Two-component polyurethane adhesive with high bondingstrength and low modulus

Abstract

A two-component polyurethane adhesive for bonding modules in automotive and internet-of-things (IoT) applications is provided. The adhesive comprises a polyisocyanate monomer and an isocyanate-terminated polyurethane prepolymer, along with polyols, diols, polyamines, and a polybutadiene chain compound. It features a high bonding strength of over 3MPa with low modulus in service temperature from -40℃ to 105℃ and is suitable for dissimilar material assembly.

Description

TWO-COMPONENT POLYURETHANE ADHESIVE WITH HIGH BONDINGSTRENGTH AND LOW MODULUS

[0001] The invention relates to a two-component polyurethane adhesive. In particular, it relates to two-component polyurethane adhesive which is intended to ensure sufficient bonding strength and low modulus, suitable for dissimilar material assembly, particularly in automotive or internet-of-things (IoT) applications.

[0002] With the advent of new-generation automotive technology, intelligent cockpits and autonomous driving are transforming the way people drive. These intelligent cockpits may include new features, like a driver monitor system (DMS) , driving recorder, rear row entertainment display, and co-pilot entertainment display. Display features may include three-dimensional (3D) or holographic display capabilities, use of multiple screens, larger display sizes, and use of new and diversified display layouts. For example, a window may provide not only shelter from wind and rain but also an information display, which may be described as a heads-up display (HUD) . A HUD, sunroof, or seat material may be used for displaying vehicle and entertainment information.

[0003] Some new features may be supported by intelligent sensors to facilitate versatile cockpit designs and interactions beyond buttons, voice, and touch inputs, which may include human-vehicle interaction modes such as voice assistant, gesture recognition, fingerprint recognition, sound localization, and face recognition. Such interactive features may provide new interactions, such as smart configurations based on voice input, ambient light, smart seats, and in-car cameras.

[0004] Components of intelligent cockpits providing these features employ a versatile range of materials, including high performance plastic and metal materials. Adhesive development and selection play an important role in assembling versatile materials into desirable new components of intelligent cockpits, particularly to meet structural strength and aesthetic requirements.Summary

[0005] In a first aspect, the present disclosure provides a two-component polyurethane adhesive, which may be particularly suitable for dissimilar material assembly, particularly in automotive or IoT applications.

[0006] In a second aspect, the present disclosure provides a two-component polyurethane adhesive having bonding strength greater than 3MPa and which maintains a low modulus in service temperature from -40℃ to 105℃, ensuring flexibility and resilience under extreme temperature conditions.

[0007] In a third aspect, a method of producing a two-component polyurethane adhesive with high bonding strength and low modulus is provided.

[0008] The details of one or more examples of the disclosure are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, objects, and advantages of the disclosure will be apparent from the description and drawings, and from the claims.Detailed Description

[0009] Described in more detail herein is a two-component polyurethane adhesive. The two-component (2K) polyurethane (PU) adhesive may provide unique properties that are particularly suitable for components in an intelligent cockpit, such as minimal bond line widths, good process compatibility in manufacturing, low modulus across the service temperature range, minimal or no surface treatment, sufficient bonding strength, balanced open and clamping times, good aging resistance, and compliance with various standards, such as VDA automotive standards and volatile organic compound (VOC) standards, which may require odorless adhesives.

[0010] In the following description, reference is made to the accompanying figures that form a part thereof and in which various embodiments are shown by way of illustration. It is to be understood that other embodiments are contemplated and may be made without departing from the scope or spirit of the present disclosure. The following detailed description, therefore, is not to be taken in a limiting sense.

[0011] In the following disclosure, the following definitions are adopted.

[0012] As used herein, all numbers should be considered modified by the term “about” . As used herein, “a, ” “an, ” “the, ” “at least one, ” and “one or more” are used interchangeably.

[0013] The words “preferred” and “preferably” refer to embodiments described herein that may afford certain benefits, under certain circumstances. However, other embodiments may also be preferred, under the same or other circumstances. Furthermore, the recitation of one or more preferred embodiments does not imply that other embodiments are not useful and is not intended to exclude other embodiments from the scope of the invention.

