چسب‌ها اجزای جدایی‌ناپذیر صنعت بسته‌بندی هستند که در کنار سایر عوامل یک بسته‌بندی سالم، کارآمد و زیبا را فراهم می‌کنند و موجب جلب رضایت مشتریان می‌شوند. در مقاله پیشین (نشریه بسته‌بندی، شماره 29) چسب‌های گرما ذوب معرفی شدند و بیان کردیم که چسب‌های گرما ذوب عاری از حلال هستند که این موضوع مزایا و معایبی را در پی دارد. همچنین ترموپلاستیک بودن این چسب‌ها باعث عدم کلوخه شدنان در مخازن حرارت‌دهی و تفنگ‌‌های اعمال چسب می شود.
تعریف‌هایی همچون اتصال آنی (Green Strengh)، مدت زمان مجاز قرار دادن سطح ثانویه بر روی چسب (Open Time) و همچنین مدت زمان مورد نیاز برای تثبیت نهایی (Setting Time) مطرح شده‌اند. در این مقاله سعی داریم تا اجزاء اصلی چسب‌های گرما ذوب را معرفی کرده و نکاتی در انتخاب این چسب‌ها مطرح کنیم تا با شناختی مطلوب، متناسب با نیازمان از چسب‌های گرماذوب بهره ببریم. هدف از این معرفی، طراحی یک فرمولاسیون جدید نیست، بلکه آگاهی نسبت به مواد مورد استفاده در خطوط تولید است که در کنار سایر معیارها موجب بهینه‌سازی فرآیند‌ها، عیب‌یابی هر چه بهتر، هماهنگ‌سازی مواد مورد استفاده و در نتیجه ارتقا سطح کیفیت می شود.
به‌طور کلی چسب‌های گرما ذوب از 5 جزء اصلی تشکیل شده‌اند:
- پلیمر پایه
- رزین چسبناک‌کننده
- واکس
- آنتی‌اکسیدان
- نرم‌کننده
اجزایی که بیشترین مقدار و تاثیر را در این چسب‌ها دارند، ساختار مولکولیشان پلیمری است. از این‌رو چند تعریف اولیه در زمینه پلیمرها به‌طور مختصر شرح داده می‌شود.
- فرق اساسی پلیمرها با سایر مواد در اندازه واحد تشکیل‌دهنده‌شان یعنی مولکول‌ها است. مولکول‌های پلیمری زنجیره‌هایی درهم تنیده شده هستند. برای تصور رفتار پلیمرها بهتر است آنها را همچون نخ‌های کاموایی در هم پیچیده شده در نظر بگیریم.
- پلیمرها از یک جنبه کلی به 3 دسته آمورف، کریستالی و شبه‌کریستالی تقسیم‌بندی می‌شوند که این تقسیم‌بندی بهواسطه نحوه قرارگیری زنجیرهای پلیمری در کنار هم صورت گرفته است.
آ. پلیمرهای کریستالی (Crystalline): مولکول‌های زنجیرهای شکل با نظمی خاص در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و واحدهای سخت کریستالی را تشکیل می‌دهند. از این‌رو این پلیمرها دارای دمای ذوب هستند.
ب. پلیمرهای آمورف (Amorphous): مولکول‌ها به‌صورت نامنظم درهم تنیده شده‌اند. قرارگیری زنجیره‌هایشان در کنار هم از هیچ‌گونه نظمی تبعیت نمی‌‌کند. از این‌رو این دسته دمای ذوب نداشته و دارای دمایی به نام دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) یا Glass Transition Temperature هستند که در این دما رفتار پلیمرها از حالت شیشه‌ای گونه به رفتار الاستیک میل کرده و در دماهای بالاتر شروع به جاری شدن می‌کنند. درواقع برخلاف پلیمرهای کریستالی دمای ذوب (تغییر فاز ناگهانی) ندارند.
پ. پلیمرهای شبه‌کریستالی:درصد قابل توجهی از ساختارهای این پلیمرها، واحدهای منظم کریستالی است و رفتاری نزدیک به پلیمرهای کریستالی دارند.
پلیمرهای شبه‌کریستالی دارای دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) و همچنین دمای ذوب (Tm) هستند. در دمای خاصی بهواسطه بخش آمورف دچار نرم‌شدگی می‌شوند (Tg) و در دمایی بالاتر بهواسطه ساختار کریستالی (Tm) به‌طور ناگهانی جریان می‌یابند. اما با سرد شدن و تغییر فاز ماده پلیمری، کریستال‌ها مجددا تشکیل شده و خواصشان را آشکار می‌کنند.
