Một loại keo polyurethane mới đã được điều chế bằng cách sử dụng các axit poly phân tử nhỏ và các polyol phân tử nhỏ làm nguyên liệu thô cơ bản để tạo ra các tiền polyme. Trong quá trình kéo dài chuỗi, các polyme phân nhánh cao và các trimer HDI đã được đưa vào cấu trúc polyurethane. Kết quả thử nghiệm cho thấy keo được điều chế trong nghiên cứu này có độ nhớt phù hợp, tuổi thọ đĩa keo dài, có thể đóng rắn nhanh ở nhiệt độ phòng và có đặc tính liên kết tốt, độ bền hàn nhiệt và độ ổn định nhiệt cao.

Bao bì mềm composite có ưu điểm là ngoại hình tinh tế, phạm vi ứng dụng rộng, vận chuyển thuận tiện và chi phí đóng gói thấp. Từ khi ra đời, nó đã được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, dược phẩm, hóa chất tiêu dùng, điện tử và các ngành khác, và được người tiêu dùng ưa chuộng. Hiệu suất của bao bì mềm composite không chỉ liên quan đến vật liệu màng mà còn phụ thuộc vào hiệu suất của chất kết dính composite. Chất kết dính polyurethane có nhiều ưu điểm như độ bám dính cao, khả năng điều chỉnh mạnh mẽ, vệ sinh và an toàn. Hiện nay, nó là chất kết dính hỗ trợ chủ đạo cho bao bì mềm composite và là trọng tâm nghiên cứu của các nhà sản xuất chất kết dính lớn.

Quá trình lão hóa ở nhiệt độ cao là một bước không thể thiếu trong sản xuất bao bì mềm. Với mục tiêu chính sách quốc gia về "đỉnh carbon" và "trung hòa carbon", bảo vệ môi trường xanh, giảm phát thải carbon thấp, và hiệu quả cao cùng tiết kiệm năng lượng đã trở thành mục tiêu phát triển của mọi lĩnh vực. Nhiệt độ và thời gian lão hóa có ảnh hưởng tích cực đến độ bền bóc tách của màng composite. Về lý thuyết, nhiệt độ lão hóa càng cao và thời gian lão hóa càng dài thì tỷ lệ hoàn thành phản ứng càng cao và hiệu quả đóng rắn càng tốt. Trong quá trình sản xuất thực tế, nếu có thể giảm nhiệt độ lão hóa và rút ngắn thời gian lão hóa, tốt nhất là không cần lão hóa, và có thể tiến hành cắt và đóng bao sau khi máy tắt. Điều này không chỉ đạt được mục tiêu bảo vệ môi trường xanh và giảm phát thải carbon thấp mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Nghiên cứu này nhằm mục đích tổng hợp một loại keo polyurethane mới có độ nhớt và tuổi thọ đĩa keo phù hợp trong quá trình sản xuất và sử dụng, có thể đóng rắn nhanh ở điều kiện nhiệt độ thấp, tốt nhất là không cần nhiệt độ cao, và không ảnh hưởng đến hiệu suất của các chỉ tiêu khác nhau của bao bì mềm composite.

