聚氨酯-丙烯酸合金分散體在高性能粘合劑中的應(yīng)用
埃琳娜·馬丁內(nèi)斯博士
粘合劑部門高級研發(fā)配方師
全球聚合物和涂料公司
?? 引言：粘合劑的靜悄悄的革命
說實(shí)話，當(dāng)你想到粘合劑時，你的腦海里可能不會浮現(xiàn)出尖端的聚合物科學(xué)。你可能會想起高中美術(shù)課上的膠棒，或者用來固定筆記本電腦充電器的可疑膠帶。但在幕后，在世界各地的實(shí)驗(yàn)室和工廠里，一場悄無聲息的革命正在發(fā)生。這場革命的核心是什么？一種名為 聚氨酯-丙烯酸合金分散體.
現(xiàn)在，在你打哈欠并伸手去拿咖啡之前（?），讓我阻止你。這不僅僅是另一場化學(xué)講座。這是一個關(guān)于兩種老式聚合物——聚氨酯（pu）和丙烯酸——如何決定停止競爭并開始合作的故事。就像花生醬和果凍、蝙蝠俠和羅賓、或者 wifi 和你早晨的濃縮咖啡一樣，有些東西在一起效果會更好。
那么，當(dāng)你將聚氨酯的韌性與丙烯酸的透明度和耐候性結(jié)合起來時會發(fā)生什么呢？你會得到一種粘性更好、使用壽命更長的東西，它可以抵御紫外線、濕氣，甚至偶爾有憤怒的顧客試圖用刀把它剝下來。
歡迎來到的世界 聚氨酯-丙烯酸合金分散體——現(xiàn)代高性能粘合劑的無名英雄。
?? 混合背后的科學(xué)：不僅僅是混合兩種聚合物
讓我們暫時變得有點(diǎn)書呆子氣（別擔(dān)心，我會帶零食）。聚氨酯和丙烯酸都是用于涂料和粘合劑的水基分散體。但它們給聚會帶來了截然不同的個性。
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聚氨酯（pu）：將聚氨酯視為聚合物中的“健身鼠”——堅(jiān)韌、柔韌、耐磨。它能形成強(qiáng)氫鍵，對各種基材具有優(yōu)異的附著力，并且在低溫下不會退縮。但它并不完美。它會在紫外線下變黃，它的防水性如何？好吧，與其說它“出色”，不如說它“平庸”。
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丙烯酸樹脂：這些是社交蝴蝶。它們透明、抗紫外線、喜歡陽光。它們形成堅(jiān)硬、有光澤的薄膜，具有很好的防水和抗氧化性能。但它們有點(diǎn)脆——就像一個空手道專家，他可以打破木板，卻會被鞋帶絆倒。
現(xiàn)在，想象一下將兩者結(jié)合起來。不僅僅是物理混合它們（這通常會導(dǎo)致相分離 - 基本上是聚合物分離），而是創(chuàng)造一個真正的 合金— 兩種聚合物和諧共存的共連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，相互增強(qiáng)對方的優(yōu)勢并掩蓋弱點(diǎn)。
這就是聚氨酯-丙烯酸合金分散體的作用。通過先進(jìn)的乳液聚合技術(shù)，科學(xué)家們創(chuàng)造了一種 核殼或互穿網(wǎng)絡(luò)（ipn） 聚氨酯和丙烯酸相在納米級緊密混合的結(jié)構(gòu)。結(jié)果如何？分散性大于各部分之和。
正如 wang 等人（2021 年）所說 有機(jī)涂層的進(jìn)展:
“合金分散體中聚氨酯和丙烯酸成分之間的協(xié)同作用可增強(qiáng)機(jī)械性能、提高耐化學(xué)性并形成優(yōu)異的成膜性，同時又不犧牲環(huán)境友好性?！?/p>
簡單來說：它粘性更好，使用壽命更長，并且不會污染地球。
?? 它們是如何制造的？一窺反應(yīng)堆
創(chuàng)建聚氨酯-丙烯酸合金分散體并不像烘烤餅干。您不能只是扔進(jìn)一些聚氨酯碎片和丙烯酸灑，然后希望得到最好的結(jié)果。這是一場精心編排的化學(xué)、時間和溫度的舞蹈。
主要有兩種方法：
-
順序乳液聚合
首先，合成聚氨酯分散體并將其用作丙烯酸單體聚合的種子。丙烯酸在聚氨酯顆粒周圍或內(nèi)部生長，形成核殼結(jié)構(gòu)。 -
同時或混合聚合
聚氨酯預(yù)聚物和丙烯酸單體在同一反應(yīng)器中聚合，通常借助鏈轉(zhuǎn)移劑和交聯(lián)劑來確保相容性。
合成過程中的關(guān)鍵參數(shù)：
| 參數(shù) | 典型范圍 | 重要性 |
|---|---|---|
| 固體含量 | 40-55％ | 影響粘度和應(yīng)用厚度 |
| ph | 7.5-9.0 | 分散穩(wěn)定性 |
| 粒徑 | 80-200 nm | 影響薄膜的清晰度和附著力 |
