水性聚氨酯复膜胶的制备与表征

马 钢，刘树来，李孟倩，马玲玲，肖继君，耿耀宗

（河北科技大学，河北 石家庄 050018）

水性聚氨酯复膜胶的制备与表征

马 钢，刘树来，李孟倩，马玲玲，肖继君，耿耀宗

（河北科技大学，河北 石家庄 050018）

以甲苯二异氰酸酯（TDI）、聚酯二元醇和二羟甲基丙酸（DMPA）为主要原料，采用自乳化法合成了水性聚氨酯复膜胶。研究了OH/NCO值对水性聚氨酯复膜胶的粒径、黏度、涂膜力学性能的影响以及聚酯多元醇的种类对水性聚氨酯复膜胶力学性能的影响。结果表明，水分散前的聚氨酯复膜胶液中无NCO基团存在；复膜胶乳液的粒径随OH/NCO值的增大变小，黏度变大，胶膜的断裂伸长率变大、拉伸强度变小；聚酯多元醇的种类对胶膜的力学性能也有影响。

使用塑料复合膜的软包装广泛应用于食品、医药、化妆品和办公消费品等领域。有很多因素影响复合薄膜的质量，但最主要的是复合所用的胶粘剂。塑料复合膜所用的复膜胶主要有溶剂型、热熔型和水基型［1］。

水性聚氨酯复膜胶以水为介质，属于环保型的胶粘剂［2～4］，但目前许多商品仍存在诸如残存异氰酸根、涂层的强度不够以及乳液稳定性不高等问题。

1　实验部分

1.1实验原料

聚酯多元醇Ⅰ（2000），烟台华大化学工业有限公司；聚酯多元醇Ⅱ（2000），青岛新宇田化工有限公司；甲苯二异氰酸酯TDI（80/20），天津市博迪化工股份有限公司；二羟甲基丙酸（DMPA）、丙酮、三乙胺、无水乙醇及二月桂酸二丁基锡，均为市售品。

1.2制备工艺

先将一定量的聚酯二元醇装入带有温度计和搅拌器的500 mL圆底四口烧瓶中，在120℃，0.01 MPa真空度下减压脱水3 h；降温到80 ℃左右加入TDI，将温度控制在84～90℃，反应4 h，降温至50 ℃再加入DMPA，升温至84～90 ℃，在此期间当黏度增大时需加入一定量的丙酮。反应5 h后将温度降到50 ℃左右加入三乙胺使其成盐，在高速搅拌剪切下加入去离子水进行分散、过滤。包装、封存以备测定。

1.3性能表征

傅立叶变换红外光谱分析：室温下用美国伯乐公司的FTS-135型红外光谱仪对胶膜进行扫描测定。

拉伸强度及断裂伸长率的测定：在CMT7104型微机控制电子万能试验机上进行测定，拉伸速率为200 mm/min。

乳液的平均粒径：在室温用欧美科科技有限公司的LS-900型激光粒度仪测定。

表观黏度：用涂-4杯测定。

2　结果与讨论

2.1红外光谱分析

为了研究NCO反应的程度，对水分散前的聚氨酯复膜胶进行了红外光谱分析，其结果如图1所示。

图1　水分散前的聚氨酯复膜胶的红外光谱图Fig.1　Infrared spectra of polyurethane laminating adhesive before dispersing with water

由图1可知，2955、1730、1537和1221 cm-1处分别对应的是甲基的非对称伸缩振动峰、CO-NH的C=0伸缩振动峰、苯环骨架的振动峰和酯基中的C-O伸缩振动特征吸收峰；NCO基的特征吸收峰2273 cm-1消失，说明TDI完全参加了反应。

2.2OH/NCO值对水性聚氨酯复膜胶乳液粒径的影响

采用激光粒径分布测定仪对不同OH/NCO值的水性聚氨酯乳液的粒径分布进行了观察，所得数据如表1所示。

表1　OH/NCO值对水性聚氨酯复膜胶乳液粒径的影响Tab.1　Effect of OH/NCO value on particle size of waterborne polyurethane adhesive emulsion

