La química de los adhesivos sensibles a la presión describe la ciencia química asociada con los adhesivos sensibles a la presión (PSA). Las cintas y etiquetas de PSA se han convertido en una parte importante de la vida cotidiana. Éstos se basan en material adhesivo adherido a un soporte como papel o película de plástico .
Debido a la pegajosidad inherente del material adhesivo y la baja energía superficial , estas cintas se pueden colocar sobre una variedad de sustratos cuando se aplica una ligera presión, incluidos papel, madera, metales y cerámica.
El diseño de cintas requiere un equilibrio entre la necesidad de una vida útil prolongada y la adaptación a una variedad de efectos ambientales y humanos, incluida la temperatura, la exposición a los rayos UV, el desgaste mecánico, la contaminación de la superficie del sustrato y la degradación del adhesivo. [1]
Composición
Una cinta de PSA típica consiste en un adhesivo sensible a la presión (la parte pegajosa de la cinta) recubierto con un material de respaldo. Para evitar que el adhesivo se adhiera al respaldo cuando se enrolla en un rollo, se aplica un agente de liberación al respaldo o se coloca un revestimiento de liberación sobre el adhesivo. A veces, se recubre una imprimación entre el adhesivo y el respaldo aumentando la unión.
Adhesivos comunes
Sustancia | (K) | () |
---|---|---|
Acrilato de 2-etilhexilo | 223 | 29,7 [2] |
acrilato de n-butilo | 219 | 32,8 [2] |
acrilato de metilo | 286 [3] | 39,8 [2] |
metacrilato de t-butilo | 503 | 30,5 [2] |
Estructura
Los adhesivos sensibles a la presión son polímeros viscoelásticos con su reología ajustada a las características deseadas de unión y desunión necesarias. [4] Los materiales típicos utilizados para hacer el adhesivo incluyen:
- polímero de acrilato , [5]
- caucho, caucho natural o elastómero termoplástico sintético
- goma de silicona
- y otros
Estos materiales a menudo se mezclan con un agente de pegajosidad para producir pegajosidad permanente (“poder de agarre”) a temperatura ambiente, [5] [6] [7] son algo deformables, tienen baja energía superficial , [5] y son resistentes a la humedad. [8] Para cumplir con estos requisitos, estos materiales suelen tener una densidad de reticulación baja, una viscosidad baja (η <10,000 cP), [5] y una distribución de peso molecular amplia [5] para permitir la deformación del material adhesivo a la superficie rugosa de el sustrato bajo diversas temperaturas y condiciones de pelado.
A menudo, dos componentes comprenden el adhesivo: un material de alta adherencia y un material de baja adherencia. El material de alta pegajosidad es un polímero con baja temperatura de transición vítrea y alto peso molecular de entrelazado , mientras que el polímero de baja pegajosidad tiene alta temperatura de transición vítrea y bajo peso molecular de entrelazado. [5] El material de alta pegajosidad comprende aproximadamente el 95% del adhesivo y proporciona la mayor parte de la pegajosidad del adhesivo. [5] Además de estos 2 componentes, a menudo se añaden tensioactivos para reducir la energía superficial del adhesivo y facilitar la adhesión a sustratos de alta energía superficial (metales, otros materiales poliméricos). [9] Una lista de monómeros de acrilato típicos y sus temperaturas de transición vítrea () y energías superficiales () se muestran en la Tabla. [10] El de una mezcla adhesiva binaria de monómeros de acrilato se puede estimar usando la ecuación de Gordon-Taylor, donde y son las fracciones de volumen de homopolímeros con temperaturas de transición vítrea y , respectivamente.
[Ecuación de Gordon-Taylor]
Producción
Los poliacrilatos utilizados en las cintas adhesivas se sintetizan fácilmente mediante polimerización por radicales libres . [5] Estas polimerizaciones pueden iniciarse térmicamente o fotocatalíticamente usando iniciadores a base de azo y peróxido. [5] Tales polimerizaciones se llevan a cabo típicamente en solvente para producir un recubrimiento homogéneo resistente al agua. [5] Debido a que los adhesivos permeables al agua no son deseados, los adhesivos no se sintetizan mediante polimerización en emulsión, que introduce agua en el adhesivo.
