شیمی چسب‌های حساس به فشار و بررسی اثر عوامل مختلف بر خواص چسبندگی

چسب های حساس به فشار نوع ویژه ای از چسب ها هستند که با سطح سوبسترا فقط برهمکنش های فیزیکی دارند. بنابراین آنها باید خواص متمایزی داشته باشند. ماهیت گرانروکشسانی چسب های حساس به فشار چسبندگی آنها را به سطح سوبسترا کنترل می کند. این خاصیت امکان رفتار مایع و جامدگونه بسته به شرایط به کار رفته به چسب می دهد که با استفاده از دو پارامتر به ترتیب مدول اتلاف و مدول ذخیره یا کشسانی بیان می شود.

خواص چسب های حساس به فشار با تغییر وزن مولکولی و توزیع آن، تغییر در ترکیب شیمیایی مانند تغییر نوع مونومرها و نسبت آنها، نوع فرمول بندی مثلاً آمیزه سازی با چسبناک کننده ها و عوامل پخت کنترل می شود. به طور کلی خواص مکانیکی – دینامیکی، کشش سطحی و امتزاج پذیری تفسیر می شود. مقادیر خواص چسبندگی به وسیله فرایندهای تشکیل و گسستگی پیوند تحت تاثیر قرار می گیرد.

از جمله خواص اساسی چسب ها عبارت اند از زمان نگهداری یعنی مدت زمانی که یک چسب پیش از استفاده قابل نگه داری است و زمان انبارداری (عمر کاربری) یعنی بیشترین زمان بین آخرین اختلاط و پیش از استفاده است.

شیمی سطح و چسبناکی

چسبناکی چسب های حساس به فشار و تشکیل پیوند شامل برهم کنش های مولکولی در مرز چسب-سوبستراست. نیروی پیش برنده مهم برای تشکیل پیوند، کار چسبندگی است که به انرژی سطح چسب-سوبسترا مربوط می شود. تعریف Zisman از تنش سطحی بحرانی برای یک جامد، اساس تخمین انرژی های سطح است و اینکه چرا چسب های با انرژی سطحی کم مطلوب هستند. یک چسب با تنش سطحی کمتر از تنش سطحی بحرانی جامد می تواند سطح جامد را تر و روی آن پخش شود. البته ممکن است این رویداد به دلیل گرانروی چسب کمی زمان بر باشد. البته این رابطه همیشه صادق نیست. چسب های حساس به فشار با ترکیب هیدروکربنی به سبب انرژی سطحی کم معمولاً چسبناکی خوبی به طیف گسترده ای از سطح ها نشان می دهند. برای درک بهتر رفتار چسب های حساس به فشار و تعیین اینکه چسب عملکرد مطلوب دارد یا خیر، به سه خاصیت مهم چسب ها اشاره می شود. 

1-   خواص چسبناکی: یکی از ویژگی های مهم چسب های حساس به فشار است که تعریف ساده آن تشکیل پیوند است. چسبناکی بیانگر این است که با چه سرعتی چسب می تواند سطح مشخصی را تر کرده و با آن تماس پیدا کند تا به چسبندگی بهینه برسد. تعریف چسبناکی طبق ASTM عبارت است از نیروی لازم برای جدا کردن یک سطح از چسب در زمان کوتاه و از محل فصل مشترک آنها، پس از اینکه آنها به سرعت، تحت بار کم در زمان کوتاه به یکدیگر متصل شدند. ولی، درباره مدت این زمان کوتاه با مقدار بار کم چیزی عنوان نشده است. چسبناکی فقط یک خاصیت چسب نیست. بلکه به خواص سطح هدف (انرژی سطحی و شکل شناسی سطح)، شرایط فرایند و نیز به عواملی مانند نوع چسب استفاده شده، ساختار شیمیایی، وزن مولکولی، شبکه ای شدن، فشار تماس، زمان اقامت، سطح هدف، دما، رطوبت و مشخصات جریان چسب بستگی دارد.

