叶青萱 (黎明化工研究院) 摘要:简述我国聚氨酯胶粘剂发展概况。重点介绍促进我国聚氨酯胶粘剂增长的主要因素以及发展趋势。在胶粘剂品类方面,简述了我国鞋用聚氨酯胶粘剂、复合薄膜用聚氨酯胶粘剂、可水分散多异氰酸酯和聚氨酯密封剂的生产科研现状及其发展,明确提出无溶剂和水基型聚氨酯胶粘剂发展的必然性和可能性。 1﹒ 概况 分子主链中含有氨基甲酸酯重复单元链的聚合物统称聚氨酯(PU)。绝大多数由多异氰酸酯与含有活泼氢原子的物质反应制得。由于原料品类繁多,加工方法各异,性能范围宽广,PU应用领域不断拓展,已成为世界六大发展合成材料之一。PU制品之一,高性能PU胶粘剂(包括密封剂),素以其适中的价格和卓越的低温柔韧性、高断裂伸长率、高剥离强度、耐磨性以及对广泛基材的粘接适应性等著称,已成为各国工业界和消费者普遍关注的工业。近年发展较快,全球年均增长率约为3%以上。我国发展更快,据中国聚氨酯工业协会不完全统计,近年我国大陆PU胶粘剂和密封剂年产量(万t)约为[1]﹕2003 年 17﹒6(干品6﹒1),2004 年 19(7﹒0),2005 年 21(8﹒0),以干品计,年均增长率为 14﹒5%。我国台湾地区2003年产量为 4﹒77 万 t,年均增长 3﹒14%2。 2﹒促进增长的主要因素 (1)国民经济持续高速发展,人民生活水准不断提高,全面建设小康社会进而实现产业现代化,迫切要求高性能、高质量制品。 (2)基本原料基地逐步建立形成[1]。20世纪80年代我国 MDI 产能仅为 1 万 t/a,到 2005 年已达 28 万t/a。20 世纪60 年代我国TDI产能仅几千 t/a,2005年达12万t/a。其它异氰酸酯如HDI、IPDI、PPDI、HMDI、NDI等均有小量供应。 聚醚多元醇(PPG)2002 年产能约为 61 万 t/a,2005 年达到113﹒5 万t/a。其中低不饱和度聚醚多元醇也有优质商品供应,甚至销往海外﹔并且突破了连续化工艺技术,建成万吨级连续化生产线。其它已商业化的多元醇尚有HTPB(端羟基聚丁二烯)、PTMEG、各类芳香族和脂肪族聚酯和聚己内酯等。这些均为PU胶粘剂和密封剂的性能提高和产业化,创建了扎实的原料基地。 (3)改革开放以后,世界跨国公司纷纷来华建厂或提供基本原料和相关助剂,为我国PU胶粘剂的开发和生产提供物质基础。 (4)40多年几代人的努力,培养造就了一批能自主开发的人才。 3﹒ 我国 PU胶粘剂发展趋势 我国PU胶粘剂与其它胶粘剂相同,发展总趋势是开发无溶剂、水基和热熔型对环境友好的高性能品类,以逐步替代溶剂型。因溶剂型PU胶粘剂至今尚有一些性能优于其它品类,故仍在某些领域如鞋靴和干法复合薄膜制造工艺中继续采用。现分别从剂型和应用角度,重点阐述某些PU胶粘剂和密封剂品类的技术发展近况。 4﹒ 鞋用胶粘剂 鞋用溶剂型胶粘剂主要用于鞋帮/鞋底粘接。有机溶剂对橡胶、塑料和皮革等鞋帮鞋底材质具有较好溶胀性,可使胶粘剂渗入鞋材浅深部,提高粘接性。由于鞋在穿用过程中受多方面因素影响,要求鞋用胶粘剂不仅能适应异种新型鞋材施用,最终强度高,又需有一定柔韧性和抗蚀性,可经受百万次弯曲试验而不开裂﹔胶膜需对温度不敏感,-20℃不脆裂,40℃也能保持其原有80% 强 度。此外,为满足高速生产线成型快、鞋靴款式多变的要求,胶粘剂必需含有高固体质量分数的快干燥、快固化、高结晶性、多功能树脂。所用溶剂必需是低毒的,生产和制鞋流水线设有回收装置﹔若用固化剂多异氰酸酯,其游离质量分数必需<0﹒5%。 我国是一制鞋和出口、消费鞋大国,2004年各类鞋总产量约为80 亿双,出口58﹒8 亿双,出口创汇达146﹒3亿美元[3]。我国胶粘鞋生产70多亿双,大多采用溶剂型胶粘剂。按每双鞋用胶40g计,每年总用胶量约为28﹒8万t。