1.1 Vật liệu thí nghiệm Axit adipic, axit sebacic, ethylene glycol, neopentyl glycol, diethylene glycol, TDI, trimer HDI, polyme phân nhánh cao do phòng thí nghiệm chế tạo, ethyl acetate, màng polyetylen (PE), màng polyester (PET), lá nhôm (AL).
1.2 Dụng cụ thí nghiệm Lò sấy không khí điện để bàn ở nhiệt độ không đổi: DHG-9203A, Công ty TNHH Dụng cụ Khoa học Thượng Hải Yiheng; Máy đo độ nhớt quay: NDJ-79, Công ty TNHH Thượng Hải Renhe Keyi; Máy thử độ bền kéo vạn năng: XLW, Labthink; Máy phân tích nhiệt trọng lượng: TG209, NETZSCH, Đức; Máy kiểm tra độ kín nhiệt: SKZ1017A, Công ty TNHH Cơ điện Tế Nam Qingqiang.
1.3 Phương pháp tổng hợp
1) Chuẩn bị tiền polymer: Làm khô hoàn toàn bình bốn cổ và sục khí N2 vào, sau đó cho polyol và polyacid phân tử nhỏ đã định lượng vào bình bốn cổ và bắt đầu khuấy. Khi nhiệt độ đạt đến nhiệt độ cài đặt và lượng nước thoát ra gần bằng lượng nước thoát ra theo lý thuyết, lấy một lượng mẫu nhất định để kiểm tra chỉ số axit. Khi chỉ số axit ≤ 20 mg/g, bắt đầu bước phản ứng tiếp theo; thêm 100×10-6 chất xúc tác đã định lượng, nối ống dẫn chân không và khởi động bơm chân không, kiểm soát tốc độ thoát cồn bằng độ chân không, khi lượng cồn thoát ra thực tế gần bằng lượng cồn thoát ra theo lý thuyết, lấy một lượng mẫu nhất định để kiểm tra chỉ số hydroxyl, và kết thúc phản ứng khi chỉ số hydroxyl đạt yêu cầu thiết kế. Tiền polymer polyurethane thu được được đóng gói để sử dụng dự trữ.
2) Chuẩn bị chất kết dính polyurethane gốc dung môi: Cho lượng tiền polyme polyurethane và etyl este đã định lượng vào bình bốn cổ, đun nóng và khuấy đều cho phân tán đồng đều, sau đó cho lượng TDI đã định lượng vào bình bốn cổ, giữ ấm trong 1 giờ, tiếp theo cho polyme phân nhánh cao tự chế trong phòng thí nghiệm vào và tiếp tục phản ứng trong 2 giờ, từ từ cho từng giọt trimer HDI vào bình bốn cổ, giữ ấm trong 2 giờ, lấy mẫu để kiểm tra hàm lượng NCO, làm nguội và lấy vật liệu ra đóng gói sau khi hàm lượng NCO đạt yêu cầu.
3) Ép màng khô: Trộn etyl axetat, chất chính và chất đóng rắn theo tỷ lệ nhất định và khuấy đều, sau đó thoa hỗn hợp lên máy ép màng khô để chuẩn bị mẫu.

1.4 Đặc tính thử nghiệm
1) Độ nhớt: Sử dụng nhớt kế quay và tham khảo tiêu chuẩn GB/T 2794-1995 Phương pháp thử độ nhớt của chất kết dính;
2) Độ bền bóc tách chữ T: được kiểm tra bằng máy thử độ bền kéo vạn năng, theo phương pháp thử độ bền bóc tách GB/T 8808-1998;
3) Độ bền hàn nhiệt: trước tiên sử dụng máy kiểm tra hàn nhiệt để thực hiện hàn nhiệt, sau đó sử dụng máy thử độ bền kéo vạn năng để kiểm tra, tham khảo phương pháp thử độ bền hàn nhiệt theo tiêu chuẩn GB/T 22638.7-2016;
4) Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Thí nghiệm được thực hiện bằng máy phân tích nhiệt trọng lượng với tốc độ gia nhiệt 10 ℃/phút và phạm vi nhiệt độ thử nghiệm từ 50 đến 600 ℃.

2.1 Sự thay đổi độ nhớt theo thời gian phản ứng trộn Độ nhớt của chất kết dính và tuổi thọ của đĩa cao su là những chỉ số quan trọng trong quá trình sản xuất sản phẩm. Nếu độ nhớt của chất kết dính quá cao, lượng keo cần dùng sẽ quá lớn, ảnh hưởng đến hình thức và chi phí phủ của màng composite; nếu độ nhớt quá thấp, lượng keo cần dùng sẽ quá ít, mực in không thể thấm hiệu quả, điều này cũng ảnh hưởng đến hình thức và khả năng liên kết của màng composite. Nếu tuổi thọ của đĩa cao su quá ngắn, độ nhớt của keo trong bể chứa sẽ tăng quá nhanh, keo không thể được thi công trơn tru, và con lăn cao su khó làm sạch; nếu tuổi thọ của đĩa cao su quá dài, nó sẽ ảnh hưởng đến hình thức bám dính ban đầu và khả năng liên kết của vật liệu composite, thậm chí ảnh hưởng đến tốc độ đóng rắn, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất của sản phẩm.

