Se preparó un nuevo tipo de adhesivo de poliuretano utilizando poliácidos y polioles de moléculas pequeñas como materias primas básicas para preparar prepolímeros. Durante el proceso de extensión de cadena, se introdujeron polímeros hiperramificados y trímeros de HDI en la estructura del poliuretano. Los resultados de las pruebas muestran que el adhesivo preparado en este estudio presenta una viscosidad adecuada, una larga vida útil del disco adhesivo, un curado rápido a temperatura ambiente y buenas propiedades de adhesión, resistencia al termosellado y estabilidad térmica.

Los envases flexibles compuestos ofrecen ventajas como una apariencia exquisita, una amplia gama de aplicaciones, un transporte cómodo y un bajo coste. Desde su introducción, se han utilizado ampliamente en las industrias alimentaria, farmacéutica, química de uso diario, electrónica y otras, y gozan de gran popularidad entre los consumidores. El rendimiento de los envases flexibles compuestos no solo depende del material de la película, sino también del rendimiento del adhesivo compuesto. El adhesivo de poliuretano ofrece numerosas ventajas, como una alta resistencia de adhesión, una gran adaptabilidad, higiene y seguridad. Actualmente, es el adhesivo de soporte principal para envases flexibles compuestos y objeto de investigación por parte de los principales fabricantes de adhesivos.

El envejecimiento a alta temperatura es un proceso indispensable en la preparación de envases flexibles. Con los objetivos de las políticas nacionales de "pico de carbono" y "neutralidad de carbono", la protección ambiental ecológica, la reducción de bajas emisiones de carbono, la alta eficiencia y el ahorro energético se han convertido en objetivos de desarrollo para todos los sectores. La temperatura y el tiempo de envejecimiento tienen un efecto positivo en la resistencia al pelado de la película compuesta. En teoría, cuanto mayor sea la temperatura y el tiempo de envejecimiento, mayor será la velocidad de reacción y mejor el curado. En la práctica, si se puede reducir la temperatura y el tiempo de envejecimiento, es preferible prescindir del envejecimiento, y el corte y el ensacado pueden realizarse con la máquina apagada. Esto no solo permite alcanzar los objetivos de protección ambiental ecológica y reducción de bajas emisiones de carbono, sino que también ahorra costos de producción y mejora la eficiencia.

Este estudio tiene como objetivo sintetizar un nuevo tipo de adhesivo de poliuretano que tenga una viscosidad adecuada y una vida útil del disco adhesivo durante la producción y el uso, pueda curar rápidamente en condiciones de baja temperatura, preferiblemente sin alta temperatura, y no afecte el rendimiento de varios indicadores de envases flexibles compuestos.

1.1 Materiales experimentales Ácido adípico, ácido sebácico, etilenglicol, neopentilglicol, dietilenglicol, TDI, trímero HDI, polímero hiperramificado elaborado en laboratorio, acetato de etilo, película de polietileno (PE), película de poliéster (PET), lámina de aluminio (AL).
1.2 Instrumentos experimentales Horno de secado por aire de temperatura constante eléctrico de escritorio: DHG-9203A, Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., Ltd.; Viscosímetro rotacional: NDJ-79, Shanghai Renhe Keyi Co., Ltd.; Máquina universal de ensayos de tracción: XLW, Labthink; Analizador termogravimétrico: TG209, NETZSCH, Alemania; Probador de sellado térmico: SKZ1017A, Jinan Qingqiang Electromechanical Co., Ltd.
1.3 Método de síntesis
1) Preparación del prepolímero: Seque bien el matraz de cuatro bocas y vierta N₂ en él. A continuación, añada el poliol y el poliácido de molécula pequeña medidos al matraz de cuatro bocas y comience a agitar. Cuando la temperatura alcance la temperatura establecida y el volumen de agua se acerque al volumen teórico, tome una muestra para la prueba de acidez. Cuando el volumen de agua sea ≤20 mg/g, comience la siguiente etapa de la reacción: añada 100×10⁻¹ de catalizador dosificado, conecte el tubo de escape de vacío y ponga en marcha la bomba de vacío. Controle la tasa de salida de alcohol mediante el grado de vacío. Cuando el volumen real de alcohol se acerque al volumen teórico, tome una muestra para la prueba de hidroxilo y finalice la reacción cuando el valor de hidroxilo cumpla con los requisitos de diseño. El prepolímero de poliuretano obtenido se envasa para su uso en espera.
2) Preparación del adhesivo de poliuretano a base de solvente: agregue el prepolímero de poliuretano medido y el éster etílico en un matraz de cuatro bocas, caliente y revuelva para dispersar uniformemente, luego agregue el TDI medido en el matraz de cuatro bocas, mantenga caliente durante 1.0 h, luego agregue el polímero hiperramificado casero en el laboratorio y continúe reaccionando durante 2.0 h, agregue lentamente el trímero de HDI gota a gota en el matraz de cuatro bocas, mantenga caliente durante 2.0 h, tome muestras para probar el contenido de NCO, enfríe y libere los materiales para empaque después de que el contenido de NCO esté calificado.
3) Laminación en seco: Mezcle acetato de etilo, agente principal y agente de curado en una determinada proporción y revuelva uniformemente, luego aplique y prepare muestras en una máquina laminadora en seco.

