Химия самоклеящихся адгезивов - Википедия - Chemistry of pressure-sensitive adhesives

В химия клеев, чувствительных к давлению описывает химическую науку, связанную с клеи, чувствительные к давлению (PSA). Ленты PSA и этикетки стали важной частью повседневной жизни. Они основаны на клейком материале, прикрепленном к подложке, такой как бумага или пластиковая пленка.

Из-за присущей адгезивному материалу клейкости и низкой поверхностная энергия эти ленты могут быть размещены на различных подложках при приложении легкого давления, включая бумагу, дерево, металлы и керамику.

Конструкция лент требует баланса между долгим сроком службы и адаптацией к различным воздействиям окружающей среды и человека, включая температуру, воздействие ультрафиолетового излучения, механический износ, загрязнение поверхности подложки и разрушение адгезива.^[1]

Сочинение

Типичная лента PSA состоит из самоклеящегося клея (липкая часть ленты), нанесенного на материал основы. Чтобы клей не прилипал к основе при намотке рулона, разделительный агент наносится на основу или выпуск лайнера кладется на клей. Иногда между клеем и основой наносится грунтовка, увеличивающая сцепление.

Общие клеи

Таблица 1: Температуры стеклования и поверхностная энергия типичных акрилатных мономеров, используемых в ленточных клеях

Вещество	${ displaystyle {T_ {g}}}$ (K)	${ displaystyle gamma}$ (${ displaystyle {mJ over m ^ {2}}}$)
2-этилгексилакрилат	223	29.7[2]
н-бутилакрилат	219	32.8[2]
метилакрилат	286[3]	39.8[2]
трет-бутилметакрилат	503	30.5[2]

Структура

Клеи, чувствительные к давлению вязкоупругий полимеры с их реология настроены на требуемые характеристики склеивания и отсоединения.^[4] Типичные материалы, используемые для изготовления клея, включают:

• акрилатный полимер,^[5]
• резина, либо натуральная резина или синтетический термопластичный эластомер
• резинка
• и другие

Эти материалы часто смешивают с средство для повышения клейкости для обеспечения постоянной липкости («силы схватывания») при комнатной температуре,^[5][6][7] несколько деформируемы, имеют низкую поверхностная энергия,^[5] и являются влагостойкими.^[8] Чтобы соответствовать этим требованиям, эти материалы обычно имеют низкую плотность сшивки, низкую вязкость (η <10 000 сП),^[5] и широкое молекулярно-массовое распределение^[5] для деформации клеящего материала на шероховатой поверхности основы при различных температурах и условиях отслаивания.

Клей часто состоит из двух компонентов: закрепка и материал с низкой липкостью. Материал с высокой липкостью представляет собой полимер с низкой температура стеклования и высокая запутанность молекулярный вес, в то время как полимер с низкой липкостью имеет высокую температуру стеклования и низкую молекулярную массу переплетения.^[5] Материал с высокой липкостью составляет около 95% клея и обеспечивает большую часть липкости клея.^[5] В дополнение к этим 2 компонентам, поверхностно-активные вещества часто добавляются для снижения поверхностной энергии клея и облегчения адгезии к подложкам с высокой поверхностной энергией (металлам, другим полимерным материалам).^[9]Список типичных акрилатных мономеров и их температуры стеклования (${ displaystyle {T_ {g}}}$) и поверхностной энергии (${ displaystyle gamma}$) приведены в таблице.^[10] В ${ displaystyle T_ {g}}$ бинарной адгезивной смеси акрилатных мономеров можно оценить с помощью уравнения Гордона-Тейлора, где ${ displaystyle { phi _ {1}}}$ и ${ displaystyle { phi _ {2}}}$ объемные доли гомополимеров с температурами стеклования ${ displaystyle {T_ {g, 1}}}$ и ${ displaystyle {T_ {g, 2}}}$, соответственно.

${ displaystyle {T_ {g}} = { phi _ {1} T_ {g, 1}} + { phi _ {2} T_ {g, 2}}}$ [Уравнение Гордона-Тейлора]

Производство

Полиакрилаты, используемые в клейких лентах, легко синтезируются свободнорадикальная полимеризация.^[5] Эти полимеризации можно инициировать термически или фотокаталитически с использованием инициаторов на основе азо- и пероксидов.^[5] Такие полимеризации обычно проводят в растворителе для получения водостойкого гомогенного покрытия.^[5] Поскольку водопроницаемые клеи нежелательны, клеи не синтезируются путем эмульсионной полимеризации, которая вводит воду в клей.

