聚氨酯熱熔膠粘劑在書(shū)本裝訂中的應用(轉載)
聚氨酯(PUR)膠粘劑是指分子鏈中含有氨基甲酸酯基團(-NHCOO-)或異氰酸酯基(-NCO-)的一類(lèi)膠粘劑書(shū)本印刷。由于其分子鏈中-NCO可以和多種含活潑氫的官能團反應，形成界面化學(xué)鍵結合，對多種材料具有極強的粘附性能，具有膠膜堅韌，耐沖擊、撓曲性好，剝離強度高，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(chēng)熱熔膠)是一類(lèi)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、節能環(huán)保、貯運和使用方便、成本低、應用面廣等優(yōu)點(diǎn)，主要包括EVA、PE、無(wú)規PP、聚氨酯等。聚氨酯熱熔膠可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是反應型熱熔膠，它又可分為端異氰酸酯基預聚物型(濕固化型)和含封閉的異氰酸酯基預聚物型(潛固化型)；另一類(lèi)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)異的彈性和強度。前者受熱熔融后，遇濕發(fā)生反應交聯(lián)固化；而后者固化過(guò)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機理簡(jiǎn)介
PUR樹(shù)脂分子鏈末端有反應型的NCO官能基，由于此官能團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生成胺基，同時(shí)釋放出C02，胺基再與其它的NCO基反應形成具有 urea(尿素)官能團的結構書(shū)本印刷。由于在urea結構中仍具有活性氫，因而還會(huì )再與未反應完的NCO基作進(jìn)一步的反應而生成縮二脲結構，完成所謂的交聯(lián)反應。其與濕氣的反應機理如下：
-NCO+H2O→NH2+CO2→-NH-CO-NH-NH-CO-NH-+OCN-→NH-CO-N-CO-NH-
從上面可見(jiàn)，PUR膠粘劑粘接固化是作為反應型固化方式，與一般的EVA型熱熔膠劑、水性膠粘劑的固化有本質(zhì)的區別書(shū)本印刷。根據粘接理論學(xué)說(shuō)，認為有機械理論、吸附理論、擴散理論、靜電理論、化學(xué)鍵理論等粘接機理。相對而言，化學(xué)鍵粘接比其粘接方式會(huì )獲得更高強度的粘力。一般的EVA熱熔膠，存在機械、吸附、擴散等粘接理論；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)異的粘接強度。
三、熱熔膠在書(shū)本裝訂中的應用及其優(yōu)缺點(diǎn)
1.在書(shū)本裝訂中的應用
隨著(zhù)人們環(huán)境意識和健康意識日益提高的今天，社會(huì )不再僅僅關(guān)注于膠粘劑的功能和應用，對膠粘劑的環(huán)保問(wèn)題的要求愈加嚴格，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在必行書(shū)本印刷。人們的生活水平不斷提高，特別是歐美國家，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，產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高。PUR熱熔膠粘劑作為一類(lèi)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熱熔膠粘劑被應用于書(shū)本裝訂，印刷品塑一塑、紙一塑覆合，塑料盒制造等方面書(shū)本印刷。PUR熱熔膠是帶有活性終端團的PUR預聚物，對于印刷紙材來(lái)說(shuō)，當活性終端團曝露在潮濕的空氣或紙張達到一定的濕度時(shí)，就會(huì )發(fā)生交聯(lián)反應。預聚物被濕潤后，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，達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(xiàn)裝訂工藝的發(fā)展，熱熔膠在書(shū)籍裝訂方面的應用獲得了迅猛發(fā)展。EVA熱熔膠具有良好的粘接性和彈性，目前國內市場(chǎng)上的書(shū)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(kāi)書(shū)時(shí)它傾向于合上，想合上時(shí)又傾向于打開(kāi)、書(shū)籍被閱讀時(shí)在裝訂處形成凹槽或書(shū)本突然合上。聚氨酯熱熔膠生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，可彌補以上缺陷。該膠粘劑彈性、韌性好，粘接強度高，膠粘劑可以反復熔化使用，產(chǎn)品利用率高，具有廣闊的應用前景。
2.主要應用優(yōu)勢
在書(shū)本裝訂應用方面，與傳統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、環(huán)保等優(yōu)勢書(shū)本印刷。
