رزینهای کوپلیمر استایرن بوتادین (SBC) خانوادهای متنوع از رزینها برای توسعه چسبها و درزگیرها به شمار میروند. فرمولاسیونهای تهیهشده با رزین SBC به عنوان پلیمر پایه، ترکیبی منحصر به فرد از خواصی مانند استحکام کششی، انعطافپذیری، چسبندگی اولیه (تَک)، چسبندگی نهایی و غیره را ارائه میدهند و کاربردهای گستردهای در بازارهای گوناگون یافتهاند.
در این راهنمای جامع، به بررسی اصول اولیه رزینهای SBC، انواع اصلی، فرآیند انتخاب و کاربردهای آنها میپردازیم. همچنین، مزایا و معایب پلیمرهای پایه SBC را نیز در این راهنمای مفصل خواهید یافت.
تطبیقپذیری رزینهای کوپلیمر استایرن بوتادین
رزینهای کوپلیمر استایرن بوتادین ((SBC نشاندهنده خانوادهای همهکاره از رزینها برای توسعه چسبها و درزگیرها هستند. این رزینها به خوبی به زیرلایههای بسیاری میچسبند و فرمولاسیون آنها را میتوان به راحتی تنظیم کرد تا خواص بسیار متفاوتی به دست آید. چسبها و درزگیرهای مبتنی بر کوپلیمرهای استایرن بوتادین (SBCs)هم مفید و هم غیرمعمول هستند. آنها دارای حلالیت و ماهیت ترموپلاستیک پلیاستایرن هستند.
در دمای محیط، این رزینها سختی و انعطافپذیری الاستومرها را از خود نشان میدهند. این ویژگی به چسبهای کوپلیمر استایرن بوتادین، خواص همهکارهای را هم در فرمولاسیونهای چسب و هم درزگیر میبخشد. به دلیل ماهیت ترموپلاستیک خود، SBC را میتوان به راحتی به صورت چسبهای حرارتی (هاتملت) یا محلولهای حلالی فرموله کرد. حتی میتوان آنها را از طریق تابش یا استفاده از گروههای انتهایی واکنشپذیر، به صورت شیمیایی شبکهای (کراسلینک) کرد.
عوامل مؤثر بر عملکرد چسبها و درزگیرهای مبتنی بر SBC
عملکرد چسبها و درزگیرهای مبتنی بر SBC عمدتاً به ترکیب فرمولاسیون بستگی دارد که توسط عوامل زیر تعیین میشود:
- انتخاب رزین SBC مناسب: رزینهای SBC متنوعی در دسترس هستند که باید نوع مناسب بر اساس نیاز انتخاب شود.
- افزودن چسبافزاها (Tackifiers): این مواد عمدتاً برای اصلاح خواص رئولوژیکی (جریانپذیری) فرمولاسیون اضافه میشوند.
- افزودن نرمکنندهها (Plasticizers)، واکسها یا روغنها: این افزودنیها عمدتاً برای اصلاح خواص کاربردی (نحوه اعمال) به کار میروند.
- افزودن سایر افزودنیها: موادی مانند آنتیاکسیدانها، بازدارندههای UV، پرکنندهها و غیره برای ایجاد پایداری کافی در فرآیند اعمال و شرایط سرویسدهی اضافه میشوند.
حالا بیایید با درک اصول اولیه رزینهای SBC شروع کنیم.
رزینهای کوپلیمر استایرن بوتادین – ساختار و مزایای کلیدی
سادهترین کوپلیمر بلوکی را میتوان به صورت یک بلاک میانی الاستومری لاستیکمانند با یک یا دو بلاک انتهایی ترموپلاستیک (استایرن) تصور کرد. این موضوع در شکل زیر به تصویر کشیده شده است که در آن:
- ساختارهای سبز رنگ لوزیشکل، نشاندهنده بلاکهای انتهایی ترموپلاستیک هستند و
- دایرهها نشاندهنده بلاک میانی لاستیکی هستند.
