Kleefchemie

Kleefstof, elke stof die in staat is materialen op een functionele manier bij elkaar te houden door oppervlaktebevestiging die bestand is tegen scheiding. 'Lijm' als algemene term omvat cement, slijm, lijm en pasta - termen die vaak door elkaar worden gebruikt voor elk organisch materiaal dat een lijmverbinding vormt. Anorganische stoffen zoals portlandcement kunnen ook worden beschouwd als kleefstoffen, in die zin dat ze objecten zoals bakstenen en balken bij elkaar houden door middel van oppervlaktebevestiging, maar dit artikel beperkt zich tot een bespreking van organische kleefstoffen, zowel natuurlijke als synthetische.

Natuurlijke lijmen zijn al sinds de oudheid bekend. Egyptisch houtsnijwerk dat 3300 jaar oud is, toont het verlijmen van een dun stuk fineer op wat een plataan lijkt te zijn. Papyrus, een vroege niet-geweven stof, bevatte vezels van rietachtige planten die aan elkaar waren vastgemaakt met bloempasta. Bitumen, boompekten en bijenwas werden in de oudheid en middeleeuwen gebruikt als afdichtmiddel (beschermende coatings) en kleefstoffen. Het bladgoud van verluchte manuscripten was met eiwit aan papier gebonden en houten voorwerpen waren met lijm van vis, hoorn en kaas verbonden. De technologie van lijm voor dieren en vissen werd geavanceerd in de 18e eeuw en in de 19e eeuw werden op rubber en nitrocellulose gebaseerde cementen geïntroduceerd. Doorslaggevende vooruitgang op het gebied van kleeftechnologie wachtte echter op de 20e eeuw, gedurende welke tijd natuurlijke kleefstoffen werden verbeterd en veel kunststoffen uit het laboratorium kwamen om natuurlijke kleefstoffen op de markt te vervangen. De snelle groei van de vliegtuig- en ruimtevaartindustrie in de tweede helft van de 20e eeuw had een grote impact op de kleeftechnologie. De vraag naar lijmen met een hoge mate van structurele sterkte en bestand tegen zowel vermoeidheid als zware omgevingscondities leidde tot de ontwikkeling van hoogwaardige materialen, die uiteindelijk hun weg vonden naar vele industriële en huishoudelijke toepassingen.

Dit artikel begint met een korte uitleg van de hechtprincipes en gaat vervolgens verder met een overzicht van de belangrijkste klassen van natuurlijke en synthetische lijmen.

Hechting

Bij het uitvoeren van lijmverbindingen zijn de fysische en chemische eigenschappen van de lijm de belangrijkste factoren. Ook belangrijk om te bepalen of de lijmverbinding goed zal presteren, zijn de soorten hechtmiddel (dat wil zeggen de componenten die worden samengevoegd, bijvoorbeeld metaallegering, kunststof, composietmateriaal) en de aard van de voorbehandeling van het oppervlak of de primer. Deze drie factoren - lijm, hechting en oppervlak - hebben invloed op de levensduur van de verlijmde structuur. Het mechanische gedrag van de verlijmde structuur wordt op zijn beurt beïnvloed door de details van het voegontwerp en door de manier waarop de toegepaste belastingen van de ene aan de andere worden overgedragen.

Impliciet bij de vorming van een acceptabele lijmverbinding is het vermogen van de lijm om nat te worden en uit te spreiden op de hechtingen die worden samengevoegd. Het bereiken van een dergelijk grensvlak-moleculair contact is een noodzakelijke eerste stap in de vorming van sterke en stabiele hechtende verbindingen. Zodra de bevochtiging is bereikt, worden via een aantal mechanismen intrinsieke kleefkrachten over de interface gegenereerd. De precieze aard van deze mechanismen is sinds minstens de jaren zestig het voorwerp geweest van fysisch en chemisch onderzoek, met als gevolg dat er een aantal hechtingstheorieën bestaat. Het belangrijkste adhesiemechanisme wordt verklaard door de adsorptietheorie, die stelt dat stoffen voornamelijk blijven plakken vanwege intiem intermoleculair contact. In lijmverbindingen wordt dit contact bereikt door intermoleculaire of valentie-krachten die worden uitgeoefend door moleculen in de oppervlaktelagen van de lijm en de hechting.

Naast adsorptie zijn er vier andere adhesiemechanismen voorgesteld. De eerste, mechanische vergrendeling, vindt plaats wanneer lijm in de poriën in het aangehechte oppervlak stroomt of rond uitsteeksels op het oppervlak. De tweede, interdiffusie, ontstaat wanneer vloeibare lijm oplost en diffundeert in hechtende materialen. In het derde mechanisme, adsorptie en oppervlaktereactie, treedt binding op wanneer adhesieve moleculen adsorberen op een vast oppervlak en er chemisch mee reageren. Vanwege de chemische reactie verschilt dit proces tot op zekere hoogte van eenvoudige adsorptie, zoals hierboven beschreven, hoewel sommige onderzoekers de chemische reactie beschouwen als onderdeel van een totaal adsorptieproces en niet als een afzonderlijk adhesiemechanisme. Ten slotte suggereert de elektronische of elektrostatische aantrekkingstheorie dat elektrostatische krachten zich ontwikkelen op een grensvlak tussen materialen met verschillende elektronische bandstructuren. In het algemeen spelen meer dan één van deze mechanismen een rol bij het bereiken van het gewenste hechtingsniveau voor verschillende soorten lijm en hechtmiddel.

