文：树哥影馆

编辑：树哥影馆

聚乙烯醇（PVA）是一种可溶于热水的聚合物，它无毒且无污染。由于PVA分子链上有许多羟基，因此它对于木材、纸张、纤维、水泥等极性材料具有一定的粘合力。然而，PVA胶膜本身的强度、耐水性和耐潮性较差，这限制了它的应用范围。

为了改善PVA的性能，人们进行了缩醛化改性，例如缩甲醛（107建筑胶水），这在过去得到了广泛的应用。

然而作为粘合剂，PVA的性能仍然不够优良，特别是存在严重的游离甲醛残留，对人体健康和环境产生不良影响。

因此，需要进一步研究和改进PVA胶水的性能，以提高其强度、耐水性和耐潮性，并减少或消除对环境和人体健康的不良影响。

这可能涉及使用其他添加剂、改变合成工艺或探索新的粘合剂体系，以获得更优秀的粘合性能和更安全的产品。

对PVA粘合剂的改性研究意义确实不仅限于提高粘结性能和耐水性能，而更重要的是环境保护方面。

目前，人们越来越关注使用环境友好的“绿色”粘合剂，以减少对环境和人类健康的不良影响。

对PVA粘合剂进行改性研究的目的之一就是开发和合成出具有良好水性、无毒、无污染的绿色粘合剂。

通过改进PVA粘合剂的性能，例如提高其强度、耐水性和耐潮性能，同时减少或消除游离甲醛等有害物质的残留，可以使PVA粘合剂在实际应用中更加环境友好和可持续。

这些改性研究旨在开发出性能优越且对环境影响较小的绿色粘合剂，以满足对可持续发展和环境保护的需求。

因此，PVA粘合剂改性研究的意义在于寻找新的方法和材料，以合成出具有良好性能且对环境无害的水性“绿色”粘合剂，从而在实际应用中实现环境保护的目标。

有报道指出，可以使用二异氰酸酯（如甲苯二异氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯（MDI）等）或多异氰酸酯（如多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI）等）与PVA进行交联反应，以制备双组分粘合剂，用于木材粘合。

除此之外，也有学者在水基环境中进行了一些工作，使用二异氰酸酯与PVA进行交联反应，制备单组分乳胶。

为了制备出稳定的单组分乳胶，我们选择了易得且价格较便宜、毒性较小的PAPI作为原料，在水基环境中成功地进行了PVA的交联反应。

首先我们准确称量所需的PVA颗粒，将其加入一个装有接近1000mL自来水的烧杯中。

在水浴中加热烧杯，并同时搅拌，直到PVA颗粒完全溶解。

加入约2.5mL的OP-10（一种表面活性剂），然后用塑料薄膜封口，以防止胶水表面结膜。

冷却烧杯至预定的交联反应温度，并严格控制温度。

固定搅拌速度，并按照设计的剂量滴加PAPI（例如PAPI颗粒）。

在滴加PAPI的过程中继续搅拌，直到达到预定的反应时间后停止搅拌。

加入适量的水，使总体积达到1000mL，然后搅拌均匀。

将最终制得的胶水倒入一个透明的试剂瓶中，并避光保存。

在水基环境中使用PAPI交联PVA的原理如下：

PAPI是一种由不同*能官**度的多异氰酸酯混合物组成的棕色液体。

其中，4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）占混合物总量的大约50％，其余则是平均相对分子质量为350～420的低聚合度异氰酸酯。

PAPI分子中的苯环上都连接了反应活性非常强的异氰酸酯基团（—NCO）。在存在OP-10表面活性剂的作用下，PAPI能够与PVA水溶液中的羟基发生反应，生成氨基甲酸酯。

如果反应发生在两个PVA分子链之间，它们会相互交联，减少PVA分子链上的羟基，同时大幅增加PVA的相对分子质量。

这种交联反应可以显著提高胶膜的强度。

然而，如果反应发生在同一个PVA分子链内部，PVA的相对分子质量增加的程度较低。

不过，不论是交联发生在两个分子链之间还是同一个分子链内部，都能够在不同程度上提高胶膜本身的强度。

需要注意的是，如果交联度过大，会导致耐冻融性能变差。

通过PAPI与PVA的交联反应，可以改善PVA胶膜的物理性能，提高其强度和耐用性。这种方法可以扩展PVA作为粘合剂的应用领域，并提供更多环境友好的选择。

在PAPI与PVA的交联反应中，的确存在一些副反应。其中，PAPI分子中的异氰酸酯基团（—NCO）可能会与水发生反应，首先生成不稳定的氨基甲酸，然后很容易分解为二氧化碳和苯胺类化合物。

苯胺类化合物还可以与PAPI中的游离异氰酸酯基团再次反应，形成取代脲和缩二脲。

此外，在特定条件下，PAPI还可以与氨基甲酸酯、氨基甲酸等发生反应，并且可以发生二聚和三聚反应。

这些副反应，尤其是—NCO与水的反应，与交联主反应会发生竞争。因此，在水基环境中，特别是在制备PVA胶水时，需要控制反应条件，以使反应主要朝着交联的方向进行。

在PVA胶水中，除了交联PVA分子链，PAPI还可以发生多种形式的转化反应。但需要注意的是，在这些转化过程中，不会释放出有毒或刺激性气体。

因此，为了控制反应过程和获得所需的交联效果，对PAPI与PVA的交联反应需要进行条件的精确控制，并考虑副反应的影响。

正交实验因素设计

通过预实验我们可以确定PAPI的体积分数不超过0.8%，而PVA的质量浓度不超过0.13 g/mL。

因为如果PAPI或PVA的加入量过大，都可能导致乳胶的流动性差，甚至出现凝胶现象。

根据正交实验L16(4^5)设计，可以进行16次实验，选定四个因素，每个因素设定四个水平。这种实验设计可以帮助确定最佳的参数组合，优化反应条件，以达到所需的交联效果。

