胶粘剂、其制备方法及蒙皮
技术领域
本发明涉及航空器制造领域,具体而言,涉及一种胶粘剂、其制备方法及蒙皮。
背景技术
浮空器蒙皮材料是一种多层功能材料复合物,其主要包括承力层、阻隔层和耐候层,然后两层之间采用胶粘剂进行粘合等。形成承力层、阻隔层和耐候层的材料各不同,相应地上述材料的表面性能也具有非常大的差异。而蒙皮材料最终的性能要求高,所以对胶粘剂的性能要求也较高。
市面上合适的聚氨酯胶粘剂种类较少,且胶粘剂主要是双组份溶剂型聚氨酯复合胶粘剂。现有的双组份溶剂型聚氨酯复合胶粘剂中常添加有环氧树脂,如酚基丙烷环氧树脂、缩水甘油醚类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂等。上述类型的环氧树脂能够提供一定的刚性骨架,这对提高粘接力能够起到良好的作用。但环氧树脂的添加往往会造成胶粘剂本体偏硬,而且必须在达到一定上胶量的前提下,才勉强能达到指标。同时上胶量较高还会造成蒙皮材料硬度过高、撕裂强度偏低等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种胶粘剂、其制备方法及蒙皮,以解决现有的胶粘剂会造成蒙皮材料硬度过高和撕裂强度偏低的问题。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种胶粘剂的制备方法,该制备方法包括:SBS环氧改性:将SBS、有机酸和过氧化氢进行反应,得到SBS环氧改性产物;主剂的合成:将多元醇和第一多异氰酸酯进行扩链反应,得到异氰酸预聚物;将异氰酸预聚物、部分或全部SBS环氧改性产物及第一溶剂混合,得到主剂;固化剂的合成:将第二多异氰酸酯的异氰酸酯基和三羟甲基丙烷的羟基在第二溶剂中进行反应,得到三羟甲基丙烷改性的异氰酸酯;及胶粘剂的制备:将主剂与固化剂进行混合,得到胶粘剂。
进一步地,当将异氰酸预聚物、部分SBS环氧改性产物及第一溶剂混合得到主剂时,在制备异氰酸预聚物的过程中,将剩余的SBS环氧改性产物与多元醇及第一多异氰酸酯一起进行扩链反应。
进一步地,SBS环氧改性的过程包括:将有机酸与SBS共聚物混合,形成混合液;及将混合液与过氧化氢发生反应,得到SBS环氧改性产物。
进一步地,有机酸选自甲酸和/或乙酸。
进一步地,SBS环氧改性反应中,控制反应的温度为40~70℃。
进一步地,SBS环氧改性反应中,有机酸占SBS的重量的1~5wt%,过氧化氢占SBS的重量的10~15wt%。
进一步地,扩链反应中,将多元醇中羟基的摩尔数与SBS环氧改性产物中环氧基团的摩尔数之和记为N1,将第一多异氰酸酯中NCO基团的摩尔数记为N2,其中N1:N2=1~3:1;优选地,多元醇与SBS环氧改性产物的摩尔数之比为10~20:1。
进一步地,扩链反应中,反应温度为70~80℃,反应时间为2~3h。
进一步地,固化剂的合成反应中,反应温度为50~80℃,反应时间为1~2h。
进一步地,多元醇选自聚氧化丙烯二醇、聚氧化丙烯三醇、聚四氢呋喃二醇、蓖麻油、聚氧化乙烯二元醇和聚丁二烯多元醇组成的组中的一种或多种,优选多元醇的分子量为200~5000。
进一步地,第一多异氰酸酯和第二多异氰酸酯分别独立地选自甲苯二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯组成的组中的一种或多种。
进一步地,第一溶剂和第二溶剂分别独立地选自甲苯、DMF、丙酮、甲乙酮、乙酸乙酯、环己烷和乙醇组成的组中的一种或多种。
