Liimakemia

Liima, mikä tahansa aine, joka kykenee pitämään materiaalit toiminnallisella tavalla kiinnittymällä pintaan, joka vastustaa erotusta. ”Liima” yleisenä käsitteenä sisältää sementti, kasvit, liimat ja tahna - termit, joita käytetään usein vuorottelevasti jokaisessa orgaanisessa materiaalissa, joka muodostaa tarttuvan sidoksen. Epäorgaanisia aineita, kuten portlandsementtiä, voidaan myös pitää liimoina siinä mielessä, että ne pitävät esineitä, kuten tiilet ja palkit yhdessä pintakiinnityksen avulla, mutta tämä artikkeli on rajoitettu keskusteluun orgaanisista liimoista, sekä luonnollisista että synteettisistä.

Luonnolliset liimat tunnetaan antiikista lähtien. Egyptiläiset, 3 300 vuotta vanhat kaiverrukset kuvaavat ohuen viilutuotteen liimaamista siihen, mikä näyttää olevan sycamore-lankku. Varhainen kuitukangas Papyrus sisälsi ruokomaisista kasveista valmistettuja kuituja, jotka oli sidottu toisiinsa jauhopastan kanssa. Bituumenia, puurakenteita ja mehiläisvahaa käytettiin tiivistysaineina (suojapinnoitteina) ja liimoina muinaisina ja keskiaikoina. Valaistujen käsikirjoitusten kultalehti sidottiin paperille munavalkuaisella, ja puiset esineet sidottiin kalojen, sarven ja juuston liimoilla. Eläin- ja kalaliimojen tekniikka edistyi 1800-luvulla, ja 1800-luvulla otettiin käyttöön kumi- ja nitroselluloosapohjaiset sementit. Liimatekniikan ratkaiseva edistys odotti kuitenkin 20. vuosisataa, jolloin luonnollisia liimoja parannettiin ja monet synteettiset tuotteet tulivat laboratoriosta korvaamaan markkinoilla olevat luonnolliset liimat. Lento- ja avaruusteollisuuden nopea kasvu 1900-luvun jälkipuoliskolla vaikutti voimakkaasti liimatekniikkaan. Niiden liimojen kysyntä, joilla oli korkea rakennelujuus ja kestävät sekä väsymystä että vaikeita ympäristöolosuhteita, johti korkealaatuisten materiaalien kehittämiseen, jotka lopulta löysivät tiensä moniin teollisiin ja kotitaloussovelluksiin.

Tämä artikkeli alkaa lyhyellä selityksellä tartuntaperiaatteista ja jatkaa sitten katsausta tärkeimpiin luonnon- ja synteettisten liimojen luokkiin.

kiinnittyminen

Liima-aineiden suorittamisessa liiman fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ovat tärkeimmät tekijät. Tärkeitä myös määritettäessä, tarttuuko liimausliitos riittävästi, ovat tartuntatyypit (ts. Liitettävät komponentit - esim. Metalliseos, muovi, komposiittimateriaali) ja pinnan esikäsittelyn tai pohjamaalin luonne. Nämä kolme tekijää - liima, tarttuvuus ja pinta - vaikuttavat sidotun rakenteen käyttöikään. Sidotun rakenteen mekaaniseen käyttäytymiseen puolestaan ​​vaikuttavat liitoksen suunnittelun yksityiskohdat ja tapa, jolla kohdistetut kuormitukset siirretään yhdestä tarttujasta toiseen.

