Kemi av tryckkänsliga lim

Tryckkänsliga lims kemi beskriver den kemiska vetenskapen som är förknippad med tryckkänsliga lim ( PSA). PSA-tejper och etiketter har blivit en viktig del av vardagen. Dessa förlitar sig på självhäftande material som fästs på en baksida som papper eller plastfilm .

På grund av limmaterialets inneboende klibbighet och låg ytenergi kan dessa tejper placeras på en mängd olika underlag när lätt tryck appliceras, inklusive papper, trä, metaller och keramik.

Utformningen av tejper kräver en balans mellan behovet av lång livslängd och anpassning till en mängd olika miljö- och mänskliga effekter, inklusive temperatur, UV-exponering, mekaniskt slitage, kontaminering av substratytan och adhesiv nedbrytning.

Sammansättning

En typisk PSA-tejp består av ett tryckkänsligt klister (den klibbiga delen av tejpen) belagt på ett underlagsmaterial. För att förhindra att limmet fastnar på underlaget när det lindas upp i en rulle, appliceras ett släppmedel på underlaget eller ett släppskikt placeras på limmet. Ibland beläggs en primer mellan limmet och baksidan vilket ökar bindningen.

Vanliga lim

Tabell 1: Glasövergångstemperaturer och ytenergier för typiska akrylatmonomerer som används i tejplim

Ämne	${T_{g}}$ (K)	$\gamma$ ( ${mJ \over m^{2}}$ )
2-etylhexylakrylat	223	29,7
n-butylakrylat	219	32,8
metylakrylat	286	39,8
t-butylmetakrylat	503	30,5

Strukturera

Tryckkänsliga lim är viskoelastiska polymerer med deras reologi inställd på de önskade bindnings- och avbindningsegenskaperna som behövs. Typiska material som används för att göra limmet inkluderar:

• akrylatpolymer ,
• gummi, antingen naturgummi eller syntetisk termoplastisk elastomer
• silikongummi
• och andra

Dessa material blandas ofta med ett klibbmedel för att producera permanent klibb ("gripkraft") vid rumstemperatur, är något deformerbara, har låg ytenergi och är fuktbeständiga. För att möta dessa krav är dessa material typiskt låg tvärbindningsdensitet, låg viskositet (η < 10 000 cP) och bred molekylviktsfördelning för att möjliggöra deformation av det adhesiva materialet till den grova ytan av substratet under olika temperaturer och avskalningsförhållanden.

Två komponenter består ofta av limmet: ett material med hög klibbighet och låg klibbighet. Materialet med hög klibbighet är en polymer med låg glasövergångstemperatur och hög intrasslingsmolekylvikt , medan polymeren med låg klibbighet har hög glasövergångstemperatur och låg intrasslingsmolekylvikt. Materialet med hög klibbighet utgör cirka 95 % av limmet och tillhandahåller huvuddelen av limmets klibbighet. Utöver dessa 2 komponenter ytaktiva ämnen för att minska limmets ytenergi och underlätta vidhäftning till substrat med hög ytenergi (metaller, andra polymera material). En lista över typiska akrylatmonomerer och deras glasövergångstemperaturer ( ${T_{g}}$ ) och ytenergier ( ${\displaystyle \gamma })$ visas i tabellen Tg ${\displaystyle T_{g}} för en binär adhesiv blandning$ akrylatmonomerer kan uppskattas med Gordon-Taylors ekvation, där $\displaystyle {\phi _{1}}}$ och ${\phi _{2}}$ är volymfraktionerna av homopolymerer med glasövergångstemperaturer ${T_{g,1}}$ och ${T_{g,2} }$ , respektive.

${T_{g}}={\phi _{1}T_{g,1}}+{\phi _{2}T_{ g,2}}$ [Gordon-Taylors ekvation]

Produktion

Polyakrylater som används i tejp syntetiseras lätt genom friradikalpolymerisation . Dessa polymerisationer kan initieras termiskt eller fotokatalytiskt med användning av azo- och peroxidbaserade initiatorer. Sådana polymerisationer utförs typiskt i lösningsmedel för att ge en vattenbeständig, homogen beläggning. Eftersom vattengenomträngliga lim är oönskade, syntetiseras inte lim genom emulsionspolymerisation, vilket inför vatten i limmet.

