高透明聚氨酯胶粘剂的合成与应用

赵 钰，孙 禹，孔宪志，孙东洲，李 岳，于国良，吕 虎

（黑龙江省科学院 石油化学研究院，黑龙江 哈尔滨 150040）

引 言

有机玻璃（PMMA）作为飞机座舱透明件的主要材料，具有良好的光学性能[1]，是航空飞行器上的关键性透明功能结构件[2]。其主要功能是保持飞机良好的气动外形，与机身形成密封座舱，在高速气流下保护飞行员的安全，同时为飞行人员提供良好的视野和活动空间[3]。座舱透明件直接暴露于大气中，且位于飞机的前端，在风砂环境中容易磨损，使光学性能下降，严重影响飞行员的观察视野，威胁飞行人员生命安全[4]。飞机前风挡玻璃是受风砂侵蚀最严重的部分，但现有透明涂层并不能满足航空透明件对于风砂防护的使用需求[5]。

风砂侵蚀最先作用于材料的表面，通过在有机玻璃表面涂覆一层高性能聚合物保护涂层的方法[6]，将有机玻璃的耐磨性转移到保护层上，通过改变保护涂层的性能来提升有机玻璃的耐磨性和其他性能[7]。透明聚氨酯材料具有良好的光学性能、耐热性和耐磨性等特点[8]。

本文采用高透明聚氨酯树脂胶粘剂粘贴高透明聚氨酯薄膜的方法，用于飞机前风挡玻璃进行耐风砂防护。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验原料见表1。

表1 实验原料及规格Table 1 The raw materials and their specification

1.2 胶粘剂的制备

在装有搅拌器、温度计、冷凝管的三口烧瓶中按比例加入计量好的聚醚型多元醇，加热真空脱水，然后降温至90℃再缓慢加入二异氰酸酯单体和催化剂搅拌反应至规定时间出料，制成预聚体组分A。

将多元醇，扩链剂，紫外稳定剂，抗氧剂按一定比例加入到三口烧瓶中，通入氮气，加热真空脱水后80℃搅拌2h，制成B 组分。

胶粘剂的制备：组分A 和组分B 按照比例加入到容器中，使用三维高速混合机混合30s，常温固化24h，80℃固化12h。

1.3 性能测试与表征

黏度测试：采用美国博勒飞公司CAP2000+型椎板黏度计，25℃恒温进行测试。

透光率及雾度测试：采用美国PE 公司生产的Lambda850 型紫外光谱仪，使用积分球测量系统，扫描范围380～780nm，狭缝宽度5.00nm。测试标准参照GB/T 2410-2008。

力学性能测试：采用美国INSTRON 公司生产的INSTRON-4467 型万能材料试验机测量，根据标准GB/T 528-2009，使用模具制得1 型哑铃片样条，采用拉伸模式测量样品拉伸强度与断裂伸长率。

热失重分析采用美国TA 公司的Q50 型热重分析仪测量，在氮气（N2）氛围下进行测试，测试温度范围从室温到600℃，升温速率为10℃/min。

表面耐磨性测试：采用吹砂试验进行测量，实验条件为40 目混合砂，风速550m/s，含砂量5g/m3，样品与出口的距离为15cm，喷砂角度为45°。图1 为吹砂装置示意图。

图1 吹砂装置示意图Fig. 1 The sand blowing device

2 结果与讨论

2.1 高透明聚氨酯胶粘剂的合成

传统透明聚氨酯多采用芳香族多异氰酸酯，具有反应活性高，价格低的优点，但是芳香族多异氰酸酯毒性大，易被氧化且易黄变。脂肪族多异氰酸酯不含苯环，不易老化黄变，耐候性好。实验选用脂肪族多异氰酸酯，二月桂酸二丁基锡为催化剂与聚四氢呋喃醚二醇、聚醚二元醇、聚己内酯三元醇和小分子扩链剂反应，合成高透明聚氨酯胶粘剂。配比如表2 所示。

表2 高透明聚氨酯树脂胶粘剂的配比Table 2 The proportions of high transparent polyurethane adhesive

2.2 高透明聚氨酯胶粘剂的性能

2.2.1 胶粘剂的性能

聚氨酯胶粘剂的性能如表3 所示。52Y72 树脂具有优异的力学性能和透光率，附着力较好。

表3 高透明聚氨酯胶粘剂的性能Table 3 The properties of high transparent polyurethane adhesive

2.2.2 胶粘剂的试用期

高透明聚氨酯胶粘剂的黏度- 时间曲线图如图2 所示。从图中可以看出聚氨酯胶粘剂的初始黏度很低。起始反应的黏度变化很慢，在2h 后黏度开始明显增加，确定胶粘剂的适用期为2h。

图2 高透明聚氨酯胶粘剂的黏度-时间曲线图Fig. 2 The viscosity - time curve of high transparent polyurethane adhesive