Componentes comunes
Apoyo
El adhesivo se recubre sobre un material flexible (el respaldo) como papel, papel de aluminio, tela o película de plástico (como polipropileno orientado biaxialmente o cloruro de polivinilo [5] [7] ) para proporcionar resistencia y proteger el adhesivo de la degradación ambiental. factores que incluyen humedad, temperatura y luz ultravioleta. La resistencia a la tracción del respaldo, el alargamiento, la rigidez y la resistencia al desgarro se pueden combinar con el uso previsto de la cinta. El adhesivo se puede adherir al respaldo mediante tratamientos superficiales, imprimaciones, calentamiento o curado UV. [5]
Revestimiento de liberación
Para permitir el enrollado y desenrollado de la cinta, el respaldo está recubierto con un agente de liberación que de alguna manera evita que la cinta se pegue a sí misma o que se peguen dos capas adhesivas (cintas de doble cara). Esto se logra mediante el uso de un material que permite la fácil eliminación de interacciones favorables en la interfaz adhesivo-soporte o adhesivo-adhesivo, o haciendo que ambas superficies sean inmiscibles entre sí. Dos materiales comunes utilizados en las cintas adhesivas a base de poliacrilato son las fluorosiliconas [7] y los carbamatos de vinilo. [5] Las fluorosiliconas son inmiscibles con el adhesivo a base de poliacrilatos [7] mientras que las largas colas de los carbamatos de vinilo forman una estructura altamente cristalina que el adhesivo no puede penetrar. [5] Además, durante el pelado, los revestimientos de liberación de fluorosilicona no hacen ruido [7] mientras que los carbamatos de vinilo hacen ruidos fuertes. [5]
Interfaz de respaldo adhesivo
Las películas de plástico pueden tener la superficie modificada mediante tratamiento corona o procesamiento con plasma para permitir una mayor unión del adhesivo. También se puede utilizar una capa de imprimación para este propósito. Algunos soportes deben sellarse o tratarse de otro modo antes de aplicar el adhesivo. [5] Esto es especialmente importante cuando la introducción de nuevos materiales en el adhesivo puede comprometer el rendimiento del adhesivo.
Solicitud
Las cintas adhesivas sensibles a la presión generalmente requieren una ligera presión para asegurar la unión con un sustrato. Este requisito de baja presión permite una fácil aplicación a las superficies simplemente usando los dedos o las manos para aplicar presión. La presión aplicada a la cinta permite que la cinta tenga un mejor contacto con la superficie y permite que se acumulen las fuerzas físicas entre las dos. Por lo general, una mayor presión de aplicación aumenta la unión del adhesivo al sustrato. Las pruebas de laboratorio de cinta PSA se realizan a menudo con un rodillo de 2 kg para aumentar la uniformidad de la prueba. [11] Los PSA pueden mantener su pegajosidad a temperatura ambiente y no requieren el uso de aditivos como agua, solventes o activación por calor para ejercer fuertes fuerzas adhesivas sobre las superficies. Debido a esto, los PSA pueden aplicarse a una variedad de superficies como papel, plásticos, madera, cemento y metal. Los adhesivos tienen una sujeción cohesiva y también son elásticos, lo que permite manipular los PSA a mano y también eliminarlos de una superficie sin dejar ningún residuo.
Factores ambientales
La mayoría de los PSA son más adecuados para usarse en temperaturas moderadas de alrededor de 59-95 ° F. [12] [ fuente no confiable? ] Dentro de este rango de temperatura, los adhesivos típicos mantienen su equilibrio en comportamiento viscoso y elástico donde se puede lograr una humectación óptima de la superficie . A temperaturas extremadamente altas, la cinta puede estirarse más de lo que podía inicialmente. Esto podría causar problemas después de la aplicación a la superficie porque si la temperatura baja, la cinta puede experimentar un estrés adicional . Esto puede hacer que la cinta pierda parte de su área de contacto , reduciendo su adherencia al cizallamiento o su poder de retención. A temperaturas más bajas, los polímeros adhesivos se vuelven más duros y rígidos, lo que reduce la elasticidad general de la cinta y comienza a reaccionar como el vidrio. [12] La menor elasticidad dificulta el contacto de los adhesivos con la superficie y reduce su capacidad de humectación. Se puede formular un adhesivo para mantener la pegajosidad a temperaturas más frías o puede ser necesaria una mayor cantidad de recubrimiento adhesivo en la cinta. El respaldo de los adhesivos también puede plastificarse para reducir su temperatura de transición vítrea y conservar su flexibilidad . [12]
Condiciones sustrato-adhesivo
Fuerza de unión
La energía superficial del sustrato decide qué tan bien se adhiere el adhesivo a la superficie. Los sustratos que tienen una energía superficial baja evitan que los adhesivos se humedezcan, mientras que los sustratos con energías superficiales altas permitirán que los adhesivos se humedezcan espontáneamente. [13] Las superficies con alta energía tienen mayores interacciones con el adhesivo, lo que le permite extenderse y aumentar su área de contacto. Las superficies con energías superficiales bajas pueden someterse a un tratamiento de corona o de llama para aumentar su energía superficial. [13] Sin embargo, incluso si una superficie tiene alta energía, los contaminantes en la superficie pueden interferir con la capacidad del adhesivo para adherirse a la superficie. La presencia de contaminantes como polvo, papel y aceites reducirá el área de contacto de los adhesivos y disminuirá la fuerza de unión de los adhesivos. Si hay contaminantes presentes, puede ser necesario limpiar la superficie con un solvente adecuado como benceno , alcoholes , ésteres o cetonas . [14] Las superficies con texturas también pueden reducir la fuerza de unión de un adhesivo. Las texturas crean una superficie irregular que dificultará que los adhesivos estén en contacto con la superficie, por lo que disminuye su capacidad de humectación. [13] El agua o la humedad de cualquier forma reducirán la adherencia de la superficie y reducirán la pegajosidad de la cinta. La humedad se puede eliminar de la superficie mediante cualquier método físico o químico. Sin embargo, la eliminación de la humedad a base de silicio también provocará una disminución de la adherencia y, por lo tanto, un fallo.
Toda la vida
Un adhesivo sensible a la presión experimentará una variedad de condiciones a lo largo de su vida. Estas condiciones afectan una de las siguientes partes de la cinta: la superficie o el volumen. La superficie es simplemente la parte de la cinta que está expuesta al medio ambiente durante toda su vida útil. La mayor parte es todo lo que se encuentra debajo de la superficie de la cinta, es decir, las interacciones que ocurren entre el sustrato y la parte adhesiva de la cinta.
Condiciones de exposición de la superficie
La superficie de la cinta experimentará diversas condiciones que se le impongan, como temperaturas variables, niveles de humedad, niveles de exposición a los rayos UV, desgaste mecánico o incluso degradación del adhesivo expuesto a la superficie. Si bien la mayor parte experimentará desgaste mecánico y degradación del adhesivo, estos efectos no están tan extendidos ni son tan grandes en magnitud dentro de la masa como en la superficie. La respuesta de la cinta a condiciones variables se debe en gran parte a la composición adhesiva y de respaldo, así como a las propiedades adhesivas como la temperatura de transición vítrea y las interacciones adhesivo-sustrato debido a la fuerza de adhesión.
Condiciones ambientales
Muchos factores del entorno pueden afectar el desgaste de la superficie de la cinta adhesiva. [15] Incluso la perspectiva de condiciones ambientales rápidamente cambiantes puede ser suficiente para causar una falla en el sustrato. Por ejemplo, el enfriamiento rápido puede hacer que el sustrato se contraiga drásticamente mientras el adhesivo permanece estacionario. Esta fuerza de tracción puede ser suficiente para provocar desgarros en el sustrato que disminuyan la adherencia del sustrato . Por tanto, la falla del sustrato se basa en la respuesta del sustrato a diversas condiciones ambientales, así como en la velocidad a la que cambian esas condiciones. Una cinta adhesiva aplicada en un entorno moderado experimentará un rango de temperaturas más pequeño que una aplicada en un desierto caluroso . La falla del sustrato se basa en gran medida en los cambios de temperatura, ya que estos son los que tienen más probabilidades de ocurrir y los que tienen más probabilidades de afectar al sustrato de manera importante.
Sin embargo, el sustrato aún puede verse afectado por la humedad y la exposición a los rayos UV [15] si el sustrato se aplica en un entorno para el que no fue diseñado. [16] Por ejemplo, uno podría tener fallas en el sustrato usando una cinta que fue hecha para usarse en un desierto en un lugar como Florida. Es posible que la diferencia de temperatura no sea muy grande, pero hay una gran diferencia de humedad. Cualquier efecto ambiental sobre el sustrato depende de la identidad y el propósito del sustrato. [dieciséis]
Desgaste mecánico
El desgaste mecánico depende en gran medida de la amplitud y dirección de las fuerzas ejercidas sobre el sistema. [17] Estas fuerzas podrían aplicarse directamente a la propia cinta adhesiva como al intentar despegar la cinta o podrían aplicarse indirectamente a la cinta mediante la manipulación del sustrato al que se adhiere la cinta adhesiva. Esto último se muestra en la figura de la derecha. Debe tenerse en cuenta que la figura asume que la cinta adhesiva sujeta dos piezas de sustrato separadas juntas y que no se ha observado la torsión de ambas piezas en direcciones opuestas.
El desgaste de una cinta adhesiva al deslizarse por un sustrato se puede estimar utilizando la Ley de Desgaste Adhesivo de Archard , donde y son los coeficientes de dureza y desgaste de la cinta adhesiva, es la distancia que se arrastra el adhesivo por la superficie del sustrato, es la carga normal total que actúa sobre la cinta adhesiva, y es el volumen de la cinta adhesiva que se pierde durante el arrastre. [18] [Ley de Archard del desgaste del adhesivo]
Condiciones de exposición masiva
Los factores predominantes que afectan la mayor parte de la cinta adhesiva son la temperatura y el desgaste mecánico. Los cambios de temperatura y los extremos pueden provocar la degradación del sustrato y el adhesivo, mientras que el desgaste mecánico puede provocar la delaminación de la cinta adhesiva según la magnitud y la dirección de las fuerzas aplicadas. La degradación del sustrato, aunque es poco probable, también podría resultar en delaminación, aunque esto será específico para cada caso y entorno.
Degradación adhesiva
El adhesivo se ve afectado en gran medida por la temperatura, ya que en la actualidad se utilizan comúnmente adhesivos poliméricos. Los materiales poliméricos que se utilizan en la actualidad son materiales viscoelásticos , lo que permite una fácil aplicación y una rápida adherencia al sustrato. La degradación del adhesivo a granel se debe en gran medida a los efectos de la temperatura, que reducen la adhesión y provocan la delaminación de la cinta adhesiva. [17] Una temperatura demasiado baja puede hacer que el adhesivo polimérico entre en su estado de vidrio y se vuelva muy quebradizo y reduzca la adhesión. [12] El aumento de la temperatura, por otro lado, hace que el polímero se vuelva más fluido y móvil. A medida que aumenta la movilidad, la adhesión del polímero se reduce a medida que el polímero comienza a fluir en lugar de adherirse. Ambos extremos de temperatura dan como resultado en última instancia una delaminación. El rango de temperatura ideal depende en gran medida de la identidad del adhesivo, [17] que se reduce a la estructura del polímero. Cuanto más rígida es la cadena de polímero, más fuertes son las fuerzas intermoleculares entre las cadenas de polímero y más fuertes las interacciones entre el sustrato y el adhesivo darán como resultado una fuerte adhesión y, como resultado, un rango de temperatura ideal más alto para la adhesión.
Dicho esto, para evitar la delaminación, la selección de una cinta adhesiva debe basarse en las condiciones que experimentará la cinta durante su vida útil. [16] Este proceso de selección reducirá las cadenas de degradación y falla de la cinta adhesiva que ocurren durante la vida útil de la cinta, aunque no hay garantía de que este proceso evite por completo la posibilidad.
Efectos sobre el reciclaje
Las cintas de PSA usadas son materiales compuestos y no se reciclan en cintas nuevas. Sin embargo, sus posibles efectos sobre la reciclabilidad de los productos en los que se han utilizado son importantes. La reutilización o el reciclaje a veces se facilitan mediante una cinta que se puede quitar de una superficie.
Los efectos sobre la reciclabilidad son particularmente importantes cuando se aplica cinta a superficies de papel, como cartón ondulado y otros embalajes . Cuando las cajas de cartón corrugado con cinta adhesiva se reciclan, las cintas de sellado de cajas con reverso de película no obstaculizan el reciclaje de la caja: el adhesivo permanece con el reverso y se retira fácilmente. [19] [20]
Las cintas que se utilizan en las plantas de fabricación de papel a veces están diseñadas para ser repulpables. Un adhesivo repulpable se dispersa cuando se coloca en la suspensión de pulpa caliente.
Referencias
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Ver también
- Análisis mecánico dinámico
Otras lecturas
- "Aplicaciones y adhesivos sensibles a la presión", Istvan Benedek, 2004, ISBN 0-8247-5059-4
- "Cintas adhesivas sensibles a la presión", J. Johnston, PSTC, 2003, ISBN 0-9728001-0-7
- "Formulación sensible a la presión", I. Benedek, VSP, 2000, ISBN 90-6764-330-0
enlaces externos
- Cómo se fabrica: cinta adhesiva, [1]