进一步地,在主剂的合成步骤中,在将异氰酸预聚物、部分或全部SBS环氧改性产物及第一溶剂混合时,同时加入偶联剂,优选偶联剂选自硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。
本申请另一方面还提供了一种胶粘剂,胶粘剂采用上述制备方法制得。
进一步地,胶粘剂包括主剂和固化剂,按重量份计,主剂包括5~10份的SBS环氧改性产物、100份的异氰酸预聚物以及第一溶剂,且主剂的固含量为30~40wt%;固化剂的反应原料包括40~55份的第二多异氰酸酯、35~45份的第二溶剂以及3~30份的三羟甲基丙烷,主剂与固化剂的重量比为100:5~15。
进一步地,主剂还包括0.5~5份的偶联剂。
本申请又一方面还提供了一种蒙皮,蒙皮包括胶粘层,胶粘层由上述胶粘剂经涂布、固化形成。
应用本发明的技术方案,由于胶粘剂中引入了环氧基团,环氧基团中的氧原子能与相邻的氢原子形成氢键,这有利于提高胶粘剂内部分子间的内聚力;同时由于环氧基团的引入,使得胶粘剂的润湿性也大大提高,进而提高胶粘剂与基材的机械咬合强度。在上述两方面元素的影响下,本申请制得的胶粘剂具有良好的抗撕裂强度。同时由于SBS具有良好的柔韧性,因而采用上述方法制得胶粘剂还具有较为合适的硬度。综上所述,采用本申请提供的制备方法制得的胶粘剂具有合适的硬度和优异的抗撕裂程度。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合实施例来详细说明本发明。
本申请中涉及到的术语“SBS”是指苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
正如背景技术所描述的,现有的胶粘剂会造成蒙皮材料硬度过高和撕裂强度偏低的问题。为了解决上述技术问题,本申请提供了一种胶粘剂的制备方法,该制备方法包括:SBS环氧改性:将SBS、有机酸和过氧化氢进行反应,得到SBS环氧改性产物;主剂的合成:将多元醇和第一多异氰酸酯进行扩链反应,得到异氰酸预聚物;将异氰酸预聚物、部分或全部SBS环氧改性产物及第一溶剂混合,得到主剂;固化剂的合成:将第二多异氰酸酯和三羟甲基丙烷在第二溶剂中进行反应,得到三羟甲基丙烷改性的异氰酸酯;及胶粘剂的制备:将主剂与固化剂进行混合,得到胶粘剂。
本申请提供的胶粘剂中,通过使用对SBS进行环氧改性,得到一种新型的环氧化合物—SBS环氧改性产物(SBS中PB的双键打开,氧化为环氧基团)。将多元醇的羟基和第一多异氰酸酯的异氰酸基团进行扩链反应得到异氰酸酯预聚物;将上述异氰酸酯预聚物、SBS环氧改性产物和第一溶剂混合后,得到主剂。通过第二多异氰酸酯的异氰酸酯基和三羟甲基丙烷的羟基在第二溶剂中进行反应,得到三羟甲基丙烷改性的异氰酸酯。然后主剂与固化剂混合后,发生固化反应,得到所需的胶粘剂。
上述制备方法中,由于胶粘剂中引入了环氧基团,环氧基团中的氧原子能与相邻的氢原子形成氢键,这有利于提高胶粘剂内部分子间的内聚力;同时由于环氧基团的引入,使得胶粘剂的润湿性也大大提高,进而提高胶粘剂与基材的机械咬合强度。在上述两方面元素的影响下,本申请制得的胶粘剂具有良好的抗撕裂强度。同时由于SBS具有良好的柔韧性,因而采用上述方法制得胶粘剂还具有较为合适的硬度。综上所述,采用本申请提供的制备方法制得的胶粘剂具有合适的硬度和优异的抗撕裂程度。
在一种优选的实施方式中,当异氰酸预聚物、部分SBS环氧改性产物及第一溶剂混合得到主剂时,在制备异氰酸预聚物的过程中,将剩余的SBS环氧改性产物与多元醇及第一多异氰酸酯一起进行上述扩链反应。采用上述制备方法有利于提高环氧基团的分散均匀性,从而有利于提高胶粘剂的抗撕裂性能。
