Chemie lepidel citlivých na tlak - Chemistry of pressure-sensitive adhesives - Wikipedia

The chemie lepidel citlivých na tlak popisuje chemickou vědu spojenou s lepidla citlivá na tlak (PSA). PSA pásky a štítky se staly důležitou součástí každodenního života. Ty se spoléhají na lepicí materiál připevněný k podkladu, jako je papír nebo plastická fólie.

Z důvodu vlastní lepivosti lepicího materiálu a nízké povrchová energie, tyto pásky lze při působení nízkého tlaku umístit na různé podklady, včetně papíru, dřeva, kovů a keramiky.

Konstrukce pásek vyžaduje rovnováhu mezi potřebou dlouhé životnosti a přizpůsobením se různým vlivům na životní prostředí a člověka, včetně teploty, expozice UV záření, mechanického opotřebení, znečištění povrchu podkladu a degradace lepidla.^[1]

Složení

Typická páska PSA se skládá z lepidla citlivého na tlak (lepivá část pásky) potaženého na podkladovém materiálu. Aby se zabránilo přilepení lepidla k podkladu při navíjení v roli, a uvolňovací prostředek se aplikuje na podklad nebo a uvolňovací vložka se umístí na lepidlo. Někdy je mezi lepidlem a podkladem nanesen základní nátěr zvyšující přilnavost.

Běžná lepidla

Tabulka 1: Teploty přechodu skla a povrchové energie typických akrylátových monomerů používaných v páskových lepidlech

Látka	${ displaystyle {T_ {g}}}$ (K)	${ displaystyle gamma}$ (${ displaystyle {mJ nad m ^ {2}}}$)
2-ethylhexylakrylát	223	29.7[2]
n-butylakrylát	219	32.8[2]
methylakrylát	286[3]	39.8[2]
t-butylmethakrylát	503	30.5[2]

Struktura

Lepidla citlivá na tlak jsou viskoelastický polymery s jejich reologie naladěné na požadované vlastnosti vazby a odpojení.^[4] Typické materiály používané k výrobě lepidla zahrnují:

• akrylátový polymer,^[5]
• buď guma přírodní guma nebo syntetické termoplastický elastomer
• silikonová guma
• a další

Tyto materiály jsou často smíchány s a lepidlo produkovat trvalé lepení („poutací síla“) při pokojové teplotě,^[5][6][7] jsou poněkud deformovatelné, mají nízké povrchová energie,^[5] a jsou odolné proti vlhkosti.^[8] Pro splnění těchto požadavků jsou tyto materiály obvykle nízké hustoty zesíťování, nízké viskozita (η <10 000 cP),^[5] a široká distribuce molekulové hmotnosti^[5] umožnit deformaci adhezivního materiálu na drsný povrch podkladu za různých teplot a podmínek odlupování.

Lepidlo často tvoří dvě složky: vysoká připínáček a materiál s nízkou lepivostí. Materiál s vysokou lepivostí je polymer s nízkou hmotností teplota skleněného přechodu a vysoké zapletení molekulární váha zatímco nízko lepivý polymer má vysokou teplotu skelného přechodu a nízkou zapletenou molekulovou hmotnost.^[5] Vysoce lepivý materiál obsahuje asi 95% lepidla a poskytuje většinu lepivosti lepidla.^[5] Kromě těchto 2 komponent povrchově aktivní látky často se přidávají ke snížení povrchové energie lepidla a usnadnění přilnavosti k podkladům s vysokou povrchovou energií (kovy, jiné polymerní materiály).^[9]Seznam typických akrylátových monomerů a jejich teplot skelného přechodu (${ displaystyle {T_ {g}}}$) a povrchové energie (${ displaystyle gamma}$) jsou uvedeny v tabulce.^[10] The ${ displaystyle T_ {g}}$ binární adhezivní směsi akrylátových monomerů lze odhadnout pomocí Gordon-Taylorovy rovnice, kde ${ displaystyle { phi _ {1}}}$ a ${ displaystyle { phi _ {2}}}$ jsou objemové frakce homopolymerů s teplotami skelného přechodu ${ displaystyle {T_ {g, 1}}}$ a ${ displaystyle {T_ {g, 2}}}$, resp.

${ displaystyle {T_ {g}} = { phi _ {1} T_ {g, 1}} + { phi _ {2} T_ {g, 2}}}$ [Gordon-Taylorova rovnice]

Výroba

Polyakryláty používané v lepicích páskách snadno syntetizuje radikálová polymerace.^[5] Tyto polymerace lze zahájit tepelně nebo fotokatalyticky za použití iniciátorů na bázi azo- a peroxidu.^[5] Takové polymerace se typicky provádějí v rozpouštědle za vzniku voděodolného homogenního povlaku.^[5] Protože lepidla propustná pro vodu jsou nežádoucí, lepidla nejsou syntetizována emulzní polymerací, která přivádí vodu do lepidla.

