Для чего нужен клей

Что такое клей и для чего он нужен

В строительных и ремонтных работах часто применяют соединение не на крепеж, а на клеевой состав. Такой вариант позволяет сохранить целостность материала детали и поверхности, но при этом обеспечивает такую же надежную стыковку.

Общая информация о материале

Клей – многокомпонентная композиция на базе неорганических и органических соединений. Клеевой слой скрепляет поверхности между собой за счет адгезионной связи или образования новых межмолекулярных связей.

Существует несколько теорий склеивания материала:

Многие специалисты считают, что при склеивании действуют сразу несколько факторов. Поэтому нельзя однозначно сказать, что именно удерживает детали вместе.

Состав клея разнообразен. Главное его свойство – прочность склеивания – определяется величиной адгезии, способностью удерживать присоединяемую деталь. Также на параметр влияет когезия клея – способность удерживаться на поверхности, и аутогезия – прочность связей при соединении однородных материалов.

Для склеивания картона и бумаги нет нужды использовать смесь с выдающимися адгезионными способностями. Для удержания анкера под нагрузкой в бетонной стене клей должен обеспечивать исключительно прочное соединение.

Классификация по типу склеивания и назначению

Виды клея в первую очередь различают по типу склеивания.

Нередко полимеризующиеся клеи относятся к категории высыхающих.

Разделение по назначению определяет не только характер соединяемых материалов, но и требования к образованной связи.

Выделяют клеевые составы, используемые в медицинских целях. Такие смеси образуют полупроницаемую пленку, не вызывающую аллергии. Их используют при обработке небольших ран.

Разновидности по составу и области применения

По составу все адгезивы делят на 2 большие группы: органические и неорганические.

В строительных и ремонтных работах используют преимущественно клеи, безопасные для здоровья человека.

Акриловые

Это смесь из акриловых смол и модифицирующих добавок. Все составы имеют неприятный запах, некоторые токсичны – если используются неорганические растворители. Выпускают клеи в виде сухого порошка, который нужно растворять, или готовые – в тубах.

Акриловые смеси используются для крепления керамической плитки, зеркал, металлических экранов, камня, напольных покрытий любого типа, линолеума и других гибких материалов. Можно брать смеси для работы с деревом, МДФ, ламинатом и фанерой. Выпускают как водостойкие составы – герметики, так и обычные.

Акриловые клеи очень быстро сохнут, поэтому при крепеже деталь нужно сразу же размещать правильно.

Резиновые

Состав на базе натурального или синтетического каучука. Используется для починки резиновой одежды, обуви, сумок, спортивного инвентаря, надувных лодок. Резиновый клей абсолютно водостоек, не боится даже морской воды.

Различают вулканизирующийся клей и не вулканизирующийся. Первый нужно расплавлять перед использованием, второй застывает по мере испарения растворителя.

Цианоакрилатные

Полимеризующийся состав на основе цианоакрилатов с добавкой эфиров. Предназначен для соединения твердых и пористых материалов, а также эластичных. Склеивает детали, находящиеся в любом положении.

Цианокрилатный клей устойчив к вибрациям, используется при ремонте автомобилей и движущихся частей оборудования.

Цианоакрилат полимеризуется под действием влаги из атмосферы или слабой щелочи. В очень сухом или холодном воздухе для нормального склеивания потребуется активатор. Склеивание происходит за несколько секунд.

На основе карбамидоформальдегидных смол

Клеевое вещество представляет собой конденсат формальдегида с карбамидом. По сравнению с фенолформальдегидным клеем он гораздо безопасней, а также более устойчив к свету. Используется для склеивания дерева, фанеры, МДФ, других древесных материалов.

На основе латексов

Такой состав обычно включает много компонентов. Базой служит как синтетический, так и натуральный латекс. В быту применяют состав на водной основе, так как он менее токсичен и более дешев. Используют клей при соединении дерева, пластика, камня. Адгезия их не слишком высока, так что предпочтительнее, если один из скрепляемых материалов имеет пористую структуру.

Соединение слабо устойчиво к морозам и высокой влажности, так что применение смеси ограничено внутренними работами.

Запрещается использовать латексные клеи при работе с металлами.

