Можно ли склеить на века?

Исходя из практической значимости клеящих композиций в жизни современного общества одно из заданий турнира юных химиков 2000-2001 учебного года «Клей» сформулировано следующим образом: приготовить составы для склеивания различных материалов и исследовать технологические характеристики полученных образцов.

Цель работы:

 

-     Сформировать понятие о зависимости свойств клеящих композиций

от их состава и способа приготовления.

-      Дать представление о методах контроля эксплуатационных качеств склеенных образцов.

Клеи — это композиции на основе веществ, способных соединять (склеивать) различные материалы благодаря образованию между их поверхностями и клеевой прослойкой прочных адгезионных связей. Современные клеи в большинстве случаев представляют собой композиции на клеевой основе с использованием различных наполнителей, модифицирующих добавок, пластификаторов и др. Хотя универсального клея, способного склеивать любые поверхности, сегодня не существует, тем не менее в каждом конкретном случае все-таки можно выбрать приемлемый вариант. При этом для улучшения контакта между склеиваемыми поверхностями и клеевой прослойкой, как правило, проводят обработку поверхности склеиваемых материалов. Последняя может заключаться в использовании самых различных физических, химических и физико-химических воздействий: зачистка наждачной бумагой, обезжиривание, фосфатирование, анодирование и т.д. Основными факторами, которые определяют выбор того или иного клеящего материала, являются:

• характер и величина напряжения, которое должно выдерживать соединение при эксплуатации;
• температура склеивания и рабочий температурный интервал;
• условия последующей эксплуатации склеиваемого изделия.

Разрабатывая технологию склеивания, следует также учитывать токсичность, горючесть, вязкость, сроки хранения и долговечность клея. Отсюда понятно, что для того, чтобы правильно выделить среди обилия предлагаемых клеящих композиций наилучшую, необходимо, прежде всего, познакомиться с классификацией клеев. Она проводится по следующим основным признакам: клеевой основе, консистенции, областям преимущественного применения того или иного клея. Для химика, несомненно, наибольший интерес представляет химическая природа клеящего материала, поэтому в данной публикации мы более подробно остановимся на первой из перечисленных классификаций. *

По клеевой основе клеи подразделяют на органические (синтетические и природные) и неорганические. Неорганические клеи готовят с использованием клеящих веществ (связок) неорганической природы, причем среди них также особо выделяют клеи минеральные (керамические, фосфатные, силикатные) и металлические.

Состав и свойства фосфатных композиций на протяжении многих лет изучаются сотрудниками кафедры общей химии и методики преподавания химии БГУ. Итогом этих работ явилось немало интересных результатов, которые официально зарегистрированы в ряде патентов и авторских свидетельств. Предложенные учеными материалы отличаются высокой адгезией к керамике, металлам, стеклу, дереву; водостойки, устойчивы к агрессивным средам; нетоксичны и экологически чисты. Они нашли применение в самых различных областях науки и техники, в том числе в космосе. Некоторые из фосфатных связующих отвердевают уже при комнатной температуре, поэтому в обычной школьной лаборатории можно организовать интересное и практически важное исследование клеев этой группы.

1. Синтез алюмофосфатной связки

Втрехгорлую колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником и термометром, наливают 500 мл 60%-ной ортофосфорной кислоты (р= 1,42 г/см³) и добавляют (при интенсивном перемешивании) 117,4 г гидроксида алюминия. Смесь нагревают до 80°С и выдерживают при этой температуре до полного растворения гидроксида. Состав полученной связки определяется атомным соотношением Р:А1 — 2,9.

2. Приготовление клея Клей готовится непосредственно перед применением путем питательного смешения в фарфоровом тигле алюмофосфатной связки с наполнителем в массовом соотношении от 1:1,35 до 1:1,5. В Ш качестве наполнителя можно использовать оксид алюминия или смесь оксида и нитрида алюминия (соответственно 90% и 100%  по массе). Установлено также, что эксплуатационные качества фосфатного связующего улучшаются в случае применения более слолсных наполнителей, содержащих оксиды магния, меди, железа, титана, кобальта и т.д.

Клеевой основой синтетических клеев являются синтетические мономеры, олигомеры, полимеры и их смеси. Именно синтетические клеи получили наиболее широкое распространение (по сравнению с другими типами клеев) благодаря возможности легкого и направленного изменения их свойств. Синтетические клеи чаще всего подразделяют на термореактивные и термопластичные. Термореактивные клеи в процессе отвердения переходят из пластичного состояния в стеклообразное или эластичное в результате изменения их химической структуры (за счет реакций полимеризации, поликонденсации, полиприсоединения). К числу наиболее известных термореактивных клеев относятся: фенолформальдегидные, эпоксидные, полиуретановые, карбамидные и кремнийорганические. Термопластичные клеи — это композиции на основе полимеров, не изменяющих при склеивании своей структуры. Они затвердевают в результате удаления растворителя (клеи-растворы) или застывания расплава (клеи-расплавы и термоплавкие клеи). Важнейшими из них являются полиамидные, поливинилацетатные и полиэфирные.