نیاز کلیدی این است که مولکولهای لاستیک ترموپلاستیک با یک بلاک انتهایی سخت و شیشهمانند که با بلاکهای میانی لاستیکی ناسازگار است، خاتمه یابند.
مولکول سادهشده کوپلیمر استایرن بوتادین (بالا) نمایش ساختار SBC در حالت تودهای (پایین)
این ساختار دو فازی، ترکیبی غیرمعمول از خواص را فراهم میکند. بخشهای انتهایی پلیاستایرن (endblock)، نواحی یا دامنههایی مجزا از بخشهای میانی الاستومری (midblock) را تشکیل میدهند.
- در دماهای سرویسدهی، بخشهای پلیاستایرن به عنوان پیوندهای عرضی فیزیکی عمل میکنند تا بخشهای الاستومری را در یک شبکه سهبعدی به هم متصل و قفل کنند.
- در دماهای بالاتر، بخشهای انتهایی نرم میشوند و ماده میتواند تحت تنش جریان یابد.
از آنجایی که این مواد الاستومرهای ترموپلاستیک هستند، بسیاری از خواص عملکردی الاستومرهای ولکانیزه شده را دارا میباشند، اما میتوانند به راحتی با تجهیزات پردازش ترموپلاستیک معمولی فرآوری شوند. انرژی سطح پایین رزینهای کوپلیمر استایرن بوتادین منجر به ترشوندگی خوب زیرلایههای با انرژی سطح پایین مانند پلیاولفینها میشود.
هیچ برهمکنش شیمیایی قوی با زیرلایهها وجود ندارد؛ با این حال، استحکام چسبندگی بسیار خوبی از طریق توانایی رزینهای SBC در انطباق با سطح و توزیع یکنواخت انرژی در سراسر ناحیه اتصال حاصل میشود. این عوامل، چسبها را با استحکام پوستکنی بالا و سختی فراهم میکنند.
به راحتی میتوان دریافت که چرا کوپلیمرهای استایرن بوتادین یکی از محبوبترین پلیمرها برای استفاده در کاربردهای حساس به فشار (pressure-sensitive) و غیرحساس به فشار (non-pressure-sensitive) هستند.
ویژگیهای رزینهای SBC
- یکی از مهمترین ویژگیهای چسبها و درزگیرهای کوپلیمر استایرن بوتادین، تطبیقپذیری آنهاست.
- به دلیل ماهیت ترموپلاستیک خود، کوپلیمر استایرن بوتادین را میتوان به راحتی به صورت چسبهای حرارتی (هاتملت) یا محلولهای حلالی فرموله کرد.
- حتی میتوان آنها را از طریق تابش یا استفاده از گروههای انتهایی واکنشپذیر، به صورت شیمیایی شبکهای (کراسلینک) کرد.
- ماهیت ترموپلاستیک بلاکهای انتهایی، خواص پردازشی خوبی را در حالت مذاب فراهم میکند.
بنابراین، کوپلیمرهای استایرن بوتادین را میتوان هم در فرمولاسیونهای چسب حرارتی (هاتملت) و هم در فرمولاسیونهای چسب پایه حلالی استفاده کرد.