其中PU胶粘剂在鞋帮/鞋底粘接中所占份额[3,4]由 2002年的65%,提升到2003年的70%,2004年又提升到75%。 必需注意的是,大陆出口鞋款式虽新颖,质量远低于意大利、法国等西方名牌,甚至不如新加坡、韩国和我国台湾省。因此,售价很低,屡屡受到配额限制或反倾销。最近采取的措施是,提高鞋靴档次和技术含量,创建本国品牌﹔另一是迁移海外,就地制造。这样,无疑不论从质量或环保角度出发,对鞋用胶粘剂将提出更高要求。 我国大陆目前鞋用溶剂型PU胶粘剂大多来自我国台湾或其在大陆的独资或合资企业,如台资大东、南宝,南海南光、南海霸力等以及韩国东诚,它们是最大的鞋用胶粘剂生产厂,年生产能力均不低于3 万t。另一渠道是从Bayer、Merquinsa、Morton 等公司进口 TPU 粒料,以溶剂溶解成固含量为15% 左右的溶液,并配以助剂。它们多是端羟基聚酯型 PU。有的作为单组分使用,有的配以JQ-1、7900 或Desmodur RFE 等固化剂。国内也已开发成功用双螺杆反应器连续本体法生产TPU 粒 料,且逐步在壮大,如黎明化工研究院参股的吉明公司(800-1000t/a TPU 粒料能力)、南京金三力聚氨酯公司、保定东明树脂厂、山西洪洞银河化工厂,东莞金力化工公司等。但因规模尚小,批间稳定性欠佳,性能不 全面,初粘和终粘强度尚不尽人意,目前尚难与进口品竞争。我国晨光化工研究院的科强公司和兰州化工机械研究院等单位,已开发成功双螺杆反应器,供TPU 粒料生产使用。其中南京瑞亚公司生产的基本能满足国内需求。 由于粒料价格高,近期仍多采用溶液聚合法,在溶剂内聚酯多元醇与MDI 或HDI(要求无黄变鞋靴用)反应,制成溶剂型端羟基PU。它不仅在价格上占优势,且便于制鞋厂使用,渐成为近期发展趋势,有些厂产量已占本厂溶剂型PU胶粘剂总量的60%。溶液聚合工艺在我国的崛起,使进口料配制工艺大幅减少,进口料也就此 减 少 。 我国大陆鞋用胶粘剂生产厂与制鞋厂的分布基本一致,主要集中于广东、福建和浙江。据不完全统计,全国约有200多家各类鞋用胶粘剂生产厂。为适应新型鞋材和款式的不断出现,每一具规模的胶粘剂生产厂均有50多种牌号。 目前我国鞋用胶粘剂存在的主要问题是初粘和终粘性低。许多大专院校、科研单位和有实力的企业均在积极研究解决措施。有的从树脂分子结构考虑,提高其结晶速度和内聚力﹔有的以其它树脂进行改性,如福建师范大学新技术开发公司将PU与甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯等进行接枝反应,试图制得初粘性、终粘性均优的改性PU鞋用胶粘剂等等,现已取得一些成绩。但往往成本过高,商品化有一定难度。 随着现代制鞋工业的发展,制鞋材料和鞋类款式日趋多样化。新型 TPR 如 SIS、SBS、EVA、乙丙橡胶、顺丁橡胶等,因其独特性能和优点大量用作鞋材﹔但其极性很低,用普通PU胶粘剂很难粘接,成为制鞋业的一大难题。研究采用处理剂,将该鞋材进行预处理或直接加入 PU 胶粘剂中。处理剂品种繁多,因鞋材而异。 溶剂型胶粘剂虽有其优越性,但其危害性也是有目共睹,制鞋职工因防护措施不当,时有发生严重中毒事故。开发新一代环保型鞋用胶粘剂势在必行。近年,水性PU(APU)鞋用胶粘剂的研发相当活跃,制鞋企业也 对其逐步认知,进而深感兴趣。 20世纪70年代中期,国外APU鞋用胶开始问世,当时因性能不够理想,加之环保法规缺乏力度,长期仅停留在实验室规模。90 年代初,欧美的环保法规日趋严格,APU 的合成和应用工艺研究得以重视,所制产品基本满足制鞋要求。1996年NIKE首先将APU应用于运动鞋的粘接生产,随后REEBOK 和ADIDAS 相继于1998 年和2000 年开始采用。APU 基本由BAYER 供应。