Универсальный скотч: прочность, гибкость и бытовое применение

---

Общие сведения

Скотч — это тканевая лента, покрытая с одной стороны полиэтиленовой смолой, а с другой — очень липким каучуковым клеем. В отличие от других лент, тканевая основа дает скотчу прочность, но позволяет легко рвать его. Скотч также очень гибок и может приклеиваться к широкому спектру поверхностей. Хотя он изначально проектировался для использования в воздушных каналах и подобных применениях, потребители нашли широкий спектр использований для этого популярного продукта. Им можно пользоваться для ряда бытовых ремонтных работ, как крепеж вместо винтов или гвоздей, и в автообслуживании. Сноумобилисты даже наносили скотч на носы для защиты от обморожения и солнечных ожогов. Продукт вызвал такой интерес, что существуют книги и веб-сайты, посвященные его неконвенциональным и часто комичным применениям. Например, Книга скотча описывает, как использовать скотч для изготовления фартуков и чехлов для батутов.

История

Существуют противоречивые версии истории скотча. По данным Manco, Inc. (производитель бренда Duck™), он был создан Permacell — подразделением Johnson & Johnson — во время Второй мировой войны в 1940-х. Другие эксперты утверждают, что лента изобретена в 1920-х исследователями компании 3M под руководством Ричарда Дру. Большинство версий сходятся в том, что Permacell довела скотч до совершенства во время войны. Используя передовую технологию, их исследовательская команда разработала процесс комбинирования множественных слоев клея на полиэтиленопокрытой тканевой основе. Некоторые говорят, что этот ранний продукт получил прозвище «duck tape» («утиный скотч»), потому что он отталкивал воду как утинье перья или потому что тканевая сетка была сделана из утной ткани.

Независимо от происхождения, военные нашли много применений для скотча. Одним из ранних применений было удержание ящиков с боеприпасами вместе. По этой причине солдаты называли его «пушечный скотч». Воздушные силы нашли другие применения — скотч использовали для замаскировки пулеметных эмбразюр на самолетах для снижения аэродинамического трения при взлете. Как многие военные продукты, скотч изначально был оливково-зеленым, но после войны его изменили на более знакомый серебристый цвет. Производители начали продавать его домашним потребителям, нашедшим множество новых применений. Лента легче в использовании и так же эффективна, как винты и болты, для удержания вентиляции, встречаемой в новых домах с принудительным воздушным отоплением.

По мере роста потребительского спроса маркетологи начали упаковывать ленты в более потребительски-ориентированной манере. По данным Manco, они были первой компанией, термоусадочно упаковавшей и маркировавшую скотч для легкого стечения на витринах. Это улучшение упаковки сделало легче для покупателей отличать разные сорта. К 1999 г. Manco продавала примерно 5352 метрические тонны (5900 шорт-тонн), или 396 240 км ленты ежегодно.

Дизайн

Скотч проектируется для разных применений на основе своего сорта. Сорт определяется комбинацией типа клея и прочности основного материала. Прочность тканевой ткани зависит от количества нитей; это число определяет разрывную прочность ткани. Например, военный сорт имеет разрывную прочность 18 кг (40 фунтов), в то время как прочность дешевых лент в диапазоне 9 кг (20 фунтов). Лента для федерального правительства должна соответствовать обширному 12-страничному спецификационному руководству, диктующему прочность и другие факторы. Коммерческие сорта менее требовательны и обычно классифицируются как утилитарный, общего назначения или премиальный. Другие специальные сорта включают «ядерный скотч», используемый в реакторах, и скотч «200 миль (322 км) в час», специально спроектированный для гоночных автомобилей.

Сырьё

Хлопковая сетка

Хлопковая сетка формирует основу скотча. Она обеспечивает разрывную прочность и позволяет рвать ленту в обоих направлениях. Ткань с более плотным переплетением и большим числом нитей выше качества, обеспечивает большую прочность и дает более чистый разрыв. Премиальная лента может иметь 44×28 нитей на квадратный дюйм. Соответственно, лента из такой ткани дороже. Хлопковая ткань называется «web» (паутина), когда она распределяется по покрывающей машине.

