當前中國PUR六大典型應用行業及三大研究方向
作者:admin   日期:2021/4/6

有關反應型熱熔聚氨酯PUR的應用

作者:林裕衛

( 佛山金萬達科技股份有限公司,廣東佛山528000)

摘要

反應性PUR膠粘劑,具有無溶劑,粘結強度高,快速固定,耐水洗耐老化,少VOC 排放等優點。本論文主要闡述了反應型熱熔聚氨酯PUR 在不同行業的應用及發展趨勢,如在工業民用行業應用越來越廣,包括建材,木工,汽車,紡織,電子,家用電器等等都有廣泛應用,并根據反應型熱熔聚氨酯的粘結原理設計分析綜合得出市場的痛點及研究方向為功能通用化、雙重固化、包裝多樣化等。

關鍵詞

反應型熱熔聚氨酯; PUR; 行業; 應用; 研究方向

 
引言

近年來,反應型熱熔聚氨酯PUR 作為一種新型的粘結膠,具有無溶劑,粘結強度高,快速固定,耐水洗耐老化等優點,在工業民用行業應用越來越廣,包括建材,木工,汽車,紡織,電子,家用電器等等都有廣泛應用。首先介紹一下反應型熱熔聚氨酯( 以下簡稱PUR) 。PUR 膠粘劑可以看作是聚氨酯的預聚體,由不同的異氰酸酯( 種類不同,官能度不同,支鏈不同等) 與不同的多元醇( 聚酯型,聚醚型,混合型) 反應得到不同分子量的異氰酸基封端聚合物。這些聚合物含有活潑反應性的氨酯基或異氰酸基,具有很強的活性和很強的極性,能與含有活潑氫的材料,如紡織品,紙張,木材,陶瓷,皮革,橡膠,玻璃等以及塑料和金屬等表面光滑材料都有良好粘結。聚氨酯大分子鏈之間或與被粘物之間形成氫鍵結合,使分子內聚力增強,粘結強度更高,耐磨性,耐溶劑性更好。含有醚鍵的聚氨酯因醚鍵比較容易內旋,柔順性好,則表現出低溫性能及耐水解性能好。現根據其對基材的適應性對反應型熱熔聚氨酯PUR 的具體應用和研究方向進行介紹。

 
1 反應型熱熔聚氨酯PUR 的粘結原理

反應型熱熔聚氨酯PUR 對基材形成粘結,可以通過物理鉚接,吸附理論,擴散理論,氫鍵,化學反應等得到,但對光滑基材而言,浸潤是形成粘結對基礎。通常而言,聚氨酯中的氨酯、脲、酯、醚等基團易形成氫鍵,對多種表面都有良好的濕潤性,產生很大的粘合力,對基材對表面張力要求大于38 達因,通過合成過程支鏈引入以及配方對調配,部分PUR對基材表面張力可以下降到34 達因甚至更低即可形成粘結。目前,市面上的粘結材料應用性能對比如表1 所示,下文的應用也會對材料表面張力進行介紹。

 
2 反應型熱熔聚氨酯PUR 的典型應用行業

2. 1 電子行業

隨著手持電子設備,特別是智能手機的普及,人們對大屏幕,材料多樣化等等提出原來越多對要求,因此PUR 的應用也越來越廣。由于PUR 快速固定,粘結強度高等特點,自從2005 年后PUR 在手機中框粘結,屏幕粘結等具體應用中逐步取代了膠帶; 藍牙耳塞,便攜式音響等也慢慢使用PUR 進行組裝。

 

在這個領域,由于不同的材料需要,比如手機中框鎂鋁合金,特種尼龍部件,屏幕涂層等對粘結膠提出很高要求,因此有相當技術儲備的PUR 廠商如漢高樂泰,3M 公司的產品最早得到應用,比如漢高的354x 系列產品在蘋果手機的組裝用膠中一直占據主要份額,美國富樂的PUR 產品在VIVO/OPPO 等手機廠商有很大份額; 隨著PUR 應用的推廣,面對電子行業PUR 產品的高利潤,越來越多的國內PUR 廠商涌現,包括威爾邦,雅威,漢司,SR 等紛紛進入電子行業。

 

2. 2 汽車行業

汽車行業PUR 的應用主要是零部件的組裝或貼合,包括前大燈外殼組裝,頂篷天窗框架粘結,備胎蓋板復合,內飾件真空復合,門板結構件粘結等。

 

前大燈外殼的組裝是PUR 在汽車行業對一大應用,大致過程如下: 基座( PP)膠槽進行等離子處理,機器人沿著膠槽快速打膠PUR,PC 燈罩插入膠槽并固定,然后氣密性測試,測試通過后進行下一工序。由于在線氣密性測試,因此對PUR粘結膠初始強度有很高要求; 同時PC 燈罩對防霧處理,也會對PUR 粘結膠對粘結性能提出要求; 而且車燈長期處于外部環境,對PUR 粘結膠的耐候性能也提出要求。基于基本粘結以及長期耐候的要求,車燈廠商對粘結膠的選擇比較保守,歐美系廠商如AL/偉世通/SL 等很多仍使用漢高樂泰的PUR 產品,而日系廠商如小糸/stanley 等仍使用丁基膠產品。

