Hóa chất kết dính

Chất kết dính, bất kỳ chất nào có khả năng giữ các vật liệu lại với nhau theo cách chức năng bằng cách gắn bề mặt chống lại sự phân tách. Keo dính cứng như một thuật ngữ chung bao gồm xi măng, chất nhầy, keo dán và các thuật ngữ dán thường được sử dụng thay thế cho bất kỳ vật liệu hữu cơ nào tạo thành liên kết dính. Các chất vô cơ như xi măng portland cũng có thể được coi là chất kết dính, theo nghĩa là chúng giữ các vật thể như gạch và dầm lại với nhau thông qua bề mặt bám, nhưng bài viết này chỉ giới hạn trong một cuộc thảo luận về chất kết dính hữu cơ, cả tự nhiên và tổng hợp.

Chất kết dính tự nhiên đã được biết đến từ thời cổ đại. Các chạm khắc của Ai Cập có niên đại 3.300 năm mô tả việc dán một miếng veneer mỏng vào những gì dường như là một tấm ván của sycamore. Giấy cói, một loại vải không dệt sớm, có chứa các sợi của cây sậy được liên kết với nhau bằng bột nhão. Bitum, cao độ cây và sáp ong được sử dụng làm chất trám (lớp phủ bảo vệ) và chất kết dính trong thời cổ đại và trung cổ. Lá vàng của các bản thảo được chiếu sáng được gắn vào giấy bằng lòng trắng trứng và các vật bằng gỗ được dán bằng keo từ cá, sừng và phô mai. Công nghệ keo dán động vật và cá tiến bộ trong thế kỷ 18, và trong thế kỷ 19 xi măng dựa trên cao su và nitrocellulose đã được giới thiệu. Tuy nhiên, những tiến bộ quyết định trong công nghệ chất kết dính đã được chờ đợi từ thế kỷ 20, trong thời gian đó chất kết dính tự nhiên đã được cải thiện và nhiều chất tổng hợp ra khỏi phòng thí nghiệm để thay thế chất kết dính tự nhiên trên thị trường. Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp máy bay và hàng không vũ trụ trong nửa sau của thế kỷ 20 có tác động sâu sắc đến công nghệ chất kết dính. Nhu cầu về chất kết dính có cường độ kết cấu cao và chịu được cả sự mệt mỏi và điều kiện môi trường khắc nghiệt đã dẫn đến sự phát triển của vật liệu hiệu suất cao, cuối cùng đã tìm được nhiều ứng dụng công nghiệp và trong nước.

Bài viết này bắt đầu với một lời giải thích ngắn gọn về các nguyên tắc bám dính và sau đó tiến hành đánh giá các lớp chính của chất kết dính tự nhiên và tổng hợp.

Độ bám dính

Trong hiệu suất của các mối nối dính, tính chất vật lý và hóa học của chất kết dính là yếu tố quan trọng nhất. Cũng rất quan trọng trong việc xác định liệu khớp dính sẽ thực hiện đầy đủ là các loại kết dính (nghĩa là các thành phần được nối với nhau, ví dụ, hợp kim kim loại, nhựa, vật liệu tổng hợp) và bản chất của tiền xử lý bề mặt hoặc sơn lót. Ba yếu tố này dính keo dính, bám dính và bề mặt có ảnh hưởng đến tuổi thọ của cấu trúc ngoại quan. Hành vi cơ học của cấu trúc ngoại quan lần lượt bị ảnh hưởng bởi các chi tiết của thiết kế khớp và theo cách mà các tải trọng ứng dụng được chuyển từ vật này sang vật kia.

