CN111704883B - 一种适用于木材的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于木材的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂及其制备方法，按质量百分含量计，所述聚氨酯粘合剂的原料配方包括以下组分：异氰酸酯45.6~58%、聚醚多元醇18.7~30%、聚酯多元醇20~27%、催化剂0.1~0.3%和助剂0.1~0.3%，其中，所述聚醚多元醇为官能度为3、数均分子量5000~6000的聚环氧丙烷醚多元醇，环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚聚醚多元醇，官能度为2、数均分子量为1000~2000的聚四氢呋喃醚多元醇的混合物。本发明的单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，配方中的多元醇采用特定聚醚多元醇和聚酯多元醇配合，制备得到的聚氨酯粘合剂用于木材与木材之间的粘合，贴合后压剪强度高，木材经久耐用。
Description
技术领域
本发明属于胶粘剂技术领域，具体涉及一种适用于木材的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂及其制备方法。
背景技术
随着世界性森林资源急剧减少和我国天然林资源保护工程的实施，小木材拼大板就要求胶黏剂粘接强度和耐久耐候等性能优于木材本身。胶黏剂用量的多少，已成为衡量木材工业技术发展水平的标志。
作为粘合剂在木材工业方面的应用，主要是在层积板材、指接、端接等方面。在合成粘合剂中，用作木材粘合剂的合成树脂一般是指热固型树脂。传统的木材粘合剂有间苯二酚-甲醛树脂、苯酚间苯二酚-甲醛树脂、三聚氰胺-尿素-甲醛等以甲醛为主要原料的胶粘剂，然而此类粘合剂存在固化时收缩率较大，胶层易产生裂缝，耐水性差；含有游离甲醛，使用期间会向周围散发甲醛气体而污染环境，接触后会引起多发性疾病如气管炎、哮喘、皮炎，长时间接触甚至会患恶性肿瘤。
随着人们生活水平的提高，环保问题日益成为各行各业的重中之重的问题，因此，木材加工行业开始将目光投向新型的环保粘合剂，如聚氨酯粘合剂，聚氨酯粘合剂既不会释放有毒物质，具有固化速度快、固化物颜色较浅、胶接强度高、结构设计灵活、生产施工方便的特点。按照使用方法来分，聚氨酯粘合剂可以分为单组份和双组份两种。单组份聚氨酯粘合剂较双组份聚氨酯粘合剂的一个明显的优点是使用时不需要进行化学计算，也不需要添加其他的交联剂，只需利用空气或基材表面的水分就可以固化，产生粘结作用，给施工带来了极大的方便，所以应用比较广泛。
工业使用的单组分湿气固化聚氨酯粘合剂是液态的，在室温下使用，能和许多非木基材如纺织纤维、金属、塑料、橡胶等粘接。如中国专利CN101319129A公开的单组分无溶剂湿气固化聚氨酯胶粘剂及其制造方法，该聚氨酯胶粘剂包括多元醇、二异氰酸酯、催化剂、偶联剂和扩链剂，按重量百分比，多元醇40~70%、二异氰酸酯30~55%、扩链剂0~5%、催化剂0.1~0.5%和偶联剂0~1%，该聚氨酯胶粘剂通过空气中及材料中的湿气固化，其针对的是铝材与铝材之间的粘结，但由于木材不管是含水率还是本身材质与铝材都不同，针对铝材可以粘合的胶粘剂用于木材上并不一定适用，且从该专利实施的原料中可以看出，所使用的只是普通的聚酯多元醇和聚醚多元醇，并不一定能够解决木材粘合剂所需要的初粘力问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足提供一种适用于木材的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，按质量百分含量计，所述聚氨酯粘合剂的原料配方包括以下组分：
异氰酸酯 45.6~58%；
聚醚多元醇 18.7~30%；
聚酯多元醇 20~27%；
催化剂 0.1~0.3%；
助剂 0.1~0.3%。
根据本发明的一些实施方面，所述聚醚多元醇为官能度为3、数均分子量5000~6000的聚环氧丙烷醚多元醇，环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚聚醚多元醇，官能度为2、数均分子量为1000~2000的聚四氢呋喃醚多元醇的混合物。
优选地，所述聚醚多元醇为所述环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚聚醚多元醇、所述聚环氧丙烷醚多元醇、所述聚四氢呋喃醚多元醇按质量比1:0.5~1：0.5~3的组合。
根据本发明的一些实施例，所述环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚聚醚多元醇的数均分子量为2500~3500，环氧乙烷与环氧丙烷的摩尔比为6:3~5，官能度为3。优选地，所述环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚聚醚多元醇为数均分子量为3000，官能度为3，环氧乙烷与环氧丙烷的摩尔比为6:4的聚醚三元醇。具体如AD-3300E。