2-   خواص مقاومت پوستگی: از مهم ترین مشخصه های چسب های حساس به فشار مقاومت پوستگی (پوسته پوسته شدن) آنهاست که عبارت از نیروی لازم برای جدا کردن یک نوار چسب از سطحی سخت است. مقاومت پوستگی بیان کننده استحکام بین چسب و سوبستراست که متناسب با فشار چسبیدن، سطح تماس و زمان در دمایی ثابت است. در این آزمون نیز مانند چسبناکی، پوستگی چسب شامل مراحل اتصال پیش از جدایش یا مرحله پوستگی است. عوامل زیادی در استحکام چسب و کنده شدن چسب های حساس به فشار موثرند که شامل زاویه و سرعت پوستگی، رئولوژی چسب و انرژی سطحی سوبستراست. سرعت پوستگی در آزمون مقاومت پوستگی ثابت است و انتظار می رود، نوار کاملاً از سطح جدا شده و هیچ باقی مانده ای روی سطح به جای نگذارد. این نوع شکست را شکست چسبی می نامند و اگر چسب باقی مانده به جای گذارد به این نوع شکست، شکست هم چسبی گویند.

3-   خواص مقاومت برشی:  چسبیدن چسب به یک سطح با ایجاد اتصال و پیوند انجام می شود. تشکیل پیوند فرایندی آهسته با تخریب کم بوده در حالی که گسستگی پیوند فرایند سریع با بیشترین تخریب است. آزمون مقاومت برشی نیز در تخریب زیاد انجام می شود. استحکام درونی یا هم چسبی فیلمی از چسب به عنوان مقاومت برشی شناخته می شود. این خاصیت مقاومت چسب را به نیروهای برشی نشان می دهد و استحکام درونی خود چسب را اندازه گیری می کند.

روش استاندارد تعیین استحکام برشی، آزمون برشی ایستاست که زمان لازم برای کشیدن سطحی تعریف شده از یک نوار، تحت نیروی ثابت است. این آزمون معمولاً در دمای محیط یاc ° 40  انجام می شود. اگرچه این آزمون  برای بررسی عملکرد نوار در شرایط کاربردی شبیه سازی شده به کار می رود، اما می تواند اطلاعات مناسبی درباره خواص ذاتی خود چسب هم ارائه دهد. مقاومت برشی به همبستگی درونی چسب بستگی دارد و این همبستگی تابعی از گرانروی ذاتی یا مدول است، بنابراین عواملی که روی این خواص چسب اثر بگذارند، خواص برشی چسب را نیز متاثر خواهند کرد. با توجه به اینکه گرانروی و مدول مشخصه های ذاتی مواد نیستند و تابعی از دما و زمان هستند، بنابراین مقاومت برشی نیز با زمان و دما تغییر خواهد کرد.

توازن هم چسبی- دگرچسبی

چسب های حساس به فشار دارای چسبندگی (دگرچسبی) هستند که برای تشکیل و گسستی پیوند لازم است و دارای هم چسبی هستند که هنگام گسستن پیوند ضروری است. چسبندگی به وسیله چسبناکی و مقاومت پوستگی و هم چسبی به وسیله مقاومت در برابر برش و به طور جزئی به وسیله مقاومت پوستگی معین می شود. برای هر چسب حساس به فشار ( دارای عامل چسبناک کننده یا بدون این عامل) هر دو خاصیت چسبناکی و مقاومت پوستگی می توانند به عنوان نتیجه دو فرایند متمایز تشکیل و گسستن پیوند بررسی می شود. کارایی تشکیل پیوند به قابلیت چسب برای نشان دادن جریان گرانرو مربوط می شود.فرایند گسستن پیوند همراه با تغییر شکل سریع تر توده چسب است. مقاومت پلیمر در برابر تغییر شکل در سرعت های کشش بسیار مهم است. هر چه این مقاومت بیشتر باشد، نیروی لازم برای جدا کردن چسب از سوبسترا بیشتر می شود. بنابراین چسب های با چسبناکی و مقاومت پارگی زیاد باید جریان خوب در سرعت های کشش کم و مقاومت خوب در برابر جاری شدن در سرعت های کشش زیاد داشته باشند.

اثر عوامل مختلف بر خواص چسبندگی

خواص چسبندگی چسب های حساس به فشار با خواص ذاتی پلیمر پایه مثل ترکیب، ساختار، وزن مولکولی و توزیع وزن مولکولی پلیمر تحت تاثیر قرار می گیرد. این عوامل به طور غیر مستقیم بر خواص فیزیکی مثل Tg نیز اثر می گذارند.

