Соединить навсегда: неразрывная связь

Соединить навсегда: неразрывная связь

    Маленькие ящерицы гекконы известны тем, что смогут с уверенностью бегать по вертикальным стенкам а также потолкам. Но, вопреки обширно распространенному заблуждению, у них на лапках нет никаких пневматических присосок. Гекконы надеются на более идеальную разработку — они в буквальном смысле приклеиваются к поверхности.
    Лапки геккона покрыты множеством небольших щетинок, каковые разветвляются на много микроскопических «лопаточек». Вступая в контакт с поверхностью, «лопаточки» деформируются и на молекулярном уровне образуют множество вандерваальсовых связей, каковые в совокупности дают весьма громадную силу притяжения. Подобный механизм разрешает гекконам, прилипнув лапками к потолку либо стенке, удерживать на себе вес, в пара сот раз превосходящий их личный
    Анаэробно отверждаемые клеи.
    Клей остается в жидком состоянии (1) за счет кислорода воздуха (светло синий треугольники). В случае если доступ кислорода заканчивается (2), пероксиды (двойные красные шарики) реагируют с ионами металла (зеленые квадратики) и преобразовываются в свободные радикалы (красные шарики). Последние инициируют полимеризацию — образуются полимерные цепи (3), а после этого поперечные межмолекулярные связи (происходит «сшивка») (4)
    Клеи, отверждаемые УФ-излучением.

    В жидком состоянии (1) мономеры (белые шарики) и фотоинициаторы (двойные красные шарики) не реагируют между собой. УФ-излучение расщепляет инициаторы (2) и ведет к появлению свободных радикалов (красные шарики). Свободные радикалы инициируют полимеризацию — образуются полимерные цепи (3), а после этого поперечные межмолекулярные связи (происходит «сшивка») (4)
    Цианоакрилатные клеи. В жидком состоянии (1) данный мономер (белые шарики) поддерживают кислотные стабилизаторы (красные шарики), предотвращающие полимеризацию. Следы жидкости на поверхности (светло синий шарики) нейтрализуют стабилизатор (2).
    Начинается реакция полимеризации (3), а после этого образуются поперечные межмолекулярные связи (происходит «сшивка») (4)
    Плюсы склейки

Египтяне за 3000 лет до нэ обширно применяли клей при производстве разных древесных папируса и изделий, греки и римляне существенно позднее также покинули следы клея в истории. Само собой разумеется, в те времена клеи были природного происхождения — животного (костный, мездровый либо рыбный) либо растительного (крахмал, смолы).

В первой половине 50-ых годов восемнадцатого века в Англии был выдан первый патент на рыбный клей. По мере развития индустрии были запатентованы и другие клеи — костный, казеиновый. Кое-какие из них дошли и до наших дней, но в течение последнего столетия химическая разработка сделала большой ход вперед.

Исходя из этого фактически все современные клеи — синтетические.

Мало физики

Склеивание основано на двух физических явлениях — адгезии (от латинского adhaesio — прилипание) и когезии (от латинского cohaesus — связанный, сцепленный). Адгезия — это сцепление поверхностей разнородных жёстких жидкостей и тел. В базе адгезии лежат силы межмолекулярного сотрудничества («силы Ван-дер-Ваальса»). Несложный пример адгезии возможно взять, в случае если приложить два чистых плоских страницы стекла друг к другу и сжать, выдавив воздушное пространство из промежутка между ними.

Стекла слипнутся. Но в случае если постараться таким же образом «склеить», к примеру, два страницы картона, то ничего не выйдет — неровная поверхность картона не позволит сблизить страницы достаточно близко, чтобы межмолекулярные силы, действующие только на малых расстояниях, вступили в работу. То же самое случится, в случае если стекло будет не хватает ровным — скажем, матовым.

Но эта неприятность в полной мере решаема — попытайтесь намочить два матовых стекла водой и приложить их друг к другу — они будут держаться: вода затекает во все неровности, увеличивая площадь контакта, межмолекулярные силы адгезии в этом случае действуют между поверхностью стёкол и водой. Вода в этом случае действует как несложный клей.

Прочность для того чтобы соединения мала — стекла легко сдвигаются на протяжении плоскости соединения. Да и «разлепить» их очень просто — слой воды легко разрывается, поскольку он характеризуется низкой когезией — притяжением между молекулами (атомами, ионами) в однородного вещества. Так, дабы достигнуть большой прочности склеивания, необходимо, дабы и когезия и адгезия были высоки.

Как же этого достигнуть? Так как дабы обеспечить высокую адгезию, клей обязан владеть хорошей текучестью, а в жидкостях когезия существенно ниже, чем в жёстких телах.

И то и другое, да побольше!

