2012-2-23 來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞：聚氨酯(PUR)膠粘劑 書本裝訂 發(fā)展趨勢(shì)
一、引言
聚氨酯(PUR)膠粘劑是指分子鏈中含有氨基甲酸酯基團(tuán)(-NHCOO-)或異氰酸酯基(-NCO-)的一類膠粘劑。由于其分子鏈中-NCO可以和多種含活潑氫的官能團(tuán)反應(yīng)，形成界面化學(xué)鍵結(jié)合，對(duì)多種材料具有極強(qiáng)的粘附性能，具有膠膜堅(jiān)韌，耐沖擊、撓曲性好，剝離強(qiáng)度高，良好的耐超低溫性、耐油和耐磨性等特點(diǎn)。熱熔膠粘劑(簡(jiǎn)稱熱熔膠)是一類無(wú)溶劑的以熱塑性聚合物為基料的固體膠粘劑，受熱熔化成液態(tài)，以熔體形式應(yīng)用到基材表面進(jìn)行粘合。熱熔膠具有粘接迅速、無(wú)毒無(wú)污染、節(jié)能環(huán)保、貯運(yùn)和使用方便、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，主要包括EVA、PE、無(wú)規(guī)PP、聚氨酯等。聚氨酯熱熔膠可分為兩類：一類是反應(yīng)型熱熔膠，它又可分為端異氰酸酯基預(yù)聚物型(濕固化型)和含封閉的異氰酸酯基預(yù)聚物型(潛固化型);另一類是熱塑性聚氨酯彈性體熱熔膠，是利用組成中的氫鍵作用發(fā)生交聯(lián)，從而使其具有優(yōu)異的彈性和強(qiáng)度。前者受熱熔融后，遇濕發(fā)生反應(yīng)交聯(lián)固化;而后者固化過程主要是利用氫鍵作用發(fā)生物理交聯(lián)，再次受熱又會(huì)削弱氫鍵作用，變?yōu)檎吵硪后w，因此可反復(fù)加熱——冷卻固化，產(chǎn)品可回收或二次使用，屬于環(huán)境友好材料。
二、聚氨酯熱熔膠固化反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)介
PUR樹脂分子鏈末端有反應(yīng)型的NCO官能基，由于此官能團(tuán)中的碳氮雙鍵活性非常高，會(huì)與空氣或是基材表面的水氣反應(yīng)生成胺基，同時(shí)釋放出C02，胺基再與其它的NCO基反應(yīng)形成具有urea(尿素)官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)。由于在urea結(jié)構(gòu)中仍具有活性氫，因而還會(huì)再與未反應(yīng)完的NCO基作進(jìn)一步的反應(yīng)而生成縮二脲結(jié)構(gòu)，完成所謂的交聯(lián)反應(yīng)。其與濕氣的反應(yīng)機(jī)理如下：
-NCO+H2O→NH2+CO2→-NH-CO-NH
-NH-CO-NH-+OCN-→NH-CO-N-CO-NH-
從上面可見，PUR膠粘劑粘接固化是作為反應(yīng)型固化方式，與一般的EVA型熱熔膠劑、水性膠粘劑的固化有本質(zhì)的區(qū)別。根據(jù)粘接理論學(xué)說(shuō)，認(rèn)為有機(jī)械理論、吸附理論、擴(kuò)散理論、靜電理論、化學(xué)鍵理論等粘接機(jī)理。相對(duì)而言，化學(xué)鍵粘接比其粘接方式會(huì)獲得更高強(qiáng)度的粘力。一般的EVA熱熔膠，存在機(jī)械、吸附、擴(kuò)散等粘接理論;而PUR膠粘劑更多存在的是化學(xué)鍵理論粘接，它與基材反應(yīng)形成一個(gè)“不可分割的整體”，所以PUR固化后能產(chǎn)生的優(yōu)異的粘接強(qiáng)度。
三、熱熔膠在書本裝訂中的應(yīng)用及其優(yōu)缺點(diǎn)
1.在書本裝訂中的應(yīng)用
隨著人們環(huán)境意識(shí)和健康意識(shí)日益提高的今天，社會(huì)不再僅僅關(guān)注于膠粘劑的功能和應(yīng)用，對(duì)膠粘劑的環(huán)保問題的要求愈加嚴(yán)格，發(fā)展符合“環(huán)保、健康、安全”三大要求的環(huán)保型綠色膠粘劑已勢(shì)在必行。人們的生活水平不斷提高，特別是歐美國(guó)家，人們追求的印刷產(chǎn)品趨向時(shí)尚、新穎、個(gè)性化，從而使得生產(chǎn)工序越來(lái)越繁復(fù)，產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高。PUR熱熔膠粘劑作為一類新型的膠粘劑，具有不含溶劑揮發(fā)性、耐熱耐寒性、耐溶劑性、耐疲勞性等特點(diǎn)。這些符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的需要。