Общие компоненты

Поддержка

Клей наносится на гибкий материал (основу), такой как бумага, фольга, ткань или пластиковая пленка (Такие как биаксиально ориентированный полипропилен или же поливинил хлорид^[5][7]) для обеспечения прочности и защиты клея от разрушения под воздействием факторов окружающей среды, включая влажность, температуру и ультрафиолетовое излучение. Прочность на разрыв, удлинение, жесткость и сопротивление разрыву основы можно подобрать в зависимости от предполагаемого использования ленты. Клей может быть прикреплен к основе посредством обработки поверхности, грунтовки, нагрева или УФ-отверждения.^[5]

Разделительное покрытие

Чтобы обеспечить возможность наматывания и разматывания ленты, основа покрыта разделительный агент что несколько препятствует прилипанию ленты к самой себе или склеиванию двух слоев клея (двусторонние ленты). Это достигается за счет использования материала, который позволяет легко устранить благоприятные взаимодействия на границе раздела адгезив-основа или адгезив-адгезив, или за счет того, что обе поверхности не смешиваются друг с другом. Два общих материала, используемых в клейких лентах на основе полиакрилата, - это фторсиликоны.^[7] и винилкарбаматы.^[5] Фторсиликоны не смешиваются с клеем на основе полиакрилатов.^[7] тогда как длинные хвосты винилкарбаматов образуют высококристаллическую структуру, сквозь которую клей не может проникнуть.^[5] Кроме того, во время пилинга фторсиликоновые антиадгезионные вкладыши не издают шума.^[7] тогда как винилкарбаматы издают громкие звуки.^[5]

Интерфейс на клейкой основе

Поверхность пластиковых пленок может быть модифицирована обработка коронным разрядом или же плазменная обработка чтобы обеспечить лучшее сцепление клея. Для этого также можно использовать грунтовочный слой. Перед нанесением клеевого покрытия некоторые основы необходимо запечатать или обработать другим способом.^[5] Это особенно важно, когда введение новых материалов в клей может ухудшить его характеристики.

Заявление

Клейкие ленты, чувствительные к давлению, обычно требуют легкого давления для обеспечения сцепления с основой. Этот низкий давление Требование позволяет легко наносить на поверхности, просто нажимая пальцами или руками. Давление, прилагаемое к ленте, позволяет ленте лучше контактировать с поверхностью и позволяет физическим силам между ними накапливаться. Обычно повышенное давление нанесения увеличивает сцепление клея с основанием. Лабораторные испытания ленты PSA часто проводятся с роликом весом 2 кг для повышения однородности теста.^[11] PSA могут сохранять свою липкость при комнатной температуре и не требуют использования добавок, таких как вода, растворители или термическая активация, чтобы оказывать сильное воздействие. клей силы на поверхностях. Благодаря этому PSA можно наносить на различные поверхности, такие как бумага, пластик, дерево, цемент и металл. Клеи имеют когезионную фиксацию, а также являются эластичными, что позволяет манипулировать PSA вручную, а также удалять их с поверхности, не оставляя следов.

Факторы окружающей среды

Большинство PSA лучше всего подходят для использования при умеренных температурах около 59-95 ° F.^{[12][ненадежный источник? ]} В этом температурном диапазоне типичные клеи поддерживают баланс вязкости и эластичности, при этом оптимальная поверхность смачивание может быть достигнут. При очень высоких температурах лента может растягиваться больше, чем могла изначально. Это может вызвать проблемы после нанесения на поверхность, потому что, если температура упадет, на ленте могут появиться дополнительные стресс. Это может привести к потере части ленты контактная площадка, снижая его адгезию при сдвиге или удерживающую способность. При более низких температурах адгезивные полимеры становятся тверже и жестче, что снижает общую эластичность ленты и начинает реагировать, как стекло.^[12] Нижний эластичность затрудняет контакт клея с поверхностью и снижает ее смачиваемость. Клей может быть составлен для поддержания липкости при более низких температурах, или может потребоваться большее количество клеевого покрытия на ленте. Основа клея также может быть пластифицированный чтобы снизить температура стеклования и сохранить гибкость.^[12]