Vanliga komponenter

Stöd

Limmet är belagt på ett flexibelt material (baksidan) såsom papper, folie, tyg eller plastfilm (såsom biaxiellt orienterad polypropen eller polyvinylklorid ) för att ge styrka och skydda limmet från nedbrytning av miljöfaktorer inklusive fukt, temperatur, och ultraviolett ljus. Draghållfasthet, töjning, styvhet och rivhållfasthet kan anpassas till den avsedda användningen av tejpen. Limmet kan bindas till underlaget genom ytbehandlingar, primers, uppvärmning eller UV-härdning.

Släpp beläggning

För att möjliggöra lindning och avlindning av tejpen är baksidan belagd med ett släppmedel som något förhindrar att tejpen fastnar på sig själv eller att två självhäftande lager fastnar (dubbelsidiga tejper). Detta åstadkoms genom att använda ett material som möjliggör ett enkelt avlägsnande av gynnsamma interaktioner vid gränsytan mellan lim och lim, eller genom att göra båda ytorna oblandbara med varandra. Två vanliga material som används i polyakrylatbaserade tejp är fluorsilikoner och vinylkarbamater. Fluorosilikoner är oblandbara med det polyakrylatbaserade limmet medan de långa svansarna av vinylkarbamater bildar en högkristallin struktur som limmet inte kan penetrera. Vidare, under peeling avger fluorsilikonsläppningsfoder inget ljud medan vinylkarbamater gör höga ljud.

Gränssnitt med självhäftande baksida

Plastfilmer kan ha ytan modifierad genom koronabehandling eller plasmabearbetning för att möjliggöra ökad bindning av limmet. Ett primerskikt kan också användas för detta ändamål. Vissa underlag måste förseglas eller på annat sätt behandlas innan limbeläggning. Detta är särskilt viktigt när införandet av nya material i limmet kan äventyra limmets prestanda.

Ansökan

Tryckkänsliga självhäftande tejper kräver vanligtvis ett lätt tryck för att säkerställa bindning med ett underlag. Detta lågtryckskrav möjliggör enkel applicering på ytor genom att helt enkelt använda fingrar eller händer för att applicera tryck. Trycket som appliceras på tejpen gör att tejpen har bättre kontakt med ytan och gör att de fysiska krafterna mellan de två kan byggas upp. Vanligtvis ökar ett ökat appliceringstryck bindningen av limmet till underlaget. PSA-tejplaboratorietester utförs ofta med en 2 kg-rulle för att öka testlikheten. PSA:er kan bibehålla sin klibbighet vid rumstemperatur och kräver inte användning av tillsatser som vatten, lösningsmedel eller värmeaktivering för att utöva starka vidhäftningskrafter på ytor. På grund av detta kan PSA:er appliceras på en mängd olika ytor som papper, plast, trä, cement och metall. Limmen har en sammanhängande hållning och är också elastiska så att PSA:er kan manipuleras för hand och även tas bort från en yta utan att lämna några rester efter sig.

Miljöfaktorer

De flesta PSA är bäst lämpade att användas i måttliga temperaturer på runt 59-95 °F. Inom detta temperaturintervall bibehåller typiska lim sin balans i viskös och elastiskt beteende där optimal ytvätning kan uppnås. Vid extremt höga temperaturer kan tejpen töjas mer än vad den kunde initialt. Detta kan orsaka problem efter applicering på ytan eftersom om temperaturen sjunker kan tejpen utsättas för ytterligare stress . Detta kan leda till att tejpen tappar en del av sin kontaktyta , sänker dess skjuvvidhäftning eller hållkraft. Vid lägre temperaturer blir de vidhäftande polymererna hårdare och styvare vilket minskar den totala elasticiteten hos tejpen och börjar reagera som glas. Den lägre elasticiteten gör det svårare för limmet att komma i kontakt med ytan och minskar dess vätbarhet. Ett lim kan formuleras för att bibehålla klibbighet vid kallare temperaturer eller så kan en större mängd limbeläggning på tejpen vara nödvändig. Baksidan av limmen kan också plastas för att sänka dess glastemperatur och behålla sin flexibilitet .