Kiểm soát độ nhớt thích hợp và tuổi thọ của đĩa keo là những thông số quan trọng để sử dụng keo dán hiệu quả. Theo kinh nghiệm sản xuất, thành phần chính, etyl axetat và chất đóng rắn được điều chỉnh đến giá trị R và độ nhớt thích hợp, sau đó keo được cuộn trong bể chứa bằng con lăn cao su mà không cần bôi keo lên màng. Các mẫu keo được lấy ở các thời điểm khác nhau để kiểm tra độ nhớt. Độ nhớt thích hợp, tuổi thọ thích hợp của đĩa keo và khả năng đóng rắn nhanh ở điều kiện nhiệt độ thấp là những mục tiêu quan trọng mà keo polyurethane gốc dung môi cần hướng tới trong quá trình sản xuất và sử dụng.

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lão hóa đến độ bền bóc tách Quá trình lão hóa là quá trình quan trọng nhất, tốn nhiều thời gian, năng lượng và không gian nhất trong sản xuất bao bì mềm. Nó không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ sản xuất sản phẩm mà quan trọng hơn, nó ảnh hưởng đến hình thức và hiệu suất liên kết của bao bì mềm composite. Trước các mục tiêu "đỉnh carbon" và "trung hòa carbon" của chính phủ và sự cạnh tranh khốc liệt trên thị trường, lão hóa ở nhiệt độ thấp và đóng rắn nhanh là những cách hiệu quả để đạt được mục tiêu tiêu thụ năng lượng thấp, sản xuất xanh và sản xuất hiệu quả.

Màng composite PET/AL/PE được ủ ở nhiệt độ phòng và ở các nhiệt độ 40, 50 và 60 ℃. Ở nhiệt độ phòng, độ bền bóc tách của lớp composite AL/PE bên trong vẫn ổn định sau 12 giờ ủ, và quá trình đóng rắn về cơ bản đã hoàn tất; ở nhiệt độ phòng, độ bền bóc tách của lớp composite PET/AL bên ngoài có khả năng chắn cao vẫn ổn định sau 12 giờ ủ, cho thấy vật liệu màng có khả năng chắn cao sẽ ảnh hưởng đến quá trình đóng rắn của chất kết dính polyurethane; khi so sánh các điều kiện nhiệt độ đóng rắn ở 40, 50 và 60 ℃, không có sự khác biệt rõ rệt về tốc độ đóng rắn.

So với các loại keo polyurethane gốc dung môi thông dụng trên thị trường hiện nay, thời gian lão hóa ở nhiệt độ cao thường là 48 giờ hoặc thậm chí lâu hơn. Keo polyurethane trong nghiên cứu này về cơ bản có thể hoàn thành quá trình đóng rắn cấu trúc rào cản cao trong 12 giờ ở nhiệt độ phòng. Loại keo được phát triển có chức năng đóng rắn nhanh. Việc đưa các polyme phân nhánh siêu cấu trúc tự chế và isocyanat đa chức năng vào keo, bất kể cấu trúc composite lớp ngoài hay cấu trúc composite lớp trong, độ bền bóc tách ở điều kiện nhiệt độ phòng không khác biệt nhiều so với độ bền bóc tách trong điều kiện lão hóa ở nhiệt độ cao, cho thấy rằng keo được phát triển không chỉ có chức năng đóng rắn nhanh mà còn có chức năng đóng rắn nhanh mà không cần nhiệt độ cao.

2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lão hóa đến độ bền mối hàn nhiệt Đặc tính mối hàn nhiệt của vật liệu và hiệu quả mối hàn nhiệt thực tế bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, chẳng hạn như thiết bị hàn nhiệt, các thông số tính chất vật lý và hóa học của bản thân vật liệu, thời gian hàn nhiệt, áp suất hàn nhiệt và nhiệt độ hàn nhiệt, v.v. Dựa trên nhu cầu và kinh nghiệm thực tế, một quy trình và các thông số hàn nhiệt hợp lý được thiết lập, và tiến hành thử nghiệm độ bền mối hàn nhiệt của màng composite sau khi ghép nối.

