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胶粘剂用量的多少, 已成为衡量一个国家、一个地区木材工业技术发展水平的标志[1 ]。 随着人民生活水平的提高, 以及人们安全和环保意识的增强, 开发环保型的胶粘剂就显得非常重要。聚氨酯类胶粘剂作为一种环保型或“绿色”胶粘剂, 应用前景广阔[2 ]。VAE 乳液是以醋酸乙烯和乙烯为基本原料经乳液聚合而成, 它具有干燥速度快、胶膜柔韧性好、粘接强度高、耐水、耐热性好等优点, 它作为一种环保型产品近年来在我国得到了迅速发展,并广泛应用于胶粘剂、涂料、建筑等行业[3 ],我们采用以无毒、无害、无污染的聚乙烯醇为原料, 以4 , 4′- 二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI) 为交联剂, 在水溶液中交联PVA 的方法,制备聚氨酯胶粘剂, 并用VAE 对此胶粘剂改性,从而制得一种强度高、适用期长、耐热、耐水性能优良的木材用胶粘剂.
1 实验部分
111 主要原料
112 PU 乳液的制备
在配有搅拌棒、温度计和冷凝管的四颈瓶中加入需要量的聚乙烯醇和水, 加热至PVA 完全溶解, 加入一定量的表面活性剂OP – 10 , 冷却至一定温度时, 在电动搅拌下, 加入一定量的MDI ,继续搅拌, 直至MDI 完全均匀分散在PVA 胶水中.
113 VAE 乳液改性聚氨酯胶粘剂乳液的制备
将所制PU 乳液与VAE 乳液按不同比例在搅拌下混合得到VAE 改性的PU 乳液.
2 性能测试
211 乳液外观
目视观察样品的颜色、状态、均匀性等物理性状.
212 胶膜透明度测试
将所制的胶粘剂乳液涂在玻璃片上自然成膜后, 观察所成膜的透明度, 分为五个等级: 最好、较好、中等、较差、最差进行评价.
213 胶膜耐水性
用浸泡法测试,PU 乳液或改性后乳液在室温下自然干燥成膜1 取一定量的胶膜, 在60 ℃左右烘至恒重(m1 ) , 然后浸泡在20 ℃左右的去离子水中, 48 小时后取出, 用滤纸快速吸干表面水分, 立即称量(m2) , 按下式计算表观吸水率:表观吸水率% = (m2 – m1) / m1 ×100 %
214 剪切强度试验
用木块作试片, 试片形状及尺寸如图1 所示,采用XWW万能试验机进行压缩剪切强度试验.
图1 剪切强度试样形状与尺寸
3 结果与讨论
311 原料配比对PU 乳液性能的影响
31111 MDI 的用量对PU 乳液外观性状及储存稳定性的影响
固定PU 配方中聚乙烯醇的用量, 改变MDI的用量, 制得一系列具有不同软硬段结构的PU乳液, 并对其乳液外观性状、储存稳定性进行考察, 结果见表11 由表1 可以看出: 随MDI 用量的增加, 合成的乳液粘稠度不断增加,当交联剂MDI 的用量低于015 克, 会使乳液固化时间增长, 粘结力不够, 固化后胶的硬度亦不高.当MDI 的用量大于3 克, 则PU 乳液会出现凝胶现象, 粘结性能不强. 这是因为随MDI 加入量的增加, 其与PVA 交联反应程度增大, 交联度增大.
表1 MDI 的用量对PU 乳液外观性状及储存稳定性的影响
注: PVA 的含量为9 %.
31112 MDI 用量对PU 乳液表观吸水率的影响
表观吸水率的大小能反映胶粘剂形成胶膜的耐水性能, 一般情况, 表观吸水率与胶粘剂的耐水性成反比, 实验结果见表2, 根据实验结果统计分析, 绘制出MDI 的用量与表观吸水率关系图,如图2 所示.