Особое место среди синтетических.клеев занимают композиции на основе водорастворимых полимеров и сополимеров, которые, во-первых, не требуют использования токсичных, огне- и взрывоопасных растворителей и, во-вторых, в значительно меньшей степени загрязняют окружающую среду. Интересные в научном и прикладном аспектах исследования клеящих композиций можно провести, воспользовавшись методом синтеза водорастворимых полимеров, разработанным в лаборатории структурно-химического модифицирования полимеров Научно-исследовательского института физико-химических проблем Бел госуниверситета. Так, путем щелочного гидролиза отходов производства полиакрилонитрильных волокон, выпускаемых Новополоцким ПО «Полимир», был синтезирован водорастворимый полимер, пригодный для получения клеев и связующих гидрогелей: Позднее ученые показали, что кроме полиакрилонитрила с этой целью можно использовать и сополимеры акрилонитрила с метилакрилатом, акриловой кислотой, винилацетатом, пропиленом и т.д.

Методика синтеза водорастворимых полимеров из отходов производства волокон «Нитрон С» или «Нитрон Д»

Все опыты следует проводить под тягой!

В круглодонную колбу объемом 0,5 л, снабженную эффективным обратным холодильником, помещают 50 г (в пересчете на абсолютно сухое вещество) распушенного волокна (в нем не должно быть плотных участков) и добавляют туда 28 г гидроксида натрия, предварительно растворенного в 275 мл дистиллированной воды¹. Колбу нагревают на электроплитке до закипания содержимого и затем поддерживают эту температуру вплоть до полного растворения волокна.

Особое внимание следует обращать на то, чтобы волокно не прикипало к стенкам колбы и чтобы кипение не было слишком сильным.

После окончания процесса гидролиза смесь охлаждают и нейтрализуют с помощью концентрированного раствора любой из нижеперечисленных кислот: соляной (36%), азотной (63%) или уксусной (99%). С этой целью в стеклянный стакан наливают 150 мл гидролизата и при постоянном интенсивном перемешивании добавляют (по каплям!) кислоту, контролируя рН среды с помощью индикаторной бумажки.

Полученный таким образом клей помещают в колбу, плотно закрывают резиновой пробкой и хранят при комнатной температуре. Технические характеристики данного клеящего материала в случае необходимости можно улучшить с помощью добавок таких веществ как вода, глицерин и т.д

В прошедшем учебном году в ходе решения проблемы утилизации полимеров, которая была поставлена перед участниками турнира юных химиков, десятиклассницы СШ №95 г. Минска Ксения Ермалицкая и Ксения Бокуть воспроизвели приведенную выше методику и экспериментально доказали, что синтезированный водорастворимый полимер является хорошим клеем для систем: бумага — стекло; бумага — пластмасса; пластмасса — пластмасса.

Основой природных клеев (животных и растительных) являются вещества естественного происхождения. В состав таких клеевых композиций часто также входят модификаторы (вода и другие растворители), антисептики (фенол, салициловая или борная кислоты), стабилизаторы (щелочи, жидкое стекло) и смолы, повышающие липкость (например, канифоль). В качестве примеров широко используемых на практике растительных клеев можно назвать клеи на основе крахмала, натурального каучука (бензиновые растворы или водные суспензии), декстриновые клеи. В оптике, кроме того, применяются клеи «Бальзам» и «Бальзамин», получаемые очисткой пихтовой живицы. К животным клеям относят глютиновые (или протеиновые), казеиновые и альбуминовые клеи. Некоторые методики приготовления клеящих материалов с использованием природных источников, приведенные в «Энциклопедии забытых рецептов», можно легко воспроизвести самостоятельно:

1. Приготовление казеинового клея и клеящих композиций на его основе /. /. Густую кашицу свежего творога в смеси с водой нагревают I до 40°С, после чего (при тщательном перемешивании) разбавля- | ют 10%-ной соляной кислотой до тех пор, пока казеин полностью не выпадет в осадок. Из полученного таким образом казеина с I помощью стекаиия, прессования или центрифугирования отделя- ' ют сыворотку и промывают его несколько раз водой. Отфильтрованный казеин смешивают с нашатырным спиртом, после чего нагреванием до 30-50°С смесь превращают в э/сидкий клей, который при необходимости молено разбавить водой. Склеиваемые поверхности с помощью кисти намазывают клеем и дают им высохнуть. Затем части покрывают известковым молоком, складывают вместе и прессуют.

1.2. В 100 вес. ч. воды растворяют 2 вес. ч. буры и смешивают этот раствор с 30 вес. ч. порошка казеина. После набухания массу нагревают на водяной бане до 60-70°С и дают ей остыть, затем небольшими порциями прибавляют 12 вес. ч. раствора аммиака

(р- О,91 г/см³) и тщательно перемешивают. Для улучшения качества склеивания молено добавить 10 вес. ч. этилового спирта.

2. Клеи на основе декстрина

-            Декстрин размешивают с водой в густую кашицу, нагревают на слабом огне и добавляют натриевое растворимое стекло.

-             Белый декстрин массой 175 г размягчают в холодной воде, добавляют 250г кипящей воды, дают повариться в течение 5 минут и, наконец, прибавляют 30 мл разбавленной уксусной кислоты, 30 г глицерина и небольшое количество гвоздичного масла.

3. Желатиновый клей для стекла и фарфора

К 60 г желатина добавляют 70 г воды и оставляют до набухании. 13атем добавляют 3 г дихромата калия и нагревают до полного растворения.

В заключение заметим, что работоспособность клеевых соединений оценивают, испытывая изделия (или их модельные образцы) в условиях предстоящей работы с использованием методов разрушающего или неразрушающего контроля. Разрушающий контроль предполагает приложение к склеенной детали различных деформаций (сдвиг со сжатием и без него, неравномерный отрыв, отслаивание и др.), в то время как методы неразрушающего контроля основаны на прохождении или отражении электромагнитного излучения с последующим сравнением его интенсивности для дефектных и бездефектных участков испытуемого изделия.