Klej, każda substancja, która jest w stanie utrzymać materiały razem w funkcjonalny sposób poprzez przyczepność do powierzchni, która jest odporna na separację. „Klej” jako ogólny termin obejmuje cement, śluz, klej i pastę - terminy, które są często stosowane zamiennie dla każdego materiału organicznego, który tworzy wiązanie kleju. Substancje nieorganiczne, takie jak cement portlandzki, również można uznać za kleje, w tym sensie, że utrzymują one razem takie obiekty, jak cegły i belki poprzez mocowanie powierzchniowe, ale ten artykuł ogranicza się do dyskusji na temat klejów organicznych, zarówno naturalnych, jak i syntetycznych.
Naturalne kleje są znane od starożytności. Egipskie rzeźby sprzed 3300 lat przedstawiają przyklejenie cienkiego forniru do czegoś, co wydaje się być deską z jaworu. Papirus, wczesna włóknina, zawierała włókna roślin przypominających trzcinę, połączone ze sobą pastą z mąki. W starożytności i średniowieczu bitumy, smoły drzewne i wosk pszczeli były stosowane jako szczeliwa (powłoki ochronne) i spoiwa. Złoty liść iluminowanych rękopisów był przyklejony do papieru białą jają, a drewniane przedmioty spajano klejami ryb, rogu i sera. Technologia klejów zwierzęcych i rybnych rozwijała się w XVIII wieku, aw XIX wieku wprowadzono cementy na bazie kauczuku i nitrocelulozy. Znaczący postęp w technologii klejów czekał jednak na XX wiek, w którym to czasie naturalne kleje zostały ulepszone, a wiele materiałów syntetycznych wyszło z laboratorium, aby zastąpić naturalne kleje na rynku. Szybki rozwój przemysłu lotniczego i kosmicznego w drugiej połowie XX wieku miał ogromny wpływ na technologię klejów. Zapotrzebowanie na kleje, które miały wysoką wytrzymałość strukturalną i były odporne zarówno na zmęczenie, jak i na trudne warunki środowiskowe, doprowadziły do opracowania wysokowydajnych materiałów, które ostatecznie znalazły zastosowanie w wielu zastosowaniach przemysłowych i domowych.
Artykuł rozpoczyna się od krótkiego wyjaśnienia zasad przyczepności, a następnie przechodzi do przeglądu głównych klas klejów naturalnych i syntetycznych.
Przyczepność
Przy wykonywaniu połączeń klejowych najważniejsze są właściwości fizyczne i chemiczne kleju. Ważne przy określaniu, czy połączenie klejowe będzie działało odpowiednio, są rodzaje przyczepności (to znaczy łączone elementy - np. Stop metalu, tworzywo sztuczne, materiał kompozytowy) oraz charakter wstępnej obróbki powierzchni lub podkładu. Te trzy czynniki - klej, przyczepność i powierzchnia - mają wpływ na żywotność połączonej struktury. Z kolei na zachowanie mechaniczne połączonej konstrukcji mają wpływ szczegóły projektu połączenia oraz sposób przenoszenia przyłożonych obciążeń z jednego przylegającego do drugiego.
W tworzeniu akceptowalnego wiązania klejowego bierze się pod uwagę zdolność kleju do zwilżania i rozprowadzania się na łączonych klejach. Osiągnięcie takiego międzyfazowego kontaktu molekularnego jest niezbędnym pierwszym krokiem w tworzeniu mocnych i stabilnych połączeń klejowych. Po osiągnięciu zwilżenia, wewnętrzne siły adhezyjne są generowane przez interfejs za pośrednictwem wielu mechanizmów. Dokładna natura tych mechanizmów była przedmiotem badań fizycznych i chemicznych od co najmniej lat 60. XX wieku, w wyniku czego istnieje wiele teorii przyczepności. Główny mechanizm adhezji wyjaśnia teoria adsorpcji, która stwierdza, że substancje przyczepiają się głównie z powodu bliskiego kontaktu międzycząsteczkowego. W połączeniach klejowych kontakt ten osiąga się za pomocą sił międzycząsteczkowych lub walencyjnych wywieranych przez cząsteczki w powierzchniowych warstwach kleju i przylegania.
Oprócz adsorpcji zaproponowano cztery inne mechanizmy adhezji. Pierwsze, mechaniczne połączenie, następuje, gdy klej wpada do porów w przylegającej powierzchni lub wokół występów na powierzchni. Druga dyfuzja powstaje, gdy ciekły klej rozpuszcza się i dyfunduje w przylegające materiały. W trzecim mechanizmie, adsorpcji i reakcji powierzchniowej, wiązanie zachodzi, gdy cząsteczki kleju adsorbują się na stałej powierzchni i reagują chemicznie z nią. Z powodu reakcji chemicznej proces ten różni się w pewnym stopniu od prostej adsorpcji opisanej powyżej, chociaż niektórzy badacze uważają reakcję chemiczną za część całkowitego procesu adsorpcji, a nie oddzielny mechanizm adhezji. Wreszcie elektroniczna lub elektrostatyczna teoria przyciągania sugeruje, że siły elektrostatyczne rozwijają się na styku materiałów z różnymi elektronowymi strukturami pasmowymi. Zasadniczo więcej niż jeden z tych mechanizmów odgrywa rolę w osiągnięciu pożądanego poziomu przyczepności dla różnych rodzajów kleju i przyczepności.
Podczas tworzenia wiązania klejowego powstaje strefa przejściowa na granicy między przyleganiem a klejem. W tej strefie, zwanej interfazą, chemiczne i fizyczne właściwości kleju mogą się znacznie różnić od właściwości w częściach bezkontaktowych. Ogólnie uważa się, że kompozycja międzyfazowa kontroluje trwałość i wytrzymałość połączenia klejowego i jest przede wszystkim odpowiedzialna za przenoszenie naprężeń z jednego przylegania do drugiego. Region międzyfazowy jest często miejscem ataku środowiska, co prowadzi do uszkodzenia stawu.
Wytrzymałość połączeń adhezyjnych jest zwykle określana za pomocą testów niszczących, które mierzą naprężenia ustawione w punkcie lub linii pęknięcia badanego elementu. Stosuje się różne metody testowe, w tym testy na odrywanie, ścinanie na zakładanie rozciągania, cięcie i testy zmęczeniowe. Testy te są przeprowadzane w szerokim zakresie temperatur i w różnych warunkach środowiskowych. Alternatywną metodą charakteryzowania połączenia adhezyjnego jest określenie energii zużytej na rozcięcie jednostkowego obszaru międzyfazowego. Wnioski wynikające z takich obliczeń energii są w zasadzie całkowicie równoważne wnioskom z analizy naprężeń.
Materiały przylepne
Praktycznie wszystkie kleje syntetyczne i niektóre naturalne kleje składają się z polimerów, które są gigantycznymi cząsteczkami lub makrocząsteczkami, utworzonymi przez połączenie tysięcy prostszych cząsteczek zwanych monomerami. Tworzenie polimeru (reakcja chemiczna znana jako polimeryzacja) może zachodzić podczas etapu „utwardzania”, w którym polimeryzacja zachodzi jednocześnie z tworzeniem wiązania adhezyjnego (jak ma to miejsce w przypadku żywic epoksydowych i cyjanoakrylanów), lub polimer może być uformowany przed naniesieniem materiału jako klej, tak jak w przypadku termoplastycznych elastomerów, takich jak blokowe kopolimery styren-izopren-styren. Polimery nadają wytrzymałość, elastyczność i zdolność do rozprzestrzeniania się i interakcji na przyczepnej powierzchni - właściwości wymagane do tworzenia akceptowalnych poziomów przyczepności.
Naturalne kleje
Naturalne kleje są przede wszystkim pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego. Mimo że popyt na produkty naturalne spadł od połowy XX wieku, niektóre z nich nadal są używane z produktami z drewna i papieru, szczególnie w tekturze falistej, kopertach, etykietach na butelki, oprawach książek, kartonach, meblach oraz laminowanej folii i folii. Ponadto, ze względu na różne regulacje środowiskowe, naturalne kleje pochodzące ze źródeł odnawialnych zyskują na nowo uwagę. Najważniejsze naturalne produkty opisano poniżej.
Klej dla zwierząt
Termin klej zwierzęcy zwykle ogranicza się do klejów przygotowanych z kolagenu ssaków, głównego białka będącego składnikiem skóry, kości i mięśni. Po potraktowaniu kwasami, zasadami lub gorącą wodą normalnie nierozpuszczalny kolagen powoli staje się rozpuszczalny. Jeśli oryginalne białko jest czyste, a proces konwersji jest łagodny, produkt o dużej masie cząsteczkowej nazywa się żelatyną i można go stosować do żywności lub produktów fotograficznych. Materiał o niższej masie cząsteczkowej wytwarzany przez bardziej energiczne przetwarzanie jest zwykle mniej czysty i ciemniejszy i nazywa się go klejem zwierzęcym.
Klej do zwierząt tradycyjnie stosowany jest do łączenia drewna, introligatorstwa, produkcji papieru ściernego, ciężkich gumowanych taśm i podobnych zastosowań. Pomimo zalet wysokiej przyczepności początkowej (lepkości) znaczna część kleju zwierzęcego została zmodyfikowana lub całkowicie zastąpiona syntetycznymi klejami.
Klej kazeinowy
Produkt ten powstaje przez rozpuszczenie kazeiny, białka uzyskanego z mleka, w wodnym alkalicznym rozpuszczalniku. Stopień i rodzaj alkaliów wpływa na zachowanie produktu. W przypadku klejenia drewna kleje kazeinowe ogólnie przewyższają prawdziwe kleje zwierzęce pod względem odporności na wilgoć i starzenia. Kazeina jest również stosowana w celu poprawy właściwości przyczepnych farb i powłok.
Klej z albuminy krwi
Klej tego typu jest wytwarzany z albuminy surowicy, składnika krwi, który można uzyskać ze świeżej krwi zwierzęcej lub suszonego rozpuszczalnego proszku z krwi, do którego dodano wodę. Dodatek alkaliów do mieszanin białka i wody poprawia właściwości adhezyjne. Znaczna ilość klejów z krwi jest wykorzystywana w przemyśle sklejki.
Skrobia i dekstryna
Skrobia i dekstryna są ekstrahowane z kukurydzy, pszenicy, ziemniaków lub ryżu. Stanowią one główne rodzaje klejów roślinnych, które są rozpuszczalne lub dyspergowalne w wodzie i są pozyskiwane ze źródeł roślinnych na całym świecie. Kleje skrobiowe i dekstrynowe stosuje się w tekturze falistej i opakowaniach oraz jako klej do tapet.