Hyväksyttävän liimasidoksen muodostumiseen sisältyy liiman kyky kostuttaa ja levitä liitettävien liimojen päälle. Tällaisen rajapinnan välisen molekyylikosketuksen saavuttaminen on välttämätön ensimmäinen vaihe vahvojen ja stabiilien tarttuvien liitosten muodostamisessa. Kun kostutus on saavutettu, luontaiset liimavoimat syntyy rajapinnan läpi useiden mekanismien kautta. Näiden mekanismien tarkka luonne on ollut fysikaalisen ja kemiallisen tutkimuksen kohteena ainakin 1960-luvulta lähtien, minkä seurauksena on olemassa useita tarttumisteorioita. Pääasiallinen tarttuvuusmekanismi selitetään adsorptioteorialla, jonka mukaan aineet tarttuvat ensisijaisesti läheisen molekyylien välisen kontaktin takia. Liima-aineissa tämä kontakti saavutetaan molekyylien välisillä tai valenssivoimilla, jotka molekyylit kohdistavat liiman pintakerroksiin ja kiinnittyvät.

Adsorpation lisäksi on ehdotettu neljää muuta tartuntamekanismia. Ensimmäinen, mekaaninen lukitus, tapahtuu, kun liima virtaa huokosiin tarttuvan pinnan tai pinnan ulkonemien ympärillä. Toinen, diffuusio, syntyy, kun nestemäinen liima liukenee ja diffundoituu tarttuviin materiaaleihin. Kolmannessa mekanismissa, adsorptiossa ja pintareaktiossa, sitoutuminen tapahtuu, kun tarttuvat molekyylit adsorboituvat kiinteälle pinnalle ja reagoivat kemiallisesti sen kanssa. Kemiallisen reaktion takia tämä prosessi eroaa jossain määrin yksinkertaisesta adsorptiosta, joka on kuvattu yllä, vaikka jotkut tutkijat katsovatkin, että kemiallinen reaktio on osa kokonaista adsorptioprosessia eikä erillistä tarttumismekanismia. Lopuksi, elektroninen tai sähköstaattinen vetovoimateooria ehdottaa, että sähköstaattiset voimat kehittyvät rajapinnalla materiaalien välillä, joilla on erilaisia ​​elektronisia kaistarakenteita. Yleensä useammalla kuin yhdellä näistä mekanismeista on rooli halutun tarttuvuustason saavuttamisessa erityyppisille liimoille ja tarttuville.

Liima-aineen muodostuessa syntyy siirtymävyöhyke liiman ja liiman väliseen rajapintaan. Tässä vaiheessa, jota kutsutaan välivaiheeksi, liiman kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet voivat olla huomattavasti erilaisia ​​kuin koskemattomissa osissa olevat. Yleisesti uskotaan, että vaiheiden välinen koostumus säätelee tarttuvan liitoksen kestävyyttä ja lujuutta ja on ensisijaisesti vastuussa stressin siirtymisestä tarttujasta toiseen. Vaiheiden välinen alue on usein ympäristöhyökkäyspaikka, mikä johtaa nivelhäiriöihin.

Tarttuvien sidosten lujuus määritetään yleensä tuhoisilla testeillä, jotka mittaavat koekappaleen murtumakohtaan tai -viivalle asetetut jännitykset. Käytetään erilaisia ​​testausmenetelmiä, mukaan lukien kuori-, vetolujuus-, leikkaus- ja väsymiskokeet. Nämä testit suoritetaan laajalla lämpötila-alueella ja erilaisissa ympäristöolosuhteissa. Vaihtoehtoinen menetelmä liima-liitoksen karakterisoimiseksi on määrittämällä energia, joka kuluu katkaisemalla välivaiheen yksikköalue. Tällaisista energialaskelmista tehdyt johtopäätökset ovat periaatteessa täysin vastaavia stressianalyysistä saatuihin päätelmiin.

Liima-aineet

Lähes kaikki synteettiset liimat ja tietyt luonnolliset liimat koostuvat polymeereistä, jotka ovat jättiläismolekyylejä tai makromolekyylejä, jotka muodostuvat yhdistämällä tuhansia yksinkertaisempia molekyylejä, jotka tunnetaan monomeereinä. Polymeerin muodostuminen (kemiallinen reaktio, jota kutsutaan polymeroitumiseksi) voi tapahtua ”kovetusvaiheessa”, jossa polymerointi tapahtuu samanaikaisesti liimasidoksen muodostumisen kanssa (kuten epoksihartsien ja syanoakrylaattien tapauksessa), tai polymeeri voi olla Muodostetaan ennen materiaalin levittämistä liima-aineena, kuten termoplastisten elastomeerien, kuten styreeni-isopreeni-styreeni-lohkokopolymeerien kanssa. Polymeerit antavat lujuuden, joustavuuden ja kyvyn levitä ja olla vuorovaikutuksessa tarttuvalla pinnalla - ominaisuudet, joita vaaditaan hyväksyttävän tartuntatason muodostamiseksi.

