Як працює клей - 50 відтінків жовтого - новини, приколи, хреново
Мабуть, перший підтверджений історичний факт використання клею - творіння невідомих художників в печері Ласко у Франції (датується XVIII тисячоліттям до н.е.). Щоб живопис протрималася на сирих стінах печери як можна довше, художники верхнього палеоліту змішували фарби з клеєм. Знахідки кераміки, датовані четвертим тисячоліттям до нашої ери, показують, що вже тоді люди навчилися використовувати клей як засіб швидкого ремонту.
Єгиптяни за 3000 років до нашої ери широко використовували клей при виробництві різних дерев'яних виробів і папірусу, греки і римляни значно пізніше теж залишили сліди клею в історії. Звичайно, в ті часи клеї були природного походження - тварини (кістковий, міздровий або рибний) або рослинного (крохмаль, смоли).
У 1750 році у Великобританії був виданий перший патент на рибний клей. У міру розвитку промисловості були запатентовані і інші клеї - кістковий, казеїновий. Деякі з них дійшли і до наших днів, проте протягом останнього століття хімічна технологія зробила значний крок вперед. Тому практично всі сучасні клеї - синтетичні.
Склеювання засноване на двох фізичних явищах - адгезії (від латинського adhaesio - прилипання) і когезії (від латинського cohaesus - пов'язаний, зчеплений). Адгезія - це зчеплення поверхонь різнорідних твердих тіл і рідин. В основі адгезії лежать сили міжмолекулярної взаємодії ( «сили Ван-дер-Ваальса»). Найпростіший приклад адгезії можна отримати, якщо докласти два чистих плоских листи скла один до одного і стиснути, видавивши повітря з проміжку між ними. Скло злипнуться. Однак якщо спробувати таким же чином «склеїти», наприклад, два листа картону, то нічого не вийде - нерівна поверхня картону не дасть зблизити листи досить близько, для того щоб міжмолекулярні сили, що діють лише на дуже малих відстанях, вступили в роботу. Те ж саме станеться, якщо скло буде недостатньо гладким - скажімо, матовим. Однак ця проблема цілком вирішувана - спробуйте змочити два матових скла водою і прикласти їх один до одного - вони будуть триматися: вода затікає в усі нерівності, збільшуючи площу контакту, міжмолекулярні сили адгезії в цьому випадку діють між водою і поверхнею стекол. Вода в цьому випадку діє як найпростіший клей.
Міцність такого з'єднання невелика - скла легко зсуваються вздовж площині з'єднання. Та й «розліпити» їх не складає труднощів - шар води легко розривається, так як він характеризується низькою когезией - тяжінням між молекулами (атомами, іонами) усередині однорідного речовини. Таким чином, щоб досягти високої міцності склеювання, потрібно, щоб і адгезія і когезия були досить високі. Як же цього досягти? Адже щоб забезпечити високу адгезію, клей повинен мати гарну плинністю, а в рідинах когезия значно нижче, ніж в твердих тілах.
Саме на вирішенні цього протиріччя і тримається вся клейова індустрія. Клей, як правило, являє собою рідину, яка добре змочує склеюється поверхню, тобто має гарну адгезію. Але за певних умов він повинен укріпляти, забезпечуючи високу когезию. Найчастіше це досягається за допомогою полімеризації.
Клеї можна класифікувати за кількома параметрами. По-перше, це їх основа - вони можуть бути епоксидні, акрилові, силіконові, поліуретанові. По-друге, вони можуть бути одно- або несколькокомпонентнимі. По-третє, за способом полімеризації: під дією кисню повітря або його відсутності (анаеробні клеї), вологості повітря, УФ-випромінювання, хімічних агентів (затверджувачів) або температури.
Для чого потрібна така різноманітність? Різні типи клеїв підходять для різних умов. Наприклад, анаеробні клеї гарні для фіксації різьбових з'єднань. Нанесіть такий клей на різьблення болта - і можете чекати хоч тиждень. У присутності кисню повітря полімеризації не відбувається. Однак як тільки ви вкрутіть цей болт в призначене йому місце, доступ кисню припиниться і клей схопиться. Причому тільки там, де розташовані робочі витки різьблення, з іншої частини його можна буде вільно видалити ». Клеї, що тверднуть за допомогою УФ-випромінювання, зручні тим, що залишаються рідкими стільки, скільки потрібно для збірки деталей, після чого їх можна дуже швидко полимеризовать до повної міцності, причому саме в тих місцях, де необхідно. Це дуже зручно, наприклад, при складанні скляних меблів. Втім, це далеко не єдина область їх застосування.
Стара добра «епоксидка» навряд чи потребує представлення. Епоксидні клеї - це, як правило, двокомпонентні склади - сама смола і затверджувач. Після змішування смола полімеризується і твердне, утворюючи дуже міцне з'єднання. Час повної полімеризації (зазвичай це годинник) залежить від різних чинників, таких як склад клею, а також від температури - при нагріванні епоксидної смоли «схоплює» набагато швидше.
Ще один знаменитий клей - «моментальний суперклей» на основі цианоакрилата. У початковому вигляді він являє собою прозору рідину, яка дуже швидко, за лічені секунди, здатна склеювати різні матеріали: метал, пластики, кераміку, гуму (а також пальці рук недостатньо обережних користувачів). Чому ж цей клей не застигає всередині тюбика або пляшки? «Ціаноакрилат вимагає для полімеризації наявності вологи, - пояснює Олексій Родомакін. - При розфасовці використовується повітря з дуже низькою вологістю, тому клей всередині пляшки і не застигає ». З цієї ж причини теоретично можуть виникнути проблеми при склеюванні цианоакрилат в умовах низьких температур - морозне повітря містить дуже мало вологи. Ціаноакрилат має високу міцність на розрив (до 200 кгс / см2) і широко застосовується не тільки в побуті, але і в промисловості, а також в медицині, де його використовують в якості заміни традиційних післяопераційним швах - краї рани просто склеюють.
Ціаноакрілатние клеї в рідкому стані (1) цей мономер (білі кульки) підтримують кислотні стабілізатори (червоні кульки), що запобігають полімеризацію. Сліди вологи на поверхні (сині кульки) нейтралізують стабілізатор (2). Починається реакція полімеризації (3), а потім утворюються поперечні міжмолекулярні зв'язки (відбувається «зшивання») (4)
Ще один спосіб вирішити протиріччя між адгезією і когезией застосований в широко відомих з радянських часів контактних клеях «БФ» або «Момент». Вони являють собою розчин, що клеїть речовини в летучому розчиннику. Методика склеювання контактними клеями проста: після того як обидві поверхні, що склеюються покрили тонким шаром рідкого клею, необхідно почекати, поки висохне бЧльшая частина розчинника. Після цього поверхні з'єднують - і два ще не повністю висохлих шару міцно схоплюються між собою. Якщо спробувати виконати те ж саме, завдавши клей тільки на одну поверхню або, не чекаючи, поки випарується розчинник, відразу ж з'єднати склеюються деталі, - міцного з'єднання не вийде.
Чи можна «розірвати» клейове з'єднання без шкоди для деталей? Після того як клей повністю полимеризованной - як правило, немає. Втім, є й винятки. До них відносяться, по-перше, термоклеи - полімери, які стають рідкими при нагріванні, а при охолодженні застигають. Цей процес повністю звернемо, і при нагріванні склеєні деталі можна розняти, а потім знову з'єднати.
Практично кожному відомий і такий продукт, як клейка стрічка. У стрічках використовується активація тиском. На матеріал стрічки нанесено клейку речовину з високою в'язкістю. Коли ми приклеюємо стрічку до поверхні, ми натискаємо на неї, під тиском адгезивне речовина затікає в найменші нерівності, забезпечуючи збільшення площі взаємодії і міцний контакт. А щоб потім можна було відірвати стрічку, не пошкодивши деталь, до якої вона приклеєна, і не залишаючи на ній слідів, клейкий шар підбирається таким чином, щоб адгезія до матеріалу стрічки і когезия були значно вище, ніж адгезія до матеріалу деталі.
Однак навіть такі матеріали, як тефлон і інші «слизькі» пластики (сила тертя також безпосередньо пов'язана з вільною поверхневою енергією), можна склеїти. Для цього використовуються досить екзотичні методи, як, наприклад, обробка поверхні коронним розрядом. При достатньої енергії електрони, проникаючи в пластик, розривають молекулярні ланцюжки, залишаючи на поверхні вільні радикали, які реагують з повітрям, утворюючи полярні молекули і збільшуючи вільну поверхневу енергію.
Того ж ефекту можна домогтися за допомогою праймерів - спеціальних речовин, які наносяться на «низькоенергетичну» поверхню. Праймери служать як би «прокладкою» між клеєм і склеюється поверхнею. Їх молекули асиметричні, одним кінцем вони «чіпляються» за поверхню, а інший кінець забезпечує «зручне» кріплення для молекул клею.
Одного разу в офіс великої компанії - виробника сучасних адгезивов прийшов лист. Співробітники лабораторії біологічного факультету Університету штату Джорджія в Атланті зверталися з проханням вирішити їхню проблему: «Ми займаємося функціональної магніторезонансної томографії (фМРТ). В якості моделі ми використовуємо річкових раків, реакції яких зручно моделювати і вивчати. фМРТ вимагає досить тривалої експозиції, і щоб картинка не змащувалася, нам необхідно зафіксувати раку всередині пластикової камери маленького МР-томографа - наприклад, приклеїти його панцир в декількох місцях. Більш того, нам необхідно зафіксувати (наприклад, за допомогою клею) його очні стеблинки, оскільки при їх рухах рухається і мозок раку. А найголовніше полягає в тому, що нам необхідно проводити дослідження на одній і тій же особини безліч разів. Таким чином, нам потрібен водостійкий клей, який би склеював дуже швидко, був би не токсичний і розчинявся в щодо нетоксичному розчиннику. Чи існує такий продукт? »З чуток, фахівці-хіміки компанії виробника, прочитавши повний список вимог, тільки розвели руками, порекомендувавши вченим скористатися чисто механічної фіксацією ...