Tiềm ẩn trong việc hình thành một liên kết dính chấp nhận được là khả năng của chất dính ướt và lan rộng trên các kết dính được nối. Đạt được sự tiếp xúc phân tử interacial như vậy là bước đầu tiên cần thiết trong việc hình thành các khớp dính mạnh mẽ và ổn định. Sau khi đạt được độ ướt, các lực dính nội tại được tạo ra trên giao diện thông qua một số cơ chế. Bản chất chính xác của các cơ chế này là đối tượng của nghiên cứu vật lý và hóa học kể từ ít nhất là những năm 1960, với kết quả là một số lý thuyết về độ bám dính tồn tại. Cơ chế chính của độ bám dính được giải thích bằng lý thuyết hấp phụ, trong đó nêu rõ rằng các chất dính chủ yếu là do sự tiếp xúc giữa các phân tử mật thiết. Trong các khớp dính, sự tiếp xúc này đạt được bằng các lực liên phân tử hoặc hóa trị được tác động bởi các phân tử trong các lớp bề mặt của chất dính và kết dính.

Ngoài việc hấp phụ, bốn cơ chế bám dính khác đã được đề xuất. Đầu tiên, khóa liên động cơ học, xảy ra khi chất kết dính chảy vào lỗ chân lông trên bề mặt dính hoặc xung quanh các hình chiếu trên bề mặt. Thứ hai, xen kẽ, kết quả khi chất lỏng lỏng hòa tan và khuếch tán vào vật liệu kết dính. Trong cơ chế thứ ba, sự hấp phụ và phản ứng bề mặt, liên kết xảy ra khi các phân tử kết dính hấp thụ trên bề mặt rắn và phản ứng hóa học với nó. Do phản ứng hóa học, quá trình này khác ở một mức độ nào đó so với sự hấp phụ đơn giản, được mô tả ở trên, mặc dù một số nhà nghiên cứu coi phản ứng hóa học là một phần của quá trình hấp phụ hoàn toàn và không phải là một cơ chế bám dính riêng biệt. Cuối cùng, lý thuyết thu hút điện tử, hoặc tĩnh điện cho thấy rằng lực tĩnh điện phát triển tại một giao diện giữa các vật liệu có cấu trúc dải điện tử khác nhau. Nhìn chung, hơn một trong các cơ chế này đóng vai trò trong việc đạt được mức độ bám dính mong muốn đối với các loại chất kết dính và kết dính khác nhau.

Trong sự hình thành của một liên kết dính, một vùng chuyển tiếp phát sinh trong giao diện giữa kết dính và chất kết dính. Trong vùng này, được gọi là interphase, các tính chất hóa học và vật lý của chất kết dính có thể khác biệt đáng kể so với các phần trong các phần không tiếp xúc. Người ta thường tin rằng chế phẩm xen kẽ kiểm soát độ bền và độ bền của khớp dính và chịu trách nhiệm chính cho việc truyền ứng suất từ ​​vật liệu này sang chất dính khác. Vùng xen kẽ thường là nơi tấn công môi trường, dẫn đến thất bại chung.

Độ bền của liên kết dính thường được xác định bằng các thử nghiệm phá hủy, đo các ứng suất được thiết lập tại điểm hoặc đường gãy của mẫu thử. Các phương pháp thử nghiệm khác nhau được sử dụng, bao gồm bóc tách, kéo vạt áo, cắt và thử nghiệm mỏi. Các thử nghiệm này được thực hiện trong một phạm vi nhiệt độ rộng và trong các điều kiện môi trường khác nhau. Một phương pháp thay thế đặc trưng cho khớp dính là bằng cách xác định năng lượng tiêu tốn trong việc tách rời một khu vực đơn vị của interphase. Các kết luận rút ra từ các tính toán năng lượng như vậy, về nguyên tắc, hoàn toàn tương đương với các kết luận có được từ phân tích ứng suất.

