唐曉紅

(河南教育學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450046)

水性膠黏劑的應(yīng)用研究進(jìn)展

唐曉紅

(河南教育學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450046)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)水平的提高以及人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，發(fā)展環(huán)保型膠黏劑成為必然趨勢(shì)，水性膠黏劑就是其中之一.水性膠黏劑是一種以水為溶劑或分散劑而制備成的環(huán)境友好型膠黏劑.根據(jù)相關(guān)行業(yè)的情況，綜述了水性膠黏劑在建筑、木材、食品軟包裝、紡織、汽車、制鞋、醫(yī)療等各領(lǐng)域的應(yīng)用研究情況，期望能夠?yàn)槠涫褂煤桶l(fā)展提供借鑒.

水性膠黏劑；應(yīng)用研究；進(jìn)展

0 引言

在實(shí)際應(yīng)用中，水性膠黏劑和溶劑基膠黏劑兩種膠黏劑在同等量的情況下，前者的成本比后者的成本低，因?yàn)樵谌軇┑膬r(jià)格中，水是最便宜的. 用水作為分散介質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生溶劑基膠黏劑的惡劣問題，比如污染環(huán)境、易燃等. 水性膠黏劑的黏度與固含量很容易被調(diào)制. 例如，與其他膠黏劑相比，容易制得低黏度高固含量或低固含量高黏度的組合. 同時(shí)水性膠黏劑的滲透力與潤(rùn)濕程度也容易控制，可以向其中加入表面活性劑來改變.

水性膠黏劑有眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在缺點(diǎn).水性膠黏劑中的水，容易引起被粘物質(zhì)收縮，粘接紙張的時(shí)候會(huì)使其卷曲，對(duì)于鋼鐵產(chǎn)品會(huì)使其產(chǎn)生腐蝕與生銹. 在運(yùn)輸過程中，水性膠黏劑會(huì)使產(chǎn)品凍結(jié)，所以要做好防凍工作. 但這些缺點(diǎn)似乎并沒有妨礙水性膠黏劑的廣泛應(yīng)用.

1 在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

在建筑領(lǐng)域，膠黏劑有許多種，常用的是聚乙烯醇縮甲醛膠黏劑，即107膠. 由于107膠中含有游離的甲醛，它對(duì)室內(nèi)環(huán)境污染比較嚴(yán)重，危害人們的身體. 近年來，水性環(huán)氧膠黏劑被廣泛使用.

在建筑使用上，一般的環(huán)氧膠黏劑很不方便，比如單組分環(huán)氧膠黏劑固化時(shí)必須加熱；雙組分環(huán)氧膠黏劑使用時(shí)需要嚴(yán)格計(jì)量的混合配制，這些條件在建筑工地是難以做到的. 另外，為了便于施工，減小黏度，會(huì)向其中加入液態(tài)固化劑，有時(shí)還必須加入稀釋劑. 這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)危害人體健康，同時(shí)也會(huì)污染環(huán)境，導(dǎo)致一般環(huán)氧膠黏劑在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用受到了很大限制. 而單組分水性環(huán)氧膠黏劑可以克服以上弊端，很適合在建筑領(lǐng)域使用，它的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)可以用水作為稀釋劑，以減小黏度，無毒，無刺激性，不污染環(huán)境；

2)它是單組分體系，在施工場(chǎng)地不用混配，可以直接用；

3)使用時(shí)被黏結(jié)的表面不需要做干燥處理，對(duì)于潮濕表面有較好的黏結(jié)性；

4)固化速度快，在室溫下數(shù)小時(shí)后便可達(dá)到要求的強(qiáng)度，不會(huì)影響工程的進(jìn)度；

5)可以對(duì)混凝土、金屬、瓷磚等多種原料進(jìn)行黏結(jié).

單組分水性環(huán)氧膠黏劑在建筑上的應(yīng)用有：

1)混凝土的黏結(jié).

