Taśma samoprzylepna klei bez schnięcia, bo jej klej jest jednocześnie trochę cieczą i trochę sprężystym ciałem stałym
Pressure-sensitive adhesive (PSA) pozostaje lepki przez cały okres użytkowania. Pod lekkim naciskiem musi płynąć wystarczająco szybko, by dopasować się do mikroskopijnych nierówności podłoża i wytworzyć duży rzeczywisty obszar kontaktu. Podczas odrywania powinien zachowywać się bardziej sprężyście i lepkosprężyście: rozciągać się, tworzyć włókna, rozpraszać energię i nie zostawać w całości na powierzchni. Zbyt twardy polimer nie zwilży podłoża, zbyt płynny będzie pełzał i pozostawiał resztki. Taśma działa dzięki precyzyjnemu kompromisowi reologicznemu, a nie przez wysychanie kleju.
Rzeczywisty kontakt jest mniejszy niż geometryczna powierzchnia
Szkło, metal, papier i plastik mają chropowatość od nanometrów do mikrometrów. Sztywny materiał dotykałby tylko wierzchołków nierówności. Miękki PSA pod naciskiem odkształca się i zwiększa kontakt.
Dahlquist sformułował empiryczne kryterium tack: aby PSA łatwo zwilżał podłoże przy krótkim docisku, jego moduł zachowawczy w odpowiednim zakresie częstotliwości powinien być niski, klasycznie poniżej około 0,1 MPa. To nie prawo fundamentalne, lecz użyteczna granica projektowa pokazująca, że dobry klej samoprzylepny musi być bardzo miękki w porównaniu z konstrukcyjną żywicą epoksydową.
Tack wymaga przepływu w krótkim czasie
Kiedy dociskamy taśmę na sekundę, polimer musi szybko przesunąć segmenty łańcuchów. Dlatego dobry PSA ma niski moduł przy wolnych/odpowiednich odkształceniach i temperaturę zeszklenia wyraźnie poniżej temperatury użytkowania.
Ale klej nie może być zwykłą lepką cieczą
Po przyłożeniu stałej siły warstwa powinna oprzeć się powolnemu zsuwaniu. Potrzebna jest kohezja — splątania łańcuchów, lekkie usieciowanie albo domeny fizyczne utrzymujące materiał razem.
Przy odrywaniu PSA często tworzy mikrokawerny na interfejsie, które rozciągają się w fibryle kleju. Długi płaskowyż siły na krzywej peel wynika z ciągłego rozciągania i zrywania tych struktur. Jeśli polimer jest zbyt kruchy, pęknięcie przebiegnie szybko i energia adhezji będzie mała; jeśli za płynny, fibryle zerwą się kohezyjnie i zostawią lepką warstwę na podłożu.
Odrywanie rozprasza dużo energii
Przed frontem pęknięcia klej może tworzyć wydłużone kawerny i włókna. Ich deformacja zużywa energię, dlatego siła odrywania jest znacznie większa niż wynikałaby z samych oddziaływań molekularnych na idealnie gładkim interfejsie.
Tackifier stroi zachowanie polimeru
Żywice niskocząsteczkowe mieszane z elastomerem mogą zwiększać lepkość powierzchniową i zmieniać relaksację. Formuła dobiera proporcje tak, by uzyskać żądany kompromis między tack, peel i shear.
Szybkość odrywania działa podobnie do zmiany temperatury dzięki zasadzie superpozycji czas–temperatura. Szybkie pociągnięcie daje łańcuchom mało czasu na relaksację, więc materiał wydaje się bardziej sprężysty i twardy. Powolne obciążenie pozwala mu pełzać. Dlatego etykieta może dobrze znosić krótkie szarpnięcie, a mimo to po miesiącach pod stałym ciężarem powoli się przesuwać.
Temperatura zmienia charakter kleju
W zimnie segmenty poruszają się wolniej i PSA może stać się za twardy, by dobrze zwilżyć powierzchnię. W cieple może płynąć zbyt łatwo. Zakres użytkowy wynika bezpośrednio z lepkosprężystości.
Taśma jest małym laboratorium reologii
Ten sam materiał musi zachowywać się inaczej zależnie od szybkości wymuszenia: podczas dociskania ma płynąć, podczas gwałtownego odrywania pochłaniać energię, a przez długi czas utrzymywać obciążenie. „Kleistość” jest więc funkcją czasu, temperatury i deformacji, nie pojedynczą stałą.
Podłoże o bardzo niskiej energii powierzchniowej, takie jak polietylen czy PTFE, jest trudne do zwilżenia nawet dla miękkiego PSA. Specjalne akryle, kauczuki z tackifierami albo aktywacja powierzchni plazmą zwiększają adhezję. Uniwersalna taśma nie istnieje w sensie chemicznym: ten sam lepkosprężysty film tworzy inne interfejsy z papierem, szkłem i fluoropolimerem.
Przyczepność taśmy zależy również od czasu docisku. Po pierwszym kontakcie polimer w ciągu sekund i minut powoli pełza w zagłębienia podłoża, zwiększając rzeczywistą powierzchnię styku i liczbę oddziaływań van der Waalsa. Dlatego peel measured natychmiast po aplikacji może być mniejszy niż po dobie. Nie trzeba tworzyć nowych wiązań kowalencyjnych, aby połączenie „dojrzewało”: wystarczy relaksacja lepkosprężysta i lepsze dopasowanie topografii. PSA pokazuje, że adhezja jest procesem zależnym od historii czasu równie mocno jak od chemicznej pary materiałów.
Warstwa release liner na rolce taśmy lub etykiet wykorzystuje odwrotną inżynierię powierzchni: silikonowana powłoka ma tak małą energię i tak niski poziom oddziaływania z PSA, by klej dał się czysto odwinąć, lecz pozostał na właściwym nośniku. Produkt składa się więc z dwóch zaprojektowanych interfejsów o różnych energiach pękania. To, że klej „wie, po której stronie zostać”, nie wynika z kierunkowości cząsteczek, lecz z asymetrii adhezji do dwóch powierzchni.