Vật liệu kết dính

Hầu như tất cả các chất kết dính tổng hợp và một số chất kết dính tự nhiên nhất định đều được cấu tạo từ các polyme, là các phân tử khổng lồ, hoặc các đại phân tử, được hình thành bởi sự liên kết của hàng ngàn phân tử đơn giản hơn được gọi là monome. Sự hình thành polyme (một phản ứng hóa học được gọi là trùng hợp) có thể xảy ra trong bước xử lý của chữa bệnh, trong đó quá trình trùng hợp diễn ra đồng thời với sự hình thành liên kết dính (như trường hợp với nhựa epoxy và cyanoacrylate), hoặc polymer có thể hình thành trước khi vật liệu được sử dụng như một chất kết dính, như với chất đàn hồi nhiệt dẻo như copolyme khối styren-isopren-styren. Các polyme truyền đạt sức mạnh, tính linh hoạt và khả năng lan truyền và tương tác trên một thuộc tính bề mặt tuân thủ được yêu cầu để hình thành các mức độ bám dính chấp nhận được.

Chất kết dính tự nhiên

Chất kết dính tự nhiên chủ yếu có nguồn gốc động vật hoặc thực vật. Mặc dù nhu cầu về các sản phẩm tự nhiên đã giảm từ giữa thế kỷ 20, một số trong số chúng vẫn tiếp tục được sử dụng với các sản phẩm từ gỗ và giấy, đặc biệt là trên các tấm tôn, phong bì, nhãn chai, bìa sách, thùng giấy, đồ nội thất, và màng mỏng. Ngoài ra, do các quy định môi trường khác nhau, chất kết dính tự nhiên có nguồn gốc từ tài nguyên tái tạo đang nhận được sự chú ý mới. Các sản phẩm tự nhiên quan trọng nhất được mô tả dưới đây.

Keo động vật

Thuật ngữ keo động vật thường được giới hạn trong keo được điều chế từ collagen động vật có vú, thành phần protein chính của da, xương và cơ. Khi được xử lý bằng axit, kiềm hoặc nước nóng, collagen thường không hòa tan sẽ dần dần hòa tan. Nếu protein ban đầu là tinh khiết và quá trình chuyển đổi là nhẹ, sản phẩm có trọng lượng phân tử cao được gọi là gelatin và có thể được sử dụng cho thực phẩm hoặc các sản phẩm nhiếp ảnh. Vật liệu có trọng lượng phân tử thấp hơn được tạo ra bởi quá trình xử lý mạnh mẽ hơn thường kém tinh khiết và có màu đậm hơn và được gọi là keo động vật.

Theo truyền thống, keo động vật đã được sử dụng trong nối gỗ, đóng sách, sản xuất giấy nhám, băng keo nặng và các ứng dụng tương tự. Mặc dù có lợi thế về độ dính ban đầu cao (độ dính), nhiều keo động vật đã được sửa đổi hoặc thay thế hoàn toàn bằng chất kết dính tổng hợp.

Keo casein

Sản phẩm này được tạo ra bằng cách hòa tan casein, một loại protein thu được từ sữa, trong dung môi kiềm nước. Mức độ và loại kiềm ảnh hưởng đến hành vi sản phẩm. Trong liên kết gỗ, keo casein thường vượt trội hơn keo động vật thật về khả năng chống ẩm và đặc tính lão hóa. Casein cũng được sử dụng để cải thiện các đặc tính bám dính của sơn và lớp phủ.

Keo album máu

Keo loại này được làm từ albumen huyết thanh, một thành phần máu có thể lấy từ máu động vật tươi hoặc bột máu hòa tan khô mà nước đã được thêm vào. Bổ sung hỗn hợp kiềm vào nước albumen cải thiện tính chất kết dính. Một số lượng đáng kể các sản phẩm keo từ máu được sử dụng trong ngành công nghiệp gỗ dán.

Tinh bột và dextrin

Tinh bột và dextrin được chiết xuất từ ​​ngô, lúa mì, khoai tây hoặc gạo. Chúng tạo thành các loại chất kết dính thực vật chính, có thể hòa tan hoặc phân tán trong nước và được lấy từ các nguồn thực vật trên khắp thế giới. Keo tinh bột và dextrin được sử dụng trong bảng và bao bì sóng và như một chất kết dính hình nền.