在舊建筑物修補(bǔ)上應(yīng)用廣泛.比如，可以修補(bǔ)衛(wèi)生間或廚房地面的裂縫，幾小時(shí)后就可以不漏水.

2)粘貼裝飾材料.

可以在建筑物上粘貼裝飾材料。比如，在地面的混凝土上粘貼瓷磚、在水泥砂漿基材外貌上粘貼大理石、金屬等裝飾材料.

3)水泥預(yù)制品的修補(bǔ).

在現(xiàn)在的建筑行業(yè)上，施工時(shí)會(huì)大量使用水泥預(yù)制品，如地板、柱子、不同大小直徑的管子等. 在生產(chǎn)過程中，水泥預(yù)制品往往會(huì)出現(xiàn)不良狀況，如裂痕等；在運(yùn)輸過程中，也會(huì)因?yàn)榕鲎捕鴵p傷. 為了提高建筑質(zhì)量，在使用之前要對(duì)不良狀況進(jìn)行修補(bǔ)，水性環(huán)氧膠黏劑特別適合這種情況.

4)作為固定金屬錨桿的錨固劑.

在工作區(qū)域安裝大型設(shè)備，都必需固定金屬錨桿. 現(xiàn)在使用最多的是不飽和聚酯錨固劑，屬于雙組分.在使用的時(shí)候需要混合，而且也避免不了混合不均勻的情況，在很大程度上會(huì)影響固定強(qiáng)度，而單組分水性環(huán)氧膠黏劑不會(huì)影響.

5)用作耐磨地面.

單組分環(huán)氧樹脂乳液在跟水泥、沙、石等材料混合后，擁有較好的強(qiáng)韌性、耐磨性及防腐性能，可以作為地坪材料[1].

2 在食品軟包裝領(lǐng)域的應(yīng)用

人們要求高質(zhì)量的生活，同時(shí)對(duì)食品包裝也有嚴(yán)格的要求. 溶劑基膠黏劑雖然適用基材范圍廣，初始黏度高，但它會(huì)揮發(fā)有機(jī)物質(zhì)，會(huì)對(duì)人體的健康造成威脅，容易著火，會(huì)破壞大氣層. 部分酯溶性膠黏劑中，本身就易反應(yīng)不完全，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生游離甲苯二異氰酸酯，也會(huì)對(duì)人體有害，所以溶劑基膠黏劑使用范圍正在逐漸減小. 故人們將焦點(diǎn)放在了綠色的水性膠黏劑上. 有報(bào)道顯示，在美國(guó)軟包裝市場(chǎng)，水性膠黏劑的占用率為40%，日本為50%，歐洲為20%[1]. 而在我國(guó)軟包裝市場(chǎng)，現(xiàn)在使用范圍較廣的是單組分丙烯酸水性膠黏劑. 單組分丙烯酸水性膠黏劑的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)初始復(fù)合強(qiáng)度高.

含量如丙烯酸乙酯(41%)、丙烯酸丁酯(20%)、甲基丙烯酸甲酯(33%)的單組分丙烯酸水性膠黏劑[2]，由于單組分丙烯酸水性膠黏劑的分子量比較大，故其剪切強(qiáng)度大，初始剝離強(qiáng)度高，剝離強(qiáng)度均能達(dá)到1.0 N/15 mm以上，使用膠量比較少.

2)復(fù)合產(chǎn)品的透明度好.

膠黏劑的黏度過大，會(huì)使其出現(xiàn)鋪展不完美現(xiàn)象，而單組分丙烯酸水性膠黏劑的黏度比較低，在材料表面具有良好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，在烘干水分之后，其膠膜非常明亮、分量輕且厚度薄，使得復(fù)合成品有較高的透明度.

3)可縮短交貨周期.