| 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（tg） | -20°C至40°C | 決定柔韌性與硬度 |
| 粘度（25℃） | 500～3000兆帕·秒 | 影響噴涂性和涂層均勻性 |
| mfft（最低成膜溫度） | 5–15°C | 對于低溫應(yīng)用至關(guān)重要 |
資料來源：zhang 等人， 應(yīng)用聚合物科學(xué)雜志, 2019
最大的挑戰(zhàn)之一？預(yù)防 相分離聚氨酯和丙烯酸天然地不相容——它們就像油和水（字面意思）。為了彌補(bǔ)差距，配方師使用 增容劑 的條件，如
- 聚醚改性硅氧烷
- 丙烯酸-聚氨酯雜化低聚物
- 具有雙重親和力的離子表面活性劑
它們就像外交使節(jié)一樣，確保兩個聚合物派系之間的和平。
?? 為什么要使用聚氨酯-丙烯酸合金分散體？性能優(yōu)勢
讓我們直奔主題。你為什么要關(guān)心這個合金業(yè)務(wù)？因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，性能就是一切。而這正是聚氨酯丙烯酸分散體像剛打過蠟的跑車一樣閃閃發(fā)光的地方。
1. 粘連不會消失
這些分散體可粘附在各種基材上——金屬、塑料、木材、玻璃，甚至經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗蟮牡捅砻婺懿牧?，如聚丙?(pp) 和聚乙烯 (pe)。
Lee & Kim (2020) 的一項(xiàng)研究 國際粘附與粘合劑雜志 表明聚氨酯-丙烯酸合金實(shí)現(xiàn)了 剝離強(qiáng)度提高 30–50% 比PET薄膜上的純丙烯酸或PU分散體更好。
| 基板 | 剝離強(qiáng)度（n/25mm） | 故障模式 |
|---|---|---|
| 鋼板 | 8.2 | 凝聚力 |
| PVC | 6.5 | 凝聚力 |
| 寵物 | 5.8 | 雜 |
| pp（電暈處理） | 4.3 | 膠粘劑 |
| 木材 | 7.1 | 凝聚力 |
資料來源：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，gpci實(shí)驗(yàn)室測試，2023年
注意大多數(shù)失敗是 凝聚力—意味著粘合劑本身斷裂，而不是粘合部分?jǐn)嗔选＿@是粘合性極佳的標(biāo)志。您需要用噴燈或下定決心才能將這些東西去除。
2. 靈活性與韌性的結(jié)合
純丙烯酸在壓力下會破裂。純膿液會隨著時間的推移而蔓延。但是合金呢？這就像一個也舉重的瑜伽教練。
- 斷裂伸長率：200–400%（丙烯酸樹脂為 100–200%）
- 抗拉強(qiáng)度：15–25 mpa（丙烯酸樹脂為 8–12 mpa）
這種平衡在汽車裝飾粘合等應(yīng)用中至關(guān)重要，因?yàn)檎駝?、熱循環(huán)和道路沖擊是日常生活的一部分。
3. 天氣戰(zhàn)士
將純聚氨酯粘合劑放在陽光下曬六個月，它看起來就像曬了 60 年一樣，變黃、開裂、黯淡。丙烯酸樹脂的情況好一些，但會變脆。
聚氨酯丙烯酸合金？它們會嘲笑紫外線輻射。
加速老化試驗(yàn)（quv，1000小時）表明：
| 材料 | δe（顏色變化） | 保光率（%） | 裂紋形成 |
|---|---|---|---|
| 純亞克力 | 2.1 | 85%排放 | 沒有 |
| 純pu | 6.8 | 45%排放 | 嚴(yán)重 |
| 聚氨酯丙烯酸合金 | 1.8 | 92%排放 | 沒有 |
來源：astm g154 測試， 聚合物降解和穩(wěn)定性, 2022
δe 低于 2 被認(rèn)為“人眼無法察覺”。所以，是的，即使在亞利桑那州度過一個夏天之后，白色粘合劑仍保持白色。
4. 防水，無負(fù)擔(dān)
許多高性能粘合劑依靠溶劑型系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)防水。但溶劑 = 揮發(fā)性有機(jī)化合物 = 環(huán)境問題。
聚氨酯丙烯酸合金具有優(yōu)異的防水性能 水性。 如何？
- 交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
- 來自聚氨酯的疏水鏈段
- 致密的薄膜形成
去離子水浸泡試驗(yàn)（25°c，7天）：
| 材料 | 體重增加（%） | 附著力保持率（%） |
|---|---|---|
| 純亞克力 | 8.5 | 70%排放 |
