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聚氨酯膠粘劑的固化——流變儀與紅外光譜聯用
開發聚氨酯膠粘劑時，如何快速掌握從液態到固態的固化過程，并深入了解反應背后的分子機制，一直是研發人員面臨的難題。
聚氨酯膠粘劑是指在分子鏈中含有氨基甲酸酯基團（－NHCOO－）或異氰酸酯基（－NCO）的膠粘劑。
使用傳統旋轉流變儀可測試其儲能模量G’、損耗模量G”和相位角的變化可反映樣品從液態至固態的相態變化過程，但無法解釋深層次原因。
賽默飛哈克（HAAKE）專利的流變-紅外聯用技術（圖1），借助傅里葉變換紅外光譜能夠識別和量化物質中的不同化學基團，原位表征聚氨酯固化過程的分子反應機理。
圖1 流變-紅外聯用裝置
圖2 Rheonaut聯用模塊
01
流變學數據評估
對某一雙組分聚氨酯配方快速混合均勻后，加載至Rheonaut聯用裝置上（圖2），控制固化溫度30℃。流變數據如圖3。固化前樣品表現為液態，黏性模量G”＞彈性模量G’，隨固化進行，11.32 min黏彈性模量出現交點，即凝膠點。之后彈性模量G’大于黏性模量G”，樣品轉變為固體性質占主導。
圖3 聚氨酯固化40min流變結果
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02
紅外光譜分析
在同一個流變固化實驗上，可原位得到聚氨酯固化過程的紅外譜圖，同時一個流變數據點對應一張紅外譜圖（圖4）。
圖4 聚氨酯30℃固化實時紅外光譜圖
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通過選取3個特征時間點的光譜（圖5），即實驗開始，模量發生交點（凝膠點）和反應最后的3張譜圖疊加。我們可以發現，反應過程中，異氰基團吸收強度不斷的降低，不斷的被消耗而酯基和氨基的吸收強度在提升，即生成了這些基團。利用紅外Omnic軟件還可生成時間-波數-吸收強度三維圖（圖6），更加直觀的觀察固化的機理。
圖5 3個特征時間點的紅外光譜
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圖6 聚氨酯固化時間-波數-吸收強度三維圖
?結論
賽默飛哈克（HAAKE）流變-紅外聯用技術，不僅能幫助我們了解這種體系固化的分子反應過程，根據異氰基團的吸收強度隨時間的變化，我們甚至可以計算固化率與反應動力學，極大的加快產品的配方開發。