上述制备方法中,SBS环氧改性的过程包括:将有机酸与SBS共聚物混合,形成混合液;及将混合液与过氧化氢发生反应,得到SBS环氧改性产物。
SBS环氧改性过程中,有机酸先和过氧化氢反应生成过氧有机酸,然后利用过氧有机酸将SBS进行环氧改性,得到SBS的环氧改性产物。由于过氧有机酸及其不稳定,且环氧改性过程反应比较剧烈,所以为了降低反应的激烈程度,先将有机酸与SBS混合,形成混合液,这有利于降低有机酸的有效反应浓度。然后将过氧化氢逐步滴加如上述混合液中,过氧化氢先与有机酸反应,然后再和SBS进行环氧改性。
优选地,待SBS环氧改性反应完成后,向反应体系中加入乙醇进行凝聚,然后将凝聚物进行洗涤后置于真空干燥箱中进行干燥至恒重,即得到SBS环氧改性产物。
上述制备反应中,有机酸包括但不限于甲酸和/或乙酸。
在一种优选的实施方式中,SBS环氧改性反应的过程中,控制反应的温度为40~70℃。上述制备反应中,SBS环氧改性反应的反应温度包括但不限于上述范围,而将限定在上述范围内,有利于提高SBS环氧改性反应的反应速率和异氰酸酯预聚物的产率。
在一种优选的实施方式中,SBS环氧改性反应的过程中,有机酸占SBS的重量的1~5wt%,过氧化氢占SBS的重量的10~15wt%。SBS环氧改性反应的过程中,有机酸和过氧化氢的用量包括但不限于上述范围,而将二者的用量限定的在上述范围内,有利于限定SBS环氧改性化合物中环氧改性的程度,从而有利于调节最终制得的胶粘剂的抗撕裂性能。
在一种优选的实施方式中,扩链反应中,将多元醇中羟基的摩尔数与SBS环氧改性产物中环氧基团的摩尔数之和记为N1,将与第一多异氰酸酯中NCO基团的摩尔数记为N2,其中N1:N2=1~3:1。将多元醇中羟基的摩尔数与SBS环氧改性产物的环氧基团的摩尔数之和与第一多异氰酸酯中NCO基团的摩尔数之比限定在上述范围内,有利于提高第一多异氰酸酯中NCO基团的反应程度。优选为多元醇与所述SBS环氧改性产物的摩尔数之比为10~20:1。
在一种优选的实施方式中,扩链反应中,反应温度为70~80℃,反应时间为2~3h。上述制备方法中,扩链反应的反应温度和时间包括但不限于上述范围,温度低于70℃时,扩链反应的反应速率较慢,异氰酸酯预聚物的产率交低。而当反应温度大于80℃时,扩链改性反应过于剧烈,容易造成不安全问题的发生,并导致反应终止。
在一种优选的实施方式中,固化剂的合成反应中,反应温度为50~80℃,反应时间为1~2h。固化剂的合成反应中,反应温度和反应时间包括但不限于上述范围,而将其限定在上述范围,有利于提高固化反应中第二异氰酸酯和三羟甲基丙烷的反应速率,同时提高三羟甲基丙烷改性异氰酸的产率。
本申请提供的上述胶粘剂的制备方法中,多元醇包括但不限于聚氧化丙烯二醇、聚氧化丙烯三醇、聚四氢呋喃二醇、蓖麻油、聚氧化乙烯二元醇和聚丁二烯多元醇组成的组中的一种或多种,优选该多元醇的分子量为200~5000。
本申请提供的上述胶粘剂的制备方法中,第一多异氰酸酯和第二多异氰酸酯分别独立地选自甲苯二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯组成的组中的一种或多种。
本申请提供的上述胶粘剂的制备方法中,第一溶剂和第二溶剂分别独立地选自甲苯、DMF、丙酮、甲乙酮、乙酸乙酯、环己烷和乙醇组成的组中的一种或多种。
