分散在纱线内部。这表明水性黏合剂与油性黏合剂存在一个明显差异，即渗透问题，水性黏合剂渗透过度导致有效黏合剂的量减少，剥离牢度降低。同时带来背渗色变等一些成品瑕疵。在水性涂料领域，乳液流变特性的调节及控制研究也比较成熟[3-5]。在直涂领域，一些研究表明，采用预防水、轧光等方式可减少水性涂层胶渗入织物内部[6，7]。但针对纺织复合领域的辊涂应用，水性聚氨酯热熔黏合剂的渗胶和流变控制未见文献报道。本文主要研究水性聚氨酯热熔黏合剂流变特性与渗透之间的关系，分析实际辊涂加工工艺的剪切形式及其对流变特性的需求，分析不同类型增稠流变助剂的流变特性，由此提出最适合辊涂加工工艺的增稠体系。

图1 布样渗透电镜图

1 实验部分

1.1 实验原料

水性聚氨酯黏合剂基础乳液P14U10，工业级，杭州传化精细化工有限公司；水性聚氨酯流变增稠剂，PU-40，丙烯酸增稠剂AB718A，工业级，临安市科达涂料化工研究所；丙烯酸增稠剂TF-601H，TF-601B，工业级，杭州传化精细化工有限公司。

1.2 实验部分

以水性聚氨酯黏合剂基础乳液P14U10为基胶，分别加入不同的流变增稠剂调节浆料的流变行为得到不同流变特性的黏合剂浆料。

1.3 测试与表征

1）乳液胶膜成膜条件：将镜面纸贴于玻璃板上，根据样品含固量调整丝棒于镜面纸的间隙，将样品刮涂在镜面纸上，保证 固体份成膜后厚度在（0.15±0.05）mm。用电热恒温干燥箱于（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。最终用实验室用小型定型机在（120±2）℃ 下干燥1 min，得到样品膜。再在GB／T 6529规定的标准大气中平衡24 h，待用。

2）胶膜力学强度测试：按2.3.1乳液成膜条件成膜后，模拟实际贴合加工条件采用实验室用小型定型机在（160±2）℃ 下热处理3min，之后再在GB／T 6529规定的标准大气中平衡24 h。按GB／T 528-2009中表2中2型尺寸，裁剪试样，测试的试样数量应不少于3个；按GB／T 528-2009的中13.1的规定进行测试，得到断裂拉伸强度，即胶膜断裂强度。

3）剥离性能测试样品制备流程：刮涂→烘干→贴合。刮涂与贴合：将需要刮涂的基布固定在指定涂布架上，选择合适的刮刀，将准备好的黏合剂浆料通过移动刮刀匀速涂布施胶于基布表面，设置烘焙温度为150℃，烘培时间50s，将涂布好的布样送入鼓风烘箱焙烘。烘干以后，室温放置冷却后。在180℃，压力为50kg／cm2的热压下将布样和PVC热压贴合。

4）剥离性能测试：将经2.3.3贴合后的织物，裁剪成宽为（2.0±0.1）cm，长度不小于 7.0 cm的测试样条，按 FZ／T 01085的规定测得平均剥离强力。测试条件为：拉伸速率：100mm／min，测试长度100mm，每一样品测试6个平行样，计算平均值。

5）流变测试：采用奥利地 Anton Paar公司的旋转流变仪TA对乳液黏合剂流变特性进行测试。

6）SEM测试：样品经氮气吹扫后，真空镀金处理，采用Phenom Prox电镜能谱一体机观察。

1.4 流变特性与渗透的关系

油性黏合剂的分散状态见图2（a），水性黏合剂的分散状态见图2（b）。因为油性黏合剂分子链间互相缠绕为均一状态，分子链伸展在溶液相中，因此油性黏合剂的流变状态基本为牛顿流体。溶剂型黏合剂分子间作用力大，刮涂在布面后，浆料黏度不随加工剪切力影响，渗透少。而水性黏合剂和油性黏合剂分子链分散状态存在差异，水性黏合剂为乳液，分子链蜷缩在粒子内部的，乳液粒子间相互作用力小，流变行为靠助剂控制。

图2 黏合剂分散状态图

1.5 水性黏合剂流变行为的控制方式

水性黏合剂粒子为分散相，粒子间作用力小，乳液本身黏度很低，流变行为要依靠助剂控制，增稠剂通过增加粒子间相互间作用力提高乳液黏度。缔合型增稠剂对水性黏合剂的增稠效果示意图如图3所示。