 

由于PUR 粘結膠強度高以及耐熱性能好,正好滿足頂篷天窗框架對承重耐熱的需要,國內對頂篷廠商越來越多地采用PUR 替換非反應性熱熔膠如EVA 或PO 以及溶劑型氯丁膠。而PUR 在汽車行業另一個主要應用是內飾部件的復合,如門上板,座椅背板,嵌飾板等; 這些部件目前國內很多采用的是溶劑型的膠水,即使部分廠商也逐步采用了更環保的水性膠,但其基本工序仍很類似,先是噴膠,再干燥,然后貼合或真空成型,需要很多的人力勞動,生產效率也不高; 而PUR 用于內飾部件復合,大致過程如下,表皮輥涂或刮涂上膠,膠層冷卻收卷,再在較短時間內( 通常不超過3 h) 放卷在設備上自動成型,這樣一條生產線只需要一個工人即可。

 

國外零部件廠商如江森自控早在2005 年就使用西卡的PUR 產品進行自動涂膠生產,而國內的廠商派閣/華翔/鴻永盛等也在某些項目上使用PUR 產品實現自動或半自動生產。

 

2. 3 木工行業

木工行業是目前國內PUR 應用的最主要行業之一,2020 年用量預計超過1. 5 萬噸,同時也是國內外PUR 廠商最集中競爭最激烈的行業,國外廠商如漢高,富樂,波士膠,膠王,克力寶等,國內廠商如無錫萬力,萊恩,蘇州金槍,廣州極威,浙江華威,廣東欣固圣,廣東中粘等。木工行業的主要應用點包括家具大面的平貼,包覆,鋁合金窗框的貼皮,家具封邊等,不同應用材料,工藝流程,對PUR 提出了不同對要求,主要分為平貼膠和包覆膠,前者對于初始強度的要求比較低,而后者對初始強度要求就很高,兩者在價格上也有10% ~ 20%的差異。木工行業PUR 用戶比較分散,大江南北都有,設備差異,氣候差異,材料差異,生產速度差異等等,PUR 的要求各不相同而且進入的門檻相對較低,可以預計之后的幾年木工行業仍是PUR 的重點。

 

2. 4 建材行業

隨著家庭裝修個性化的要求越來越多,同時現場裝修需要更多的人力物力,產生的建筑廢棄物也更多,因此定制化家裝建材越來越受到歡迎,主要體現在集成墻板和吊頂,而這也正是PUR 在建材的主要應用點。建材行業可以說是和木工行業有比較大的關聯而且應用場景也比較類似,不同的色彩,圖案的PVC 表皮貼合在木塑板上得到各種類型的板材,墻板廠商再按照不同個體毛坯房的要求和尺寸裁切好板材,再把這些板材直接安裝在毛坯房即可,替代了刮墻,油漆,木工,墻紙等等。更低的成本,更快的裝修速度,更多樣化的選擇,集成墻板和吊頂是建材行業的一個新趨勢,因此也出現了很多的墻板廠商,同樣也意味著PUR 粘結膠的機會。這種材料應用,現在仍有相當部分廠商使用溶劑型的產品( 重慶韓拓的溶劑產品占據了絕大部分的市場份額) ,但PUR無溶劑,粘結強度高,綜合成本低的特點將逐步完全取代溶劑膠,包括重慶韓拓在內的廠商也在推廣PUR,湖南天希,廣州極威等廠商都在積極開拓這個市場,在之后幾年,這個市場的PUR 用量可能出現爆發式增長。

 

2. 5 家電行業

隨著家電行業的競爭加劇,家電廠商也越來越集中,很多的小廠商已經倒閉,而大廠商出于成本考慮,也削減了生產線的人力投入而在自動化生產方面加大了力度。傳統的膠帶粘結方式或其他固定方式對人力要求很多,而PUR 的出現正好滿足了家電廠商對自動化的要求。考慮到自動化降低成本,以及消費者對玻璃面板的喜愛,家電粘結的基材主要是玻璃面板和ABS 框架的粘結,因此用PUR 的應用點包括空調面板,洗衣機蓋板玻璃,飲水器玻璃面板,油煙機控制面板等等。比如國內空調壁掛機面板、空調,飲水機,油煙機等幾乎都采用了PUR 粘結,PUR 廠商漢高、富樂和西卡采用送設備的方式綁定客戶,基本占據了全部份額。同時自家的機器人能很大程度降低了改造生產線的成本; 格蘭仕微波爐也應用PUR在玻璃粘結的應用; 西門子,格力空調,TCL 空調等等都在使用或測試PUR……家電使用PUR 產品不僅僅是膠粘劑的替換,更是生產工藝的進步,可以預計家電用PUR 將越來越廣泛。

 

2. 6 紡織行業

紡織行業也是PUR 應用比較早的行業之一,早在上個世紀末已經有很多紡織企業將PUR 用于面料貼合,包括沖鋒衣的潑水面料貼合透氣膜,不同布料的貼合,女性內衣面料貼合,潛水衣面料貼合等等。紡織行業雖然應用PUR 比較早,但由于紡織企業種類多,產量小分散等原因,一直都是溶劑膠/PUR 并存等局面,直到現在仍有相當部分企業使用溶劑型膠水。對于紡織行業PUR 粘結膠,低表面能( 潑水處理) 粘結,柔軟,耐水洗是通常要求,對于特種面料對消防衣面料更提出了阻燃要求。紡織用PUR 固化后比較柔軟,初始強度也比較低,固化較慢,使用的比較是聚醚型的聚氨酯,成本較低,對濕氣的敏感程度也相對較低,因此,國內廠商比較早進入這個領域。目前國內紡織行業PUR 利潤較低,但用量很大,2020 年預計超過1 萬噸,因此也吸引了包括富樂,波士膠,克力寶,西卡,金槍,巴德富,萬力等國內外廠商。

 

反應型熱熔聚氨酯PUR 還在其他行業,如鞋業,工藝品組裝等逐步推廣,特別是鞋業,如果反應型熱熔聚氨酯PUR 廠商克服了粘結性能以及施工方面的問題,PUR 將取代溶劑膠在鞋業的位置。 

3 反應型聚氨酯的研究方向

根據上述對反應型聚氨酯PUR 在多個領域中的應用分析,根據各個市場的痛點及需求,PUR 的研究方向也隨著不斷提升的性能要求,環保要求,以及對其他溶劑型膠水的替換要求不斷的深入,功能不斷通用化,應用也在不斷的擴大。主要為以下幾個方面。

 

3. 1 功能通用化

PUR 雖然是一種新型的粘結膠,但是在木工建材家電等行業,由于應用/基材/區域氣候環境/設備等不同,需要多種不同等產品型號來滿足不同應用等需要,比如在木工行業,即使同樣是PVC 貼木板的應用,北方和南方就需要不同的型號,自動化程度不同也要有差異化的產品,不同廠商的表皮表面張力不同也要多種PUR 產品來適應等等,多樣而量小是目前PUR行業的一個痛點,開發一款或幾款通用性好/基材適應性廣的PUR 產品是目前的一個研究方向。

 

3. 2 雙重固化方式

PUR 產品通過冷卻物理交聯得到初始強度,而后續的濕氣固化形成其他方式的粘結交聯并得到最終強度,但初期的冷卻物理粘結強度不高而達不到要求,同樣后續濕氣固化太慢也會影響生產效率。比如在電子行業,手機中框屏幕等粘結,PUR 施工后需要2 小時或者以上的才能達到一定強度而拆卸壓合模具,再進行下一工序,這樣不但需要大量的壓合模具同時也大大降低整個生產流程。因此PUR 廠商根據不同行業的痛點難點,研究開發雙重固化的PUR 產品,比如紫外固化+濕氣固化,施工后通過紫外輻射可以瞬間加速PUR 固化而達到一定操作強度。也有采用加熱熔化的時候同時產生反應,在冷卻后除了濕氣固化幫助外,也瞬間達到粘結強度,此為熱固化型單組分PUR 膠,室溫下是穩定的,加熱時內部發生化學反應而固化,沒有副產物產生,粘結強度格外高,穩定性能好,具有兩相體系,掩蔽活性氫和掩蔽異氰酸酯三種類型。

 

3. 3 施工方式包裝多樣化

PUR 作為熱熔膠的一個種類,以固體或粘稠液體的形式存在于密封的包裝里面,PUR 通常的包裝方式有55 加侖,5 加侖,2 kg,300 mL,30 mL 等,不同的包裝方式有不同的施工方式和施工設備; 但不管包裝形式怎樣,都經歷加熱融化然后以膠條,點狀,刮膠,輥涂,噴涂等方式施工,由于PUR 濕氣敏感,上述的施工方式都對施工設備的整個膠體流動管路的氣密性提出要求,因此專業的設備以及操作流程大大限制了PUR的應用場景。研究PUR 的包裝形式多樣化,施工設備民用化能大大拓展PUR 的應用廣度,比如50 mL 金屬管包裝和小型膠槍,克力寶150 mL 的鋁管包裝及對應的膠槍,200 g 鐵罐包裝以及相應噴涂設備,研發不同包裝以及相應的施工工具設備,使施工簡易化,民用化也是目前PUR 膠粘劑推廣的一個方向。

 

4 結語

 

隨著中國全面小康化,幸福健康生活成為人民日益追求的標,社會發展不能以犧牲環境為代價,國家及社會對環保、安全的重視,去溶劑化,去VOC 排放,尤其是在歐美洲市場的帶動下,非溶劑膠粘劑獲得極大發展。反應型熱熔聚氨酯PUR作為新型的粘結膠,將會在更多的行業和領域得到推廣和應用。 


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