反应型火焰复合剂对多层复合结构界面结合强度的影响

摘要

在纺织、汽车内饰、建筑保温、包装等工业领域中，多层复合材料因其优异的综合性能而被广泛应用。其中，火焰复合技术作为一种环保、高效的加工方式，已被广泛应用于无纺布、泡沫、薄膜等材料之间的复合。反应型火焰复合剂作为提升界面结合强度的关键材料，其在复合过程中不仅起到粘接作用，还能通过化学反应增强各层材料之间的相互作用力。

本文系统地分析了反应型火焰复合剂的化学组成、作用机制及其对多层复合结构界面结合强度的影响。通过引用国内外相关研究成果，结合实验数据和实际应用案例，探讨了不同种类复合剂对界面粘接性能的提升效果，并提出了优化复合工艺的建议。

一、引言

多层复合结构由两种或两种以上不同性质的材料通过粘接、热压、火焰复合等方式结合而成，广泛应用于汽车内饰、家居软包、医疗防护、建筑节能等领域。其性能不仅取决于各层材料本身的性能，更关键的是各层之间的界面结合强度。

传统的复合方式如溶剂型胶黏剂复合虽然粘接强度高，但存在挥发性有机化合物（VOC）排放高、工艺复杂、干燥时间长等问题。而火焰复合技术利用高温火焰软化基材表面，使其在压力作用下实现自粘合或借助反应型复合剂实现粘接，具有工艺简单、无溶剂污染、生产效率高等优点。

近年来，反应型火焰复合剂因其能够在复合过程中与基材发生化学反应，从而显著提升界面结合强度，成为研究和应用的热点。

二、反应型火焰复合剂的分类与化学组成

（一）按化学结构分类

根据化学结构的不同，反应型火焰复合剂主要包括以下几类：

（二）按功能组分类

根据是否含有反应性官能团，可将复合剂分为：

• 非反应型：仅通过物理吸附或表面润湿实现粘接，粘接强度有限；
• 反应型：含有如异氰酸酯（–NCO）、环氧基（–O–）、羧基（–COOH）等活性官能团，可在加热或压力作用下与基材发生化学反应，形成共价键或氢键，从而显著提高界面结合强度。

三、反应型火焰复合剂的作用机制

火焰复合过程中，基材表面受高温火焰软化，复合剂在基材表面润湿并渗透至微孔结构中。随后在压力作用下，复合剂与基材发生物理嵌合和化学反应，形成牢固的界面结合。

（一）物理作用机制

• 润湿与渗透：复合剂需具有较低的表面张力，以便在基材表面充分铺展；
• 界面锚定：复合剂分子渗入基材表面微孔，形成机械嵌合；
• 热压粘合：高温软化后，复合剂与基材在压力作用下实现粘合。

（二）化学作用机制

• 异氰酸酯反应：–NCO 基团与基材中的 –OH、–NH₂ 等基团反应生成氨基甲酸酯键或脲键；
• 环氧开环反应：环氧基团在高温或催化剂作用下与 –COOH、–OH 等反应形成酯键；
• 自由基交联：某些复合剂在高温下产生自由基，引发交联反应，增强界面网络结构。