在实验中，可以同时考虑多个因素，如PAPI的用量、PVA的用量以及其他可能影响交联反应的因素。

通过对不同实验条件的比较与分析，可以确定最优条件，使得交联反应达到最佳效果。正交实验因素及其水平见表 1 。

在实验中，样品经过融冻性试验后进行压缩剪切强度检测。

融冻性试验用于评估样品在冷冻和解冻过程中的物理性质和稳定性。一旦样品经过融冻性试验确认稳定后，可以进行压缩剪切强度的检测。实验结果见表 2 。

在表2中显示各因素对粘合剂的压缩剪切强度影响的大小顺序是A > B > C > D。优化条件为A4B3C4D1，这将使得15号样品的粘合剂压缩剪切强度达到最大值（6.62 MPa）。

具体的优化条件是：PVA的质量浓度为0.13 g/mL，PAPI的体积分数为0.6%，反应时间为75分钟，反应温度为20℃。

根据正交实验的结果，可以绘制各因素与交联PVA粘合剂的压缩剪切强度之间的统计分析图。

可以绘制4个图表，分别是图1到图4。这些图表将有助于更直观地理解各因素对压缩剪切强度的影响程度。

PVA 的质量浓度对压缩剪切强度的影响

在影响PVA粘合剂压缩剪切强度的因素中，主要是PVA粘膜本身的强度，即内聚力。由于PVA分子链上有相当数量的羟基，导致胶水与被粘木材之间的亲合力是足够强的。

PAPI的交联度大小反映了PVA粘膜自身的内聚力大小，而与被粘木材的关系不大。实验范围内随着PVA质量分数的增大，粘合剂的压缩剪切强度呈上升趋势。

这可能是因为胶粘剂中固含量增加以及PVA分子链被PAPI交联程度增大所致。

然而，PVA质量分数的增大有一定限度，过高的PVA质量分数会导致凝胶形成，影响粘合剂的压缩剪切强度和在常温下的稳定性。

PAPI 体积分数对压缩剪切强度的影响

根据图2，可以看出PAPI的加入量在0.2%至0.6%范围内，随着PAPI体积分数的增大，粘合剂的压缩剪切强度也相应增大。

当PAPI的加入量接近0.6%时，粘合剂的平均压缩剪切强度达到最大值为4.78 MPa，随后反而出现下降。

这可能是由于交联程度过大导致粘合剂的粘度增加，降低了对被粘木材的浸润程度，从而导致粘合剂的压缩剪切强度降低。

统计分析的结果表明，PAPI的体积分数最佳值应在0.6%左右。

需要注意的是，具体的最佳值和趋势可能会因实验条件、PVA和PAPI的性质以及目标应用等因素而有所不同。因此，对于特定的实验系统和应用，进一步的实验研究和优化可能是必要的。

交联反应时间 、反应温度对压缩剪切强度的影响

根据图3，可以看出交联反应时间在60分钟内对粘合剂的压缩剪切强度影响不大。但是在60分钟后，随着交联反应时间的增加，压缩剪切强度明显增大。

当交联反应时间达到75分钟时，压缩剪切强度的平均值达到4.72 MPa。

PAPI除了含有大约50%的MDI（多异氰酸酯）外，还含有相当数量的低聚合度的多异氰酸酯，分子量较大，结构较复杂。

因此，与使用MDI作为交联剂相比，PAPI的交联反应时间较长。由于PAPI分子结构较复杂，交联反应相对困难。

在使用PAPI进行PVA分子链交联时，较高的反应温度有利于交联反应，但与此同时，竞争的副反应也会随温度的升高而加快。

由于这两个因素的相互影响，压缩剪切强度的变化较小，如图4所示。因此，交联反应在低温范围（20℃至30℃）更为有利。

需要注意的是，具体的交联反应时间和温度应根据具体的实验系统和应用进行优化和调整。因此，在实验中，需要综合考虑交联反应的效果以及副反应的影响，选择合适的时间和温度条件。

低温稳定性

通过在0℃冰箱中放置24小时后，观察到表2中的1、2、5和6号样品仍能流动，而其余样品不易流动。当将样品恢复到室温时，所有样品都恢复为流动状态。多次重复试验得到的结果相同。

这些结果表明，在低温条件下，部分样品的流动性受到影响，而在恢复到室温后，所有样品都能重新流动。

这可能是由于低温引起的样品的凝固或者胶体结构的改变，但这种效应可以通过恢复到常温来消除。

根据实验结果，我们可以得出以下结论：

使用PAPI作为交联剂，可以在水基介质中成功交联PVA分子链。

PVA的加入量、PAPI的加入量、交联反应时间和交联反应温度等因素对该反应都有影响。

实验结果表明，少量PAPI的加入可以大幅提高PVA胶水的压缩剪切强度。

特别值得注意的是，所得的样品是稳定的单组分白色乳胶，不会释放有毒和刺激性气体。

据此，较佳的合成白色乳胶的条件是：PVA的质量浓度为0.13 g/mL，PAPI的体积分数约为0.6%，交联反应时间大于75分钟，交联反应温度在20℃至30℃之间。

关于该胶粘剂的全面性能和应用效果，还需要进一步的研究和评估。