Сайт о клеях

 

Неорганические клеи и цементы

Клеи, получаемые на основе таких соединений, как силикат натрия, оксихлорид магния, окись свинца (свинцовый глет), сера и различные металлофосфаты, являются типичными представителями неорганических клеев. Эти материалы позволяют получить прочные клеевые соединения специального назначения и пока еще имеют широкое применение. Успехи в области синтетических органических полимерных клеев за последние 20 лет привели к сокращению объема применения многих «лабораторных» рецептур разработанных ранее неорганических клеев.

Ниже приведены характеристики наиболее важных промышленных материалов этого типа.

Клеи на основе силиката натрия

Этот бесцветный дешевый неорганический материал, получивший общепринятое название «жидкое стекло», поставляется обычно в виде вязкого водного раствора (состав, как правило, выражается в виде соотношения SiO₂:Na₂O, которое меняется в интервале от 2 до 3.5 и позволяет получать растворы, имеющие вязкость, характерную для большинства промышленных рецептур). Клеи обладают малой липкостью, и поэтому необходимо применять фиксированное давление, обеспечивающее прижим склеиваемых поверхностей до тех пор, пока клеевой слой не будет достаточно высушен.

Высохший клей является жестким и чувствительным к воде, и до тех пор, пока в результате взаимодействия с атмосферной двуокисью углерода он не образует нерастворимых продуктов, клеевой шов можно вновь растворить в воде. Водостойкость клеевого соединения можно улучшить за счет нанесения перед склеиванием на субстраты, например, на бумагу, некоторых солей алюминия. Можно до некоторой степени обеспечить сохранение влаги в клеевой пленке и повысить ее эластичность, добавляя в клей сахар, глицерин, сорбит и другие продукты; при этом улучшаются липкость, прочность пленки и увеличивается время отверждения. Силикат натрия очень стоек к воздействию высоких температур (теплостойкость некоторых составов достигает 1100°С) и благодаря неорганической природе стоек к обрастанию плесневыми грибами и воздействию бактерий.

Основным назначением клеев на основе растворимого силиката натрия является склеивание бумаги и изготовление листов, ящиков и коробок из гофрированного картона. В этих случаях быстрое поглощение воды бумагой позволяет использовать высокоскоростные механизированные процессы. Для повышения вязкости клеев и предотвращения избыточного проникновения клея в картон в рецептуры часто добавляют каолин (8...10%).

Другими областями применения силикатных клеев являются:

• склеивание древесины и производство низкосортной фанеры;
• приклеивание металлических листов к различным субстратам (меди к стенам, фанеры к стали, алюминиевой фольги к бумаге в упаковочной промышленности, алюминия к асбесту в дверцах термошкафов, металлов к стеклу);
• приклеивание стекла к стеклу, фарфору, коже, текстильным материалам, керамическим гончарным изделиям и т.д.;
• изготовление изделий из стекловолокна, изделий с использованием оптического стекла, производство небьющегося стекла, в качестве связующих растворов (силиката калия) для нанесения фосфорных покрытий и пигментов на стеклянные субстраты;
• в изоляционных материалах на основе древесины, металлов, керамики, асбеста, стекловолокна, слюды, инфузорной земли и т.д., где ценным свойством является огнестойкость силикатов;
• в огнеупорных цементах для баков, бойлеров, печей, котлов, в кислотостойких цементах;
• производство литейных форм, применение в качестве цементов для абразивных брусков и полировальных кругов.

Кроме того, растворимые силикаты могут вступать во взаимодействие с фторсиликатами и кремнеземом с образованием кислотостойких цементов. Эти продукты имеют незначительную усадку и коэффициент термического расширения, близкий к коэффициенту термического расширения стали. Прочность при сжатии достигает 500 Н/см², но при 400°С происходит потеря прочности. Цементы обладают низкой стойкостью к воздействию сильнощелочных растворов.

Фосфатные цементы

Основа этих цементов — продукты взаимодействия фосфорной кислоты с другими материалами, например, с силикатами натрия, окислами и гидроокисями металлов и солями основных элементов. Цинкофосфатный цемент, получаемый при взаимодействии цинка с фосфорной кислотой, является наиболее важным металлофосфатным цементом и широко применяется в качестве зубного цемента. Эти материалы также модифицируют силикатами для получения так называемых «долговременных материалов», используемых для пломб. Прочность при сжатии, достигающая 2000 Н/см², типична для этих цементов, рецептуру которых составляют с таким расчетом, чтобы обеспечить хорошую водостойкость (стойкость к слюне). Медьфосфатные цементы имеют подобное же назначение, но обладают значительно меньшей жизнеспособностью, и их используют главным образом для пломбировки зубов благодаря антисептическим свойствам.

Металлофосфаты алюминия, магния, хрома и циркония получают в результате взаимодействия фосфорной кислоты с окислами или галоидами этих металлов. После термообработки при температурах до 300°С фосфаты металлов приобретают исключительную термическую стойкость и прочность при высоких температурах и практически нерастворимы в горячей воде. Алюмофосфатные клеи, содержащие добавки кремнезема, применяют для приклеивания тензодатчиков, используемых в условиях воздействия высоких температур, а также для склеивания огнеупорных материалов.

Цементы на основе щелочных солей (магнезиальные цементы)

Оксихлорид магния является неорганическим клеем, который находит применение благодаря его высокой термо- и химостойкости. Этот клей обычно поставляется в виде двух компонентов (окиси магния и хлористого магния), которые смешивают непосредственно перед применением. Введение порошка меди снижает способность клея растворяться в воде и повышает его атмосферостойкость. Эти клеи быстро затвердевают (за 2...8 ч) с образованием упругих материалов и предназначены для склеивания различных тугоплавких материалов, керамики и стекла. Клеи отводят статическое электричество от материалов для облицовки полов и аналогичных конструкций. Отвержденные материалы в три раза прочнее, чем портландцемент (прочность при сжатии достигает 7000 Н/см²); прочность при отрыве от стекла, подвергнутого дробеструйной обработке, превышает 70 Н/см². Магнезиальные цементы стойки к воздействию масел и смазок и не повреждаются микроорганизмами. Оксихлорид цинка по своим свойствам аналогичен магнезиальным цементам и применяется в качестве зубного цемента.

Цементы на основе свинцового глета

Смеси свинцового глета и глицерина (1 часть гликоля на 2...3 части окиси свинца РbО) затвердевают за 24 ч и позволяют получать клеи, являющиеся стойкими по отношению к слабым кислотам (но не к серной кислоте) и углеводородам. Цементы применяют для ремонта сточных труб, задвижечных клапанов, стекла, керамических гончарных изделий и трубопроводов для газообразного аммиака. Их можно использовать в качестве керамических герметиков и как заливочные компаунды для электронного оборудования.

Сернистые цементы

Жидкую серу (температура плавления 110°С) можно рассматривать как неорганический клей типа клеев-расплавов. Температура эксплуатации клея не должна превышать 93°С, так как уже при температуре 96°С его коэффициент линейного расширения заметно изменяется вследствие фазовых превращений. Физические свойства этих цементов улучшают добавлением газовой сажи и полисульфидов (тиоколов). В литературе отмечалось, что предел прочности при отрыве составляет около 400 Н/см², но снижается до 300 Н/см² после пребывания в воде при температуре 70°С в течение 2 лет.

Основное применение сернистые цементы находят при изготовлении емкостей для кислот, которые должны обладать высокой стойкостью к окисляющим кислотам (например, к смесям азотной и фтористоводородной кислот с температурой 70°С). Стойкость цементов к олеиновой кислоте, окисляющим агентам и сильнощелочным материалам (извести) низкая. Клеи обладают хорошей адгезией к металлам (особенно к меди).

Гидравлические цементы

К этим материалам, затвердевающим в результате гидратации, относятся портландцемент (силикат кальция), алюминаты кальция, известково-кремнеземистые цементы, цементы на основе алюмината и силиката бария, известь и гипс (алебастр). Эти цементы в первую очередь являются важными строительными материалами для строительства зданий, шоссейных дорог, мостов и других конструкций, работающих на открытом воздухе, а не клеями в общепринятом понимании этого термина.

Неорганические полимеры

Недавние попытки синтезировать полимерные неорганические материалы, сравнимые с органическими полимерами, но обладающие повышенной термической стабильностью, не имели особенного успеха. Гидролитическая неустойчивость и стремление таких полимеров к перестройке структуры при нагревании с образованием более коротких элементарных звеньев затрудняют получение технологичных композиций. Большинство из известных неорганических полимеров не обладают термической стабильностью, значительно превосходящей стабильность органических полиароматических материалов. За исключением стекла, кремнийорганические смолы, по-видимому, представляют собой наиболее ценные неорганические полимеры, хотя они и не обеспечивают термостабильность, которую имеют органические полиароматические материалы.

Фосфонитрильные полимеры являются примером полимеров, состоящих из неорганических цепей, содержащих органические группы или их заместители. Они представляют собой так называемые неорганические каучуки и сочетают улучшенную гидролитическую устойчивость с продолжительной стойкостью при воздействии температур свыше 260°С. Опытные партии этих полимеров выпускаются промышленностью, хотя возможность их использования в качестве высокотермостойких клеев не была установлена. Карбораны — соединения, получаемые из декарборана и производных ацетилена. Синтезированы простые и сложные полиэфиры и кремнийорганические соединения, содержащие карборановые группы. Поликарборансилоксаны термостабильны до 470°С. Высокая стоимость декарборана не препятствует промышленному сбыту этих материалов, поскольку для них характерны высокая термическая стабильность и технологичность переработки. Однако возможность использования их в качестве клеев еще должна быть подробно изучена. Как правило, введение органических заместителей в неорганические полимеры улучшает их технологические свойства, но вносит ограничения по термической стабильности. Попытки преодолеть эти недостатки могут иметь смысл, однако в настоящее время перспективы в области высокотермостойких клеев, видимо, связаны с полиароматическими органическими полимерами.