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有关反应型热熔聚氨酯PUR的应用
2021年03月29日    阅读量:677    新闻来源:广州化工,2020 年9 月,第48 卷第17 期  |  投稿

作者:林裕卫

( 佛山金万达科技股份有限公司,广东佛山528000)

摘要

反应性PUR胶粘剂,具有无溶剂,粘结强度高,快速固定,耐水洗耐老化,少VOC 排放等优点。本论文主要阐述了反应型热熔聚氨酯PUR 在不同行业的应用及发展趋势,如在工业民用行业应用越来越广,包括建材,木工,汽车,纺织,电子,家用电器等等都有广泛应用,并根据反应型热熔聚氨酯的粘结原理设计分析综合得出市场的痛点及研究方向为功能通用化、双重固化、包装多样化等。

关键词

反应型热熔聚氨酯; PUR; 行业; 应用; 研究方向

 
引言

近年来,反应型热熔聚氨酯PUR 作为一种新型的粘结胶,具有无溶剂,粘结强度高,快速固定,耐水洗耐老化等优点,在工业民用行业应用越来越广,包括建材,木工,汽车,纺织,电子,家用电器等等都有广泛应用涂料在线coatingol.com。首先介绍一下反应型热熔聚氨酯( 以下简称PUR) 。PUR 胶粘剂可以看作是聚氨酯的预聚体,由不同的异氰酸酯( 种类不同,官能度不同,支链不同等) 与不同的多元醇( 聚酯型,聚醚型,混合型) 反应得到不同分子量的异氰酸基封端聚合物。这些聚合物含有活泼反应性的氨酯基或异氰酸基,具有很强的活性和很强的极性,能与含有活泼氢的材料,如纺织品,纸张,木材,陶瓷,皮革,橡胶,玻璃等以及塑料和金属等表面光滑材料都有良好粘结。聚氨酯大分子链之间或与被粘物之间形成氢键结合,使分子内聚力增强,粘结强度更高,耐磨性,耐溶剂性更好。含有醚键的聚氨酯因醚键比较容易内旋,柔顺性好,则表现出低温性能及耐水解性能好。现根据其对基材的适应性对反应型热熔聚氨酯PUR 的具体应用和研究方向进行介绍。

 
1 反应型热熔聚氨酯PUR 的粘结原理

反应型热熔聚氨酯PUR 对基材形成粘结,可以通过物理铆接,吸附理论,扩散理论,氢键,化学反应等得到,但对光滑基材而言,浸润是形成粘结对基础。通常而言,聚氨酯中的氨酯、脲、酯、醚等基团易形成氢键,对多种表面都有良好的湿润性,产生很大的粘合力,对基材对表面张力要求大于38 达因,通过合成过程支链引入以及配方对调配,部分PUR对基材表面张力可以下降到34 达因甚至更低即可形成粘结。目前,市面上的粘结材料应用性能对比如表1 所示,下文的应用也会对材料表面张力进行介绍。

 
2 反应型热熔聚氨酯PUR 的典型应用行业

2. 1 电子行业

随着手持电子设备,特别是智能手机的普及,人们对大屏幕,材料多样化等等提出原来越多对要求,因此PUR 的应用也越来越广。由于PUR 快速固定,粘结强度高等特点,自从2005 年后PUR 在手机中框粘结,屏幕粘结等具体应用中逐步取代了胶带; 蓝牙耳塞,便携式音响等也慢慢使用PUR 进行组装。

 

在这个领域,由于不同的材料需要,比如手机中框镁铝合金,特种尼龙部件,屏幕涂层等对粘结胶提出很高要求,因此有相当技术储备的PUR 厂商如汉高乐泰,3M 公司的产品最早得到应用,比如汉高的354x 系列产品在苹果手机的组装用胶中一直占据主要份额,美国富乐的PUR 产品在VIVO/OPPO 等手机厂商有很大份额; 随着PUR 应用的推广,面对电子行业PUR 产品的高利润,越来越多的国内PUR 厂商涌现,包括威尔邦,雅威,汉司,SR 等纷纷进入电子行业。

 

2. 2 汽车行业

汽车行业PUR 的应用主要是零部件的组装或贴合,包括前大灯外壳组装,顶篷天窗框架粘结,备胎盖板复合,内饰件真空复合,门板结构件粘结等。

 

前大灯外壳的组装是PUR 在汽车行业对一大应用,大致过程如下: 基座( PP)胶槽进行等离子处理,机器人沿着胶槽快速打胶PUR,PC 灯罩插入胶槽并固定,然后气密性测试,测试通过后进行下一工序。由于在线气密性测试,因此对PUR粘结胶初始强度有很高要求; 同时PC 灯罩对防雾处理,也会对PUR 粘结胶对粘结性能提出要求; 而且车灯长期处于外部环境,对PUR 粘结胶的耐候性能也提出要求。基于基本粘结以及长期耐候的要求,车灯厂商对粘结胶的选择比较保守,欧美系厂商如AL/伟世通/SL 等很多仍使用汉高乐泰的PUR 产品,而日系厂商如小糸/stanley 等仍使用丁基胶产品。