Substrat-vidhäftande förhållanden

Bindningsstyrka

Ytenergin på substratet avgör hur väl limmet binder till ytan . Substrat som har låg ytenergi hindrar limmet från att vätas ut medan underlag med hög ytenergi gör att limmet spontant väter ut. Ytor med hög energi har större växelverkan med limmet, vilket gör att det kan breda ut sig och öka sin kontaktyta. Ytor med låg ytenergi kan genomgå korona- eller flambehandling för att höja dess ytenergi. Men även om en yta har hög energi, föroreningar på ytan störa limmets förmåga att binda till ytan. Närvaron av föroreningar som damm, papper och oljor kommer att minska kontaktytan för limmen och sänka limmens bindningsstyrka. Om det finns föroreningar kan det vara nödvändigt att rengöra ytan med ett lämpligt lösningsmedel såsom bensen , alkoholer , estrar eller ketoner . Ytor med texturer kan också sänka bindningsstyrkan hos ett lim. Texturer skapar en ojämn yta vilket gör det svårare för limmet att komma i kontakt med ytan vilket minskar dess vätningsförmåga. Vatten eller fukt av någon form minskar ytvidhäftningen och minskar tejpens klibbighet. Fukt kan avlägsnas från ytan med alla fysikaliska eller kemiska metoder. Emellertid kommer silikonbaserad borttagning av fukt också att orsaka sänkning av vidhäftningen och därmed brott.

Livstid

Schematisk över de krafter som finns på grund av termisk expansion/sammandragning av den självhäftande tejpen

Ett tryckkänsligt lim kommer att uppleva en rad olika förhållanden under hela sin livstid. Dessa förhållanden påverkar en av följande delar av tejpen: ytan eller bulken. Ytan är bara den del av tejpen som exponeras för miljön under hela sin livstid. Bulken är allt under ytan av tejpen, det vill säga de interaktioner som sker mellan substratet och den självhäftande delen av tejpen.

Ytexponeringsförhållanden

Tejpens yta kommer att utsättas för olika förhållanden som t.ex. varierande temperaturer, fuktighetsnivåer, UV-exponeringsnivåer, mekaniskt slitage eller till och med nedbrytning av lim som exponeras för ytan. Även om bulken kommer att uppleva mekaniskt slitage och adhesiv nedbrytning, är dessa effekter inte lika utbredda eller lika stora i bulken som de är inom ytan. Reaktionen av tejpen på varierande förhållanden beror till stor del på klister- och underlagskompositionen samt klisteregenskaper såsom glasövergångstemperaturen och klister-substratinteraktioner på grund av vidhäftningsstyrka.

Miljöförhållanden

Många faktorer inom miljön kan påverka ytslitaget av tejp. Även utsikterna till snabbt föränderliga miljöförhållanden kan vara tillräckligt för att orsaka fel i underlaget. Till exempel snabb kylning få substratet att krympa dramatiskt medan limmet förblir stationärt. Denna dragkraft kan vara tillräcklig för att orsaka revor i substratet vilket minskar substratets vidhäftning . Sålunda beror substratfel på substratets svar på olika miljöförhållanden såväl som den hastighet med vilken dessa förhållanden förändras. En självhäftande tejp som appliceras i en måttlig miljö kommer att uppleva ett mindre temperaturintervall än en som appliceras i en varm öken . Substratfel beror till stor del på temperaturförändringar eftersom dessa är de mest sannolika att inträffa och de mest sannolika påverkar substratet i någon större utsträckning.

Emellertid kan underlaget fortfarande påverkas av fukt och UV-exponering om underlaget appliceras i en miljö som det inte är designat för. Till exempel kan man få substratfel genom att använda en tejp som gjordes för att användas i en öken på en plats som Florida. Skillnaden i temperatur kanske inte är särskilt stor, men det finns en enorm skillnad i luftfuktighet. Eventuell miljöpåverkan på substratet är beroende av substratets identitet och syfte.

Schematisk över de krafter som finns på grund av mekaniskt slitage av den självhäftande tejpen

Mekaniskt slitage

Mekaniskt slitage är till stor del beroende av amplituden och riktningen av de krafter som utövas på systemet. Dessa krafter skulle kunna appliceras direkt på själva den vidhäftande tejpen som vid ett försök att dra av tejpen eller kan appliceras indirekt på tejpen genom manipulering av substratet till vilket den vidhäftande tejpen är vidhäftad. Det senare visas i figuren till höger. Det måste noteras att figuren antar att den självhäftande tejpen håller ihop två separata substratdelar och att vridning av båda delarna i motsatta riktningar inte har noterats.