1-   اثر ماهیت چسب و ترکیب شیمیایی آن:

چسبناکی، مقاومت پوستگی و مقاومت برشی تابعی از ترکیب شیمیایی، حالت چسب و ویژگی های درشت مولکول پایه پلیمری است. چسب های حساس به فشار که پایه های شیمیایی متفاوتی دارند (از جمله لاستیک های طبیعی و سنتزی، آکریلات ها، پلی ایزوبوتیلن ها و کوپلیمرهای وینیل استات) مقادیر متفاوتی از چسبناکی، مقاومت پوستگی و مقاومت برشی را نشان می دهند. از سوی دیگر، چسب های حساس به فشار با مونومرهای یکسان و مشابه ( مانند چسب های آکریلیکی) وابسته به ماهیت و خواص مونومرها، ساختارهای زنجیری و وزن مولکولی متفاوت و در نتیجه خواص متفاوتی نشان می دهند. با وجود این اغلب چسب های حساس به فشارفرمول بندی می شوند و افزودنی های مختلف از جمله چسبناک کننده ها، نرم کننده ها و پر کننده ها خواص را تغییر می دهند. مقاومت پوستگی با افزایش هم چسبی( دگرچسبی-هم چسبی) کاملاً متفاوت برای رسیدن به مقاومت پوستگی خوب روی سوبستراهای قطبی و غیر قطبی لازم است. عواملی نظیر گروه های عاملی خاص سبب افزایش چسبندگی با زمان می شوند و استفاده از مونومرهای سخت، باعث بهبود هم چسبی و مقاومت برشی می شوند. به طور مثال، مقدار آکریلیک اسید زیاد در چسب های آکریلیکی پایه حلالی منجر به افزایش مقاومت برشی می شود.

خواص هم چسبی می تواند به وسیله وارد کردن گروه های قطبی به علت تشکیل پیوندهای ثانویه (پیوندهای هیدروژنی، دوقطبی-دوقطبی و دوقطبی القا شده) تحت تاثیر قرار گیرد. کوپلیمرهای تقویت شده با مونومر به عنوان چسب های حساس به فشار مفید هستند. مقادیر کمی از کربوکسیلیک های اولفینی غیر اشباع یا مشتقات سولفوآلکیل استرهای غیر اشباع آنها، مقاومت برشی چسب های حساس به فشار را بهبود می بخشد.

به طور کلی پلیمر حاوی حداقل 0.1 تا 10 درصد وزنی از این اجزا ترجیح داده می شود. به طور مثال، مقدار بیشتر ایزواکتیل آکریلات چسب را چسبناک تر می کند و برخلاف آن مقدار بیشتر آکریلیک اسید مقاومت برشی را افزایش می دهد. بر اساس تجربه های عملی و ملاحظه های نظری می توان فرض کرد، چسب های حساس به فشار پایه حلالی و مذاب داغ به دلیل وزن مولکولی کمتر پلیمرهای پایه مذاب داغ و فقدان افزودنی هایی با چسبناکی ضعیف برای چسب های پایه حلالی، چسبناکی بهتری از چسب های حساس به فشار پایه آبی دارند.

2-   اثر دمای انتقال شیشه ای

پارامترهای مولکولی از قبیل دمای انتقال شیشه ای (Tg) و قطبیت مونومر روی چسبناکی موثرند. بررسی ها نشان می دهد، اگر Tg چسب های حساس به فشار پایه آکریلاتی یا لاستیک طبیعیc° 70-50 زیر دمای کاربری باشد، خواص بهتری ارائه می دهند. دمای انتقال شیشه ای یکی از مشخصه های پلیمرهاست که در آن دما، خواص مکانیکی پلیمرها به شدت تغییر می کند و بنابراین خاصیت چسبناکی نیز تحت تاثیر قرار می گیرد. علت اصلی این تغییر، حرکت های مولکولی است. پیش از دمای انتقال شیشه ای هیچ حرکت انتقالی یا چرخشی در اتم های سازنده اسکلت پلیمر مشاهده نمی شود و پلیمرها و پلیمرها نسبتاً سخت، انعطاف پذیر و شکننده هستند(مدول زیاد دارند). در حالی که در بیش از این دما پلیمرها نرم و انعطاف پذیرند (مدول کاهش می یابد).

