Ljepljiva kemija

Ljepilo, bilo koja tvar koja može na funkcionalni način spojiti materijale površinskim pričvršćivanjem koje se odupire odvajanju. "Ljepilo" kao opći izraz uključuje cement, sluz, ljepilo i paste - izraze koji se često naizmjenično koriste za bilo koji organski materijal koji tvori ljepljivu vezu. Neorganske tvari poput portland cementa također se mogu smatrati ljepilom, u smislu da drže predmete poput cigle i grede pomoću površinskog pričvršćivanja, ali ovaj je članak ograničen na raspravu o organskim ljepilima, prirodnim i sintetskim.

Prirodna ljepila poznata su još od antike. Egipatske rezbarije iz 3.300 godina prikazuju lijepljenje tankog komada furnira na što se čini daskom javora. Papirus, rana netkana tkanina, sadržavala je vlakna biljaka sličnih trsku, spojenih zajedno s brašnom paste. Bitumen, stabla i pčelinji vosak korišteni su kao brtvila (zaštitni premazi) i ljepila u drevnim i srednjovjekovnim vremenima. Zlatni list osvijetljenih rukopisa spajao se s papirom od jajašca, a drveni predmeti lijepljeni ljepilom od ribe, roga i sira. Tehnologija ljepila za životinje i ribu napredovala je tijekom 18. stoljeća, a u 19. stoljeću uvedeni su cementi na bazi gume i nitroceluloze. Međutim, odlučujući napredak tehnologije ljepila dočekao je 20. stoljeće, tijekom kojega su poboljšana prirodna ljepila i mnogi sintetičari izašli iz laboratorija kako bi zamijenili prirodna ljepila na tržištu. Brz rast zrakoplovne i zrakoplovne industrije tijekom druge polovice 20. stoljeća imao je snažan utjecaj na tehnologiju ljepila. Potražnja ljepila koja su imala visoku strukturnu čvrstoću i bila su otporna i na umor i na teške uvjete okoliša dovela je do razvoja visoko učinkovitih materijala, koji su se na kraju našli u mnogim industrijskim i domaćim primjenama.

Ovaj članak započinje kratkim objašnjenjem načela adhezije, a zatim nastavljamo na pregled glavnih klasa prirodnih i sintetskih ljepila.

prianjanje

U izvedbi ljepljivih spojeva fizikalna i kemijska svojstva ljepila najvažniji su čimbenici. Također je važno u određivanju hoće li ljepljivi spoj pravilno raditi, odnosno vrste ljepila (tj. Dijelovi koji se spajaju - npr. Legure metala, plastika, kompozitni materijal) i priroda predobrade ili temeljnog premaza površine. Ova tri faktora - ljepilo, ljepilo i površina - utječu na vijek trajanja povezane strukture. Mehaničko ponašanje vezane konstrukcije zauzvrat utječe na detalje izvedbe spoja i način na koji se primijenjena opterećenja prenose s jedne na drugu.

Implicit u stvaranju prihvatljive ljepljive veze je sposobnost ljepila da se vlaži i širi na spojene dijelove. Dostizanje takvog međufacijalnog molekularnog kontakta nužan je prvi korak u stvaranju jakih i stabilnih ljepljivih spojeva. Jednom kada se ovlaživanje postigne, unutarnje ljepljive sile stvaraju se kroz sučelje preko brojnih mehanizama. Točna priroda ovih mehanizama bila je predmet fizičkih i kemijskih proučavanja još barem od 1960-ih, što rezultira postojanjem brojnih teorija adhezije. Glavni mehanizam adhezije objašnjava se teorijom adsorpcije koja kaže da se tvari lijepe prvenstveno zbog intimnog intermolekularnog kontakta. U ljepljivim zglobovima ovaj kontakt se postiže intermolekularnim ili valentnim silama koje djeluju pomoću molekula u površinskim slojevima ljepila i prianjaju.

Pored adsorpcije predložena su još četiri mehanizma adhezije. Prvo, mehaničko spajanje, događa se kada ljepilo teče u pore na pripadajućoj površini ili oko izbočenja na površini. Druga, interdifuzija, nastaje pri otapanju tekućeg ljepila i difuzije u slijepljene materijale. U trećem mehanizmu, adsorpcija i površinska reakcija, vezanje se događa kada se ljepljive molekule adsorbiraju na čvrstu površinu i kemijski reagiraju s njom. Zbog kemijske reakcije, ovaj se postupak u određenoj mjeri razlikuje od gore opisane jednostavne adsorpcije, iako neki istraživači smatraju da je kemijska reakcija dio cjelokupnog procesa adsorpcije, a ne kao zasebni mehanizam adhezije. Napokon, teorija elektroničke ili elektrostatičke privlačnosti sugerira da se elektrostatičke sile razvijaju na sučelju između materijala s različitim strukturama elektronskih traka. Općenito, više od jednog od ovih mehanizama igra ulogu u postizanju željene razine adhezije za različite vrste ljepila i ljepila.

Pri stvaranju ljepljive veze nastaje prijelazna zona u međuprostoru ljepila i ljepila. U ovoj zoni, koja se naziva interfaza, kemijska i fizikalna svojstva ljepila mogu se znatno razlikovati od onih u nekontroliranim dijelovima. Općenito se vjeruje da interfazni sastav kontrolira izdržljivost i čvrstoću ljepljivog spoja i prvenstveno je odgovoran za prijenos naprezanja s jedne na drugu osobu. Interfazno područje često je mjesto napada na okoliš, što dovodi do oštećenja zglobova.

Čvrstoća ljepljivih veza obično se određuje destruktivnim testovima koji mjere naprezanja postavljena na mjestu ili liniji loma ispitnog uzorka. Upotrebljavaju se različite metode ispitivanja, uključujući testove ljuštenja, zatezanje u natezanju, rascjep i testiranje zamora. Ova ispitivanja se provode u širokom rasponu temperatura i u različitim uvjetima okoline. Alternativna metoda karakterizacije ljepljivog zgloba je određivanjem utrošene energije u odvajanje odvojene površine interfaze. Zaključci koji se dobiju iz takvih energetskih izračuna u načelu su potpuno jednaki zaključcima dobivenim analizom stresa.

Ljepljivi materijali

Gotovo sva sintetička ljepila i određena prirodna ljepila sastoje se od polimera, koji su divovske molekule, ili makromolekule, nastale povezivanjem tisuća jednostavnijih molekula poznatih kao monomeri. Stvaranje polimera (kemijska reakcija poznata kao polimerizacija) može se dogoditi tijekom koraka "izliječenja", u kojem se polimerizacija odvija istodobno s stvaranjem ljepljive veze (kao što je slučaj s epoksidnim smolama i cijanoakrilatima), ili polimer može biti formirana prije nanošenja materijala kao ljepila, kao što je slučaj sa termoplastičnim elastomerima kao što su blok-kopolimeri stirena-izoprena-stirena. Polimeri daju snagu, fleksibilnost i sposobnost širenja i interakcije na ljepljivoj površini - svojstva koja su potrebna za formiranje prihvatljivih razina adhezije.

Prirodna ljepila

Prirodna ljepila prvenstveno su životinjskog ili biljnog podrijetla. Iako je potražnja za prirodnim proizvodima opadala od sredine 20. stoljeća, neki se i dalje upotrebljavaju s proizvodima od drva i papira, posebno u valovitom kartonu, omotnicama, naljepnicama za boce, uvezima u kartonu, kartonu, namještaju i laminiranom filmu i foliji, Osim toga, zahvaljujući raznim ekološkim propisima, prirodna ljepila dobivena iz obnovljivih izvora dobivaju obnovljenu pažnju. Najvažniji prirodni proizvodi opisani su u nastavku.

Životinjsko ljepilo

Pojam životinjsko ljepilo obično se odnosi na ljepila pripremljena od kolagena sisavaca, glavnog proteinskog sastojka kože, kostiju i mišića. Kada se tretira s kiselinama, alkalijama ili vrućom vodom, normalno netopljivi kolagen polako postaje topljiv. Ako je izvorni protein čist i postupak pretvorbe blag, proizvod velike molekularne mase naziva se želatina i može se koristiti za hranu ili fotografske proizvode. Materijal niže molekulske mase proizveden intenzivnijom obradom obično je manje čiste i tamnije boje i naziva se životinjskim ljepilom.

Životinjsko ljepilo tradicionalno se koristi u spajanju drva, vezivanju knjiga, proizvodnji brusnog papira, teških gumiranih traka i sličnim primjenama. Unatoč prednostima u visokoj početnoj ljepljivosti (ljepljivosti), mnogo je životinjskog ljepila izmijenjeno ili u potpunosti zamijenjeno sintetičkim ljepilom.

Kazeinsko ljepilo

Ovaj proizvod nastaje otapanjem kazeina, proteina dobivenog iz mlijeka, u vodenom alkalnom otapalu. Stupanj i vrsta alkalije utječu na ponašanje proizvoda. U lijepljenju drva kazein ljepilo općenito je superiornije od pravih životinjskih ljepila u svojstvima otpornosti na vlagu i starenja. Kazein se također koristi za poboljšanje prijanjajućih svojstava boja i premaza.

Ljepilo iz albumina u krvi

Ljepilo ove vrste proizvodi se iz seruma albumina, krvne komponente koja se može dobiti ili iz svježe životinjske krvi ili iz suhog topljivog praha u koji je dodana voda. Dodavanje alkalija smjesama albumin-voda poboljšava ljepljiva svojstva. Značajna količina proizvoda od ljepila iz krvi koristi se u industriji šperploče.

Škrob i dekstrin

Škrob i dekstrin ekstrahiraju se iz kukuruza, pšenice, krumpira ili riže. Sačinjavaju glavne vrste biljnih ljepila koja su topljiva ili disperzibilna u vodi, a dobivaju se iz biljnih izvora širom svijeta. Škrobni i dekstrinski ljepilo koriste se u valovitoj ploči i ambalaži te kao ljepilo za tapete.