1.4 Caracterización de la prueba
1) Viscosidad: utilice un viscosímetro rotacional y consulte el método de prueba GB/T 2794-1995 para la viscosidad de los adhesivos;
2) Resistencia al pelado en T: probada utilizando una máquina de prueba de tracción universal, haciendo referencia al método de prueba de resistencia al pelado GB/T 8808-1998;
3) Resistencia del sellado térmico: primero utilice un probador de sellado térmico para realizar el sellado térmico, luego utilice una máquina de prueba de tracción universal para probar, consulte el método de prueba de resistencia del sellado térmico GB/T 22638.7-2016;
4) Análisis termogravimétrico (TGA): La prueba se llevó a cabo utilizando un analizador termogravimétrico con una velocidad de calentamiento de 10 ℃/min y un rango de temperatura de prueba de 50 a 600 ℃.

2.1 Cambios en la viscosidad con el tiempo de reacción de la mezcla La viscosidad del adhesivo y la vida útil del disco de goma son indicadores importantes en el proceso de producción del producto. Si la viscosidad del adhesivo es demasiado alta, la cantidad de pegamento aplicada será demasiado grande, afectando la apariencia y el costo del recubrimiento de la película compuesta; si la viscosidad es demasiado baja, la cantidad de pegamento aplicada será demasiado baja y la tinta no se puede infiltrar efectivamente, lo que también afectará la apariencia y el rendimiento de adhesión de la película compuesta. Si la vida útil del disco de goma es demasiado corta, la viscosidad del pegamento almacenado en el tanque de pegamento aumentará demasiado rápido y el pegamento no se puede aplicar suavemente, y el rodillo de goma no es fácil de limpiar; si la vida útil del disco de goma es demasiado larga, afectará la apariencia de adhesión inicial y el rendimiento de adhesión del material compuesto, e incluso afectará la velocidad de curado, lo que afectará la eficiencia de producción del producto.

El control adecuado de la viscosidad y la vida útil del disco adhesivo son parámetros importantes para el buen uso de los adhesivos. Según la experiencia en producción, el agente principal, acetato de etilo, y el agente de curado se ajustan al valor R y la viscosidad adecuados, y el adhesivo se enrolla en el tanque de adhesivo con un rodillo de goma sin aplicar pegamento a la película. Se toman muestras de adhesivo en diferentes momentos para realizar pruebas de viscosidad. Una viscosidad adecuada, una vida útil adecuada del disco adhesivo y un curado rápido a baja temperatura son objetivos importantes que se persiguen con los adhesivos de poliuretano a base de solventes durante su producción y uso.

2.2 Efecto de la temperatura de envejecimiento en la resistencia al pelado. El proceso de envejecimiento es el más importante, lento, energético y espacial para los envases flexibles. No solo afecta la tasa de producción del producto, sino, aún más importante, la apariencia y el rendimiento de adhesión de los envases flexibles compuestos. Ante los objetivos gubernamentales de "pico de carbono" y "neutralidad de carbono" y la feroz competencia del mercado, el envejecimiento a baja temperatura y el curado rápido son métodos eficaces para lograr un bajo consumo de energía, una producción ecológica y una producción eficiente.

La película compuesta de PET/AL/PE se envejeció a temperatura ambiente y a 40, 50 y 60 °C. A temperatura ambiente, la resistencia al desprendimiento de la capa interna de la estructura compuesta de AL/PE se mantuvo estable tras 12 h de envejecimiento, y el curado se completó prácticamente. A temperatura ambiente, la resistencia al desprendimiento de la capa externa de la estructura compuesta de PET/AL de alta barrera se mantuvo prácticamente estable tras 12 h de envejecimiento, lo que indica que el material de la película de alta barrera afectará el curado del adhesivo de poliuretano. Al comparar las temperaturas de curado a 40, 50 y 60 °C, no se observó una diferencia evidente en la velocidad de curado.

En comparación con los adhesivos de poliuretano a base de solventes convencionales del mercado actual, el tiempo de envejecimiento a alta temperatura suele ser de 48 horas o incluso más. El adhesivo de poliuretano de este estudio puede completar el curado de la estructura de alta barrera en 12 horas a temperatura ambiente. El adhesivo desarrollado tiene la función de curado rápido. La introducción de polímeros hiperramificados caseros e isocianatos multifuncionales en el adhesivo, independientemente de la estructura compuesta de la capa externa o interna, muestra una resistencia al desprendimiento similar a la resistencia al desprendimiento en condiciones de envejecimiento a alta temperatura. Esto indica que el adhesivo desarrollado no solo tiene la función de curado rápido, sino que también la tiene sin altas temperaturas.

