Теория склеивания. Клей
Теория склеивания. Клей
Клей применяется на различных этапах картографического производства для обеспечения ряда технологических операций.
В картографическом производстве склеивают бумагу, ткань, пластик; наклеивают чертежную бумагу на металл для создания недеформирующейся основы и последующего изготовления на ней картографических оригиналов; приклеивают фотобумагу на металл для типовых основ и составительских оригиналов, подготавливаемых фотомеханическим методом. Технологией предусмотрено приклеивание желатиновой пленки к бумаге пластикам для создания оригиналов подписей, приклеивании фотографической пленки к стеклу или пластику для создания сборных диапозитивов, наклеивание готовой карты на ткань/ или пластик. Клей широко применяется в брошюровочно-переплетных процессах для отделочных работ.
Назначение клея - обеспечить прочное соединение различных материалов. Применяемый клей представляет собой композиции, основой которых являются высокомолекулярные соединения природного и синтетического происхождения. (В дальнейшем клей будем называть адгезивом, а склеиваемый материал - субстратом.)
При склеивании между молекулами адгезива и субстрата могут возникать самые различные силы взаимодействия: слабые ван-дер-ваальсовые силы, водородные связи, донорно-акцепторное взаимодействие и, наконец, наиболее сильные химические связи (ковалентные, ионные, координационные). Существенное влияние на силы сцепления адгезива и субстрата оказывает расстояние между ними. Установлено, что значение удельных сил притяжения при расстоянии 1 нм в 700 раз больше, чем при расстоянии 10 нм.
Таким образом, даже слабые ван-дер-ваальсовые силы могут оказаться большими, если адгезив и субстрат плотно соединены друг с другом.
Контакт адгезива с твердой поверхностью сопровождается адсорбцией. Значительное воздействие на адсорбцию оказывает обработка адсорбента и адсорбтива поверхностно-активными веществами.
Определенное воздействие на процесс склеивания оказывав явление смачивания. По существу смачивание - это проявление сродства адгезива и субстрата. Существенную роль в адгезии играют диффузные процессы, которые могут быть поверхностные или объемные, когда адгезив проникает в субстрат. На диффузию влияет разность термодинамических потенциалов. Диффузия улучшается при снижении свободной энергии системы. Адгезионная прочность зависит от, толщины слоя адгезива; как правило, более толстые слои уменьшают эту прочность.
Процесс склеивания характеризуется также двумя физико-химическими явлениями: адгезией и когезией, влияющими на свойства клея и прочность склеивания.
Из практики известно, что для склеивания различных материалов применяли клей белкового происхождения, углеводы
Свойство склеивать объясняется наличием в молекулах этих веществ полярных групп.
В соответствии с классической адсорбционной теорией счи-ается, что молекулярные взаимодействия между адгезивом и субстратом возможны, если последние представляют собой полярные вещества. Склеивание полярного адгезива и неполярного субстрата и наоборот невозможно. В настоящее время адсорбционная теория переросла в молекулярно-адсорбционную теорию. В ней основное значение адгезии придается молекулярному взаимодействию.
Существенно влияет на прочность склеивания деформация субстратов и адгезивов, т. е. перенапряжение, возникающее в результате изменения температуры и влажности окружающей атмосферы. Например, формирование адгезива после его нанесения на субстрат сопровождается постепенным испарением растворителя, и жидкий адгезив приобретает сначала вязкоте-кучее, затем высокоэластичное и, наконец, стеклообразное состояние. Все три стадии состояния адгезива играют определенную роль в технологии склеивания. Формирование различных состояний адгезива зависит от типа растворителя или смеси растворителей и их соотношения. Если растворители подобраны неправильно, то адгезионная композиция при высыхании может распадаться на отдельные фазы, которые, в свою очередь, могут ухудшать прочность адгезии.
Второй причиной формирования внутренних напряжений могут служить термические воздействия, приводящие к деформации адгезива.
Наиболее типичным видом механической деформации является изгиб субстрата и адгезива, при котором возникают сложные напряжения, величина которых различна (может быть растяжение и сжатие) *.