2000 年后,PUMA、K﹒Swiss 和Timberland 等公司也陆续与BAYERAPU 事业部合作8,均为运动鞋粘接生产。皮鞋鞋材复杂,较个性化,生产规模小,尚处于批量试生产阶段[9]。 BAYER是全球APU最大的生产商,其产品大量用于涂料、织物涂饰和制鞋等工业。BAYER 率先推出鞋底/ 鞋面粘合 A P U 胶,适用于运动鞋和皮鞋。据最近报道,BAYER又采用改性鞋用胶粘剂,制作深受全球足球爱好者注目的世界杯用足球,使之做得更圆,更耐久,更能随人们意志较定向运行。每次世界杯前后,约制2万多颗。 最近报道,BAYER涂料公司计划在上海工业园区内新建APU 装置,其生产规模为2﹒8 万t/a。届时,BAYER将实现APU 产品本地化生产,以满足中国、韩国和东南亚联盟各国的市场需求。 国内鞋用APU胶粘剂的研究始于20世纪末,现有湖北大学、中国科技大学、中国皮革和制鞋工业研究院、黎明化工研究院、湖北应城广大实业有限公司、山西运城华阳公司、南海南光、南海霸力、南宝、大东等20多个单位从 事合成工艺和应用研究工作。有的自行开发APU,有的采用进口PU分散体,进行配伍。 我国台湾南宝树脂成立于1961年,产品出口世界各地。在大陆广东东莞、福建、江苏昆山等地设厂,以提供更迅速服务。1971 年生产合成革用PU 树脂。1974年生产PU涂料与弹性体。1988年生产不变黄PU胶。1995年生产水性纺织用PU树脂,1997年生产水性鞋用胶。制鞋用胶粘剂包括PU胶、固化剂、处理剂等以及其它制鞋用辅助产品。APU 树脂(NP-54M),适合制鞋工业用各种材质,CL-10AN 水性固化剂适用于APU 胶。 业内人士公认,APU鞋用胶粘剂将是今后发展方向。现国内用的绝大多数来自台商大东和南宝公司,下游客户是NIKE、ADIDAS、Reebok和NB等OEM的运动鞋,也有部分用于皮鞋制作的,按所属公司要求制作,年用胶量约2万 t。国产品 APU 仅小批量使用,以免担风险。诚然,国产APU尚存在下列诸多问题,亟待解决。 (1)对基材润湿性差,适应性低,初粘强度欠佳﹔(2)活化温度高,干燥、固化时间长,能耗高﹔(3)一般APU的固体质量分数高,为降低用量,要求施胶次数少,增添上胶均匀度的难度﹔(4)易冻结,主剂贮运温度需保持在5-40℃,固化剂在15-30℃。需开发适宜防冻添加剂。(5)耐水、耐温性和抗增塑剂能力尚不尽人意,采用双组分APU有所改善。若进行PU主基分子结构的改变,则效果更佳。 许多科研单位正针对这些问题进行研究,已取得一定进展。如优选一定品类的多元醇、异氰酸酯和扩链剂,构成适宜的软硬段结构和比例,以降低APU胶粘剂粘度,进而提高其固含量,减少胶粘剂运输、贮存费用和干燥能耗。采用降低粘度的预聚物法制备APU胶粘剂时,可少用或不用溶剂,不仅降低成本且减小污染。综合平衡胶粘剂基料聚合物的结晶性和Tg,以降低活化温度,提高初粘接性能等。 我国尚开发双组分无溶剂湿热固化型鞋用PU胶粘剂。采用混合聚醚多元醇分别制成端异氰酸酯和端羟基PU预聚物,它们在室温下均呈液态,便于制鞋过程施胶。利用湿热条件下固化,速度较快,例如先于80-95℃加热15min,再放置1d后,PU/橡胶底的粘接剪切强度为1﹒34MPa,此 时PU 材料断裂﹔90℃剥离强度为4﹒5kNm-1。 最近(2006 年10 月)来自广交会的消息,展会上展出的鞋靴新产品中,品类发生很大变化,90%为PU鞋,它将替代皮面皮鞋。这又将给PU 胶粘剂带来商机。 5﹒ 复合薄膜用胶粘剂 食品复合薄膜包装袋,统称软包装,是将不同特性的薄膜以专用胶粘剂复合在一起热封制成的,以克服单一薄膜固有的缺陷。为保证薄膜免受食品等内容物的侵蚀和确保屏蔽保鲜作用,常用PE、PET、PP、NY 和镀铝塑料膜或铝箔等。