Společné komponenty

Podklad

Lepidlo je naneseno na pružný materiál (podklad), jako je papír, fólie, tkanina nebo plastická fólie (jako biaxiálně orientovaný polypropylen nebo polyvinyl chlorid^[5][7]) k zajištění pevnosti a ochraně lepidla před degradací vlivy prostředí, včetně vlhkosti, teploty a ultrafialového záření. Pevnost v tahu, prodloužení, tuhost a odolnost proti roztržení lze přizpůsobit zamýšlenému použití pásky. Lepidlo lze vázat na podklad pomocí povrchových úprav, primerů, ohřevu nebo UV vytvrzení.^[5]

Uvolněte povlak

Pro umožnění navíjení a odvíjení pásky je podklad potažen a uvolňovací prostředek to trochu brání lepení pásky na sebe nebo lepení dvou lepivých vrstev (oboustranné pásky). Toho je dosaženo použitím materiálu, který umožňuje snadné odstranění příznivých interakcí na rozhraní adheziv-podklad nebo adheziv-adheziv, nebo tak, že jsou oba povrchy navzájem nemísitelné. Dva běžné materiály používané v lepicích páskách na bázi polyakrylátu jsou fluorosilikony^[7] a vinylkarbamáty.^[5] Fluorosilikony jsou nemísitelné s lepidlem na bázi polyakrylátů^[7] zatímco dlouhé konce vinylkarbamátů tvoří vysokou krystalickou strukturu, kterou lepidlo nemůže proniknout.^[5] Kromě toho během odlupování uvolňovací vrstvy fluorosilikonu nevydávají žádný hluk^[7] zatímco vinylkarbamáty vydávají hlasité zvuky.^[5]

Rozhraní pro lepení

Plastové fólie mohou povrch upravit pomocí koronová léčba nebo zpracování plazmy umožnit lepší lepení lepidla. Pro tento účel lze také použít základní vrstvu. Některé podložky musí být před lepením potaženy nebo jinak ošetřeny.^[5] To je obzvláště důležité, když zavedení nových materiálů do lepidla může ohrozit výkon lepidla.

aplikace

Lepicí pásky citlivé na tlak obvykle vyžadují mírný tlak, aby se zajistilo spojení s podkladem. Tak nízko tlak požadavek umožňuje snadnou aplikaci na povrch pouhým vyvinutím tlaku prsty nebo rukama. Tlak působící na pásku umožňuje lepšímu kontaktu pásky s povrchem a umožňuje hromadění fyzických sil mezi nimi. Zvýšený aplikační tlak obvykle zvyšuje přilnavost lepidla k podkladu. Laboratorní testování pásky PSA se často provádí s válečkem o hmotnosti 2 kg, aby se zvýšila uniformita testu.^[11] PSA jsou schopny udržet si lepivost při pokojové teplotě a nevyžadují použití přísad, jako je voda, rozpouštědla nebo tepelná aktivace, aby vyvinuli silné lepidlo síly na povrchy. Díky tomu lze PSA aplikovat na různé povrchy, jako je papír, plasty, dřevo, cement a kov. Lepidla mají kohezní držení a jsou také elastická, což umožňuje ruční manipulaci s PSA a také jejich odstranění z povrchu bez zanechání zbytků.

Faktory prostředí

Většina PSA je nejvhodnější pro použití při mírných teplotách kolem 59-95 ° F.^{[12][nespolehlivý zdroj? ]} V tomto teplotním rozmezí si typická lepidla udržují rovnováhu ve viskózním a elastickém chování při optimálním povrchu smáčení může být dosaženo. Při extrémně vysokých teplotách může být páska schopna natáhnout se více, než by mohla zpočátku. To by mohlo způsobit problémy po nanesení na povrch, protože pokud teplota poklesne, může se páska setkat s dalšími stres. To může vést ke ztrátě části pásky kontaktní oblast, snižující jeho smykovou přilnavost nebo přídržnou sílu. Při nižších teplotách jsou adhezivní polymery tvrdší a tužší, což snižuje celkovou pružnost pásky a začíná reagovat jako sklo.^[12] Nižší pružnost ztěžuje kontakt lepidel s povrchem a snižuje jeho schopnost za mokra. Lepidlo lze formulovat tak, aby udržovalo přilnavost na chladnějších teplotách, nebo může být nutné větší množství lepicího povlaku na pásku. Podklad lepidla může být také plastifikováno za účelem snížení jeho teplota skleněného přechodu a uchovat flexibilita.^[12]

