In dit blogbericht verkennen we de principes achter de manier waarop lijmen materialen verbinden en bekijken we hoe lijmen worden gebruikt in verschillende sectoren en in het dagelijks leven.
We gebruiken veel gereedschappen in ons dagelijks leven. We gebruiken scharen om dingen te knippen, schrijfgerei om te schrijven en lijm om een nieuwe haarspeld te repareren die los is geraakt. Scharen en schrijfgerei zijn gereedschappen die we al eeuwen gebruiken, met relatief eenvoudige functies en werkingsprincipes. Lijm en kleefmiddelen zijn echter een relatief recente technologische ontwikkeling die ons leven aanzienlijk gemakkelijker maakt. Wanneer we lijm of kleefmiddel gebruiken om iets te verbinden, denken we niet alleen aan het verbinden van twee objecten; we denken ook na over hoe sterk die verbinding is en hoe lang die meegaat. Talloze wetenschappelijke principes gaan schuil achter deze alledaagse handelingen van knippen, schrijven en plakken. Dit artikel beoogt het principe achter kleefmiddelen, een van de vele gereedschappen die we vaak in het dagelijks leven gebruiken, uit te leggen.
Je hebt je waarschijnlijk wel eens afgevraagd hoe lijmen twee materialen aan elkaar laten plakken. Voordat we ingaan op de principes van lijmen, definiëren we adhesie. Adhesie is de toestand waarin twee materialen met elkaar verbonden raken door chemische, fysieke krachten, of beide. Simpel gezegd, de intermoleculaire krachten tussen de polymeren in de lijm zorgen voor adhesie. Om dit proces te begrijpen, is een basiskennis van moleculaire structuur en interacties essentieel. Polymeren zijn letterlijk moleculen met een hoog molecuulgewicht – wat betekent dat het lange ketens van atomen zijn. Intermoleculaire krachten verwijzen naar interacties tussen aangrenzende moleculen, die verschillen van de krachten (chemische bindingen) die atomen tot moleculen vormen. De essentie van deze interacties is elektrostatische kracht, die sterker is naarmate de moleculen groter zijn en de afstand ertussen korter is. Daarom zijn polymeren met grote moleculen de belangrijkste componenten die in lijmen worden gebruikt.
Gangbare lijmen worden in opgeloste toestand in een oplosmiddel gebruikt, waarbij water in de meeste gevallen als oplosmiddel dient. Water fungeert als drager voor de polymeren, transporteert ze en zorgt ervoor dat ze in de structuur van het substraatmateriaal kunnen doordringen. Zodra het vocht in de lijm verdampt, gebruiken de polymeren in de lijm hun wederzijdse aantrekkingskracht om de twee materialen stevig aan elkaar te binden. Te veel lijm aanbrengen zorgt er echter voor dat de polymeren in de lijm tegen elkaar aanschuiven, waardoor een goede intermoleculaire aantrekkingskracht wordt verhinderd. Overtollige lijm belemmert ook de verdamping van het oplosmiddel (water). Te dik aangebrachte lijm vermindert de hechting. Dit komt doordat het principe van lijmverbindingen berust op intermoleculaire interacties, niet op de inherente viscositeit van de lijm.
Om de diverse toepassingen van lijmen te begrijpen, is het cruciaal om hun werkingsmechanisme beter te begrijpen. De werking van lijmen kan bijvoorbeeld aanzienlijk worden beïnvloed door omgevingsfactoren zoals temperatuur en vochtigheid. Bij het gebruik van lijmen moeten de omgevingsomstandigheden zorgvuldig worden overwogen en specifieke situaties kunnen speciale lijmen vereisen. Omdat geschikte gebruiksomstandigheden variëren afhankelijk van het type lijm, worden er diverse lijmen ontwikkeld om aan deze specifieke eisen te voldoen.
Hetzelfde principe verklaart waarom lijm in een container niet aan zichzelf of aan de containerwanden hecht. De polymeren in de container zijn opgelost in oplosmiddelen, waaronder water. Op dit punt bevinden de polymeren zich ver van elkaar. Zoals hierboven uitgelegd, zijn de intermoleculaire krachten sterker wanneer de afstand tussen de moleculen korter is. Als er dus water tussen de polymeren zit, verzwakken de intermoleculaire krachten. Bovendien maken lijmen over het algemeen geen rechtstreeks gebruik van polymeren. Een laagmoleculaire stof, opgelost in een oplosmiddel, ondergaat spontaan een condensatiereactie bij contact met zuurstof in de lucht, waarbij het wordt omgezet in een polymeer om hechting te verkrijgen. Een condensatiereactie verwijst hier naar de reactie waarbij een laagmoleculaire stof een hoogmoleculaire stof vormt. Daarom wordt bij het bewaren van lijm een stof toegevoegd die de condensatiereactie remt om zelfhechting te voorkomen. In oude lijmen verdampt deze condensatieremmer, waardoor de lijm uithardt en verslechtert.
Lijmen kunnen grofweg worden onderverdeeld in drie soorten. Ten eerste zijn er lijmen die polymeren als oplossing gebruiken, zoals zetmeelpasta en rubberpasta. Ten tweede zijn er lijmen die beginnen als vloeistoffen met een laag moleculair gewicht, maar na aanbrengen polymeriseren tot polymeren. Ten slotte zijn er lijmen waarbij vaste polymeren worden verhit om ze te laten smelten voor een goede hechting. Deze diversiteit aan lijmen komt voort uit hun unieke chemische eigenschappen. Elk type is afgestemd op verschillende toepassingen, waarbij sommige onmisbaar zijn geworden in specifieke industrieën.
Epoxyhars, veelgebruikt in het dagelijks leven en in industriële productie, behoort tot het tweede type. Als kunsthars omvat epoxyhars een breed scala aan producten, van vloeibare tot vaste toestand, met verschillende smeltpunten. De meest commercieel gebruikte epoxyhars is de ethervariant, geproduceerd door de condensatiereactie van ECH en BPA, beter bekend als DPP. Simpel gezegd reageren de laagmoleculaire stoffen ECH en BPA onder natriumhydroxide-omstandigheden tot een polymeer met hechtende eigenschappen. Deze epoxyhars biedt een sterke hechting en duurzaamheid, waardoor hij veel wordt gebruikt in hightechsectoren zoals auto- en vliegtuigonderdelen, bouwmaterialen en meer.
Lijmen worden veel gebruikt. Epoxyhars alleen al heeft bijvoorbeeld een jaarlijkse productiewaarde van ongeveer $ 15 miljard. Ook productie, halfgeleiderprocessen en militaire toepassingen vereisen uitgebreide verlijming, waarbij voor elke situatie specifieke lijmen worden gekozen. De aanhoudende groei van de lijmindustrie is nauw verbonden met de ontwikkeling van nieuwe materialen. Naarmate nieuwe materialen ontstaan, wordt er actief gewerkt aan onderzoek en ontwikkeling van lijmen om deze effectief te verbinden. Lijmen breiden hun potentiële toepassingen uit van traditionele toepassingen naar diverse nieuwe gebieden.
Lijmen worden niet alleen gebruikt voor traditionele verbindingen, maar ook op ingenieuze wijze toegepast in nieuwe domeinen. Scheepsstoommachines lijden aan ernstige corrosie door langdurige onderdompeling in zoutoplossingen met hoge temperaturen. Bovendien versnellen met schroeven bevestigde onderdelen corrosie onder sterke trillingen. In dergelijke gevallen zorgt het aanbrengen van een geschikte lijm tussen de componenten vóór de bevestiging met schroeven voor een robuustere verbinding en voorkomt corrosie. Bovendien is het gebruik van lijmen zoals pleisters aanzienlijk toegenomen in de biotechnologie. Van de pleisters die mensen vaak gebruiken tegen acne, omvatten recente uitvindingen ook lijmen die geschikt zijn voor cardiale hechting. Dergelijke lijmen zijn veelbelovend voor gebruik in de hartchirurgie, verloskunde en gynaecologie, en abdominale chirurgie. Deze biolijmen zijn samengesteld uit stoffen die onschadelijk zijn voor het menselijk lichaam en spelen een cruciale rol bij het verkorten van de hersteltijd en het voorkomen van infecties op operatieplekken. In de moderne geneeskunde zijn lijmen hun rol als eenvoudige industriële hulpmiddelen ontstegen en zijn ze essentiële instrumenten geworden in de biotechnologie.