该类软包装尚能广泛用于饮料、医药、电子、农药和化妆品等物品的包装,成为现代工业不可或缺的复合包装袋。 为满足上述食品包装袋的要求,专用胶粘剂性能起到至关重要的作用。它必须对多种材料粘接性高,抗食品中不同调料、脂肪酸、油脂和蛋白等介质侵蚀﹔用于农药、化桩品等,尚需抗御表面活性剂、溶剂、化学品和芳香类等物质﹔透明度高,以加强货架效应﹔耐食品加工过程中加热加压高温蒸煮杀菌(100-135℃)以及制袋封口时的瞬间高温(220℃)﹔固化速度快且无害。若用于蒸煮袋制作,上述性能缺一不可﹔若用于通用食品袋制作,则可对性能要求适当放宽。 PU胶粘剂的优良综合性能使其成为复合袋用优选的胶粘剂品类,国内外90% 以上的食品复合袋均采用它。今后5年食品复合薄膜袋用胶粘剂全球年均增长将为4%,我国可能以15% 速度增长。 随着我国国民经济持续快速发展,人民生活质量不断提高,消费观念和饮食结构发生很大变化,软包装大量涌现。上世纪80年代以来,特别是90年代以后,我国彩印复合材料厂发展迅猛,现已超过2500家[10],其生产用 PU胶粘剂也随之迅速发展。根据全国复合膜制品专业委员会不完全统计,2003年我国复合薄膜PU胶粘剂需用量约为3-4万t,其中约10%为特殊规格如耐蒸煮胶粘剂。目前生产量可能达5万t左右。生产、研制单位主要有广东 省中山市康和化工有限公司、安徽大学高分子材料研究所、北京高盟化工有限公司、哈尔滨市展望化学制品有限公司、上海理日化工新材料有限公司、上海申化科技-烈银化工股份有限公司、浙江新东方油墨集团有限公司、江苏金坛市胶粘剂厂、重庆龙翔化工厂、北京市化工研究院等约300多家,包括单组分压敏胶在内,总生产能力近10万t/a。它们基本上均为双组分溶液型体系,已满足国内通用型复合薄膜生产需求,甚至出现供大于求局面。高性能品类如耐121℃或135℃蒸煮的铝/塑复合膜生产用PU胶粘剂在数年前只能依赖进口。日、德、美等国胶粘剂供货商纷纷抢占我国市场,以高昂的价格销售。近几年,国内某些企业和研究单位积极投入人力、物力研究开发成功数个品类耐蒸煮 PU 胶粘剂,取得可喜成绩。 鉴于软包装质轻,屏蔽性佳,使用方便,货物包装、贮运成本低,现大有取代易破碎的玻璃瓶包装之势﹔另因希望降低包装成本,又望保证屏蔽质量,现常 以真空镀铝薄膜代替铝箔﹔或以挤出涂布复合替代干法复合﹔所用PP、PE 等薄膜有的不经电晕处理。此时复合用胶粘剂必须适应上述改变工艺,即开发多功能、多品种专用胶粘剂。如抗农药、洗涤剂、饮料等内含物的胶粘剂﹔用于复合镀铝、镀硅氧化物(即软玻璃)塑料薄膜的胶粘剂,并保证其粘接强度,且无隧道、无铝层转移现象发生﹔挤出成型复合用胶粘剂﹔为降低能耗、提高生产率的快速固化胶粘剂等。更为重要的是,复合后的软包装必须符合食品包装卫生标准。对胶粘剂而言,其固体质量分数需高,一方面减少操作环境污染,另方面复合后易干燥,免有残留溶剂﹔固化剂的游离异氰酸酯含量务必低于0﹒5%,甚至低于0﹒1%,避免游离异氰酸酯转化为芳胺类致癌物质。总之,需改变低水平重复为不断创新,研发适应彩印复合材料发展新要求的胶粘剂。 近年,国内外正在积极开发无溶剂型和水性PU复合膜胶粘剂,尤其前者更为活跃。 顾名思义,无溶剂型系100% 固体质量分数胶粘剂。该类复合薄膜胶粘剂的应用起始于1974年的德国。1977年日本引进该类技术,且到1997年已建成几十条无溶剂复合膜生产线。在欧美已有50%以上该类胶粘剂用于干法复合薄膜工业。现已发展到第4 代技术。它或为单组分端异氰酸酯PU预聚物,以湿汽固化﹔或由低相对分子质量多元醇和多异氰酸酯或由端异氰酸酯预聚物和多元醇或多元胺组成的双组分胶粘剂。以易涂敷、易润湿为目的,树脂相对分子质量不可能太高,因此胶粘剂的初粘性往往次于溶剂型。