تم تحضير نوع جديد من المواد اللاصقة المصنوعة من البولي يوريثان باستخدام أحماض البولي الصغيرة وبوليولات البولي الصغيرة كمواد خام أساسية لتحضير البوليمرات الأولية. خلال عملية إطالة السلسلة، أُدخلت بوليمرات متفرعة للغاية وثلاثيات HDI في بنية البولي يوريثان. تُظهر نتائج الاختبار أن المادة اللاصقة المُحضّرة في هذه الدراسة تتمتع بلزوجة مناسبة، وعمر افتراضي طويل لقرص اللصق، وإمكانية التصلب السريع في درجة حرارة الغرفة، بالإضافة إلى خصائص ربط جيدة، وقوة لحام حراري عالية، وثبات حراري ممتاز.

تتميز العبوات المرنة المركبة بمظهرها الأنيق، وتعدد استخداماتها، وسهولة نقلها، وانخفاض تكلفتها. ومنذ ظهورها، شاع استخدامها في قطاعات الأغذية والأدوية والمواد الكيميائية اليومية والإلكترونيات وغيرها، وحظيت بإقبال كبير من المستهلكين. ولا يقتصر أداء هذه العبوات على مادة الغلاف فحسب، بل يعتمد أيضاً على جودة المادة اللاصقة المستخدمة. تتميز مادة البولي يوريثان اللاصقة بالعديد من المزايا، كقوة التماسك العالية، وقابليتها للتعديل، فضلاً عن كونها صحية وآمنة. وهي حالياً المادة اللاصقة الأساسية المستخدمة في العبوات المرنة المركبة، ومحور اهتمام كبرى شركات تصنيع المواد اللاصقة.

تُعدّ عملية التقادم الحراري العالي عمليةً أساسيةً في تحضير العبوات المرنة. ومع تحقيق أهداف السياسة الوطنية المتمثلة في خفض انبعاثات الكربون إلى أدنى مستوياتها وتحقيق الحياد الكربوني، أصبحت حماية البيئة، وتقليل الانبعاثات الكربونية، ورفع كفاءة الطاقة وتوفيرها، أهدافًا تنمويةً لجميع القطاعات. تؤثر درجة حرارة التقادم ومدة التقادم إيجابًا على قوة تقشير الغشاء المركب. نظريًا، كلما ارتفعت درجة حرارة التقادم وزادت مدته، زادت نسبة اكتمال التفاعل وتحسّن تأثير المعالجة. أما في عملية الإنتاج الفعلية، فإذا أمكن خفض درجة حرارة التقادم وتقصير مدته، يُفضّل الاستغناء عن التقادم، ويمكن إجراء عملية التقطيع والتعبئة بعد توقف الآلة. وهذا لا يُحقق أهداف حماية البيئة وتقليل الانبعاثات الكربونية فحسب، بل يُساهم أيضًا في توفير تكاليف الإنتاج وتحسين كفاءته.

تهدف هذه الدراسة إلى تصنيع نوع جديد من المواد اللاصقة المصنوعة من البولي يوريثان والتي تتميز بلزوجة مناسبة وعمر طويل لقرص اللصق أثناء الإنتاج والاستخدام، ويمكن معالجتها بسرعة في ظروف درجات الحرارة المنخفضة، ويفضل أن يكون ذلك بدون درجات حرارة عالية، ولا تؤثر على أداء المؤشرات المختلفة للتغليف المرن المركب.

1.1 المواد التجريبية حمض الأديبيك، حمض السيباسيك، إيثيلين جلايكول، نيوبنتيل جلايكول، ثنائي إيثيلين جلايكول، TDI، ثلاثي HDI، بوليمر متفرع للغاية مصنوع في المختبر، أسيتات الإيثيل، غشاء البولي إيثيلين (PE)، غشاء البوليستر (PET)، رقائق الألومنيوم (AL).
1.2 الأجهزة التجريبية فرن تجفيف هوائي كهربائي مكتبي ذو درجة حرارة ثابتة: DHG-9203A، شركة شنغهاي ييهينغ للأجهزة العلمية المحدودة؛ مقياس لزوجة دوراني: NDJ-79، شركة شنغهاي رينهي كيي المحدودة؛ جهاز اختبار شد عالمي: XLW، لاب ثينك؛ محلل الوزن الحراري: TG209، NETZSCH، ألمانيا؛ جهاز اختبار اللحام الحراري: SKZ1017A، شركة جينان تشينغ تشيانغ الكهروميكانيكية المحدودة.
1.3 طريقة التخليق
1) تحضير البوليمر الأولي: جفف الدورق الرباعي العنق جيدًا، ثم مرر غاز النيتروجين فيه. أضف كمية محددة من البوليول والبولي أسيد ذي الجزيئات الصغيرة إلى الدورق وابدأ بالتحريك. عندما تصل درجة الحرارة إلى الدرجة المطلوبة ويقترب ناتج الماء من الناتج النظري، خذ عينة لاختبار قيمة الحموضة. عندما تكون قيمة الحموضة ≤ 20 ملغم/غم، ابدأ الخطوة التالية من التفاعل؛ أضف 100 × 10⁻⁶ من المحفز المُعاير، ووصل أنبوب التصريف، وشغل مضخة التفريغ. تحكم في معدل خروج الكحول من خلال درجة التفريغ. عندما يقترب ناتج الكحول الفعلي من الناتج النظري، خذ عينة لاختبار قيمة الهيدروكسيل. أوقف التفاعل عندما تستوفي قيمة الهيدروكسيل متطلبات التصميم. يُعبأ البوليمر الأولي من البولي يوريثان المُحضر للاستخدام عند الحاجة.
2) تحضير لاصق البولي يوريثان القائم على المذيبات: أضف كمية محددة من البولي يوريثان الأولي وإستر الإيثيل إلى قارورة ذات أربعة منافذ، وسخنها مع التحريك لتوزيعها بالتساوي، ثم أضف كمية محددة من TDI إلى القارورة ذات الأربعة منافذ، وحافظ على دفئها لمدة ساعة واحدة، ثم أضف البوليمر المتفرع للغاية المحضر محليًا في المختبر واستمر في التفاعل لمدة ساعتين، أضف ببطء ثلاثي HDI قطرة قطرة إلى القارورة ذات الأربعة منافذ، وحافظ على دفئها لمدة ساعتين، خذ عينات لاختبار محتوى NCO، بردها وأطلق المواد للتغليف بعد أن يصبح محتوى NCO مناسبًا.
3) التغليف الجاف: امزج أسيتات الإيثيل والمادة الرئيسية وعامل المعالجة بنسبة معينة وحركها بالتساوي، ثم ضعها وقم بإعداد العينات على آلة التغليف الجاف.

1.4 توصيف الاختبار
1) اللزوجة: استخدم مقياس اللزوجة الدوراني وارجع إلى GB/T 2794-1995 طريقة اختبار لزوجة المواد اللاصقة؛
2) قوة التقشير T: تم اختبارها باستخدام آلة اختبار الشد العالمية، بالرجوع إلى طريقة اختبار قوة التقشير GB/T 8808-1998؛
3) قوة اللحام الحراري: أولاً استخدم جهاز اختبار اللحام الحراري لإجراء اللحام الحراري، ثم استخدم آلة اختبار الشد العالمية للاختبار، راجع طريقة اختبار قوة اللحام الحراري GB/T 22638.7-2016؛
4) التحليل الحراري الوزني (TGA): تم إجراء الاختبار باستخدام محلل حراري وزني بمعدل تسخين 10 درجة مئوية / دقيقة ونطاق درجة حرارة الاختبار من 50 إلى 600 درجة مئوية.

2.1 تغيرات اللزوجة مع زمن تفاعل الخلط: تُعد لزوجة المادة اللاصقة وعمر القرص المطاطي مؤشرين هامين في عملية إنتاج المنتج. فإذا كانت لزوجة المادة اللاصقة عالية جدًا، ستكون كمية الغراء المستخدمة كبيرة جدًا، مما يؤثر على مظهر وتكلفة طلاء الفيلم المركب. أما إذا كانت اللزوجة منخفضة جدًا، فستكون كمية الغراء المستخدمة قليلة جدًا، ولن يتغلغل الحبر بشكل فعال، مما سيؤثر أيضًا على مظهر وأداء ربط الفيلم المركب. وإذا كان عمر القرص المطاطي قصيرًا جدًا، ستزداد لزوجة الغراء المخزن في خزان الغراء بسرعة كبيرة، ولن يكون من السهل تطبيق الغراء بسلاسة، كما يصعب تنظيف الأسطوانة المطاطية. أما إذا كان عمر القرص المطاطي طويلًا جدًا، فسيؤثر ذلك على مظهر الالتصاق الأولي وأداء ربط المادة المركبة، بل وسيؤثر على معدل التصلب، مما يؤثر بالتالي على كفاءة إنتاج المنتج.

يُعدّ التحكم المناسب في اللزوجة وعمر قرص المادة اللاصقة من المعايير المهمة للاستخدام الأمثل للمواد اللاصقة. وبناءً على الخبرة الإنتاجية، يتم ضبط المادة الأساسية، أسيتات الإيثيل، وعامل التصلب للحصول على قيمة R ولزوجة مناسبتين، ثم تُدحرج المادة اللاصقة في خزان المادة اللاصقة باستخدام أسطوانة مطاطية دون وضع المادة اللاصقة على الغشاء. تُؤخذ عينات من المادة اللاصقة على فترات زمنية مختلفة لاختبار اللزوجة. وتُعدّ اللزوجة المناسبة، وعمر قرص المادة اللاصقة المناسب، والتصلب السريع في ظروف درجات الحرارة المنخفضة من الأهداف المهمة التي تسعى إليها المواد اللاصقة البولي يوريثانية القائمة على المذيبات أثناء الإنتاج والاستخدام.

2.2 تأثير درجة حرارة التقادم على قوة التقشير: تُعدّ عملية التقادم أهمّ العمليات وأكثرها استهلاكًا للوقت والطاقة والمساحة في مجال التغليف المرن. فهي لا تؤثر فقط على معدل إنتاج المنتج، بل والأهم من ذلك، أنها تؤثر على مظهر التغليف المرن المركب وقوة تماسك أجزائه. في ظلّ أهداف الحكومة المتمثلة في خفض انبعاثات الكربون وتحقيق الحياد الكربوني، والمنافسة الشديدة في السوق، يُعدّ التقادم في درجات حرارة منخفضة والمعالجة السريعة من الطرق الفعّالة لتحقيق استهلاك منخفض للطاقة، وإنتاج صديق للبيئة، وإنتاج عالي الكفاءة.

تمت معالجة غشاء PET/AL/PE المركب عند درجة حرارة الغرفة وعند درجات حرارة 40 و50 و60 درجة مئوية. عند درجة حرارة الغرفة، ظلت قوة تقشير الطبقة الداخلية من بنية AL/PE المركبة مستقرة بعد 12 ساعة من المعالجة، واكتملت عملية التصلب بشكل أساسي. عند درجة حرارة الغرفة، ظلت قوة تقشير الطبقة الخارجية من بنية PET/AL المركبة ذات الحاجز العالي مستقرة بشكل أساسي بعد 12 ساعة من المعالجة، مما يشير إلى أن مادة الغشاء ذات الحاجز العالي تؤثر على تصلب لاصق البولي يوريثان. عند مقارنة ظروف درجات حرارة المعالجة 40 و50 و60 درجة مئوية، لم يكن هناك فرق واضح في معدل التصلب.

بالمقارنة مع المواد اللاصقة البولي يوريثانية الشائعة في السوق، والتي تعتمد على المذيبات، فإن وقت التصلب عند درجات الحرارة العالية يصل عادةً إلى 48 ساعة أو أكثر. أما المادة اللاصقة البولي يوريثانية المستخدمة في هذه الدراسة، فتُكمل عملية التصلب للهيكل ذي الحاجز العالي في غضون 12 ساعة فقط عند درجة حرارة الغرفة. تتميز هذه المادة اللاصقة المُطوَّرة بسرعة التصلب. وبفضل إضافة البوليمرات المتفرعة للغاية المُصنَّعة محليًا والإيزوسيانات متعددة الوظائف إلى المادة اللاصقة، فإن قوة التقشير في ظروف درجة حرارة الغرفة لا تختلف كثيرًا عن قوة التقشير في ظروف درجات الحرارة العالية، بغض النظر عن بنية الطبقة الخارجية أو الداخلية المركبة. وهذا يدل على أن هذه المادة اللاصقة المُطوَّرة لا تتميز فقط بسرعة التصلب، بل تتميز أيضًا بسرعة التصلب دون الحاجة إلى درجات حرارة عالية.

2.3 تأثير درجة حرارة التقادم على قوة اللحام الحراري: تتأثر خصائص اللحام الحراري للمواد وتأثير اللحام الحراري الفعلي بالعديد من العوامل، مثل معدات اللحام الحراري، ومعايير الأداء الفيزيائي والكيميائي للمادة نفسها، ووقت اللحام الحراري، وضغط اللحام الحراري، ودرجة حرارة اللحام الحراري، وما إلى ذلك. وبناءً على الاحتياجات الفعلية والخبرة، يتم تحديد عملية ومعايير اللحام الحراري المناسبة، ويتم إجراء اختبار قوة اللحام الحراري للغشاء المركب بعد عملية الدمج.