表4 为适用期内胶粘剂树脂的性能。胶粘剂各组分在室温条件下充分混合后，2h 内测得的拉伸强度、断裂伸长率和附着力相差不大。说明胶粘剂在适用期内具有稳定的力学性能和附着力。

表4 适用期内胶粘剂树脂的性能Table 4 The properties of adhesive resin in pot life

2.2.3 胶粘剂的TG 曲线

52Y72 树脂胶粘剂的热失重曲线如图3 所示。胶粘剂在250℃左右开始分解，270℃时失重3%，345℃时失重50%，408℃时失重90%，具有良好的耐热性。

图3 高透明聚氨酯胶粘剂的热失重曲线Fig. 3 The TG curve of high transparent polyurethane adhesive

2.3 高透明聚氨酯胶粘剂的应用

2.3.1 防护层制备

按比例将胶粘剂原料加入到容器中，使用三维高速混合机混合30s，倾倒在11 号航空玻璃表面，用涂胶辊将胶粘剂涂覆均匀，然后覆盖自制聚氨酯薄膜再次滚压均匀。常温固化24h，80℃固化12h，测量各项性能，如表6 所示。

表6 薄膜的性能Table 6 The properties of film

2.3.2 防护层性能分析

2.3.2.1 紫外老化

将样品放入紫外老化仪进行测试。主波段为310nm，环境温度为65℃，对样品进行单面辐照，照射时长为500h。表7 为样品紫外老化前后的光学性能对比。

表7 紫外老化前后对比Table 7 The properties comparison before and after the ultraviolet aging

从表7 中可以看出，相比于有机玻璃，使用胶粘剂粘贴薄膜的防护层样品透光率降低了0.28%，雾度和黄变指数分别升高了0.11%和0.54%；经紫外老化后，防护层样品的透光率下降了1.25%，雾度和黄变指数分别升高了0.03%和1.95%。

综上，经紫外老化后样品仍具有优异的光学性能。

2.3.2.2 耐磨性

耐磨性采用吹砂试验评价表面耐磨性，吹砂试验前后的样品放大图片如下。

防护层吹砂试验前后的效果如图5 所示，图a 是有机玻璃表面放大图，有机玻璃的透光率为92.1%，表面有少量划痕。这是因为有机玻璃表面硬度较小，仅相当于铝的硬度，耐磨性较差，表面容易被划伤。图b 是有机玻璃经吹砂试验后的表面放大图，可以看到有机玻璃表面的磨损非常严重，表面凹凸不平，且透光率下降至32.4%。图c 是防护层样品的表面放大图，透光率为91.82%，表面光滑，无划痕。图d是防护层样品经吹砂实验后的表面放大图，可以看出防护层吹砂后的表面较吹砂前粗糙，但明显优于有机玻璃，防护层吹砂后的透光率仍可达到79.2%。

图5 样品的耐磨性Fig. 5 The wear resistance of sample

综上，使用高透明聚氨酯胶粘剂粘贴透明聚氨酯薄膜可以有效降低风砂对有机玻璃表面造成的磨损，耐风砂防护效果非常好。

2.3.2.3 湿热老化

防护层湿热老化后的性能如表8 所示。经5 个周期的湿热老化试验后，外观无变化，透光率和雾度没有明显变化，附着力没有下降。表明胶粘剂具有较好的耐湿热老化性能。

表8 防护层湿热老化后的部分性能Table 8 The properties of protective layer after the wet heat aging

2.3.2.4 耐水性

采用浸水试验法，测试前用石蜡对样品封边。使用蒸馏水浸泡，浸泡时间为5d。实验结束，将试样从槽中取出，用滤纸吸干，以目视检查样品。

样品没有出现失光、变色、起泡、起皱、脱落等现象，且样品透光度和雾度没有肉眼可见的变化，表明样品具有良好耐水性。

2.3.2.5 高低温实验

经80℃高温试验100h 后外观光滑平整，且力学性能、光学性能和附着力均不受影响。

经-18℃低温实验100h 后外观光滑平整，目视无透光率下降和雾度升高等问题。且力学性能和附着力均没有下降。

经-55℃低温试验测得胶粘剂树脂的外观光滑平整，拉伸强度为7MPa，且透光率、雾度没有明显变化。

3 结 论

（1）实验以脂肪族多异氰酸酯和多元醇为原料合成了52Y72 高透明聚氨酯胶粘剂，具有优异的光学性能和附着力。

（2）经吹砂试验，使用高透明聚氨酯胶粘剂粘贴透明聚氨酯薄膜可以有效降低风砂对有机玻璃表面造成的冲蚀磨损，经吹砂试验后的样品透光率可达79.2%，具有优异的耐风砂防护效果。

（3）胶粘剂具有良好的耐紫外老化性能和耐水性，较好的耐湿热老化性。