Полиуретановые клеевые композиции *

Цель статьи — предоставить необходимую информацию по клеевым составам для ламинации технологам интенсивно развивающегося российского упаковочного рынка. Это чрезвычайно актуально, учитывая порой малую их осведомлённость о столь важных компонентах технологического процесса.

Поскольку законодательство многих стран в области защиты окружающей среды и здравоохранения направлено на сокращение использования веществ, содержащих летучие органические соединения, в мире гибкой упаковки обозначилась тенденция перехода от клеёв для ламинации на основе растворителей к составам на водной основе и бессольвентным (безрастворным) композициям со 100% сухим остатком. Последнее означает, что клей моногамен по структуре и его отверждение наступает не за счёт выпаривания основы (воды или растворителя), а путём взаимодействия с другим веществом. Водные клеи для гибкой упаковки — это полиуретановые либо акриловые дисперсии для «сухой» ламинации Dry-Bond.

Растёт популярность и клеевых составов со 100% сухим остатком, содержащим очень низкий процент остаточных (свободных) мономеров, чьё присутствие в изготавливаемом многослойном материале крайне нежелательно.

Какие бывают ламинаты?

«Сухая» ламинация — процесс, при котором водный или растворный клей подаётся на поверхность ламинируемого материала, затем с помощью нагрева и потока горячего воздуха из него выпаривается основа и, посредством подогреваемого прижимного вала, производится соединение (ламинация) со вторым материалом. Более прост и не менее известен метод ламинации с использованием бессольвентного клея, когда на один материал с помощью системы валов подаётся жидкий клеевой состав (вязкость около 2000 мПа по Брукфилду). Затем он аналогично прикатывается ко второму материалу прижимным валом.

В обоих методах создаётся клеевой слой около 2-3 г/м² в сухом виде, вполне достаточный для формирования ламинатов, соответствующих всем параметрам межслойной адгезии и термостойкости.

В ряду типовых ламинатов — комбинации полимерных плёнок (ПЭ, ПЭТ, ПС, ПП, ПА и др.), алюминиевой фольги, иногда бумаги. Как правило, получаемые 2-3-слойные ламинаты используются для производства пищевой упаковки. И хотя спектр их применения широк, основных технических параметров оценки их качества немного.

Во-первых, клеи должны обеспечивать хорошую адгезию и иметь высокую степень прозрачности после отверждения. Во-вторых, они должны эффективно сопротивляться влаге и высокой температуре, при которой осуществляется сварка пакета по шву или термическая обработка упакованного в него продукта. Клеевой слой должен быть стоек к образованию «туннелинга» — локального расслоения ламинируемых материалов, внешне напоминающего морщины или складки на поверхности одного из них. Причина этого дефекта, кроме некорректного соотношения усилий натяжения ламинируемых полотен, — их разный коэффициент линейного теплового расширения/сжатия либо разная скорость этих процессов. «Туннелинг» портит внешний вид упаковки, ухудшает её защитные свойства. Проблема широко известна в отрасли, с ней сталкиваются практически все производители гибкой упаковки.

Эмульсии на водной основе

Примерно четверть мирового рынка клеёв для гибкой упаковки составляют акриловые эмульсии или полиуретановые дисперсии. Поначалу единственной причиной их использования в промышленных масштабах было возросшее давление со стороны государственных органов в области охраны здоровья и окружающей среды. Появление на рынке новых связующих веществ (кросслинкеров, связывающих молекулы мономеров в ходе реакции отверждения и отвечающих за прочность образовавшегося полимера, — прим. перев.) — растворимых в воде изоционатов, многофункциональных азиридинов и других — значительно улучшило адгезионные свойства клеёв на водной основе и повысило их термостойкость, сделало достойными конкурентами для составов на основе растворителей. Использование кросслинкеров в эмульсиях обеспечивает высокую адгезию между плёнками, снижает вероятность образования «туннелинга».

Полиуретановые дисперсии

С точки зрения адгезии и термостойкости, самая лучшая альтернатива традиционным растворным клеям — полиуретановые водные дисперсии (ПУД), которые технологичны и позволяют работать на ламинаторе с высокой скоростью. Не уступают они сольвентным клеям и по прозрачности после отверждения. Главный их недостаток — цена. В основе ПУР-эмульсий не реагирующие с водой алифатические диизоционаты, которые значительно дороже используемых при производстве растворных клеёв толуольных изоционатов.

Акриловые водные эмульсии

Представляют продукцию эконом-класса, когда сравнительно невысокие показатели адгезии компенсируются низкой ценой клея. Применение ограничено простыми работами (одинаковые плёнки и т. п.), они сложны в использовании, требуют охлаждающего цилиндра в конструкции ламинатора, предотвращающего образование клеевых сгустков. Склонны к пенообразованию, налагая ограничения на скорость работы ламинатора. Но на рынке появились акриловые эмульсии, допускающие ламинацию на скоростях до 250 м/мин, при добавлении кросслинкеров догоняющие ПУР-дисперсии по всем показателям годности готового ламината.

Отверждение

Добавление кросслинкеров в водно-дисперсионный клей повышает устойчивость ламината к воздействию критических температур, что важно при изготовлении упаковки для горячего розлива, кипячения или хранения замороженных продуктов. Разумеется, такой состав лучше сопротивляется и «туннелингу».

Хотя водные клеевые составы и работают при повышенных температурах (около 100°С), их пребывание в таких условиях (в сушке) ограничено по времени. Поэтому реакция образования межмолекулярных связей (отверждение) в клеевом слое продолжается в ламинате уже при комнатной температуре. В большинстве случаев можно выполнять резку готового материала почти сразу после ламинации: несмотря на продолжающееся отверждение, первоначальной адгезии бывает достаточно. Особенность технологии Dry-Bond существенно экономит время, в отличие от широко применяемой бессольвентной ламинации.

Бессольвентные ПУР-клеи со 100% сухим остатком

Составы первого поколения. Отверждаются под воздействием влаги, выпускаются и сейчас, главным образом для ламинатов, изначально содержащих в себе влагу (бумага, картон, ПА) и не являющихся прозрачными. Состоят из преполимеров изоционатов и обладают высокой вязкостью, обеспечивая хорошее первоначальное схватывание. Один из недостатков — высокая температура нанесения (90-100°С). Клей подаётся на поверхность материала тонкой плёнкой, избыточный изоционат реагирует с атмосферной влагой, и в нём образуются перекрёстные молекулярные связи. Затем — прикатка второго материала, окончательная реакция отверждения происходит в готовом роле, резку которого на требуемую ширину рекомендуется начинать не ранее, чем через 24-72 часа. Схематично этапы реакции полимеризации клея первого поколения представлены формулами: