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關于水性聚氨酯膠粘劑,你知道哪些?

發布時間:2017-05-14 19:35

  近幾年,輕質金屬、複合材料和塑料等新材料在汽車上的應用使得汽車用膠粘劑和密封膠用量也持續增長,其中汽車内飾件是膠粘劑用量迅速增長的一個領域。另外,近年來,汽車上采用輕質高強度的工程塑料代替鋼闆的技術發展很快,特别是玻璃纖維增強塑料(FRP)和片狀模塑複合材料(SMC)被廣泛應用于汽車上。FRP、SMC制造的車身面闆和外裝件(如身頂篷、座艙頂蓋等)在美國、歐洲和日本相繼廣泛采用。但FRP、SMC不能使用傳統的焊接技術與車身構架組裝,必須采用粘接技術。

   據統計,目前我國每輛轎車用膠約20kg,中型車約16kg,重型車約22kg。預計到2010年,我國汽車工業對各種類型的膠粘劑和密封膠的總需求量将達到10萬t,其中聚氨酯膠約1480t。聚氨酯膠粘劑在汽車中主要用于風窗玻璃膠、結構膠、濾芯膠和内飾膠。

 

聚氨酯膠粘劑的特性

 

   由于聚氨酯膠粘劑中含有強極性、高活潑性的異氰酸酯基團和氨酯基,與含有活潑氫的材料具有良好的化學粘接力,如泡沫塑料、木材、皮革、織物、紙張、陶瓷等多孔材料以及玻璃、金屬、橡膠、塑料等表面光潔的材料。聚氨酯與被粘材料之間的氫鍵作用使分子内作用力增強,使得粘接更加牢固。通過調節固化後分子中軟、硬鍊段的比例和結構,可獲得不同硬度和伸長率的膠粘劑。其粘合層從柔性到剛性可任意調節。同時聚氨酯膠粘劑既可以加熱固化,也可以室溫固化。粘接工藝簡便,操作性能優良,固化後的聚氨酯膠粘劑強度高,耐磨、耐水、耐油、耐溶劑、耐化學藥品、耐臭氧性能良好。因此,在建築、工業、汽車等國民經濟各領域有着廣泛的應用。

 

聚氨酯膠粘劑在汽車上的應用

 

   風窗玻璃膠:風窗玻璃膠是指車窗玻璃與車身的固定密封,亦稱密封膠。目前普遍應用單組分濕氣固化聚氨酯密封膠。汽車的風窗玻璃現在幾乎百分之百的使用單組分濕固化聚氨酯膠粘劑。此類膠粘劑結構中含有活潑的NCO基團,當暴露于空氣中時能與空氣中的微量水分發生反應;粘結時,它能與基材表面吸收的水以及表面存在的羟基等活性氫基團發生化學反應,生成脲鍵結構。因此濕固化型聚氨酯膠粘劑固化後的膠層組成是聚氨酯-聚脲結構。制備濕固化型聚氨酯膠粘劑常用的多元醇有聚醚多元醇、聚酯多元醇。多元醇的分子量通常在500-3000之間。常用的異氰酸酯有MDI、TDI、HDI、IPDI等。濕固化膠粘劑的NCO含量通常在2%~10%之間。聚酯多元醇主鍊是一COO一鍵,該鍵極性大,粘結力比較強,而且由于該鍵内聚能大,使聚酯膠粘劑的耐高溫性、耐油性好。但是該鍵容易水解,所以聚酯型的聚氨酯膠粘劑材料的耐水解性不理想。以聚醚多元醇為原料合成的聚氨酯樹脂其主鍊上含有醚鍵結構單元,屬于柔性鍊,而且醚鍵不易水解,故比相應的聚酯多元醇有較好的柔軟性、耐水解性與耐低溫性。但醚鍵的極性不如酯鍵,其粘結性和耐高溫性不如聚酯型聚氨酯膠粘劑。因此,現在對單組分聚氨酯膠粘劑預聚體的研究大多都是圍繞如何克服單一預聚體膠粘劑的缺點,得到綜合性能高的單組分濕固化聚氨酯膠粘劑。

 

   當然,除膠本身的性能外,施工工藝對其最終性能也有較大的影響。施工工藝包括施工前的準備(環境通風和清潔狀況,所用工具等)→清潔活化→塗底膠→施膠→玻璃裝配→固定→清理→玻璃密封。每個過程都應按操作工藝認真仔細的操作。即使很小的疏忽将會造成使用中的薄弱環節,而影響其施工質量和使用壽命。

   

   結構膠:結構膠主要用于汽車部件的粘結,結構膠多采用無溶劑雙組分聚氨酯膠粘劑。結構型聚氨酯膠粘劑就是代替螺栓、鉚釘或焊接等形式用來接合金屬、塑料、玻璃、木材等的結構部件,屬于長時間能承受較大動負荷、靜負荷并能長期使用的膠粘劑。最初成功用于汽車部件的粘接是固特異公司的Pliogrip,它是無溶劑雙組分反應型膠粘劑,1967年用于載重汽車的5MC型發動機罩的粘接。随後通用、福特等公司相繼于大型載重卡車的SMC(片狀模塑料)部件上用其進行粘接。接着又推廣到FRP(玻璃纖維增強塑料)部件。

   

