Nowy rodzaj kleju poliuretanowego został przygotowany z wykorzystaniem małocząsteczkowych polikwasów i małocząsteczkowych polioli jako podstawowych surowców do produkcji prepolimerów. W procesie wydłużania łańcucha, do struktury poliuretanu wprowadzono hiperrozgałęzione polimery i trimery HDI. Wyniki testów pokazują, że klej przygotowany w ramach tego badania charakteryzuje się odpowiednią lepkością, długą żywotnością krążka klejowego, szybkim utwardzaniem w temperaturze pokojowej oraz dobrymi właściwościami wiążącymi, wytrzymałością na zgrzewanie i stabilnością termiczną.

Opakowania kompozytowe giętkie charakteryzują się doskonałym wyglądem, szerokim zakresem zastosowań, wygodnym transportem i niskim kosztem pakowania. Od momentu wprowadzenia na rynek, są one szeroko stosowane w przemyśle spożywczym, medycznym, chemicznym, elektronicznym i innych gałęziach przemysłu, ciesząc się ogromnym uznaniem konsumentów. Wydajność opakowań kompozytowych giętkich zależy nie tylko od materiału, z którego są wykonane, ale również od właściwości kleju kompozytowego. Klej poliuretanowy ma wiele zalet, takich jak wysoka wytrzymałość wiązania, duża elastyczność oraz higiena i bezpieczeństwo. Jest to obecnie główny klej do opakowań kompozytowych giętkich i przedmiot badań czołowych producentów klejów.

Starzenie w wysokiej temperaturze jest niezbędnym procesem w produkcji opakowań elastycznych. W związku z celami polityki krajowej, takimi jak „szczyt emisji dwutlenku węgla” i „neutralność węglowa”, ekologiczna ochrona środowiska, redukcja emisji dwutlenku węgla oraz wysoka wydajność i oszczędność energii stały się celami rozwoju we wszystkich dziedzinach życia. Temperatura i czas starzenia mają pozytywny wpływ na wytrzymałość folii kompozytowej na odrywanie. Teoretycznie, im wyższa temperatura i dłuższy czas starzenia, tym wyższy wskaźnik ukończenia reakcji i lepszy efekt utwardzania. W rzeczywistym procesie produkcyjnym, jeśli możliwe jest obniżenie temperatury starzenia i skrócenie czasu starzenia, najlepiej zrezygnować z starzenia, a cięcie i pakowanie można przeprowadzić po wyłączeniu maszyny. Pozwala to nie tylko osiągnąć cele ekologicznej ochrony środowiska i redukcji emisji dwutlenku węgla, ale także obniżyć koszty produkcji i poprawić jej wydajność.

Celem niniejszego badania jest synteza nowego rodzaju kleju poliuretanowego, który będzie miał odpowiednią lepkość i żywotność krążka klejowego podczas produkcji i użytkowania, będzie mógł szybko się utwardzać w warunkach niskiej temperatury, najlepiej bez wysokiej temperatury, i nie będzie wpływał na parametry różnych wskaźników kompozytowych opakowań elastycznych.