若提高树脂相对分子质量,则胶液粘度过高,需采用加热涂敷系统,上胶装置复杂化,胶的适用期缩短。涂辊长期受热,易变形和损坏,使用寿命缩短。现常以环氧树脂等改性,借助快速固化机理,以提高初粘性。国外某些高性能品类不仅初粘性好,也适用于铝箔粘接,也有公司开发成功耐高温蒸煮的特种结构的无溶剂PU 复合胶粘剂。 我国无溶剂复合膜生产线也有十几条。北京市化工研究院于1984年从德国Henkel公司引进无溶剂PU胶粘剂生产技术,可供干法复合膜生产使用。因当时无溶剂复合机国内仅一台,故久久未曾正式生产。受环保法规驱使,上世纪90年代少量恢复生产,全国各地也陆续引进相应复合装置。但因价格不易接受,又存在某些技术问题,开工率不足,用量仅占总量的 5% 。 水性PU复合膜胶粘剂主要用于纸/塑、塑/塑复合。在膨化食品、饼干、方便面等食品包装领域具有极大优势和发展潜能。 6﹒可水分散多异氰酸酯 早期的可水分散多异氰酸酯(WDI)均以芳香族多异氰酸酯如TDI、纯或粗MDI等为基本原料,聚氧化烷撑与之反应,形成表面活性剂,其分子式可表示为﹕RO(CH2CH2O)nCONHX 式中R表示具有1-4个碳原子的烷基, n系一整数, X是二异氰酸酯或较高官能度(3-5)的多异氰酸酯基团,至少含有一个异氰酸酯基(NCO质量分数20%-35%)。R常用甲基。分子中氧乙烯含量必须足够多,以满足表面活性的要求。也有介绍用丙二酸双酯及其聚醚类作表面活性剂的。为满足各方所需,现有产品包括HDI、IPDI、TDI、PMDI和MDI等类WDI。 WDI属无溶剂或少溶剂可水分散多异氰酸酯。可单独作胶粘剂使用,用时或以原浓度,或将其用水稀释。优质WDI可与任何比例去离子水混合。在密闭容器中,无水存在下,可贮存半年以上。也可作含有活泼氢水性树脂(如聚丙烯酸酯PAc、聚乙酸乙烯酯PVAc、聚乙酸乙烯酯-乙烯共聚EVA乳液和聚乙烯醇PVOH等)的固化剂,增加基料均聚或共聚合物的交联度,提高其耐热、耐溶剂、耐化学品和耐磨性能以及应用特性。最大优点是,可解决长期处于困挠的人造板游离甲醛高,时有中毒事故发生,水性树脂胶粘剂性能欠佳的难题。 近年在再生资源利用和循环经济政策的指引下,如何有效地利用农作物秸秆已提到日程。我国森林覆盖率仅为16﹒5%,远低于25%的世界平均水平﹔人均拥有森林蓄积量8﹒6m3,远低于世界人均71﹒8m3 的水平。长期以来,天然、人为因素使林产资源频频遭受破坏。我国是世界上木材料及其制品生产和消费大国,每年木材需求量高达3亿至3﹒3亿m3,并每年平均以1000m3速度增加。按国家下达“十五”期间的采伐限额,今后每年只能提供1﹒4亿至1﹒5亿m3的木材,相当于每年缺口1﹒6亿m3,供需矛盾十分突出,只得进口补缺。 随我国经济快速发展,建筑装饰等行业对木材的需求猛增,截至2005年,我国木材供需缺口已达7000万m3。另一方面,传统木制品普遍存在价高、易燃、易受潮发黑、易变形、甲醛污染严重等缺陷,已越来越不能满足人们日益提高的物质生活需求。开发一种质优价廉的新型材料,广泛有效地替代木材,从根本上缓解木材的供需矛盾,已成为摆在人们面前亟须解决的课题。 科学家们多年研究发现,农作物秸秆是代木材料的最佳选择,并已有先例。在上世纪末、本世纪初,DOW化学公司用PMDI将麦杆制成密度板和刨花板,继而加工成复合建筑板材,进入木质复合材市场。该公司预计5-10年间,其业务可达1亿美元,还拟开发麦草家俱和地板用材[12]。况且利用农作物秸秆替代木材也符合我国国情。首先,我国秸秆资源十分丰富。据统计,每年可利用农作物秸秆,如稻草、麦秆、高粱秆、玉米秆、果壳……等达7 亿多t,人称“第二森林资源”。现大部焚烧处理,既浪费资源,又污染环境。近年,某些地区有将其发酵制酒精、饲料或集中将其制燃料气等,是有效将废变宝的途径。若能利用其中10%的秸秆制人造木制品,即可填补全部木材缺口﹔其次,秸秆代木属废物利用,可大幅降低成本﹔必定具有广阔市场空间和极强市场竞争力。 秸秆制人造板用WDI,可以高固含量乳液直接使用,或与PVAc和PVOH等水性聚合物,或与廉价的玉米淀粉、羧甲基纤维素等组成双组分胶粘剂使用。此时可在使用前,将WDI 按所需比例分散于所用水性聚合物中。为降 低成本,常用WDPAPI。若需进一步降低成本,可利用木质素废液与之混用。 烟台万华合成革集团自2003年始,自主研制开发的不含甲醛、卫生无毒、绿色环保的异氰酸酯粘合剂,可替代传统三醛树脂胶,生产秸秆人造板,其强度高,力学性能优良,耐水性和绝热、阻燃性好,加工使用方便。可用于小麦秸秆粘合,相当于高中档密度纤维板。该集团已在研究,在不降低产品质量前提下,如何减少胶粘剂用量(有报道已降低到 2%-3% 用量),以降低成本。 东北林业大学、北京林科院和南京林科院等从事林业和林产品的单位均已有成果。 北京清大海归科技发展有限公司复合材料研发中心开发成功一种以秸秆为原料的新型豪华人造木门技术。据了解,该技术尚可用于生产门窗、家具、装饰线条、简易活动房、货物托盘、包装箱等系列产品,还可用于生产各种人造木板材,应用范围十分广泛。下图为该公司以秸秆为原料制作的新型豪华人造木门。 总之,秸秆制非木质制品生产工艺技术,已在我国如星星之火,在到处燎原。 存在问题是在模压过程中会使制品表面层与金属模板粘连,产生“粘板现象”。最近有报道,国内外均有解决措施。据称我国用于该类加工的PMDI年需用量估计为 7000-8000t,或更多。 另外可以WDI作固化剂用于高附加值制品,如多类高性能水性胶粘剂、涂层和涂料等。我国是纺织品和服装出口大国,但长期以来,往往以进口面料加工成服装出口,事实上是一服装加工国。或以低质、低值品出口。究其原因,面料涂饰常用含醛类化学品,进入发达国家口岸受禁。当代国内外消费者喜穿具有防水透气、免烫和自清洁等功能性面料制作的服装。它们均需用水性树脂与固化剂组成的双组分涂饰剂进行织物整理。若用WDI(最好非黄变性)作固化剂,则其整理品非但可达到上述要求,且织物柔软,富有良好手感。 7﹒密封剂 促进PU密封剂发展速度快的原因之一是汽车和建筑两大支柱产业的需用量增大。当前世界汽车材料技术发展的主要方向是轻量化和环保化,随之必然采用铝、塑材料代替钢材,同时需要以粘接取代机械连接工艺。PU密封剂的多功能性极大地推动汽车“塑料革命”的顺利实施。 随着现代建筑业的迅速发展,绝热、防尘、防水、防有害气体等所需密封剂的用量日益增多。近代,随着建筑材料的多样化、设计方案和施工技术的进步、建筑高度和构件日益大型化、建筑接缝变宽、间隔距离增大、接缝动态位移变形量明显增加,特别是幕墙建筑结构需求弹性胶接密封,使得传统嵌缝膏无法承受伸缩位移和耐久性要求,促进合成高分子材料为基础的建筑密封剂迅速发展[14]。 由于低价位有机硅密封剂用于建筑时暴露出对混凝土侵蚀、渗油污染、易撕裂、不能涂漆等缺陷,特别在混凝土 预制板及石材墙体接缝,机场、桥梁混凝土与玻璃纤维增强混凝土施工等结构缝的防水密封中,问题更为突出。PU密封剂因能克服上述缺点脱颖而出。2005年4月15日,中国建设部发出《关于新建居住建筑严格执行节能设计标准的通知》,即降低居住建筑能耗。根据我国建筑节能规划,至2010年,全国城镇建筑要实现节能50%,某些城市达65%,至2020年全面达到65%。如能执行到位,对我国PU材料市场将是一极大推动。 数据表明,建筑密封剂以发展有机硅和PU类为主。 7﹒1 单组分湿固化密封剂 单组分密封剂主要用于建筑连接处嵌缝和汽车玻璃直接安装,此时施用速度至关重要,且应适应施工环境温度和湿度。汽车制造业中主要使用中、高模量密封剂。