航空有机玻璃粘接用聚氨酯胶黏剂的研制

刘　野，赵毅磊，于国良，王洁莹(黑龙江省科学院 石油化学研究院．黑龙江 哈尔滨150040)



航空有机玻璃粘接用聚氨酯胶黏剂的研制

刘野，赵毅磊，于国良，王洁莹
(黑龙江省科学院 石油化学研究院．黑龙江 哈尔滨150040)

摘要：介绍了一种航空有机玻璃粘接用双组份高强度聚氨酯胶黏剂，该胶黏剂的室温剪切强度为10MPa，剥离强度为5.0N/mm；100℃剪切强度为5.0MPa，剥离强度为3.0N/mm；-55℃剪切强度12MPa，剥离强度为3.0N/mm。在水中浸泡48h后，剪切强度和剥离强度均有所增加，为11.2MPa和5.3N/mm。并且探讨了聚酯多元醇合成的配方优化及真空脱水时间、催化剂、贮存时间以及聚酯多元醇与固化剂质量比对性能的影响。实验结果表明：催化剂采用自制的催化剂，聚酯多元醇与固化剂质量比约为1:1，固化剂略过量,并且合成聚酯多元醇真空脱水时间为180min时，胶黏剂有良好的性能。

关键词：航空有机玻璃；胶黏剂；聚氨酯；聚酯多元醇

前言

航空有机玻璃具有优良的光学、强度、耐热、耐老化、耐紫外线性能，特别是光学畸变及角位移很小。其抗压、抗冲击及抗弯强度均高于普通有机玻璃。特别是定向板，其抗冲击强度是普通有机玻璃板的2倍以上，还具有很高的抗银纹性及抗裂纹扩展性，用作飞机坐舱盖、可防止空中突然爆破。可用于制造飞机风挡玻璃，汽车、轮船、军舰的安全玻璃及实验室安全爆破玻璃[1]。随着航空有机玻璃的应用越来越广泛，其耐环境的要求也就越来越高。而其联接方式一般采用胶黏剂胶接的软联接方式，这类胶黏剂也应具有符合要求的粘结强度及耐候、耐介质性能。聚氨酯胶黏剂具有各项优异的性能，尤其是具备优异的柔韧特性，适用于航空有机玻璃的联接[2]。

本文研制的航空有机玻璃用胶黏剂为双组份聚氨酯胶黏剂。该胶为室温固化胶黏剂，具有较高的机械性能及耐候、耐介质性能，完全可满足航空有机玻璃胶接的各项要求。

1　实验部分

1.1主要原材料

试剂：癸二酸，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；新戊二醇，化学纯，天津光复精细化工研究所；丙三醇，乙二醇，丙酮，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；固化剂和催化剂：自制。

1.2聚酯多元醇的合成

在三口瓶中加人癸二酸、乙二醇、新戊二醇，丙三醇，以约5℃/min的升温速率加热至165℃反应约2h，加入催化剂，再升温至230℃反应约1h，然后真空脱水约20min，降温出料，反应装置如图1所示。

图1　合成聚酯多元醇的反应装置图Fig.1　The reaction equipment for the synthesis of polyester polyol

1.3配置胶黏剂

将聚酯多元醇溶于丙酮溶液中，完全溶解后加入自制的异氰酸酯固化剂，聚酯溶液与固化剂质量比约为1∶1，混合搅拌至膏状，即可使用。

1.4性能测试

1.4.1拉伸剪切强度

拉伸剪切强度测试按照GB7124-86（常温），GJB444-88（高温），GJB1709-1993（低温）进行，其计算公式如下:

γ-拉伸剪切强度，MPa

P-试样的最大破坏载荷，N

B-试样搭接面宽度，mm

L-试样搭接面长度，mm

1.4.2剥离强度

剥离强度按照GJB 446-88（常温），GJB 447-88（高温），GJB448-88（低温）进行测定。

2　结果与讨论

2.1催化剂的影响

实际应用时，在双组份聚氨酯胶黏剂的固化过程中，多异氰酸酯常与多元醇和空气中含有的水反应，产生二氧化碳气体，既影响胶接强度，又影响胶黏剂的适用期。为此，我们自制了一种复合催化剂。加入了自制催化剂后，水优先和这种催化剂反应，既降低了水对胶黏剂的胶接强度和开放时间的影响，又起到催化作用[3]。催化剂种类对粘接强度的影响如表1所示。

表1　催化剂种类对胶接强度的影响Table 1　The effect of catalysts on the bonding strength at room temperature

2.2异氰酸酯固化剂的影响

本文研制的胶黏剂具有耐高低温环境的要求，所以我们选择了含有苯环的多异酸酯固化剂。在对多种异氰酸酯进行复合后，自制了一种固化剂，采用这种固化剂生成的胶黏剂能在保证强度的同时，又能使胶黏剂有较长的适用期[3]。同时研究了多异氰酸酯固化剂与聚酯多元醇质量比对强度的影响，如表2所示。