لازم به ذکر است که تولید چسب‌های گرماذوب با دو روش صورت می‌گیرد:
- اختلاط اجزا، و 2. ساخت چسب با روش‌های پلیمریزاسیون که در ادامه مواد مورد استفاده در روش اختلاط اجزا بیان می‌شوند.
پلیمر پایه
نقش اصلی پلیمرها مهیا کردن مقاومت درونی چسب یا همان همچسبی (Cohesion) است. همچنین پلیمرهای پایه بر خواص فیلم (لایه نازک) تهیه شده اثر‌گذار هستند؛ خواصی همچون تاخیر در تشکیل فیلم و ایجاد الاستیسیته در آن. پلیمر پایه بر چسبندگی در حالت مذاب یا Hot Tack (مقاومت در برار جدایش زمانیکه چسب گرم است)، از طریق ویژگی «اتلاف ویسکوز» بسیار اثر‌گذار است و همچنین انرژی مقابله‌کننده با گسیختگی فیلم پلیمری را مهیا می‌کند. مرسوم‌ترین پلیمرهای مورد استفاده در چسب‌های گرماذوب به قرار زیر هستند:
- Ethylene Vinyl Acetate co-polymers (EVA)
- Polyolefins (PO)
- Amorphous Poly-α-olefins (APAO)
- Synthetic Rubber (SBS/SIS)
- Polyamide (PA)
- Polyester
- Thermoplastic Polyurethane (TPU)
علت عدم استفاده یا استفاده حداقل از پلیمرهای لاستیکی (الاستومرها)، جرم مولکولی بالای این مواد است (بیش از 500000 گرم به ازای هر مول) و تجهیزات مورد استفاده قابلیت ذوب کردن چسب گرماذوب و رساندن گرانروی مذاب به میزان جاری کردن لاستیک‌ها را ندارند. از این‌رو با استفاده از پلیمرهای تشکیل شده از دو واحد متفاوت (کوپلیمرها)، خواص مورد نیاز مثل جرم مولکولی، گرانروی، میزان تشکیل کریستال و همچنین گستردگی ناحیه لاستیکی در نمودار مدول- دما (شکل 5) را در یک پلیمر ایجاد می‌کنند.
کاراترین و مرسوم‌ترین پلیمر موجود برای چسب‌های گرماذوب، پلیمرهای EVA هستند. EVA متشکل از دو واحد متفاوت اتیلن و وینیل‌استات است که هر چه میزان وینیل استات بیشتر باشد پلیمر نرم‌تر و میزان ساختارهای کریستالی کمتر هستند به‌طوری که در حضور 50درصد وینیل استات، هیچ کریستالی تشکیل نخواهد شد. در صنعت چسب، میزان وینیل استات بین 6 تا 40درصد است. پلیمرهای EVA با محدوده وسیعی از رزین‌های چسبناک‌کننده (Tackifier) سازگاری دارند و همچنین پر کاربردترین پلیمر در صنعت بسته‌بندی است. با اینکه پلیمرهای EVA پایداری گرانروی عالی از خود نشان می‌دهند، اما نسبت به حرارت‌هایی با دمای بالا، حساس بوده و دچار تخریب حرارتی-اکسیژنی می‌شوند. برای برطرف کردن این کاستی از فرمولاسیون‌هایی بر پایه Ethylene n-butyl acrylate (EnBA) استفاده می‌شود.
از آنجایی که جز اصلی چسب‌های گرماذوب یک پلیمر پایه است، پیش از توضیح سایر اجزا، در ادامه چند ویژگی قابل توجه پلیمرهای پایه را بیان می‌کنیم.
