Rheological behaviour of Polybutene-1 based polymers for slot coating

Polybutene-1-based polymers are widely used in the formulation of hot-melt adhesives, a technology that has become increasingly popular due to its economic and environmental advantages. As solvent-free thermoplastic compounds, these adhesives reduce emissions of volatile organic compounds (VOCs) and eliminate the need for solvent removal processes during application. These characteristics make them particularly suitable for high-speed production processes. In industrial slot coating processes, one of the main challenges is the phenomenon of build-up, which refers to the accumulation of material on the application head. This issue, particularly present in slot coating of polyolefins such as polybutene-1, can compromise coating quality and reduce the efficiency of the production process. The study aims to determine the factors contributing to build-up of three materials—PBM1500M, PBM0200M, and PBM0050M— which are polymer blends with same chemical composition but different molecular weight. To achieve this, a complete rheological characterization was carried out through rotational and capillary rheometry experiments, which allowed the determination of viscosity curves over a wide range of shear rates, highlighting the shear thinning behaviour of the polymers. Additionally, relaxation times were determined by applying the Cross and Rouse models, providing comprehensive insight of the viscoelastic response of the materials. Die-swell tests were conducted at different temperatures and shear rates to identify a correlation between this elastic phenomenon and build-up. Finally, polymer blends with different proportions of PBM1500M, PBM0200M, and PBM0050M were prepared to evaluate how formulation influences rheological properties and thus the possible reduction of build-up. The results obtained allowed for an evaluation of the influence of process conditions on the viscoelastic properties of the materials, offering valuable insights for optimizing both polymer formulations and processing parameters.

I polimeri a base di polibutene-1 sono ampiamente utilizzati nella formulazione di adesivi hot-melt, una tecnologia sempre più diffusa grazie ai suoi vantaggi economici e ambientali. Essendo composti termoplastici privi di solventi, questi adesivi riducono le emissioni di composti organici volatili (VOC) ed eliminano la necessità di processi di rimozione dei solventi durante l’applicazione. Queste caratteristiche li rendono particolarmente adatti ai processi di produzione ad alta velocità. Nei processi industriali di slot coating, una delle principali sfide è il fenomeno del build-up, ovvero l’accumulo di materiale sulla testa di applicazione. Questo problema, particolarmente presente nello slot coating di poliolefine come il polibutene-1, può compromettere la qualità del rivestimento e ridurre l'efficienza del processo produttivo. Lo studio si propone di determinare i fattori che contribuiscono al build-up di tre materiali—PBM1500M, PBM0200M e PBM0050M—che sono miscele polimeriche con la stessa composizione chimica ma diverso peso molecolare. Per raggiungere questo obiettivo, è stata effettuata una completa caratterizzazione reologica mediante esperimenti di reometria rotazionale e capillare, che hanno permesso di determinare le curve di viscosità su un ampio intervallo di velocità di taglio, evidenziando il comportamento shear thinning dei polimeri. Inoltre, sono stati determinati i tempi di rilassamento applicando i modelli di Cross e Rouse, fornendo una visione approfondita della risposta viscoelastica dei materiali. Sono stati condotti test di die-swell a diverse temperature e velocità di taglio per identificare una correlazione tra questo fenomeno elastico e il build-up. Infine, sono state preparate miscele polimeriche con diverse proporzioni di PBM1500M, PBM0200M e PBM0050M per valutare come la formulazione influenzi le proprietà reologiche e, di conseguenza, la possibile riduzione del build-up. I risultati ottenuti hanno permesso di valutare l'influenza delle condizioni di processo sulle proprietà viscoelastiche dei materiali, fornendo preziose indicazioni per l'ottimizzazione delle formulazioni polimeriche e dei parametri di lavorazione.