根据本发明的一些实施例，所述聚环氧丙烷醚多元醇的数均分子量为5000、不饱和度0.005mmol/g的聚环氧丙烷醚多元醇，数均分子量为6000、不饱和度0.005mmol/g的聚环氧丙烷醚多元醇中的一种或几种。具体包括但不限于330N、EP-3600中的一种或几种。
根据本发明的一些实施方面，所述聚酯多元醇为官能度为2、数均分子量为1000～2000的聚碳酸酯多元醇，官能度为2、数均分子量为1000~2000的由己二酸和新戊二醇合成的聚己二酸-酯多元醇中的一种或几种。具体包括但不限于PCDL1000、AN-1000、AN-2000中的一种或几种。
根据本发明的一些实施方面，所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI-100）、碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯以及它们的混合物（液化MDI）、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和多苯基甲烷多异氰酸酯的混合物（聚合MDI）中的一种或几种。
根据本发明的一些实施方面，所述助剂为表面活性改进剂。优选地，所述助剂为有机铬络合物、硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂和铝酸化合物偶联剂中的一种或几种。
根据本发明的一些实施方面，所述催化剂为三乙烯二胺、双吗啉二乙基醚、N,N-二甲基环己胺、双（二甲胺基乙基）醚中的至少一种。
本发明采取的又一技术方案为：上述无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂在木材粘结上的用途。
进一步地，所述木材的含水率为8~15%的低含水率。
本发明采取的另一技术方案为：上述所述的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂的制备方法：使异氰酸酯、聚醚多元醇和聚酯多元醇在70~80℃下反应，制得聚氨酯预聚体，降温至50℃或50℃以下，加入催化剂和助剂，搅拌均匀制得NCO封端的聚氨酯粘合剂。
根据本发明的一些实施方面，所述聚氨酯预聚体的NCO%含量为10%~16%。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，配方中的多元醇采用特定聚醚多元醇和聚酯多元醇配合，制备得到的聚氨酯粘合剂用于木材与木材之间的粘合，贴合后压剪强度大于9.7MPa。且本发明的单组分湿气固化聚氨酯粘合剂在室温下使用，简单涂胶于木材表面，并只需利用空气或木材的水分就可以固化，产生粘结作用，施工操作方便。
具体实施方式
不需进一步详细说明，认为本领域熟练技术人员借助前面的描述，可以最大程度的利用本发明。因此，下面提供的实施例仅仅是进一步阐明本发明而已，并不意味着以任何方式限制本发明范围。
实施例1
本实施例提供的适用于木材的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，其由聚醚多元醇、聚酯多元醇和异氰酸酯反应制得预聚体，然后加入催化剂和助剂搅拌均匀制得的NCO封端的聚氨酯预聚体，其中，
异氰酸酯为碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯以及它们的混合物（液化MDI）、4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和多苯基甲烷多异氰酸酯的混合物（聚合MDI）的组合；
聚醚多元醇为聚环氧丙烷醚三元醇、环氧乙烷和环氧丙烷无规共聚聚醚三元醇、聚四氢呋喃醚多元醇的组合，聚环氧丙烷醚三元醇使用数均分子量5000、不饱和度0.005mmol/g的330N；环氧乙烷和环氧丙烷无规共聚聚醚三元醇采用环氧乙烷和环氧丙烷的摩尔比为6/4，数均分子量3000的AD-3300E（旭川化学）；聚四氢呋喃醚多元醇采用官能度2、数均分子量2000的PTMG-2000；
聚酯多元醇采用官能度为2、数均分子量为1000的聚碳酸酯多元醇PCDL1000；
催化剂采用选自三乙烯二胺；
助剂采用有机铬络合物。
本例的聚氨酯粘合剂的具体的原料配方如下（以质量百分数计）：
AD-3300E 5.4%
330N 5.4%
PTMG-2000 16.2%
PCDL1000 27.0%
聚合MDI 21.3%
液化MDI 24.3%
催化剂 0.1%
助剂 0.3%。
聚氨酯粘合剂具体通过以下方法制备得到：