由表1可知，随着OH/NCO值的增加聚氨酯的分子量会逐渐降低，平均粒径下降。

2.3OH/NCO值对水性聚氨酯复膜胶乳液黏度的影响

采用涂4杯对不同聚氨酯复膜胶乳液的黏度进行了测定，结果如表2所示。

表2　OH/NCO值对水性聚氨酯复膜胶乳液粘度的影响Tab.2　Effect of OH/NCO value on viscosity ofwaterborne polyurethane adhesive emulsion

由表2可知，随着OH/NCO值的增加，聚氨酯乳液的黏度也增大。

2.4OH/NCO值对水性聚氨酯复膜胶胶膜的力学性能的影响

对不同水性聚氨酯复膜胶胶膜的力学性能进行了测试，其结果如表3所示。

表3　OH/NCO值对水性聚氨酯复膜胶乳液力学性能的影响Tab.3　Effect of OH/NCO value on the mechanical properties of waterborne polyurethane adhesive emulsion

由表3可以看出，随着OH/NCO的减小，即NCO的相对量增加，水性聚氨酯膜的断裂伸长率减小，拉伸强度增大。

2.5聚酯多元醇的种类对水性聚氨酯复膜胶力学性能的影响

在其他实验条件相同的情况下，分别采用不同聚酯多元醇进行了试验，制得水性聚氨酯复膜胶乳液样品，并对其胶膜进行了力学性能测试，其结果如表4所示。

表4　不同聚酯多元醇对水性聚氨酯力学性能的影响Tab.4　Effect of different polyester polyols on mechanical properties of waterborne polyurethane

从表4可以看出，聚酯多元醇Ⅱ的断裂伸长率较聚酯多元醇Ⅰ的大，拉伸强度较聚酯多元醇Ⅰ的小，说明尽管其分子质量相同但结构不同，其力学性能也有所差异。

3　结论

（1）由水分散前的聚氨酯复膜胶的红外光谱得到，反应体系无NCO基团存在。

（2）水性聚氨酯复膜胶乳液的粒径随OH/NCO的增大变小，黏度变大，胶膜的断裂伸长率变小，拉伸强度变大。

（3）在其他实验条件相同的情况下，不同聚酯多元醇的水性聚氨酯复膜胶胶膜的力学性能也不同。

［1］刘文芳，李树材.增稠树脂对丙烯酸酯乳液胶粘剂性能的影响.热固性树脂，2000，15（4）：56～58.

［2］丁莉，杲云.水性聚氨酯胶粘剂结构与性能的研究.功能高分子学报，2001，14（1）：95～99.

［3］白子文，张旭琴，韩雪岗.形状记忆聚氨酯.合成橡胶工艺，1999，22（3）：184～187.

［4］许俊，杨冬梅，李群.水基聚氨酯高频热合胶的研制.中国胶粘剂，1998，7（2）：19～22.Preparation and characterization of water-borne polyurethane laminating adhesive

MA Gang，LIU Shu-lai，LI Meng-qian，MA Ling-ling，XIAO Ji-jun，GENG Yao-zong
（Hebei University of Science and Technology， Shijianzhuang， Hebei 050018， China）

By self-emulsification method， the water-borne polyurethane laminating adhesive was synthesized with toluene diisocyanate （TDI）， polyester glycol and dihydroxymethyl propionic acid （DMPA） as the main raw materials. The effect of OH/NCO value on the particle size and viscosity of the waterborne polyurethane laminating adhesive and the mechanical properties of coating film were investigated. The effect of polyester polyols type on the mechanical behavior of film for the water-borne polyurethane laminating adhesive was also discussed. The results show that the NCO groups do not exist in the adhesive before dispersing with water； the particle size of water-brone polyurethane laminating adhesive emulsion decreases with increasing the ratio of OH and NCO grouops， but its viscosity increases， the elongation at break and tensile strength of the film become larger and smaller， respectively. The different polyester polyols also have the effect on the mechanical properties of water-based polyurethane film.

water-borne； laminating adhesive； property

2014-06-27

马钢（1990-），男，硕士，研究方向：复膜胶的制备及应用。E-mail：luckysevenmg@126.com。