汽车挡风玻璃需高模量密封剂,车体粘接密封用中模量,以提高抗扭曲性。建筑密封剂常仅用作填缝而不起粘接作用,因此要求其具有低模量伴以高形变下抗破坏性能,以保证在冷热交变时或在受外力冲击时能适应位移变量而无损。发达国家几乎90%现生产的汽车挡风玻璃采用直接安装玻璃工艺,美、欧、日几乎全部采用。该工艺不仅解决了安全问题,且因结构符合空气动力学原理,可减少气流阻力,使车速加快,节约能源。每扇玻璃窗平均需800-1000gPU 胶粘密封剂。现该工艺已扩展到汽车后、侧窗。又因性能/ 价格诱人,正拓宽到卡车、大轿车、火车客车厢以及城市轻轨车厢等方面应用。其用 量正在快速增长。 我国汽车挡风玻璃用PU 密封剂仍以进口产品为主。山东化工厂、深圳奥博胶粘剂化工有限公司、北京龙苑化工机电技术公司、长春依多科化工公司、北京高盟化工有限公司等有产品生产。此外,湖北省2003年已立项新建一汽车用PU密封剂项目,能力为1000t/a单组分车用挡风玻璃粘接密封剂[15]。国产品性能质量普遍稍逊一 筹。主要表现在固化迟缓,需对涂漆钢板和玻璃分别用不 同底涂剂处理,施工不便,PU密封剂老化性能欠佳﹔最大问题是产品批间稳定性差。现正在研究解决措施。 我国山东北方现代化学工业有限公司(原山东化工 厂)20世纪90年代从欧洲引进生产单组分湿气固化型PU 密封剂的技术和生产设备,推出AM-130多用途PU密封 剂和AM-140 PU挡风玻璃密封剂等。在消化吸收的基础 上相继开发出AM-120系列产品,在国内市场获得广泛应 用。2003年又研制出新超强度PU粘接/密封剂,表干时 间 30-60min,固化速度 4﹒0-4﹒7mm/24h,拉伸强度≧ 14﹒0MPa,剪切强度≧7﹒0MPa,断裂伸长率≧500%,撕裂 强度≧ 40﹒0N‧(mm)-1﹔产品贮存性良好[16]。 近年高粘度多组分密封性优良的双行星式或多轴搅拌器和密闭换罐式反应釜以及真空灌装机等设备,在我国均有商品,为单组分湿固化PU 密封剂制备提供了硬件。 为解决单组分湿固化PU密封剂固化速度慢问题,现采用双组分单包装,即以主剂和固化剂按体积比1﹕1,分别装于两个小管内,合装于一个大包装挤出管内。当活塞同速将主剂和固化剂挤出时,两剂汇合进入一静态混合器混合后注入密封接缝。这样,固化速度可由催化剂量、两组分活性基团活性及其配比等来调节控制。受约因素比单组分湿固化型少得多。贮存稳定性也得到一定程度的改善。 目前用子弹筒包装单组分密封剂,往往贮存期太短原因是包装筒加工不易均匀,公差大,不密封,筒材塑料屏蔽性差,加之结构复杂,需多层,成本高。现改用复合膜香肠式包装,配以相应的挤出器具,效果较好,成本也低。大多国内外企业均已采用。 7﹒2 双组分密封剂 我国生产双组分PU密封剂的企业有几十家,主要用于建筑、机场跑道、中空玻璃和其它粘接密封。为使建筑实施节能要求,居住住房多采用中空玻璃窗。以双道 密封为主流的中空玻璃生产工艺,第一道用丁基橡胶密封,第二道用 PU、聚硫或有机硅弹性密封剂。长期以来聚硫是主要采用品种。因PU对玻璃、铝和阳极氧化钢粘接性优良,又适于动态接缝,可使中空玻璃免受风压变形,且水汽渗透率和吸水率低,近年来有逐步改用趋势。我国也已开发出此类密封剂,并可小批量生产。其有效操作时间可控在10-20min﹒,下垂度<2﹒5mm,表干时间 1h,室温经 2-3h 后,即可进入下道工序。 7﹒3 泡沫密封剂 PU泡沫密封剂主要由聚醚PU预聚物与催化剂、稳定剂、阻燃剂、充填气雾剂、发泡剂等助剂配伍后,密封包装于气雾罐中构成。使用时可瞬时喷注成硬质泡沫,此时体积膨胀3 倍以上,可迅速填充密封建筑接缝或空洞。初期主要用于铝合金、塑钢等门窗与墙体间密封以及管道、电线、电话线等穿孔密封﹔现扩展到冰箱、船舶、屋顶和液化气贮罐、运输工具(-160-60℃)等领域部件的粘接密封,甚至可用作水下电缆保护屏蔽层。