單組分丙烯酸水性膠黏劑操作流程簡(jiǎn)單，在使用時(shí)不需要進(jìn)行調(diào)配，且其剪切強(qiáng)度高，薄膜在復(fù)合過程中不會(huì)產(chǎn)生皺褶. 單組分丙烯酸水性膠黏劑的固化速率快，短時(shí)間內(nèi)就可以進(jìn)行后期工作，節(jié)省了很多時(shí)間.

4)特別適合鍍鋁膜復(fù)合.

單組分丙烯酸水性膠黏劑完全凝固后比較柔滑、軟和，且有一定的彈性，在薄膜與鍍鋁膜的復(fù)合中，可以防止鍍鋁膜脫落、挪動(dòng)的現(xiàn)象，所以在食品的軟包裝上應(yīng)用非常廣泛，如包裝休閑食品.

5)可用在干式復(fù)合設(shè)備上.

目前，復(fù)合設(shè)備采用干式復(fù)合設(shè)備的比較多，特別在軟包裝領(lǐng)域，單組分丙烯酸水性膠黏劑在干式復(fù)合設(shè)備上也可以使用，而無需重新配備專門的復(fù)合設(shè)備[1].

在食品軟包裝領(lǐng)域，除了可以使用單組分丙烯酸水性膠黏劑外，還有水性聚氨酯膠黏劑，同樣具備環(huán)保、健康和安全、不會(huì)留下溶劑、可以生成透明的膜、用膠少而且成本低等優(yōu)點(diǎn).

3 在木材領(lǐng)域的應(yīng)用

由于我國(guó)木材緊缺，對(duì)木材的需求量又非常大，因此要對(duì)人造板材進(jìn)行加工，提高木材的使用率. 在板材的加工過程中，膠黏劑起很大作用，它的用量為木材質(zhì)量的10%～30%，所以，在木材領(lǐng)域，膠黏劑也發(fā)揮著很大的作用, 其使用量大約占其產(chǎn)量的60%.

在木材方面，如在膠合板、纖維板、刨花板中，脲醛樹脂膠黏劑、三聚氰胺-甲醛樹脂膠黏劑、酚醛樹脂膠黏劑等是最常用的膠黏劑. 制造復(fù)合板材時(shí)，如果用上面的膠黏劑，對(duì)木材的要求非常嚴(yán)格. 比如要控制木材的水分含量，一般在2%左右，對(duì)于沒有經(jīng)過干燥處理的木材，要求更為嚴(yán)格，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)要控制在10%左右，如果不經(jīng)過干燥處理，就進(jìn)行木材的加工，操作過程中有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn). 此外，三醛樹脂膠黏劑在使用的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生有毒的甲醛，會(huì)對(duì)人體造成傷害，污染環(huán)境. 使用脲醛樹脂膠黏劑粘接的產(chǎn)品，沒有防水功能，對(duì)于聚醋酸乙烯乳液熱熔膠的產(chǎn)品，不耐熱且不防水，并且熱壓的時(shí)候膠會(huì)漏出來.

乙烯基水性聚氨酯膠黏劑在使用的時(shí)候，不會(huì)出現(xiàn)以上的情況，并且粘接時(shí)對(duì)溫度要求不高，室溫下即可.初始黏性強(qiáng)，對(duì)木材的濕度沒有要求. 與其他膠層相比，有很好的耐熱性和耐老化性. 日本發(fā)明了一種新的膠黏劑，乙烯基水性PU系木材膠黏劑(API)，后來被稱為水性高分子-異氰酸酯系木材膠黏劑(WPI). 此種膠黏劑初始黏度高，對(duì)于濕度大的木材，室溫下就可以粘接，大大節(jié)省了資源. 水性高分子-異氰酸酯膠黏劑的主要成分是水溶性高分子(如PVA乳液)、乳液(丁苯膠乳、聚丙烯酸酯、EVA等)，交聯(lián)劑是多官能團(tuán)的異氰酸酯化合物(PMDI)，兩者聚合產(chǎn)生三維交聯(lián)，使耐水性大幅度提高[3].

