DE10034069A1 - Orientierte Acrylathotmelts - Google Patents

Orientierte Acrylathotmelts

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DE10034069A1
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Stephan Zoellner
Marc Husemann
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    • C09J133/00—Adhesives based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Adhesives based on derivatives of such polymers
    • C09J133/04—Homopolymers or copolymers of esters
    • C09J133/06—Homopolymers or copolymers of esters of esters containing only carbon, hydrogen and oxygen, the oxygen atom being present only as part of the carboxyl radical
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09J7/381—Pressure-sensitive adhesives [PSA] based on macromolecular compounds obtained by reactions involving only carbon-to-carbon unsaturated bonds
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Abstract

Haftklebemasse, erhältlich durch radikalische Polymerisation, dadurch gekennzeichnet, daß DOLLAR A È die Haftklebemasse zu mindestens 65 Gew.-% auf zumindest einem acrylischen Monomer aus der Gruppe der Verbindungen der folgenden allgemeinen Formel basiert: DOLLAR F1 wobei R¶1¶ = H oder CH¶3¶ ist und der Rest R¶2¶ = H oder CH¶3¶ ist oder gewählt wird aus der Gruppe der verzweigten oder unverzweigten, gesättigten Alkylgruppen mit 2-20 Kohlenstoffatomen, DOLLAR A È das mittlere Molekulargewicht der Haftklebemasse mindestens 650000 beträgt, DOLLAR A È die auf einen Träger aufgetragene Haftklebemasse eine Vorzugsrichtung besitzt, wobei der in Vorzugsrichtung gemessene Brechungsindex n¶MD¶ größer ist als der in einer Richtung senkrecht zur Vorzugsrichtung gemessene Brechungsindex n¶CD¶ und wobei die Differenz DELTAn = n¶MD¶ - n¶CD¶ mindestens 1 È 10·-5· beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft orientierte Polyacrylathaftklebemassen mit anisotropen Eigen­ schaften.
Durch immer größere Umweltauflagen und Kostendruck besteht zur Zeit der Trend zur Herstellung von Haftklebemassen ohne, oder nur mit geringen Mengen an Lösemittel. Dieses Ziel kann am einfachsten durch die Heißschmelz-Technologie (Hotmelt-Techno­ logie) verwirklicht werden. Ein weiterer Vorteil ist die Produktionszeitverkürzung. Hotmelt- Anlagen können Klebemassen bedeutend schneller auf Träger oder Trennpapier laminie­ ren und so Zeit und Geld einsparen.
Die Hotmelt-Technologie stellt aber immer höhere Anforderungen an die Klebemassen. Für hochwertige industrielle Anwendungen werden insbesondere Polyacrylate bevorzugt, da diese transparent und witterungsstabil sind.
Zur Herstellung von Acrylathotmelts werden konventionell Acrylatmonomere in Lösung polymerisiert und anschließend das Lösemittel in einem Aufkonzentrationsprozeß im Extruder entfernt.
Neben den Vorteilen in der Transparenz und der Witterungsstabilität müssen Acrylat­ haftklebemassen aber auch hohen Anforderungen im Bereich Scherfestigkeit gerecht werden. Dies wird durch Polyacrylate mit hohem Molekulargewicht, hoher Polarität und anschließender effizienter Vernetzung erreicht.
Für die Eigenschaften von Haftklebemassen spielt auch die Orientierung der Makromole­ küle eine bedeutende Rolle. Während der Herstellung, der Weiterverarbeitung oder der späteren (mechanischen) Beanspruchung von Polymeren bzw. Polymermassen kann es zu hohen Orientierungsgraden der Makromoleküle in bevorzugte Richtungen im gesam­ ten Polymerverband kommen. Durch die Orientierung kann es zu besonderen Eigenschaften der entsprechenden Polymere kommen. Einige Beispiele für durch den Orientie­ rungsgrad beeinflußbare Eigenschaften sind Festigkeit bzw. Steifigkeit der Polymere bzw. der daraus hergestellten Kunststoffe, thermische Leitfähigkeit, thermische Stabilität sowie anisotropes Verhalten bezüglich der Durchlässigkeit für Gase und Flüssigkeiten. Eine wesentliche von der Orientierung der Bausteine abhängende Eigenschaft ist die Brechung des Lichtes (ausgedrückt durch den entsprechenden Brechungsindex n) bzw. die Verzögerung δ.
Von der verfahrenstechnischen Seite bietet die Elektronenstrahlvernetzung Vorteile. So können beispielsweise durch die Vernetzung bestimmte Zustände "eingefroren" werden.
Die Erhaltung der partiellen Orientierung in teil-kristallinen Kautschuk-Klebemassen wurde bereits in der US 5,866,249 beschrieben. Durch die anisotropen Klebeigenschaf­ ten konnten innovative Haftklebeanwendungen definiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, orientierte Polyacrylatmassen zur Verfügung zu stellen, welche eine hinreichende Lebensdauer des anisotropen Zustands besitzen und welche durch ihre Orientierung günstige Eigenschaften bezüglich ihrer Verwendung als Haft­ klebemasse besitzen, insbesondere bezüglich ihrer Klebeeigenschaften. Aufgabe ist es weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung solcher Haftklebemassen anzubieten.
Gelöst wird die Aufgabe überraschend und für den Fachmann in nicht vorhersehbarer Weise durch die Haftklebemasse, wie sie im Hauptanspruch dargestellt ist. Die Unter­ ansprüche betreffen bevorzugte Weiterentwicklungen dieser Haftklebemasse. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung derartiger Haftklebemassen sowie eine Verwendung hierfür beansprucht.
Der Hauptanspruch betrifft dementsprechend eine Haftklebemasse, welche durch radika­ lische Polymerisation erhältlich ist, wobei
  • - die Haftklebemasse zu mindestens 65 Gew.-% auf zumindest einem acrylischen Monomer aus der Gruppe der Verbindungen der folgenden allgemeinen Formel basiert:
    wobei R1 = H oder CH3 ist und der Rest R2 = H oder CH3 ist oder gewählt wird aus der Gruppe der verzweigten oder unverzweigten, gesättigten Alkylgruppen mit 2-20 Kohlenstoffatomen.
