В тази публикация в блога ще разгледаме принципите, на които се основава това как лепилата свързват материали, и ще разгледаме как се използват в различни индустрии и в ежедневието.
В ежедневието си използваме много инструменти. Използваме ножици, за да режем неща, пишещи инструменти, за да пишем, и лепило, за да поправим нова фиба, която се е разхлабила. Ножиците и пишещите инструменти са инструменти, които използваме от векове, със сравнително прости роли и принципи на работа. Лепилото и лепилата обаче са сравнително скорошно технологично развитие, което осигурява значително удобство в живота ни. Когато използваме лепило или адхезив, за да залепим нещо, ние не мислим само за съединяването на два обекта; ние също така мислим за това колко силна е тази връзка и колко дълго може да издържи. Безброй научни принципи са скрити в тези ежедневни действия на рязане, писане и залепване. Тази статия има за цел да обясни принципа зад лепилата, един от многото инструменти, често използвани в ежедневието.
Вероятно поне веднъж сте се чудили как лепилата карат два материала да се слепват. Преди да се потопим в принципите на лепилата, нека дефинираме адхезията. Адхезията е състоянието, при което два материала се интегрират чрез химични, физични сили или и двете. Казано по-просто, междумолекулните сили между полимерите в лепилото постигат адхезия. За да разберем този процес, е от съществено значение основно разбиране на молекулярната структура и взаимодействия. Полимерите са буквално молекули с високо молекулно тегло – което означава, че са дълги вериги от атоми. Междумолекулните сили се отнасят до взаимодействията между съседни молекули, различни от силите (химическите връзки), които образуват атомите в молекули. Същността на тези взаимодействия е електростатичната сила, която е по-силна, когато молекулите са по-големи и когато разстоянието между тях е по-късо. Следователно, полимерите с големи молекули са основните компоненти, използвани в лепилата.
Обичайните лепила се използват в разтворено състояние в разтворител, като в повечето случаи водата служи като разтворител. Водата действа като носител за полимерите, като ги транспортира и им позволява да проникнат в структурата на материала на основата. След като влагата в лепилото се изпари, полимерите в него използват взаимните си сили на привличане, за да свържат здраво двата материала заедно. Нанасянето на твърде много лепило обаче кара полимерите вътре да се блъскат, предотвратявайки правилното междумолекулно привличане. Излишното лепило също така възпрепятства изпаряването на разтворителя (водата). Нанасянето на лепило с твърде дебел слой всъщност намалява ефективността на адхезията. Това е така, защото принципът на лепилното свързване се основава на междумолекулните взаимодействия, а не на присъщия вискозитет на лепилото.
За да се разберат разнообразните приложения на лепилата, е изключително важно да се разбере по-задълбочено механизмът им на действие. Например, лепилните характеристики могат да бъдат значително повлияни от фактори на околната среда, като температура и влажност. При използване на лепила трябва внимателно да се вземат предвид условията на околната среда, а специфичните ситуации може да изискват специализирани лепила. Тъй като подходящите условия на употреба варират в зависимост от вида на лепилото, се разработват различни лепила, които да отговарят на тези специфични изисквания.
Същият принцип обяснява защо лепилото вътре в контейнера не залепва за себе си или за стените му. Полимерите вътре в контейнера са разтворени в разтворители, включително вода. В този момент полимерите са далеч един от друг. Както е обяснено по-горе, междумолекулните сили са по-силни, когато разстоянието между молекулите е по-късо. Следователно, ако между полимерите е задържана вода, междумолекулните сили отслабват. Освен това, лепилата обикновено не използват полимери директно. Вещество с ниско молекулно тегло, разтворено в разтворител, спонтанно претърпява реакция на кондензация при контакт с кислород във въздуха, превръщайки се в полимер за постигане на адхезия. Тук реакция на кондензация се отнася до реакцията, при която вещество с ниско молекулно тегло образува вещество с високо молекулно тегло. Следователно, при съхранение на лепила се добавя вещество, което инхибира реакцията на кондензация, за да се предотврати самозалепването. В старите лепила този инхибитор на кондензация се изпарява, което води до втвърдяване и разрушаване на лепилото.
Лепилата могат да бъдат категоризирани в три основни вида. Първо, има лепила, които използват полимери като разтвори, като например нишестена паста и каучукова паста. Второ, има лепила, които започват като течности с ниско молекулно тегло, но полимеризират в полимери след нанасяне. И накрая, има лепила, които включват нагряване на твърди полимери, за да се разтопят за свързване. Това разнообразие в лепилата произтича от техните уникални химични свойства. Всеки вид е пригоден за различни приложения, като някои се превръщат в незаменими елементи в специфични индустрии.
Епоксидната смола, широко използвана в ежедневието и промишленото производство, принадлежи към втория вид. Като вид синтетична смола, епоксидната смола обхваща широка гама от продукти, от течни до твърди състояния, различаващи се в зависимост от точката на топене. Най-комерсиално използваната епоксидна смола е етерният тип, получен чрез кондензационната реакция на ECH и BPA, широко известен като DPP. Казано по-просто, нискомолекулните вещества ECH и BPA реагират в условия на натриев хидроксид, за да образуват полимер, способен да проявява адхезивни свойства. Тази епоксидна смола осигурява силна адхезия и издръжливост, което я прави широко използвана във високотехнологични области като автомобилни и самолетни компоненти, строителни материали и други.
Лепилата се използват широко. Само епоксидната смола например има годишна производствена стойност от приблизително 15 милиарда долара. Производството, полупроводниковите процеси и военните приложения също изискват широкообхватно свързване, като за всяка ситуация се избират специфични лепила. Устойчивият растеж на индустрията за лепила е тясно свързан с разработването на нови материали. С появата на нови материали, изследванията и разработването на лепила за ефективното им свързване активно напредват. Лепилата разширяват потенциалните си приложения отвъд традиционните употреби в различни нови области.
Лепилата се използват не само за традиционно свързване, но и гениално се прилагат в нови области. Корабните парни машини страдат от силна корозия поради продължително потапяне във високотемпературни солни разтвори. Освен това, частите, закрепени с винтове, ускоряват корозията при силни вибрации. В такива случаи, нанасянето на подходящо лепило между компонентите преди закрепването им с винтове създава по-здрава връзка и предотвратява корозията. Освен това, употребата на лепила като пластири се е увеличила значително в биополето. От пластирите, които хората обикновено прилагат за акне, последните изобретения включват лепила, подходящи за сърдечно залепване. Такива лепила са обещаващи за употреба в сърдечната хирургия, акушерството и гинекологията, както и в коремната хирургия. Тези биоадхезиви са съставени от вещества, безвредни за човешкото тяло, и играят решаваща роля за скъсяване на времето за възстановяване и предотвратяване на инфекции на хирургичните места. В съвременната медицина лепилата са надхвърлили ролята си на прости индустриални инструменти и са се превърнали в основни инструменти в биотехнологиите.