[0014] Reference throughout this specification to “one embodiment, ” “certain embodiments, ” “one or more embodiments” or “an embodiment” means that a particular feature, structure, material, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the invention. Thus, the appearances of the phrases such as “in one or more embodiments, ” “in certain embodiments, ” “in one embodiment” or “in an embodiment” in various places throughout this specification are not necessarily referring to the same embodiment of the invention. Furthermore, the particular features, structures, materials, or characteristics may be combined in any suitable manner in one or more embodiments.

[0015] Hereinafter, two-component polyurethane adhesive will be described in detail.

[0016] A two-component polyurethane adhesive according to an exemplary embodiment of the present invention comprises a first component A and a second component B.

[0017] In an embodiment, first component A comprises at least one polyisocyanate monomer A1 and at least one isocyanate-terminated polyurethane prepolymer A2.

[0018] In an embodiment, polyisocyanate monomer A1 is selected from diphenylmethane 4, 4′-diisocyanate, diphenylmethane 2, 4′-diisocyanate, diphenylmethane 2, 2′-diisocyanate, or mixtures thereof; tolylene 2, 4-diisocyanate, tolylene 2, 6-diisocyanate, or mixtures thereof; 1-isocyanato-3, 3, 5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane (IPDI) ; hexamethylene 1, 6-diisocyanate (HDI) ; and hydrogenated methylene diphenyl diisocyanate (HMDI) .

[0019] Polyisocyanate monomer form A1 strong urethane linkages with polyols. This reaction creates a three-dimensional polymer network that provides high mechanical strength, elasticity, and durability. Further, they enable the adhesive to cure at room temperature with controlled curing times, ensuring strong bonds with various substrates like metals and plastics.

[0020] In an embodiment, the isocyanate-terminated polyurethane prepolymer A2 is prepared from a polyol a2 that has an OH functionality ranging from 2 to 4 and an average molecular weight (Mn) between 400 to 15000 g / mol. These include polyester polyols (which is formed by the reaction of polyhydric alcohols with polybasic acids) , polycarbonate polyols (which is synthesized from diols and carbonate diesters) and polyether polyols (which is produced by the polymerization of alkylene oxides with a multifunctional initiator) .

[0021] In an embodiment, isocyanate-terminated polyurethane prepolymer A2 includes a diisocyanate component a1.

[0022] The diisocyanate component can be selected from compounds such as diphenylmethane diisocyanates (4, 4′-MDI, 2, 4′-MDI, 2, 2′-MDI, or their mixtures) , tolylene diisocyanates (2, 4-TDI, 2, 6-TDI, or their mixtures) , 1-isocyanato-3, 3, 5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane (IPDI) , hexamethylene 1, 6-diisocyanate (HDI) , and hydrogenated methylene diphenyl diisocyanate (HMDI) .

[0023] In an embodiment, the weight ratio of a2 /  (A1+a1) is between 2: 1 to 0.5: 1; more preferably between 1.5: 1 to 0.8: 1.

[0024] At least one polyol B1, used in the two-component polyurethane adhesive, has an OH functionality in the range from 2 to 4 and an average molecular weight (Mn) in the range from 400 to 15000 g / mol. Polyol B1 can be selected from polyester polyols, polycarbonate polyols, and polyether polyols, each contributing to the adhesive’s performance characteristics.

[0025] Polyol B1 may be included at a concentration ranging from 20 to 90 wt%and more preferably at a concentration ranging from 30 to 80 wt%.

[0026] In an embodiment, diol B2 is selected from polyester diol, polycarbonate diol and polyether diol having an average molecular weight Mn in the range from 50 to 2000 g / mol.

[0027] Examples of these include poly (ethylene adipate) diol, poly (butylene adipate) diol, and poly (hexamethylene adipate) diol for polyester diols; 1, 6-hexanediol polycarbonate, butanediol polycarbonate, and hexanediol biscarbonate for polycarbonate diols; and poly (propylene glycol) diol (PPG) , polytetramethylene ether glycol (PTMEG) , and poly (ethylene glycol) diol (PEG) for polyether diols.

[0028] These examples are not exhaustive, and any other suitable diols may also be used to achieve the desired properties in high-performance automotive adhesives.

[0029] In an embodiment, polyamine B3 has an average molecular weight Mn in the range from 100 to 3000 g / mol and is selected from aliphatic, cycloaliphatic, and ether-containing polyamines.

[0030] Suitable examples of polyamine B3 include diethylenetriamine, triethylenetetramine, 1, 6-hexanediamine, piperazine, 1, 3-diaminopropane, 1, 4-diaminobutane (putrescine) , 1, 5-diaminopentane (cadaverine) , N-methylethylenediamine, N, N-dimethylethylenediamine, and 1, 2-diaminocyclohexane, 1, 3-bis (aminomethyl) cyclohexane, 3, 6-dioxa-1, 8-octanediamine, 4, 7, 10-trioxa-1, 13-tridecanediamine, poly (propylene glycol) bis (2-aminopropyl ether) , and polyoxyalkylene triamine.

[0031] In an embodiment, compound B4 has a polybutadiene chain having an average molecular weight Mn in the range from 1000 to 10000 g / mol.

[0032] Compound B4 may have an OH terminated group with an OH functionality in the range of 0.2 to 2.8. These may include various OH-terminated polybutadiene compounds, which are liquid polymers with hydroxyl groups at the ends of the polybutadiene chains.

[0033] Suitable examples include hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB) , hydroxyl-terminated polybutadiene, low molecular weight hydroxyl-terminated polybutadiene, hydroxyl-terminated poly (butadiene-co-acrylonitrile) , and hydroxyl-terminated poly (butadiene-co-styrene) . Other examples are hydroxyl-terminated polybutadiene with low viscosity, telechelic polybutadiene with hydroxyl termination, and hydroxyl-terminated poly (butadiene-co-acrylonitrile) with different molecular weights.

[0034] These examples are not exhaustive, and other suitable OH-terminated polybutadiene compounds may also be used.

[0035] In an embodiment, the specific weight ratio of the combined components B1 and B4 to the combined components B2 and B3 [ (B1 + B4) to (B2 + B3) ] ranges from 2: 1 to 8: 1.

[0036] Component A or Component B in the two-component polyurethane adhesive may comprise at least one catalyst selected from a variety of amines and organometallic compounds. These catalysts include triethylamine, tributylamine, dimethylbenzylamine, N-ethyl-, N-methyl-, N-cyclohexylmorpholine, dimethylcyclohexylamine, dimorpholinodiethylether, 2- (dimethylaminoethoxy) -ethanol, 1, 4-diazabicyclo [2, 2, 2] octane, 1-azabicyclo [3, 3, 0] octane, N, N, N’ , N’ -tetramethyl ethylenediamine, N, N, N’ , N’ -tetramethyl butanediamine, N, N, N’ , N’ -tetramethyl hexane-1, 6-diamine, pentamethyl diethylenetriamine, tetramethyl diaminoethylether, bis- (dimethylaminopropyl) -urea, N, N’ -dimethylpiperazine, 1, 2-dimethylimidazole, di- (4-N, N-dimethylaminocyclohexyl) methane, organometallic compounds, and combinations thereof.

[0037] Component A or Component B in the two-component polyurethane adhesive may additionally comprise fillers selected from calcium carbonate, kaolin, talc, quartz powder, mica, bentonite, zeolites, silica, and hollow spheres, which contribute to improved mechanical strength, hardness, and durability.

[0038] The two-component polyurethane adhesive according to an embodiment of the present invention may include mixing Component A and Component B in a volume ratio in the range of 1: 0.8 to 1: 1.2, or in some embodiments the volume ratio is 1: 1. The components are combined in a clean mixing container and blended thoroughly using a mechanical mixer to ensure a homogeneous mixture. The adhesive is then applied to the substrates within the open time, ensuring an even application for a consistent bond line. The substrates are positioned and clamped as needed to maintain alignment during curing.

[0039] In one embodiment, the two-component polyurethane adhesive is specifically designed for bonding various dissimilar substrate materials suitable, which may be beneficial, for example, for display screen assemblies, particularly in automotive and IoT applications.