- بهترین حالت چسب‌های گرماذوب زمانی آشکار می‌شود که چسب (درواقع پلیمر پایه) بتواند بیشترین انرژی کرنشی را جذب کند. کرنش به معنی میزان تغییرات فیزیکی حاصل شده از نیروی وارده به ماده است. در واقع پلیمر پایه باید در محدوده مشخصی، بالاترین مقدار انرژی اعمال شده را تحمل کند و در صورت فراتر رفتن از آن محدوده دچار شکست شود (دوصفحه بهم چسبیده از هم جدا شوند). برای انتخاب صحیح پلیمر پایه، از نمودارهای مدول-دما یا طیف دینامیکی-مکانیکی استفاده می‌کنیم. هر چه میزان مدول بیشتر باشد، تغییر شکل ماده در زمان اعمال نیرو کمتر است. برای اطلاعت بیشتر در رابطه با نمودار مدول-دما، کلید واژه‌هایی همچون نمودار و روابط مدول یانگ (Young’s Modulus) را جست‌وجو کنید.
- پارامتر مهم دیگر در پلیمر پایه گرانروی (ویسکوزیته) است. اگر پلیمر در شکل مذاب دارای گرانروی بالا باشد، اعمال چسب را سخت کرده و همچنین ترکنندگی یا Wettability سطح را با مشکل روبه‌رو می‌کند؛ که هر چه ترکنندگی کمتر باشد، اتصال چسب با سطح کمتر شده و به این ترتیب تاثیر حضور چسب کاهش خواهد یافت. در واقع نیازمند پلیمری هستیم که مولکول‌های زنجیرهای آن بعد از اعمال حرارت (شکل 2 مشاهده شود) بتوانند به راحتی در هم حرکت کرده و در عین حال پس از جامد شدن بیشترین انرژی کرنشی وارد شده را جذب کنند.
- یکی دیگر از از پارامترهای مهم جرم مولکولی پلیمرها هستند. هر چه جرم مولکولی بیشتر باشد، گره خوردگی‌های مولکول‌های پلیمری افزایش یافته و در نتیجه ویسکوزیته مذاب بیشتر می‌شود و این افزایش ویسکوزیته، اعمال چسب را دشوار می‌کند. به همین دلیل است که از پلیمرهای آمورف در این چسب‌ها استفاده نمی‌شود زیرا ویسکوزیته پلیمرهای آمورف در حالت مذاب زیاد است و اعمال چسب و تر کردن سطح دشوار می‌شود. همچنین آمورف‌ها مقاومت مکانیکی کمتری نسبت به پلیمرهای شبه کریستالی دارند.
- پلیمرهای شبه‌کریستالی مناسب‌ترین گزینه برای چسب‌های گرما ذوب هستند. در عین حال باید دقت شود که نباید در زمان سرد شدن این چسب، سرعت تشکیل مجدد کریستال‌ها بسیار زیاد باشد. در واقع زمان مورد نیاز برای ترکردن سطح فراهم شود.
با بررسی پارامترهای بالا درمی‌یابیم که محدوده پلیمرهای مهیا‌کننده خواص مورد نظر در چسب‌های گرماذوب، بسیار محدود است.
رزین چسبناک‌کننده
دیگر جز اصلی، رزین‌های چسبناک‌کننده یا Tackifier هستند. که هدف از این مواد ایجاد خواص مطلوب پوشش‌دهی سطح، در چسب است. نقش چسبناک‌کننده‌ها کاهش گرانروی، افزایش ترکنندگی سطح (اتصال چسب به سطح)، تنظیم دمای Tg، و نرم کردن چسب بوسیله افزایش انعطاف و نرمی در گره‌خوردگی‌های شبکه‌های پلیمرها است.
در بیشتر چسب‌ها، چسبناک‌کننده‌ها با نسبت بالایی حضور دارند. آنها به‌طور چشمگیری بر ترکنندگی سطح یا Wet-out، چسبندگی در حالت گرم یا Hot Tack، مدت زمان مجاز چسبندگی یا Open Time، مدت زمان تثبیت چسب یا Setting Speed و مقاومت حرارتی اثر‌گذارند. این مواد دارای Tg زیاد و جرم مولکولی کم می‌باشند و پلیمرهایی آمورف هستند.
اصلی‌ترین هدف این رزین‌ها، ایفای نقش به‌عنوان حلال‌هایی جامد برای سایر اجزا در چسب است که در نتیجه پارامتر حلالیت و سازگاریشان با سایر اجزا، اصلی‌ترین معیار انتخابشان شده است.
دو خاصیت مهم دیگر برای انتخاب چسبناک‌کننده‌ها به شرح زیر است:
- هر چه میزان فشردگی و لخته شدن این ماده با خودش بیشتر باشد، تمایل کمتری به انحلال سایر مواد دارد، که مطلوب ما نیست و باید شرایط خود تراکمی این مواد مورد بررسی قرار بگیرد.
