Введение

Клей, также известный как клей, цемент, клеевой состав или паста, – это любое неметаллическое вещество, наносимое на одну или обе поверхности двух отдельных предметов для их соединения и предотвращения разъединения. Использование клеев имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами соединения, такими как сшивание, механическое крепление и сварка. К ним относятся возможность соединения различных материалов, более эффективное распределение нагрузки по соединению, экономичность легко механизируемого процесса и большая гибкость в дизайне. К недостаткам использования клеев относятся снижение стабильности при высоких температурах, относительная слабость при склеивании крупных объектов с небольшой площадью склеивания и затрудненность разъединения объектов при испытаниях. Клеи обычно классифицируются по механизму адгезии, а затем – как реактивные или нереактивные, в зависимости от того, вступает ли клей в химическую реакцию для отверждения. Альтернативно, их можно классифицировать по исходной физической фазе или по природному или синтетическому происхождению сырья. Клеи могут быть как природного, так и синтетического происхождения. Самое раннее известное использование клейких веществ человеком относится к примерно 200 000 годам назад, когда неандертальцы получали деготь путем сухой перегонки бересты для крепления каменных орудий к деревянным рукояткам. Первые упоминания о клеях в литературе датируются примерно 2000 годом до нашей эры. Греки и римляне внесли значительный вклад в развитие клеев. В Европе клей не получил широкого распространения до периода 1500–1700 годов нашей эры. С тех пор и до 1900-х годов рост использования и открытия в области клеев происходили относительно медленно. Лишь с XX века разработка синтетических клеев резко ускорилась, и инновации в этой области продолжаются и по сей день.