عندما يكون الغشاء المركب جاهزًا للاستخدام مباشرةً بعد إخراجه من الجهاز، تكون قوة اللحام الحراري منخفضة نسبيًا، حيث تبلغ 17 نيوتن/(15 مم) فقط. في هذه المرحلة، يكون اللاصق قد بدأ بالتصلب للتو، ولا يوفر قوة ربط كافية. القوة المختبرة في هذه المرحلة هي قوة اللحام الحراري لغشاء البولي إيثيلين؛ ومع زيادة مدة التقادم، تزداد قوة اللحام الحراري بشكل حاد. قوة اللحام الحراري بعد 12 ساعة من التقادم مماثلة تقريبًا لتلك بعد 24 و48 ساعة، مما يشير إلى اكتمال عملية التصلب تقريبًا خلال 12 ساعة، مما يوفر ربطًا كافيًا لمختلف أنواع الأغشية، وبالتالي زيادة قوة اللحام الحراري. من خلال منحنى تغير قوة اللحام الحراري عند درجات حرارة مختلفة، يتضح أنه في ظل نفس ظروف مدة التقادم، لا يوجد فرق كبير في قوة اللحام الحراري بين التقادم في درجة حرارة الغرفة والتقادم عند 40 و50 و60 درجة مئوية. يمكن للتقادم في درجة حرارة الغرفة أن يحقق تأثير التقادم عند درجات الحرارة العالية بشكل كامل. يتميز هيكل التغليف المرن المركب باستخدام هذا اللاصق المُطور بقوة لحام حراري جيدة في ظل ظروف التقادم عند درجات الحرارة العالية.

2.4 الثبات الحراري للغشاء المعالج: يتطلب استخدام التغليف المرن عمليات اللحام الحراري وتصنيع الأكياس. وبالإضافة إلى الثبات الحراري لمادة الغشاء نفسها، فإن الثبات الحراري لغشاء البولي يوريثان المعالج يحدد أداء ومظهر منتج التغليف المرن النهائي. تستخدم هذه الدراسة طريقة التحليل الوزني الحراري (TGA) لتحليل الثبات الحراري لغشاء البولي يوريثان المعالج.

يُظهر غشاء البولي يوريثان المُعالَج ذروتين واضحتين لفقدان الوزن عند درجة حرارة الاختبار، تُعزى إلى التحلل الحراري للجزء الصلب والجزء المرن. تكون درجة حرارة التحلل الحراري للجزء المرن مرتفعة نسبيًا، ويبدأ فقدان الوزن الحراري عند 264 درجة مئوية. عند هذه الدرجة، يُلبي الغشاء متطلبات درجة الحرارة لعملية اللحام الحراري الحالية للتغليف المرن، كما يُلبي متطلبات درجة الحرارة لإنتاج التغليف أو التعبئة الآلية، والنقل بالحاويات لمسافات طويلة، وعملية الاستخدام. أما درجة حرارة التحلل الحراري للجزء الصلب فهي أعلى، حيث تصل إلى 347 درجة مئوية. يتميز اللاصق المُطوَّر عالي الحرارة الذي لا يحتاج إلى معالجة بثبات حراري جيد. وقد زادت نسبة خليط الأسفلت AC-13 مع خبث الصلب بنسبة 2.1%.

3) عندما تصل نسبة خبث الصلب إلى 100%، أي عندما يحل حجم الجسيمات الفردية من 4.75 إلى 9.5 مم محل الحجر الجيري تمامًا، تبلغ قيمة الاستقرار المتبقي لخليط الأسفلت 85.6%، أي أعلى بنسبة 0.5% من قيمة خليط الأسفلت AC-13 الخالي من خبث الصلب؛ كما تبلغ نسبة مقاومة الشد 80.8%، أي أعلى بنسبة 0.5% من نسبة مقاومة الشد لخليط الأسفلت AC-13 الخالي من خبث الصلب. تُسهم إضافة كمية مناسبة من خبث الصلب في تحسين الاستقرار المتبقي ونسبة مقاومة الشد لخليط الأسفلت AC-13 المحتوي على خبث الصلب، كما تُحسّن استقرار خليط الأسفلت في الماء.

1) في ظل ظروف الاستخدام العادية، تبلغ اللزوجة الأولية للمادة اللاصقة المصنوعة من البولي يوريثان والمُحضرة عن طريق إدخال البوليمرات المتفرعة محلي الصنع والبولي إيزوسيانات متعددة الوظائف حوالي 1500 ملي باسكال.ثانية، وهي تتمتع بلزوجة جيدة؛ ويصل عمر القرص اللاصق إلى 60 دقيقة، مما يلبي تمامًا متطلبات وقت التشغيل لشركات التغليف المرن في عملية الإنتاج.

٢) يتضح من قوة التقشير وقوة اللحام الحراري أن المادة اللاصقة المُحضّرة تتصلب بسرعة في درجة حرارة الغرفة. لا يوجد فرق كبير في سرعة التصلب عند درجة حرارة الغرفة وعند درجات حرارة ٤٠ و٥٠ و٦٠ درجة مئوية، كما لا يوجد فرق كبير في قوة الترابط. تتصلب هذه المادة اللاصقة تمامًا دون الحاجة إلى درجات حرارة عالية، وتتصلب بسرعة.

3) يُظهر تحليل TGA أن المادة اللاصقة تتمتع بثبات حراري جيد ويمكنها تلبية متطلبات درجة الحرارة أثناء الإنتاج والنقل والاستخدام.