От древних смол к современным полимерам
Адгезив — это понятие, объединяющее различные вещества, основным предназначением которых является соединение разнородных материалов путем поверхностного сцепления. Основной принцип действия адгезива связан с установлением межмолекулярных связей между ним и внешними поверхностями соединяемых материалов. Другими словами, адгезив — это научное название клея.
История клея уходит в глубь тысячелетий. Археологи находят следы природных адгезивов в орудиях труда каменного века: для крепления наконечников копий использовались смолы деревьев, деготь и воск. В Древнем Египте применяли животные клеи из костей и кожи, а в античном мире — смеси извести, яичного белка и растительных смол. Уже тогда было ясно: прочное соединение материалов открывает новые возможности для строительства, быта и искусства.
Начало расцвета искусственных адгезивных материалов было положено открытием Луи Бакеландом фенолформальдегидных смол в 1907 году. Эти продукты конденсации фенола с формальдегидом не только послужили сырьем для создания множества различных видов адгезивов, но и позволили глубже и полнее изучить саму суть адгезивных связей.
К 1950-м годам учёные ввели понятие поверхностной энергии и начали системно изучать теорию адгезии, связывая прочность соединений с межмолекулярными взаимодействиями.
Сегодня развитие адгезивов неразрывно связано с химией полимеров: каждое новое поколение клеевых составов создаётся на базе открытий в области макромолекулярной науки.
Что такое полимерные адгезивы
Полимерные адгезивы — это не просто «клей», а специальные системы, разработанные именно для работы с пластиками и синтетическими материалами. Особенность большинства синтетических полимеров в том, что они плохо склеиваются между собой: их поверхности обладают низкой энергией, слабо смачиваются и устойчивы к воздействию влаги и химикатов.
(Немногочисленные исключения: например, оргстекло (ПММА) хорошо склеивается его раствором в дихлорэтане; в случае ПВХ используют раствор этого полимера в тетрагидрофуране).
Существует еще интересный класс полимерных адгезивов — “Pressure sensitive”. Такие клеи экологичны, так как не содержат растворителей. Это всем известный скотч, липкие этикетки. Нельзя не упомянуть адгезионные полоски фирмы 3М Command для надежного прикрепления пластиковых крючков, картин, часов и других предметов на стены в наших квартирах. Главное достоинство таких адгезивов — при необходимости они легко удаляются, не оставляя никаких следов.
В общем, подходы использования универсальных клеев, подходящих для дерева или металла, здесь практически не работают.
Чтобы решить эту непростую задачу, создаются составы с определённой химией, которые в качестве ключевых компонентов могут содержать:
- Эпоксидные смолы. Образуют твёрдый и очень прочный шов, который выдерживает нагрузки и химические воздействия.
- Полиуретаны. Отличаются эластичностью: они не трескаются при изгибе и сохраняют прочность даже при ударах.
- Цианакрилаты. Быстро полимеризуются в присутствии влаги, образуя прозрачный шов, устойчивый к влаге и свету.
- Композиции синтетических каучуков (“Pressure sensitive Adhesives”)
- Низкоплавкие сополиамиды или сополиэфиры (клей «паутинка»). Незаменимы при пошиве и ремонте одежды.
- Полиолефины с привитыми функциональными группами (“Tie-Layers” или клеи-расплавы). Позволяют надежно соединять разнородные полимеры (например, полиэтилен с полиамидом), ламинировать бумагу, наносить антикоррозионную защиту на стальные трубы или оцинкованную жесть.
Современные полимерные адгезивы, как правило, представляют собой многокомпонентные системы: клейкая матрица сочетается с отвердителями, активаторами поверхности, модификаторами и стабилизаторами. Такое сочетание обеспечивает точную настройку свойств — от скорости схватывания до устойчивости к экстремальным температурам.
Как они работают
Механизм работы адгезива основан на физико-химических процессах, происходящих на границе раздела «клей — субстрат». Одной из наиболее известных и принимаемых большинством теорий, объясняющих причины склеивания различных веществ, является адсорбционная. В соответствии с ней для качественного и надежного соединения различных материалов необходимо наличие на их поверхностях и в самом клее химически активных, обычно полярных групп. Это обеспечивает создание между ними соответственно химических, ориентационных и индукционных связей.
Ключевых элементов здесь два:
1. Адгезия. Это сцепление молекул клея с поверхностью полимера. Оно может возникать за счёт нескольких механизмов:
- Механическая адгезия — клей проникает в микропоры и неровности поверхности, как цемент в кирпичную кладку.
- Физическая адгезия — молекулы удерживаются за счёт межмолекулярных сил (например, дисперсионных или водородных связей).
- Химическая адгезия — на поверхности протекают реакции, образующие прочные ковалентные связи.
2. Когезия. Это внутренняя прочность самого клеевого слоя. Если когезия слабая, шов разрушится изнутри, даже при хорошей адгезии к поверхности. Поэтому формула клея должна обеспечивать достаточную эластичность или твёрдость в зависимости от условий эксплуатации.
Самая трудная ситуация – с полиэтиленом и полипропиленом. Они имеют очень низкое поверхностное натяжение и практически не смачиваются клеем. Единственный способ - модифицировать поверхность перед склеиванием газопламенной или плазменной активацией и/или праймированием. Альтернатива – это применение клеев-расплавов или сварка, но это уже другая технология.
Итог: надёжность соединения определяется балансом адгезии и когезии, а также состоянием поверхности. Именно поэтому выбор адгезива и подготовка материалов столь важны в промышленности.
Преимущества полимерных адгезивов
- Сохраняют прочность даже во влажной или агрессивной среде.
- Позволяют соединять материалы без механического крепежа.
- Экономят вес и объём конструкции, что особенно важно в транспорте.
- Обладают экологически безопасными составами нового поколения.
Применение в отраслях
Универсальность адгезивов делает их незаменимыми:
- Автомобилестроение. Склеивание панелей, бамперов, уплотнителей снижает вес автомобиля и улучшает аэродинамику.
- Упаковка. Барьерные свойства контейнеров и плёнок защищает продукты и лекарства от окисления.
- Строительство. Монтаж фасадных панелей, кровельных мембран и труб возможен без сварки и механических креплений.
- Электроника. Адгезивы фиксируют платы, сенсоры и корпуса, защищая их от влаги и вибраций.
Заключение
Полимерные адгезивы прошли длинный путь — от природных смол до высокотехнологичных композиций на основе эпоксидов, полиуретанов, акрилатов, синтетических каучуков, привитых полиолефинов. Сегодня это не просто «клей», а целая наука о соединении материалов на молекулярном уровне. Благодаря им современное производство получает лёгкие и прочные конструкции, долговечную упаковку и надёжные электронные устройства.
История адгезивов — это история технологического прогресса: от дегтя на каменном наконечнике до клеевых систем, удерживающих вместе детали космических аппаратов.
Где узнать больше
Переходите на нашу платформу polylab.sibur.ru, где собрана информация
о деятельности центров, специализациях площадок в разных городах, типах исследований, доступном оборудовании, а также о вебинарах и обучающих курсах.