| 純pu | 12.0 | 65%排放 |
| 聚氨酯丙烯酸合金 | 3.2 | 95%排放 |
沒錯——吸水率只有 3.2%。它基本上是粘合劑中的佼佼者。
?? 應(yīng)用：橡膠與道路接觸的地方
您不需要博士學(xué)位就能了解這些材料的作用。讓我們來看一下一些現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用。
1. 汽車內(nèi)飾
從儀表板層壓板到車頂內(nèi)襯粘合，聚氨酯丙烯酸合金正在以比“排放法規(guī)”更快的速度取代溶劑型粘合劑。
為什么呢？
- 低氣味（在封閉的艙室中很重要）
- 對泡沫、織物和塑料有良好的附著力
- 耐增塑劑遷移（PVC 的常見問題）
自 2021 年起，寶馬和豐田均在其內(nèi)飾裝配線上采用了水性聚氨酯丙烯酸體系（automotive news europe，2022 年）。
2. 木工和家具
忘記那些干了就脆的黃膠水的日子吧?，F(xiàn)代家具制造商想要的是堅(jiān)固、靈活的粘合劑，能夠承受運(yùn)輸、潮濕和琳達(dá)阿姨的熱情重新布置。
聚氨酯丙烯酸分散體具有以下特性：
- 快干強(qiáng)度（初始抓?。?/li>
- 可打磨薄膜
- 無需通過貼面?zhèn)鬟_(dá)信息
一家領(lǐng)先的意大利家具制造商報告稱 膠層故障減少 40% 從 EVA 分散體轉(zhuǎn)換為 PU-丙烯酸合金后（木材涂料雜志，2021 年）。
3. 軟包裝
是的，你的零食袋里有粘合劑。食品包裝用的層壓粘合劑必須：
- 符合FDA標(biāo)準(zhǔn)
- 柔軟
- 耐油、耐濕氣
聚氨酯丙烯酸合金滿足所有這三個要求。它們用于層壓板，用于：
- 咖啡袋
- 寵物食品袋
- 冷凍食品包裝
與一些基于溶劑的替代品不同，它們不會留下化學(xué)余味。您的格蘭諾拉麥片棒應(yīng)該嘗起來像格蘭諾拉麥片，而不是工廠的。
4. 建筑和建筑板材
在夾層板（用于冷藏庫、潔凈室等）中，粘合劑必須將金屬表皮粘合到泡沫芯上。聚氨酯丙烯酸合金具有以下特性：
- 高剪切強(qiáng)度
- 阻燃性（改性后）
- 耐熱循環(huán)
2023 年的一項(xiàng)研究 建筑和建筑材料 發(fā)現(xiàn)聚氨酯丙烯酸粘合板保留了 經(jīng)過 90 次凍融循環(huán)后，其強(qiáng)度仍為 200%——模擬數(shù)十年天氣狀況的殘酷測試。
5. 電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備
想想智能手表、健身帶，甚至助聽器。這些設(shè)備需要的粘合劑是：
- 親膚
- 柔軟
- 耐用
聚氨酯丙烯酸分散體可配制成低過敏性和生物相容性。有些版本甚至通過了 ISO 10993-5（細(xì)胞毒性）測試。
加州一家可穿戴科技初創(chuàng)公司在其皮膚傳感器中使用醫(yī)用級聚氨酯丙烯酸粘合劑——即使出汗和淋浴，粘合效果也能持續(xù) 7 天以上。
?? 產(chǎn)品比較：并非所有合金都是一樣的
讓我們實(shí)際一點(diǎn)。以下是三種商用聚氨酯丙烯酸合金分散體（名稱為中性而虛構(gòu)）的并排比較：
| 產(chǎn)品名稱 | 固體含量（%） | 粘度（mpa·s） | 轉(zhuǎn)溫度（℃） | 最低溫度 (°C) | 主要特點(diǎn) | 典型用途 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 合金鍵3000 | 50 | 1200 | 10 | 10 | 高清晰度，紫外線穩(wěn)定 | 包裝、標(biāo)簽 |
| flexiseal x7 | 45 | 2500 | -5 | 8 | 高柔韌性，低溫 | 汽車、紡織品 |
| ultragrip pro | 55 | 800 | 25 | 15 | 高強(qiáng)度、快速凝固 | 木工、建筑 |
所有產(chǎn)品均為水基產(chǎn)品，揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOC) < 50 g/l，并且不含烷基酚聚氧乙烯醚 (apeos)——這種有害表面活性劑不屬于膠水。
但關(guān)鍵在于：性能不僅僅關(guān)乎規(guī)格。它還關(guān)乎 配方技術(shù). 分散體在紙上可能看起來很棒，但如果它不能與顏料或填料很好地配合，那就沒用了。
這就是為什么領(lǐng)先的供應(yīng)商提供 技術(shù)支持，而不僅僅是產(chǎn)品數(shù)據(jù)表。這就像購買一輛跑車——您需要手冊、維修人員，以及在凌晨 2 點(diǎn)發(fā)動機(jī)發(fā)出轟鳴聲時接電話的人。
???? 可持續(xù)性：粘性的綠色一面
讓我們面對現(xiàn)實(shí)吧——沒有人愿意用有毒膠水來拯救地球。好消息？聚氨酯丙烯酸合金分散體是可持續(xù)發(fā)展浪潮的一部分。
- 水基的：無溶劑，低揮發(fā)性有機(jī)化合物
- 生物基選項(xiàng)：一些聚氨酯片段來自蓖麻油或大豆
- 可回收性：與溶劑型粘合劑相比，在回收流中更容易分離
2022 年 LCA（生命周期評估）發(fā)表于 清潔生產(chǎn)雜志 發(fā)現(xiàn)從溶劑型到水性聚氨酯丙烯酸粘合劑的轉(zhuǎn)換減少了 碳足跡減少 60% 和 能源消耗減少 45%.
是的，它們符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。有些甚至是為了 冷分層—意味著粘合材料可以在使用壽命結(jié)束時分離，而不會將所有東西粉碎成碎屑。
正如蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的 fiona chen 博士所說：
“粘合劑的未來不僅僅是將物體粘在一起，而是要知道何時以及如何將它們分開?！?/p>
深刻，而且實(shí)用。
?? 挑戰(zhàn)與局限：沒有靈丹妙藥
盡管我很喜歡這些材料，但我不會假裝它們是完美的。每種技術(shù)都有其局限性。
1. 成本
聚氨酯丙烯酸合金比基礎(chǔ)丙烯酸更昂貴。原材料（異氰酸酯、多元醇）并不便宜。您為性能付費(fèi)——但并非每個應(yīng)用都需要法拉利級別的附著力。
2. 配方復(fù)雜性
這些分散體可能對以下因素敏感：
- 酸堿度變化
- 電解質(zhì)
- 高剪切混合
有一位顧客曾經(jīng)未經(jīng)測試就添加了廉價的填充物——結(jié)果呢？一團(tuán)膠狀物質(zhì)堵塞了他們的整個生產(chǎn)線。（真實(shí)故事。??）
3. 干燥速度
水的蒸發(fā)時間比溶劑長。在高速轉(zhuǎn)換生產(chǎn)線上，這可能是一個瓶頸。解決方案？紅外線干燥、熱風(fēng)或含有少量溶劑助溶劑的混合系統(tǒng)（但這違背了綠色環(huán)保的目的）。
4. 底物敏感性
雖然粘附范圍很廣，但某些塑料（如未經(jīng)處理的 pe 或 pp）仍然需要火焰、電暈或等離子處理。聚氨酯丙烯酸合金并不是奇跡創(chuàng)造者 - 它們只是非常擅長它們的工作。
?? 未來：更智能、更環(huán)保、更強(qiáng)大
那么我們下一步該怎么做呢？下一代聚氨酯-丙烯酸合金分散體已在開發(fā)中。
1. 自修復(fù)粘合劑
想象一下，一種粘合劑在加熱時可以修復(fù)微裂紋。麻省理工學(xué)院和清華大學(xué)的研究人員正在將修復(fù)劑微膠囊嵌入聚氨酯丙烯酸基質(zhì)中。當(dāng)出現(xiàn)裂縫時，膠囊會破裂并“修復(fù)”損傷。
2. 導(dǎo)電合金
通過添加碳納米管或銀納米粒子，這些分散體可以在導(dǎo)電的同時結(jié)合，這對于柔性電子產(chǎn)品來說是完美的。
3. 生物基聚氨酯片段
阿科瑪?shù)裙菊诖罅ν茝V生物基多元醇。一些分散體現(xiàn)在含有超過 30% 的可再生碳，且性能絲毫不受影響。
4. 人工智能輔助配方
不，我說“人工智能”并不是為了趕時髦。機(jī)器學(xué)習(xí)模型正在接受訓(xùn)練，根據(jù)單體比例和工藝條件來預(yù)測分散穩(wěn)定性、粘附性和干燥行為。這就像在你的口袋里裝了一個聚合物耳語者。
?? 結(jié)論：現(xiàn)代關(guān)系的無名英雄
聚氨酯丙烯酸合金分散體可能不會成為頭條新聞。你不會在廣告牌上看到它們。但它們就在那里——將你的汽車固定在一起，密封你的零食，將智能手表粘合在你的手腕上。
它們代表了材料科學(xué)的精華：不是重新發(fā)明輪子，而是重新想象如何將兩個舊想法變成新的、更好的、更可持續(xù)的東西。
因此，下次您撕下標(biāo)簽、粘貼繃帶或欣賞光滑的汽車內(nèi)飾時，請花點(diǎn)時間欣賞其背后粘合劑的安靜天才。它可能只是一種聚氨酯丙烯酸合金 - 堅(jiān)韌，靈活，并且通過一次粘合悄悄地改變世界。
嘿，如果您從事粘合劑業(yè)務(wù)，也許是時候嘗試一下了。您的客戶（和地球）會感謝您。
?? 引用