四、影响界面结合强度的因素分析

（一）复合剂种类

不同种类的复合剂与基材的相容性和反应性不同，直接影响粘接强度。例如，聚氨酯类复合剂因其 –NCO 基团的高反应活性，在泡沫/织物复合中表现出优异的粘接性能。

表1：不同复合剂对泡沫/织物复合界面剥离强度的影响（单位：N/5cm）

来源：Zhang et al., 2021（清华大学材料学院）

（二）施加方式

复合剂的施加方式包括喷涂、滚涂、浸渍等，不同的施加方式影响复合剂在基材表面的分布均匀性，从而影响粘接效果。

（三）火焰处理参数

火焰温度、处理时间、距离等参数对基材表面活化程度有直接影响。一般认为，火焰处理时间控制在0.5~2秒，温度控制在200~300℃为宜。

（四）复合压力与冷却速度

复合过程中施加的压力越大，复合剂与基材的接触越紧密，有利于形成更强的粘接界面。冷却速度过快可能导致复合剂未充分交联，降低粘接强度。

五、实验研究与案例分析

（一）实验设计

以聚氨酯泡沫与涤纶无纺布为复合对象，采用反应型聚氨酯类火焰复合剂进行复合，研究不同工艺参数对界面结合强度的影响。

表2：不同工艺参数对复合强度的影响

来源：Chen et al., 2022（东华大学复合材料研究中心）

（二）工业应用案例

某汽车内饰企业采用反应型火焰复合剂将聚氨酯泡沫与聚酯无纺布复合，用于仪表板包覆材料。通过优化复合剂配方和工艺参数，使剥离强度提升至9.5 N/5cm，满足TSB（丰田标准）对复合材料的粘接要求。

六、复合剂对界面结合强度提升的机理研究

通过红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析发现，反应型复合剂在火焰复合过程中与基材发生了化学键合反应。

表3：复合剂与基材反应的特征峰变化（FTIR分析）

来源：Wang et al., 2020（《高分子材料科学与工程》）

七、反应型复合剂在不同基材体系中的应用效果

表4：反应型复合剂在不同基材组合中的粘接性能对比

来源：Zhou et al., 2021（《化工新型材料》）

八、复合剂发展趋势与挑战

（一）发展趋势

1. 多功能化：开发兼具阻燃、抗菌、抗静电等功能的复合剂；
2. 环保型：减少VOC排放，推广水性或生物基复合剂；
3. 智能化：开发温敏、光敏型复合剂，实现可控粘接；
4. 纳米增强型：引入纳米粒子提高复合剂的力学性能和耐久性。

（二）面临的挑战

1. 成本控制：高性能复合剂价格较高，限制其在低端市场的应用；
2. 工艺适应性：不同基材组合对复合剂的适配性要求高；
3. 标准化不足：目前尚缺乏统一的复合剂性能评价标准；
4. 环保法规压力：欧盟REACH法规、中国“十四五”绿色制造政策对复合剂环保性能提出更高要求。

九、结论

反应型火焰复合剂通过物理润湿与化学反应双重机制显著提升了多层复合结构的界面结合强度。在实际应用中，其性能受到复合剂种类、施加方式、火焰处理参数、复合压力等多种因素的综合影响。未来，随着材料科学和绿色制造技术的发展，反应型复合剂将在功能性、环保性、智能化等方面实现进一步突破，为多层复合材料的高性能化和可持续发展提供有力支撑。

参考文献

1. Zhang, Y., Wang, H., & Liu, J. (2021). Effect of Reactive Flame Adhesives on the Interfacial Bonding of Multi-layer Composites. Journal of Materials Science and Engineering, 39(4), 45–52.

2. Chen, L., Tang, M., & Zhao, Y. (2022). Optimization of Flame Lamination Process for Automotive Interior Materials. Textile Research Journal, 92(6), 1123–1131.

3. Wang, X., Li, G., & Sun, Z. (2020). Chemical Bonding Mechanism of Reactive Flame Adhesive in Foam-Fabric Composites. Polymer Materials Science & Engineering, 36(8), 78–84.

4. Zhou, W., Huang, R., & Lin, J. (2021). Application of Reactive Flame Adhesives in Industrial Textiles. New Chemical Materials, 49(5), 102–107.

5. 东华大学复合材料研究中心. (2022). 火焰复合工艺与材料性能研究年度报告. 上海.

6. 清华大学材料学院. (2021). 反应型粘接剂在多层复合中的界面行为研究. 北京.

7. European Chemicals Agency (ECHA). (2023). REACH Regulation and Flame Adhesive Compliance. Retrieved from http://echa.europa.eu.

8. 中国纺织工业联合会. (2021). 《中国纺织工业“十四五”绿色发展指导意见》. 北京.

9. BASF Polyurethanes Division. (2021). Technical Guide to Reactive Flame Adhesives. Ludwigshafen, Germany.

10. Huntsman Polyurethanes. (2020). Formulation Handbook for Reactive Flame Adhesives. The Netherlands.