在印刷包裝行業(yè)中，PUR熱熔膠粘劑被應(yīng)用于書本裝訂，印刷品塑一塑、紙一塑覆合，塑料盒制造等方面。
PUR熱熔膠是帶有活性終端團(tuán)的PUR預(yù)聚物，對(duì)于印刷紙材來(lái)說(shuō)，當(dāng)活性終端團(tuán)曝露在潮濕的空氣或紙張達(dá)到一定的濕度時(shí)，就會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。預(yù)聚物被濕潤(rùn)后，可以很好地滲透進(jìn)入紙張中，與紙材中纖維分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，達(dá)到較高的粘性和較高的紙張拉力。近20年來(lái)，得益于無(wú)線裝訂工藝的發(fā)展，熱熔膠在書籍裝訂方面的應(yīng)用獲得了迅猛發(fā)展。EVA熱熔膠具有良好的粘接性和彈性，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的書籍裝訂熱熔膠絕大部分為EVA型熱熔膠。但EVA型熱熔膠價(jià)格昂貴，且具有記憶性等缺點(diǎn)，因此想打開書時(shí)它傾向于合上，想合上時(shí)又傾向于打開、書籍被閱讀時(shí)在裝訂處形成凹槽或書本突然合上。聚氨酯熱熔膠生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，可彌補(bǔ)以上缺陷。該膠粘劑彈性、韌性好，粘接強(qiáng)度高，膠粘劑可以反復(fù)熔化使用，產(chǎn)品利用率高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
2.主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
在書本裝訂應(yīng)用方面，與傳統(tǒng)EVA熱熔膠相比，PUR熱熔膠具有快速固化、使用簡(jiǎn)便、施膠溫度較低、耐沖擊耐疲勞、翻平性好、經(jīng)久耐用、粘接力強(qiáng)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。
對(duì)印后書本裝訂而言，PUR熱熔膠6小時(shí)后即可達(dá)到普通EVA熱熔膠釘裝的強(qiáng)度，而48小時(shí)后則可達(dá)到最強(qiáng)的粘接效果。紙張的涂布以及油墨、清漆涂層、UV固化層、塑料薄膜等表面性質(zhì)差異大的材料，都不會(huì)對(duì)PUR熱熔膠的裝訂性質(zhì)造成很大的影響，相比于傳統(tǒng)的EVA膠粘劑，成品功能性測(cè)試(如書本拉頁(yè)、揭頁(yè)測(cè)試)結(jié)果會(huì)高出60%以上。傳統(tǒng)的EVA熱熔膠書本裝訂施膠溫度約為160-180℃，PUR熱熔膠施膠溫度較低，只需120-150℃，非常適合于對(duì)高溫敏感、易變型材質(zhì)的應(yīng)用，既可以節(jié)約能耗，并且可增加工人的操作安全性。對(duì)于厚度較大平裝書，傳統(tǒng)的EVA熱熔膠對(duì)書籍需要鎖線加工，而PUR熱熔膠可以減少此工序，節(jié)約成本，縮短生產(chǎn)貨期。PUR熱熔膠膠層柔軟，可使書籍的翻閱與折合極為方便，作為網(wǎng)狀交聯(lián)化合物，它耐沖擊振動(dòng)、耐疲勞表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，對(duì)于一些長(zhǎng)期使用的書籍如參考書、手冊(cè)、教課書、烹飪書等所要求書本的翻平性(將書籍翻開的程度)，PUR熱熔膠裝訂無(wú)疑是最好的選擇。由于PUR熱熔膠化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)使得具有高的耐熱性、耐低溫性、耐溶劑性、耐水性等優(yōu)異的粘合性能，對(duì)于一些長(zhǎng)期保存的書籍如寫真集、圖片年鑒、高檔的文物字畫、圣經(jīng)書籍等，PUR熱熔膠能完全滿足這些書籍的要求。PUR熱熔膠具有極佳的粘接力，用膠量比傳統(tǒng)的EVA熱熔膠少約50%或更少。EVA熱熔膠要達(dá)到一定的強(qiáng)度(書背施膠厚度根據(jù)紙張情況和書本的不同厚度)膠層控制在0.6～2mm之間。在相同情況下PUR膠層可不分書本厚薄不分紙張情況，一般在0.3mm左右就可達(dá)到同EVA熱熔膠一樣的強(qiáng)度。PUR熱熔膠組成中不含溶劑，固化過程不會(huì)造成揮發(fā)性溶劑的污染，為環(huán)保型膠粘劑未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)。