Luonnolliset liimat

Luonnolliset liimat ovat pääasiassa eläin- tai kasviperäisiä. Vaikka luonnontuotteiden kysyntä on vähentynyt 1900-luvun puolivälistä lähtien, tiettyjä niistä käytetään edelleen puu- ja paperituotteiden kanssa, erityisesti aaltopahvissa, kirjekuorissa, pullotarrassa, kirjansidoksessa, kartonkissa, huonekaluissa ja laminoidussa kalvossa ja folioissa. Lisäksi erilaisista ympäristömääräyksistä johtuen uusiutuvista luonnonvaroista johdetut luonnolliset liimat ovat saaneet uuden huomion. Tärkeimmät luonnontuotteet kuvataan alla.

Eläinliima

Termi eläinliima rajoittuu yleensä liimoihin, jotka on valmistettu nisäkkäiden kollageenista, ihon, luun ja lihaksen pääproteiinikomponentista. Kun niitä käsitellään hapoilla, emäksillä tai kuumalla vedellä, normaalisti liukenematon kollageeni liukenee hitaasti. Jos alkuperäinen proteiini on puhdasta ja konversioprosessi on lievää, suurimolekyylipainoista tuotetta kutsutaan gelatiiniksi ja sitä voidaan käyttää ruokaan tai valokuvatuotteisiin. Voimakkaammalla prosessoinnilla tuotettu pienimolekyylipainoinen materiaali on yleensä vähemmän puhdasta ja väriltään tummempaa ja sitä kutsutaan eläinliimaksi.

Eläinliimaa on perinteisesti käytetty puun liittämiseen, kirjan sidontaan, hiekkapaperin valmistukseen, raskaisiin kumiteippiin ja muihin vastaaviin sovelluksiin. Huolimatta siitä, että sillä on suuri alustava tarttuvuus (tarttuvuus), paljon eläinliimoja on muokattu tai kokonaan korvattu synteettisillä liimoilla.

Kaseiiniliima

Tämä tuote valmistetaan liuottamalla kaseiini, maidosta saatu proteiini vesipitoiseen alkaliseen liuottimeen. Alkalien aste ja tyyppi vaikuttavat tuotteen käyttäytymiseen. Puun sidonnassa kaseiiniliimat ovat yleensä parempia kuin todelliset eläinliimat kosteudenkestävyydessä ja ikääntymisominaisuuksissa. Kaseiinia käytetään myös parantamaan maalien ja pinnoitteiden tarttuvuusominaisuuksia.

Veren albumiiniliima

Tämän tyyppinen liima on valmistettu seerumin albumiinista, verikomponentista, joka on saatavissa joko tuoreesta eläimen verestä tai kuivatusta liukoisesta verijauheesta, johon on lisätty vettä. Emäksen lisääminen albumiini-vesiseoksiin parantaa tarttuvuusominaisuuksia. Vaneriteollisuudessa käytetään huomattavaa määrää veressä olevia liimatuotteita.

Tärkkelys ja dekstriini

Tärkkelys ja dekstriini uutetaan maissista, vehnästä, perunasta tai riisistä. Ne ovat pääasiallisia kasvi-liimojen tyyppejä, jotka ovat veteen liukenevia tai dispergoituvia ja joita saadaan kasvilähteistä ympäri maailmaa. Tärkkelys- ja dekstriiniliima-aineita käytetään aaltopahvissa ja pakkauksissa sekä taustakuva-aineena.