   合成的無溶劑結構型聚氨酯膠粘劑具有使用工藝簡單,貯存、運輸方便等特點,可室溫固化或熱固化,其膠層具有彈性和高剪切強度。在應用中已取得滿意結果。為使結構型聚氨酯膠粘劑更具有競争力,各國研究者正繼續緻力于大量的改性工作。如,為進一步提高耐熱性及其強度,用環氧樹脂改性聚氨酯膠粘劑,即将端異氰酸酯基(NCO)的預聚體與含環氧基團的醇反應,生成端環氧基的聚氨酯齊聚物,然後通過環氧基團與胺的反應而完成交聯固化。從而制得具有較高硬度,高剪切強度和較高耐化學藥品性的聚氨酯-環氧樹脂-聚脲結構的膠粘劑。采用加入納米填料改性的聚氨酯膠粘劑不僅可降低成本,還可改善其結晶性,使其剪切強度和初粘力大大提高。采用聚氨酯、丙烯酸酯接枝或共聚并與聚苯乙烯形成互穿網絡的改性無溶劑聚氨酯膠粘劑可不用底塗劑。不僅可提高固化速度和初粘力,還可防止氣泡的産生;采用不同結構的多元醇和不同結構的多異氰酸酯制得不同品種的膠粘劑以适應不同基材的粘接,使膠粘劑趨于功能化。

 

   濾芯膠:濾芯膠是指汽車濾芯器用膠,上世紀70年代開始,紙質濾芯濾清器開始在汽車工業大量使用,促使濾芯膠粘劑産業得到了很快發展。目前我國濾清器使用的膠粘劑年需求量已達到萬噸以上。濾芯膠多用雙組分聚氨酯膠粘劑。膠粘劑質量的好壞,直接影響濾芯器産品的質量和使用壽命。作為濾清器生産專業廠家,十分重視對膠粘劑的選擇,并根據膠粘劑的特性制定合理的粘接工藝,提高産品質量,促進經濟效益的增長

 

   空氣濾清器濾芯用膠粘劑為常溫固化雙組分聚氨酯膠粘劑,具有操作工藝簡單、常溫固化、無毒或低毒、快幹。使用時不受氣候和環境的影響等特點。

 

   汽車内飾膠:内飾膠是指汽車頂棚、地闆、地毯、儀表闆、門闆等内飾件的粘結,多采用水性聚氨酯膠粘劑。汽車内飾用泡沫背襯乙烯基塑料、織物與纖維闆和其它硬質基材的粘接,過去一直使用溶劑型膠粘劑,随着環保法規的健全以及人們環保意識的增強,溶劑型汽車膠粘劑将會逐漸被環保型膠粘劑,如水基膠粘劑所取代,尤其是水基汽車内飾膠的推廣應用勢在必行。随着新型汽車塑料部件的用量增加以及汽車内飾膠的不斷水性化,水基膠粘劑在汽車上的用量将會不斷增加,西歐、日本等先進的汽車生産國水基聚氨酯膠粘劑每年以8%~10%的速率增長,美國水基膠粘劑占總量的60%,日本的汽車内飾膠幾乎全部實現水性化。我國目前已躍居為世界汽車生産大國,汽車内飾膠占到汽車膠總量的20%以上,如果内飾膠全部實現水性化,産量和經濟效益将非常可觀。

 

   與溶劑型聚氨酯膠粘劑相比,水性聚氨酯膠粘劑具有以下特點:粘度不随聚合物分子量的改變有明顯差異,因而,可使聚合物高分子量化以提高其内聚強度;而溶劑型的粘度則随聚合物分子量的增高呈指數關系上升,交聯時易産生凝膠。易與其他樹脂或顔料混合以改進性能、降低成本。在相同固含量下,水性膠粘劑的粘度一般比溶劑型的低,當分散體粒徑較小時,水性膠粘劑的粘度增大,而溶劑型的粘度随固含量增大而急劇上升。容易調配配方,易于清理。不燃、無毒,适用于易被有機溶劑浸蝕的基材。但幹燥過程比溶劑型慢,耗能較大,初粘性比溶劑型差。

 

   水性聚氨酯也是在90年代才逐漸在汽車内飾中應用。目前,各國正在進一步緻力于水性聚氨酯膠粘劑降低成本,提高性能的研究工作。美國Leung、PakT等開發适用于熱成型層壓工藝的水性聚氨酯膠,粘接強度和耐熱性遠高于目前使用的溶劑型或其它水基膠所粘接成型的外覆PVC膜的制品可用于汽車儀表闆、門闆以及其它内飾件。日本針對初粘力小的問題,在聚氨酯結構中引入環氧樹脂,成功研制出具有良好初粘性的産品。

 

   國内一些機構的研發也取得了進展。如中科院山西煤化所針對水性聚氨酯成本高、初粘力低的問題,采用具有對稱結構的MDI合成的水性聚氨酯分散液,具有結晶性強,初粘力高,粘接強度高,耐水性好,固含量高(大于45%),成本低等特點,可用于汽車内飾和真空吸塑等領域。采用乙烯基聚合物改性,不僅能改善水性聚氨酯的分散性,而且對其結晶性、耐水性和耐熱性均有改善。

 

   由于水性聚氨酯膠粘劑才剛剛被市場認識和接受,而且還存在許多問題,如品種單一,功能性不強等。溶劑型聚氨酯膠粘劑目前以緻在今後的一段時間内還将占有相當大的市場份額。今後的研究應在降低成本、水性聚氨酯的相關助劑、實現水性聚氨酯的系列化以及功能化、加強和完善對水性聚氨酯的理論和機理等方面加大研究力度。