W tym wpisie na blogu przyjrzymy się bliżej zasadom łączenia materiałów za pomocą klejów i sprawdzimy, jak są one wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu i życiu codziennym.
W życiu codziennym używamy wielu narzędzi. Używamy nożyczek do cięcia, przyborów piśmienniczych do pisania i kleju do mocowania nowych spinek do włosów, które się poluzowały. Nożyczki i przybory piśmiennicze to narzędzia, których używamy od wieków, o stosunkowo prostych funkcjach i zasadach działania. Jednak kleje i substancje klejące to stosunkowo nowe odkrycie technologiczne, zapewniające znaczną wygodę w życiu. Używając kleju lub substancji klejącej do łączenia czegoś, nie myślimy tylko o połączeniu dwóch przedmiotów; zastanawiamy się również nad siłą tego połączenia i jego trwałością. W tych codziennych czynnościach cięcia, pisania i przyklejania kryją się niezliczone zasady naukowe. Niniejszy artykuł ma na celu wyjaśnienie zasady działania klejów, jednego z wielu narzędzi często używanych w życiu codziennym.
Prawdopodobnie zastanawiałeś się przynajmniej raz, jak kleje sprawiają, że dwa materiały sklejają się ze sobą. Zanim zagłębimy się w zasady działania klejów, zdefiniujmy adhezję. Adhezja to stan, w którym dwa materiały łączą się ze sobą za pomocą sił chemicznych, fizycznych lub obu. Mówiąc prościej, siły międzycząsteczkowe między polimerami w kleju zapewniają adhezję. Aby zrozumieć ten proces, niezbędna jest podstawowa znajomość struktury molekularnej i oddziaływań. Polimery to, dosłownie, cząsteczki o dużej masie cząsteczkowej – co oznacza, że są długimi łańcuchami atomów. Oddziaływania międzycząsteczkowe odnoszą się do oddziaływań między sąsiednimi cząsteczkami, odrębnych od sił (wiązań chemicznych), które łączą atomy w cząsteczki. Istotą tych oddziaływań jest siła elektrostatyczna, która jest silniejsza, gdy cząsteczki są większe, a odległość między nimi jest krótsza. Dlatego polimery wielkocząsteczkowe są głównymi składnikami stosowanymi w klejach.
Powszechnie stosowane kleje są stosowane w stanie rozpuszczonym w rozpuszczalniku, przy czym w większości przypadków rozpuszczalnikiem jest woda. Woda działa jako nośnik dla polimerów, transportując je i umożliwiając im wnikanie w strukturę materiału podłoża. Po odparowaniu wilgoci z kleju, zawarte w nim polimery wykorzystują swoje wzajemne siły przyciągania, aby trwale połączyć oba materiały. Jednak nałożenie zbyt dużej ilości kleju powoduje, że polimery w nim zawarte trącają się nawzajem, uniemożliwiając prawidłowe przyciąganie międzycząsteczkowe. Nadmiar kleju utrudnia również parowanie rozpuszczalnika (wody). Nałożenie zbyt grubej warstwy kleju faktycznie zmniejsza skuteczność adhezji. Dzieje się tak, ponieważ zasada wiązania klejowego opiera się na oddziaływaniach międzycząsteczkowych, a nie na lepkości naturalnej kleju.
Aby zrozumieć różnorodne zastosowania klejów, kluczowe jest głębsze zrozumienie mechanizmu ich działania. Na przykład, na wydajność kleju mogą znacząco wpływać czynniki środowiskowe, takie jak temperatura i wilgotność. Podczas stosowania klejów należy dokładnie rozważyć warunki otoczenia, a w konkretnych sytuacjach mogą być wymagane specjalistyczne kleje. Ponieważ odpowiednie warunki użytkowania różnią się w zależności od rodzaju kleju, opracowywane są różne kleje, aby spełnić te specyficzne wymagania.
Ta sama zasada wyjaśnia, dlaczego klej wewnątrz pojemnika nie przykleja się do siebie ani do ścianek pojemnika. Polimery wewnątrz pojemnika są rozpuszczone w rozpuszczalnikach, w tym w wodzie. W tym momencie polimery znajdują się daleko od siebie. Jak wyjaśniono powyżej, siły międzycząsteczkowe są silniejsze, gdy odległość między cząsteczkami jest krótsza. Dlatego też, jeśli woda jest uwięziona między polimerami, siły międzycząsteczkowe słabną. Co więcej, kleje zazwyczaj nie wykorzystują bezpośrednio polimerów. Substancja o niskiej masie cząsteczkowej rozpuszczona w rozpuszczalniku spontanicznie ulega reakcji kondensacji po kontakcie z tlenem w powietrzu, przekształcając się w polimer, aby uzyskać adhezję. W tym przypadku reakcja kondensacji odnosi się do reakcji, w której substancja o niskiej masie cząsteczkowej tworzy substancję o wysokiej masie cząsteczkowej. Dlatego podczas przechowywania klejów dodawana jest substancja hamująca reakcję kondensacji, aby zapobiec samoadhezji. W starych klejach ten inhibitor kondensacji odparowuje, powodując twardnienie i degradację kleju.
Kleje można ogólnie podzielić na trzy rodzaje. Po pierwsze, istnieją kleje wykorzystujące polimery jako roztwory, takie jak pasta skrobiowa i pasta kauczukowa. Po drugie, istnieją kleje, które początkowo są cieczami o niskiej masie cząsteczkowej, ale po nałożeniu polimeryzują w polimery. Wreszcie, istnieją kleje, które wymagają podgrzania stałych polimerów w celu ich stopienia w celu połączenia. Ta różnorodność klejów wynika z ich unikalnych właściwości chemicznych. Każdy rodzaj jest dostosowany do różnych zastosowań, a niektóre stają się niezbędnymi elementami w określonych branżach.
Żywica epoksydowa, szeroko stosowana w życiu codziennym i produkcji przemysłowej, należy do drugiego typu. Jako rodzaj żywicy syntetycznej, żywica epoksydowa obejmuje szeroką gamę produktów, od ciekłych po stałe, różniących się temperaturą topnienia. Najczęściej stosowaną komercyjnie żywicą epoksydową jest żywica eterowa, powstająca w wyniku reakcji kondensacji ECH i BPA, powszechnie znana jako DPP. Mówiąc najprościej, substancje niskocząsteczkowe ECH i BPA reagują w warunkach wodorotlenku sodu, tworząc polimer wykazujący właściwości adhezyjne. Ta żywica epoksydowa zapewnia silną przyczepność i trwałość, dzięki czemu jest szeroko stosowana w zaawansowanych technologicznie dziedzinach, takich jak produkcja podzespołów samochodowych i lotniczych, materiałów budowlanych i innych.
Kleje są szeroko stosowane. Na przykład, sama żywica epoksydowa generuje roczną wartość produkcji wynoszącą około 15 miliardów dolarów. Produkcja, procesy półprzewodnikowe i zastosowania wojskowe również wymagają intensywnego klejenia, z wykorzystaniem specjalnych klejów dobieranych do każdej sytuacji. Stały rozwój branży klejów jest ściśle powiązany z rozwojem nowych materiałów. Wraz z pojawianiem się nowych materiałów, dynamicznie rozwijają się badania i rozwój klejów do ich skutecznego łączenia. Kleje rozszerzają swoje potencjalne zastosowania poza tradycyjne zastosowania, obejmując nowe, różnorodne dziedziny.
Kleje są wykorzystywane nie tylko do tradycyjnego łączenia, ale także pomysłowo stosowane w nowych dziedzinach. Okrętowe silniki parowe ulegają silnej korozji z powodu długotrwałego zanurzenia w roztworach soli o wysokiej temperaturze. Ponadto części mocowane śrubami przyspieszają korozję pod wpływem silnych wibracji. W takich przypadkach nałożenie odpowiedniego kleju między komponentami przed skręceniem śrubami zapewnia trwalsze połączenie i zapobiega korozji. Co więcej, zastosowanie klejów, takich jak plastry, znacznie wzrosło w biopolu. Spośród plastrów powszechnie stosowanych na trądzik, najnowsze wynalazki obejmują kleje odpowiednie do łączenia kardiologicznego. Takie kleje rokują nadzieje na zastosowanie w kardiochirurgii, położnictwie i ginekologii oraz chirurgii jamy brzusznej. Te biokleje składają się z substancji nieszkodliwych dla organizmu ludzkiego i odgrywają kluczową rolę w skracaniu czasu rekonwalescencji oraz zapobieganiu infekcjom w miejscach operowanych. We współczesnej medycynie kleje wykroczyły poza swoją rolę prostych narzędzi przemysłowych, stając się niezbędnymi instrumentami w biotechnologii.
