Сайт о клеях

 

Основные задачи склеивания — восстановление целостности ранее разрушенного изделия или соединение деталей во вновь изготавливаемом.

Коротко о длинной истории клеев

С тех самых пор, как человек слез с дерева и стал преобразовывать мир, его окружают предметы (вещи), созданные его руками. При их изготовлении человеку пришлось научиться соединять части предметов. Характерно, что вещам свойственно ломаться. И вот с тех самых давних пор люди, хуже или лучше, занимались склеиванием. По своему значению для человечества открытие возможности склеивать, клеить, приклеивать можно сравнить с изобретением колеса. Этот способ соединения позволяет делать то, что никакими другими способами не удастся.

Вещества, которые можно было использовать в качестве первых клеев, человеку обнаружить было нетрудно: смола деревьев, природные битумы в местах выделения нефти, соки растений, содержащие природные каучуки, клейкие выделения животных (шкура рыб, жилы животных). На основе палеонтологических изысканий можно утверждать, что клеить люди научились раньше, чем вязать узлы. Найдены наконечники стрел и копий, закрепленные на древках волокнистым материалом, пропитанным древесной смолой, или жилами животных, без помощи узлов.

Необходимость заставила человека в зависимости от решаемой задачи комбинировать и улучшать уже известные ему рецепты. Применение огня позволило сильно расширить ассортимент клеев и разнообразить способы их применения. Горячий битум, расплавы самородной серы — это то, что мы сейчас назвали бы клеями-расплавами. Нанесение на плетенку многих слоев каучукосодержащего сока дерева гевеи с последующим копчением в дыму костра (способ изготовления сосудов для воды примитивными племенами индейцев Южной Америки) — пример использования процесса вулканизации резины. Овладев огнем, люди научились производить из животного сырья группу клеев, существующих до настоящего времени. Это так хорошо всем известный столярный клей, изготавливаемый из костей, мездровый — из мездры, жил и сухожилий животных. Памятен нам по русским народным сказкам рыбий клей, образующийся при вываривании несъедобных частей осетровых рыб, которыми в сказочные времена Россия была очень богата. Сборку луков, содержащих разнородные материалы — кость, рог, древесину, жилы, удавалось произвести только благодаря этому клею. К древнейшим следует отнести казеиновый клей, получаемый из молочного белка казеина. С тех пор как известна мука — пшеничная, рисовая — известны и клейстеры соответствующего названия.

Грамотное использование (сплющить, сложить крест-накрест, спрессовать, высушить) природных свойств папируса, имеющего волокнистую структуру и внутри стебля клейкий сок, позволило древним египтянам дать человечеству первую «бумагу».

Не все знают, что появление покровных красок (т.е. красок, которые не впитываются в окрашиваемый материал, а образуют защитно-декоративную пленку на его поверхности) изначально обязано существующим на тот момент клеям, которые составляют основу таких красок и используются как связка для красочной композиции.

Композиции на основе высыхающих (окисленных) масел и жиров появились позднее и в рамках этой книги рассмотрены не будут.

Развитие естественных наук в очень большой степени обязано клеям, которые позволили ученым-практикам создавать необходимые приборы и механизмы, склеивая материалы, которые не удавалось соединить как-либо иначе. И наоборот, ученые-практики часто являлись изобретателями новых рецептов клеев и технологий склеивания. Например, Менделеев с его «менделеевской замазкой», которая широко использовалась в научных приборах и для их ремонта.

Однако даже в начале этого столетия основными в практике склеивания считались животные и растительные клеи, которые и до этого времени были в употреблении тысячи лет. И в настоящее время они широко применяются для склеивания пористых материалов, например, бумаги. В период Первой мировой войны казеиновые клеи широко использовались для изготовления деревянных каркасов самолетов. При их эксплуатации выяснилось, что клеи такого типа недостаточно стойки к действию влаги и обрастают плесневыми грибками. Недостатки клеев природного происхождения послужили важным стимулом для создания новых клеев.

Развитие химии, и в первую очередь органической химии, открытие длинных цепных молекул — полимеров — явилось важнейшим шагом в развитии науки о клеях. Именно натуральные полимеры были основой всех первых природных клеев. Понимание механизмов взаимодействия таких молекул, совершенствование органического синтеза позволило синтезировать новые, отличные от природных, полимеры и производить на их основе клеи с заранее заданными свойствами, получить которые в прежние времена не представлялось возможным.

В 1930-е годы на основе синтетических смол создаются новые клеи. Первыми синтетическими соединениями, применявшимися в склеивании, стали фенолоформальдегидные смолы. Важнейшими преимуществами вновь разработанных клеев перед ранее применявшимися являлись их исключительная стойкость к действию влаги, к обрастанию плесневыми грибками, а также ряд других необходимых эксплуатационных характеристик.

Требования промышленности привели к созданию модифицированных композиций на основе фенольных смол, содержащих синтетические каучуки. В 1950-е годы в качестве основы клеев стали применяться эпоксидные смолы. Сейчас синтетические полимеры — основа большинства выпускаемых промышленностью клеев. Полимеры используются и для изготовления липких лент и наклеек. Нанесенный на них клеевой состав не высыхает и не затвердевает со временем.

В настоящее время клеи на основе природных веществ отошли на второй план. Их по-прежнему активно используют реставраторы, копиисты, художники. Однако в большинстве областей их вытеснили современные клеи на основе синтетических веществ. Это обусловлено дороговизной компонентов природных клеев, непостоянством состава, сложной для крупнотоннажного производства технологией получения и зачастую более низкими по сравнению с современными синтетическими клеями потребительскими свойствами. Немодифицированные природные клеи в большей степени подвержены разрушению микроорганизмами, обладают меньшей прочностью клеевого шва, недостаточной водостойкостью и термостойкостью по сравнению со специализированными современными композициями, а также совсем непригодны для склеивания новых, не известных предкам материалов (абсолютное большинство пластмасс).

Современные клеи выпускают жидкими, желеобразными и пастообразными, в виде прутков или лент (клеи-расплавы), в виде порошков-полуфабрикатов, из которых клеящий состав готовят непосредственно перед употреблением. Качество клея — его вязкость, время жизни, т.е. время, в течение которого клей не только сохраняет свои клеящие свойства, но и характеристики, необходимые для его нормального нанесения на поверхность склеивания, а также водостойкость, цвет и прочность клеевого шва — зависит от его состава, в первую очередь, от основы клея. Так, клеи на основе белков (полимеров животного происхождения) — казеиновый (на основе казеина — белка молока) и костный (на основе белка коллагена) дают прочные швы с низкой водостойкостью. Клеи на основе каучуков дают прочный и эластичный шов, но подвержены разрушению под действием органических растворителей. Нитроцеллюлозные клеи, представляющие собой раствор в органических растворителях продукта нитрации целлюлозы (природного полимера, получаемого из древесины), удобны тем, что быстро высыхают, а клеевой шов достаточно водостоек. Однако эти клеи огнеопасны. Клеи на основе эпоксидных смол — синтетических полимеров, которые отверждаются под действием специально добавляемого реагента (отвердителя), дают прочный, водостойкий шов, стойкий к действию кислот, органических растворителей, и не содержат летучих растворителей. Однако такой шов отличается низкой эластичностью, что представляет собой серьезный недостаток, если вы собираетесь заклеить подошву ботинка. Клеи, образующие соединения с меньшей прочностью, но более эластичные, например, получают на основе других синтетических полимеров, таких как поливинилхлорид (ПВХ), поливинилацетат (ПВА), полиамидов, перхлорвиниловой смолы.

Области применения клеев обширны и разнообразны. Главные потребители клеев в настоящее время — бумажная, деревообрабатывающая и обувная отрасли. Резко растет использование клеев при производстве промышленного оборудования, в строительстве, в строительных конструкциях, в средствах транспорта, в контрольно-измерительных, электрических и оптических приборах, а также для военных и космических целей. В последние десятилетия было разработано много новых клеев, более простых, эластичных и долговечных, позволяющих склеивать современные материалы (разнообразные новые пластики и композит). Разработке новых клеев сопутствовали работы по совершенствованию оборудования и технологии склеивания. Все это позволило создать принципиально новые типы конструкций. В авиации — сделать силовые авиационные детали (лопасти несущего винта вертолета, обшивку фюзеляжа самолетов) было бы невозможно без использования сотовых клееных материалов. В автомобильной промышленности — крепление фрикционных накладок дисков сцепления и тормозных колодок без использования заклепок; сборка целиком пластиковых кузовов на клею.

Классификация клеев представлена в Табл. 1.

Таблица 1. Классификация клеев по происхождению и основе

Происхождение (основа) клеев	Клеящие составляющие
Природные клеи
Животное	Белковые (альбуминовый — на основе белка крови), животные (включая рыбные), казеиновые, желатиновые и на основе пчелиного воска
Растительное	Природные смолы (аравийская камедь, трагант, канифоль, канадский бальзам и т.д.), масла и воски (карнаубский воск, льняное масло и т.д.), белки (протеин соевых бобов), углеводы (крахмал, декстрины)
Неорганическое	Неорганические материалы (силикаты, окись магния, фосфаты, свинцовый глет, сера и т.д.); минеральные воски (парафины); минеральные смолы (копал, янтарь); битумы (включая асфальты)
Синтетические клеи
Эластомеры	Натуральный каучук (его производные — в том числе хлорированные, гидрохлорированные и циклические каучуки). Синтетические каучуки и их производные — бутилкаучук, полиизобутилен, полибутадиены (в том числе сополимеры со стиролом и акрилонитрилом); полиизопрен, полихлоропрены, полиуретаны, кремнийорганические каучуки, полисульфиды, полиолефины (в том числе сополимеры этилена с винилхлоридом и этилена с пропиленом). Регенерированные каучуки
Термопласты	Производные целлюлозы (ацетаты, ацетобутираты, эфиры каприновой кислоты, нитраты, оксиэтилцеллюлоза, карбоксиметилцеллюлоза). Винильные полимеры и сополимеры (поливинилацетат, поливиниловый спирт, поливинилацетали, поливинилхлорид, поливинилиденхлорид, поливинилалкиловые эфиры). Насыщенные сложные полиэфиры (полистирол, полиамиды — в том числе нейлон и его модификации). Полиакрилаты (полимеры на основе метакриловой и акриловой кислот, цианакрилаты, акриламид). Простые полиэфиры (полигидроксиэфир, эфиры полифенолов). Полисульфоны
Термореактивные полимеры	Аминопласты (мочевино- и меламиноформальдегидные и их модификации). Эпоксиды и их модификации (эпоксидно-полиамидные, эпоксидно-битумные, эпоксидно-полисульфидные, эпоксидно-нейлоновые композиции). Фенольные смолы и их модификации (феноло- и резорциноформальдегидные; фенолонитрильные, фенолонеопреновые и фенолоэпоксидные композиции). Сложные полиэфиры (ненасыщенные). Полиароматические полимеры (полиимиды, полибензоимидазолы, полибензотиазолы, полифенилены). Фурановые полимеры (фенолофурановые)