3.主要應(yīng)用缺點(diǎn)
盡管聚氨酯熱熔膠的性能特點(diǎn)非常突出，但目前仍存在一些技術(shù)問題需要解決，如：降低熔融溫度和熔融粘度;提高初粘力;增強(qiáng)產(chǎn)品的柔韌性、耐熱性和阻燃性等。PUR熱熔膠操作性、操作工藝比傳統(tǒng)EVA膠粘劑要求更高，要盡量避免膠粘劑與空氣中的水分接觸，因此預(yù)熱熔膠箱內(nèi)應(yīng)有氮?dú)庾鞅Ｗo(hù)。由于PUR熱熔膠釘裝施膠量可以同比EVA熱熔膠少，對(duì)機(jī)臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性要求比較高。PUR熱熔膠加熱使用過程中，可能產(chǎn)生少量有害刺激氣體(異氰酸鹽)揮發(fā)，對(duì)熔膠溫度控制、通風(fēng)系統(tǒng)要求高。
當(dāng)PUR熱熔膠熔解施膠冷卻發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化后，不可以重新加熱熔融再次使用，而EVA熱熔膠作為可塑性樹脂可以反復(fù)加熱使用。
四、書本裝訂用聚氨酯熱熔膠的發(fā)展趨勢(shì)
聚氨酯熱熔膠自20世紀(jì)30年代研究成功以來(lái)，到2007年聚氨酯熱熔膠市場(chǎng)需求年平均增長(zhǎng)率達(dá)到11%以上，成為繼水性膠粘劑、EVA熱熔膠粘劑第三增長(zhǎng)最快的膠粘劑。
對(duì)用于書本裝訂的PUR熱熔膠發(fā)展也十分迅速。自80年代末90年代初，第一代PUR熱熔膠開始使用于書本裝訂，但當(dāng)時(shí)書本施膠后三到六天才達(dá)到最佳性能，才可進(jìn)行書本切邊、后加工和運(yùn)輸?shù)龋窒抻诋?dāng)時(shí)的合成技術(shù)，在熔膠操作過程中，較大量的異味(MDI、TDI)殘留異氰酸酯單體揮發(fā)，對(duì)操作工人刺激比較大。到了90年代中后期，第二代PUR熱熔膠固化速度縮短到三天，異氰酸酯殘留單體得到有效的控制。踏入21世紀(jì)，第三代的濕氣固化聚氨酯PUR熱熔膠得到進(jìn)一步的完善，書本施膠裝訂后30分鐘可以切書邊，6-16小時(shí)內(nèi)得到固化，達(dá)到最佳的粘接效果。
高速發(fā)展的今天，追求更高的生產(chǎn)效能、安全性。顯然第三代的PUR熱熔膠仍然未能滿足生產(chǎn)的需要。一些國(guó)際知名的大公司，為縮短PUR熱熔膠固化時(shí)間做出不斷的努力�！癠V紫外線加濕氣”雙固化的PUR熱熔膠的概念被提出，并開始批量用于實(shí)際生產(chǎn)中。這種熱熔膠是在合成生產(chǎn)的過程中，在PUR分子鏈上接枝一些能與UV反應(yīng)的單體成分。當(dāng)書本施膠后，利用在裝訂設(shè)備上安裝的UV能量燈，引發(fā)PUR熱熔膠內(nèi)的UV單體成分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，令PUR熱熔膠初步得到固化，然后再與空氣水分進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)直到完全固化。這種PUR熱熔膠可以配合設(shè)備聯(lián)機(jī)生產(chǎn)、切書邊操作，在3分鐘內(nèi)固化程度達(dá)到滿意效果，與普通EVA熱熔膠固化速度相當(dāng)，甚至，此類型的PUR熱熔膠也可以適用于圓脊精裝書的裝訂上。目前，由于此類膠粘劑價(jià)格比較貴，仍然未能推廣應(yīng)用。但相信不久的將來(lái)，技術(shù)的進(jìn)步，工藝的成熟，必將帶給人們更便宜、質(zhì)量更高的新型PUR熱熔膠。
隨社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)文化享受、品味追求越來(lái)越高，書本、讀物、雜志等趨向時(shí)尚性、個(gè)性化、耐用性、耐收藏性、翻平性、安全性更高的檔次。到目前為止，要符合人們的需求，PUR熱熔膠裝訂技術(shù)是一個(gè)最好的選擇�？梢灶A(yù)測(cè)的是，降低PUR熱熔膠的價(jià)格，提高PUR的易使用性能，擴(kuò)寬適用性至精裝裝訂工藝是PUR推廣使用的最重要的關(guān)鍵所在。