مزایا | معایب |
|---|---|
خواص لاستیکی قوی در دمای محیط، اما در دماهای بالا به سیال ویسکوز تبدیل میشوند | فرمولاسیونهای پیچیده: برای فرمولاسیونهای عملی، معمولاً به تکفایرها، نرمکنندهها (Plasticizers) و سایر افزودنیها (مانند آنتیاکسیدانها) نیاز است. |
عملکرد خوب در دماهای بالا و پایین | پیچیدگی فرمولاسیون (سیستم دوفازی): نیازمند مهارت است و همچنین برای بهینهسازی، به زمان توسعه نیاز دارد. |
چسبندگی ذاتی پایین (غیرانسدادی)، اما میتوان با افزودن عوامل چسبافزا (تَکفایرها) آن را به چسب حساس به فشار تبدیل کرد. | خزش (Creep) در دماهای بالا: مگر اینکه کراسلینک (شبکهای) شده باشند. |
چسبندگی عالی: انرژی سطحی پایین منجر به ترشوندگی خوب زیرلایههای با انرژی سطحی پایین مانند پلیاولفینها میشود | انواع خاصی (SBS، SIS) نیازمند محافظت در برابر اشعه فرابنفش (UV) و مقاومت در برابر اوزون هستند. انواع هیدروژنه شده (SEBS و SEPS) مقاومت بسیار بیشتری دارند |
خواص عایق الکتریکی خوب | به طور کلی برای کاربردهای غوطهوری توصیه نمیشوند و به اندازه ترکیبات بوتیل آبگریز (Hydrophobic) نیستند. |
قابلیت پخت از طریق ولکانیزاسیون یا سایر روشهای شیمیایی | مقاومت نسبتاً ضعیف در برابر حلالهای آلی و روغنها. |
هزینه نسبتاً پایین: میتوان با انواع پرکنندهها، افزودنیها و اصلاحکنندههای کمهزینه ترکیب شود. | |
تمیز و غیرسمی: بسیاری از فرمولاسیونها برای تماس با مواد غذایی و کاربردهای پزشکی تأیید شدهاند | |
محتوای جامد بسیار بالا در محلول: میتواند منجر به کاهش ترکیبات آلی فرار (VOC) برای ویسکوزیته ثابت شود. | |
محتوای جامد بسیار بالا در محلول: میتواند منجر به کاهش ترکیبات آلی فرار (VOC) برای ویسکوزیته ثابت شود. | |
سهولت در ترکیب (Compounding). | |
به راحتی در حلالهای آلیفاتیک و آروماتیک پراکنده میشود | |
خواص چسبندگی داخلی (Cohesive) و چسبندگی نهایی (Adhesive) را میتوان به راحتی با الزامات کاربرد تنظیم کرد. |
انواع رزینهای SBC – مقایسه خواص
بخش الاستومری در یک کوپلیمر بلوکی استایرنی عموماً پلیبوتیلن، پلیایزوپرن، پلی(اتیلن-کو-بوتیلن) یا پلی(اتیلن-کو-پروپیلن) است که منجر به چهار نوع اصلی از پلیمرهای SBC میشود:
- SBS: استایرن-بوتادین-استایرن
- SIS: استایرن-ایزوپرن-استایرن
- SEBS: استایرن-اتیلن/بوتیلن-استایرن (شکل هیدروژنه SBS)
- SEPS: استایرن-اتیلن/پروپیلن-استایرن (شکل هیدروژنه SIS)
استایرن-ایزوپرن/بوتادین-استایرن (SIBS) یک کوپلیمر نسبتاً جدید است که عمدتاً برای جایگزینی کوپلیمرهای SIS توسعه یافته است. SIBS به دلیل کمبود ایزوپرن تا حدی کمیاب و گران شدهاند.
خواص رایجترین کوپلیمرهای بلوکی استایرن در جدول زیر نمایش داده شده است. به طور کلی، کوپلیمرهای بلوکی اشباع شده (SEBS و SEPS) در مواردی استفاده میشوند که:
- پایداری حرارتی-اکسیداتیو بلندمدت حیاتی باشد،
- یا سازگاری با سایر اجزای چسب با قطبیت پایین مورد نیاز باشد.