  • - das mittlere Molekulargewicht der Haftklebemasse mindestens 650.000 beträgt,
  • - die auf einen Träger aufgetragene Haftklebemasse eine Vorzugsrichtung besitzt, wobei der in Vorzugsrichtung gemessene Brechungsindex nMD größer ist als der in einer Richtung senkrecht zur Vorzugsrichtung gemessene Brechungsindex nCD, und wobei die Differenz Δn = nMD - nCD mindestens 1 . 10-5 beträgt,
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfinderischen Haftklebemassen ist der Rest R2 gewählt aus der Gruppe der verzweigten oder unverzweigten, gesättigten Alkylgruppen mit 4-9 Kohlenstoffatomen.
Als nicht ausschließliche Beispiele für Alkylgruppe, welche für den Rest R2 in bevorzugter Weise Anwendung finden können, seien im folgenden genannt Butyl-, Pentyl-, Hexyl-, Heptyl-, Octyl-, Isooctyl-, 2-Methylheptyl-, 2-Ethylhexyl-, Nonyl-, Decyl-, Dodecyl-, Lauryl-, oder Stearyl(meth)acrylat oder (Meth)acrylsäure.
In einer weiteren sehr günstigen Ausführungsform der erfinderischen Haftklebemasse werden als Monomere Vinylverbindungen, welche funktionelle Gruppen enthalten, mit einem Anteil von 0-35 Gewichtsprozent eingesetzt. In diesem Sinne fallen auch Acryl­ verbindungen mit funktionellen Gruppen unter die Bezeichnung "Vinylverbindung". Solche funktionelle Gruppen enthaltenden Vinylverbindungen sind Maleinsäureanhydrid, Styrol, Styrol-Verbindungen, Vinylacetat, (Meth)acrylamide, N-substituierte (Meth)acrylamide, β- Acryloyloxypropionsäure, Vinylessigsäure, Fumarsäure, Crotonsäure, Aconitsäure, Dimethylacrylsäure, Trichloracrylsäure, Itaconsäure, Vinylacetat, Hydroxyalkyl(meth)acry­ lat, aminogruppenhaltige (Meth)acrylate, hydroxygruppenhaltige (Meth)acrylate, beson­ ders bevorzugt 2-Hydroxyethyl(meth)acrylat, 2-Hydroxypropyl-(meth)acrylat, und/oder 4- Hydroxybutyl(meth)acrylat und mit Doppelbindung funktionalisierte Fotoinitiatoren; die vorstehende Aufzählung ist nur beispielhaft und nicht abschließend.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung orientierter Acrylathaftklebemassen bean­ sprucht, welches insbesondere hervorragend geeignet ist, die erfinderischen Haftklebe­ massen herzustellen. Dieses Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
  • - Polymerisation eines Gemisches enthaltend zumindest ein Monomer auf Vinyl-, Acryl- oder Methacrylbasis oder eine Kombination dieser Monomere, wobei das mittlere Molekulargewicht der entstehenden Polymere oberhalb von 650.000 liegt,
  • - anschließender Extrusionsbeschichtung der Polymermasse,
  • - anschließender Vernetzung der Polymermasse auf dem Träger durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen.
Die Extrusionsbeschichtung erfolgt dabei bevorzugt durch eine Extrusionsdüse. Die ver­ wendeten Extrusionsdüsen können aus einer der drei folgenden Kategorien stammen: T-Düse, Fischschwanz-Düse und Bügel-Düse. Die einzelnen Typen unterscheiden sich durch die Gestalt ihres Fließkanals. Zur Herstellung von orientierten Acrylatahftklebe­ massen wird besonders bevorzugt mit einer Bügeldüse auf einen Träger beschichtet, und zwar derart, daß durch eine Relativbewegung von Düse zu Träger eine Polymerschicht auf dem Träger entsteht.
Die Zeitdauer zwischen der Beschichtung und der Vernetzung ist in günstiger Weise sehr gering, bevorzugt nicht größer als 10 s.
Durch die Ausformung des Acrylathotmelts in der Bügel-Düse sowie den Austritt aus der Düse mit einer bestimmten Filmdicke, durch die Reckung des Haftklebemassenfilms beim Übertrag auf das Trägermaterial auf eine dünnere Filmdicke und durch die anschließende Inline-Vernetzung wird die Orientierung erhalten.
Für die Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zusammensetzung der entspre­ chenden Monomere derart gewählt wird, daß die resultierenden Klebemassen entspre­ chend D. Satas [Handbook of Pressure Sensitive Adhesive Technology, 1989, Verlag VAN NOSTRAND REINHOLD, New York] haftklebende Eigenschaften besitzen. Hierfür sollte die Glasübergangstemperatur der Acrylathaftklebemasse unterhalb 25°C liegen.
Die freie radikalische Polymerisation kann in Gegenwart eines organischen Lösungsmit­ tels oder in Gegenwart von Wasser oder in Gemischen aus organischen Lösungsmitteln und Wasser oder in Substanz durchgeführt werden. Bevorzugt wird so wenig Lösungsmittel wie möglich eingesetzt. Die Polymerisationszeit beträgt - je nach Umsatz und Temperatur - zwischen 6 und 48 h.
Bei der Lösungsmittelpolymerisation werden als Lösemittel vorzugsweise Ester gesättig­ ter Carbonsäuren (wie Ethylacetat), aliphatische Kohlenwasserstoffe (wie n-Hexan oder n-Heptan), Ketone (wie Aceton oder Methylethylketon), Siedegrenzbenzin oder Gemi­ sche dieser Lösungsmittel verwendet. Für die Polymerisation in wäßrigen Medien bzw. Gemischen aus organischen und wäßrigen Lösungsmitteln werden zur Polymerisation bevorzugt die dem Fachmann zu diesem Zwecke bekannten Emulgatoren und Stabilisa­ toren zugesetzt. Als Polymerisationsinitiatoren werden übliche radikalbildende Verbin­ dungen wie beispielsweise Peroxide, Azoverbindungen und Peroxosulfate eingesetzt. Auch Initiatorgemische können verwendet werden. Bei der Polymerisation können wei­ tere Regler zur Molekulargewichtssenkung und Verringerung der Polydispersität einge­ setzt werden. Als sogenannte Polymerisationsregler können beispielsweise Alkohole und Ether verwendet werden. Das Molekulargewicht der Acrylathaftklebemassen liegt vorteil­ haft zwischen 650.000 und 2.000.000 g/mol, mehr bevorzugt zwischen 700.000 und 1.000.000 g/mol.