Условия приклеивания к основанию

Сила сцепления

В поверхностная энергия от основания решает, насколько хорошо клей будет сцепляться с поверхностью. Субстраты с низкой поверхностной энергией предотвращают смачивание клеев, в то время как субстраты с высокой поверхностной энергией позволяют клеям самопроизвольно смачиваться.^[13] Поверхности с высокой энергией лучше взаимодействуют с клеем, что позволяет ему растекаться и увеличивать площадь контакта. Поверхности с низкой поверхностной энергией могут подвергаться корона или же обработка пламенем чтобы поднять его поверхностную энергию.^[13] Однако даже если поверхность имеет высокую энергию, загрязняющие вещества на поверхности может повлиять на способность клея приклеиваться к поверхности. Присутствие загрязняющих веществ, таких как пыль, бумага и масла, уменьшит площадь контакта клея и снизит прочность сцепления клея. Если присутствуют загрязнения, возможно, потребуется очистить поверхность подходящим растворитель Такие как бензол, спирты, сложные эфиры, или же кетоны.^[14] Поверхности с текстуры может также снизить прочность сцепления клея. Текстуры создают неровную поверхность, что затрудняет контакт клея с поверхностью, что снижает ее смачивающую способность.^[13] Вода или влага в любой форме снизят адгезию к поверхности и уменьшат липкость ленты. Влагу можно удалить с поверхности любыми физическими или химическими методами. Однако удаление влаги на основе силикона также приведет к снижению адгезии и, следовательно, к разрушению.

Продолжительность жизни

Схема сил, возникающих из-за теплового расширения / сжатия клейкой ленты

А самоклеящийся клей будет испытывать ряд условий на протяжении всей своей жизни. Эти условия влияют на одну из следующих частей ленты: поверхность или объем. Поверхность - это просто часть ленты, которая подвергается воздействию окружающей среды на протяжении всего срока службы. Основная часть - это все, что находится под поверхностью ленты, то есть взаимодействия, которые происходят между субстрат и клей часть ленты.

Условия воздействия на поверхность

Поверхность ленты будет подвергаться воздействию различных условий, таких как различные температуры, уровни влажности, уровни воздействия УФ-излучения, механический износ или даже разрушение адгезива, нанесенного на поверхность. Хотя основная масса будет испытывать механический износ и разрушение адгезива, эти эффекты не так широко распространены и не так велики в объеме, как на поверхности. Реакция ленты на меняющиеся условия в значительной степени обусловлена ​​клеевым составом и составом основы, а также адгезионными свойствами, такими как Температура стеклования и взаимодействие адгезива с подложкой из-за прочности адгезии.

Условия окружающей среды

Многие факторы окружающей среды могут повлиять на износ поверхности клейкой ленты.^[15] Даже перспективы быстро изменяющихся условий окружающей среды может быть достаточно, чтобы вызвать повреждение основания. Например, быстрое охлаждение может вызвать субстрат резко сократиться, в то время как клей остается неподвижным. Этой тянущей силы может быть достаточно, чтобы вызвать разрывы в подложке, уменьшая ее адгезия. Таким образом, разрушение субстрата зависит от реакции субстрата на различные условия окружающей среды, а также от скорости, с которой эти условия меняются. Клейкая лента, наложенная в умеренном режиме, будет испытывать меньший диапазон температур, чем лента, наложенная в горячем состоянии. пустыня. Разрушение субстрата в значительной степени обусловлено изменениями температуры, так как они наиболее вероятны и наиболее сильно повлияют на субстрат.

Тем не менее, основание все еще может подвергаться воздействию влажности и УФ-излучения.^[15] если субстрат применяется в среде, для которой он не предназначен.^[16] Например, можно получить повреждение подложки, используя ленту, предназначенную для использования в пустыне, например, во Флориде. Разница в температуре может быть не очень большой, но разница во влажности огромная. Любое воздействие окружающей среды на субстрат зависит от его характеристик и назначения.^[16]

Схема сил, возникающих из-за механического износа клейкой ленты

Механический износ

Механический износ в значительной степени зависит от амплитуды и направления сил, действующих на систему.^[17] Эти силы могут быть непосредственно приложены к самой клейкой ленте, как при попытке оторвать ленту, или могут быть приложены косвенно к ленте посредством манипуляций с подложкой, к которой приклеена клейкая лента. Последнее показано на рисунке справа. Следует отметить, что на рисунке предполагается, что клейкая лента скрепляет две отдельные части подложки, и что скручивание обеих частей в противоположных направлениях не замечено.