 

由于PUR 粘结胶强度高以及耐热性能好,正好满足顶篷天窗框架对承重耐热的需要,国内对顶篷厂商越来越多地采用PUR 替换非反应性热熔胶如EVA 或PO 以及溶剂型氯丁胶。而PUR 在汽车行业另一个主要应用是内饰部件的复合,如门上板,座椅背板,嵌饰板等; 这些部件目前国内很多采用的是溶剂型的胶水,即使部分厂商也逐步采用了更环保的水性胶,但其基本工序仍很类似,先是喷胶,再干燥,然后贴合或真空成型,需要很多的人力劳动,生产效率也不高; 而PUR 用于内饰部件复合,大致过程如下,表皮辊涂或刮涂上胶,胶层冷却收

卷,再在较短时间内( 通常不超过3 h) 放卷在设备上自动成型,这样一条生产线只需要一个工人即可。

 

国外零部件厂商如江森自控早在2005 年就使用西卡的PUR 产品进行自动涂胶生产,而国内的厂商派阁/华翔/鸿永盛等也在某些项目上使用PUR 产品实现自动或半自动生产。

 

2. 3 木工行业

木工行业是目前国内PUR 应用的最主要行业之一,2020 年用量预计超过1. 5 万吨,同时也是国内外PUR 厂商最集中竞争最激烈的行业,国外厂商如汉高,富乐,波士胶,胶王,克力宝等,国内厂商如无锡万力,莱恩,苏州金枪,广州极威,浙江华威,广东欣固圣,广东中粘等。木工行业的主要应用点包括家具大面的平贴,包覆,铝合金窗框的贴皮,家具封边等,不同应用材料,工艺流程,对PUR 提出了不同对要求,主要分为平贴胶和包覆胶,前者对于初始强度的要求比较低,而后者对初始强度要求就很高,两者在价格上也有10% ~ 20%的差异。木工行业PUR 用户比较分散,大江南北都有,设备差异,气候差异,材料差异,生产速度差异等等,PUR 的要求各不相同而且进入的门槛相对较低,可以预计之后的几年木工行业仍是PUR 的重点。

 

2. 4 建材行业

随着家庭装修个性化的要求越来越多,同时现场装修需要更多的人力物力,产生的建筑废弃物也更多,因此定制化家装建材越来越受到欢迎,主要体现在集成墙板和吊顶,而这也正是PUR 在建材的主要应用点。建材行业可以说是和木工行业有比较大的关联而且应用场景也比较类似,不同的色彩,图案的PVC 表皮贴合在木塑板上得到各种类型的板材,墙板厂商再按照不同个体毛坯房的要求和尺寸裁切好板材,再把这些板材直接安装在毛坯房即可,替代了刮墙,油漆,木工,墙纸等等。更低的成本,更快的装修速度,更多样化的选择,集成墙板和吊顶是建材行业的一个新趋势,因此也出现了很多的墙板厂商,同样也意味着PUR 粘结胶的机会。这种材料应用,现在仍有相当部分厂商使用溶剂型的产品( 重庆韩拓的溶剂产品占据了绝大部分的市场份额) ,但PUR无溶剂,粘结强度高,综合成本低的特点将逐步完全取代溶剂胶,包括重庆韩拓在内的厂商也在推广PUR,湖南天希,广州极威等厂商都在积极开拓这个市场,在之后几年,这个市场的PUR 用量可能出现爆发式增长。

 

2. 5 家电行业

随着家电行业的竞争加剧,家电厂商也越来越集中,很多的小厂商已经倒闭,而大厂商出于成本考虑,也削减了生产线的人力投入而在自动化生产方面加大了力度。传统的胶带粘结方式或其他固定方式对人力要求很多,而PUR 的出现正好满足了家电厂商对自动化的要求。考虑到自动化降低成本,以及消费者对玻璃面板的喜爱,家电粘结的基材主要是玻璃面板和ABS 框架的粘结,因此用PUR 的应用点包括空调面板,洗衣机盖板玻璃,饮水器玻璃面板,油烟机控制面板等等。比如国内空调壁挂机面板、空调,饮水机,油烟机等几乎都采用了PUR 粘结,PUR 厂商汉高、富乐和西卡采用送设备的方式绑定客户,基本占据了全部份额。同时自家的机器人能很大程度降低了改造生产线的成本; 格兰仕微波炉也应用PUR在玻璃粘结的应用; 西门子,格力空调,TCL 空调等等都在使用或测试PUR……家电使用PUR 产品不仅仅是胶粘剂的替换,更是生产工艺的进步,可以预计家电用PUR 将越来越广泛。

 

