Synthesis and characterization of water-based acrylic polymers for pressure-sensitive adhesive applications via mini-emulsion polymerization

thumbnail.default.alt
Tarih
2019
Yazarlar
Temelkaya Bilgin, Ecem
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Basınca hassas yapıştırıcılar oda sıcaklığında kalıcı olarak yapışkanlık gösteren ve hafif bir basınç uygulanmasıyla herhangi bir faz değişimi olmadan çeşitli yüzeylere yapışabilen yapıştırıcılardır (Benedek, 2004). Basınca hassas yapıştırıcılar, solvent bazlı, su bazlı veya solventsiz bir formda olabilir (örn. hot-melt) (Czech & Pełech, 2009). Çevre dostu ürünlere olan küresel gereksinimler doğrultusunda, basınca hassas yapıştırıcı endüstrisinin yeşil teknolojilere geçmesine ve böylelikle bu ürünleri ticari olarak makro-emülsiyon polimerizasyon prosedürü ile üretilmesine neden olmuştur (Fonseca, McKenna ve Dubé, 2010). Basınca hassas yapıştırıcılar, grafik sanatlar, ambalaj, otomotiv ve inşaat endüstrisinde etiketler, bantlar, koruyucu filmler ve diğer özel yapışkan uygulamaları için yaygın olarak kullanılmaktadırlar (Satas, 1989) ve uygulama türüne göre kalıcı veya sökülebilir olabilmektedirler. Kalıcı bir basınca hassas yapıştırıcı, etiketi veya bandı çıkartma girişiminde yüzeyi veya uygulandığı filmi/kağıdı tahrip edebilirken, sökülebilir bir basınca hassas yapıştırıcı, etikete/banda veya yüzeye zarar vermeden çıkarılabilmesine olanak sağlar. Uygulamadaki farklılık, sökülebilir olma kabiliyetinin derecesine, yapıştırıcının yapışkanlık özelliğinin kuvvetine ve uygulandığı yüzeyin iç dinamiklerine bağlı oalrak değişebilmektedir. Basınca hassas yapıştırıcıların viskoelastik yapısı ayrıca, yapışma ve soyulma kuvveti ve yük altındaki dayanımı performansından da önemli ölçüde sorumludur. Basınca hassas yapıştırıcıların performansı, soyulma, yapışma ve kayma mukavemeti ile tanımlanan yapışma davranışlarıyla karakterize edilir. Yapışma, anlık bir bağ oluşturma yeteneğini temsil ederken soyulma kuvveti yüzeyden soyulma direncini temsil eder ve kayma dayanımı, polimerin iç direncinin bir ölçüsüdür (Fonseca, McKenna ve Dubé, 2008). Basınca duyarlı yapıştırıcı içindeki polimer, kalıcı olduğu kadar agresif bir yapışma özelliğine de sahip olmalı ve bir yüzeyden temiz bir şekilde sökülebilecek kadar yeterli iç dirence ve esnekliğine sahip olmalıdır (Bunker, Staller, Willenbacher, & Wool, 2003). Basınca duyarlı yapıştırıcılar piyasası, 2015 yılında 7.87 milyar ABD doları olarak değerlendirilmiş olup, 2026 yılına kadar % 6,6 yıllık büyüme oranı ile 15,76 milyar ABD dolarına ulaşması beklenmektedir (Rohan, 2016).Mini emülsiyon polimerizasyonun yeni bir teknoloji olarak tanıtılmasıyla birlikte son 25 yılda poliakrilik mini emülsiyonlar dikkat çekti. Kirlilik yaratmayan, özel çekirdeklenme mekanizmalarına sahip, orta derecede reaksiyon oranı, yüksek stabilite ve oksidasyon direnci, şeffaflık, film oluşturabilme, yüksek katı içerikli ve düşük viskoziteli lateksler üretme yeteneği, organik ve inorganik maddelerin kapsüllenmesi ve hibrit nanokompozitlerin sentezi gibi mükemmel özellikleri nedeniyle tekstil ve deri kaplamalarında, mimari kaplamalarda ve basınca duyarlı yapıştırıcılarda yaygın olarak kullanılırlar. (Fonseca, McKenna ve Dubé, 2010). Bu tezin çalışma konusunu oluşturan amaç ise mini-emülsiyon polimerizasyon teknolojisini kullanarak basınca duyarlı yapıştırıcı polimerleri sentezlemek ve bu teknolojinin sağladığı özellikleri basınca duyarlı yapıştırıcı performans kriterlerini göz özüne alarak incelemektedir. Silan ve boron metakrilat komonomerleri 2-EHA bazlı poliakrilat polimerlere katılmıştır ve basınca duyarlı yapıştırıcı özellikleri hem polar hem apolar yüzeylerde incelenerek değerlendirilmiştir. Boron metakrilat laboratuvarda özgün bir şekilde sentezlenmiştir. Çalışma içerisinde sunulan teknik ile hazırlanan monomer emülsiyonları stabilitesini birkaç ay boyunca korumuştur ki bu, konvansiyonel metotlarla elde edilemeyen bir özelliktir.
A pressure-sensitive adhesive (PSA) can be defined as 'a permanently tacky adhesive at room temperature which will adhere to a variety of surfaces with finger pressure without any phase change liquid to solid' (Benedek, 2004). PSAs can be organic solvent-borne, water-borne or in a solvent-free form (e.g. hot melt) (Czech & Pełech, 2009). A global need for environmentally friendly products has led the PSA industry to move to greener technologies such as water-based products which are manufactured via macro-emulsion polymerization procedure commercially (Fonseca, McKenna, & Dubé, 2010). PSAs are widely used for labels, tapes, protective films and other special adhesive applications in graphic arts, packaging, automotive and construction industries (Satas, 1989) and can be permanent or removable regarding the type of application. A permanent PSA destroys the substrate with attempts to remove it whereas a removable PSA allows for label removal without damage to either the label or the substrate. The difference is the degree of ability for removal depend on the aggressiveness of the adhesive and the internal strength of the substrate to which it is applied. The viscoelasticity of PSA is also responsible for its performance in terms of peel adhesion, tack and shear strength. The performance of PSAs is characterized by their adhesive and cohesive behavior, which are defined by tack, peel adhesion and shear strength. Tack represents the ability to form an instant bond, peel strength represents the resistance to remove from the surface, and shear strength is a measure of the cohesive strength (Fonseca, McKenna, & Dubé, 2008). The polymer in a pressure-sensitive adhesive should be permanently as well as aggressively tacky and has enough cohesive strength and elasticity to be cleanly removed from a surface (Bunker, Staller, Willenbacher, & Wool, 2003). The pressure-sensitive adhesives market was valued at USD 7.87 billion in 2015, and is projected to reach USD 15.76 billion by 2026 at a compound annual growth rate of 6.6% between 2016 and 2026 (Rohan, 2016).Mini-emulsion polymerization was introduced as a new technology and polyacrylic mini-emulsions have been drawn attention over the past 25 years. They are widely used in textile coatings, leather finishes, architectural coatings, and pressure-sensitive adhesives, because of their pollution-free, special nucleation mechanism, moderate reaction rate, high stability, and excellent properties such as oxidation resistance, transparency, film-forming property, the ability to produce high-solids content and low viscosity latexes, encapsulation of organic and inorganic materials and synthesis of hybrid nanocomposites (Fonseca, McKenna, & Dubé, 2010). Aim of the present study is to synthesize a polymer behaving as pressure-sensitive adhesive via mini-emulsion polymerization process, which is a new technology with its unique aspects and to investigate its pressure-sensitive adhesive performance. Some special comonomers such as silanes and boron methacrylate were also incorporated into 2-EHA based polyacrylate latexes via mini-emulsion polymerization procedure and pressure-sensitive adhesive characteristics of said polymers were investigated on both polar and nonpolar surfaces. Boron methacrylate was synthesized originally in laboratory. The pre-emulsions formed using this technique presented in this dissertation were stable for several months, which is impossible for macro-emulsions.
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019
Thesis (Ph.D.) -- Istanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2019
Anahtar kelimeler
Fonksiyonel polimerler, Miniemülsiyon polimerleşmesi, Functional polymers, Miniemulsion polymerization
Alıntı