In einer bevorzugten Vorgehensweise wird die Polymerisation in Polymerisationsreakto­ ren durchgeführt, die im allgemeinen mit einem Rührer, mehreren Zulaufgefäßen, Rückflußkühler, Heizung und Kühlung versehen sind und für das Arbeiten unter N2- Atmosphäre und Überdruck ausgerüstet sind.
Nach der Polymerisation in Lösemittel kann das Polymerisationsmedium unter vermin­ dertem Druck entfernt werden, wobei dieser Vorgang bei erhöhten Temperaturen, bei­ spielsweise im Bereich von 80 bis 150°C durchgeführt wird. Die Polymere können dann in lösemittelfreiem Zustand, insbesondere als Schmelzhaftkleber, eingesetzt werden. In manchen Fällen ist es auch von Vorteil, die erfindungsgemäßen Polymere in Substanz herzustellen.
Zur Herstellung der Acrylathaftklebemassen können die Polymere in üblicher Weise modifiziert werden. Beispielsweise können klebrigmachende Harze, wie Terpen-, Ter­ penphenol-, C5-, C9-, C5/C9-Kohlenwasserstoff-, Pinen-, Inden- oder Kolophoniumharze auch in Kombination miteinander zugesetzt werden. Weiterhin können auch Weich­ macher, verschiedene Füllstoffe (z. B. Fasern, Ruß, Zinkoxid, Titandioxid, Mikrovollku­ geln, Voll- oder Hohlglaskugeln, Kieselsäure, Silikaten, Kreide, blockierungsfreie Isocyanate etc.), Alterungsschutzmittel, Lichtschutzmittel, Ozonschutzmittel, Fettsäuren, Weichmacher, Keimbildner, Blähmittel und/oder Beschleuniger als Zusätze verwendet werden. Zusätzlich können Vernetzer und Promotoren zur Vernetzung beigemischt wer­ den. Geeignete Vernetzer für die Elektronenstrahlvernetzung sind beispielsweise bi- oder multifunktionelle Acrylate, bi- oder multifunktionelle Isocyanate oder bi- oder multifunktio­ nelle Epoxide.
Die reinen oder abgemischten Acrylathotmelts werden durch eine Düse mit variabler Schlitzbreite auf einen Träger beschichtet und anschließend auf dem Träger mit Elektro­ nenstrahlen gehärtet. Als Trägermaterial sind prinzipiell BOPP, PET, Vlies, PVC, Schaum oder Trennpapiere (Glassine, HDPE, LDPE) geeignet. Die Vernetzung erfolgt im Inline- Betrieb unmittelbar nach dem Auftragen der Haftklebemasse auf den Träger.
Die Messung der Orientierung der Klebemasse kann mit einem Polarimeter, mit Infrarot- Dichroismus oder mit Röntgenstreuung erfolgen. Die Messungen zeigten, daß die Orien­ tierung in Acrylathaftklebemassen im unvernetzten Zustand lediglich einige Tage erhalten bleibt. Das System relaxiert in der Ruhe- oder Lagerungszeit und verliert seine Vorzugs­ richtung. Durch die sofortige Elektronenstrahl-Vernetzung nach der Beschichtung durch die Düse kann dieser Effekt bedeutend verstärkt werden. Die Relaxierung der orientierten Polymerketten konvergiert gegen null, und die orientierten Haftklebemassen können ohne Verlust ihrer Vorzugsrichtung über einen sehr großen Zeitraum gelagert werden. Die Ausprägung der Orientierung innerhalb der Acrylathaftklebemassen ist sowohl von der Düsen- und Beschichtungstemperatur als auch von der Temperatur des Trägermate­ rials abhängig. Die besten Orientierungs-Effekte werden durch das Ablegen auf einer kalten Oberfläche erzielt. Daher sollte das Trägermaterial durch eine Walze während der Beschichtung direkt gekühlt werden. Die Kühlung der Walze kann durch einen Flüssig­ keitsfilm von außen oder von innen oder durch ein kühlendes Gas erfolgen. Weiterhin sollte zur Erzielung eines hohen Orientierungsgrades die Beschichtungs- und Düsentem­ peratur herabgesetzt werden. Der Grad der Orientierung ist durch die Düsenspaltbreite frei einstellbar. Je dicker der Haftklebemassenfilm ist, der aus der Extrusionsdüse her­ ausgedrückt wird, desto stärker kann die Klebemasse auf einen dünneren Haftklebemas­ senfilm auf dem Trägermaterial gereckt werden. Dieser Reckungsvorgang kann neben der frei einstellbaren Düsenbreite auch durch die Bahngeschwindigkeit des abnehmen­ den Trägermaterials frei eingestellt werden. Durch den Beschichtungsvorgang wird die Klebemasse orientiert.
Die Anisotropie kann auch nachträglich durch Streckung einer Acrylathaftklebemasse auf einem dehnbaren Träger erzeugt werden.
Experimente
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden durch Experimente beschrieben.
Folgende Testmethoden wurden angewendet, um die klebtechnischen Eigenschaften der hergestellten Haftklebemassen zu evaluieren.
Testmethoden 180° Klebkrafttest (Test A)
Ein 20 mm breiter Streifen einer auf einer Polyester oder silikonisiertem Trennpapier gecoateten Acrylathaftklebemasse wurde auf Stahlplatten aufgebracht. Es wurde - je nach Richtung und Reckung - Längs oder Quermuster auf der Stahlplatte verklebt. Der Haftklebestreifen wurde zweimal mit einem 2 kg Gewicht auf das Substrat aufgedrückt. Das Klebeband wurde anschließend sofort mit 30 mm/min und im 180° Winkel vom Sub­ strat abgezogen. Die Stahlplatten wurden zweimal mit Aceton und einmal mit Isopropanol gewaschen. Die Messergebnisse sind in N/cm angegeben und sind gemittelt aus drei Messungen. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur unter klimatisierten Bedingun­ gen durchgeführt.