它兼有绝缘、吸音,填充、密封等功能,具有粘接性能优良,有弹性和阻燃性,凝固后收缩率小,可在冬季 施工﹔适用于多种建筑材料所需的密封堵漏、保温绝 缘、填空补缝、固定粘接,具有使用方便、质轻、固化快等特性。我国1995 年开始研制,20 世纪90 年代后期开始逐渐生产使用。全国估计现有生产厂四五十家,以小规模生产为主,多数均在100万支/a。年生产总能力约5000万支,2001年实际生产量约1500万支,2003年约2000万支,预计2006年可望达到3500万支[17]。关键问题是如何使用非CFC发泡剂体系,如何解决固化快和贮存稳定性之间矛盾,如何提高产品质量和批间稳定性等问题。现正在寻求探索解决途径。如探索以丁烷与偏氟乙烷作发泡剂代替CFC,以改善气雾罐密封性来延长贮存期等。 7﹒4 硅烷改性密封剂 1978年日本Kaneka开发出以端硅烷聚醚为基料的弹性密封剂,后称为改性有机硅(MS),给建筑弹性密封剂族增添了一优质品类。其粘度低,可填加更多的填料,降低成本﹔耐候性优良,可在室外长期使用﹔模量低、延伸率高,可抵御摩天楼伸缩缝高位移(50%-100%)。其它尚有粘接对象广泛、对环境友好、本身不易沾污、上漆性良好、贮存稳定等优点18。它是由低不饱和度高相对分子质量端烯丙基聚氧化丙烯经氢硅烷化制得端硅烷聚醚树脂,添加固化催化剂、增强填料、增塑剂、偶联剂、促粘剂、阻燃剂、颜料、稳定剂和触变剂等各种改性剂制成。固化催化剂主要是胺类或有机金属类化合物﹔填料种类很多,较好的是经脂肪酸表面处理的碳酸钙,因它与树脂有良好的兼容性,可明显改善密封剂的加工和力学性能[19,20]。 SPUR具有广范围合成和配方调整空间。该类密封剂是借硅烷基团交链,固化时不出现气泡,赋予胶层耐候性、耐紫外光能力、无底涂粘接性、不沾污性和上漆性,且该系统无游离异氰酸酯存在,较安全环保,用SPUR可容易地配 制单或双组分混合料。更吸引人的是能配制高、低模量密封剂或高模量胶粘剂。其贮存稳定性和抗化学品能力优于纯PU产品。SPUR材料比MS型的另一优点是非凡的抗化学品侵蚀。这一特性使其有效地用于贮罐密封和加油站前院密封。 硅烷改性聚醚或PU主要用于建筑、汽车和运输工业等,部分替代PU起密封和嵌缝作用,也可用于直接安装玻璃。它与环氧树脂共容,两者复配后,可性能互补。硅烷改性物赋予柔韧性,而环氧树脂提供机械强度。复配物的柔性粘接物可抵御位移、冲击和热应力。 硅烷改性聚醚或PU也已成为目前我国较热门的研究课题,已有数家企业和科研院所研发成功低不饱和度高相对分子质量聚醚以及MS或SPUR。重点研制高效催化剂,以提高聚醚相对分子质量、活性和纯度﹔研究PU预聚物制备 工艺,重点考察不同多元醇品类及其相对分子质量、不同异氰酸酯品类、NCO/OH比值等因素对弹性固化物力学性能影响﹔研究硅烷封端工艺,考察不同硅烷封端剂的影响﹔开发SPUR和MS在高性能PU制品(如CASE)中的应用。目前中国多集中于PU预聚物法的研究。 密封剂的制备是在双行星式混合器中进行。可制备 出对各种基材具有良好粘接力的SPUR密封剂。它兼有良好的力学性能、优异的贮存稳定性和防老化性,且在不用底涂剂条件下对各种基材具有优良粘接性,不像PU密封剂那样表面发粘。 我国对MS的研制处于起步阶段。曾以本体威廉森法将低不饱和度聚醚多元醇进行烯丙基化反应,所得端烯丙基聚醚经精制后,通过硅氢化加成反应,制得 MS。 论技术我国与跨国公司相比尚有差距,论规模国内 仅处于试验阶段,个别处于中试阶段,尤其在产品应用方面尚在探索。因此,为发展我国的高性能PU产品,进一步深入开展上述工作势在必行。
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