На основе поливинилацетата (ПВА)

Основой служит поливинилацетат – термопластичный полимер.Клей представляет собой раствор винилацетата в воде. Это вязкая субстанция, бесцветная, белая или розоватая. Это типичный высыхающий лак: по мере испарения растворителя он образует эластичную клеевую пленку.

Выпускают несколько видов ПВА:

Дисперсия ПВА применятся в строительных работах для соединения массивных деревянных конструкций, а также как добавка в строительные растворы.

Фенолоформальдегидные

Смоляной клей, изготовляемый на основе фенолформальдегидной смолы. Во время эксплуатации клеевой слой выделяет фенолформальдегид с разной интенсивностью. Это ограничивает сферу применения.

Используется клей для склеивания дерева и древесных материалов в быту и на производстве – при изготовлении фанеры, например. Отличает состав высокая водостойкость и механическая прочность соединения.

Для внутренних работ берут клей с низким классом эмиссии.

На основе термопластичных полимеров

Специальный вид клея – расплав. Состав не содержит растворителя. Перед склеиванием его необходимо расплавить, чтобы он перешел в вязкое текучее состояние. Расплав обеспечивает исключительно прочное соединение, но только при строгом соблюдении температурного режима.

Используют смеси для склеивания металла, кожи, кирзы, резины. В промышленности расплав позволил автоматизировать сборку обуви.

Полиуретановые

Смесь на базе изоцианитов. При отверждении вещество полимеризуется, образуя с поверхностями соединяемых материалов межмолекулярные связи. Выпускают одно- и двухкомпонентные составы. Во втором случае перед использованием необходимо соединить клей и отвердитель.

Полиуретановые составы очень популярны в строительстве. Дают прочное соединение, устойчивое к действию сырости и к прямому контакту с водой. Адгезив можно использовать как герметик. Применяют клеи при укладке полов, облицовке керамической плиткой, склеивании дерева, металла и стекла.

Недостаток: сложно удалить остатки после отверждения.

Эпоксидные

Термореактивный синтетический клей на основе эпоксидной смолы. Обычно это двухкомпонентная смесь: смола и отвердитель кислотного или основного типа. Применяется для тяжелых строительных работ – при сборке трехслойных панелей, креплении железобетонных конструкций. Также используется для сборки судов из стеклопластика, в автомобильной промышленности – для крепления тормозных колодок.

Эпоксидный клей довольно долго сохнет. Однако недостатком это назвать сложно, так как в этом случае появляется возможность корректировать положение приклеиваемой детали.

Популярные производители

Клеевые смеси, используемые в строительстве и ремонте производит множество предприятий. Каждый старается модифицировать клей так, чтобы увеличить область его применения и улучшить технические характеристики.

К самым известным брендам на 2021 год относят следующие.

Источник

Опусы про Его Величество Клей. Часть первая — вводная

Есть такие области знания, которые «аршином общим не измерить. ». В принципе, в моей «домашней» области, коллоидной химии, под такое направление можно спокойно помещать любое фундаментальное понятие, будь-то адсорбция (с адсорбентами) или адгезия (с клеями). Честно говоря, мысль написать про клей у меня не возникала. Но когда читатели в каждой теме, связанной с полимерами начинают просить рассказать про клеи — об этом поневоле задумаешся (ну и хочется конечно же отпарировать на «все надо клеить суперклеем»). Адгезия и клеи — очень обширная тема, поэтому я все-таки решил за нее взяться, но разбить повествование на несколько частей. Сегодня первая часть — вводно-информационная. Чтобы узнать за счет чего клей клеит, какие бывают клеи и какой клей лучше подходит для склеивания _____ (вписать нужное), традиционно идем под кат (и кладем в закладки).

Перед тем, как начать свое повествование, мне хотелось бы сделать небольшое отступление-посвящение:

Мой руководитель дипломной практики любил отвечать на выпады коллег «нет сейчас студентов толковых. » фразой «нет плохих студентов, есть преподаватель, который занимает не свое место». Все чаще ловлю себя на том, что с фразой этой согласен. Студенты чувствуют искренность и мастерство в предметной области и «голосуют» уважением и посещаемостью.