«Именно на ответе этого несоответствия и держится вся клеевая индустрия, — растолковывает Олег Соколов, старший технический эксперт компании 3M. — Клей, в большинстве случаев, является жидкостью , которая прекрасно смачивает склеиваемую поверхность, другими словами владеет хорошей адгезией. Но при определенных условиях он обязан затвердевать, снабжая высокую когезию.

Значительно чаще это достигается посредством полимеризации».

Клеи возможно классифицировать по нескольким параметрам. Во-первых, это их база — они смогут быть эпоксидные, акриловые, силиконовые, полиуретановые. Во-вторых, они смогут быть одно- либо несколькокомпонентными.

В-третьих, по методу полимеризации: под действием кислорода воздуха либо его отсутствия (анаэробные клеи), влажности воздуха, УФ-излучения, химических агентов (отвердителей) либо температуры.

Для чего необходимо такое разнообразие? Разные типы клеев подходят для разных условий. К примеру, анаэробные клеи хороши для фиксации резьбовых соединений. «Нанесите таковой клей на резьбу болта — и имеете возможность ожидать хоть семь дней, — говорит технический эксперт компании Loctite Алексей Родомакин. — В присутствии кислорода воздуха полимеризации не происходит. Но когда вы вкрутите данный болт в предназначенное ему место, доступ кислорода закончится и клей схватится.

Причем лишь в том месте, где расположены рабочие витки резьбы, с другой части его возможно будет вольно удалить». Клеи, отверждаемые посредством УФ-излучения, эргономичны тем, что остаются жидкими столько, сколько необходимо для сборки подробностей, по окончании чего их возможно весьма скоро полимеризовать до полной прочности, причем как раз в тех местах, где нужно. Это весьма комфортно, к примеру, при сборке стеклянной мебели.

Но, это далеко не единственная область их применения.

Медлительно и скоро

Ветхая хорошая «эпоксидка» вряд ли испытывает недостаток в представлении. Эпоксидные клеи — это, в большинстве случаев, двухкомпонентные составы — отвердитель и сама смола. По окончании смешивания смола полимеризуется и затвердевает, образуя весьма прочное соединение.

Время полной полимеризации (в большинстве случаев это часы) зависит от разных факторов, таких как состав клея, и от температуры — при нагревании эпоксидная смола «схватывает» намного стремительнее.

Еще один известный клей — «моментальный суперклей» на базе цианоакрилата. В исходном виде он представляет собой прозрачную жидкость, которая весьма скоро, за считанные секунды, способна склеивать разные материалы: металл, пластики, керамику, резину (и пальцы рук не хватает осмотрительных пользователей).

Отчего же данный клей не застывает в тюбика либо бутылки? «Цианоакрилат требует для полимеризации наличия жидкости, — поясняет Алексей Родомакин. — При расфасовке употребляется воздушное пространство с низкой влажностью, исходя из этого клей в бутылки и не застывает». По данной же причине теоретически смогут появиться неприятности при склеивании цианоакрилатом в условиях низких температур — морозный в атмосфере содержится мало жидкости. Цианоакрилат имеет большую прочность на разрыв (до 200 кгс/см2) и активно используется не только в быту, но и в индустрии, а также в медицине, где его применяют в качестве замены классическим послеоперационным швам — края раны .

Имеется контакт!

Еще один метод решить несоответствие между когезией и адгезией применен в легендарных с советских времен контактных клеях «БФ» либо «Момент». Они являются раствором клеящего вещества в летучем растворителе. Методика склеивания контактными клеями несложна: по окончании того как обе склеиваемые поверхности покрыли узким слоем жидкого клея, нужно подождать, пока улетучится большинство растворителя.

Затем поверхности соединяют — и два еще не всецело высохших слоя прочно схватываются между собой. В случае если постараться выполнить то же самое, нанеся клей лишь на одну поверхность либо, не ждя, пока испарится растворитель, сразу же соединить склеиваемые подробности, — прочного соединения не окажется.

С возвратом и без

Возможно ли «порвать» клеевое соединение без ущерба для подробностей? По окончании того как клей всецело полимеризовался — в большинстве случаев, нет. Но, имеется и исключения. К ним относятся, во-первых, термоклеи — полимеры, каковые становятся жидкими при нагревании, а при остывании застывают.

Данный процесс всецело обратим, и при нагревании склеенные подробности возможно разнять, а после этого снова соединить.