表2　异氰酸酯固化剂与聚酯多元醇质量比对强度的影响Table 2　The effect of mass ratio of isocyanate curing agent to polyester polyol on the properties of adhesive

2.3耐水性能

本文研制的胶黏剂具有较好的耐水性能，如表3所示，分别为该胶黏剂在水中浸泡48h前后的胶接强度。从表3可以看出，该聚氨酯胶黏剂在水中浸泡48h后的胶接强度，相对浸泡前不降反升[4]。

表3　胶黏剂的耐水性能Table 3　The water resistance of adhesive

2.4高低温性能

该胶黏剂的高低温性能如表4所示。

表4　胶黏剂的耐高、低温性能Table　4 The high-low temperature resistance of adhesive

2.5贮存时间对胶接强度的影响

在室温密封条件下，每隔一个月对胶黏剂的胶接强度进行测试，结果如图2所示，贮存时间对胶黏剂的胶接强度几乎无影响。

图2　贮存时间对胶接强度的影响Fig.2　The effect of storage time on the bonding strength of adhesive

2.6聚酯多元醇的影响

合成聚氨酯胶黏剂时，选用何种聚酯多元醇，对聚氨酯胶黏剂的性能影响很大。如选用聚醚多元醇合成的聚氨酯胶黏剂，往往有较高的耐溶剂性，但强度较低。而选用聚酯多元醇合成的胶黏剂，有较高的强度，但耐水性又不尽如人意。一般情况下，聚酯型聚氨酯胶黏剂的粘接强度要优于聚醚型聚氨酯胶黏剂，但耐水性不如聚醚型聚氨酯胶黏剂[5]。为了提高聚酯型聚氨酯胶黏剂的耐水性，我们在合成聚酯多元醇时加入了带有侧链的新戊二醇，在不影响胶黏剂强度的情况下，大大改善了其耐水性，并提高了开放时间。

聚氨酯胶黏剂合成时，所用聚酯的相对分子质量大小对聚氨酯胶黏剂的性能有很大影响。而在合成聚酯的最后阶段，真空脱水的时间直接影响聚酯的相对分子质量的大小，从而影响聚氨酯胶黏剂的性能。不同脱水时间对胶黏剂常温胶接强度的影响如表5所示。

表5　脱水时间对胶接强度的影响Table 5　The effect of vacuum dewatering time on the bonding strength at room temperature

3　结论

（1）使用自制的复合催化剂使胶黏剂具有较高的胶接强度和开放时间。

（2）采用自制的固化剂与聚酯多元醇以质量比为1∶1配比反应时，胶黏剂有良好的各项性能。

（3）制得的胶黏剂在水中浸泡48h后胶接强度不降反升，说明具有较好的耐水性能。

（4）制得的胶黏剂具有较高的耐高、低温性能。

（5）在合成胶黏剂所采用的聚酯多元醇时，真空脱水时间控制在3h左右比较适宜。

参考文献:

［1］ 化学工业部合成材料老化研究所.高分子材料老化与防老化［M］.北京:化学工业出版社,1979:42～50.

［2］ 祝铁军,孔宪志,孙东洲,等.飞机座舱软连接用胶黏剂的研制［J］.化学与黏合,2006,28（4）:246～248.

［3］ 杨玉比,序增垠,余云服,等.合成胶粘剂［M］.北京:科学出版社, 1983:36～37.

［4］ 孔宪志,孙禹,宁志强,等.一种聚酯多元醇和用于航空有机玻璃与涤丝带粘接的聚氨酯胶黏剂:CN,103881071A 2014［P］. 2014-06-25.

［5］ 孔宪志,孙东洲,祝铁军,等.J-189双组份聚氨酯胶枯剂的研制［J].粘结,2004（1）:19～21.

Study on a Polyurethane Adhesive for the Aeronautical Perspex Bonding

LIU Ye,ZHAO Yi-lei,YU Guo-liang and WANG Jie-ying
（Institute of Petrochemistry,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040,China）

Abstract:A two-component high strength polyurethane adhesive used for the aeronautical perspex bonding is introduced.The shear strength at room temperature of this adhesive is 10MPa and the peel strength is 5.0N/mm;its shear strength at 100℃is 5MPa and the peel strength is 3.0N/mm; its shear strength and peel strength at-55℃is 12MPa and 3.0N/mm respectively.After soaking in water for 48h,both the shear strength and peel strength are increased to 11.2MPa and 5.3N/mm respectively.The formulation optimization for the synthesis of polyester polyol and the effects of vacuum dewatering time,catalyst,storage life and the mass ratio of polyester polyol to curing agent on the performances are discussed.The results show that the adhesive will have good properties when the mass ratio of polyester polyol to curing agent is about 1:1,the prepared catalyst is applied with a little excessive dose and the vacuum dewatering time is 180min.

Key words:Aeronautical perspex;adhesive;polyurethane;polyester polyol

中图分类号：TQ433.432

文献标识码：A

文章编号：1001-0017（2016）03-0197-03

收稿日期：2016-03-07

作者简介：刘野（1979-），男，黑龙江伊春人，助理研究员，主要从事胶黏剂研究工作。