ویژگی | SBS | SIS | SEBS | SEPS |
|---|---|---|---|---|
پایداری حرارتی | متوسط-ضعیف | ضعیف | عالی | عالی |
بلاک میانی (Midblock)
|
|
|
|
|
استحکام کششی (psi) | 700-4600 | 1200-3100 | 350-5000 | 300 |
ازدیاد طول (%) | 800-1100 | 1200-1300 | 500-750 | |
مدول 300% (psi) | 130-400 | 60-200 | 350-800 | |
سختی، شور A | 50-75 | 30-55 | 65-75 | 70-75 |
تغییرات در رزینهای کوپلیمر استایرن بوتادین
تغییرات اصلی در رزینهای کوپلیمر استایرن بوتادین شامل موارد زیر است:
- نوع فاز دیان بلاک میانی (بوتادین، اتیلن بوتیلن)
- وزن مولکولی (MW)
- نسبت استایرن به دیان (S/D)
- معماری مولکولی (به عنوان مثال، ساختارهای مولکولی شعاعی و خطی، نسبت دی-بلاک (SB) به تری-بلاک (SBS)).
نوع بلاک میانی
استحکام و سختی کوپلیمر بلوکی به این موارد بستگی دارد:
- ماهیت شیمیایی بخشهای بلاک میانی
- تعامل متقابل آنها
کوپلیمرهای بلوکی که محتوای استایرن یکسان، تقریباً وزن مولکولی بلوک یکسان، اما انواع مختلفی از بلاک میانی دارند، خواص مکانیکی متفاوتی از خود نشان میدهند.
خواص عملکردی نسبی کوپلیمرهای SBS، SIS، SEBS و SEPS در فرمولاسیونهای چسب و درزگیر در جدول زیر نشان داده شده است. از این جدول میتوان دریافت که بسته به جزئیات فرمولاسیون، همپوشانی زیادی در خواص فیزیکی این مواد وجود دارد.
ویژگی | SBS | SIS | SEBS | SEPS |
|---|---|---|---|---|
انعطافپذیری | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
استحکام کششی | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
چسبندگی (Adhesion) | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
قابلیت چسبافزایی (Tackifiable) | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
خواص الکتریکی | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ |
مقاومت در برابر کهنگی در فضای باز، UV و اکسیداسیون | ✔ | ✔ | ||
پایداری فرآیند در دمای بالا | ✔ | ✔ | ||
تأییدیه تماس با مواد غذایی | برخی | برخی | ✔ | ✔ |
قابلیت استریل شدن با بخار برای کاربردهای پزشکی | ✔ | ✔ | ||
عملکرد در دمای بالا و مقاومت در برابر خزش | ✔ | ✔ |
وزن مولکولی
- SIS از طریق شکست زنجیره (کاهش استحکام چسبندگی داخلی) تخریب میشود، در حالی که
- کوپلیمرهای از نوع بوتادین از طریق شبکهای شدن (افزایش سختی) تخریب میشوند.
- پلیمرهای تجاری SEBS پایداری بسیار بهتری در طول فرآیند مذاب دارند، زیرا بلاک میانی آنها لاستیک پلیاولفین اشباع شده است.
- علاوه بر چسبهای حساس به فشار (PSAs) و درزگیرها، پلیمرهای SEBS میتوانند در فرمولاسیون چسبهای لمینیت، چسبهای تماسی و چسبهای ساختاری به کار روند. همچنین میتوانند به عنوان ژلهای روغنی، گریسها و پوششها برای فرز شیمیایی استفاده شوند.
- پلیمرهای SEBS با واکسها سازگار هستند و میتوانند به عنوان یک جزء جزئی در پوششهای واکس برای بهبود انعطافپذیری استفاده شوند.
محتوای استایرن
-
در غلظتهای بسیار پایین پلیاستایرن، شبکهای شدن فیزیکی (physical crosslinking) نمیتواند رخ دهد.
-
در غلظت 20 تا 30 درصد، منحنی ویژگیهای یک لاستیک ولکانیزه شده را نشان میدهد.
-
در غلظتهای بالای 33 درصد، منحنی ویژگیهای یک ترموپلاستیک را از خود بروز میدهد.
محتوای استایرن همچنین یک متغیر مهم در تعیین سختی پلیمر SBC است. جدول زیر تأثیر درصد محتوای استایرن و وزن مولکولی را بر اندازهگیری سختی شور A (Shore A) نشان میدهد. رزینهای اصلی کوپلیمر استایرن بوتادین که در فرمولاسیونهای چسب استفاده میشوند، معمولاً دارای محتوای استایرن 15 تا 45 درصد هستند.
