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Wissenschaftler stecken im Geheimnis des Klebebands fest

Ryan F. Mandelbaum Jun 04, 2019. 0 comments

Es ist eine gewisse Geduld erforderlich, um Klebeband zu studieren. Sicher, manchmal erfordern Experimente ein Abschälen, aber manchmal müssen die Forscher einfach herumsitzen und warten, bis der Klebstoff versagt. Diese Experimente bringen den Wissenschaftlern etwas näher, das es noch nicht gibt: eine einheitliche Theorie des Bandes.

Klebeband ist nicht nur zum Anbringen von Postern an Wänden gedacht - es wird in der gesamten Industrie verwendet, von Operationen über iPhones bis hin zu Autos. Auf den kleinsten Skalen ist es jedoch nicht ganz klar, wie es funktioniert, und das Finden des richtigen Klebstoffs für einen Job kann eine irrsinnige Angelegenheit sein. Ein theoretisches Verständnis, wie und warum sich Klebebänder ablösen, könnte Unternehmen helfen, neue, stärkere Klebstoffe zu entwickeln.

„Wenn Sie verstehen, wie das funktioniert, dann verstehen Sie, wie kompliziertere Dinge funktionieren“, erklärte Helen Minsky, Postdoktorandin am ESPCI Paris, Gizmodo.

Aber zuerst: Was ist Klebeband? „Klebeband ist ein weiches Material, um Dinge zusammenzuhalten“, sagte Minsky. Auf der mikroskopischen Skala treffen sich zwei härtere Oberflächen, die in Kontakt kommen, nicht an vielen Stellen. Die extreme Weichheit des Bands ermöglicht es jedoch, diese Räume auszufüllen. Moleküle können durch verschiedene kurzreichweitige interatomare Kräfte miteinander interagieren. Das Klebeband maximiert die Anzahl der Stellen, an denen diese Oberflächen in Kontakt kommen, was zu höheren Anteilen dieser Kräfte zwischen den Atomen und damit zu ihrer Klebrigkeit führt. Darüber hinaus ist es dissipativ, was bedeutet, dass es die Energie verliert, die Sie verwendet haben, um es an der Oberfläche zu kleben. Das Entfernen des Bandes kostet viel mehr Energie als das Aufkleben, dank der internen Eigenschaften des Bandes. Bänder sind komplex und oft darauf spezialisiert, auf bestimmten Oberflächen zu haften, von Raketenteilen bis zur Haut.

Von größerer Bedeutung als das Aufkleben von Klebebändern ist das Aufkleben von Klebebändern. Sicher, es ist vielleicht keine große Sache, wenn sich das Band in Ihrem iPhone löst, aber wenn sich Automobilhersteller dafür entschieden haben, Band zu verwenden, anstatt Teile zusammenzuschweißen, verstehen sie besser, welche Kräfte dazu führen, dass das Band ausfällt.

Wissenschaftler befassen sich hauptsächlich mit drei verschiedenen Möglichkeiten, wie sich Klebebänder lösen können: Sie können sich ablösen, wenn der Klebstoff auf einem flexiblen Film angebracht und entfernt wird. es kann scheren, das ist wie schälen, aber parallel zur oberfläche; oder es kann kleben, wenn Sie etwas direkt in freiliegenden Klebstoff drücken und dann wieder nach oben ziehen.

Nach Ansicht des ESPCI-Wissenschaftlers Matteo Ciccotti vereint die wissenschaftliche Theorie heute nicht mehr vollständig Scheren, Schälen und Kleben, und das Band hat „in den letzten 70 Jahren vielen Modellierungsversuchen widerstanden“, schreiben er und sein Team in einem Artikel .

Die Schwierigkeit liegt in der Komplexität des Auflösungsprozesses. Das Klebeband bildet zuerst Hohlräume zwischen dem Klebstoff und der Oberfläche, an der es haftet. Diese Hohlräume wachsen, und schließlich dehnt sich der Klebstoff zu langen Fasern aus, die das Zehnfache der Anfangsdicke des Bands betragen, bevor sie reißen. Das Dehnen und Brechen der Fasern kann hundert- bis tausendmal so viel Energie erfordern, als das einfache Brechen der einzelnen Bindungen zwischen den Atomen des Klebebands und den Atomen der Oberfläche, so Ciccotti.

