An Investigation of the Adhesive Interaction between Polyethylene and Silicone with DMA and AFM

Abstract

Stickiness between materials can be a challening task when dealing with the complex interactions and processes related to packaging engineering. Part of the problem is that many factors like temperature, pressure, surface treatment as well as surface roughness all could play a part in contributing to the stickiness between materials. In this thesis a literature study has been done to map out potential sources of adhesion between the silicone rollers and polyethylene on the inside of packaging material. This was followed up by a comparative characterization study with a mechanical test method, dynamic mechanical analysis (DMA) and different modes of atomic force microscope (AFM) of silicone, processed in different ways, and polyethylene. Due to the low adhesive properties as well as a not optimal peel method it was not possible to obtain quantitative values from the developed mechanical test method. However, by using the DMA it was possible to confirm that the silicone samples processed in different ways differed from each other in terms of storage modulus. It was also established that hydrogen peroxide has a softening effect on polyethylene, and therefore might act as an increasing stickiness factor. The AFM was used to aquire images that was later analyzed by different surface roughness parameters. The AFM was also used for force-distance spectroscopy where it was possible to distinguish how the pull-off force differed between the different silicones in mind. By comparing how two silicones, one with silicone oil and one without, behaved at increasing temperature it was possible to see how the silicone oil at room temperature increased the pull-off force required. The explanatory argument for this was hypothesised to be due to an increase in capillary effect for the silicone sample that contains oil. At elevated temperature however it seemed to be the case that the silicone without oil showed a trend of higher pull-off force in relation to temperature, but this relation was not apparent with the sample with oil. The high uncertainty in the AFM measurements require more experiments and data points to be obtained in order to draw any firm conclusions of the result.

Popular Abstract (Swedish)

Saker klistrar, klibbar och fäster till varandra. Det har nog alla varit med om i olika aveseenden och situationer. Men vad är det egentligen som ger upphov till att visa saker, som lim eller klister, fäster mot varandra medan andra inte gör det? Och hur påverkar olika faktorer som temperatur, ytstruktur eller typ utav material hur mycket det fäster?
Det här exjobbet är byggt runt ett fenomen som uppstår i förpackningsprocessen då två polymerer, silikon och polyeten, är i kontakt mot varandra med avseende att forma förpackningar till de strukturer som vi har i vår närhet. Att dessa två material då vid vissa tillfällen har upptäckts fastna mot varandra innebär ett störningsmoment i processen. Med den bakgrunden, och med tanke på att dessa material är framtagna specifikt för att de ej ska fästa mot varandra, så innebär det också en möjlighet att analysera vad som kan vara orsaken till detta problem.
Anledningen till att material fäster mot varandra kan vara olika saker, till exempel kan det uppstå kemiska bindningar, att polymerkedjorna trasslar ihop sig eller att det fäster med hjälp utav tryck som ger upphov till bland annat Van der Waal-krafter. Genom att använda karaktäriseringstekniker så är det möjligt att analysera vilken typ av fästinteraktion som skulle kunna ge upphov till detta fenomen, och därmed göra det möjligt att förstå hur man kan undvika det.
I rapporten så har tre olika testmetoder används. En mekanisk tryckmetod där man trycker ihop silikonet och förpackningsmaterialet under olika temperatur och tryck för att kunna se om man kan se någon skillnad i vidhäftning. Denna metod var inte optimerad för användandet, så det var inte möjligt att dra några slutsatser från dess resultat.
En annan metod var Dynamic Mechancial Analysis (DMA) som är en metod där man mäter responsen från en mekanisk stress i materialet. På så sätt kan man använda DMA för att se hur materialets mekaniska egenskaper påverkas av temperatur. DMA-experimentet indikerade att silikonmaterialet beteede sig på ett underligt sätt vid högre temperaturer, då det verkade som att det blev mer elastiskt och hårdare. Detta skulle kunna vara på grund utav att silikonet tvärbinder ytterligare, vilket betyder att polymerkedjorna fäster till varandra och gör materialet styvare. Denna teori kunde dock inte bekräftas, då det fanns vissa uppgifter som tydde på tvärbindning medan andra inte tydde på det.
Väteperoxid används i många olika industrier idag, till exempel förpackningsindustrin, och framförallt är det för att sterilisera material, men det används också vid tillverkning av silikon som en tvärbindningsinitiator. En teori var att denna kemikalie kunde utlösa ytterligare tvärbindning i silikonet, men det visade sig inte vara fallet. Däremot indikerade DMA-resultat att polyetenet blev avsevärt mjukare efter behandling, vilket skulle kunna bidra till ökad tendens att fästa mot silikonet.
Den sista karaktäriseringsmetoden är Atomic Force Microscope (AFM) som man kan använda dels som ett mikroskop då man tar bilder utav materialet, men också som en spektroskopimetod där det är möjligt att mäta hur kraften mellan mikroskopspetsen och silikonet varierar med avståndet. Spektroskopin kan därmed användas för att jämföra de olika silikonmaterialen för att se om det är möjligt att se skillnad samt om det är möjligt att dra slutsatser om vissa produktionstekniker av silikon har högre benägenhet att fästa än andra.
Från bilderna var det möjligt att extrahera data för ytparametrar som visade hur jämn ytan var, men det var inte möjligt att dra några klara slutsatser om skillnad mellan silikontyperna eller vad sambandet mellan ytparametrarna och med hur bra de fäster mot polyetenet. Däremot visade spektroskopi-datan vid rumstemperatur att silikonet med silikonolja, som enligt interna rapporter skulle undvika att det klistrar mest, såg ut att kräva mest kraft för att avlägsna spetsen från ytan. När sedan samma experiment upprepades för högre temperatur var det dock tydligt att klibbigheten inte ökade lika mycket som för den andra typen av silikon utan oljan. Detta visar dels att oljan förmodligen fungerar som ett smörjmedel vid högre temperaturer men dels också hur viktigt det är utföra experiment vid de temperaturer som materialet är ämnat att användas vid för att kunna få rätt uppfattning.
Även om det inte var möjligt från dessa experiment att gå till botten med vad det egentligen är som gör att dessa två material klistrar mot varandra så har kunskapen om materialen fördjupats, vilket i sig också för med sig en ökad förståelse om hur dessa material beteer sig i olika miljöer.

• author: Falk, Joel
• supervisor: Anders Mikkelsen; Joakim Balogh
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM10 20192
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Atomic Force Microscope, Adhesion, Characterization, Dynamic Mechanical Analysis, Injection Molding, Polyethylene, Polymer, Silicone, Test method development, Materials chemistry, Materialkemi
• language: English
• id: 8997550
• date added to LUP: 2019-12-20 09:57:29
• date last changed: 2019-12-20 09:57:29