Förslitningen av en tejp när den glider över ett substrat kan uppskattas med Archards lag om självhäftande slitage, där $H$ och $k_{w}$ är hårdhet och slitagekoefficienter för den självhäftande tejpen , $\nu$ är avståndet som limmet dras över underlagets yta, $F_{L}$ är den totala normala belastningen som verkar på den självhäftande tejpen, och $\Psi$ är volymen på den självhäftande tejpen som förloras under dragning. $\Psi =k_{w}{F_{L}\nu \over H}$ [Archard's Law of Adhesive Wear]

Bulkexponeringsförhållanden

De dominerande faktorerna som påverkar huvuddelen av den vidhäftande tejpen är temperatur och mekaniskt slitage. Temperaturförändringar och extrema temperaturer kan orsaka nedbrytning av substratet och limmet, medan mekaniskt slitage kan orsaka delaminering av den självhäftande tejpen beroende på storleken och riktningen av de applicerade krafterna. Substratnedbrytning, även om det är osannolikt, kan också resultera i delaminering även om detta kommer att vara fall- och miljöspecifikt.

Nedbrytning av lim

Limmet påverkas till stor del av temperaturen då polymera lim är vanliga idag. Polymera material som används idag är viskoelastiska material, vilket möjliggör enkel applicering och snabb vidhäftning till underlaget. Limnedbrytning i bulken beror till stor del på temperatureffekter, som minskar vidhäftningen och orsakar delaminering av den självhäftande tejpen. För låg temperatur kan göra att polymerlimmet går in i sitt glastillstånd och blir mycket skört och minskar vidhäftningen. Att höja temperaturen gör å andra sidan att polymeren blir mer flytande och rörlig. När rörligheten ökar minskar polymervidhäftningen då polymeren börjar flyta i motsats till att vidhäfta. Båda temperaturextrema resulterar i slutändan i delaminering. Det ideala temperaturintervallet är till stor del beroende av limets identitet, vilket beror på polymerstrukturen. Ju styvare polymerkedjan är, desto starkare är de intermolekylära krafterna mellan polymerkedjorna, och desto starkare kommer interaktionerna mellan substratet och limmet att resultera i en stark vidhäftning och, som ett resultat, ett högre idealt temperaturområde för vidhäftning.

Med detta sagt, för att undvika delaminering, måste valet av en självhäftande tejp baseras på de förhållanden som tejpen kommer att uppleva under sin livstid. Denna urvalsprocess kommer att minska kedjorna av nedbrytning av tejp och fel som uppstår under tejpens livstid, även om det inte finns någon garanti för att denna process helt kommer att undvika möjligheten.

Effekter på återvinning

Använda PSA-band är kompositmaterial och återvinns inte till nya band. Deras eventuella effekter på återvinningsbarheten av de produkter de har använts på är dock viktiga. Återanvändning eller återvinning underlättas ibland av att en tejp kan tas bort från en yta.

Effekter på återvinningsbarhet är särskilt viktiga när tejp appliceras på pappersytor, såsom wellpapp och andra förpackningar . När tejpade korrugerade lådor återvinns hindrar inte filmförsedda lådförseglingstejper återvinningen av lådorna: limmet stannar med baksidan och tas enkelt bort.

Tejper som används i papperstillverkningsanläggningar är ibland utformade för att kunna återvinnas. Ett återupplösbart lim sprids när det sätts in i den varma massan.

Se även

• Dynamisk mekanisk analys

Vidare läsning

•   "Tryckkänsliga lim och applikationer", Istvan Benedek, 2004, ISBN 0-8247-5059-4
•   "Pressure Sensitive Adhesive Tapes", J. Johnston, PSTC, 2003, ISBN 0-9728001-0-7
•   "Tryckkänslig formulering", I. Benedek, VSP, 2000, ISBN 90-6764-330-0

externa länkar

• Hur det är tillverkat: Tejp, [1]