Podmínky lepidla na podklad

Spojovací síla

The povrchová energie podkladu rozhoduje o tom, jak dobře se lepidlo váže na povrch. Substráty které mají nízkou povrchovou energii, zabraňují zvlhčení lepidel, zatímco substráty s vysokou povrchovou energií umožní samovolně zvlhčit lepidla.^[13] Povrchy s vysokou energií mají větší interakci s lepidlem, což mu umožňuje rozšířit se a zvětšit jeho kontaktní plochu. Mohou být vystaveny povrchy s nízkou povrchovou energií koróna nebo úprava plamenem za účelem zvýšení jeho povrchové energie.^[13] I když má povrch vysokou energii, kontaminanty na povrchu může narušit schopnost lepidla lepit se na povrch. Přítomnost nečistot, jako je prach, papír a oleje, sníží kontaktní plochu pro lepidla a sníží pevnost lepení lepidel. Pokud jsou přítomny nečistoty, může být nutné povrch očistit vhodným prostředkem solventní jako benzen, alkoholy, estery nebo ketony.^[14] Povrchy s textury může také snížit pevnost lepení lepidla. Textury vytvářejí nerovný povrch, což ztěžuje kontakt lepidel s povrchem, a tím snižuje jeho smáčivost.^[13] Voda nebo vlhkost jakékoli formy sníží adhezi povrchu a sníží lepivost pásky. Vlhkost lze z povrchu odstranit jakýmikoli fyzikálními nebo chemickými metodami. Odstranění vlhkosti na bázi křemíku však také způsobí snížení adheze a tím selhání.

Život

Schéma sil působících v důsledku tepelné roztažnosti / smrštění lepicí pásky

A lepidlo citlivé na tlak během své životnosti zažije řadu podmínek. Tyto podmínky ovlivňují jednu z následujících částí pásky: povrch nebo objem. Povrch je pouze částí pásky, která je vystavena prostředí po celou dobu své životnosti. Převážná část je vše pod povrchem pásky, tedy interakce, ke kterým dochází mezi Podklad a lepidlo část pásky.

Podmínky vystavení povrchu

Na povrch pásky se budou vztahovat různé podmínky, jako jsou různé teploty, vlhkost, úroveň expozice UV záření, mechanické opotřebení nebo dokonce degradace lepidla vystaveného povrchu. I když objem bude podléhat mechanickému opotřebení a degradaci lepidla, tyto účinky nejsou tak rozšířené nebo tak velké v objemu, jako jsou na povrchu. Odezva pásky na různé podmínky je do značné míry způsobena adhezivní a podkladovou kompozicí a také adhezivními vlastnostmi, jako je Teplota skelného přechodu a interakce lepidla a substrátu v důsledku adhezní pevnosti.

Ekologické předpoklady

Mnoho faktorů v prostředí může ovlivnit opotřebení povrchu lepicí pásky.^[15] Dokonce i vyhlídka na rychle se měnící podmínky prostředí může stačit k tomu, aby způsobila poruchu v podkladu. Například, rychlé chlazení může způsobit Podklad dramaticky zmenšit, zatímco lepidlo zůstává nehybný. Tato tažná síla může stačit k tomu, aby způsobila slzy v podkladu, které zmenšují podklad přilnavost. Porucha substrátu je tedy založena na odezvě substrátu na různé podmínky prostředí a na rychlosti, s jakou se tyto podmínky mění. Lepicí páska aplikovaná při mírném nastavení bude mít menší rozsah teplot než lepicí páska aplikovaná za tepla poušť. Porucha podkladu je do značné míry předurčena změnami teploty, protože k nim dochází s největší pravděpodobností a je pravděpodobné, že ovlivní podklad jakýmkoli způsobem.

Na podklad však stále může působit vlhkost a UV záření^[15] pokud je podklad aplikován v prostředí, pro které nebyl navržen.^[16] Například jeden by mohl dostat selhání substrátu pomocí pásky, která byla vyrobena pro použití v poušti na místě, jako je Florida. Rozdíl v teplotě nemusí být příliš velký, ale je zde obrovský rozdíl ve vlhkosti. Jakýkoli vliv prostředí na substrát závisí na identitě a účelu substrátu.^[16]

Schéma sil působících v důsledku mechanického opotřebení lepicí pásky

Mechanické opotřebení

Mechanické opotřebení do značné míry závisí na amplitudě a směru sil vyvíjených na systém.^[17] Tyto síly by mohly být přímo aplikovány na samotnou lepicí pásku, jako při pokusu o odlepení pásky, nebo by mohly být použity nepřímo na pásku manipulací se substrátem, ke kterému je lepicí páska přilepena. To je znázorněno na obrázku vpravo. Je třeba poznamenat, že na obrázku se předpokládá, že lepicí páska drží dva samostatné kusy substrátu pohromadě a že nebylo zaznamenáno zkroucení obou kusů v opačných směrech.

