ES2217444T3 - Dispersiones polimericas acuosas reticulantes asi como su uso para la fabricacion de adhesivos acuosos. - Google Patents

Dispersiones polimericas acuosas reticulantes asi como su uso para la fabricacion de adhesivos acuosos.

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ES2217444T3 ES98101144T ES98101144T ES2217444T3 ES 2217444 T3 ES2217444 T3 ES 2217444T3 ES 98101144 T ES98101144 T ES 98101144T ES 98101144 T ES98101144 T ES 98101144T ES 2217444 T3 ES2217444 T3 ES 2217444T3
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Abstract

LA INVENCION TRATA DE DISPERSIONES POLIMERAS ACUOSAS Y RETICULANTES, QUE ESTAN CARACTERIZADAS PORQUE ESTAN COMPUESTAS POR: A) DE UN 98 A UN 80 % EN PESO DE UNA DISPERSION POLIMERA ACUOSA Y ALCALINA DE UN 40 A UN 60 %, BASADA EN 2 CLORBUTADIENO 1,3, CON UN INDICE DE PH DE 9,5 Y UN CONTENIDO DE CLORURO DE 300 PPM QUE SE FORMA POR DISOCIACION DE ATOMOS DE CLORO DEL POLIMERO Y B) DE UN 2 A UN 20 % EN PESO DE POLIISOCIANATOS OBTENIDOS MEDIANTE CICLOTRIMERIZACION DE DIISOCIANATOS ALIFATICOS Y/O CICLOALIFATICOS CON GRUPOS DE NCO LIGADOS SECUNDARIOS PRINCIPALMENTE O TAMBIEN EXCLUSIVAMENTE. LA INVENCION TRATA ASIMISMO DE SU USO PARA LA FABRICACION DE ADHESIVOS ACUOSOS.

Description

Dispersiones poliméricas acuosas reticulantes así como su uso para la fabricación de adhesivos acuosos.
La presente invención se refiere a dispersiones poliméricas acuosas reticulantes, que están compuestas por polímeros acuosos alcalinos, basados en 2-cloro-1,3-butadieno y por poliisocianatos obtenidos mediante la ciclotrimerización de diisocianatos alifáticos y/o cicloalifáticos, así como a su uso para la fabricación de adhesivos acuosos.
En los últimos años ha aumentado mucho la importancia de los adhesivos acuosos como consecuencia de los esfuerzos hechos para reducir las emisiones de disolventes y para eliminar el peligro de incendio, tanto para el fabricante como para el procesador de adhesivos. Un ejemplo de este desarrollo es la transición de los adhesivos de PU con disolventes hacia los correspondientes adhesivos de PU de dispersión, que se puede observar en el ámbito de la industria de los muebles, de la construcción de automóviles y en el ámbito de la industria del calzado. Esta transición satisfactoria fue posible porque hoy también puede realizarse una reticulación en sistemas de dispersión acuosa, con reticulantes de isocianatos apropiados, en forma correspondiente a la reticulación de isocianatos conocida desde hace muchos años para los sistemas con disolventes.
Así, en el documento EP-A-206059 se describe una composición hidrodispersable de poliisocianatos que es apropiada como aditivo para adhesivos acuosos. Sin embargo, en la práctica se demuestra que la composición de poliisocianatos descrita en el documento EP-A-206059, que está basada en 1,6-diisocianatohexano (HDI), en el intento de la reticulación de adhesivos basados en dispersiones acuosas fuertemente alcalinas de polímeros, conduce a problemas prácticamente insuperables, porque la dispersión polimérica de 2-cloro-1,3-butadieno, obtenida después de adicionar dispersando los isocianatos reticulantes basados en HDI, después de poco tiempo se vuelve gelatinosa y la película adherente seca ya no permite una adhesión reproducible. En el documento EP-A-206059 también está descrito, a modo de ejemplo, el uso de isocianatos reticulantes basados en IPDI para dispersiones de pH neutro o débilmente ácido. En cambio, los ensayos prácticos con dispersiones alcalinas de polímeros basados en 2-cloro-1,3-butadieno normalmente daban como resultado adhesivos con resultados poco satisfactorios a mayor temperatura.