Беларуская наука, после развала СССР вообще стала вещью в себе, странной и местами даже дикой. Не удивительно, что многие академики Беларуси, как правило «широко известны в узких кругах», люди непубличные и т.п. Даже несмотря на то, что работы бывали интересные. Но чаще сухая биографическая информация на каком-нибудь, самопальной верстки html-сайте института, даже приблизительно не может рассказать каким был человек. Вот и доктор химических наук, профессор Фома Фомич Можейко был особенным мужиком. Без ложной скромности можно сказать что весь Солигорский клондайк построен с помощью его рук и светлой головы. Мне довелось с этим человеком впервые столкнуться при сдаче кандидатского минимума по коллоидной химии, после которого мы начали тесно, по-дружески общаться. Учитывая, что к аспирантам в нашем НИИ относились вызывающе «никак», то это произвело на меня впечатление… и, возможно, именно благодаря встрече с этим дедком, который мог в двух словах объяснить суть сложнейшего процесса и убедить в том, что наша общая область — царица химий, я пишу сейчас химическую статью на хабр, а не протираю штаны за разработкой или тестированием… Так что, по совести говоря, все статьи коллоидной тематики должны были бы быть с ремаркой «памяти Ф.Ф. Можейко», потому что именно этот человек был одним из моих Учителей. Светлая тебе память, Ф.Ф.!

Клей использовался человеком с древнейших времен, можно считать, что как только первобытный человек прилепил кремнёвый наконечник своего копья к древку с помощью битума или сосновой смолы, так и пошел отсчет практики склеивания. В древности в качестве клея использовали все, что попадалось под руку. Чаще всего использовались продукты животного происхождения, обладающие клейкими свойствами изначально (рыбная чешуя, жилы животных и т.п. вещества, после термической обработки). Стоит отметить, что есть области в которых органические клеи активно используются до сих пор. Столярный клей, казеиновый клей, клейстеры для обоев. Несмотря на обилие синтетических (=химических клеев) упомянутые варианты все еще в строю и прочно занимают положенную им нишу экологичных и дешевых клеющих субстанций. Кстати, многие современные клеи называют синтетическими смолами только в честь того, что смола (клейкое вещество, встречающееся в соснах и других растениях) была одним из первых широко используемых клеев.

Все понятие склеивания держится на двух фундаментальных явлениях коллоидной химии — адгезии и когезии (ну ладно, трех, еще поверхностное натяжение).

Адге́зия (от лат. adhaesio — прилипание) в физике — сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел. Адгезия обусловлена межмолекулярными взаимодействиями в поверхностном слое и характеризуется удельной работой, необходимой для разделения поверхностей.

Родственным и по звучанию и по смыслу к адгезии является понятие когезии, которое иногда некоторые люди любят путать.

Когезия (англ. cohesion от лат. cohaesus — «связанный», «сцепленный») — связь между одинаковыми молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы. Когезия характеризует прочность тела и его способность противостоять внешнему воздействию. Когезия — это действие или свойство взаимного притяжения одинаковых молекул. Это внутреннее свойство вещества обусловленное формой или структурой его молекул, вызывающее изменение в распределении электронов молекул при их сближении, создавая электрическое притяжение, способное образовывать микроскопические структуры.

Отличие между этими фундаментальными понятиями коллоидной химии лучше всего показать на примере капель воды, которые образуются на оконном стекле во время дождя.

На картинке показано противоборство «стихий», каждая из которых занимается своим делом формирования привычной нам картины мира. Форму капле придает поверхностное натяжение. Сила гравитации (земное тяготение) — тянет каплю вниз, стечь со стекла. С этой неумолимой силой борются сообща силы адгезии и когезии. Раньше всех проявляется когезия, так как она имеет место уже в самой капле воды. Соседние молекулы слипаются друг с другом и формируют те самые капли, которые потом живописно скользят по стеклу. Когезия связывает единичные молекулы в ансамбли. А вот адгезия прикрепляет ансамбли в виде капель к стеклу, заставляют их держаться за стекло, «тянет вверх», заставляя сопротивляться движению под собственным весом. Притом когезия сильнее адгезии, иначе бы капли не смогли формироваться, т.е. дождевая вода бы просто растекалась ровным слоем по стеклу, формируя некое подобие масляной пленки на воде. Кстати, внимательно наблюдая за стеклом во время дождя можно заметить, что капли скатываются по уже существующим «водяным дорожкам». Это связано с тем, что падающие капли воды за счет сил когезии стараются прилипать к воде, которая уже там есть, а не к стеклу. Упомянутые дорожки, кстати, образуются из-за того, что при попадании капель на окно молекулы воды отрываются от проходящих капель и захватываются стеклом.

Какое все это имеет отношение к клеям? А самое прямое. Адгезия и когезия являются основными действующими факторами и в клеях. Допустим, вы хотите соединить два куска дерева, A и Б, с помощью клея В. Здесь вам нужны три разные силы: силы сцепления, способные удерживать вместе A и В + силы сцепления удерживающие В и Б + силы сцепления которые удерживают вместе клей B.

Если с первыми двумя силами все понятно, то насчет последней приведу небольшое пояснение. Лучший пример — два кусочка батона, склеенные вареньем или джемом. Варенье — это классический природный клей (ниже о них пару слов скажу), сделанный из сахара и воды. Притом довольно эффективный. При использовании довольно прочного хлеба (или сухарей) и правильного «мамкиного» варенья вполне себе реально удерживать два куска вместе смазав только один уголок. У хорошего варенья достаточно сильные внутренние силы когезии (поэтому его тяжело вытянуть из банки, особенно грушевое), но и адгезия к другим поверхностям отличная. Поэтому тяжело разорвать склеенный бутерброд не разрушив батон (получается это чаще всего если сдвигать пласты в сторону, а не прикладывать силу перпендикулярно). Но если варенье «имеет слабый внутренний когезионный стержень», то уже не важно, насколько хорошо оно пристает к батону. Две половинки не смогут склеиться и будут разваливаться под действием силы тяжести.

Еще один антагонистичный пример: вода и кусок железа. И тот и другой объект — в нормальных условиях очень слабо пригодны для склеивания, но по разным причинам. Вода — потому что силы адгезии у нее велики и она отлично прилипает к любым поверхностям, но из-за очень слабых когезионных сил эти поверхности непрочно сцепляются между собой и их легко разделить. В куске железа, наоборот, невероятно сильные когезионные взаимодействия (ответственные за связь атомов), притом настолько это «вещь в себе», что от нее практически нереально добиться адгезии к какому-либо другому внешнему материалу. Тестом на внутренние силы когезии может стать возможность разделения материала на куски. «кусочек» воды легко можно отделить от общей массы пальцем/ложкой и т.п., а попробуйте пальцем отделить кусок чугуна :).

Из сказанного выше вывод — в природе клея главное сила когезии, а в природе склеивания — сила адгезии. Так как клеи, как правило, довольно специфичные вещества, эффективность многих из которых проверена опытом многих поколений, то основное внимание я уделю явлению адгезии (клей, кстати, также можно называть и адгезивом). На сегодняшний день разработано несколько различных конкурирующих/взаимодополняющих теорий, которые пытаются объяснить появление явления адгезии:

Несмотря на обилие матчасти, до сих пор не существует единого ответа на вопрос «что заставляет клей клеить?». Но это не так удивительно, если учесть, сколько существует различных типов клея и сколько различных способов их использования. Считается что для каждого отдельного клея и для каждой отдельной поверхности, на которой он используется, существует индивидуальное сочетание разных факторов, удерживающих эти объекты вместе. Процесс изучения процессов склеивания продолжается и сегодня, ибо даже в 21 веке, когда «космические корабли бороздят. », мы еще не до конца понимаем, что заставляет вещества приклеиваться друг к другу. Поэтому приходится оперировать допущениями и обобщениями. С учетом которых выходит, что существуют четыре основных возможных механизма склеивания: через адсорбцию, хемосорбцию, механическое прикрепление и диффузию.