Energie geht sowohl beim Strecken der Fasern, beim viskosen Fließen des Materials als auch beim eigentlichen Brechen verloren. Theorien, die weiche Polymere erklären, die sich unter Druck verformen oder fließen, gewinnen dann ihre Form wieder   Beschreiben Sie nicht die extreme Belastung, der die Bandfasern standhalten können. Theorien, die dicke Flüssigkeiten erklären, würden nicht erklären, wie sich Fasern nach dem Strecken sauber lösen. Theorien, die das Aufbrechen von Material erklären, sagen die zum Aufkleben des Bandes erforderlichen hohen Energien nicht korrekt voraus. Sie geben auch scheinbar nicht verwandte Ergebnisse für Abschälen, Scheren und Kleben.

Für industrielle Anwendungen ist es jedoch erforderlich, die Grenzen eines bestimmten Bands unter verschiedenen Belastungen zu kennen. Daher ist es ein Problem, dass vorhandene Theorien diese nicht verknüpfen. Wenn man heute weiß, dass ein Band unter einem Klebetest eine gute Leistung erbringt, kann man nicht sagen, dass es unter einem Schertest eine gute Leistung erbringt, da sich die Fasern unter diesen unterschiedlichen Bedingungen unterschiedlich verhalten.

Aus diesem Grund versuchen Ciccotti sowie Costantino Creton und Etienne Barthel von ESPCI Paris, all diese Teile in einer einzigen Theorie zu vereinen. In ihren Experimenten entfernen sie Bänder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Winkeln von Oberflächen, messen die Kräfte und bilden die Ergebnisse mit Hochleistungsmikroskopen ab. „Wir möchten einen Ansatz entwickeln, um die Leistung von Bändern bei diesen verschiedenen Testarten vorherzusagen“, so Ciccotti sagte. In jüngerer Zeit haben sie sogar Moleküle eingeführt, die unter Stress oder beim Brechen aufleuchten und ihnen dabei helfen könnten, sich einem universellen Klebebandmodell anzunähern.

Das sind anstrengende Experimente, erklärte Minsky. "Ein großer Teil meines Tages besteht darin, darauf zu warten, dass die Bänder versagen."

Das Team hat bereits einige wichtige theoretische Fortschritte beim Verständnis des Bandes erzielt, insbesondere beim Verhalten beim Scheren oder Gleiten entlang der Oberfläche. Mit einer weiteren Validierung wird ihre Arbeit anderen Wissenschaftlern helfen, vorauszusehen, wie und wann das Band versagen wird, sagte Carlos Barrios, Forscher bei 3M, gegenüber Gizmodo. "Die geeigneten theoretischen Modelle, die helfen, den Ort, die Größe und die Richtung der Beanspruchungen zu verstehen, denen Materialien ausgesetzt sind, wenn sie Teil einer Klebeverbindung sind, können bestätigen, warum einige unserer Lösungen so gut funktionieren", sagte er zusätzliches Designtool für Entwickler bei der Erstellung neuer Klebstofflösungen. “

Letztendlich ist diese Art der Forschung sowohl für Ingenieure, die weniger Zeit mit Rätseln und mehr Zeit mit dem Erstellen optimaler Bänder verbringen, als auch für die Grundlagenforschung von Nutzen. In der Tat ist die Wissenschaft hinter dem Band ein aufregend komplexes Rätsel, das es zu lösen gilt.

"Es gibt viele Dinge, die wichtig sind", erklärte Ciccotti, wenn es darum geht, das Band vollständig zu verstehen. "Man muss eine grobe Sicht auf all diese Komponenten haben, anstatt sich auf einen bestimmten Punkt zu konzentrieren, sonst bekommt man es nicht."

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