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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von druckempfindlichen
Klebepolymeren ("PSA") und, spezifischer,
ihre Herstellung in einem überkritischen,
fluiden reaktiven Medium ("SCF").
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Eine
Vielzahl von Beschichtungen wurde als Antwort auf die Forderung
von Kunden und Regierungen, dass flüchtige organische Verbindungen
("VOCs") reduziert und/oder
von Beschichtungsformulierungen eliminiert werden, entwickelt. Diese
beinhalten u.a. Pulverbeschichtungen, Beschichtungen auf Wasserbasis,
Beschichtungen aus organischen Lösungsmitteln
mit hohem Feststoffgehalt und SCF-Beschichtungen. Die Verwendung
von überkritischen
Fluiden als Träger
und Viskositätsverminderer
zum Transport einer Vielzahl von Beschichtungsmaterialien sowie
zum effizienten Aufsprühen
dieser Materialien auf eine beschichtungsfähige Oberfläche, während gleichzeitig die Menge
an VOCs, die für
die Anwendung erforderlich ist, reduziert wird, wurde in einer Anzahl
früherer
Publikationen vorgeschlagen. Eine gute Rückschau dieser Publikationen
kann beispielsweise im US Patent Nr. 5,212,229 gefunden werden.
Berichte über
die Leistung von SCF-Beschichtungen
können
beispielsweise in Goad et al., "Supercritical
Fluid (SCF) Application of SMC Primers: Balancing Transfer Efficiency
and Appearance",
SPI Compos Inst Annu Expo, Proc J Soc Plast Ind, Band 5, 2. Seite,
Session 21A (1997); und Nielsen, et al., "Supercritical Fluid Coating: Technical
Development of a New Pollution Prevention Technology", Water-Borne & Higher Solids
and Powder Coatings Symposium, 24.–26. Februar, 1993, New Orleans,
LA, gesponsert von The University of Southern Mississippi, Department
of Polymer Science and Southem Society for Coatings Technology.
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US 5,824,726 betrifft Reaktionsmischungen
für die
Multiphasen-Polymerisation, welche in der Herstellung von wasserunlöslichen
Polymeren nützlich
sind. Die Multiphasen-Mischung
umfasst eine Kohlendioxidphase, eine getrennte wässrige Phase und ein wasserunlösliches
Polymer, wobei das Verhältnis
der Kohlendioxidphase zu der wässrigen
Phase zwischen ungefähr
1:99 und ungefähr
99:1, basierend auf dem Volumen, liegt.
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Der
Verwendung der SCF-Technologie in der Klebetechnik wurde jedoch
bisher von der Fachwelt wenig Überlegung
gegeben. Es ist Aufgabe der Erfindung, die SCF-Technologie für PSA-Kleber zu implementieren.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Stabilisierung oder
Dispergierung von druckempfindlichen Klebepolymeren (PSA), insbesondere
von unpolaren und polaren Polymeren mit niedrigem Tg und
hoher Klebewirksamkeit, die in der Formulierung von PSAs nützlich sind,
in einem überkritischen
Fluid (SCF), wie flüssiges
CO2 oder überkritisches CO2,
indem ein organisches Co-Lösungsmittel,
wie Toluol, verwendet wird. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung deckt auf, dass PSA-Polymer in SCF-Fluiden polymerisiert werden
können,
um einzigartige Klebeprodukte herzustellen. Der Einbau eines fluorierten
Reaktanten in den SCF-Polymerisationsprozess ergibt ein PSA mit
verbessertem Widerstand gegenüber
Mineralöl.
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Daher
wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung
eines druckempfindlichen Klebeprodukts (PSA) gelöst, worin ein oder mehrere
monomere oder oligomere PSA-Reaktanten einer Polymerisation unterworfen
werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanten einer Polymerisation
in einem Lösungsmittel
unterworfen werden, das im Wesentlichen aus flüssigen oder überkritischen
Kohlendioxid-Fluiden besteht.
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Bevorzugt
ist das Fluid überkritisches
Kohlendioxid.
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Es
ist weiter bevorzugt, dass das überkritische
Kohlendioxid bei 103 × 103 hPa (1500 psi) ist.
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Weiterhin
beinhalten die Reaktanten bevorzugt ein C1-C12-Alkylacrylat oder Methacrylat. Noch bevorzugter
beinhalten die Reaktanten ein fluoriertes Monomer oder Oligomer.
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Die
Aufgabe ist weiterhin durch eine verbesserte druckempfindliche Klebezusammensetzung
(PSA) gelöst,
welche ein PSA-Polymer umfasst, das in einem Lösungsmittel aus überkritischem,
nahe-kritischem oder unterkritischem Fluid und einem organischen
Co-Lösungsmittel
dispergiert ist.
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Bevorzugt
ist das Fluid Kohlendioxid. Bevorzugter ist das Fluid überkritisches
Kohlendioxid.
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Das
Co-Lösungsmittel
ist bevorzugt ein oder mehrere Ester, welche die folgenden Eigenschaften
aufweisen: Molekulargewichtsbereich von 116 bis 297, Dichtebereich
von 0,855 bis 0,898 und ϰo Faktor (Sauerstoffheteroatome)
von 0,108 bis 0,275; ein Alkohol, welcher folgenden Eigenschaften
besitzt: Molekulargewichtsbereich von 144 bis 186, Dichtebereich
von 0,827 bis 0,831 und ϰo Faktor (Sauerstoffheteroatome)
von 0,086 bis 0,111; oder ein Kohlenwasserstoff, welcher die folgenden
Eigenschaften besitzt: Molekulargewichtsbereich von 86 bis 227,
Dichtebereich von 0,659 bis 0,865 und ϰo Faktor (Sauerstoffheteroatome)
von 0.
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Bevorzugter
ist das Co-Lösungsmittel
eines oder mehrere von Trans-2-hexenylacetat, Ethyl-trans-3-hexanoat,
Methylcapronat, Isobutyl-isobutyrat, Butylacetat, Butylmethacrylat,
Hexylacetat, Butylbutyrat, Pentylpropionat, Methylenanthat, Ethylcaproat,
Methyldodekanoat, 2-Ethylbutylacetat, Methyloleat, Dodekylacetat,
Methyltridekanoat, Sojabohnenöl-Methylester,
Hexan, Heptan, Tetradekan, Hexadekan, Toluol, 1-Hexadeken, 1-Dodekanol, 1-Nonanol
und Mischungen daraus.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist noch weiterhin von einem Verfahren zur
Bildung einer stabilen Dispersion eines druckempfindlichen Klebe-(PSA)-Polymers
in einem Lösungsmittel
aus überkritischem,
nahekritischem oder unterkritischem Fluid gelöst, wobei das Verfahren das
Dispergieren des PSA-Polymers in einer Mischung aus dem Fluid und
einem organischen Co-Lösungsmittel
umfasst.
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Bevorzugt
ist das Fluid Kohlendioxid. Bevorzugter ist das Fluid überkritisches
Kohlendioxid.
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Weiterhin
ist das Co-Lösungsmittel
bevorzugt eines oder mehrere aus Toluol, Trans-2-hexenylacetat, Ethyl-trans-3-hexanoat,
Methylcapronat, Isobutyl-isobutyrat, Butylacetat, Butylmethacrylat,
Hexylacetat, Butylbutyrat, Pentylpropionat, Methylenanthat, Ethylcaproat,
Methyldodekanoat, 2-Ethylbutylacetat, Methyloleat, Dodekylacetat,
Methyltridekanoat, Sojabohnenöl-Methylester,
Hexan, Heptan, Tetradekan, Hexadekan, 1-Hexadeken, 1-Dodecanol oder 1-Nonanol.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist auch durch eine druckempfindliche Klebezusammensetzung
(PSA) mit verbessertem Mineralölwiderstand
gelöst,
welches ein PSA-Polymer umfasst, das aus einem oder mehreren PSA-Monomer-
oder Oligomer-Reaktanten hergestellt wird, welche einer Polymerisation
in einem Lösungsmittel
bestehend aus flüssigen oder überkritischen
Kohlendioxidfluiden unterworfen wird, worin der Reaktant einen fluorierteen
Monomer- oder Oligomer-Reaktanten beinhaltet.
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Bevorzugt
ist das Fluid überkritisches
Kohlendioxid. Bevorzugter ist das überkritische Kohlendioxid bei 103 × 103 hPa (1500 psi).
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Die
Reaktanten beinhalten bevorzugt ein C1-C12-Alkylacrylat oder Methacrylat.
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In
dieser Anmeldung bedeutet der Begriff (Co)Polymer entweder ein Polymer
oder ein Co-Polymer, welches ein Homopolymer beinhaltet. Der Begriff
(Co)Polymerisation bedeutet entweder eine Polymerisation oder eine
Co-Polymerisation, welche eine Homopolymerisation beinhaltet. Weiterhin
bedeutet der Begriff (Meth)Acrylat entweder Acrylat oder Methacrylat.
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Die
vorliegende Erfindung erweitert die Verwendung des Fluid CO2 oder überkritischen
CO2 auf PSA-Klebesysteme ausgehend von seiner
Verwendung in Beschichtungssystemen, wie es im Stand der Technik
vorgeschlagen wird. Die vorliegende Erfindung beruht auf mehreren
fundamentalen Entdeckungen in Bezug auf PSA-Systeme und fluiden
CO2 oder überkritischem CO2.
Zunächst,
bestimmte Klassen von Co-Lösungsmittel
sind erforderlich, um konventionelle PSA-(Co)Polymere in CO2-Fluid oder überkritischem CO2 zu stabilisieren.
Weiterhin wurde entdeckt, dass PSA(Co)Polymere in CO2-Fluid
oder überkritischem
CO2 als das Reaktionslösungsmittel synthetisiert werden
können,
selbst bis zum Ausschluss von anderen konventionellen organischen
Lösungsmitteln.
Außerdem
wurde entdeckt, dass ein verbesserter Öl- und Brennstoff-Widerstand in
PSA-Polymere eingeführt werden
kann, die in CO2-Fluid oder überkritischem
CO2 synthetisiert wurden, indem ein fluorisiertes
Monomer in die Reaktionsmischung eingebaut wurde.
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In
Bezug auf die anfangs erwähnte
Verwendung von bestimmten Klassen an Co-Lösungsmittel
zur Stabilisierung von konventionellen PSA-Polymeren in CO2-Fluid oder überkritischem CO2 sind
andere Klassen von Co-Lösungsmitteln
für polare
(z.B. acrylische) als für
unpolare (z. B. Polybuten) PSAs erforderlich. Für esterartige Co-Lösungsmittel zum Auflösen oder
Dispergieren von Polybuten (ein typisches unpolares PSA-Polymer)
in CO2-Fluid oder überkritischem CO2,
sollte das Co-Lösungsmittel
die folgenden Eigenschaften aufweisen: Molekulargewichtsbereich
von 116 bis 297, Dichtebereich von 0,855 bis 0,898 und ein ϰo
Faktor (Sauerstoffheteroatome) von 0,108 bis 0,275. Für alkoholartige
Co-Lösungsmittel
sollte das Co-Lösungsmittel
die folgenden Eigenschaften aufweisen: Molekulargewichtsbereich
von 144 bis 186, Dichtebereich von 0,827 bis 0,831 und ϰo
Faktor (Sauerstoffheteroatome) von 0,086 bis 0,111. Schließlich, für kohlenwasserstoffartige Co-Lösungsmittel
sollte das Co-Lösungsmittel
die folgenden Eigenschaften aufweisen: Molekulargewichtsbereich
von 86 bis 227, Dichtebereich von 0,659 bis 0,865 und ϰo
Faktor (Sauerstoffheteroatome) von 0.
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Der ϰ (chi)
Faktor basiert auf der von McGinniss vorhergesagten Beziehung, wie
sie in Organic coatings in Plastic Chemistry, Bände 39 und 46, Seiten 529–543 und
214–223
(1978 und 1982) jeweils beschrieben wird. Der von McGinniss vorhergesagte
Zusammenhang definiert den ϰ-Faktor als einen Gewichtsbruchteil
von Heteroatomen, die in dem Monomer oder in der Monomer-Wiederholungseinheit
eines Oligomers oder Polymers enthalten sind.
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Beim
Bewerten von geeigneten Co-Lösungsmitteln
wurde Polybuten (MW-Bereich von 66.000 bis 107.000) in CO2-Fluid oder überkritischem CO2 in
gleichen Gewichtsteilen mit den Co-Lösungsmittel aufgelöst und die
Anzahl von Millilitern an CO2, die zu einem
Gramm der Mischung zugegeben werden kann und dennoch eine klare
Lösung
bleibt oder eine stabile Dispersion ergibt (Lösungszahl) aufgezeichnet. Repräsentative Co-Lösungsmittel werden unten gezeigt.
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Die
Co-Lösungsmittel
1 bis 17 sind Ester, die Co-Lösungsmittel
18 bis 24 sind Kohlenwasserstoffe und die Co-Lösungsmittel 25 und 26 sind
Alkohole. Das Gewichtsverhältnis
von (Co)Polymer zu Lösungsmittel kann
von ungefähr
0,5 bis 2 variieren.
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Eine
der Hauptverwendungen von PSAs ist das Befestigen von Rändern und
Vorsprüngen
an einer Vielzahl von Transportvehikeln (Automobilen, Bussen, Zügen, Traktoren,
LKWs, Booten, etc.). Die gegenwärtige
PSA-Technologie verwendet typischerweise (Co)Polymere auf Acrylbasis,
welche eine ausgezeichnete Adhäsion
an einer Vielzahl von polaren (angestrichenen, nicht-angestrichenen
und aktiven) Oberflächen
aufweisen. Das Hauptproblem mit den gegenwärtigen acrylischen PSAs ist
ihr schlechter Widerstand gegenüber Ölen, Brennstoffen
und Schmierstoffen, die üblicherweise
im Gebiet der Transportanwendungen und -umgebungen gefunden werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines speziellen
fluorenthaltenden Monomers, welches den Öl- und Brennstoffwiderstand
von acrylischem PSA deutlich erhöht, während es
seine Klebrigkeit und gute Bindungsfähigkeit-Eigenschaften beibehält.
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Indem
flüssiges
CO2 oder in überkritischen CO2 Fluiden
als das Polymerisations-Vehikel oder Medium verwendet werden, können neue
(Co)Polymere von Acrylmonomeren mit niedrigem Tg in
Kombination mit fluorierten (meth)acrylischen Monomeren gemacht
werden. Repräsentative
Acrylmonomere mit niedrigem Tg sind Ethylacrylat,
Butylacrylat, Hexylacrylat, Oktylacrylat und Dodekylacrylat. Repräsentative
fluorierte (Meth)Acrylat-Monomere
beinhalten Trifluormethylacrylat und Trifluormethylmethacrylat.
Wie in den Beispielen demonstriert werden wird, können Klebewerte
formuliert werden in einem Bereich von zwischen 480 bis 0, indem
die Menge an Butylacrylat und fluoriertem Oktylmethacrylat variiert
wird. Widerstand gegenüber
Mineralöl
kann jedoch bis zu 30 Minuten betragen. Ein zusätzlicher Vorteil bei der Verwendung
von flüssigem
CO2 oder in überkritischen CO2 Fluiden
als das (Co)Polymerisations-Vehikel ist, dass keine weiteren organischen Lösungsmittel
erforderlich sind und dass die fluorierten Monomere in die Stabilisierung
des PSA-(Co)Polymerprodukts unterstützend eingreifen.