Фактически каждому известен и таковой продукт, как клейкая лента. «В лентах употребляется активация давлением, — говорит Олег Соколов. — На материал ленты нанесено клейкое вещество с высокой вязкостью. В то время, когда мы приклеиваем ленту к поверхности, мы надавливаем на нее, под давлением адгезивное вещество затекает в мельчайшие неровности, снабжая прочный площади контакт и увеличение взаимодействия. А дабы позже возможно было оторвать ленту, не повредив подробность, к которой она приклеена, и не оставляя на ней следов, клейкий слой подбирается так, дабы адгезия к материалу ленты и когезия были существенно выше, чем адгезия к материалу подробности».

А вот с эпоксидными либо акриловыми клеями таковой фокус не пройдет — уж если они соединяют подробности, то это окончательно. Обычно прочность клеевых соединений (другими словами самого клея) намного превышает прочность соединяемых подробностей. Исходя из этого неудивительно, что клеи активно применяются кроме того в весьма важных отраслях индустрии.

К примеру, в космической: плитки тепловой защиты крепятся к корпусам спускаемых аппаратов космических судов при помощи особых клеевых составов, талантливых выдерживать большие температуры. Клеи используются и в гражданской авиации: в современных моделях самолетов многие силовые элементы крыла, изготовленные из композитов, надежно соединяются с железными частями методом склеивания. Наряду с этим нагрузка равномерно распределяется по всей склеиваемой поверхности.

Что уж сказать о панелях внутренней отделки, каковые уже достаточно давно . Надежны ли такие соединения? В полной мере.

Так как не напрасно же узнаваемая поговорка гласит: «Держится как приклеенный».

Поверхностная энергия

Адгезию возможно напрямую характеризовать таковой величиной, как свободная поверхностная энергия. В соответствии с определению, это работа, расходуемая для образования единицы площади поверхности. Для жидкостей аналогом помогает поверхностное натяжение.

Эти размеры измеряются в Дж/м2 либо в Н/м (равнозначно). Чем больше соотношение между свободной поверхностной энергией склеиваемого материала и клея, тем лучше последний смачивает соединяемую подробность, растекаясь по поверхности и снабжая громадную площадь контакта, соответственно, надежное соединение. В случае если же поверхностная энергия материала равна либо выше соответствующей величины клея, то последний просто не смачивает поверхность подробности.

Обычные размеры для клеев равны порядка 30−50 мН/м. Свободная поверхностная энергия стали — около 2000 мН/м, вольфрама — 6800 мН/м, и эти материалы отлично склеиваются. А вот с пластиками все обстоит не так радужно.

Для ПВХ эта величина образовывает 40 мН/м, а для ПТФЭ (тефлона) — всего 18 мН/м! Как раз исходя из этого из тефлона и делают покрытия для сковородок — к нему легко ничего не прилипает.

Но кроме того такие материалы, как тефлон и другие «скользкие» пластики (сила трения кроме этого напрямую связана со свободной поверхностной энергией), возможно склеить. Для этого употребляются достаточно экзотические способы, как, к примеру, обработка поверхности коронным разрядом. При достаточной энергии электроны, попадая в пластик, разрывают молекулярные цепочки, оставляя на поверхности свободные радикалы, каковые реагируют с воздухом, образуя полярные молекулы и увеличивая свободную поверхностную энергию.

Того же результата возможно добиться посредством праймеров — особых веществ, каковые наносятся на «низкоэнергетическую» поверхность. Праймеры помогают как бы «прокладкой» между клеем и склеиваемой поверхностью. Их молекулы асимметричны, одним финишем они «цепляются» за поверхность, а второй финиш снабжает «эргономичное» крепление для молекул клея.

Не все возможно склеить!

в один раз в офис большой компании — производителя современных адгезивов пришло письмо. Сотрудники лаборатории биологического факультета Университета штата Джорджия в Атланте обращались прося решить их проблему: «Мы занимаемся функциональной магниторезонансной томографией (фМРТ).

В качестве модели мы используем речных раков, реакции которых комфортно моделировать и изучать. фМРТ требует достаточно долгой экспозиции, и дабы картина не смазывалась, нам нужно зафиксировать рака в пластиковой камеры мелкого МР-томографа — к примеру, приклеить его панцирь в нескольких местах. Более того, нам нужно зафиксировать (к примеру, посредством клея) его глазные стебельки, потому, что при их перемещениях двигается и мозг рака.

А самое основное содержится в том, что нам нужно проводить изучения на одной и той же особи множество раз. Так, нам нужен водостойкий клей, что бы склеивал весьма скоро, был бы не токсичен и растворялся в довольно нетоксичном растворителе. Существует ли таковой продукт?» По слухам, эксперты-химики компании производителя, прочтя полный перечень требований, лишь развели руками, порекомендовав ученым воспользоваться чисто механической фиксацией

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№63, январь 2008).

<

h4>

Незаметный узел для связывания нитей (ткацкий узел).

Статьи, которые будут Вам интересны: