본 연구에서는 저분자 폴리산과 저분자 폴리올을 기본 원료로 사용하여 프리폴리머를 제조하고, 사슬 연장 공정을 통해 초분지형 고분자와 HDI 삼량체를 폴리우레탄 구조에 도입함으로써 새로운 유형의 폴리우레탄 접착제를 제조하였다. 시험 결과, 본 연구에서 제조한 접착제는 적절한 점도, 긴 접착 디스크 수명, 상온에서의 빠른 경화, 우수한 접착력, 열 밀봉 강도 및 열 안정성을 나타냈다.

복합연포장은 미려한 외관, 폭넓은 적용 범위, 편리한 운송, 저렴한 포장 비용 등의 장점을 가지고 있습니다. 도입 이후 식품, 의약품, 생활용품, 전자제품 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되어 왔으며 소비자들에게 큰 사랑을 받고 있습니다. 복합연포장의 성능은 필름 소재뿐만 아니라 복합 접착제의 성능에도 크게 좌우됩니다. 폴리우레탄 접착제는 높은 접착력, 뛰어난 조절성, 위생 및 안전성 등 여러 장점을 지니고 있어 현재 복합연포장의 주력 접착제로 사용되고 있으며, 주요 접착제 제조업체들의 연구 개발에 집중되고 있습니다.

고온 숙성은 연성 포장재 제조에 필수적인 공정입니다. 국가 정책 목표인 '탄소 정점'과 '탄소 중립' 달성에 따라 친환경, 저탄소 배출 감축, 고효율 및 에너지 절약이 각계각층의 발전 목표가 되었습니다. 숙성 온도와 숙성 시간은 복합 필름의 박리 강도에 긍정적인 영향을 미칩니다. 이론적으로 숙성 온도가 높을수록, 숙성 시간이 길수록 반응 완료율이 높아지고 경화 효과가 향상됩니다. 그러나 실제 생산 과정에서는 숙성 온도를 낮추고 숙성 시간을 단축할 수 있다면 숙성 과정을 생략하고 기계를 끈 후 슬리팅 및 포장을 진행하는 것이 가장 좋습니다. 이는 친환경 및 저탄소 배출 감축 목표를 달성할 뿐만 아니라 생산 비용을 절감하고 생산 효율을 향상시킬 수 있습니다.

본 연구는 제조 및 사용 중 적절한 점도와 접착 디스크 수명을 가지며, 고온 없이 저온 조건에서 빠르게 경화되고, 복합 연성 포장재의 다양한 성능 지표에 영향을 미치지 않는 새로운 유형의 폴리우레탄 접착제를 합성하는 것을 목표로 한다.

1.1 실험 재료 아디프산, 세바신산, 에틸렌 글리콜, 네오펜틸 글리콜, 디에틸렌 글리콜, TDI, HDI 트리머, 실험실에서 제조한 초분지형 고분자, 에틸 아세테이트, 폴리에틸렌 필름(PE), 폴리에스터 필름(PET), 알루미늄 호일(AL).
1.2 실험 기기 탁상형 전기식 항온 공기 건조 오븐: DHG-9203A, 상하이 이헝 과학기기 유한회사; 회전식 점도계: NDJ-79, 상하이 런허 커이 유한회사; 만능 인장 시험기: XLW, 랩싱크; 열중량 분석기: TG209, 네츠쉬, 독일; 열 밀봉 시험기: SKZ1017A, 지난 칭창 전기기계 유한회사
1.3 합성 방법
1) 프리폴리머 제조: 사구 플라스크를 완전히 건조시킨 후 질소를 주입하고, 계량된 저분자 폴리올과 폴리산을 사구 플라스크에 넣고 교반을 시작한다. 온도가 설정 온도에 도달하고 수분 생성량이 이론적인 수분 생성량에 가까워지면 일정량의 시료를 채취하여 산가를 측정한다. 산가가 20mg/g 이하가 되면 다음 단계 반응을 시작한다. 계량된 촉매 100×10⁻⁶을 첨가하고 진공 배기관을 연결한 후 진공 펌프를 가동한다. 진공도를 조절하여 알코올 생성 속도를 제어하고, 실제 알코올 생성량이 이론적인 알코올 생성량에 가까워지면 일정량의 시료를 채취하여 수산화가를 측정한다. 수산화가가 설계 기준을 충족하면 반응을 종료한다. 얻어진 폴리우레탄 프리폴리머는 포장하여 보관한다.
2) 용매계 폴리우레탄 접착제 제조: 계량한 폴리우레탄 프리폴리머와 에틸 에스테르를 사구 플라스크에 넣고 가열하면서 고르게 분산될 때까지 교반한다. 이어서 계량한 TDI를 사구 플라스크에 넣고 1시간 동안 가열한다. 그 후 실험실에서 제조한 초분지형 폴리머를 첨가하고 2시간 동안 반응시킨다. 마지막으로 HDI 삼량체를 사구 플라스크에 천천히 한 방울씩 첨가하고 2시간 동안 가열한다. 시료를 채취하여 NCO 함량을 측정하고, 냉각시킨 후 NCO 함량이 기준치를 충족하면 포장재로 사용한다.
3) 건식 라미네이션: 에틸 아세테이트, 주성분 및 경화제를 일정한 비율로 혼합하고 고르게 저어준 후, 건식 라미네이팅 기계에 도포하여 시료를 준비합니다.