1.1 Materiały eksperymentalne Kwas adypinowy, kwas sebacynowy, glikol etylenowy, glikol neopentylowy, glikol dietylenowy, TDI, trimer HDI, laboratoryjnie wytworzony polimer hiperrozgałęziony, octan etylu, folia polietylenowa (PE), folia poliestrowa (PET), folia aluminiowa (AL).
1.2 Przyrządy eksperymentalne Stacjonarny elektryczny piec do suszenia powietrzem o stałej temperaturze: DHG-9203A, Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., Ltd.; Wiskozymetr rotacyjny: NDJ-79, Shanghai Renhe Keyi Co., Ltd.; Uniwersalna maszyna do wytrzymałości na rozciąganie: XLW, Labthink; Analizator termograwimetryczny: TG209, NETZSCH, Niemcy; Urządzenie do testowania zgrzewania: SKZ1017A, Jinan Qingqiang Electromechanical Co., Ltd.
1.3 Metoda syntezy
1) Przygotowanie prepolimeru: Dokładnie osusz kolbę czteroszyjną i wprowadź do niej N2, a następnie dodaj odmierzony poliol małocząsteczkowy i polikwas do kolby czteroszyjnej i rozpocznij mieszanie. Gdy temperatura osiągnie zadaną wartość, a ilość wody wyjściowej będzie bliska teoretycznej ilości wody wyjściowej, pobierz próbkę do oznaczenia liczby kwasowej. Gdy liczba kwasowa będzie ≤20 mg/g, rozpocznij następny etap reakcji; dodaj katalizator w ilości 100×10-6, podłącz rurę wylotową próżni i uruchom pompę próżniową, kontroluj wydajność alkoholu za pomocą stopnia podciśnienia. Gdy rzeczywista ilość alkoholu wyjściowego będzie bliska teoretycznej ilości alkoholu wyjściowego, pobierz próbkę do oznaczenia liczby hydroksylowej i zakończ reakcję, gdy liczba hydroksylowa spełni wymagania projektowe. Otrzymany prepolimer poliuretanowy jest pakowany do użytku w trybie gotowości.
2) Przygotowanie kleju poliuretanowego na bazie rozpuszczalnika: Dodaj odmierzony prepolimer poliuretanowy i ester etylowy do kolby czteroszyjnej, podgrzej i mieszaj do równomiernego rozproszenia, następnie dodaj odmierzony TDI do kolby czteroszyjnej, utrzymuj ciepło przez 1,0 godz., po czym dodaj domowy polimer hiperrozgałęziony w laboratorium i kontynuuj reakcję przez 2,0 godz., powoli dodawaj kroplowo trimer HDI do kolby czteroszyjnej, utrzymuj ciepło przez 2,0 godz., pobierz próbki w celu sprawdzenia zawartości NCO, ostudź i wypuść materiały do ​​pakowania po określeniu zawartości NCO.
3) Laminowanie na sucho: Zmieszaj octan etylu, środek główny i środek utwardzający w określonych proporcjach, wymieszaj równomiernie, następnie nałóż i przygotuj próbki na urządzeniu do laminowania na sucho.

1.4 Charakterystyka testu
1) Lepkość: Użyj wiskozymetru rotacyjnego i zapoznaj się z metodą badania lepkości klejów GB/T 2794-1995;
2) Wytrzymałość na odrywanie typu T: badana przy użyciu uniwersalnej maszyny do wytrzymałości na rozciąganie, zgodnie z metodą badania wytrzymałości na odrywanie GB/T 8808-1998;
3) Wytrzymałość zgrzewu: najpierw należy użyć testera zgrzewu, aby wykonać zgrzew, a następnie przeprowadzić test za pomocą uniwersalnej maszyny do badania wytrzymałości na rozciąganie, zgodnie z metodą badania wytrzymałości zgrzewu GB/T 22638.7-2016;
4) Analiza termograwimetryczna (TGA): Badanie przeprowadzono przy użyciu analizatora termograwimetrycznego o szybkości nagrzewania 10℃/min i zakresie temperatur badania od 50 do 600℃.

2.1 Zmiany lepkości wraz z czasem reakcji mieszania Lepkość kleju i żywotność tarczy gumowej są ważnymi wskaźnikami w procesie produkcji produktu. Jeśli lepkość kleju jest zbyt wysoka, ilość nałożonego kleju będzie zbyt duża, co wpłynie na wygląd i koszt powłoki folii kompozytowej; jeśli lepkość jest zbyt niska, ilość nałożonego kleju będzie zbyt mała, a tusz nie będzie mógł być skutecznie infiltrowany, co również wpłynie na wygląd i wydajność wiązania folii kompozytowej. Jeśli żywotność tarczy gumowej jest zbyt krótka, lepkość kleju przechowywanego w zbiorniku kleju wzrośnie zbyt szybko, a klej nie będzie mógł być płynnie nałożony, a wałek gumowy nie będzie łatwy do czyszczenia; jeśli żywotność tarczy gumowej jest zbyt długa, wpłynie to na początkowy wygląd przyczepności i wydajność wiązania materiału kompozytowego, a nawet wpłynie na szybkość utwardzania, wpływając tym samym na wydajność produkcji produktu.