Полиэтиленовое покрытие

Хлопковая ткань покрывают полиэтиленом — пластиковым материалом, защищающим от влаги и абразии. Это пластиковое покрытие гибко и позволяет ленте лучше приклеиваться к неровным поверхностям. Полиэтилен плавится и наносится на ткань в предварительной операции покрытия. Покрытая ткань затем хранится на рулонах до готовности производителя нанести клей.

Клейовая смесь

Клей, используемый в скотче, уникален по двум причинам. Во-первых, сам клей сформулирован с каучуковыми компонентами, обеспечивающими долгосрочное сцепление. Другие ленты обычно используют полимерные клеи, которые менее сцепляющие. Во-вторых, клей наносится на субстрат гораздо более толстым слоем, чем на целлофановые или малярные ленты. Это тоже служит для увеличения липких свойств ленты.

Процесс производства

Компановка клея

• 1. Каучуковый клей для скотча готовится в многоступенчатом процессе. На первом шаге клей компонуют в миксере типа Branbury, состоящем из нержавеющего бака с паровой курткой для нагрева смеси и высокомоментного миксера. Каучуковые компоненты вводят в виде гранул, затем нагревают и мешают до плавления и однородности. Другие ингредиенты добавляют в бак смеси согласно формулировке. К ним относятся такифиирующие агенты, модификаторы вязкости, антиоксиданты и другие добавки. Финальная смесь густая, но достаточно гладкая для перекачки в нагнетный бак, соединенный с покрывающим оборудованием.

Нанесение клея

• 2. Клей и ткань комбинируют с использованием сложного покрывающего оборудования. Сначала клей дополнительно размягчают теплом на валковом станке. Валковый станок состоит из близко расположенных полых валков из толстостенной нержавейки. Валки прикреплены к высокомоментным шестерням и мотору, вращающему их заданной скоростью. Температура валков контролируется непрерывным прокачкой воды через них. Верхний валок держат при 127 °C (260 °F), а центральный — при 38 °C (100 °F). Цилиндры зафиксированы так, что между ними существует только небольшой зазор. При вращении валков каучуковая смесь подается в это пространство. Трение генерируемое нагревает и размягчает каучук. Это расположение позволяет расплавленному клею формировать тонкий слой на поверхности валков.
• 3. Ткань затем подают в покрывающую машину через другой набор валков. Она идет против третьего валка (держащегося при 93 °C [199 °F]), контактирующего с клеем. В этом процессе, известном как календрирование, клей переносится на ткань. Контролируя зазоры между валками, оператор машины может определить, сколько клея наносится на ткань. Когда клей готов, тканевая подложка — предварительно обработанная полиэтиленом — считывается со складского рулона и на покрывающие валки. Когда подложка контактирует с третьим валком, она A. Трехвалковый календарь ленты с чувствительным к давлению клеем. B. Двухвалковый клеевой календарь. C. Полиэтиленовый и клеевой календарь. D. Календарь для тканевой ленты, покрытой полиэтиленом. подбирает немного клея с переносящего валка. Этот процесс для нанесения таких тяжелых клеев известен как календрирование. Покрытия толщиной 0,05 мм (0,002 дюйма) могут использоваться, но становятся менее равномерными ниже 0,1 мм (0,004 дюйма). Эти флуктуации происходят, потому что валки испытывают небольшую степень изгиба при вращении. Это создает неравномерные зазоры между валками, вызывающие вариации веса покрытия по паутине.
• 4. После покрытия тканевая лента навивают на большие картонные сердечники. Когда достаточно ленты покрыто и рулон полон, его снимают со шпинделя и переносят в другую зону, где его можно резать до нужного размера. Эти складские рулоны примерно 152 см в ширину и 91 см в диаметре.