图3 缔合型增稠剂增稠水性黏合剂原理示意

2 结果与讨论

2.1 辊涂工艺特点分析及流变需求

为了选择最合适的增稠剂，首先对辊涂上浆的过程进行分析分解，黏合剂从浆料槽上浆到布面再到烘干，将经历辊涂、导引、烘箱干燥三个阶段，通过验证，证明影响渗透的关键阶段是导引段。

图4 辊涂示意图

在导引段没有应力作用，需要选择低剪型的流变助剂来控制导引段浆料的流变行为，通过提升浆料黏度，减少水性黏合剂在导引段的渗透。

不同类型的增稠剂可以提供不同的流变特性。图5显示了几种缔合型增稠剂与触变型增稠剂的流变行为差异。从图5中曲线可知，增稠剂601H和601B剪切变稀最明显，其次是增稠剂718A，而相对来说增稠剂PU40对剪切速率最不敏感。根据以上分析可知，增稠剂601H和601B的流变特性最适合辊涂工艺，PU-40的流变行为最不适合辊涂工艺。

图5 不同类型增稠剂的黏度-剪切速率响应曲线

2.2 流变助剂对胶膜强度的影响

实验研究表明，单一使用某一种增稠剂，往往需要较大量才能提升工作液黏度，但大量的助剂添加对黏合剂本体强度有较大的不利影响。表1数据表明，当选择增稠剂601H增稠时，当添加量达到5%，黏合剂胶膜本体强度下降约13%。对胶膜强度损伤较大。因此增稠效率也是选择增稠剂关键指标。

表1 增稠剂601H对胶膜强度的影响

通过不同类型的增稠剂复配使用发现，不同类型增稠剂之间还存在协同增效作用，优化搭配使用可明显提高增稠剂的增稠效率。从表2的数据看出，当增稠剂601H与718A搭配使用时，因协同增效作用，可较大幅度地提高增稠效率。

表2 不同增稠剂增稠效率及协调增稠效果的差异

因此，将增稠剂对WPU乳液的增稠效率、对PU膜本体强度的影响等因素进行综合考察，筛选、优化增稠剂组合后，得到601H与718A组合的流变优化方案。

2.3 流变优化对应用效果的影响

分别选用流变优化方案601H+718A与不适用流变方案PU-40分别对黏合剂基础乳液增稠，控制总用量一致，得到的胶浆黏度和对应的胶膜本体强度见表3。从表3中看出，流变优化方案可以在对胶膜本体强度影响较小的前提下，将工作液黏度提高到4350 mPa·s左右。

表3 流变优化方案和PU-40增稠工作液的表观黏度和胶膜本体强度

图6为样品A与样品B工作液流变特性的比较。从图6中看出，优化方案样品B触变型流体，在低剪切速率下黏度较高，以此来提升黏合剂在导引段的黏度，减少发生在导引段的渗透。

图6 样品A、B的剪切流变特性比较

图7为采用样品A和样品B在实验室条件下模拟辊涂上浆后布面胶水分布情况和贴合后PVC面剥离情况的SEM照片。从图7（b）看出，样品B辊涂后停留在表明的浆料明显比图7（a）样品A要多；另外，从图7（d）剥离后样品B的SEM图片也可以看出，样品B剥离后PVC上残留的PU胶也明显比图7（c）样品A的要多。这表明渗透控制起到了一定的效果，流变优化方案使得更多的浆料停留在了布面表面。

图7 样品SEM图

图8为黏合剂样品A与样品B在实验室条件下模拟辊涂后贴合测试的剥离强度数据。多次平行样条测试结构表明，采用流变优化方案的样品B贴合的剥离牢度可比样品A高约50%。

图8 黏合剂样品A与样品B辊涂贴合后剥离牢度

3 结论

1）触变型增稠剂因为低剪黏度高，可以有效的减弱水性黏合剂的浆料渗透，使黏合剂更多的停留在布面表面，提高黏合剂利用率。

2）增稠剂用量增加对黏合剂胶膜强度有负面影响，因此增稠效率也是选择的关键因素之一。不同增稠剂之间存在协调增稠效果，采用不同增稠剂复配使用，可以有效降低增稠剂的总使用量，减少增稠剂对黏合剂胶膜强度的影响。

3）黏合剂在布面的渗透程度直接影响布面剥离强度，是水性聚氨酯热熔黏合剂加工过程中的关键工艺控制点。