محتوای استایرن (%) | وزن مولکولی | سختی، شور A |
|---|---|---|
20 | 160,000 | 47 |
30 | 140,000 | 65 |
40 | 130,000 | 91 |
معماری مولکولی
-
این پلیمرهای جدید همچنین خواص چسبندگی اولیه (rolling ball tack properties) فرمولاسیون چسب را بهبود میبخشند.
-
این پلیمرهای جدید در فرمولاسیون چسبهای حساس به فشار (PSA) نویدبخش هستند.
فرمولاسیون با رزینهای SBC
علاوه بر پلیمر پایه، فرمولاسیونهای چسب و درزگیر کوپلیمر استایرن بوتادین حاوی افزودنیها و اصلاحکنندههایی هستند که با دقت ترکیب میشوند تا محصولات بهینهشدهای را نسبت به نیازهای فرآیندی و کاربرد نهایی خود ارائه دهند. (به جدول زیر مراجعه کنید)
ماده اولیه | خواص فیزیکی | خواص فیزیکی (ادامه) |
|---|---|---|
پلیمر پایه (کوپلیمر بلوکی استایرن) |
|
|
نرمکننده (رقیقکننده) |
|
|
چسبافزا (رزین) |
| |
واکس |
|
|
پرکنندهها |
|
|
پایدارکنندهها |
| مقاومت در برابر پیرشدگی طولانیمدت و شرایط جوی محیط بیرونی ایجاد میکند. |
حلالها |
|
|
نکات انتخاب و فرمولاسیون SBC بر اساس نوع سیستم
انتخاب رزین SBC برای تأمین الزامات کاربرد نهایی
- به طور کلی، رزینهای SIS در کاربردهایی که به حساسیت فشار خوب و استحکام چسبندگی داخلی پایین نیاز دارند (مانند نوار چسبها و برچسبها) استفاده میشوند.
- رزینهای SBS در مواردی که نیاز بیشتری به استحکام چسبندگی داخلی وجود دارد (مانند چسبهای هاتملت صنعتی و درزگیرها) به کار میروند. کوپلیمرهای هیدروژنه در کاربردهایی که نیاز به مقاومت خوب در برابر هوازدگی، اکسیداسیون و اشعه فرابنفش (UV) دارند، استفاده میشوند.
نوع SBC | ساختار | ویژگیها / مزایا | برچسبها، نوارها، محصولات یکبار مصرف | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
استایرن بوتادین استایرن | ۳۱٪ استایرن/خطی/۱۶٪ دیبلوک | استحکام بالا | ماستیک ساختمانی | ||||
۲۸٪ استایرن/خطی/۱۶٪ دیبلوک | گرانروی پایین | صحافی کتاب | |||||
۲۳٪ استایرن/شعاعی/۱۶٪ دیبلوک | برای حلالهای آلیفاتیک، پایداری رنگ | فوم پلاستوفوم (پلی استایرن) | |||||
۳۱٪ استایرن/خطی/ ۷۸٪ دیبلوک | استحکام همچسبی پایین | درزگیر های (Sealants) | |||||
۳۹٪ استایرن/شعاعی/۱۰٪ دیبلوک | برش بالا (High Shear)، پایداری رنگ | محصولات یکبار مصرف (پوشک و غیره) | |||||
استایرن ایزوپرن استایرن
(Styrene Isoprene Styrene - SIS) | ۱۵٪ استایرن/خطی/۱۷٪ دیبلوک | توازن خوبی از خواص | برچسبها، نوارها، محصولات یکبار مصرف | ||||
۱۵٪ استایرن/خطی/ ۲۲٪ دیبلوک | برش بالا و SAFT* (دمای شکست چسبندگی برشی) | ||||||
۱۵٪ استایرن/خطی/ ۳۸٪ دیبلوک | چسبندگی لایهای (Peel) بالا، استحکام همچسبی پایین | ||||||
۱۸٪ استایرن/خطی/۰٪ دیبلوک | برش بالا (High Shear)، پایداری رنگ | ||||||
۱۷٪ استایرن/ خطی/ ۳۳٪ دیبلوک | چسبندگی لایهای بالا، گرانروی پایین | ||||||
استایرن-بوتادین -اتیلن استایرن (Styrene-butadiene -ethylene-styrene - SEBS) | ۳۰٪ استایر/ خطی/۰٪ دیبلوک | استحکام بالا | محصولات یکبار مصرف | ||||
۳۱٪ استایرن/خطی/۰٪ دیبلوک | توازن استحکام و گرانروی | درزگیرها | |||||
۱۳٪ استایرن/خطی/۲۹٪ دیبلوک | نرم | چسبهای حساس به فشار (PSA)، درزگیرها | |||||
رزینهای SBC در درزگیرهای پایه حلالی
- پلیمرها مستقیماً محلول هستند — نیازی به آسیاب کردن (milling) نیست.