Messung der Doppelbrechung (Test B) Version 1
Ein Spektralphotometer Modell Uvikon 910 wurde im Probenstrahl mit zwei gekreuzten Polaroidfiltem versehen. Orientierte Acrylate wurden zwischen zwei Objekträgern fixiert. Die Schichtdicke der orientierten Probe wurde aus Vorversuchen mittels Dickentaster ermittelt. Die derart vorbereitete Probe wurde im Meßstrahl des Spektralphotometers derart plaziert, daß ihre Orientierungsrichtung um jeweils 45° von den optischen Achsen der beiden Polaroidfilter abwich. Mittels einer zeitaufgelösten Messung wurde dann die Transmission T über die Zeit verfolgt. Aus den Transmissionsdaten wurde dann die Dop­ pelbrechung gemäß folgender Beziehung ermittelt:
T = sin2(π × R), wobei R = Retardation.
Die Retardation R setzt sich wie folgt zusammen:
wobei d = Probendicke
Die Transmission setzt sich weiterhin aus
zusammen. Somit ergibt sich letztend­ lich für die Doppelbrechung
Version 2
Die Messung der Doppelbrechung erfolgte mit einem Versuchsaufbau, wie er analog in der Encyclopedia of Polymer Science, John Wiley & Sons, Vol. 10, S. 505, 1987 als Cir­ cular-Polariskop beschrieben ist. Das ausgesendete Licht eines diodengepumpten Fest­ körperlasers mit der Wellenlänge λ = 532 nm wird zunächst durch ein Polaroidfilter linear polarisiert und dann unter Verwendung einer λ/4-Platte mit λ = 532 nm zirkular polarisiert. Dieser derart polarisierte Laserstrahl wird sodann durch die orientierte Acrylatmasse geführt. Da Acrylatmassen hochtransparent sind, kann der Laserstrahl die Masse prak­ tisch ungehindert passieren. Sind die Polymermoleküle der Acrylatmasse orientiert, so hat dies eine Änderung der Polarisierbarkeit der Acrylatmasse je nach Beobachtungswin­ kel zur Folge (Doppelbrechung). Der E-Vektor des zirkular polarisierten Laserstrahles erfährt durch diesen Effekt eine Drehung um die Fortschreitungsachse des Laserstrahles. Nach Verlassen der Probe wird der derart manipulierte Laserstrahl durch eine zweite λ/4- Platte mit λ = 532 nm geführt, deren optische Achse um 90° von der optischen Achse der ersten λ/4-Platte abweicht. Nach diesem Filter schließt sich ein zweiter Polaroidfilter an, der ebenfalls um 90° vom ersten Polaroidfilter abweicht. Schließlich wird die Intensität des Laserstrahles mit einem Photosensor vermessen und Δn wie unter Version 1 beschrieben bestimmt.
Bestimmung des Gelanteils Test C
Die sorgfältig getrockneten lösungsmittelfreien Klebstoffproben werden in ein Vliestüt­ chen aus Polyethylen (Tyvek-Vlies) eingeschweißt. Aus der Differenz der Proben­ gewichte vor der Extraktion und nach der Extraktion durch Toluol wird der Gelwert bestimmt.
Messung des Zug-/Dehnungsverhalten Test D
Streifen der Muster mit einer Breite von mindestens 30 mm und einer Länge von 50 mm wurden zu einem Probenkörper laminiert, um mindestens eine Dicke von 0,5 mm zu erreichen. Eventuelle Lufteinschlüsse sind dabei weitestgehend vermieden worden. Das erhaltene Laminat wurde auf eine Breite von exakt 20 mm geschnitten und die Streifen­ enden mit Papier verklebt. Die Länge des Probenstücks zwischen den Papierstreifen­ enden betrug dabei genau 25 cm. Die Dicke des Streifens wurde anschließend mittels eines Dickentasters auf 10 µm genau ermittelt.
Der so erhaltene Probenkörper wurde dann unter Zuhilfenahme einer Universalprüf­ maschine (Fa. Frank) einer Zug-/Dehnungsmessung unterworfen. Die ermittelten Kräfte wurden jeweils auf den Ausgangsquerschnitt als Spannung angegeben. Die relativen Dehnungen beziehen sich auf die Ausgangslänge von 25 mm. Als Prüfgeschwindigkeiten wurden 100, 300 und 600 mm/min eingestellt.
Messung des Rückschrumpfes Test E
Parallel zur Beschichtungsrichtung des Hotmelts wurden Streifen von min. 30 mm Breite und 20 cm Länge geschnitten. Bei Masseauftragen von 130 g/m2 wurden je 3 Streifen, bei 50 g/m2 8 Streifen übereinander laminiert, um vergleichbare Schichtdicken zu erhal­ ten. Der derart erhaltene Körper wurde dann auf exakt 20 m Breite geschnitten und an den jeweiligen Enden in einem Abstand von 15 cm mit Papierstreifen überklebt. Der auf diese Weise präparierte Prüfkörper wurde dann bei RT vertikal aufgehängt und die Ände­ rung der Länge über die Zeit verfolgt, bis keine weitere Schrumpfung der Probe mehr festgestellt werden konnte. Die um den Endwert reduzierte Ausgangslänge wurde dann bezogen auf die Ausganglänge als Rückschrumpf in Prozent angegeben.
Für die Messung der Orientierung nach längerer Zeit wurden die beschichteten und ori­ entierten Haftklebemassen über einen längeren Zeitraum als Lappenmuster gelagert und anschließend analysiert.
Herstellung der Proben Beispiel 1
Ein für radikalische Polymerisationen konventioneller 200 L-Reaktor wurde mit 2500 g Acrylsäure, 47,5 kg 2-Ethylhexylacrylat, und 30 kg Aceton/Isopropanol (97 : 3) befüllt. Nach 45 Minuten Durchleiten mit Stickstoffgas unter Rühren wurde der Reaktor auf 58°C hochgeheizt und 20 g 2,2'-Azoisobuttersäurenitril (AIBN) hinzugegeben. Anschließend wurde das äußere Heizbad auf 75°C erwärmt und die Reaktion konstant bei dieser Außentemperatur durchgeführt. Nach 1 h Reaktionszeit wurde wiederum 20 g AIBN hin­ zugegeben. Nach 5 h und 10 h wurde mit jeweils 15 kg Aceton/Isopropanol (97 : 3) ver­ dünnt. Die Reaktion wurde nach 48 h Reaktionszeit abgebrochen und auf Raumtempe­ ratur abgekühlt. Zur Beschichtung aus Lösung auf einen mit Vorstrich versehenen Poly­ esterträger wurde mit einem Streichbalken auf 130 g/m2 ausgestrichen, für 10 Minuten bei 120°C im Trockenschrank getrocknet, mit silikonisiertem Trennpapier abgedeckt und letztendlich mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 40 kGy und einer Beschleunigungs­ spannung von 230 kV bestrahlt. Zur Analyse wurden die Testmethoden A, B und C durchgeführt.
Für die Hotmeltbeschichtungen wurde das Lösungsmittel in einem Aufkonzentrations­ extruder entfernt.
Beispiel 2
Die Herstellung erfolgte analog Beispiel 1. Zur Polymerisation wurden 5000 g Acrylsäure, 45 kg 2-Ethylhexylacrylat und 30 kg Aceton/Isopropanol (97 : 3) eingesetzt. Im weiteren Verlauf wurden die identischen Lösungsmittel- und Initiatormengen verwendet. Die Muster wurden mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 30 kGy bestrahlt. Zur Analyse wurden die Testmethoden A, B und C durchgeführt.
Beispiel 3
Die Herstellung erfolgte analog Beispiel 1. Zur Polymerisation wurden 3500 g Acrylsäure, 36,5 kg 2-Ethylhexylacrylat, 10 kg Methylacrylat und 30 kg Aceton/Isopropanol (97 : 3) eingesetzt. Im weiteren Verlauf wurden die identischen Lösungsmittel- und Initiatormen­ gen verwendet. Die Muster wurden mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 30 kGy bestrahlt. Zur Analyse wurden die Testmethoden A, B und C durchgeführt.
Beispiel 4
Die Herstellung erfolgte analog Beispiel 1. Zur Polymerisation wurden 3000 g Acrylsäure, 35,5 kg 2-Ethylhexylacrylat, 7,5 kg Methylacrylat, 4 kg N-tert.-Butylacrylamid und 30 kg Aceton/Isopropanol (97 : 3) eingesetzt. Im weiteren Verlauf wurden die identischen Lösungsmittel- und Initiatormengen verwendet. Die Muster wurden mit Elektronenstrah­ len einer Dosis von 30 kCy bestrahlt. Zur Analyse wurden die Testmethoden A, B und C durchgeführt.
Beispiel 5
Die Herstellung erfolgte analog Beispiel 1. Zur Polymerisation wurden 3500 g Acrylsäure, 20,75 kg 2-Ethylhexylacrylat, 20,75 kg Butylacrylat, 5 kg Methylacrylat, und 30 kg Ace­ ton/Isopropanol (97 : 3) eingesetzt. Im weiteren Verlauf wurden die identischen Lösungs­ mittel- und Initiatormengen verwendet. Die Muster wurden mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 50 kGy bestrahlt. Zur Analyse wurden die Testmethoden A, B und C durchge­ führt.
Beispiel 6 Reckung der Acrylathotmelts, Muster A-L
Zur Erzeugung der Muster A-L wurde Beispiel 4 im Trocknungsextruder aufkonzentriert und durch eine Düse mit 300 µm (Muster A-F) und 780 µm Spaltbreite (G-L) auf einen silikonisierten Trennpapierträger mit 130 g/m2 beschichtet
Die Bahngeschwindigkeit des Trägers betrug 80 m/min. Für die Muster A-C sowie G-I wurde der Trennpapierträger mit dem Haftklebefilm über eine Kühlwalze mit 25°C geführt. Bei den Mustern D-F sowie J-L wurde diese Walze auf 90°C hochgeheizt. Zur Untersuchung des Relaxationsverhaltens wurden die Muster A, D, G und J sofort nach der Beschichtung im Inline-Prozess mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 30 kGy und einer Beschleunigungsspannung von 230 kV ESH vernetzt. Die Muster B, E, H, und K wurden nach der Beschichtung für eine Stunde bei Raumtemperatur gelagert und anschließend mit identischen Verfahrensparametern elektronenstrahlvernetzt. Die Muster C, F, I, und L wurden nach der Beschichtung für 48 Stunden bei Raumtemperatur gela­ gert und anschließend mit identischen Verfahrensparametern elektronenstrahlvernetzt. Zur Analyse wurden von allen Mustern die Testmethoden A, B und C durchgeführt.
Beispiel 7 Muster 1#
Es wurde analog Beispiel 6 vorgegangen. Als Haftklebemasse wurde Beispiel 1 einge­ setzt. Die Beschichtung erfolgt durch eine 300 µm breite Düse mit 130 g/m2 Masseauftrag, einer Chillrolltemperatur von 25°C (Außentemperatur der Stahlwalze, auf der das Trägermaterial beschichtet wird) der und einer Bahngeschwindigkeit von 80 m/min. Es wurde mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 40 kGy vernetzt und zur Analyse die Test­ methoden A, B, C, D und E durchgeführt.
Beispiel 8 Muster 2#
Es wurde analog Beispiel 6 vorgegangen. Als Haftklebemasse wurde Beispiel 2 einge­ setzt. Die Beschichtung erfolgt durch eine 300 µm breite Düse mit 130 g/m2 Masseauf­ trag, einer Chillrolltemperatur von 25°C und einer Bahngeschwindigkeit von 80 m/min. Es wurde mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 30 kGy vernetzt und zur Analyse die Testmethoden A, B, C, D und E durchgeführt.
Beispiel 9 Muster 3#
Es wurde analog Beispiel 6 vorgegangen. Als Haftklebemasse wurde Beispiel 3 einge­ setzt. Die Beschichtung erfolgt durch eine 300 µm breite Düse mit 130 g/m2 Masseauf­ trag, einer Chillrolltemperatur von 25°C und einer Bahngeschwindigkeit von 80 m/min. Es wurde mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 30 kGy vernetzt und zur Analyse die Testmethoden A, B, C, D und E durchgeführt.
Beispiel 10 Muster 5#
Es wurde analog Beispiel 6 vorgegangen. Als Haftklebemasse wurde Beispiel 5 einge­ setzt. Die Beschichtung erfolgt durch eine 300 µm breite Düse mit 130 g/m2 Masseauf­ trag, einer Chillrolltemperatur von 25°C und einer Bahngeschwindigkeit von 80 m/min. Es wurde mit Elektronenstrahlen einer Dosis von 50 kGy vernetzt und zur Analyse die Testmethoden A, B, C, D und E durchgeführt.
Resultate
Zur Untersuchung der Orientierung von Acrylathaftklebemassen und deren Vernetzbar­ keit wurden zunächst verschiedene Acrylathaftklebemassen über freie radikalische Poly­ merisation hergestellt. Alle Klebemassen sind bezüglich Temperaturstabilität und Fließ­ viskosität im Hotmelt-Prozess verarbeitbar. Die dargestellten Acrylathaftklebemassen wurden in Lösung polymerisiert und anschließend im Trocknungsextruder aufkonzentriert. Die Comonomerzusammensetzung der einzelnen Klebemassen ist in Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1
Comonomerzusammensetzung der einzelnen Acrylathaftklebemassen
Das mittlere Molekulargewicht der Beispiele 1-5 betrug etwa 800.000 g/mol. Als Refe­ renzmuster wurden die Beispiele 1-5 aus Lösung auf eine mit einem Vorstrich (Primer) versehende Polyesterfolie mit 130 g/m2 aufgetragen, bei 120°C getrocknet, mit Elektro­ nenstrahlung gehärtet und anschließend klebtechnisch ausgeprüft. Zur Beurteilung der Effizienz der Vernetzung wurde der Gelwert der Klebemassen gemessen. Der Gelwert gibt den unlöslichen Anteil der Haftklebemasse in Toluol wider. Ferner wurden die Sofort­ klebkräfte auf Stahl gemessen. Die Ergebnisse der Ausprüfungen sind in Tabelle 2 dar­ gestellt.
Tabelle 2
Klebtechnische Ausprüfung der Referenzmuster
Die Gelwerte variieren - je nach Comonomerzusammensetzung und Dosis zwischen 55 und 72%.
Durch den relativ hohen Anteil polarer Monomere sind die Klebemassen kohäsiv und besitzen daher relativ geringe Sofortklebkräfte auf Stahl von etwa 6-6,5 N/cm. Messun­ gen in Quer- sowie Längsrichtung ergaben im Rahmen der Meßfehler nahezu die identi­ schen Klebkräfte. Die Messung der Doppelbrechung zeigte keine Orientierung innerhalb der Klebemassen. Es wurden keine unterschiedlichen Polarisierbarkeiten in Längs- und Querrichtung festgestellt.
Zur Untersuchung des Orientierungseffektes wurden die Beispiele 1-5 im Trocknungs­ extruder zu 100%-Systemen aufkonzentriert und durch eine Düse mit unterschiedlicher Schlitzbreite beschichtet.
Zur Herstellung orientierter Acrylathotmelts wurde die Haftklebemasse durch den Fließ­ vorgang innerhalb der Düse vororientiert. Anschließend wird der Klebefilm auf das Trä­ germaterial mit einer bestimmten Schichtdicke übertragen. Zur Einstellung der Schicht­ dicke ist ein bestimmtes Reckverhältnis zwischen Düsenbreite und Schichtdicke erforder­ lich. Dieser Effekt kann durch Erhöhung der Beschichtungsgeschwindigkeit (Bahnge­ schwindigkeit des aufnehmenden Trägermaterials) verstärkt werden. Durch das Verhält­ nis von Düsenspaltbreite und Schichtdicke der Klebemasse auf dem Trägermaterial kann das Maß der Orientierung der Polymerketten frei variiert werden.
Zur experimentellen Bestätigung wurden die Klebemassen mit unterschiedlichen Reck­ verhältnissen und weiteren Versuchsparametern beschichtet. Zur Minimierung der Rela­ xationszeit wurden die Haftklebemasse nach der Beschichtung im Inline-Prozess mit Elektronenstrahlen vernetzt. Die Relaxationszeiten lagen somit deutlich unterhalb 10 s. Ergänzende Versuche haben gezeigt, daß nach 48 h noch Orientierungen nachweisbar sind. Diese Experimente wurden mit Beispiel 4 durchgeführt und das optimale Reckver­ hältnis, die optimale Temperatur der Beschichtungswalze und der Zeitpunkt der Inline- Vernetzung ermittelt. Die Experimente sind in Tabelle 3 zusammengefaßt.
Tabelle 3
Versuchsparameter zur Orientierung der Klebemasse 4
Das Reckverhältnis wurde durch Variation der Düsenbreite eingestellt. Der Masseauftrag blieb konstant bei 130 g/m2. Die Muster wurden jeweils mit einer Elektronenstrahl-Dosis von 30 kGy bestrahlt. Alle gereckten Muster sind alphabetisch aufgelistet.
Die Orientierung innerhalb der Acrylathaftklebemassen wurde durch Quantifizierung der Doppelbrechung bestimmt. Der Brechungsindex n eines Mediums ist gegeben über den Quotienten aus der Lichtgeschwindigkeit c0 im Vakuum und der Lichtgeschwindigkeit c in dem betrachteten Medium (n = c0/c), n ist eine Funktion der Wellenlänge des jeweiligen Lichts. Als Maß für die Orientierung der Haftklebemasse dient die Differenz Δn des in eine Vorzugsrichtung (Verstreckungsrichtung, machine direction MD) gemessenen Bre­ chungsindex nMD und des in einer Richtung senkrecht zur Vorzugsrichtung (cross direc­ tion CD) gemessenen Brechungsindex nCD, also Δn = nMD - nCD, dieser Wert ist durch die in Test B beschriebenen Messungen zugänglich.