1.4 시험 특성 분석
1) 점도: 회전식 점도계를 사용하고 접착제 점도 측정 방법(GB/T 2794-1995)을 참조하십시오.
2) 박리 강도: GB/T 8808-1998 박리 강도 시험 방법에 따라 만능 인장 시험기를 사용하여 시험함;
3) 열 밀봉 강도: 먼저 열 밀봉 시험기를 사용하여 열 밀봉을 수행한 다음 만능 인장 시험기를 사용하여 테스트합니다. GB/T 22638.7-2016 열 밀봉 강도 시험 방법을 참조하십시오.
4) 열중량 분석(TGA): 본 시험은 열중량 분석기를 이용하여 분당 10℃의 가열 속도와 50~600℃의 시험 온도 범위에서 수행하였다.

2.1 혼합 반응 시간에 따른 점도 변화 접착제의 점도와 고무 디스크의 수명은 제품 생산 공정에서 중요한 지표입니다. 접착제의 점도가 너무 높으면 접착제 사용량이 과도해져 복합 필름의 외관과 코팅 비용에 영향을 미칩니다. 반대로 점도가 너무 낮으면 접착제 사용량이 적어 잉크가 효과적으로 침투하지 못해 복합 필름의 외관과 접착 성능에 영향을 미칩니다. 고무 디스크의 수명이 너무 짧으면 접착제 탱크에 저장된 접착제의 점도가 너무 빨리 상승하여 접착제 도포가 원활하지 않고 고무 롤러 세척이 어려워집니다. 반대로 고무 디스크의 수명이 너무 길면 복합 재료의 초기 접착 외관과 접착 성능에 영향을 미치고 경화 속도에도 영향을 주어 제품 생산 효율에 악영향을 미칩니다.

적절한 점도 조절과 접착 디스크의 수명은 접착제의 효율적인 사용을 위한 중요한 요소입니다. 생산 경험에 따라 주성분인 에틸 아세테이트와 경화제를 적절한 R 값과 점도로 조정한 후, 필름에 접착제를 바르지 않고 접착제 탱크에서 고무 롤러로 접착제를 롤링합니다. 다양한 시간 간격으로 접착제 샘플을 채취하여 점도를 측정합니다. 적절한 점도, 접착 디스크의 적절한 수명, 그리고 저온 조건에서의 빠른 경화는 용제 기반 폴리우레탄 접착제의 생산 및 사용 과정에서 중요한 목표입니다.

2.2 숙성 온도 변화가 박리 강도에 미치는 영향 숙성 공정은 연성 포장재 생산에 있어 가장 중요하고, 시간과 에너지, 공간을 많이 소모하는 공정입니다. 이는 제품 생산 속도에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 복합 연성 포장재의 외관 및 접착 성능에도 큰 영향을 미칩니다. 정부의 "탄소 정점" 및 "탄소 중립" 목표와 치열한 시장 경쟁 속에서 저온 숙성 및 급속 경화는 저에너지 소비, 친환경 생산, 효율적인 생산을 달성하는 효과적인 방법입니다.

PET/AL/PE 복합 필름을 상온 및 40℃, 50℃, 60℃에서 노화시켰다. 상온에서 내부층 AL/PE 복합 구조의 박리 강도는 12시간 노화 후에도 안정적으로 유지되었으며, 경화가 기본적으로 완료되었다. 상온에서 외부층 PET/AL 고차단성 복합 구조의 박리 강도 또한 12시간 노화 후에도 기본적으로 안정적으로 유지되었는데, 이는 고차단성 필름 소재가 폴리우레탄 접착제의 경화에 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 40℃, 50℃, 60℃의 경화 온도 조건을 비교했을 때, 경화 속도에는 뚜렷한 차이가 없었다.

현재 시판되는 주류 용제 기반 폴리우레탄 접착제와 비교했을 때, 고온 노화 시간은 일반적으로 48시간 이상입니다. 본 연구에서 개발한 폴리우레탄 접착제는 상온에서 12시간 만에 고차단성 구조의 경화를 기본적으로 완료할 수 있습니다. 즉, 개발된 접착제는 급속 경화 기능을 갖습니다. 접착제에 자체 개발한 초분지형 고분자와 다기능성 이소시아네이트를 도입함으로써, 외층 복합 구조와 내층 복합 구조 모두에서 상온 박리 강도가 고온 노화 조건에서의 박리 강도와 큰 차이가 없다는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 개발된 접착제가 급속 경화 기능뿐만 아니라 고온을 사용하지 않고도 급속 경화가 가능한 기능을 가지고 있음을 보여줍니다.

2.3 열접착 강도에 미치는 온도 변화의 영향 재료의 열접착 특성과 실제 열접착 효과는 열접착 장비, 재료 자체의 물리화학적 성능 매개변수, 열접착 시간, 열접착 압력 및 열접착 온도 등 여러 요인의 영향을 받습니다. 실제 필요와 경험에 따라 합리적인 열접착 공정 및 매개변수를 설정하고, 복합 필름의 열접착 강도 시험을 실시합니다.

복합 필름을 기계에서 막 꺼냈을 때 열접착 강도는 상대적으로 낮아 17 N/(15 mm)에 불과합니다. 이때 접착제가 막 경화되기 시작하여 충분한 접착력을 제공하지 못합니다. 이때 측정한 강도는 PE 필름의 열접착 강도입니다. 노화 시간이 증가함에 따라 열접착 강도는 급격히 증가합니다. 12시간 노화 후의 열접착 강도는 24시간 및 48시간 후의 강도와 거의 동일하며, 이는 12시간 내에 경화가 기본적으로 완료되어 다양한 필름에 충분한 접착력을 제공하고 열접착 강도가 향상됨을 나타냅니다. 다양한 온도에서의 열접착 강도 변화 곡선을 보면, 동일한 노화 시간 조건에서 상온 노화와 40℃, 50℃, 60℃ 조건에서의 열접착 강도 차이가 크지 않음을 알 수 있습니다. 상온 노화만으로도 고온 노화의 효과를 충분히 얻을 수 있습니다. 본 연구에서 개발한 접착제를 사용한 연포장 복합재는 고온 노화 조건에서도 우수한 열접착 강도를 나타냅니다.

2.4 경화 필름의 열 안정성 연성 포장재 사용 시 열 밀봉 및 포장 공정이 필요합니다. 필름 소재 자체의 열 안정성뿐만 아니라 경화된 폴리우레탄 필름의 열 안정성은 완제품 연성 포장재의 성능과 외관을 결정짓는 중요한 요소입니다. 본 연구에서는 열중량 분석(TGA) 방법을 이용하여 경화된 폴리우레탄 필름의 열 안정성을 분석하고자 합니다.

경화된 폴리우레탄 필름은 시험 온도에서 뚜렷한 두 개의 중량 감소 피크를 나타내는데, 이는 각각 경질 세그먼트와 연질 세그먼트의 열분해에 해당합니다. 연질 세그먼트의 열분해 온도는 비교적 높으며, 264°C에서 열 중량 감소가 시작됩니다. 이 온도는 현재 연질 포장 열 밀봉 공정의 온도 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 자동 포장 또는 충전, 장거리 컨테이너 운송 및 사용 공정의 온도 요구 사항도 충족할 수 있습니다. 경질 세그먼트의 열분해 온도는 더 높아서 347°C에 이릅니다. 개발된 고온 경화 무접착제는 우수한 열 안정성을 가지며, 강철 슬래그를 첨가한 AC-13 아스팔트 혼합물의 경우 2.1% 증가했습니다.

3) 제강 슬래그 함량이 100%에 도달했을 때, 즉 4.75~9.5mm의 단일 입자 크기가 석회석을 완전히 대체했을 때, 아스팔트 혼합물의 잔류 안정성 값은 85.6%로, 제강 슬래그가 없는 AC-13 아스팔트 혼합물보다 0.5% 높았습니다. 인장 강도 비율은 80.8%로, 제강 슬래그가 없는 AC-13 아스팔트 혼합물보다 0.5% 높았습니다. 적절한 양의 제강 슬래그를 첨가하면 AC-13 제강 슬래그 아스팔트 혼합물의 잔류 안정성과 인장 강도 비율을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 아스팔트 혼합물의 내수성도 효과적으로 개선할 수 있습니다.

1) 자체 개발한 초분지형 고분자와 다기능성 폴리이소시아네이트를 첨가하여 제조한 용제계 폴리우레탄 접착제의 초기 점도는 일반적인 사용 조건에서 약 1500mPa·s로 우수한 점도를 나타내며, 접착 디스크의 수명은 60분에 달하여 연포장 제조업체의 생산 공정에서 요구되는 작업 시간을 충분히 충족할 수 있다.

2) 박리 강도와 열접착 강도를 통해 제조된 접착제가 상온에서 빠르게 경화됨을 알 수 있다. 상온과 40℃, 50℃, 60℃에서의 경화 속도 및 접착 강도에 큰 차이가 없다. 이 접착제는 고온 없이도 완전 경화가 가능하며, 빠르게 경화된다.

3) TGA 분석 결과, 접착제는 열 안정성이 우수하여 생산, 운송 및 사용 중 요구되는 온도 조건을 충족할 수 있는 것으로 나타났습니다.