Khi màng composite vừa ra khỏi máy, độ bền hàn nhiệt tương đối thấp, chỉ 17 N/(15 mm). Lúc này, chất kết dính mới bắt đầu đông cứng và chưa đủ lực liên kết. Độ bền được kiểm tra ở thời điểm này là độ bền hàn nhiệt của màng PE; khi thời gian lão hóa tăng lên, độ bền hàn nhiệt tăng mạnh. Độ bền hàn nhiệt sau khi lão hóa 12 giờ về cơ bản tương đương với sau 24 và 48 giờ, cho thấy quá trình đóng rắn về cơ bản hoàn tất trong 12 giờ, cung cấp đủ lực liên kết cho các loại màng khác nhau, dẫn đến tăng độ bền hàn nhiệt. Từ đường cong thay đổi độ bền hàn nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, có thể thấy rằng trong cùng điều kiện thời gian lão hóa, không có nhiều sự khác biệt về độ bền hàn nhiệt giữa lão hóa ở nhiệt độ phòng và điều kiện 40, 50 và 60 ℃. Lão hóa ở nhiệt độ phòng có thể đạt được hiệu quả tương đương với lão hóa ở nhiệt độ cao. Cấu trúc bao bì mềm được composite với chất kết dính được phát triển này có độ bền hàn nhiệt tốt trong điều kiện lão hóa ở nhiệt độ cao.

2.4 Độ ổn định nhiệt của màng đã đóng rắn Trong quá trình sử dụng bao bì mềm, việc hàn nhiệt và tạo túi là cần thiết. Bên cạnh độ ổn định nhiệt của bản thân vật liệu màng, độ ổn định nhiệt của màng polyurethane đã đóng rắn quyết định hiệu suất và hình thức của sản phẩm bao bì mềm hoàn thiện. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để phân tích độ ổn định nhiệt của màng polyurethane đã đóng rắn.

Màng polyurethane đã đóng rắn có hai đỉnh giảm khối lượng rõ rệt ở nhiệt độ thử nghiệm, tương ứng với sự phân hủy nhiệt của đoạn cứng và đoạn mềm. Nhiệt độ phân hủy nhiệt của đoạn mềm tương đối cao, và sự giảm khối lượng do nhiệt bắt đầu xảy ra ở 264°C. Ở nhiệt độ này, nó có thể đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ của quy trình hàn nhiệt bao bì mềm hiện tại, và có thể đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ của sản xuất bao bì hoặc chiết rót tự động, vận chuyển container đường dài và quy trình sử dụng; nhiệt độ phân hủy nhiệt của đoạn cứng cao hơn, đạt 347°C. Chất kết dính không cần đóng rắn ở nhiệt độ cao được phát triển có độ ổn định nhiệt tốt. Hỗn hợp nhựa đường AC-13 với xỉ thép tăng 2,1%.

3) Khi hàm lượng xỉ thép đạt 100%, tức là khi kích thước hạt đơn từ 4,75 đến 9,5 mm thay thế hoàn toàn đá vôi, giá trị độ ổn định dư của hỗn hợp nhựa đường đạt 85,6%, cao hơn 0,5% so với hỗn hợp nhựa đường AC-13 không có xỉ thép; tỷ lệ cường độ tách đạt 80,8%, cao hơn 0,5% so với hỗn hợp nhựa đường AC-13 không có xỉ thép. Việc bổ sung lượng xỉ thép thích hợp có thể cải thiện hiệu quả độ ổn định dư và tỷ lệ cường độ tách của hỗn hợp nhựa đường AC-13 có xỉ thép, đồng thời cải thiện hiệu quả độ ổn định nước của hỗn hợp nhựa đường.

1) Trong điều kiện sử dụng bình thường, độ nhớt ban đầu của chất kết dính polyurethane gốc dung môi được điều chế bằng cách đưa vào các polyme phân nhánh cao tự chế và polyisocyanat đa chức năng là khoảng 1500 mPa·s, có độ nhớt tốt; tuổi thọ của đĩa keo đạt 60 phút, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về thời gian hoạt động của các công ty bao bì mềm trong quá trình sản xuất.

2) Từ độ bền bóc tách và độ bền hàn nhiệt, có thể thấy rằng chất kết dính đã chuẩn bị có thể đóng rắn nhanh ở nhiệt độ phòng. Tốc độ đóng rắn ở nhiệt độ phòng và ở 40, 50, 60 ℃ không có sự khác biệt lớn, và độ bền liên kết cũng không có sự khác biệt đáng kể. Chất kết dính này có thể đóng rắn hoàn toàn mà không cần nhiệt độ cao và có thể đóng rắn nhanh chóng.

3) Phân tích TGA cho thấy chất kết dính có độ ổn định nhiệt tốt và có thể đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ trong quá trình sản xuất, vận chuyển và sử dụng.