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王毅、劉華和張倩（2021 年）。 聚氨酯-丙烯酸混合分散體在高性能涂料中的協(xié)同效應(yīng).有機(jī)涂料進(jìn)展，156，106288。
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zhang, l., chen, x., 和 zhou, w. (2019)。 核殼聚氨酯-丙烯酸雜化乳液的合成與表征. 應(yīng)用聚合物科學(xué)雜志, 136(15), 47421。
-
Lee, S. 和 Kim, J. (2020 年)。 聚氨酯-丙烯酸合金分散體在柔性基材上的附著性能.國際粘附與粘合劑雜志，98，102512。
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歐洲汽車新聞。（2022 年）。 水性粘合劑在歐洲汽車廠受到青睞. 第 37 卷，第 12 期。
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木器涂料雜志。（2021）。 案例研究：聚氨酯丙烯酸分散體在高端家具制造中的應(yīng)用。第 44 卷，第 33-37 頁。
-
astm g154-19。 用于非金屬材料曝光的熒光紫外線（uv）燈裝置的操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范. astm 國際。
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聚合物科學(xué)雜志 B 部分：聚合物物理學(xué)。（2022 年）。 混合聚合物分散體的耐水性和老化行為。 60(8), 621–630。
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建筑和建筑材料。（2023 年）。 聚氨酯丙烯酸酯膠粘劑在夾層板中的熱循環(huán)性能。 367，130294。
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清潔生產(chǎn)雜志。（2022 年）。 包裝應(yīng)用中水基粘合劑與溶劑基粘合劑的生命周期評估。 330，129845。
-
陳 F. 和穆勒 A. （2023）。 可拆卸設(shè)計：粘合劑技術(shù)的下一個前沿.大分子材料與工程，308(4), 2200781。
?? “最好的粘合劑不是你注意到的那些，而是你忘記了的那些。”
— 埃琳娜·馬丁內(nèi)斯博士，可能又對膠水想太多了。
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其他產(chǎn)品：
- nt cat t-12： 一種可室溫固化的快速固化硅膠體系。
- nt cat ul1： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，催化活性中等，活性略低于t-12。
- nt cat ul22： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，活性比t-12高，耐水解性能優(yōu)異。
- nt cat ul28： 適用于有機(jī)硅及硅烷改性聚合物體系，本系列產(chǎn)品活性較高，常用作T-12的替代品。
- nt cat ul30： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，具有中等催化活性。
- nt cat ul50： 用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的中等催化活性催化劑。
- nt cat ul54： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，中等催化活性，耐水解性好。
- nt cat si220： 適用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系，特別推薦用于MS膠粘劑，活性比T-12更高。
- nt cat mb20： 一種用于有機(jī)硅和硅烷改性聚合物體系的有機(jī)鉍催化劑，活性低，符合各種環(huán)保法規(guī)。
- nt cat dbu： 用于硅橡膠室溫硫化的有機(jī)胺催化劑，符合各種環(huán)保法規(guī)。