可以看出, 随MDI 加入量的增加, 表观吸水率逐渐降低, 即胶膜的耐水性能明显提高. 这是因为交联剂的增加, 使MDI 与PVA 反应进行的程度加大, 不仅减少了PVA 分子链上的- OH 数量, 同时相对分子质量大幅增加, 从而提高了胶粘剂的耐水性.
从上述实验结果可知, 当MDI 的用量为1.5g 时, 可以制得粘度、表观吸水率及使用工艺等综合性能优异的PU 乳液.
312 PVA 的含量对PU 乳液性能的影响
固定交联剂MDI 的用量, 改变聚乙烯醇(PVA) 的用量制成一系列PU 乳液, 并考察了不同PVA 含量对PU 乳液的使用工艺及表观吸水率的影响, 结果见表3.
表3 PVA 含量对PU 乳液的使用工艺及表观吸水率的影响
注: MDI 的用量为1.5g.
从表中可以看出, 随PVA 浓度的增大, PU乳液的表观吸水率无明显变化, 其粘度相应增加.这可能是随PVA 浓度的增大, 与MDI 交联程度随之增强, 粘度就随之增大. 通过以上实验可知, PVA 含量为9 %时PU 乳液的性能最佳.
313 原料配比对PU 胶粘剂性能的影响
我们选用PVA 的含量为9 % , MDI 的加入量为1.5g 的PU 乳液与VAE 乳液混配并进行改性研究. 按图1 和表4 所示的工艺参数制样, 现将各项实验结果列入表5.
* VAE∶PU 为质量比
** 由承德市金建检测仪器有限公司生产的万能试验机测得
31311 PU 乳液与VAE 乳液混合比例对胶膜透明度的影响
两种无定形物质若相容, 制成的共混物的透明性较好。 但如出现相分离, 含量较多的组分将构成连续相, 含量较少的组分将成为分散相。 此时, 入射光将在两相界面处被散射, 使之不透明,因此, 观察胶膜的透明度可以方便地判断由多组分构成的胶粘剂表干后的相容程度。从表5 可知, 随着混合乳液中VAE 含量的增大, VAE/ PU 的共混胶膜的透明度呈现先降低后增加的趋势, 在7/ 3 时胶膜透明度已明显降低,在5/ 5 时透明度最差。
31312 PU 乳液与VAE 乳液混合比例对胶膜耐水性的影响
胶膜的吸水率低表明其耐水性好。 从表5 可以看出, 随VAE/ PU 混合比例的减小, 其胶膜的耐水性呈现先增加后降低的变化, 当PU 乳液与VAE 乳液的重量比为80/ 20 时, 吸水率最小, 这可能是因为, PU 中含有较多的羟基、氨基甲酸酯、脲等基团, 在成膜过程中这些基团与VAE胶膜中的醋酸乙烯结构单元形成氢键, 这种作用,促进了VAE/ PU 的相容性, 增加了胶膜的物理交联程度, 降低了水对这些基团的亲合性, 因而吸水率下降, 但当PU 在共混乳液中的比例进一步增加时, 由于聚氨酯本身的吸水率较大, 因而,整个体系的吸水率反而上升。
31313 PU 乳液与VAE 乳液混合比例对胶粘剂压缩剪切强度的影响
从检测结果可以看出(见表5) , 当VAE/ PU的比例为80/ 20 时, 剪切强度最大, 之后随VAE/ PU 的比例的减小而减小.
4 结论
(1) PU 乳液的耐水性随MDI 加入量的增加而增强, PVA 的含量对其影响不大.
( 2 ) 当PVA 含量为9 %、MDI 加入量为1.5g、交联反应的温度为40 ℃、VAE/ PU 的配比为80/ 20 时所制胶粘剂具有最佳的综合性能.
(3) 本文所研制的胶粘剂制备工艺简单、易于操作、绿色环保, 具有显著的经济和社会效益.