對印后書(shū)本裝訂而言，PUR熱熔膠6小時(shí)后即可達到普通EVA熱熔膠釘裝的強度，而48小時(shí)后則可達到最強的粘接效果書(shū)本印刷。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PUR熱熔膠的裝訂性質(zhì)造成很大的影響，相比于傳統的EVA膠粘劑，成品功能性測試(如書(shū)本拉頁(yè)、揭頁(yè)測試)結果會(huì )高出60％以上。傳統的EVA熱熔膠書(shū)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℃，非常適合于對高溫敏感、易變型材質(zhì)的應用，既可以節約能耗，并且可增加工人的操作安全性。對于厚度較大平裝書(shū)，傳統的EVA熱熔膠對書(shū)籍需要鎖線(xiàn)加工，而PUR熱熔膠可以減少此工序，節約成本，縮短生產(chǎn)貨期。PUR熱熔膠膠層柔軟，可使書(shū)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)、耐疲勞表現出優(yōu)異的性能，對于一些長(cháng)期使用的書(shū)籍如參考書(shū)、手冊、教課書(shū)、烹飪書(shū)等所要求書(shū)本的翻平性(將書(shū)籍翻開(kāi)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，對于一些長(cháng)期保存的書(shū)籍如寫(xiě)真集、圖片年鑒、高檔的文物字畫(huà)、圣經(jīng)書(shū)籍等，PUR熱熔膠能完全滿(mǎn)足這些書(shū)籍的要求。PUR熱熔膠具有極佳的粘接力，用膠量比傳統的EVA熱熔膠少約50％或更少。EVA熱熔膠要達到一定的強度(書(shū)背施膠厚度根據紙張情況和書(shū)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(shū)本厚薄不分紙張情況，一般在0.3 mm左右就可達到同EVA熱熔膠一樣的強度。PUR熱熔膠組成中不含溶劑，固化過(guò)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。
3.主要應用缺點(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(wèn)題需要解決，如：降低熔融溫度和熔融粘度；提高初粘力；增強產(chǎn)品的柔韌性、耐熱性和阻燃性等書(shū)本印刷。PUR熱熔膠操作性、操作工藝比傳統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，因此預熱熔膠箱內應有氮氣作保護。由于PUR熱熔膠釘裝施膠量可以同比EVA熱熔膠少，對機臺運行穩定性要求比較高。PUR熱熔膠加熱使用過(guò)程中，可能產(chǎn)生少量有害刺激氣體(異氰酸鹽)揮發(fā)，對熔膠溫度控制、通風(fēng)系統要求高。當PUR熱熔膠熔解施膠冷卻發(fā)生交聯(lián)反應固化后，不可以重新加熱熔融再次使用，而EVA熱熔膠作為可塑性樹(shù)脂可以反復加熱使用。
四、書(shū)本裝訂用聚氨酯熱熔膠的發(fā)展趨勢
聚氨酯熱熔膠自20世紀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(cháng)率達到11％以上，成為繼水性膠粘劑、EVA熱熔膠粘劑第三增長(cháng)最快的膠粘劑書(shū)本印刷。
對用于書(shū)本裝訂的PUR熱熔膠發(fā)展也十分迅速書(shū)本印刷。自80年代末90年代初，第一代PUR熱熔膠開(kāi)始使用于書(shū)本裝訂，但當時(shí)書(shū)本施膠后三到六天才達到最佳性能，才可進(jìn)行書(shū)本切邊、后加工和運輸等，但局限于當時(shí)的合成技術(shù)，在熔膠操作過(guò)程中，較大量的異味(MDI、TDI)殘留異氰酸酯單體揮發(fā)，對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，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(shū)本施膠裝訂后30分鐘可以切書(shū)邊，6-16小時(shí)內得到固化，達到最佳的粘接效果。
高速發(fā)展的今天，追求更高的生產(chǎn)效能、安全性書(shū)本印刷。顯然第三代的PUR熱熔膠仍然未能滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要。一些國際知名的大公司，為縮短PUR熱熔膠固化時(shí)間做出不斷的努力。“UV紫外線(xiàn)加濕氣”雙固化的PUR熱熔膠的概念被提出，并開(kāi)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(guò)程中，在PUR分子鏈上接枝一些能與UV反應的單體成分。當書(shū)本施膠后，利用在裝訂設備上安裝的UV能量燈，引發(fā)PUR熱熔膠內的UV單體成分發(fā)生交聯(lián)反應，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)生反應直到完全固化。這種PUR熱熔膠可以配合設備聯(lián)機生產(chǎn)、切書(shū)邊操作，在3分鐘內固化程度達到滿(mǎn)意效果，與普通EVA熱熔膠固化速度相當，甚至，此類(lèi)型的PUR熱熔膠也可以適用于圓脊精裝書(shū)的裝訂上。目前，由于此類(lèi)膠粘劑價(jià)格比較貴，仍然未能推廣應用。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，人們對文化享受、品味追求越來(lái)越高，書(shū)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、安全性更高的檔次書(shū)本印刷。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。可以預測的是，降低PUR熱熔膠的價(jià)格，提高PUR的易使用性能，擴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。
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