Адсорбция — эффект прилипания поверхностей друг к другу, за счет сверхмалых сил притяжения (т.н. сил Ван дер Ваальса (кстати, читатель cck7777 упомянул, что правильнее было бы говорить «фан дер» как в de Nederlandse taal), общего названия для всех межмолекулярных сил). Силы эти, кроме того, еще подразделяются на силы электростатического взаимодействия (силы Кизома, возникающие между постоянными молекулярными диполями), поляризационные силы (интермолекулярные силы Дебая между постоянным и индуцированными диполями) и силы дисперсионного взаимодействия (силы Лондона между мгновенно индуцированными диполями). Диполь = два заряда, равных по величине и противоположных по знаку, находящихся друг от друга на расстоянии, очень малом по сравнению с расстоянием до точки наблюдения. Ну а дальше «разноименные притягиваются и т.п.». На этом вся электростатика и держится (а с ней и все адгезивы). Силы межмолекулярного взаимодействия, кстати, проявляются, когда участники (атомы и молекулы) находятся на очень близком расстоянии (менее 1 нм).

При нанесении клея поверхность склеиваемых деталей смачивается и объекты прилипают друг к другу. Чтобы клей сработал, поверхности должны быть максимально обезжирены (для растекания адгезива по поверхности) и клей равномерно распределен тонким слоем. Фактически, этот процесс напоминает прилипание миллионов микроскопических магнитов (в роли которых выступают молекулы клея и молекулы склеиваемых материалов).

1,5 миллиона на см 2 ). Каждая щетинка конце расходится в 400-1000 ответвлений и каждое ответвление заканчивается на конце треугольной пластинкой шириной 0,2 микрометра. Т.е. лапка геккона площадью около сантиметра квадратного контактирует с поверхностью примерно двумя миллиардами окончаний.

Б. Фотография щетинок геккона. В. Фотография одной щетинки геккона. Г. Фотография ответвления на конце щетинки.

Последние исследования показывают, что именно такая геометрия лапок и связанные с ней электростатические силы (помноженные на миллиарды окончаний) дают в сумме результат, способный удерживать вес геккона на потолке.

Уточнение от читателя Rikkitik:

Про материал, имитирующий лапки геккона вот статья 2016 года. Вкратце — самым любопытным оказалось не как прилепить, а как оторвать без потери функциональности, то есть, добиться многоразовости соединения.

К ворсинкам предъявляются, казалось бы, взаимоисключающие требования — с этим исследователи столкнулись уже в начале XXI века. Ворсинки должны быть тонкими, чтобы проникать в самые мелкие зазоры и ямки, и вместе с тем прочными, чтобы не отрываться от подошвы на каждом шаге. Они должны быть гибкими и относительно легко растягиваться, чтобы дотянуться до выступов сложной шероховатой поверхности, и вместе с тем не слишком, чтобы легко отделяться от этой поверхности, а не тянуться за подошвой, как жевательная резинка.

Искусственные структуры из таких ворсинок должны быть максимально устойчивыми, не отрываться от ступни и выдерживать огромное число (до миллиона) циклов прилипания-отлипания. Пространство между ворсинками не должно слишком загрязняться пылью, собранной с поверхности, и сами ворсинки не должны слипаться между собой, поскольку и то, и другое резко снижает их способность адаптироваться к сложной поверхности.

Было бы удивительно, если бы всем этим не воспользовались военные. В мае 2014 года DARPA продемонстрировала свою разработку Geckskin (проект Z-Man), приспособления для рук, позволяющие передвигаться по вертикальным поверхностям.

Правда прошло пять лет, а про Geckskin почему-то ничего больше не слышно. Возможно, потому что засекречено, а возможно, потому что результата нет.

Гекконы и Darpa — это все где-то там, у них. А у нас лучшей иллюстрацией сил межмолекулярных взаимодействий может быть идеально притертая поверхность. Каждый токарь-фрезеровщик должен знать про такую вещь, как плитки Иогансона, или плоскопараллельные меры длины концевые. Плитки эти отполированы и притерты так, что достаточно сильно слипаются если их приставить гладкими гранями друг к другу. На картинке тридцать шесть плиток удерживаются атмосферным давлением и силами Ван-дер-Ваальса вместе:

Тому кто не верит, что такое возможно — рекомендую посмотреть наглядную демонстрацию (кликабельно):

За адсорбцией неотступно следует хемосорбция, но несмотря на похожесть названий, суть явлений кардинально отличается. Хемосорбция — прилипание осуществляется за счет образования химических связей между клеем и склеиваемыми веществами. Фактически, при склеивании образуется новое химическое вещество. При диффузии склеивание происходит за счет взаимного проникновения молекул материалов друг в друга. Молекулы клея перемешиваются с молекулами склеиваемых поверхностей и формируют прочное сцепление. И наконец механическая адгезия происходит при проникновении клея в микротрещины и полости материалов и последующего их физического удерживания. На картинке для наглядности показаны числовые значения энергий для различных сил имеющих место при склеивании.