Odpowiednia kontrola lepkości i trwałość krążka klejowego to istotne parametry dla prawidłowego użytkowania klejów. Zgodnie z doświadczeniem produkcyjnym, główny składnik, octan etylu i utwardzacz, są dostosowywane do odpowiedniej wartości R i lepkości, a klej jest nawijany w zbiorniku za pomocą gumowego wałka bez nakładania kleju na folię. Próbki kleju są pobierane w różnych odstępach czasu w celu zbadania lepkości. Odpowiednia lepkość, odpowiednia trwałość krążka klejowego oraz szybkie utwardzanie w niskich temperaturach to ważne cele, którym przyświecają kleje poliuretanowe na bazie rozpuszczalników podczas produkcji i użytkowania.

2.2 Wpływ temperatury starzenia na wytrzymałość na odrywanie. Proces starzenia jest najważniejszym, najbardziej czasochłonnym, energochłonnym i zajmującym dużo miejsca procesem w przypadku opakowań elastycznych. Wpływa on nie tylko na tempo produkcji produktu, ale co ważniejsze, na wygląd i właściwości wiązania elastycznych opakowań kompozytowych. W obliczu rządowych celów „szczytu emisji dwutlenku węgla” i „neutralności węglowej” oraz silnej konkurencji rynkowej, starzenie w niskiej temperaturze i szybkie utwardzanie to skuteczne sposoby na osiągnięcie niskiego zużycia energii, ekologicznej i wydajnej produkcji.

Folię kompozytową PET/AL/PE poddano starzeniu w temperaturze pokojowej oraz w temperaturach 40, 50 i 60°C. W temperaturze pokojowej wytrzymałość na odrywanie wewnętrznej warstwy kompozytu AL/PE pozostała stabilna po 12 godzinach starzenia, a proces utwardzania został zasadniczo zakończony. W temperaturze pokojowej wytrzymałość na odrywanie zewnętrznej warstwy kompozytu PET/AL o wysokiej barierowości pozostała stabilna po 12 godzinach starzenia, co wskazuje, że materiał folii o wysokiej barierowości wpływa na utwardzanie kleju poliuretanowego. Porównując warunki utwardzania w temperaturach 40, 50 i 60°C, nie zaobserwowano wyraźnej różnicy w szybkości utwardzania.

W porównaniu z popularnymi klejami poliuretanowymi na bazie rozpuszczalników dostępnymi obecnie na rynku, czas starzenia w wysokiej temperaturze wynosi zazwyczaj 48 godzin lub nawet dłużej. Klej poliuretanowy w tym badaniu może zasadniczo całkowicie utwardzić strukturę o wysokiej barierowości w ciągu 12 godzin w temperaturze pokojowej. Opracowany klej charakteryzuje się szybkim utwardzaniem. Wprowadzenie do kleju hiperrozgałęzionych polimerów własnej produkcji i wielofunkcyjnych izocyjanianów, niezależnie od struktury kompozytu warstwy zewnętrznej lub wewnętrznej, spowodowało, że wytrzymałość na odrywanie w warunkach temperatury pokojowej nie różni się znacząco od wytrzymałości na odrywanie w warunkach starzenia w wysokiej temperaturze, co wskazuje, że opracowany klej charakteryzuje się nie tylko szybkim utwardzaniem, ale także szybkim utwardzaniem bez wysokiej temperatury.

2.3 Wpływ temperatury starzenia na wytrzymałość zgrzewu Na charakterystykę zgrzewania cieplnego materiałów i rzeczywisty efekt zgrzewu wpływa wiele czynników, takich jak sprzęt do zgrzewania, parametry fizyczne i chemiczne samego materiału, czas zgrzewania, ciśnienie i temperatura zgrzewania itp. Zgodnie z rzeczywistymi potrzebami i doświadczeniem ustala się rozsądny proces i parametry zgrzewania cieplnego, a po połączeniu przeprowadza się test wytrzymałości zgrzewu cieplnego folii kompozytowej.