按照配方，在反应釜中加入聚醚多元醇和聚酯多元醇，设置反应温度100~110℃、压强-0.095MPa，混合均匀并脱水至水分小于0.05%，降温至50℃，加入聚合MDI和液化MDI，设置反应温度70-80℃，搅拌反应3小时，降温到50℃，加入催化剂和助剂，搅拌0.5小时，检测NCO%为10%，合格出料。
将本例的粘合剂在空气温度24℃、空气湿度50%、木材含水率为8%的条件下均匀涂胶，实施贴合保压7-10kg/平方厘米，最终48小时后压剪强度为9.8MPa。
实施例2
本实施例提供的适用于木材的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂与实施例1的不同之处在于：聚醚多元醇中的聚环氧丙烷醚三元醇采用数均分子量6000、不饱和度0.005mmol/g的聚环氧丙烷醚三元醇EP-3600；聚酯多元醇采用官能度2、数均分子量为1000的由己二酸、新戊二醇合成的聚酯多元醇AN-1000（旭川化学）；催化剂选自双吗啉二乙基醚；助剂采用硅烷类偶联剂。
本例的聚氨酯粘合剂的具体的原料配方如下（以质量百分数计）：
AD-3300E 10%
EP-3600 10%
PTMG-2000 10%
AN-1000 20%
聚合MDI 15%
液化MDI 34.6%
催化剂 0.2%
助剂 0.2%。
聚氨酯粘合剂具体通过以下方法制备得到：
按照配方，在反应釜中加入聚醚多元醇和聚酯多元醇，设置反应温度100~110℃、压强-0.095MPa，混合均匀并脱水至水分小于0.05%，降温至50℃，加入聚合MDI和液化MDI，设置反应温度70-80℃，搅拌反应3小时，降温到50℃，加入催化剂和助剂，搅拌0.5小时，检测NCO%为12%，合格出料。
将本例的粘合剂在空气温度24℃、空气湿度50%、木材含水率为10%的条件下均匀涂胶，实施贴合保压7-10kg/平方厘米，最终48小时后压剪强度为10.6MPa。
实施例3
本实施例提供的适用于木材的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂与实施例2的不同之处在于：异氰酸酯选用二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI-100）和液化MDI；聚醚多元醇中的聚四氢呋喃醚多元醇采用官能度2、数均分子量1000的PTMG-1000；聚酯多元醇采用官能度2、数均分子量为2000的聚碳酸酯多元醇PCDL2000；催化剂选自N,N-二甲基环己胺；助剂采用钛酸酯类偶联剂。
本例的聚氨酯粘合剂的具体的原料配方如下（以质量百分数计）：
AD-3300E 7.1%
EP-3600 7.1%
PTMG-1000 11.9%
PCDL2000 21.4%
MDI-100 25.9%
液化MDI 26.2%
催化剂 0.3%
助剂 0.1%。
聚氨酯粘合剂具体通过以下方法制备得到：
按照配方，在反应釜中加入聚醚多元醇和聚酯多元醇，设置反应温度100~110℃、压强-0.095MPa，混合均匀并脱水至水分小于0.05%，降温至50℃，加入MDI-100和液化MDI，设置反应温度70-80℃，搅拌反应3小时，降温到50℃，加入催化剂和助剂，搅拌0.5小时，检测NCO%为14%，合格出料。
将本例的粘合剂在空气温度24℃、空气湿度50%、木材含水率为14%的条件下均匀涂胶，实施贴合保压7-10kg/平方厘米，最终48小时后压剪强度为11.1MPa。
实施例4
本实施例提供的适用于木材的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂与实施例3的不同之处在于：聚醚多元醇中的聚环氧丙烷醚三元醇采用330N；聚酯多元醇采用官能度2、数均分子量为2000的由己二酸、新戊二醇合成的聚酯多元醇AN-2000（旭川化学）；催化剂选自双吗啉二乙基醚；助剂采用铝酸化合物偶联剂。
本例的聚氨酯粘合剂的具体的原料配方如下（以质量百分数计）：
AD-3300E 8.3%
330N 4.2%
PTMG-1000 6.2%
AN-2000 22.9%
MDI-100 20.8%
液化MDI 37.2%
催化剂 0.2%
助剂 0.2%。
聚氨酯粘合剂具体通过以下方法制备得到：
按照配方，在反应釜中加入聚醚多元醇和聚酯多元醇，设置反应温度100~110℃、压强-0.095MPa，混合均匀并脱水至水分小于0.05%，降温至50℃，加入MDI-100和液化MDI，设置反应温度70-80℃，搅拌反应3小时，降温到50℃，加入催化剂和助剂，搅拌0.5小时，检测NCO%为16%，合格出料。
将本例的粘合剂在空气温度24℃、空气湿度50%、木材含水率为15%的条件下均匀涂胶，实施贴合保压7-10kg/平方厘米，最终48小时后压剪强度为12.3MPa。
对比例1
本对比例提供的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，与实施例4的不同之处在于：不采用AD-3300E。
本例的聚氨酯粘合剂的具体的原料配方如下（以质量百分数计）：
330N 12.5%