El objetivo de la presente invención ahora es proporcionar adhesivos apropiados, basados en polímeros o copolímeros fuertemente alcalinos del 2-cloro-1,3-butadieno que posean una alta resistencia al calor y dispongan de una capacidad de procesamiento suficientemente larga del adhesivo, sin que ocurra una formación de gelatina o una coagulación en la mezcla adhesiva.
Se alcanzó el objetivo proporcionando las dispersiones poliméricas acuosas reticulantes conforme a la invención, compuestas por dispersiones poliméricas acuosas alcalinas basadas en 2-cloro-1,3-butadieno, y poliisocianatos alifáticos y/o ciclo-alifáticos con grupos NCO enlazados preponderante o exclusivamente de forma secundaria.
Por lo tanto, el objeto de la presente invención son dispersiones poliméricas acuosas reticulantes, que están caracterizadas porque están compuestas por
A)
98 a 80% en peso de una dispersión polimérica alcalina, basada en 2-cloro-1,3-butadieno, con un valor de pH \geq 9,5 y un contenido de cloruros \geq 300 ppm, originado por la disociación de iones cloruro del polímero,
y
B)
2 a 20% en peso de poliisocianatos, obtenidos por la ciclotrimerización de diisocianatos alifáticos y/o ciclo-alifáticos, con grupos NCO enlazados preponderante o exclusivamente de forma secundaria.
Se prefieren las dispersiones poliméricas acuosas reticulantes, que contienen el componente A) en 95 a 90% en peso y el componente B) en 5 a 10% en peso.
El componente A) se usa preferentemente en forma de una dispersión polimérica acuosa alcalina al 50 hasta 60%, preferentemente, con un valor de pH de 11-13 y un contenido de cloruros preferentemente \geq 400 ppm, originado por la disociación de iones cloruro del polímero.
Para las dispersiones poliméricas conforme a la invención es importante que la dispersión polimérica acuosa del 2-cloro-1,3-butadieno contenga una determinada proporción de grupos OH reticulables con isocianatos, que se obtiene por la disociación de iones cloruro del polímero de 2-clorobutadieno. De esta manera, se aumenta considerablemente la capacidad de reticulación de los polímeros de 2-clorobutadieno con los isocianatos. La disociación de iones cloruro del polímero de 2-clorobutadieno puede llevarse a cabo de manera usual, por almacenamiento de la dispersión polimérica acuosa, alcalina, a temperatura ambiente, o puede acelerarse por tratamiento con calor, preferentemente, a temperaturas de 40 a 90ºC.
El valor del pH de la dispersión polimérica acuosa, alcalina del 2-clorobutadieno resulta de contenidos correspondientes de hidróxido alcalino y/o jabones alcalinos, que se necesitan para la estabilización química, microbiana o química coloidal de las dispersiones poliméricas.
Las dispersiones poliméricas acuosas, alcalinas, basadas en 2-cloro-1,3-butadieno, que se han de usar como componente A) conforme a la invención, pueden fabricarse de manera usual, mediante polimerización en emulsión de 2-cloro-1,3-butadieno, como está descrito en Ullmann (4) 13, 614-617. Desde luego, también es posible usar copolímeros del 2-cloro-1,3-butadieno con otros monómeros olefínicamente insaturados como, por ejemplo, 2,3-diclorobutadieno o ácido metacrílico, como componente A). Tales copolímeros también son conocidos y están descritos, por ejemplo, en el lugar citado anteriormente.
Además del componente A), las dispersiones poliméricas acuosas reticulantes conforme a la invención como componente B) contienen los llamados isocianatos reticulantes, que se obtienen mediante la ciclotrimerización de diisocianatos alifáticos y/o cicloalifáticos y que representan poliisocianatos con grupos NCO enlazados preponderante o exclusivamente de forma secundaria.
Poliisocianatos con grupos NCO enlazados preponderantemente de forma secundaria son
B1)
o bien, aquellos para los que como sustancias de partida para la ciclotrimerización se usan diisocianatos que a causa de su estructura química no poseen grupos NCO primarios, por ejemplo, 4,4'-diisocianatodiciclohexilmetano (Desmodur W®, Bayer AG),
o bien aquellos
B2)
poliisocianatos, para los que como sustancias de partida para la ciclotrimerización se usan diisociantos que además de grupos NCO secundarios, también contienen grupos NCO primarios, por ejemplo, 1-isocianato-3,3,5-trimetil-5-isocianatometil-ciclohexano (isoforona-diisocianato, Bayer AG). Por la diferencia de reactividad entre grupos NCO primarios y secundarios / terciarios, en el transcurso de la reacción de trimerización preferentemente se transforman los primarios, más reactivos, de manera que en el poliisocianato obtenido permanezcan preponderantemente los grupos NCO secundarios, menos reactivos.
Como diisocianatos de partida para la fabricación del componente B) conforme a la invención, especialmente son apropiados 4,4'-diisocianato-diciclohexilmetano (Desmodur W, Bayer AG) e isoforona-diisocianato (IPDI, Bayer AG).
Los productos de ciclotrimerización del isoforona-diisocianato son poliisocianatos preferidos.
Los ciclotrímeros de poliisocianatos alifáticos y/o cicloalifáticos, con grupos NCO enlazados preponderante o exclusivamente de forma secundaria, que se han de usar conforme a la invención como componente B), contienen los isocianatos de partida (monómeros remanentes) en una cantidad menor de 0,5, preferentemente, menor de 0,2% en peso. Desde luego, también es posible adicionar emulsionantes apropiados al componente B), eligiéndose de tal manera la cantidad de emulsionante que los poliisocianatos (componente B)) sean bien dispersables en la dispersión que se ha de reticular (componente A)). Los emulsionantes apropiados especialmente son productos de reacción de poliisocianatos alifáticos con polieteralcoholes que presentan unidades de óxido de etileno no iónicas, ascendiendo la relación de equivalentes NCO/OH por lo menos a 1:1, en general, a 2:1 hasta 1000:1. Polieteralcoholes apropiados son, por ejemplo, productos de alcoxilación, preferentemente, de moléculas iniciadores monofuncionales o también polifuncionales, como metanol, n-butanol, ciclohexanol, 3-metil-3-hidroximetiloxetano, fenol, etilenglicol, propilenglicol, trimetilolpropano y glicerina que posean al menos una cadena de poliéter que en general contiene 10 a 70 unidades de óxido de etileno. Los polieteralcoholes monohidroxílicos correspondientes son especialmente buenos para la fabricación de los emulsionantes. La fabricación y la composición de tales emulsionantes están descritas en el documento EP-A-206059. La cantidad de emulsionantes que se adiciona usualmente al componente B) asciende a 0,1 hasta 20% en peso, preferentemente, a 5 hasta 15% en peso, respecto al poliisocianato usado.
Además, es posible adicionar al componente B) cantidades bajas, en general, cantidades \leq 35% en peso, de disolventes orgánicos, como acetona, acetato de etilo, acetato de metoxipropilo, carbonato de propileno, xileno y/o Solvesso (un producto de la empresa Shell), para reducir la viscosidad.
Las dispersiones poliméricas acuosas reticulantes conforme a la invención además pueden contener coadyuvantes y aditivos usuales para la tecnología de los adhesivos. A éstos pertenecen, por ejemplo, materiales de carga, como polvo de cuarzo, óxido de cinc, ácido silícico altamente dispersado, carbonato de calcio, tiza, dolomía o talco, que con frecuencia se adicionan juntamente con humectantes como, por ejemplo, polifosfatos, o sales del ácido naftalenosulfónico, adicionándose los humectantes generalmente en cantidades de 0,2 a 0,6% en peso, respecto al material de carga usado. La cantidad de materiales de carga que se han de adicionar usualmente asciende a 0,1 hasta 15% en peso, respecto al contenido de polímero del 2-clorobutadieno.
Otros coadyuvantes apropiados son, por ejemplo, espesantes orgánicos, como derivados de celulosa, alginatos, almidón o derivados de almidón, o ácido poliacrílico, que se han de adicionar en cantidades de 0,01 a 1% en peso, respecto al la dispersión polimérica total, o espesantes inorgánicos, como bentonita, que se han de adicionar en cantidades de 0,05 a 5% en peso, respecto a la dispersión polimérica total. Además, también pueden adicionarse fungicidas para la conservación del adhesivo, usualmente, en cantidades de 0,2 a 1% en peso, también respecto a la cantidad total de dispersión polimérica.
A la dispersión polimérica conforme a la invención, también pueden adicionarse resinas que producen pegajosidad como, por ejemplo, resinas naturales o resinas modificadas, como ésteres de colofonia o resinas de terpenofenol, o resinas sintéticas como resinas de ftalato, en proporciones de hasta 40% en peso, respecto al contenido de polímero del 2-clorobutadieno.
Las dispersiones poliméricas acuosas conforme a la invención son aptas para adherir cualesquiera materiales de tipo igual o diferente, por ejemplo, para pegar madera y papel, plásticos, espumas, materiales textiles, cuero y materiales inorgánicos como cerámica, loza o cemento de amianto.
El uso de las dispersiones poliméricas conforme a la invención sorprendentemente tiene un efecto notablemente mejorador de la estabilidad al calor, unido a una duración mejorada de la capacidad de procesamiento (al menos 5 horas), en comparación con el estado de la técnica de los adhesivos basados en dispersiones alcalinas usuales del poli-2-cloro-1,3-butadieno, que poseen un contenido bajo de grupos reticulables con isocianato.
Estas dispersiones alcalinas correspondientes al estado de la técnica sólo contienen una cantidad baja de grupos reticulables con isocianato, de manera que el aumento de la resistencia al calor, alcanzable mediante la reacción con isocianatos, es bajo.
Ejemplos
Los siguientes ejemplos sirven para ilustrar más detalladamente la invención. Todas las indicaciones en por ciento son de por ciento en peso.
A) Sustancias de partida:
Poliisocianato 1 (para los ejemplos comparativos 1 y 1a)
Poliisocianato que presenta grupos isocianurato, que esencialmente está compuesto por tris-(6-isocianatohexil)-isocianurato y sus homólogos superiores, fabricado por trimerización de 1,6-diisocianatohexano. El contenido de NCO asciende a 21,6%, la funcionalidad media asciende a aproximadamente 3,5 y el contenido de diisocianato monomérico es < 0,3%. Los grupos NCO libres son todos primarios.
Poliisocianato 2 (para los ejemplos comparativos 2 y 5)
Para hidrofilizar, se hacen reaccionar 1000 g del poliisocianato 1 con 130 g de un poliéter de óxido de polietileno, iniciado por metanol, de peso molecular 350. Entonces el contenido de NCO es de 17,4%, el contenido de diisocianato monomérico es < 0,3%. Los grupos NCO libres son todos primarios.
Poliisocianato 3 (para los ejemplos conforme a la invención 3, 7 hasta 10)
Para hidrofilizar, se hacen reaccionar 1000 g de un isocianato-isocianurato, obtenido por trimerización de IPDI, con un contenido de NCO de 16,6% y una funcionalidad media de aproximadamente 3,5, con 150 g de un poliéter de óxido de polietileno iniciado por metanol, de peso molecular 490. El contenido de NCO entonces se encuentra en 13,2%. Para reducir la viscosidad, se diluye el producto obtenido por adición de 30% de una mezcla 1:1 de metoxipropanol/xileno. Después de la dilución, el contenido de NCO se encuentra en aproximadamente 9,5% y la viscosidad se encuentra en aproximadamente 700 mPa\cdots. Los grupos NCO en su mayoría son secundarios.
Poliisocianato 4 (para los ejemplos comparativos 4 y 11)
Poliisocianato que presenta grupos isocianurato, fabricado por trimerización de IMCI. El contenido de NCO asciende a aproximadamente 14,7% y la funcionalidad a aproximadamente 3,3; el contenido remanente de diisocianato monomérico es < 0,5%. Para reducir la viscosidad, se diluye con 30% de acetato de metoxipropilo. Después de la dilución, el contenido de NCO asciende a aproximadamente 11,3%. La viscosidad de la solución asciende a 25000 mPa\cdots. Los grupos NCO libres son esencialmente terciarios.
Dispersión de policloropreno usada
Las dispersiones de policloropreno usadas están descritas en la tabla 1 bajo las denominaciones de dispersión CR 1 a 4.
Se efectuaron los ensayos con Dispercoll C 84. Dispercoll C 84 es un polímero de emulsión del 2-clorobutadieno, usual en el mercado, con un valor de pH de 11 a 13 (fabricado por Bayer AG, Leverkusen). Para algunos ensayos se trató posteriormente el Dispercoll C 84 mediante el almacenamiento a 50ºC, para que se produjera la disociación hidrolítica de una parte de los átomos de cloro enlazados a la cadena polimérica. Se puede reconocer el grado de la disociación hidrolítica del Cl mediante el contenido de Cl- en la dispersión (determinado mediante titulación argentométrica):
TABLA 1
Almacenamiento a 50ºC (días) Valor del pH Contenido de cloruros (ppm)
Dispersión CR 1 Producto original 13 293
Dispersión CR 2 2 12,3 584
Dispersión CR 3 4 12,2 805
Dispersión CR 4 8 11,5 1140
B) Formulación de adhesivo
La formulación de adhesivo expuesta en la tabla 2 fue usada para efectuar todos los ensayos de adhesión. Emulvin W y Vulkanox DDA son productos comerciales de Bayer AG. Oulotack 90 D es un producto comercial de la empresa Veitsoluoto (Finlandia).
TABLA 2
Producto Función Usado como Contenido Partes en peso
Dispersión CR (1 a 4) Polímero Dispersión 55% 100
Emulvin W Emulsionante Solución 20% 2
Óxido de cinc activo Estabilizante Dispersión 50% 4
Vulkanox DDA-EM 50 Antioxidante Dispersión 50% 2
Oulotack 90 D Resina Dispersión 52% 30
C) Realización de los ensayos de coagulación
Se equipa un matraz de vidrio de tres bocas de 1 l con un mecanismo agitador, y un electrodo de vidrio para medir el valor del pH. Se colocan 500 g de la dispersión CR 1 en el matraz y se ajusta el agitador a aproximadamente 500 rpm. Después de poco tiempo la medición del pH indica el valor del pH de la dispersión. Con el mecanismo agitador en funcionamiento, entonces se adicionan 25 g del poliisocianato que se ha de analizar (poliisocianatos 1 a 4), distribuyéndolo durante 1 minuto en la dispersión. Con el mecanismo agitador en funcionamiento, se registra el transcurso de los valores del pH en función del tiempo. En los poliisocianatos 1 y 2, después de algún tiempo se presenta una coagulación constatable en forma muy precisa en cuanto al momento, que pronto conduce a la completa solidificación del contenido del matraz. Se deben retirar a tiempo el electrodo y el agitador de la mezcla.
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(Tabla pasa a página siguiente)
TABLA 3
1
Conclusión de los ensayos de coagulación
Los dos ejemplos comparativos basados en los poliisocianatos 1 y 2 (ejemplos comparativos 1 y 2), que contienen grupos NCO primarios, independientemente de la hidrofilización del poliisocianato, en el lapso de hasta 250 minutos dan como resultado una coagulación que conduce a una completa solidificación.
En contraste, las mezclas con los poliisocianatos 3, conforme a la invención (ejemplo 3, conforme a la invención, grupos NCO secundarios) y 4 (ejemplo comparativo 4, grupos NCO terciarios), incluso a 350 o a 450 minutos no dan indicios de una formación de coágulo. Estas mezclas también pueden aplicarse aún después de este lapso sobre un sustrato, sin que se presenten problemas, y pegar.
La reducción del valor del pH que se produce después de la adición del isocianato es una consecuencia de la reacción isocianato/agua; el CO_{2} que se produce en esta reacción neutraliza una parte de la base presente y de esta manera origina la caída del pH. Pero los valores iniciales y finales en las mediciones del pH en todos los poliisocianatos se encuentran muy cercanos entre sí, de manera que no se puede considerar esta reducción del pH como causa de la coagulación. Esto se hace especialmente evidente mediante el ejemplo comparativo 1a. Allí, aunque se hubo aumentado el valor del pH por adición posterior de NaOH, se presentó la coagulación en el mismo momento que en la composición en la que no se aumentó el pH, en el ejemplo comparativo 1. En este sentido, la diferencia de los poliisocianatos y la posición especial del poliisocianato 3, conforme a la invención, no es previsible y es absolutamente sorprendente. El poliisocianato 4, que presenta preponderantemente grupos NCO terciarios, tampoco conduce a la coagulación. Pero se manifestará en los ensayos de adhesión D), que no posee reactividad suficiente para la reticulación.
D) Realización de los ensayos de adhesión
A 100 g de formulación de adhesivo de la tabla 2 se adicionan 5 g de los isocianatos reticulantes y se mezcla intensivamente con un pequeño agitador por hélice. Puede producirse un leve aumento de la viscosidad, condicionado por el contenido de disolvente, dado el caso, presente, y que no tiene ninguna relación con la coagulación dependiente del tiempo. A continuación, se aplica la mezcla de adhesivo 2C mediante un pincel sobre un caucho SBR (caucho de estireno-butadieno) recién perchado (NORA, material de ensayo de la empresa Freudenberg, Weinheim, Alemania). Se dejan secar durante 1 hora los cuerpos de ensayo recubiertos, a temperatura ambiente y a aproximadamente 50% de humedad relativa del aire.
Respectivamente, 2 de los cuerpos de ensayo se calientan durante 4 s en un aparato activador al infrarrojo de la empresa Funk (Dr. Ing. Funk GmbH, 8000 Munich, Alemania), se juntan por las superficies cubiertas de adhesivo y enseguida se presionan uno contra el otro con una presión por superficie de 4 kg/cm^{2}.
Después de presionar, se almacenan los cuerpos de ensayo pegados durante 1 semana a temperatura ambiente/50% de humedad relativa del aire y luego se examinan en el ensayo de la cortadura por tracción para determinar su resistencia al calor (punto de ablandamiento según ASTM D 816), así como en el ensayo de descortezamiento, en cuanto a la resistencia al descortezamiento, según DIN 53273. Cada valor de medida indicado en la tabla 4 es un valor medio entre 5 mediciones individuales..
TABLA 4
2
Conclusión de los ensayos de adhesión
El ensayo comparativo 5 muestra que la combinación no conforme a la invención de la dispersión CR 1 y el poliisocianato 2, que posee grupos NCO primarios, no sólo no es apta por la coagulación (véase la tabla 3, ejemplos 1, 1a y 2), sino que también una capacidad deficiente de reticulación de la dispersión conduce a una resistencia baja al calor del adhesivo.
Los ejemplos 8 a 10, por un lado, demuestran que el poliisocianato 3 conforme a la invención, que contiene grupos NCO secundarios, no sólo no origina la coagulación de la mezcla adhesiva (véase la tabla 3, ejemplo 3), sino que también dan como resultado adhesiones de alta resistencia al descortezamiento y, en particular, de alta resistencia al calor (en comparación con el adhesivo no reticulado del ejemplo 6). En cambio, la reactividad del poliisocianato 4, que presenta grupos NCO terciarios, es demasiado baja para una reticulación del adhesivo (ejemplo comparativo 11).
Además, se demuestra por la comparación de los ejemplos 7 a 10, que dispersiones alcalinas de los polímeros del 2-cloro-1,3-butadieno, después de la disociación hidrolítica de una parte de los átomos de Cl del polímero, permiten fabricar adhesivos con considerable capacidad adicional de reticulación con isocianatos. La capacidad de reticulación (véase la tabla 4) (la medida es la resistencia al descortezamiento y en particular, la estabilidad al calor de la adhesión (punto de ablandamiento) se encuentra en relación directa con este desprendimiento, que se puede medir por el contenido de cloruros de la dispersión (véase la tabla 1).

Claims (4)

1. Dispersiones poliméricas acuosas reticulantes, caracterizadas porque están compuestas por
A)
98 a 80% en peso de una dispersión polimérica acuosa alcalina al 40 hasta 60%, basada en 2-cloro-1,3-butadieno, con un valor de pH \geq 9,5 y un contenido de cloruros \geq 300 ppm, originado por la disociación de átomos de cloro del polímero
y
B)
2 a 20% en peso de poliisocianatos obtenidos por la ciclotrimerización de diisocianatos alifáticos y/o cicloalifáticos, con grupos NCO enlazados preponderante o exclusivamente de forma secundaria.
2. Dispersiones poliméricas acuosas reticulantes, según la reivindicación 1, caracterizadas porque contienen el componente A) en 95 a 90% en peso y el componente B) en 5 a 10% en peso.
3. Dispersiones poliméricas según las reivindicaciones 1 y 2,caracterizadas porque el contenido de cloruros, originado por la disociación del polímero, del componente A) asciende a \geq 400 ppm.
4. Uso de las dispersiones poliméricas acuosas reticulantes, según la reivindicación 1, para la fabricación de adhesivos acuosos.
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