4 在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

織物涂層整理中使用的膠黏劑(涂層劑)有兩種，分別是溶劑型和水乳型涂層劑. 溶劑型涂層劑有自身的優(yōu)點(diǎn)，如干燥速度快，生成的膜有光澤感，并且硬度高. 但是，溶劑型涂層劑中含有有機(jī)溶劑，具有揮發(fā)性，容易引起爆炸，產(chǎn)生有毒性、有刺激性氣味，對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)所會(huì)造成污染，危害人的身體健康，所以，在用的時(shí)候要采取安全防護(hù). 而且有機(jī)溶劑貴，從而導(dǎo)致成本提高. 目前，各國(guó)正在研制水乳型織物涂層劑，它的主要溶劑是水，水不會(huì)燃燒、不會(huì)爆炸、不會(huì)污染環(huán)境，且價(jià)格便宜.

在織物整理中，水性丙烯酸酯膠乳膠黏劑使用較多. 所用的單體可以根據(jù)性能要求進(jìn)行選擇，一般包括：①主單體為丙烯酸酯單體，常用的有丙烯酸丁酯和丙烯酸-2-乙基己酯，其均聚物對(duì)織物有良好的黏附性能，它的皮膜柔軟、耐光、耐熱、耐老化，但強(qiáng)度低，在室溫下有黏連性，故需加入其他單體進(jìn)行共聚改性；②交聯(lián)單體，常用的有N-羥甲基丙烯酰胺、丙烯酸羥丙酯和丙烯酸羥乙酯等，可使大分子鏈交聯(lián)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以提高涂膜的力學(xué)性能、耐水性和對(duì)織物的黏結(jié)力[4].

5 在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

由于汽車的使用性和商品性的要求越來越高，汽車生產(chǎn)用的材料日益多樣化，膠黏劑成為汽車生產(chǎn)中必不可少的材料. 在以往汽車用的各種膠中，溶劑型膠黏劑用量比較大，當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC規(guī)定公布后，其在向著水性膠黏劑方向發(fā)展.

水性膠黏劑的黏度能隨意調(diào)節(jié)，其固含量也可以隨意改變. 固化方式多樣，常溫加熱都可以，有機(jī)物揮發(fā)量也非常小，所以水性膠黏劑在汽車上的應(yīng)用很廣泛. 比如日本的汽車，1992年，在汽車的內(nèi)裝飾物的使用上，水性膠黏劑占用比例為2%左右，到1996年，已經(jīng)達(dá)到12%，用量明顯提高[5]. 尤其是水性聚氨酯膠黏劑，優(yōu)點(diǎn)突出，如耐低溫、柔韌性好、黏結(jié)性能好.

新型汽車的出現(xiàn)，大大提高了塑料的使用，內(nèi)飾物上用量也在增加. 德國(guó)是水性聚氨酯膠黏劑用量最多的國(guó)家，預(yù)計(jì)今后水性聚氨酯膠黏劑的用量，每年會(huì)增加8%～10%. 荷蘭ZENECA RESINS估計(jì)，為了滿足汽車工業(yè)新型塑料零部件黏結(jié)的需要，歐洲市場(chǎng)每年需要水性聚氨酯膠黏劑6 000多噸[6].

另外，還有其他水性膠黏劑在汽車領(lǐng)域中發(fā)揮著作用. 例如,采用聚丙稀酸酯水性膠黏劑對(duì)頂篷隔音襯墊黏結(jié)、對(duì)聚氯乙烯頂蓬黏結(jié)、對(duì)后蓋板防雨條黏結(jié)以及對(duì)車門內(nèi)裝飾板黏結(jié)；采用酚醛樹脂水性膠黏劑對(duì)閘瓦底座與圓盤襯墊黏結(jié)等[7].

6 在制鞋領(lǐng)域的應(yīng)用

人們的生活離不開鞋，每年有大量的需求. 制鞋使用的膠黏劑，也在逐步發(fā)展，開始由低端走向高端，并且向著環(huán)保的方向發(fā)展. 最初使用的是普通氯丁膠黏劑，被稱為第一代膠黏劑，它的初始黏度高，可以在低溫下黏結(jié)，而且廉價(jià)，但是它對(duì)增塑劑的滲透性不好，并且對(duì)一些新型的鞋用材料粘接性差，比如軟材料的聚氯乙烯等. 另外，這種膠黏劑的溶劑是苯類，屬于有毒物質(zhì). 第二代為溶劑型聚氨酯膠黏劑，還有接枝改性氯丁膠黏劑. 第三代有 “無三苯”氯丁膠黏劑、接枝改性氯丁膠黏劑和聚氨酯(PU)膠黏劑. 這些鞋用膠黏劑不含苯類物質(zhì)，不會(huì)危害環(huán)境，但是存在有機(jī)物的揮發(fā). 近年來，為了遵守有機(jī)物揮發(fā)的規(guī)定，各國(guó)正在研究第四代的鞋用膠黏劑，大力開發(fā)水性膠黏劑.

鞋用水性聚氨酯膠黏劑，以水作為溶劑，不會(huì)產(chǎn)生苯類、甲醛類的揮發(fā)性有毒物質(zhì)，不會(huì)造成大氣污染，更不會(huì)危害人的身體. 水性聚氨酯鞋用膠黏劑的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)水作為溶劑，不含有毒成分，不會(huì)發(fā)生爆炸，沒有危害，氣味小，對(duì)環(huán)境無污染，有效地節(jié)省了資源；

2)沒有較高的黏度，當(dāng)有殘膠出現(xiàn)時(shí)容易清理；

3)可以進(jìn)行多種改性以提高其性能；

4)擁有羧基、羥基等官能團(tuán)，在條件合適的情況下，能參加反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)，便于性能的改進(jìn)；

5)具有聚氨酯膠黏劑的共同特點(diǎn)，比如耐低溫、固化溫度要求不高、柔性好、耐沖擊力強(qiáng)；

6)在使用過程中，鞋用水性聚氨酯膠黏劑，使用膠量少，現(xiàn)在的其他膠黏劑價(jià)格平均在15 000～16 000元/t，而鞋用水性聚氨酯膠黏劑的價(jià)格為18 000～19 000元/t. 單看每噸價(jià)格水性聚氨酯膠黏劑不占優(yōu)勢(shì)，但因其用膠量少，總體下來還是非常劃算的.

水性聚氨酯膠黏劑的多重優(yōu)點(diǎn)，使其在制鞋領(lǐng)域被廣泛使用.它有價(jià)格便宜、對(duì)人的身體健康無害、對(duì)環(huán)境無污染、對(duì)于殘留物容易清理等優(yōu)點(diǎn)，在制鞋業(yè)中發(fā)揮著重要作用.

7 在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)療領(lǐng)域，膠黏劑主要用于軟硬組織的修復(fù)粘接，應(yīng)用廣泛的是聚乙烯醇水凝膠. 聚乙烯醇是水溶性高分子有機(jī)物，它的用途非常廣泛，其性能非常好，如水溶性好，成膜性高，粘接能力強(qiáng)，耐油脂，且無毒無味，對(duì)皮膚沒有傷害，不會(huì)引起皮膚過敏. 近年來，聚乙烯醇的進(jìn)步非常大，迄今為止是全球用量最大的高分子. 其生產(chǎn)工藝不停地更新，使用范圍廣泛，在人們生活中起著非常大的作用，特別是在醫(yī)療方面.

眼科領(lǐng)域，聚乙烯醇水凝膠使用特別頻繁. 聚乙烯醇溶液與多種物質(zhì)混合后可以得到一種水凝膠，這種水凝膠對(duì)皮膚無刺激性，可以用來制造眼鏡. 如與H2O、C3H8O3等混合冷卻后得到的水凝膠，可以與眼睛結(jié)構(gòu)接觸，當(dāng)有眼淚出現(xiàn)時(shí)，不會(huì)使蛋白質(zhì)在鏡片上留下沉淀，影響視覺效果. 與此同時(shí)，聚乙烯醇水凝膠與空氣流通快，含水量高，吸附蛋白質(zhì)少[8].

另外，把平均聚合度為2000，醇解度為70%的聚乙烯醇經(jīng)γ射線照射、交聯(lián)形成的水凝膠可作為人工玻璃體，用于玻璃體切除術(shù)和視網(wǎng)膜脫離手術(shù)[9]. 這樣，使發(fā)生病變的玻璃體得到了去除，而且眼球可以恢復(fù)正常的水平，使視網(wǎng)膜得到修復(fù).

聚乙烯醇水凝膠與人體不會(huì)發(fā)生排斥作用，不會(huì)對(duì)人體的組織或細(xì)胞產(chǎn)生傷害，所以可用來做成傷口敷料[10]. 把聚乙烯醇和軟膏劑混合配制，可以做成外科敷料，涂在外傷的表面可以生成膜，不僅使藥物成分被患者吸收，而且不會(huì)弄臟衣物. 將其和其他敷料對(duì)比，水凝膠敷料大大縮短了傷口的愈合時(shí)間，并且更換藥物時(shí)不會(huì)對(duì)新生成的組織造成破壞，而且沒有敷料殘余物留于傷口處[11]. 因此，聚乙烯醇水凝膠在傷口敷料研制方面有較好的發(fā)展.

另外，聚乙烯醇水凝膠可以用于生產(chǎn)人工軟骨[12-13]. 以前的假關(guān)節(jié)體是由金屬與超高分子量聚乙烯組成的，它在工作中與摩擦表面直接接觸，處于無潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)高，容易產(chǎn)生磨損和松動(dòng). 而且，金屬與超高分子量聚乙烯的磨屑有時(shí)會(huì)產(chǎn)生異體反應(yīng)，產(chǎn)物會(huì)被人體吸收，使組織發(fā)腫，從而導(dǎo)致假體周圍骨壞死[14]. 聚乙烯醇水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能與關(guān)節(jié)軟骨相似，彈性模量與摩擦系數(shù)小，有助于實(shí)現(xiàn)液膜潤(rùn)滑，減少磨損及松動(dòng). 現(xiàn)在采用高聚合度(5 000～8 000)PVA-DMSO-H2O混合體系可以制造出耐磨損性能優(yōu)異的水凝膠材料，用于人工關(guān)節(jié)軟骨[15].

8 結(jié)語(yǔ)

以上是水性膠黏劑在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況，隨著科學(xué)的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)水平的提高以及人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，作為環(huán)保型膠黏劑之一，水性膠黏劑將得到更進(jìn)一步的發(fā)展.

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ResearchProgressofApplicationofWater-basedAdhesives

TANG Xiaohong
(DepartmentofChemistryandEnvironment,HenanInstituteofEducation,Zhengzhou450046,China)

With the development of science and technology, the improvement of economic level and the increase of people’s life quality, the development of environmentally friendly adhesives has become the inevitable trend. Water-based adhesive is one of them. Water-based adhesive prepared with water as solvent or dispersing agent is a kind of environment-friendly glue adhesion agent. According to the related industries, reviewed the application of water-based adhesives in various fields such as building, wood, food flexible packaging, textile, automobile, shoes, medical, and etc. And looking forward to provide reference for their use and development.

water-based adhesive; application research; progress

2017-02-11

河南省大中專畢業(yè)生就業(yè)創(chuàng)業(yè)研究課題(JYB2013406)

唐曉紅(1977—)，女，重慶梁平人，河南教育學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院副教授，主要研究方向：應(yīng)用化學(xué).

10.3969/j.issn.1007-0834.2017.02.003

O69

：A

：1007-0834(2017)02-0008-05