3-   اثر وزن مولکولی و توزیع آن:

وزن مولکولی و توزیع آن نقش مهمی در خواص محصول نهایی و تعادل خواص چسب دارد. معمولاً چسب با وزن مولکولی کم چسبناکی خوب ولی خواص مکانیکی ضعیفی نشان می دهد. مقاومت پوستگی رفتار ناپیوسته دارد و مقاومت برشی نیز متناسب با وزن مولکولی است. با افزایش وزن مولکولی، گرانروی افزایش می یابد. استحکام هم چسبی و پایداری لیفتچه ها بیشتر می شود و در نتیجه مدول بیشینه افزایش می یابد.

به علت اثر مهم وزن مولکولی بر Tg، درجه پلیمر شدن نسبتاً کم (وزن مولکولی کم) برای پلیمرهای با کاربرد چسب پیشنهاد می شود. همچنین توزیع وسیع وزن مولکولی، چسبناکی و استحکام هم چسبی بهتری را موجب می شود. معمولاً برای یک چسب حساس به فشار، وزن مولکولی در محدوده خاصی متغیر است. حد بالایی مربوط به شکست چسبی، یعنی قابلیت کم چسب برای جذب انرژی و بنابراین تر کنندگی کم است. طبق بررسی های انجام شده در چسب های پلی ایزوبوتیلن ها، در وزن های مولکولی بیش از kg/mol 45 چسبناکی و انرژی شکست چسبی به طور یکنواخت کاهش می یابد.

4-   اثر مواد افزودنی:

مواد افزودنی مانند امولسیون کننده ها و چسبناک کننده ها ( رزین ها و نرم کننده ها) با تغییر خواص سطحی و گرانروکشسانی، موجب بهبود خواص مکانیکی شده و بنابراین برهمکنش شیمیایی و فیزیکی اجزای فرمول بندی چسب را تحت تاثیر قرار می دهند. چسبناک کننده ها متداول ترین و رایج ترین مواد افزودنی هستند. رزین های چسبناک کننده موادی با وزن مولکولی کم یا متوسط (بین 500 تا 2000) و Tg زیاد هستند که برای تغییر و کنترل رئولوژی لاستیک ها و ویسکوالاستیک ها به سامانه های حساس به فشار اضافه می شوند. این مواد باعث افزایش Tg و کاهش مدول پلیمر پایه می شوند. و به عنوان رقیق کننده قابلیت جاری شدن چسب را در فرایند تشکیل فیلم و نیز مقاومت پوستگی طی فرایند پوستگی را بهبود می بخشند. رزین های مختلف طبیعی یا سنتزی مانند مشتقات روزین، هیدروکربنی، ترکیبات ترپنی، رزین های فنولی و کتونی به عنوان چسبناک کننده استفاده می شوند. چسبناکی شدن ممکن است به وسیله نرم کننده ها نیز انجام شود. وزن مولکولی، ساختار و ماهیت شیمیایی نرم کننده نقش مهمی بر خواص چسب دارد. نرم کننده ها ممکن است، جامد (مثل سولفونامید) یا مایع (مثل فتالات ها، فسفات ها و گلیکولات ها) باشند، ولی به طور کلی اجزای مایع فعال هستند که با پلیمر برهم کنش می دهند. مقدار چسبناک کننده بین 20-10 درصد برای بهبود چسبناکی چسب های حساس به فشار پایه آکریلیکی کافی است. مقدار بیشتر چسبناک کننده اساساً برای بهبود مقاومت پارگی به کار برده می شود.

5-    اثر دما و زمان:

رابطه چسبناکی با دما به این شکل است که در دماهای انتقال شیشه ای زیاد مقدار چسبناکی افزایش می یابد، ولی با مدول کشسانی رابطه عکس دارد. به طوری که با کاهش دما مدول افزایش یافته و قابلیت چسب برای جاری شدن کاهش می یابد. با افزایش دما گرانروی کاهش و در نتیجه چسبناکی بهبود می یابد، ولی اثر منفی روی هم چسبی می گذارد.

6-   اثر مقدار ژل:

در سامانه های امولسیونی، مقدار ژل در دماهای زیاد افزایش می یابد. صرف نظر از روش تولید چسب های حساس به فشار نسبتی مستقیم بین مقاومت برشی و درصد ژل وجود دارد، به طوری که با افزایش درصد ژل مقاومت برشی نیز به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان