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.