История

Самые ранние свидетельства использования клея людьми были обнаружены в центральной Италии, когда были найдены три каменных орудия с признаками березового дегтя. Инструменты датируются примерно 200 000 лет назад, относясь к среднему палеолиту. Это самый ранний известный пример использования дегтя для прикрепления каменных орудий. Хотя клеи на растительной основе достаточно липкие, однокомпонентные клеи могут быть хрупкими и уязвимыми к воздействию окружающей среды. Первое использование сложных клеев было обнаружено в Сибуду, Южная Африка. Там были найдены каменные сегменты возрастом 70 000 лет, ранее вставленные в топоры, покрытые клеем, состоящим из растительной смолы и красной охры (природного оксида железа). Добавление охры к растительной смоле делает продукт прочнее и защищает смолу от разрушения во влажных условиях. Способность производить более прочные клеи позволила людям среднего каменного века прикреплять каменные сегменты к палкам различными способами, что привело к разработке новых инструментов. Исследование материалов из Ле-Мустье показывает, что люди среднего палеолита, возможно, неандертальцы, использовали клей из смеси охры и битума для изготовления рукояток для резки и скребков из камня. Более поздние примеры использования клея доисторическими людьми были найдены на захоронениях древних племен. Археологи, изучавшие эти места, обнаружили, что около 6000 лет назад племена хоронили своих умерших вместе с пищей, найденной в разбитых глиняных горшках, восстановленных с помощью древесной смолы. Другое исследование археологов выявило использование битуминозных цементов для крепления глазных яблок из слоновой кости к статуям в вавилонских храмах, датируемых примерно 4000 годом до нашей эры. В 2000 году было опубликовано сообщение об обнаружении 5200-летнего человека, прозванного «Тирольским ледяным человеком» или «Этци», который был хорошо сохранившимся в леднике недалеко от границы Австрии и Италии. С ним было найдено несколько его вещей, включая два стрелы с кремневыми наконечниками и медный топор, на каждом из которых были следы органического клея, использованного для соединения каменных или металлических частей с деревянными древками. Анализ показал, что клей представлял собой деготь, для производства которого требуется нагревание смолы. Получение этого дегтя требует преобразования березовой коры посредством нагрева в процессе, известном как пиролиз. Первые упоминания о клеях в литературе появились примерно в 2000 году до нашей эры. Дальнейшие исторические записи об использовании клея встречаются в период с 1500 по 1000 год до нашей эры. Артефакты этого периода включают картины, изображающие операции по склеиванию дерева, и ларец, сделанный из дерева и клея, найденный в гробнице царя Тутанхамона. Другие древнеегипетские артефакты используют животный клей для склеивания или ламинирования. Считается, что такая ламинация древесины для луков и мебели продлевала срок их службы и достигалась с использованием клея на основе казеина (молочного белка). Древние египтяне также разработали пасты на основе крахмала для прикрепления папируса к одежде и материал, похожий на гипс, изготовленный из обожженного гипса. С 1 по 500 год нашей эры греки и римляне внесли значительный вклад в развитие клеев. Были разработаны шпонирование и маркетри из дерева, усовершенствовано производство животного и рыбного клея и использовались другие материалы. Пасты на основе яиц использовались для приклеивания золотых листов и включали в себя различные натуральные ингредиенты, такие как кровь, кость, шкура, молоко, сыр, овощи и зерно. Греки начали использовать гашеную известь в качестве раствора, а римляне усовершенствовали разработку раствора, смешивая известь с вулканическим пеплом и песком. Этот материал, известный как пуццолановый цемент, использовался при строительстве римского Колизея и Пантеона. Римляне также первыми использовали деготь и пчелиный воск в качестве замазки и герметика между деревянными досками своих лодок и кораблей. В Центральной Азии подъем монголов примерно в 1000 году нашей эры может быть частично объяснен хорошей дальностью и мощностью луков орд Чингисхана. Эти луки были сделаны из бамбукового ядра, с рогом на внешней стороне (обращенной к лучнику) и сухожилиями на внутренней стороне, скрепленными животным клеем. В Европе клей вышел из употребления до периода с 1500 по 1700 год нашей эры. В это время всемирно известные мастера по изготовлению шкафов и мебели, такие как Томас Чиппендейл и Дункан Файф, начали использовать клеи для соединения своих изделий. В 1690 году в Нидерландах был основан первый коммерческий завод по производству клея. Этот завод производил клей из шкур животных. В 1750 году был выдан первый британский патент на рыбный клей. В последующие десятилетия следующего столетия на немецких и швейцарских фабриках производился казеиновый клей. В 1876 году братьям Росс был выдан первый патент США (№ 183 024) на производство казеинового клея. Первые почтовые марки США использовали клей на основе крахмала при выпуске в 1847 году. Первый патент США (№ 61 991) на клей на основе декстрина (производного крахмала) был выдан в 1867 году. Натуральный каучук впервые был использован в качестве материала для клеев в 1830 году, что ознаменовало начало современной эпохи клеев. В 1862 году был выдан британский патент (№ 3288) на нанесение покрытия на металл латунью методом электроосаждения для получения более прочной связи с каучуком. Развитие автомобилестроения и потребность в резиновых амортизаторах потребовали более прочных и долговечных соединений резины и металла. Это стимулировало разработку циклизованного каучука, обработанного сильными кислотами. К 1927 году этот процесс использовался для производства клеев на основе растворителей для соединения резины с металлом. Клеи на основе натурального каучука впервые были использованы на подложке Генри Деем (патент США № 3965) в 1845 году. Позже эти виды клеев использовались в хирургических и электрических лентах с тканевой основой. К 1925 году родилась индустрия самоклеящихся лент. Сегодня липкие заметки, скотч и другие ленты являются примерами самоклеящихся клеев (PSA). Ключевым шагом в развитии синтетических пластмасс стало внедрение термореактивного пластика, известного как фенолформальдегидная смола (бакелит) в 1910 году. В течение двух лет фенольная смола применялась к фанере в качестве защитного лака. В начале 1930-х годов фенольные смолы приобрели важное значение как клеевые смолы. 1920-е, 1930-е и 1940-е годы стали свидетелями значительных достижений в разработке и производстве новых пластмасс и смол благодаря Первой и Второй мировым войнам. Эти достижения значительно улучшили разработку клеев, позволяя использовать новые материалы с различными свойствами. С меняющимися потребностями и постоянно развивающимися технологиями разработка новых синтетических клеев продолжается и по сей день. Однако, благодаря своей низкой стоимости, натуральные клеи по-прежнему чаще используются.

Типы

Клеи обычно классифицируются по способу адгезии. Далее они подразделяются на реакционные и нереакционные, в зависимости от того, вступает ли клей в химическую реакцию для отверждения. Альтернативно, их можно классифицировать по происхождению исходного сырья – природному или синтетическому, – или по их начальной физической форме.

Сушка

Существует два типа клеев, которые твердеют при высыхании: клеи на основе растворителей и полимерно-дисперсионные клеи, также известные как эмульсионные клеи. Клеи на основе растворителей представляют собой смесь компонентов (обычно полимеров), растворенных в растворителе. Белый клей, контактные клеи и резиновые клеи относятся к семейству клеев, твердеющих при высыхании. По мере испарения растворителя клей твердеет. В зависимости от химического состава клея, его адгезия к различным материалам будет варьироваться. Полимерно-дисперсионные клеи обычно представляют собой молочно-белые дисперсии, часто на основе поливинилацетата (PVAc). Они широко используются в деревообрабатывающей и упаковочной промышленности, а также при работе с тканями и тканевыми компонентами и в изделиях технического назначения, таких как диффузоры акустических систем.

Чувствительные к давлению

Клей, чувствительный к давлению (PSA), образует соединение при приложении небольшого давления для сцепления клея с поверхностью. Он разработан с балансом между текучестью и сопротивлением текучести. Соединение формируется, потому что клей достаточно мягкий, чтобы растекаться (то есть, находится в "влажном" состоянии) по поверхности. Прочность соединения обеспечивается тем, что клей достаточно твердый, чтобы сопротивляться текучести при приложении напряжения к соединению. Как только клей и поверхность оказываются в непосредственной близости, в соединение включаются молекулярные взаимодействия, такие как силы Ван-дер-Ваальса, которые значительно способствуют его конечной прочности. PSA предназначены для постоянного или съемного применения. Примеры постоянного применения включают предупреждающие надписи для энергетического оборудования, фольгированную ленту для систем вентиляции и кондиционирования воздуха, сборку внутренних элементов автомобилей и пленки для шумо- и виброизоляции. Некоторые высокоэффективные PSA для постоянного применения демонстрируют высокие значения адгезии и могут выдерживать килограммы веса на квадратный сантиметр площади контакта даже при повышенных температурах. PSA для постоянного применения могут быть изначально съемными (например, для восстановления неправильно маркированных товаров) и приобретать постоянную адгезию через несколько часов или дней. Съемные клеи предназначены для формирования временного соединения и, в идеале, могут быть удалены через месяцы или годы без оставления следов на поверхности. Съемные клеи используются в таких областях, как защитные пленки, маскирующие ленты, закладки и бумага для заметок, этикетки со штрих-кодами, ценники, рекламные графические материалы, а также для контакта с кожей (повязки для ухода за ранами, электроды ЭКГ, спортивный тейп, обезболивающие и трансдермальные пластыри и т.д.). Некоторые съемные клеи предназначены для многократного приклеивания и отклеивания. Они обладают низкой адгезией и обычно не могут выдерживать большой вес. Клей, чувствительный к давлению, используется в стикерах типа Post-it. PSA производятся либо с использованием жидкого носителя, либо в 100% твердом виде. Изделия из жидких PSA изготавливаются путем нанесения клея и удаления растворителя или водного носителя. Они могут быть дополнительно нагреты для инициирования реакции сшивания и увеличения молекулярной массы. 100% твердые PSA могут быть полимерами с низкой вязкостью, которые наносятся покрытием, а затем подвергаются воздействию излучения для увеличения молекулярной массы и формирования клея, или это могут быть материалы с высокой вязкостью, которые нагреваются для снижения вязкости, достаточной для нанесения покрытия, а затем охлаждаются до окончательной формы. Основным сырьем для PSA являются полимеры на основе акрилатов.

Контактная информация

Контактные клеи формируют соединения с высокой устойчивостью к сдвигу и быстрым временем отверждения. Они часто наносятся тонкими слоями для работы с ламинатами, например, для приклеивания формики к столешницам, а также в обувной промышленности, например, для крепления подошв к верху обуви. Наиболее распространенными контактными клеями являются натуральный каучук и полихлоропрен (неопрен). Оба этих эластомера подвергаются кристаллизации при деформации. Контактные клеи необходимо наносить на обе склеиваемые поверхности и давать им время высохнуть перед соединением. Некоторые контактные клеи требуют до 24 часов для полного высыхания перед тем, как поверхности будут плотно прижаты друг к другу. После прижатия поверхностей, соединение формируется очень быстро. Обычно не требуется использование зажимов благодаря быстрому образованию связи.

Горячая

Горячие клеи, также известные как горячие плавленые клеи, представляют собой термопластики, которые наносятся в расплавленном виде (в диапазоне 65–180 °C) и затвердевают при охлаждении, образуя прочные соединения между широким спектром материалов. Горячие расплавы на основе этиленвинилацетата особенно популярны в рукоделии благодаря простоте использования и возможности склеивать множество распространенных материалов. Один из способов нанесения горячего клея – это клеевой пистолет (изображен справа). Клеевой пистолет расплавляет твердый клей, а затем пропускает расплав через сопло на материал, где он затвердевает. Термопластичный клей предположительно был изобретен около 1940 года компанией Procter & Gamble как решение проблемы с адгезивами на водной основе, которые широко использовались в упаковке в то время, но не выдерживали влажный климат, из-за чего упаковка раскрывалась. Однако адгезивы на водной основе по-прежнему представляют значительный интерес, поскольку обычно не содержат летучих растворителей.

Анаэробные

Анаэробные клеи отверждаются при контакте с металлом в отсутствие кислорода. Они эффективно работают в условиях плотного прилегания, например, при использовании в качестве фиксатора резьбы.

Пресмешанные и замороженные клеи

Пресмешанные и замороженные клеи (ПМК) — это клеи, которые смешиваются, обезвоздушиваются, упаковываются и замораживаются. Поскольку ПМК необходимо хранить в замороженном состоянии до использования, после замораживания при температуре −80 °C они транспортируются со сухим льдом и требуют хранения при температуре −40 °C или ниже. ПМК исключают ошибки смешивания со стороны конечного пользователя и снижают воздействие отвердителей, которые могут содержать раздражающие или токсичные вещества. ПМК были впервые представлены на рынке в 1960-х годах и широко используются в аэрокосмической и оборонной отраслях.

Однокомпонентная

Однокомпонентные клеи затвердевают в результате химической реакции с внешним источником энергии, таким как излучение, тепло и влага. Ультрафиолетовые (УФ) клеи, отверждаемые светом, также известные как светоотверждаемые материалы (LCM), приобрели популярность в производственном секторе благодаря быстрому времени отверждения и высокой прочности соединения. Светоотверждаемые клеи могут отверждаться менее чем за одну секунду, а многие составы способны склеивать различные (неоднородные) материалы и выдерживать экстремальные температуры. Эти свойства делают УФ-клеи незаменимыми при производстве изделий во многих отраслях промышленности, таких как электроника, телекоммуникации, медицина, аэрокосмическая промышленность, производство стекла и оптики. В отличие от традиционных клеев, УФ-клеи не только соединяют материалы, но и могут использоваться для герметизации и нанесения покрытий. Как правило, они изготавливаются на акриловой основе. Термоотверждаемые клеи состоят из предварительно приготовленной смеси двух или более компонентов. При нагревании компоненты вступают в реакцию и образуют поперечные связи. К этому типу клеев относятся термореактивные эпоксидные смолы, уретаны и полиимиды. Влагоотверждаемые клеи отверждаются при взаимодействии с влагой, присутствующей на поверхности склеиваемого материала или в воздухе. К этому типу клеев относятся цианоакрилаты и уретаны.

Естественный

Природные клеи изготавливаются из органических источников, таких как растительный крахмал (декстрин), натуральные смолы или животные (например, молочный белок казеин и животные клеи на основе шкур). Их часто называют биоадгезивами. Примером может служить простая паста, приготовленная путем варки муки в воде. Клеи на основе крахмала используются в производстве гофрированного картона и бумажных мешков, при намотке бумажных труб и для обойного клея. Казеиновый клей в основном применяется для приклеивания этикеток к стеклянным бутылкам. Животные клеи традиционно использовались в книгопереплетном деле, для склеивания древесины и во многих других областях, но сейчас в значительной степени заменены синтетическими клеями, за исключением специализированных применений, таких как производство и ремонт струнных музыкальных инструментов. Альбумин, получаемый из белковой составляющей крови, использовался в производстве фанеры. Масонит, древесно-стружечная плита высокой плотности, изначально склеивался с использованием натурального древесного лигнина – органического полимера, хотя большинство современных плит, таких как МДФ, используют синтетические термореактивные смолы.

Синтетические

Синтетические клеи изготавливаются из органических соединений. Многие из них основаны на эластомерах, термопластах, эмульсиях и термореактивных смолах. Примерами термореактивных клеев являются: эпоксидные, полиуретановые, цианоакрилатные и акриловые полимеры. Первым коммерчески произведенным синтетическим клеем был Karlsons Klister в 1920-х годах.

Применение

Аппликаторы различных клеев разрабатываются с учетом типа используемого клея и площади нанесения. Клей наносится на один или оба склеиваемых материала. Детали выравниваются, и для обеспечения адгезии и удаления пузырьков воздуха на соединение оказывается давление. К распространенным способам нанесения клея относятся кисти, валики, использование пленок или гранул, распылители и аппликаторные пистолеты (например, пистолет для герметика). Все эти способы могут применяться как вручную, так и в автоматизированном режиме в составе оборудования.

Механизмы прицепления

Чтобы клей был эффективным, он должен обладать тремя основными свойствами. Во-первых, он должен быть способен смачивать базовый материал. Смачивание – это способность жидкости поддерживать контакт с твердой поверхностью. Он также должен увеличивать прочность после нанесения и, наконец, должен быть способен передавать нагрузку между двумя склеиваемыми поверхностями/субстратами. Адгезия, то есть сцепление между клеем и субстратом, может происходить либо механическим путем, когда клей проникает в мелкие поры субстрата, либо одним из нескольких химических механизмов. Прочность адгезии зависит от множества факторов, включая механизм ее возникновения. В некоторых случаях между клеем и субстратом образуется настоящая химическая связь. Тиолированные полимеры, например, образуют химические связи с эндогенными белками, такими как мукогликопротеины, интегралины или кератины, посредством дисульфидных мостиков. Благодаря своим сравнительно высоким адгезионным свойствам, эти полимеры находят широкое применение в биомедицине. В других случаях электростатические силы, подобные статическому электричеству, удерживают вещества вместе. Третий механизм связан с силами Ван-дер-Ваальса, возникающими между молекулами. Четвертый механизм включает диффузию клея в субстрат с помощью влаги, за которой следует отверждение.

Методы улучшения адгезии

Качество адгезионного соединения сильно зависит от способности клея эффективно смачивать поверхность подложки. Это происходит, когда поверхностная энергия подложки превышает поверхностную энергию клея. Однако высокопрочные клеи обладают высокой поверхностной энергией, поэтому они плохо адгерируются к полимерам с низкой поверхностной энергией или другим материалам. Для решения этой проблемы можно использовать обработку поверхности для повышения поверхностной энергии в качестве подготовительного этапа перед склеиванием. Важно отметить, что подготовка поверхности обеспечивает воспроизводимость, что позволяет получать стабильные результаты склеивания. К наиболее распространенным методам активации поверхности относятся плазменная обработка, обработка открытым пламенем и праймирование с использованием химических реагентов.

Неудача

Существует несколько факторов, которые могут привести к разрушению соединения двух склеенных поверхностей. Солнечный свет и нагрев могут ослабить адгезив. Растворители могут ухудшить свойства или растворить адгезив. Физические напряжения также могут вызвать расслоение поверхностей. Под воздействием нагрузки может произойти отслаивание в различных точках клеевого соединения. Основные типы разрушений следующие:

Кохезионный перелом

Когезивный разлом возникает, когда трещина распространяется в объеме полимера, составляющего клей. В этом случае поверхности обоих склеиваемых материалов после разделения будут покрыты разрушенным клеем. Трещина может распространяться в центре слоя или вблизи границы раздела. В последнем случае когезивный разлом можно охарактеризовать как "когезивный вблизи границы раздела".

Слом клея

Клейкое разрушение (иногда называемое межфазным разрушением) происходит, когда происходит разделение между адгезивом и склеиваемой поверхностью. В большинстве случаев, возникновение клейкого разрушения для данного адгезива связано с меньшей трещиностойкостью.

Срок годности

Некоторые клеи и адгезивы имеют ограниченный срок годности. Срок годности зависит от множества факторов, важнейшим из которых является температура. Адгезивы могут терять свою эффективность при высоких температурах, а также становиться более хрупкими. Другие факторы, влияющие на срок годности, включают воздействие кислорода или водяного пара.