Перемотка и продольная резка

• 5. После завершения покрытия рулоны можно резать до конечного размера. Это делается «размоткой», или разматыванием, больших рулонов на машине, оснащенной рядом ножей. Ножи режут паутину на более узкие сегменты, которые затем навивают на меньшие картонные сердечники. Этот процесс известен как «продольная резка» (slitting).

Операции упаковки

• 6. На этом финальном этапе рулоны скотча упаковывают для продажи. Обычно их термоусадочно упаковывают, либо поодиночке, либо в пакетах по два или три. Эти пакеты затем коробят и отправляют на отгрузку.
• В зависимости от производителя, описанные выше шаги могут комбинироваться через автоматизацию в меньшее число шагов. Например, Permacell использует самодостаточный аппарат, который смешивает, нагревает и крепит клей на подложку. Этот метод позволяет готовить клей без загрязняющих растворителей.

Контроль качества

Скотч должен соответствовать серии стандартных тестов, описанных Американским обществом испытаний и материалов (ASTM). Эти методы измеряют два ключевых свойства клея: его адгезивную прочность (определяющую, насколько хорошо лента приклеивается к другой поверхности) и когезивную прочность (показывающую, насколько хорошо клей держится на тканевой подложке). Один общий метод оценки включает нанесение ленты на стандартизированную нержавеющую пластину, а затем измерение силы, необходимой для её срыва. Пластину затем исследуют, чтобы определить, сколько, если вообще, клейового остатка осталось. Само клейовое покрытие мониторят для оценки того, насколько хорошо оно держится на подложке. Условия, при которых клей оставляет остаток, известны как крипинг, кразинг, изливание и кровотечение. Техники качества также следят за «рыбьими глазами» — термином для описания неравномерного нанесения клея.

Помимо стандартных тестов, у каждого производителя свои проприетарные методы оценки продуктов. Например, компании могут измерять точку разрыва скотча. Другие оценивают «хрустящий» звук ленты при размотке, потому что потребители верят, что шумный разрыв с рулона — признак прочности. Другие тесты измеряют быструю липучесть. Один способ — стрелять пинг-понговыми мячиками в полоски ленты с липкой стороной вверх, чтобы измерить, как далеко они покатываются до остановки лентой.

Несмотря на репутацию скотча за превосходное сцепление, тесты независимых исследователей показали, что лента не работает так хорошо, как предполагается. В 1998 г. исследователи Макс Шерман и Иан Уокер из Национальной лаборатории Беркли Министерства энергетики оценили 12 разных видов скотча. Они спроектировали ускоренный тест старения, имитирующий температурные условия дома или офиса от ночи к дню и от зимы к лету. Они использовали серию стандартных пальцевых соединений, соединяющих меньший воздуховод с большим. Каждое тестовое соединение обматывали разным брендом скотча и оценивали герметичность под температурными и влажностными условиями, подобными домашним системам отопления и кондиционирования. Исследователи также проводили тест запекания, в котором образцы соединений запекали при более высоких температурах. Большинство протестированных соединений протекали на 50% или более, по данным исследователей. Их результаты также показали, что большая часть лент не функционировала при температурах ниже замерзания (0 °C [32 °F]) или выше 93 °C (200 °F). Однако индустрия лент оспорила эти находки, утверждая, что для оптимальной эффективности их продукты должны поддерживаться воротниками или зажимами.

Будущее

Экологические и ценовые соображения толкают исследователей к идентификации новых клеевых формулировок по более низкой стоимости — общая цена одного рулона универсального скотча шириной 5 см (2 дюйма) и длиной 46 м (50 ярдов) около трех долларов — сохраняющих высокую функциональность без вреда для окружающей среды. Кроме того, маркетинговые соображения двигают улучшения продукта. В ответ на критику, что скотч плохо работает при экстремальных температурах, производители создают более продвинутые формулировки, специально спроектированные для выдерживания серьезных перепадов жары и холода. Впервые создаются формальные стандарты специально для скотча, используемого на гибкой вентиляции. Производители лент поддерживают этот план, потому что верят, что сертификация Underwriters Laboratories (организации по тестированию безопасности продуктов) поднимет их продажи.