- هر چه جرم مولکلی کمتر باشد، آنتروپی (بی‌نظمی) اختلاط با سایر اجزا بیشتر است و بنابراین قدرت حل‌کنندگی قوی‌تر است.
در عمل، ملاحظات فوق منجر به قدرت حل‌کنندگی بیشتر رزین می‌شود.
وجود مقادیر زیادی از موارد زیر در چسبناک‌کننده‌ها، باعث افزایش سازگاری با سیستم چسب می‌شود:
- حلقه‌های غیرآروماتیکی به‌هم جوش خورده که به‌طور ضعیف با خودشان متراکم می‌شوند و Tg بالایی برای مواد با جرم مولکولی کم مهیا می‌کنند.
- هر چه مولکول‌های رزین چسبناک‌کننده شاخه‌های بیشتری داشته باشند، حلالیتشان بیشتر است.
رزین‌های چسبناک‌کننده به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند
- رزین‌های برگرفته شده از طبیعت (کلوفان، کلوفان‌های استری، پلی‌ترپن‌ها)، 2. رزین‌های مشتقات نفتی (رزین‌های C5، رزین‌های آروماتیک، رزین‌های کوپلیمری مثل کومارون ایندین‌ها و فنول‌های اصلاح شده)
واکس
دیگر جز مهم در فرمولاسیون چسب‌های گرما ذوب، واکس‌ها هستند. این مواد ویسکوزیته مذاب و کشش سطحی چسب در حالت مایع را کاهش می‌دهند و باعث افزایش تر شوندگی سطح می‌شوند. واکس‌ها دارای ساختار هیدروکربنی بوده و کشش سطحیشان کمتر از پلیمر پایه است و بنابراین کشش سطحی کلی چسب را کاهش می‌دهند. بعضی از واکس‌ها به‌عنوان واکس‌های میکروکریستالی شناخته می‌شوند، که نه‌تنها ویسکوزیته و کشش سطحی چسب در حالت مذاب را کاهش می‌دهند، بلکه با تشکیل کریستال‌های پلیمری باعث تقویت خواص نهایی چسب می‌شوند (که کریستال‌ها به‌دلیل ساختار منظم مولکولیشان (طبق شکل2) تحت بار و تنش تخریب نمی‌شوند). دو نکته مهم درباره واکس‌ها به شرح زیر می‌باشند:
- واکس‌ها بر سرعت تثبیت چسب و مدت زمان مجاز چسبندگی دو سطح اثر‌گذارند به طوری که با تشکیل کریستال‌ها سرعت تثبیت چسب افزایش می‌یابد. اگر تثبیت سریع مورد نیاز ما باشد، واکس‌ها در فرمولاسیون استفاده نمی‌شوند. اما اگر نیازمند مدت زمان بیشتر برای باز بودن چسب هستیم، روغن‌‌ها به جای واکس‌ها استفاده می شوند.
- یکی از مزایای تشکیل کریستال‌ها، افزایش مقاومت در برابر حرارت است. زیرا ساختارهای منظم کریستالی در برابر تغییرات حرارتی مقاومت بیشتر نسبت به ساختارهای بی‌نظم دارند.
واکس‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند: 1. مشتقات نفتی 2. واکس‌های ترکیبی
واکس‌های مشتقات نفتی، شامل پارافین واکس‌ها و واکس‌های میکروکریستالی هستند. پارافین واکس‌ها در مقایسه با واکس‌های میکروکریستالی دارای جرم مولکولی کمتر، ارزان‌تر ولی دارای ساختارهای کریستالی بیشتر (با افزایش میزان پارافین) هستند. واکس‌های ترکیبی شامل واکس‌های فیشِر-تراپش (Fischer-Tropsch)، واکس‌های پلی‌اتیلنی و واکس‌های خاص هستند. زمانیکه به مقاومت حرارتی بیشتر و همچنین دمای ذوب بالاتر نیاز باشد از واکس‌های ترکیبی استفاده می‌شود.