Gdy folia kompozytowa jest tuż po zdjęciu z maszyny, wytrzymałość zgrzewu jest stosunkowo niska i wynosi zaledwie 17 N/(15 mm). W tym momencie klej dopiero zaczyna twardnieć i nie może zapewnić wystarczającej siły wiązania. Testowana w tym momencie wytrzymałość to wytrzymałość zgrzewu folii PE; wraz z wydłużaniem się czasu starzenia, wytrzymałość zgrzewu gwałtownie wzrasta. Wytrzymałość zgrzewu po 12 godzinach starzenia jest zasadniczo taka sama jak po 24 i 48 godzinach, co wskazuje, że utwardzanie jest zasadniczo zakończone w ciągu 12 godzin, zapewniając wystarczające wiązanie dla różnych folii, co skutkuje zwiększoną wytrzymałością zgrzewu. Z krzywej zmian wytrzymałości zgrzewu w różnych temperaturach wynika, że ​​w tych samych warunkach starzenia nie ma dużej różnicy w wytrzymałości zgrzewu między starzeniem w temperaturze pokojowej a warunkami 40, 50 i 60°C. Starzenie w temperaturze pokojowej pozwala w pełni osiągnąć efekt starzenia w wysokiej temperaturze. Elastyczna struktura opakowania skomponowana z użyciem tego opracowanego kleju charakteryzuje się dobrą wytrzymałością zgrzewu w warunkach starzenia w wysokiej temperaturze.

2.4 Stabilność termiczna utwardzonej folii. Podczas stosowania opakowań elastycznych wymagane jest zgrzewanie i produkcja torebek. Oprócz stabilności termicznej samego materiału folii, stabilność termiczna utwardzonej folii poliuretanowej decyduje o wydajności i wyglądzie gotowego produktu w postaci opakowania elastycznego. W niniejszym badaniu wykorzystano metodę analizy termograwimetrycznej (TGA) do analizy stabilności termicznej utwardzonej folii poliuretanowej.

Utwardzona folia poliuretanowa wykazuje dwa wyraźne piki utraty wagi w temperaturze badania, odpowiadające rozkładowi termicznemu segmentu twardego i segmentu miękkiego. Temperatura rozkładu termicznego segmentu miękkiego jest stosunkowo wysoka, a utrata wagi zaczyna się w temperaturze 264°C. W tej temperaturze spełnia ona wymagania temperaturowe obecnego procesu zgrzewania opakowań miękkich, a także wymagania temperaturowe produkcji opakowań automatycznych lub napełniania, transportu kontenerów na duże odległości oraz procesu użytkowania; temperatura rozkładu termicznego segmentu twardego jest wyższa i sięga 347°C. Opracowany klej, nieutwardzający się w wysokiej temperaturze, charakteryzuje się dobrą stabilnością termiczną. Mieszanka asfaltowa AC-13 z żużlem stalowniczym wzrosła o 2,1%.

3) Gdy zawartość żużla stalowniczego osiągnie 100%, czyli gdy pojedyncze cząstki o wielkości od 4,75 do 9,5 mm całkowicie zastąpią wapień, wartość stabilności resztkowej mieszanki asfaltowej wynosi 85,6%, czyli o 0,5% więcej niż w przypadku mieszanki asfaltowej AC-13 bez żużla stalowniczego; wskaźnik wytrzymałości na rozłupanie wynosi 80,8%, czyli o 0,5% więcej niż w przypadku mieszanki asfaltowej AC-13 bez żużla stalowniczego. Dodanie odpowiedniej ilości żużla stalowniczego może skutecznie poprawić stabilność resztkową i wskaźnik wytrzymałości na rozłupanie mieszanki asfaltowej AC-13 z żużlem stalowniczym, a także jej stabilność wodną.

1) W normalnych warunkach użytkowania początkowa lepkość rozpuszczalnikowego kleju poliuretanowego przygotowanego przez wprowadzenie domowych polimerów hiperrozgałęzionych i wielofunkcyjnych poliizocyjanianów wynosi około 1500 mPa·s, co oznacza dobrą lepkość; żywotność krążka klejowego sięga 60 minut, co w pełni spełnia wymagania czasowe firm zajmujących się elastycznymi opakowaniami w procesie produkcyjnym.

2) Na podstawie wytrzymałości na odrywanie i wytrzymałości na zgrzewanie termiczne można stwierdzić, że przygotowany klej utwardza ​​się szybko w temperaturze pokojowej. Nie ma dużej różnicy w szybkości utwardzania w temperaturze pokojowej i w temperaturach 40, 50 i 60°C, ani w sile wiązania. Klej ten można całkowicie utwardzić bez stosowania wysokiej temperatury i charakteryzuje się on szybkim utwardzaniem.

3) Analiza TGA wykazała, że ​​klej ma dobrą stabilność termiczną i spełnia wymagania temperaturowe podczas produkcji, transportu i użytkowania.