2.3 Efecto de la temperatura de envejecimiento en la resistencia del sellado térmico Las características del sellado térmico de los materiales y el efecto real del sellado térmico se ven afectados por muchos factores, como el equipo de sellado térmico, los parámetros de rendimiento físico y químico del material en sí, el tiempo de sellado térmico, la presión de sellado térmico y la temperatura de sellado térmico, etc. Según las necesidades y la experiencia reales, se fijan un proceso y parámetros de sellado térmico razonables, y se lleva a cabo la prueba de resistencia del sellado térmico de la película compuesta después del compuesto.

Cuando la película compuesta recién sale de la máquina, la resistencia del termosellado es relativamente baja, de tan solo 17 N/(15 mm). En este momento, el adhesivo apenas comienza a solidificarse y no proporciona suficiente fuerza de adhesión. La resistencia comprobada en este momento corresponde a la resistencia del termosellado de la película de PE; a medida que aumenta el tiempo de envejecimiento, esta resistencia aumenta considerablemente. La resistencia del termosellado tras un envejecimiento de 12 horas es prácticamente la misma que tras 24 y 48 horas, lo que indica que el curado se completa prácticamente en 12 horas, proporcionando una adhesión suficiente para diferentes películas y, por lo tanto, una mayor resistencia del termosellado. La curva de variación de la resistencia del termosellado a diferentes temperaturas muestra que, en las mismas condiciones de envejecimiento, no existe una gran diferencia en la resistencia del termosellado entre el envejecimiento a temperatura ambiente y las condiciones de 40, 50 y 60 °C. El envejecimiento a temperatura ambiente puede alcanzar plenamente el efecto del envejecimiento a alta temperatura. La estructura de embalaje flexible compuesta con este adhesivo desarrollado presenta una buena resistencia del termosellado en condiciones de envejecimiento a alta temperatura.

2.4 Estabilidad térmica de la película curada. Durante el uso de envases flexibles, se requieren el sellado térmico y la fabricación de bolsas. Además de la estabilidad térmica del propio material de la película, la estabilidad térmica de la película de poliuretano curado determina el rendimiento y la apariencia del producto final. Este estudio utiliza el método de análisis termogravimétrico (TGA) para analizar la estabilidad térmica de la película de poliuretano curado.

La película de poliuretano curado presenta dos picos de pérdida de peso evidentes a la temperatura de prueba, correspondientes a la descomposición térmica del segmento duro y del segmento blando. La temperatura de descomposición térmica del segmento blando es relativamente alta, y la pérdida de peso térmica comienza a ocurrir a 264 °C. A esta temperatura, cumple con los requisitos de temperatura del proceso actual de termosellado de envases blandos, así como con los requisitos de temperatura de la producción de envases o llenados automáticos, el transporte de contenedores a larga distancia y el proceso de uso. La temperatura de descomposición térmica del segmento duro es mayor, alcanzando los 347 °C. El adhesivo sin curado a alta temperatura desarrollado presenta una buena estabilidad térmica. La mezcla asfáltica AC-13 con escoria de acero aumentó un 2,1 %.

3) Cuando el contenido de escoria de acero alcanza el 100 %, es decir, cuando el tamaño de partícula de 4,75 a 9,5 mm reemplaza completamente la piedra caliza, el valor de estabilidad residual de la mezcla asfáltica es del 85,6 %, un 0,5 % superior al de la mezcla asfáltica AC-13 sin escoria de acero; la resistencia a la rotura es del 80,8 %, un 0,5 % superior al de la mezcla asfáltica AC-13 sin escoria de acero. La adición de una cantidad adecuada de escoria de acero puede mejorar eficazmente la estabilidad residual y la resistencia a la rotura de la mezcla asfáltica con escoria de acero AC-13, así como su estabilidad al agua.

1) En condiciones normales de uso, la viscosidad inicial del adhesivo de poliuretano a base de solvente preparado mediante la introducción de polímeros hiperramificados caseros y poliisocianatos multifuncionales es de alrededor de 1500 mPa·s, lo que tiene una buena viscosidad; la vida útil del disco adhesivo alcanza los 60 min, lo que puede cumplir completamente con los requisitos de tiempo de funcionamiento de las empresas de envases flexibles en el proceso de producción.

2) La resistencia al desprendimiento y al termosellado permiten observar que el adhesivo preparado cura rápidamente a temperatura ambiente. No hay una gran diferencia en la velocidad de curado a temperatura ambiente ni a 40, 50 y 60 °C, ni en la fuerza de adhesión. Este adhesivo cura completamente sin altas temperaturas y rápidamente.

3) El análisis TGA muestra que el adhesivo tiene buena estabilidad térmica y puede cumplir con los requisitos de temperatura durante la producción, el transporte y el uso.