Bij de vorming van een lijmverbinding ontstaat er een overgangszone op het grensvlak tussen aanhechting en lijm. In deze zone, de tussenfase genoemd, kunnen de chemische en fysische eigenschappen van de lijm aanzienlijk verschillen van die in de contactloze delen. Algemeen wordt aangenomen dat de samenstelling tussen fasen de duurzaamheid en sterkte van een hechtende verbinding regelt en in de eerste plaats verantwoordelijk is voor de overdracht van spanning van de ene aan de andere gehechtheid. Het interfase-gebied is vaak de plaats van een omgevingsaanval, wat leidt tot gewrichtsfalen.

De sterkte van lijmverbindingen wordt meestal bepaald door destructieve tests, die de spanningen meten die zijn opgezet op het punt of de breuklijn van het proefstuk. Er worden verschillende testmethoden gebruikt, waaronder afpel-, trekoverlappings-, splitsings- en vermoeiingsproeven. Deze tests worden uitgevoerd bij een breed temperatuurbereik en onder verschillende omgevingsomstandigheden. Een alternatieve methode voor het karakteriseren van een lijmverbinding is het bepalen van de energie die wordt verbruikt bij het uit elkaar splijten van een eenheidsgebied van de interfase. De conclusies die uit dergelijke energieberekeningen zijn afgeleid, zijn in principe volledig gelijk aan die uit de stressanalyse.

Zelfklevende materialen

Vrijwel alle synthetische kleefstoffen en bepaalde natuurlijke kleefstoffen zijn samengesteld uit polymeren, dit zijn gigantische moleculen of macromoleculen, gevormd door de koppeling van duizenden eenvoudigere moleculen die bekend staan ​​als monomeren. De vorming van het polymeer (een chemische reactie die bekend staat als polymerisatie) kan plaatsvinden tijdens een "uitharding" -stap, waarbij de polymerisatie gelijktijdig plaatsvindt met de vorming van lijmverbindingen (zoals het geval is bij epoxyharsen en cyanoacrylaten), of het polymeer kan zijn gevormd voordat het materiaal als kleefstof wordt aangebracht, zoals bij thermoplastische elastomeren zoals styreen-isopreen-styreen-blokcopolymeren. Polymeren geven kracht, flexibiliteit en het vermogen om zich te verspreiden en op elkaar in te werken op een hecht oppervlak - eigenschappen die vereist zijn voor de vorming van acceptabele hechtingsniveaus.

Natuurlijke lijmen

Natuurlijke lijmen zijn voornamelijk van dierlijke of plantaardige oorsprong. Hoewel de vraag naar natuurlijke producten sinds het midden van de 20e eeuw is afgenomen, worden sommige ervan nog steeds gebruikt met hout- en papierproducten, met name in golfkarton, enveloppen, flesetiketten, boekbanden, dozen, meubels en gelamineerde film en folies. Daarnaast krijgen, vanwege diverse milieuregels, natuurlijke lijmen afkomstig van hernieuwbare bronnen opnieuw aandacht. Hieronder worden de belangrijkste natuurlijke producten beschreven.

Dierlijke lijm

De term dierlijke lijm is gewoonlijk beperkt tot lijmen die zijn bereid uit zoogdiercollageen, het belangrijkste eiwitbestanddeel van huid, botten en spieren. Bij behandeling met zuren, alkaliën of heet water wordt het normaal onoplosbare collageen langzaam oplosbaar. Als het oorspronkelijke eiwit puur is en het conversieproces mild is, wordt het hoogmoleculaire product gelatine genoemd en kan het worden gebruikt voor voedsel of fotografische producten. Het materiaal met een lager molecuulgewicht dat door krachtigere verwerking wordt geproduceerd, is normaal gesproken minder zuiver en donkerder van kleur en wordt dierlijke lijm genoemd.

Dierlijke lijm wordt van oudsher gebruikt bij het verbinden van hout, boekbinderijen, de productie van schuurpapier, zware gegomde tapes en soortgelijke toepassingen. Ondanks het voordeel van een hoge aanvangshechting (kleverigheid), is veel dierlijke lijm gewijzigd of geheel vervangen door synthetische kleefstoffen.

Caseïne lijm

Dit product wordt gemaakt door caseïne, een uit melk verkregen eiwit, op te lossen in een waterig alkalisch oplosmiddel. De mate en het type alkali beïnvloeden het productgedrag. Bij houtverlijming zijn caseïnelijmen over het algemeen superieur aan echte dierlijke lijmen wat betreft vochtbestendigheid en verouderingseigenschappen. Caseïne wordt ook gebruikt om de hechtingseigenschappen van verven en coatings te verbeteren.

Bloed albumine lijm

Lijm van dit type is gemaakt van serumalbumine, een bloedbestanddeel dat verkrijgbaar is uit vers dierlijk bloed of gedroogd oplosbaar bloedpoeder waaraan water is toegevoegd. Toevoeging van alkali aan albumine-watermengsels verbetert de kleefeigenschappen. In de triplexindustrie wordt een aanzienlijke hoeveelheid lijmproducten uit bloed gebruikt.

Zetmeel en dextrine

Zetmeel en dextrine worden gewonnen uit maïs, tarwe, aardappelen of rijst. Ze vormen de belangrijkste soorten plantaardige kleefstoffen, die oplosbaar of dispergeerbaar zijn in water en worden verkregen uit plantaardige bronnen over de hele wereld. Lijm voor zetmeel en dextrine wordt gebruikt in golfkarton en verpakking en als behanglijm.