2. 6 纺织行业

纺织行业也是PUR 应用比较早的行业之一,早在上个世纪末已经有很多纺织企业将PUR 用于面料贴合,包括冲锋衣的泼水面料贴合透气膜,不同布料的贴合,女性内衣面料贴合,潜水衣面料贴合等等。纺织行业虽然应用PUR 比较早,但由于纺织企业种类多,产量小分散等原因,一直都是溶剂胶/PUR 并存等局面,直到现在仍有相当部分企业使用溶剂型胶水。对于纺织行业PUR 粘结胶,低表面能( 泼水处理) 粘结,柔软,耐水洗是通常要求,对于特种面料对消防衣面料更提出了阻燃要求。纺织用PUR 固化后比较柔软,初始强度也比较低,固化较慢,使用的比较是聚醚型的聚氨酯,成本较低,对湿气的敏感程度也相对较低,因此,国内厂商比较早进入这个领域。目前国内纺织行业PUR 利润较低,但用量很大,2020 年预计超过1 万吨,因此也吸引了包括富乐,波士胶,克力宝,西卡,金枪,巴德富,万力等国内外厂商。

 

反应型热熔聚氨酯PUR 还在其他行业,如鞋业,工艺品组装等逐步推广,特别是鞋业,如果反应型热熔聚氨酯PUR 厂商克服了粘结性能以及施工方面的问题,PUR 将取代溶剂胶在鞋业的位置。 

3 反应型聚氨酯的研究方向

根据上述对反应型聚氨酯PUR 在多个领域中的应用分析,根据各个市场的痛点及需求,PUR 的研究方向也随着不断提升的性能要求,环保要求,以及对其他溶剂型胶水的替换要求不断的深入,功能不断通用化,应用也在不断的扩大。主要为以下几个方面。

 

3. 1 功能通用化

PUR 虽然是一种新型的粘结胶,但是在木工建材家电等行业,由于应用/基材/区域气候环境/设备等不同,需要多种不同等产品型号来满足不同应用等需要,比如在木工行业,即使同样是PVC 贴木板的应用,北方和南方就需要不同的型号,自动化程度不同也要有差异化的产品,不同厂商的表皮表面张力不同也要多种PUR 产品来适应等等,多样而量小是目前PUR行业的一个痛点,开发一款或几款通用性好/基材适应性广的PUR 产品是目前的一个研究方向。

 

3. 2 双重固化方式

PUR 产品通过冷却物理交联得到初始强度,而后续的湿气固化形成其他方式的粘结交联并得到最终强度,但初期的冷却物理粘结强度不高而达不到要求,同样后续湿气固化太慢也会影响生产效率。比如在电子行业,手机中框屏幕等粘结,PUR 施工后需要2 小时或者以上的才能达到一定强度而拆卸压合模具,再进行下一工序,这样不但需要大量的压合模具同时也大大降低整个生产流程。因此PUR 厂商根据不同行业的痛点难点,研究开发双重固化的PUR 产品,比如紫外固化+湿气固化,施工后通过紫外辐射可以瞬间加速PUR 固化而达到一定操作强度。也有采用加热熔化的时候同时产生反应,在冷却后除了湿气固化帮助外,也瞬间达到粘结强度,此为热固化型单组分PUR 胶,室温下是稳定的,加热时内部发生化学反应而固化,没有副产物产生,粘结强度格外高,稳定性能好,具有两相体系,掩蔽活性氢和掩蔽异氰酸酯三种类型。

 

3. 3 施工方式包装多样化

PUR 作为热熔胶的一个种类,以固体或粘稠液体的形式存在于密封的包装里面,PUR 通常的包装方式有55 加仑,5 加仑,2 kg,300 mL,30 mL 等,不同的包装方式有不同的施工方式和施工设备; 但不管包装形式怎样,都经历加热融化然后以胶条,点状,刮胶,辊涂,喷涂等方式施工,由于PUR 湿气敏感,上述的施工方式都对施工设备的整个胶体流动管路的气密性提出要求,因此专业的设备以及操作流程大大限制了PUR的应用场景。研究PUR 的包装形式多样化,施工设备民用化能大大拓展PUR 的应用广度,比如50 mL 金属管包装和小型胶枪,克力宝150 mL 的铝管包装及对应的胶枪,200 g 铁罐包装以及相应喷涂设备,研发不同包装以及相应的施工工具设备,使施工简易化,民用化也是目前PUR 胶粘剂推广的一个方向。

 

4 结语

 

随着中国全面小康化,幸福健康生活成为人民日益追求的标,社会发展不能以牺牲环境为代价,国家及社会对环保、安全的重视,去溶剂化,去VOC 排放,尤其是在欧美洲市场的带动下,非溶剂胶粘剂获得极大发展。反应型热熔聚氨酯PUR作为新型的粘结胶,将会在更多的行业和领域得到推广和应用。 


标签:原材料技术中心树脂
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