آنتی‌اکسیدان
به‌طور کلی چسب‌ها مستعد تخریب‌هایی بهواسطه گرما، نور ماورای بنفش، نیروهای برشی و اکسیژن هستند. شدت تخریب توسط اکسیژن بیش از سایر موارد و مستثنی از آنها است. حتی در فرآیند‌هایی که تحت خلاء انجام می‌شود، هوا به‌طور قابل توجهی حضور دارد. زیرا که میزان خلا در بیشتر واحدهای تولید چسب بالا نیست و تجهیزات مخلوط‌کننده، ایزوله (هوابندی شده) و بدون منفذ نیستند.
تخریب ابتدایی در حین انبارداری مواد اولیه صورت می‌گیرد. پلیمرها، رزین‌ها یا روغن‌های غیراشباع حتی در دمای اتاق هم اکسید می‌شوند. به‌طور مثال رزین‌های چسبناک‌کننده کلوفان، که به مرور زمان تخریب شده‌اند در هنگام اعمال حرارت، حباب تشکیل داده و آب آزاد می‌کنند. و یا پلیمرپایه SIS که تخریب شده است، در زمان استفاده زرد رنگ می‌شود.
تخریب دوم در حین فرآیند اختلاط صورت می‌گیرد. به‌ویژه زمانیکه از کوپلیمر‌های دارای واحدهای استایرنی، استفاده می‌شود. اگر سرعت اختلاط زیاد باشد، مولکول‌های پلیمری که زنجیرهای شکل هستند، شکسته شده و ساختارهای رادیکالی تولید می‌شوند. این رادیکال‌ها در محصولات نهایی تمایل به واکنش با اکسیژن دارند و در نتیجه عامل تخریب چسب می‌گردند. از این‌رو سعی می‌شود که سرعت اختلاط (میزان نیروی برشی) در میزان حداقل مجاز تنظیم شود و یا اگر نیروی برشی اختلاط زیاد است، نرخ این عملیات پایین باشد. بیشتر آنتی‌اکسیدان‌ها جامدهایی با ساختارهای کریستالی بوده، که حلالیتشان محدود است و درنتیجه پارامتر حلالیت در انتخابشان لحاظ می‌شود.
در چسب‌ها برای پایدار کردن ساختارهای رادیکالی ایجاد شده، از آنتی‌اکسیدان‌‌های اولیه و ثانویه استفاده می‌شود. آنتی‌اکسیدان‌‌های اولیه با ساختارهای آمین‌‌های آروماتیکی و همچنین فنول هستند. آنتی‌اکسیدان‌‌های ثانویه با ساختارهای نمکی (Phosphite) می‌باشند.
نرم‌کننده
برای ایجاد حالت نرمی و انعطاف‌پذیری در چسب‌ها از مواد منعطف‌کننده یا Flexibilizer استفاده می‌شود. این مواد برخلاف چسبناک‌کننده‌ها، دمای Tg را کاهش می‌دهند. این مواد باید به‌طور کامل در رزین پایه، حل شوند که در غیراین صورت در زمان انبارداری یا زمان اعمال، شاهد جدایش فازی بین جز منطعف‌کننده و چسب خواهیم بود. دیگر معیار مهم برای انتخاب این ماده عدم فراریت در دمای ذوب چسب است.
یک فرمولاسیون نوعی برای چسب‌های گرماذوب شامل 33درصد پلیمر پایه، 33درصد رزین چسبناک‌کننده، 32درصد واکس و 1درصد آنتی‌اکسیدان است. طبق خواص نهایی، کاربرد مورد نظر و همچنین سازگاری اجزا با یکدیگر، این فرمولاسیون تغییر می‌کند.
چسب‌های گرماذوب به دلیل عدم ایجاد ساختارهای 3 بعدی، مقاومت‌‌های پایینی دارند و که راه‌حل، ایجاد اتصالات عرضی (Cross Link) بین زنجیرهای پلیمری و در نتیجه ایجاد ساختارهای 3 بعدی است که متخصصان علم پلیمر در این زمینه راه‌‌های متفاوتی را برای افزایش مقاومت و در عین حال ایمن بودن فرآیند ذوب ارائه کرده‌اند که قابل بررسی می‌باشند.
و اما در آخر پیشنهاد می‌کنم که فعالیت‌‌های افرادی همچون Charles W.Paul و Jose Miguel Martin Martinez را که در موضوع چسب‌های گرما ذوب کتاب‌ها و مقالات ارزشمندی به چاپ رسانده‌اند را پیگیری بفرمایید تا در مسیر ساخت و بهره‌مندی از این چسب‌ها شناخت مطلوبی را کسب نمایید.