- زمان حل شدن کوتاه است — بهرهوری و کارایی بیشتر.
- محلولها یکنواختتر هستند — کنترل و قابلیت تکرارپذیری بهتر.
- ویسکوزیته محلول پایینتر است — درصد جامدات بالاتر، هزینه حلال کمتر، افزایش ضخامت لایه.
- محلولها پایدار هستند — ماندگاری بیشتر.
- حلالهای آروماتیک هر دو پلیبوتادین و پلیاستایرن را حل میکنند و حلالهای خوبی برای این پلیمرها هستند.
- حلالهای آلیفاتیک فقط بلاکهای پلیبوتادین را حل میکنند و بنابراین، فقط پلیمرهای بلوکی با محتوای استایرن پایین را حل خواهند کرد.
- مخلوطی از حلالهای آلیفاتیک و آروماتیک یا حلالهای قطبی نیز میتوانند استفاده شوند.
- نرمکنندهها در درزگیرها میتوانند مشکلاتی را در رابطه با چسبندگی سطحی (جذب کثیفی) و تبخیر (ایجاد مه و کاهش ازدیاد طول در طول زمان) ایجاد کنند.
- حلالهای موجود در این درزگیرها عمدتاً نفتا هستند که به اندازه کافی تولوئن برای حل کردن پلیمر به آنها اضافه شده است.
اجزاء | نسبت بر حسب وزن |
|---|---|
پلیمر اسبیاس
(کوپلیمر بلوکی استایرن-بوتادین-استایرن) | 100 |
رزین هیدروکربنی بلوک انتهایی | 75 |
خاک رس نرم | 200 |
زینک دیبوتیلدیتیوکاربامات | 2 |
پایدارکننده | 1 |
حلال ها | به میزان لازم
|
ویژگی | |
استحکام برشی در حالت همپوشانی (چوب/چوب)، psi | 590 |
اجزاء | نسبت بر حسب وزن |
|---|---|
پلیمر
SEBS (Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene) | 100 |
رزین هیدروکربنی انتهایی | 115 |
نفتا نوع VM&P (Varnish Makers & Painters Naphtha) | 22 |
پروپیل استات | 28 |
تولوئن | 12 |
منابع
- Harlan, J.T, Petterson, L.A., "Thermoplastic Rubber (A-B-A Block Copolymers) in Adhesives", Chapter 19 in Handbook of Adhesives, 2nd ed., I. Skeist, ed., van Nostrand Reinhold, New York, 1977 and Ewins, E.E. and Davis, G.A., "Thermoplastic Rubber (A-B-A Block Copolymers) in Adhesives", Chapter 13 in Handbook of Adhesives, 3rd ed., I. Skeist, ed., van Nostrand Reinhold, New York, 1991.
- Eastman Sealants Technical Tip TT-84, "Clear Thermoplastic Sealants Using Eastman Hydrocarbon Resins", Eastman Chemical Company.