PTMG-1000 6.2%
AN-2000 22.9%
MDI-100 20.8%
液化MDI 37.2%
催化剂 0.2%
助剂 0.2%。
聚氨酯粘合剂具体通过以下方法制备得到：
按照配方，在反应釜中加入聚醚多元醇和聚酯多元醇，设置反应温度100~110℃、压强-0.095MPa，混合均匀并脱水至水分小于0.05%，降温至50℃，加入MDI-100和液化MDI，设置反应温度70-80℃，搅拌反应3小时，降温到50℃，加入催化剂和助剂，搅拌0.5小时，出料。
将本例的粘合剂在空气温度24℃、空气湿度50%、木材含水率为15%的条件下均匀涂胶，实施贴合保压7-10kg/平方厘米，最终48小时后压剪强度为6.8MPa。
对比例2
本对比例提供的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，与实施例4的不同之处在于：聚醚多元醇仅使用AD-3300E。
本例的聚氨酯粘合剂的具体的原料配方如下（以质量百分数计）：
AD-3300E 18.7%
AN-2000 22.9%
MDI-100 20.8%
液化MDI 37.2%
催化剂 0.2%
助剂 0.2%。
聚氨酯粘合剂具体通过以下方法制备得到：
按照配方，在反应釜中加入聚醚多元醇和聚酯多元醇，设置反应温度100~110℃、压强-0.095MPa，混合均匀并脱水至水分小于0.05%，降温至50℃，加入MDI-100和液化MDI，设置反应温度70-80℃，搅拌反应3小时，降温到50℃，加入催化剂和助剂，搅拌0.5小时，出料。
将本例的粘合剂在空气温度24℃、空气湿度50%、木材含水率为15%的条件下均匀涂胶，实施贴合保压7-10kg/平方厘米，最终48小时后压剪强度为7.9MPa。
上述测试中，压剪强度参考GBT 17517-1998标准测试。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
Claims (7)
1.一种木材用无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，其特征在于，按质量百分含量计，所述聚氨酯粘合剂的原料配方由以下组分：
异氰酸酯 45.6~58%；
聚醚多元醇 18.7~30%；
聚酯多元醇 20~27%；
催化剂 0.1~0.3%；
助剂 0.1~0.3%，
其中，所述聚醚多元醇为官能度为3、数均分子量5000~6000的聚环氧丙烷醚多元醇，环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚聚醚多元醇，官能度为2、数均分子量为1000~2000的聚四氢呋喃醚多元醇按质量比0.5~1：1：0.5~3的混合物；
所述环氧乙烷和环氧丙烷的无规共聚聚醚多元醇的数均分子量为2500~3500，环氧乙烷与环氧丙烷的摩尔比为6:3~5，官能度为3；
所述聚酯多元醇为官能度为2、数均分子量为1000～2000的聚碳酸酯多元醇，官能度为2、数均分子量为1000~2000的由己二酸和新戊二醇合成的聚酯多元醇中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，其特征在于：所述聚环氧丙烷醚多元醇为数均分子量为5000、不饱和度0.005mmol/g的聚环氧丙烷醚多元醇，数均分子量为6000、不饱和度0.005mmol/g的聚环氧丙烷醚多元醇中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，其特征在于：所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯以及它们的混合物、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯和多苯基甲烷多异氰酸酯的混合物中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂，其特征在于：所述助剂为有机铬络合物、硅烷类偶联剂、钛酸酯类偶联剂和铝酸化合物偶联剂中的一种或几种。
5.权利要求1~4中任一项权利要求所述的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂在木材粘结上的用途。
6.权利要求1~4中任一项权利要求所述的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂的制备方法，其特征在于：使异氰酸酯、聚醚多元醇和聚酯多元醇在70~80℃下反应，制得聚氨酯预聚体，降温至50℃或50℃以下，加入催化剂和助剂，搅拌均匀制得NCO封端的聚氨酯粘合剂。
7.根据权利要求6所述的无溶剂单组分湿气固化聚氨酯粘合剂的制备方法，其特征在于：所述聚氨酯预聚体的NCO%含量为10%~16%。
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