Износ клейкой ленты при скольжении по подложке можно оценить с помощью Закон Арчарда адгезионного износа, где ${ displaystyle H}$ и ${ displaystyle k_ {w}}$ твердость и коэффициенты износа клейкой ленты, ${ displaystyle nu}$ расстояние, на которое клей проходит по поверхности подложки, ${ displaystyle F_ {L}}$ - общая нормальная нагрузка, действующая на липкую ленту, и ${ displaystyle Psi}$ объем клейкой ленты, потерянной при перетаскивании.^[18]${ Displaystyle Psi = k_ {w} {F_ {L} nu over H}}$ [Закон адгезионного износа Арчарда]

Условия массового воздействия

Преобладающими факторами, влияющими на объем клейкой ленты, являются температура и механический износ. Изменения и экстремальные температуры могут вызвать разрушение основы и клея, а механический износ может вызвать расслоение липкой ленты в зависимости от величины и направления приложенных сил. Деградация субстрата, хотя и маловероятна, может также привести к расслоению, хотя это будет зависеть от конкретного случая и окружающей среды.

Адгезионная деградация

На клей в значительной степени влияет температура, поскольку сегодня обычно используются полимерные клеи. Полимерные материалы, используемые сегодня: вязкоупругий материалы, что позволяет легко наносить и быстро прилипать к основанию. Деградация адгезива в объеме в основном происходит из-за температурных воздействий, которые снижают адгезию, вызывая отслоение клейкой ленты.^[17] Слишком низкая температура может привести к тому, что полимерный клей перейдет в свое стеклянное состояние, станет очень хрупким и уменьшит адгезию.^[12] С другой стороны, повышение температуры заставляет полимер становиться более текучим и подвижным. По мере увеличения подвижности адгезия полимера снижается, поскольку полимер начинает течь, а не прилипать. Оба экстремальных значения температуры в конечном итоге приводят к расслоению. Идеальный диапазон температур во многом зависит от идентичности клея,^[17] что сводится к структуре полимера. Чем жестче полимерная цепь, тем прочнее Межмолекулярные силы между полимерными цепями, и более сильное взаимодействие между подложкой и клеем в конечном итоге приведет к сильной адгезии и, как следствие, к более высокому идеальному диапазону температур для адгезии.

При этом, чтобы избежать расслоения, выбор клейкой ленты должен основываться на условиях, в которых лента будет находиться в течение ее срока службы.^[16] Этот процесс выбора уменьшит цепочки деградации клейкой ленты и отказов, происходящих в течение срока службы ленты, хотя нет гарантии, что этот процесс полностью исключит такую ​​возможность.

Влияние на переработку

Использованные ленты PSA являются композитными материалами и не перерабатываются в новые ленты. Однако их возможное влияние на возможность повторного использования продуктов, в которых они использовались, имеет важное значение. Повторному использованию или переработке иногда способствует снятие ленты с поверхности.

Влияние на возможность вторичной переработки особенно важно, когда лента наклеивается на бумажные поверхности, такие как гофрированный картон и другие упаковка. При переработке гофрокоробов с пленкой ленты для герметизации коробок не препятствуют переработке коробки: клей остается на основе и легко удаляется.^[19][20]

Ленты, используемые на заводах по производству бумаги, иногда предназначены для размягчения. Репульпируемый клей диспергируется при попадании в горячую суспензию пульпы.

Рекомендации

дальнейшее чтение

• «Чувствительные к давлению клеи и их применение», Иштван Бенедек, 2004 г., ISBN  0-8247-5059-4
• "Чувствительные к давлению клейкие ленты", Дж. Джонстон, PSTC, 2003 г., ISBN  0-9728001-0-7
• «Состав, чувствительный к давлению», И. Бенедек, ВСП, 2000 г., ISBN  90-6764-330-0

внешняя ссылка

• Как это сделано: клейкая лента, [1]