[0040] In some applications, the substrate herein includes ink-glass, magnesium / aluminum alloy (Mg / Al alloy, or 2024-T3 Al alloy) and a blend of polycarbonate (PC) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS) (together PC / ABS) .

[0041] The adhesive typically cures at room temperature, developing its full mechanical properties over several hours to days, depending on the specific formulation and environmental conditions.

[0042] However, the preparation method of the two-component polyurethane adhesive is ideal for modules in automotive applications, such as display screens, due to its high bonding strength, low modulus across a wide temperature range, and excellent environmental resistance. As used herein, the term “low modulus” refers to less than or equal to 500MPa generally, and less than or equal to 450MPa, 400MPa, 375MPa, 350MPa, or even 300MPa in some applications.

[0043] It cures at room temperature, simplifying the assembly process and reducing costs. This new 2K PU adhesive is also suitable for IoT and other automotive applications requiring flexible bonding of dissimilar materials. Examples

[0044] Objects and advantages of this disclosure are further illustrated by the following non-limiting examples, but the particular materials and amounts thereof recited in these examples, as well as other conditions and details, should not be construed to unduly limit this disclosure.

[0045] Part I: Sample Preparation

[0046] The present invention submission is now illustrated by the following examples. Unless otherwise specified, all parts are on a weight basis. Table 1: Materials

[0047] Component A was prepared by reacting diisocyanate with polyol at 60-80℃and further adding other ingredients, or by mixing polyisocyanate with prepolymer and other ingredients. The mixture was further dispersed and degassed under vacuum to get a homogenous solution.

[0048] Component B was prepared by adding ingredients in sequence and dispersing with the planetary mixer under vacuum condition to get a homogenous solution.

[0049] Component A and Component B were filled into a 50ml 1: 1 dual-pack cartridge, thoroughly mixed and dispensed through a mixing nozzle for further testing.

[0050] Part II: Testing Procedure

[0051] Overlap Shear Strength:

[0052] Overlap Shear Strength (OLS) is a measure of the adhesive’s ability to resist shear forces, which are parallel to the bonded surfaces. It provides an indication of the adhesive’s performance under stress conditions that are typical in many practical applications.

[0053] OLS Test Procedure:

[0054] Standard: The OLS test was conducted following ASTM D1002, a standard test method for determining the shear strength of adhesives using a single lap joint.

[0055] Substrates: The substrates used in the test were 2024-T3 Al alloy (Al) and PC / ABS. Substrate surface could be pretreated accordingly.

[0056] Curing Conditions: The adhesive samples were cured at room temperature, allowing the adhesive to develop its full mechanical properties under ambient conditions.

[0057] Modulus:

[0058] Modulus, often referred to as the elastic modulus or Young’s modulus, is a measure of a material’s stiffness or rigidity. It quantifies the material’s resistance to deformation under an applied force.

[0059] After mixing the two-component polyurethane adhesive, the mixture was dispensed onto a release film to create a thin film sample and then cured at room temperature. The modulus of the cured adhesive was measured using Dynamic Mechanical Analysis (DMA) at a ramp rate of 5℃ per minute.

[0060] As shown in Table 2, in general, experimental examples show low modulus (for example, less than 500MPa) at low temperature (-40℃ as tested) with good bonding performance on different substrates. For example, Ex. 3 shows relatively low modulus 278.5MPa at -40℃, and Ex. 4 shows good strength on aluminum, aluminum with PC / ABS, and PC / ABS. Relative to the comparative examples, experimental examples show balanced performance on bonding strength and modulus. Table 2: Examples and Results

Claims

1.A two-component polyurethane adhesive, wherein adhesive comprises:a first component A comprising:at least one polyisocyanate monomer A1; andat least one isocyanate-terminated polyurethane prepolymer A2; anda second component B comprising:at least one polyol B1 having an OH functionality in the range from 2 to 4 and an average molecular weight Mn in the range from 400 to 15000 g / mol;at least one diol B2 having an average molecular weight Mn in the range from 50 to 2000 g / mol;at least one polyamine B3 having an average molecular weight Mn in the range from 100 to 3000 g / mol; andat least one compound B4 having a polybutadiene chain having an average molecular weight Mn in the range from 1000 to 10000 g / mol.2.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the adhesive has bonding strength greater than 3MPa.3.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the adhesive maintains a low modulus in service temperature from -40℃ to 105℃.4.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the polyisocyanate monomer A1 is selected from diphenylmethane 4, 4′-diisocyanate, diphenylmethane 2, 4′-diisocyanate, diphenylmethane 2, 2′-diisocyanate, or mixtures thereof; tolylene 2, 4-diisocyanate, tolylene 2, 6-diisocyanate, or mixtures thereof; 1-isocyanato-3, 3, 5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane (IPDI) ; hexamethylene 1, 6-diisocyanate (HDI) ; and hydrogenated methylene diphenyl diisocyanate (HMDI) .5.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the isocyanate-terminated polyurethane prepolymer A2 is prepared from polyol a2 having an OH functionality in the range from 2 to 4 and an average molecular weight Mn in the range from 400 to 15000 g / mol.6.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the isocyanate-terminated polyurethane prepolymer A2 comprises a diisocyanate component a1.7.The two-component polyurethane adhesive of claim 6, wherein the isocyanate-terminated polyurethane prepolymer A2 is selected from diphenylmethane 4, 4′-diisocyanate, diphenylmethane 2, 4′-diisocyanate, diphenylmethane 2, 2′-diisocyanate, or mixtures thereof; tolylene 2, 4-diisocyanate, tolylene 2, 6-diisocyanate, or mixtures thereof; 1-isocyanato-3, 3, 5-trimethyl-5-isocyanatomethylcyclohexane (IPDI) ; hexamethylene 1, 6-diisocyanate (HDI) ; and hydrogenated methylene diphenyl diisocyanate (HMDI) .8.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the polyol B1 is selected from polyester polyol, polycarbonate polyol, and polyether polyol.9.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the diol B2 is selected from polyester diol, polycarbonate diol, and polyether diol.10.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the polyamine B3 is selected from diethylenetriamine, triethylenetetramine, 1, 6-hexanediamine, piperazine, 1, 3-diaminopropane, 1, 4-diaminobutane (putrescine) , 1, 5-diaminopentane (cadaverine) , N-methylethylenediamine, N, N-dimethylethylenediamine, and 1, 2-diaminocyclohexane, 1, 3-bis (aminomethyl) cyclohexane, 3, 6-dioxa-1, 8-octanediamine , 4, 7, 10-trioxa-1, 13-tridecanediamine, poly (propylene glycol) bis (2-aminopropyl ether) , and polyoxyalkylene triamine.11.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein the compound B4 having polybutadiene chain has an OH terminated group with an OH functionality in the range of 0.2 to 2.8.12.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein component A or component B comprises at least one catalyst selected from triethylamine, tributylamine, dimethylbenzylamine, N-ethyl-, N-methyl-, N-cyclohexylmorpholine, dimethylcyclohexylamine, dimorpholinodiethylether, 2- (dimethylaminoethoxy) -ethanol, 1, 4-diazabicyclo [2, 2, 2] octane, 1-azabicyclo [3, 3, 0] octane, N, N, N’, N’-tetramethyl ethylenediamine, N, N, N’, N’-tetramethyl butanediamine, N, N, N’, N’-tetramethyl hexane-1, 6-diamine, pentamethyl diethylenetriamine, tetramethyl diaminoethylether, bis- (dimethylaminopropyl) -urea, N, N’-dimethylpiperazine, 1, 2-dimethylimidazole, di- (4-N, N-dimethylaminocyclohexyl) methane, organometallic compounds, and combinations thereof.13.The two-component polyurethane adhesive of claim 1, wherein component A or component B additionally comprises at least one filler selected from calcium carbonate, kaolin, talc, quartz powder, mica, bentonite, zeolites, silica, and hollow spheres.14.A preparation method of a two-component polyurethane adhesive having bonding strength greater than 3MPa, the method comprising:mixing the component A and the component B in a volume ratio in the range of 1: 0.8 to 1: 1.2; andcuring to obtain a product.

Images