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Bezug
nehmend auf geeignete polymerisierbare Monomere, im weitesten Sinne
beinhalten solche Monomere jedes ethylenisch ungesättigte Monomer
oder Oligomer, welches in der Gegenwart eines Initiators (co)polymerisiert
werden kann. In der Klebetechnik finden acrylische oder Acrylat-Verbindungen
große
Akzeptanz in der Industrie. Eine weitere geeignete Klasse von ethylenisch
ungesättigten
Verbindungen sind Vinylverbindungen, während eine dritte große Klasse
Verbindungen sind, die eine ethylenische Ungesättigkeit als Rückgrad enthalten,
wie sie durch ethylenisch ungesättigte
Polyester-Oligomere typifiziert werden.
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Bezug
nehmend mit größerer Genauigkeit
auf reaktive acrylische oder Acrylat-Monomere oder Oligomere finden eine
Vielzahl an Monoacrylat-Monomeren in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung Verwendung. Monoacrylate beinhalten, beispielsweise, Allyl(Meth)Acrylat,
C1-C12-Alkyl und
Cycloalkyl(Meth)Acrylate, wie beispielsweise, Butylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat,
Isooktylacrylat, Amylacrylat, Laurylacrylat, Isopropylacrylat und ähnliches
und korrespondierende Monomethacrylate, welche beispielsweise Benzylmethacrylat,
Stearylmethacrylat, Dekylmethacrylat, Cyclohexylmethacrylat und ähnliches
und Mischungen daraus beinhalten. Die vorstehend erwähnten Monomere
sind lediglich repräsentativ
und nicht limitierend aus der Liste von Acrylat- und Methacrylat-Monomeren, die für die Verwendung
in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, wie es der Fachmann
einschätzen
kann.
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(Co)Polymerisationsbedingungen
verstehen sich als die Verwendung eines Initiator-Systems, das geeignet
für die
(Co)Monomere ist, die in das Reaktionsschema involviert sind, in
Art und Menge wie im Stand der Technik gelehrt. Die Temperaturen
sind ebenso konventionell, obwohl die Anwendung von Reaktionstemperaturen
so niedrig wie die Raumtemperatur praktiziert werden kann auf Grund
der Verwendung von flüssigem
CO2 oder in überkritischem CO2 Fluiden
als das Reaktionsmedium. Drücke,
sind selbstverständlich
zur Herstellung von flüssigem
CO2 oder in überkritischem CO2 Fluiden
geeignet, wiederum wie aus dem Stand der Technik bekannt.
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In
dieser Anmeldung sind alle Einheiten im metrischen System gegeben,
außer
es wird explizit anders angegeben.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Es
ist gut bekannt, dass Polymere (insbesondere mit niedrigem Tg, hoher Klebrigkeit, unpolare und polare
Polymere), die in PSAs verwendet werden, nicht löslich oder dispergierbar in
flüssigem
CO2 oder in überkritischen CO2 Fluiden
sind. Die Verwendung von bestimmten Co-Lösungsmitteln, die das korrekte
Molekulargewicht, Dichte und ϰ-Faktor aufweisen, können jedoch verwendet werden,
um PSA-Polymere in flüssigen oder überkritischen
CO2 Fluiden aufzulösen oder zu dispergieren. Um
diesen Aspekt der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden
PSA-Polymere in einem 1:1 Gewichtsverhältnis in entweder flüssigem CO2 oder in überkritischem CO2 mit
und ohne der Zugabe des Lösungsmittels
Toluol gemischt. Die folgenden Ergebnisse wurden aufgezeichnet.
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- * Polybuten: MG 3.000; Polisobutylen: MG 85.000;
natürliches
Gummi: MG 1.000.000; Polybutylacrylat: MG 700.000.
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass ein Co-Lösungsmittel
verwendet werden muss, um eine praktikable Dispersion oder Lösung der
PSA-Polymere zu erhalten.
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Spezifische
Beispiele von kommerziellen PSA-Polymeren in Co-Lösungsmitteln,
welche in CO2 löslich sind, sind in Tabelle
II unten dargestellt.
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- * Nippon Petrochemical Company Limited
- ** Exxon Corporation
- *** ml an CO2 für 1 g Polymer-Lösung bei
55 × 103–62 × 103 hPa [800–900 psi] bei 27/28°C.
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Eine
fluide PSA-Lösung
oder Dispersion ist ein notwendiges Erfordernis, um in der Lage
zu sein, PSA in dünnen,
einheitlich kontinuierlichen Filmen auf einem Substrat aufzubringen,
um es anzubinden.
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Beispiel II
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In
diesem Beispiel wird die Herstellung von PSA-Klebezusammensetzungen,
die widerstandsfähig
gegenüber Ölen, Brennstoffen
und Schmierstoffen, wie sie für
gewöhnlich
innerhalb von Transportanwendungen und -umgebungen gefunden werden,
ausführlicher
erläutert.
Solche PSA-Klebezusammensetzungen sind auf PSA-Polymeren aufgebaut, die entweder in
flüssigem
CO2 oder in überkritischem CO2 aus
Monomeren, beinhaltend fluorierte Monomere, hergestellt werden.
Diese Polymer-Herstellung
verwendt entweder einen thermischen Initiator (Azobisisobutyronitril)
bei erhöhter
Temperatur (65°C)
oder ein organisches Redox-Initiator-System (Benzoylperoxid und
N,N-Dimethylanilin) bei Raumtemperatur.
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Die
unten stehenden hergestellten Polymere wurden aus Butylacrylat (BA)
und fluoriertem Oktylmethacrylat (FOMA) synthetisiert. Die folgenden
Ergebnisse wurden aufgezeichnet.
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In
diesen Daten ist die Fähigkeit
des flüssigen
CO2, den (Co)Polymerisationsprozess zu stabilisieren und
dadurch ein einheitlicheres Produkt zu erschaffen, nicht gezeigt.
Beispielsweise, wenn Butylacrylat in flüssigem CO2 wie
in den Läufen
1 und 2 polymerisiert wird, ist die resultierende Polymerdispersion
durch große Teilchen
gekennzeichnet, die sich aus dem Fluid absetzen. Das fluorierte
(Co)Polymer aus Lauf Nr. war eine feine Dispersion des Polymers,
welche in dem CO2 Fluid in Suspension verblieb.
Es wurde also gezeigt, dass die (Co)Polymerisation von PSA Polymeren
in flüssigem
oder überkritischen
CO2 Fluid ohne die Gegenwart von konventionellen
flüchtigen
organischen Lösungsmitteln
stattfinden kann. Der Stand der Technik zeigt bereits die Vorteile
der Anwendung von Beschichtungen aus fluiden oder überkritischem
CO2. Die selben Varteile werden bei den
erfinderischen PSAs der vorliegenden Erfindung beibehalten.
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Die
Eigenschaften der neuen PSA Polymere, die oben synthetisiert wurden,
sind einzigartig dahingehend, dass fluorierte Monomere den Grad
der Klebrigkeit der PSA kontrollieren und ausgezeichneten Mineralölwiderstand dem System beifügen. Der Mineralölwiderstand
wurde als ein Maß gewählt, für den Widerstand von
PSA Polymeren gegenüber Ölen, Brennstoffen
und Schmierstoffen, wie sie im allgemeinen in Transportanwendungen
und -umgebungen gefunden werden. Die folgenden Werte demonstrieren
diese Eigenschaften.
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Diese
Werte zeigen, dass der Klebewert kontrolliert werden kann sowie
der Mineralöl-Widerstand
der PSA-Polymere, indem ein fluoriertes Monomer in der Polymersynthese
eingebaut wird und die Systhese in entweder fluiden CO2 oder überkritischem
CO2 durchgeführt wird.