Аналогичные рассуждения можно привести в отношении влияния изменения влажности окружающей среды на поведение субстратов и адгезива. Рассмотрим пример поведения желатиновой наклейки надписей, прикрепленной с помощью адгезива к полиэфирной пленке. При повышении влажности наблюдается влагопоглощение желатиновой пленкой (полиэфирная основа влагу не поглощает). Первая будет изменять линейные размеры, вторая - сохранять их. Если в данном случае и адгезив не будет изменять своих размеров, то в результате возникших внутренних напряжений желатиновая пленка оторвется. Если же адгезив будет изменять свои размеры на ту же величину, что и желатиновая пленка, произойдет отрыв как пленки, так и адгезива.
Таким образом, для данного случая, чтобы уменьшить разницу перенапряжений различных по химической природе субстратов, необходимо подобрать эластичный адгезив, обладающий промежуточными свойствами между указанными субстратами. В данном случае адгезив должен иметь как полярные, так и неполярные группы, т. е. молекула должна быть дифильной. Между ними должны возникнуть молекулярные связи, чтобы увеличить их адгезионное взаимодействие.
Шероховатость субстратов способствует растеканию адгезива, увеличению полосы адгезионного контакта и прочности склеивания. В связи с этим наклейки надписей целесообразно делать на матированном пластике.
В процессе склеивания могут возникать дефекты адгезионного соединения: различные загрязнения субстрата; незаполненные адгезионные углубления; воздушные подушки; трещины, возникшие в результате усадки адгезива, и др.
При исследовании ряда адгезивов установлено, что число функциональных групп у адгезивов влияет на адгезионную прочность. Адгезив должен содержать оптимальное число этих групп. По-видимому, как избыток, так и недостаток функциональных групп понижают подвижность макромолекул адгезива и вероятность их контакта с макромолекулами субстрата. Можно утверждать, что, например, водорастворимые смолы с метилольными группами будут самым подходящим адгезивом для субстрата из целлюлозы и материалов на ее основе.
При выборе соответствующего адгезива важное значение приобретают методы измерения адгезионной прочности и возникающих внутренних напряжений. Приборами для измерения надежности склеивания субстратом являются различные типы адгезиометров.
При склеивании необходимо учитывать процессы, протекающие на границе раздела фаз. Известна химическая инертность полиэтилентерефталатной пленки, широко применяемой в картографическом производстве. Это свидетельствует о том, что большинство функциональных групп пластика не участвует в химическом взаимодействии с функциональными группами адгезива. В этом случае необходимо создавать условия для увеличения взаимодействия функциональных групп адгезива и субстрата. Высокую адгезивную прочность могут создать гидроксильные, карбоксильные, эпоксидные, изоциановые, винилпиридиновые и нитрильные группы. Из числа синтетических материалов можно назвать меламино- или карбомидоформальдегидные смолы, эпоксидные смолы, поливинилбутираль, поливинилацетат, полиамиды, полиакрилаты и др.
С металлами адгезив в том случае прочно скрепляется, если полимер имеет функциональные группы, способные взаимодействовать с металлом. К таким полимерам можно отнести метиолполиамидные смолы или их смесь с фенолформальдегидныли смолами. Добавка к поливинилхлоридам бутилметакрила и метакриловой кислоты приводит к образованию привитых полимеров и увеличению адгезии к металлам.
Большой интерес представляют фенолформальдегидноэпоксидные композиции, кремнийорганические полимеры с полиэфирами, эпоксидами и фенольными смолами, содержащие полярные группировки.
Выбор оптимального адгезива может быть решен изменением числа компонент с активными функциональными группами, введением добавок, подбором соответствующих растворителей, введением пластификаторов.
Подготовка субстрата включает очистку его поверхности, а иногда и модификацию путем окисления или обработки поверхностно-активными веществами, которые повышают полярность.
При выборе адгезива необходимо учитывать его когезионные свойства. Регулировка адгезионно-когезионных свойств адгезива порой решается компромиссным путем. Выбор оптимального типа адгезива с определенным содержанием активных групп зачастую производят эмпирическим путем. Например, меламиноформальдегидная смола способна взаимодействовать как с гидроксильными группами целлюлозы, так и с кислородсодержащими группами полимерной пленки.
Клей должен отвечать определенным требованиям: иметь способность смачивать субстраты, обладать малой токсичностью, стойкостью к старению. Адгезив и субстрат не должны изменять цвет при хранении склеенных материалов, должны обладать прозрачностью, длительное время сохранять эластичность; деформация адгезива должна быть близкой к деформации субстратов.