本申请提供的上述胶粘剂的制备方法中,主剂的合成步骤中,在将异氰酸预聚物、部分或全部SBS环氧改性产物及第一溶剂混合时,同时加入偶联剂。优选偶联剂包括但不限于硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。硅烷偶联剂包括但不限于环氧基硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂和异氰酸酯基硅烷偶联剂组成的组中的一种或多种。钛酸酯偶联剂包括但不限于单烷氧基钛酸酯、新烷氧基钛酸酯和钛酸酯螯合物组成的组中的一种或多种。
本申请另一方面还提供了一种采用上述制备方法制得的胶粘剂。
由于胶粘剂中引入了环氧基团,环氧基团中的氧原子能与相邻的氢原子形成氢键,这有利于提高胶粘剂内部分子间的内聚力;同时由于环氧基团的引入,使得胶粘剂的润湿性也大大提高,进而提高胶粘剂与基材的机械咬合强度。在上述两方面元素的影响下,本申请制得的胶粘剂具有良好的抗撕裂强度。同时由于SBS具有良好的柔韧性,因而采用上述方法制得胶粘剂还具有较为合适的硬度。综上所述,采用本申请提供的制备方法制得的胶粘剂具有合适的硬度,和优异的抗撕裂程度。
在一种优选的实施方式中,胶粘剂包括主剂和固化剂,按重量份计,主剂包括5~10份的SBS环氧改性产物、0.5~5份的偶联剂、100份的异氰酸预聚物以及第一溶剂,且主剂的固含量为30~40wt%,合成固化剂的反应原料为40~55份的第二多异氰酸酯、35~45份的第二溶剂以及3~30份的三羟甲基丙烷,且主剂与固化剂的重量比为100:5~15。将胶粘剂中各组分的用量限定在上述范围内,有利于进一步提高胶粘剂的综合性能。
需要注意的是,主剂中的异氰酸预聚物可以由多元醇和第一多异氰酸酯进行扩链反应,得到;也可以通过多元醇、部分SBS环氧改性产物和第一多异氰酸酯进行扩链反应得到。
本申请另一方面还提供了一种蒙皮,蒙皮包括胶粘层,该胶粘层由上述胶粘剂经涂布、固化而成。
由于胶粘剂中引入了环氧基团,环氧基团中的氧原子能与相邻的氢原子形成氢键,这有利于提高胶粘剂内部分子间的内聚力;同时由于环氧基团的引入,使得胶粘剂的润湿性也大大提高,进而提高胶粘剂与基材的机械咬合强度。在上述两方面元素的影响下,本申请制得的胶粘剂具有良好的抗撕裂强度。同时由于SBS具有良好的柔韧性,因而采用上述方法制得胶粘剂还具有较为合适的硬度。因而使用上述胶粘剂制成的蒙皮具有良好的综合性能。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述,这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
(1)SBS环氧改性:
在反应釜内加入100gSBS和第一溶剂(环己烷溶剂)1L形成第一混合液,将上述第一混合液在温度为50℃下搅拌溶解1h;然后向上述第一混合液中,添加相对SBS重量3%的有机酸(甲酸),然后向上述第一混合液中加入相对SBS重量10%的过氧化氢,且在1h内滴加完毕,反应完全后用乙醇进行凝聚,将得到的凝聚物进行洗涤,最后将产物(洗涤后的凝聚物)置于真空干燥箱中干燥至恒重,即为SBS环氧改性产物ESBS。
(2)主剂的合成:
在反应釜中投入500g聚氧化丙烯二醇PPG600(0.25mol)与50gESBS(0.05mol),得到第二混合液,然后将上述第二混合液加热至120℃,并控制真空度为-0.1MPa,恒温2h除去水分;将上述第二混合液降温至40℃后,开动搅拌,并向上述第二混合液中加入15g二苯基甲烷二异氰酸酯(0.06mol)进行扩链反应,反应1h后,升温至70~80℃保持3h,得到异氰酸酯预聚物;然后将上述异氰酸酯预聚物冷却至室温后,向上述异氰酸酯预聚物中添加60gESBS、1.3Kg甲乙酮和3g偶联剂(0.06mol,18.06mol,0.01mol),出料后密闭包装制得主剂组分。