Очевидно, что наилучшее сцепление образуется в случае хемосорбционного взаимодействия между склеиваемыми веществами, правда добиться этого не всегда возможно (но стремиться-нужно).

Разновидности клеев

Из всего выше изложенного следует, что любой клей будет эксплуатировать тот или иной, описанный выше принцип. Притом в случае клеев, как и в случае с гекконами, у исследователей тоже единства мнений, как правило, не наблюдается. Но это, в принципе, не так уж и важно, ибо накоплен достаточно серьезный практический опыт позволяющий без проблем подбирать оптимальные адгезивы и клеевые составы для всего разнообразия материалов. Существует множество делений клеющих субстанций, я приведу наиболее простую, основанную на их химической природе:

Притом хотелось бы отметить тот факт, что и по сей день мы в основном активно эксплуатируем разработки практически столетней давности. Судите сами по краткой хронологии:

1920-е годы: предложены клеи на основе сложных эфиров целлюлозы, алкидных смол, циклизированного каучука, полихлоропрена (неопрен), соевые клеи
1930-е годы: изобретен карбамидоформальдегид, чувствительные к давлению клейкие ленты, клейкие пленки на основе фенольных смол, поливинилацетатные (ПВА) клеи для дерева
1940-е годы: синтезирован нитрилфенол, хлорированный каучук, меламинформальдегид, винилфенольные и акриловые полиуретаны
1950-е годы: представлены эпоксиды, цианоакрилаты, анаэробные клеи
1960-е годы: представлены полиимиды, полибензимидазол, полихиноксалин
1970-е годы: представлены акриловые клеи второго поколения, акрилы чувствительные к давлению, структурные полиуретаны
1980-е годы: активная разработка загустителей для термореактивных смол, представлены водорастворимые эпоксидные смолы, контактные клеи, формуемые и вспененные термоклеи
1990-е годы: представлена модифицированная полиуретаном эпоксидная смола, отверждаемые термопластичные материалы, предложены клеи отверждаемые УФ и видимым светом
2000-е годы: синтезированы клеи на водной основе, активно разрабатываются однокомпонентные и двухкомпонентные клеи, не содержащие растворителей

В качестве синтетических клеевых составов в большинстве случаев используются полимеры, поэтому рекомендую прочитать попутно две мои тематических tutorial статьи (Письмо химика 3D-печатнику. Растворители для пластмасс и защита от них + Возвращаем девочке птицелет или RTFM по определению пластмасс в домашних условиях), уже хотя бы для того, чтобы привыкнуть к «полимерной» терминологии и посмотреть базовую информацию по полимерам.

Сегодня основное развитие «пользовательских» клеевых составов идет по пути увеличения экологичности (часто, кстати, в ущерб прочности соединения). Конструкционные и промышленные составы особенно этому не подвержены, но там в целом до сих пор используются традиционные, проверенные временем варианты. Так что, ищем в таблице ниже свои соединяемые материалы и запоминаем нужный тип клея.

Бонусом — сравнительный обзор прочностных характеристик различных типов клеев. Иногда бывает полезно 🙂

На этом вводная часть завершена, в следующих — перейдем к рассмотрению конкретных разновидностей клея и оптимальных условий/материалов для его применения. Задавайте в комментариях волнующие вас вопросы — тогда в следующей части высока вероятность появления ответов.

N.B. Продолжение темы:

Будет ли следующая статья — зависит от хабра-сообщества, ибо subj.

Важно! Все обновления и промежуточные заметки из которых потом плавно формируются хабра-статьи теперь можно увидеть в моем телеграм-канале lab66. Подписывайтесь, чтобы не ожидать очередную статью, а сразу быть в курсе всех изысканий 🙂

Источник