Opotřebení lepicí pásky při klouzání po podkladu lze odhadnout pomocí Archardův zákon adhezivního oblečení, kde ${ displaystyle H}$ a ${ displaystyle k_ {w}}$ jsou koeficienty tvrdosti a opotřebení lepicí pásky, ${ displaystyle nu}$ je vzdálenost, kterou lepidlo táhne přes povrch podkladu, ${ displaystyle F_ {L}}$ je celkové normální zatížení působící na lepicí pásku a ${ displaystyle Psi}$ je objem lepicí pásky ztracený během přetahování.^[18]${ displaystyle Psi = k_ {w} {F_ {L} nu nad H}}$ [Archardův zákon přilnavosti]

Podmínky hromadné expozice

Převládajícími faktory ovlivňujícími velikost lepicí pásky jsou teplota a mechanické opotřebení. Změny teploty a extrémy by mohly způsobit degradaci podkladu a lepidla, zatímco mechanické opotřebení by mohlo způsobit delaminaci lepicí pásky v závislosti na velikosti a směru použitých sil. Degradace substrátu, i když je nepravděpodobná, může také vést k delaminaci, i když to bude záviset na konkrétním případu a prostředí.

Degradace lepidla

Lepidlo je do značné míry ovlivněno teplotou, protože dnes se běžně používají polymerní lepidla. Polymerní materiály používané dnes jsou viskoelastický materiály, což umožňuje snadnou aplikaci a rychlé přilnutí k podkladu. Degradace lepidla ve velkém je do značné míry způsobena teplotními účinky, které snižují přilnavost a způsobují delaminaci lepicí pásky.^[17] Příliš nízká teplota může způsobit, že polymerní lepidlo vstoupí do svého skelného stavu, čímž se stane velmi křehkým a sníží přilnavost.^[12] Zvyšování teploty na druhé straně způsobí, že se polymer stane tekutějším a pohyblivějším. Jak se zvyšuje mobilita, snižuje se adheze polymeru, protože polymer začíná protékat, na rozdíl od adheze. Oba teplotní extrémy nakonec vedou k delaminaci. Ideální teplotní rozsah do značné míry závisí na identitě lepidla,^[17] který sestává z polymerní struktury. Čím pevnější je polymerní řetězec, tím silnější je Mezimolekulární síly mezi polymerními řetězci a silnější interakce mezi substrátem a lepidlem nakonec povedou k silné adhezi a ve výsledku k vyššímu ideálnímu teplotnímu rozsahu pro adhezi.

Jak již bylo řečeno, aby se zabránilo delaminaci, musí být výběr lepicí pásky založen na podmínkách, které páska po celou dobu své životnosti zažije.^[16] Tento proces výběru sníží řetězce degradace lepicí pásky a selhání během životnosti pásky, i když neexistuje záruka, že se tento proces této možnosti zcela vyhne.

Účinky na recyklaci

Použité pásky PSA jsou kompozitní materiály a nejsou recyklovány do nových pásek. Jejich možné účinky na recyklovatelnost produktů, na které byly použity, jsou však důležité. Opětovnému použití nebo recyklaci někdy pomáhá odstranitelná páska z povrchu.

Účinky na recyklovatelnost jsou zvláště důležité, když se páska nanáší na povrchy papíru, jako je např vlnité dřevovláknité desky a další obal. Když jsou lepené vlnité krabice recyklovány, opatřeny fólií krabice těsnící pásky nebraňte recyklaci krabice: lepidlo zůstává na podložce a je snadno odstranitelné.^[19][20]

Pásky používané v továrnách na výrobu papíru jsou někdy navrženy tak, aby se daly opakovaně použít. Když se vloží do horké kaše buničiny, dispergovatelné lepidlo se disperguje.

Reference

Další čtení

• „Lepidla a aplikace citlivé na tlak“, Istvan Benedek, 2004, ISBN  0-8247-5059-4
• „Lepicí pásky citlivé na tlak“, J. Johnston, PSTC, 2003, ISBN  0-9728001-0-7
• "Formulace citlivá na tlak", I. Benedek, VSP, 2000, ISBN  90-6764-330-0

externí odkazy

• Jak se to vyrábí: Lepicí páska, [1]