(3)固化剂的合成:
在反应釜内投入55g异氰酸酯(0.31mol TDI)和35g第二溶剂(0.39mol乙酸乙酯),开动搅拌,滴加20g熔融好的三羟甲基丙烷,控制滴加时间为2h,控制温度60℃,恒温2h,冷却到室温,出料密封得到固化剂组分;
(4)胶粘剂的制备:将主剂与固化剂以100:7比例混合搅拌后,得到双组份聚氨酯复合胶粘剂。
实施例2
与实施例1的区别在于:
主剂的合成:在反应釜内投入500g聚氧化丙烯二醇PPG2000(0.25mol)、20gESBS(0.02mol),得到第二混合液,然后将上述第二混合液加热至120℃,并控制真空度为-0.1MPa,恒温2h除去水分;将上述第二混合液降温至40℃后,开动搅拌,并向上述第二混合液中加入175g多亚甲基多苯基多异氰酸酯PAPI(0.5mol)进行扩链反应,反应1h后,升温至75℃保持2h,得到异氰酸酯预聚物;然后将上述异氰酸酯预聚物冷却至室温后,向上述异氰酸酯预聚物中添加25gESBS(0.025mol)、1.1Kg甲乙酮(15.28mol)与6g偶联剂(0.02mol),出料后密闭包装制得主剂组分。
实施例3
与实施例1的区别在于:
主剂的合成:在反应釜内投入500g聚氧化乙烯二元醇PEG1000(0.5mol)、30gESBS(0.03mol),得到第二混合液,然后将上述第二混合液加热至120℃,并控制真空度为-0.1MPa,恒温2h除去水分;将上述第二混合液降温至40℃后,开动搅拌,并向上述第二混合液中加入352g多亚甲基多苯基多异氰酸酯PAPI(1.0mol)进行扩链反应,反应1h后,升温至70℃保持2h,得到异氰酸酯预聚物;然后将上述异氰酸酯预聚物冷却至室温后,向上述异氰酸酯预聚物中添加25gESBS(0.025mol)、1.4Kg甲乙酮(19.44mol)与10g偶联剂(0.03mol),出料后密闭包装制得主剂组分。
实施例4
与实施例1的区别在于:环氧改性的反应温度为35℃。
实施例5
与实施例1的区别在于:有机酸占所述SBS的重量的0.5wt%。
实施例6
与实施例1的区别在于:主剂中不包含偶联剂。
实施例7
与实施例1的区别在于:扩链反应中不加入SBS环氧改性物,而将SBS环氧改性物用于与异氰酸酯预聚物和第一溶剂混合,且SBS环氧改性物的加入量为实施例1中SBS环氧改性物重量的50%。
实施例8
与实施例1的区别在于:扩链反应中不加入SBS环氧改性物,而将所有的SBS环氧改性物均用于与异氰酸酯预聚物和第一溶剂混合,且SBS环氧改性物的加入量与实施例1中SBS环氧改性物的含量相同。
对比例1
与实施例1的区别在于:以酚基丙烷环氧树脂代替SBS环氧改性物加入主剂中。
为了检测上述胶粘剂的性能,本申请采用实施例中的胶粘剂制备蒙皮材料,蒙皮的结构为依次层叠设置的承力层、阻隔层和耐候层,且承力层、阻隔层和耐候层之间采用实施例1至8及对比例1中制得的胶粘剂进行粘结。
根据GB-T 2411-2008塑料邵氏硬度试验方法和GB 2790-1995胶粘剂180°剥离强度试验方法对蒙皮材料的性能进行了检测,结果见表1。
表1
由表1中的数据可以看出,本发明上述的实施例实现了如下技术效果:相比于现有的胶粘剂,采用本申请提供的制备方法制得的胶粘剂同时具有优异的粘结强度和合适的硬度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。