Alle Muster zeigten eine Orientierung der Polymerketten. Die ermittelten Δn-Werte sind in Tabelle 3 aufgelistet, wobei die größte Orientierung für das Muster G gemessen wurde (Δn = 1,0 . 10-4). Für das weniger stark gereckte Muster A wurde ein Δn-Wert von 9,3 . 10-5 bestimmt.
Der entsprechende Δn-Wert ist abhängig von der Comonomerzusammensetzung und dem Verzweigungsgrad des Polymers. Für die hier dargestellten Polymere ist die Haft­ klebemasse erfindungsgemäß orientiert, wenn der Δn-Wert < 1 . 10-5 beträgt.
Die Orientierung innerhalb der Acrylathaftklebemassen in dem oben angegebenen Grad konnte somit durch die Doppelbrechungsmessung für die vermessenen Proben nachge­ wiesen werden.
Die Auswirkungen auf die klebtechnischen Eigenschaften sind in Tabelle 4 dargestellt:
Tabelle 4
Für die Muster A und G wurden bezugnehmend auf die Klebkräfte für MD (maschine direction; Verstreckungsrichtung (Längsrichtung, in der die Haftklebemasse gereckt wurde)) und für CD (cross direction, Querrichtung, senkrecht auf MD) nur relativ geringe Unterschiede in der Klebkraft gemessen, wobei für MD jeweils die niedrigen Werte gemessen wurden. Auch die Gelwerte nach der Elektronenstrahl-Vernetzung schwanken relativ wenig mit dem Grad der Orientierung. Die stärksten Orientierungen wurden mit kurzer Relaxationszeit und kalter Beschichtungsrolle erzielt.
Um die universelle Übertragbarkeit zu gewährleisten, wurden weitere Acrylathotmelts mit unterschiedlichen Comonomerzusammensetzungen aus der Schmelze beschichtet. Die Ergebnisse der klebtechnischen Ausprüfung sind in Tabelle 5 dargestellt.
Tabelle 5
Die Ausprüfungen der gereckten Muster zeigen, daß generell Acrylathaftklebemassen mit anisotropen Klebeeigenschaften erzeugt werden können, indem die Haftklebemasse in einer Extrusionsdüse ausgeformt wird, bei der Beschichtung stark gereckt wird und die­ ser Zustand anschließend mit Elektronenbestrahlung "eingefroren" wird. Die für Muster 1#, 2#, 3#, 5# ermittelten Δn-Werte liegen in etwa auf dem Niveau desjenigen von Muster G. Für die Muster 1#, 2#, 3# und 5# wurden nur relativ geringe Unterschiede in den Kleb­ kräften für Längs- und Querrichtung gemessen. Wiederum werden in Verstreckungsrich­ tung (MD) niedrigere Klebkräfte gemessen.
Dagegen zeigen Zug/Dehnmessungen einen deutlichen Einfluß der Orientierung auf die physikalischen Eigenschaften der Haftklebemassen. In Abb. 1 und 2 sind die Zug/Dehn-Diagramme der Muster 1#, 2#, 3# und 5# dargestellt.
Die Muster 1#, 2#, 3# und 5# zeigen nach der Orientierung in Verstreckungsrichtung (MD) eine bedeutend geringere Dehnung. Die Spannung steigt bereits auf einer sehr kurzen Strecke schnell an und die Muster reißen. In der Querrichtung (CD) lassen sich Beispiele mit weit über 1000% Dehnung weiter strecken und sind in dieser Richtung bedeutend weniger reißfest.
Für die klebtechnische Anwendung dieser orientierten Haftklebemassen ist der Rückschrumpf ein entscheidender Faktor. Orientierte Klebemassen besitzen die Ten­ denz, sich nach der Streckung in eine vorgegebene Richtung durch das 'Entropieelasti­ sche Verhalten' in den Ausgangszustand zurückzubewegen. Zur analytischen Fassung dieser Problematik wurde der Rückschrumpf der orientierten Muster bestimmt.
Die bei Raumtemperatur ermittelten Werte sind in Tabelle 6 aufgelistet:
Tabelle 6
Die Werte wurden jeweils nach 1 Woche Lagerung ermittelt. Weiterhin verdeutlicht der starke Rückschrumpf aller orientierten Muster das Bestreben der Haftklebemasse, wieder in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Durch die Elektronenstrahl-Vernetzung kann die Orientierung eingefroren werden. Die Muster 1#, 2#, 3# und 5# wurden in Tabelle 7 mit den dargestellten Elektronenstrahl-Dosen vernetzt, um dann nach 2-mona­ tiger Lagerung wiederum den Rückschrumpf dieser Haftklebemassen zu ermitteln.
Tabelle 7
Tabelle 7 belegt, daß durch die Elektronenstrahl-Vernetzung die Orientierung eingefroren werden und auch nach 2-monatiger Lagerung durch den Rückschrumpf für Produkt­ anwendungen genutzt werden kann. Der Vergleich mit den jeweils unvernetzten Mustern verdeutlicht, daß die Haftklebemassen ohne Vernetzung relaxieren und somit der Rückschrumpf nicht mehr existent ist. Hier ist im Gegenteil bei einigen Proben sogar eine geringfügige Ausdehnung der Proben während der Messung zu beobachten, welche auf die auf die aufgehängten Proben einwirkende Schwerkraft zurückzuführen ist.
Für Produktanwendungen läßt sich der Rückschrumpf noch durch Temperatureinwirkung beschleunigen. In Tabelle 8 wurde der Rückschrumpf der Muster in Abhängigkeit von der Temperatur und der Zeit gemessen.
Tabelle 8
Durch die Temperaturbehandlung wird der Rückschrumpf wesentlich beschleunigt. Die Muster erreichen bei einer Temperierung von 60°C schon nach relativ kurzer Zeit (3 h) einen Rückschrumpf von über 80% und damit nahezu einen Wert, der sonst erst bei Lagerung von mehreren Tagen erzielt wird. Dies kann bevorzugt bei spannungsfreien Verklebungen auf gewölbten Oberflächen genutzt werden.
Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse lassen sich neue Haftklebebandprodukte reali­ sieren, die sich diese beschriebenen Effekt zunutze machen. Bei Verklebungen von Kabelbäumen im Motorraum treten z. T. sehr hohe Temperaturunterschiede auf. Daher werden bevorzugt Acrylathaftklebebänder für solche Anwendungen eingesetzt. Im Gegensatz zu einer handelsüblichen Acrylatklebemasse wird eine orientierte Klebemasse sich bei Erwärmung durch den beschriebenen und gemessenen Rückschrumpf zusam­ menziehen und somit einen festen Verbund aus den Kabeln und dem dämmenden Vlies bilden. Gegenüber den orientierten Naturkautschukklebemassen bleiben die Vorteile, wie z. B. höhere Temperaturbeständigkeit in einem großen Temperaturfenster sowie die bes­ sere Alterungsbeständigkeit bestehen.
Weiterhin kann man sich den rückschrumpfenden Effekt bei Verklebungen von gewölbten Oberflächen zunutze machen. Durch Aufbringen eines Haftklebebandes auf eine gewölbte Oberfläche mit anschließender Erhitzung zieht sich das Haftklebeband zusam­ men und gleicht sich somit der Wölbung des Substrates an. Auf dieser Weise wird die Verklebung deutlich erleichtert und die Anzahl der Lufteinschlüsse zwischen Substrat und Klebeband deutlich verringert. Die Haftklebemasse kann die optimale Wirkung aufbrin­ gen. Dieser Effekt kann durch ein orientiertes Trägermaterial noch unterstützt werden. Nach der Applikation schrumpft unter Erhitzung sowohl das Trägermaterial und die orien­ tierte Haftklebemasse, so daß die Verklebungen auf der Wölbung vollkommen span­ nungsfrei sind.
Die erfindungsgemäßen Haftklebemassen bieten ebenfalls einen weiten Bereich für Anwendungen, die Vorteile der geringen Dehnung in Längsrichtung sowie der Möglichkeit des Rückschrumpfes in einer vorteilhaften Weise ausnutzen.
Auch die Eigenschaft der Vordehnung der Haftklebemassen läßt sich hervorragend nut­ zen. Ein weiteres beispielhaftes Einsatzgebiet für solche hochorientierten Acrylathaft­ klebemassen sind stripbare doppelseitige Verklebungen. Im Gegensatz zu herkömmli­ chen Stripprodukten ist die orientierte Haftklebemasse bereits zu mehreren 100%ten vorgedehnt, so daß zur Entfernung der doppelseitigen Verklebung die Arcylathaftklebe­ masse in Verstreckungsrichtung (MD) nur noch um wenige Prozent gedehnt werden muß. In besonders bevorzugter Weise werden diese Produkte als Acrylathotmelts mit einer Schichtdicke von mehreren 100 µm hergestellt. In besonders bevorzugter Weise werden Reinacrylate eingesetzt. Gegenüber herkömmlichen Systemen (Mehrschichtauf­ bauten, SIS-Klebemassen) sind die orientierten Acrylatstrips transparent, alterungsstabil und kostengünstig in der Fertigung.

Claims (7)

1. Haftklebemasse, erhältlich durch radikalische Polymerisation, dadurch gekennzeich­ net, daß
die Haftklebemasse zu mindestens Gew.-65% auf zumindest einem acrylischen Monomer aus der Gruppe der Verbindungen der folgenden allgemeinen Formel basiert:
wobei R1 = H oder CH3 ist und der Rest R2 = H oder CH3 ist oder gewählt wird aus der Gruppe der verzweigten oder unverzweigten, gesättigten Alkylgruppen mit 2- 20 Kohlenstoffatomen.
das mittlere Molekulargewicht der Haftklebemasse mindestens 650.000 beträgt,
die auf einen Träger aufgetragene Haftklebemasse eine Vorzugsrichtung besitzt, wobei der in Vorzugsrichtung gemessene Brechungsindex nMD größer ist als der in einer Richtung senkrecht zur Vorzugsrichtung gemessene Brechungsindex nCD, und wobei die Differenz Δn = nMD - nCD mindestens 1 . 10-5 beträgt.
2. Haftklebemasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als acrylisches Monomer zumindest eines aus der Gruppe der Verbindungen der folgenden allge­ meinen Formel
wobei R1 = H oder CH3 ist und der Rest R2 gewählt wird aus der Gruppe der ver­ zweigten oder unverzweigten, gesättigten Alkylgruppen mit 4-9 Kohlenstoffatomen eingesetzt wird.
3. Haftklebemasse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß
als Monomere Vinylverbindungen zu einem Anteil von bis zu 35 Gew.-% eingesetzt werden, insbesondere eine oder mehrere Vinylverbindungen gewählt aus der folgen­ den Gruppe:
Vinylester, Vinylhalogenide, Vinylidenhalogenide, Nitrile ethylenisch ungesättigter Kohlenwassserstoffe.
4. Haftklebemasse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß Harze oder andere Additive, wie Alterungsschutzmittel, Lichtschutzmittel, Ozon­ schutzmittel, Fettsäuren, Weichmacher, Keimbildner, Blähmittel, Beschleuniger und/oder Füllmittel zugesetzt sind.
5. Haftklebemasse nach einem der oberen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Vernetzung der Polyacrylatmasse Vernetzer zugesetzt sind, insbesondere bi- oder multifunktionelle Acrylate und/oder Methacrylate, bi- oder multifunktionelle Iso­ cyanate oder bi- oder multifunktionelle Epoxide.
6. Verfahren zur Herstellung orientierter Acrylathaftklebemassen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - Polymerisation eines Gemisches enthaltend zumindest ein Monomer auf Vinyl-, Acryl- oder Methacrylbasis oder eine Kombination dieser Monomere, wobei das mittlere Molekulargewicht der entstehenden Polymere oberhalb von 650.000 liegt,
  • - anschließender Extrusionsbeschichtung der Polymermasse,
  • - anschließender Vernetzung der Polymermasse auf dem Träger durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen
7. Klebeband mit einer ein- oder beidseitig auf einem Träger aufgetragenen Acrylathaft­ klebemasse nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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