Existem áreas de conhecimento que "não podem ser medidas com um arshin comum ...". Em princípio, no meu campo “doméstico”, a química colóide, nessa direção, você pode colocar com segurança qualquer conceito fundamental, seja adsorção (com adsorventes) ou adesão (com adesivos). Honestamente, eu não tive uma ideia para escrever sobre cola. Mas quando os leitores de cada tópico relacionado aos polímeros começarem a perguntar sobre adesivos - você involuntariamente pensará nisso (bem, é claro, eu quero tentar "tudo precisa ser colado com supercola"). Adesão e adesivos são um tópico muito amplo, então ainda decidi abordá-lo, mas dividi a história em várias partes. Hoje, a primeira parte é informativa introdutória. Para descobrir o que o adesivo cola, que tipo de adesivo é e que tipo de cola é mais adequado para colar _____ (insira o que você precisa), tradicionalmente analisamos o corte (e o colocamos nos marcadores).
Antes de começar minha história, eu gostaria de fazer uma pequena dedicação à digressão:
Memória coloidal químicoMeu chefe de graduação gostava de responder aos ataques dos meus colegas “não há alunos sensatos agora ...” com a frase “não há alunos ruins, há um professor que está tomando o lugar errado”. Cada vez mais, estou concordando com esta frase. Os alunos sentem sinceridade e domínio na área de estudo e “votam” com respeito e participação.
A ciência bielorrussa, depois do colapso da URSS, geralmente se tornou algo em si, estranho e às vezes até selvagem. Não é de surpreender que muitos acadêmicos da Bielorrússia, como regra geral, sejam “amplamente conhecidos em círculos estreitos”, pessoas não públicas, etc. Mesmo que o trabalho tenha sido interessante. Porém, com mais frequência, as informações biográficas secas em algum layout caseiro do site html do instituto não podem dizer aproximadamente o que a pessoa era. Então, o doutor em ciências químicas, o professor
Thomas Fomich Mozheiko, era um homem especial. Sem falsa modéstia, podemos dizer que todo o Soligorsk Klondike foi construído com a ajuda de suas mãos e cabeça brilhante. Tive a chance de encontrar essa pessoa pela primeira vez ao passar o mínimo de candidato em química coloidal, após o que começamos a nos comunicar de perto, de maneira amigável. Dado que os estudantes de pós-graduação em nosso instituto de pesquisa eram desafiadores "de jeito nenhum", isso me impressionou ... e, talvez, graças a uma reunião com esse avô que poderia explicar brevemente a essência do processo mais complicado e convencer que nossa área comum - a rainha da química, estou escrevendo um artigo químico sobre Habr agora e não estou esfregando minhas calças para desenvolvimento ou teste ... Então, com toda a honestidade, todos os artigos de indivíduos colóides devem estar com um comentário "em memória de F.F. Mozheiko ”, porque era esse homem que era um dos meus mestres. Memória brilhante para você, F.F.!
A cola tem sido usada pelo homem desde os tempos antigos; pode-se considerar que, assim que um homem primitivo prendeu a ponta de silicone da lança no poste com betume ou resina de pinheiro, começou a contagem regressiva da prática de colar. Na antiguidade, tudo o que chegava era usado como cola. Na maioria das vezes, foram utilizados produtos de origem animal que possuíam propriedades pegajosas inicialmente (escamas de peixe, veias de animais, etc. substâncias, após tratamento térmico). Vale a pena notar que existem áreas nas quais os adesivos orgânicos ainda são usados ativamente. Cola de marceneiro, cola de caseína, pasta de papel de parede. Apesar da abundância de adesivos sintéticos (= químicos), essas opções ainda estão em ordem e ocupam firmemente seu nicho de adesivos ecológicos e baratos. A propósito, muitos adesivos modernos são chamados de resinas sintéticas apenas em homenagem ao fato de que a resina (substância adesiva encontrada em pinheiros e outras plantas) foi um dos primeiros adesivos amplamente utilizados.
Todo o conceito de ligação baseia-se em dois fenômenos fundamentais da química coloidal -
adesão e coesão (ok, três, tensão superficial ainda).
A adesão (do latim adhaesio - sticking) na física é a adesão de superfícies de sólidos e / ou líquidos diferentes. A adesão é devida a interações intermoleculares na camada superficial e é caracterizada pelo trabalho específico necessário para separar as superfícies.
Relacionado ao som e ao significado da adesão está o conceito de coesão, que algumas vezes algumas pessoas gostam de confundir.
Não confunda adesão com coesão... qual é a razão da existência de coisas no estado em que estamos acostumados a vê-las (ou seja, na forma de pedaços, gotas, etc., e não espalhadas pelas moléculas). Esse fenômeno é chamado de
coesão :
Coesão (por exemplo, coesão de lat. Cohaesus - "conectado", "ligado") é a conexão entre as mesmas moléculas (átomos, íons) dentro do corpo na mesma fase. A coesão caracteriza a força do corpo e sua capacidade de suportar influências externas. Coesão é uma ação ou propriedade de atração mútua de moléculas idênticas. Esta é uma propriedade interna de uma substância devido à forma ou estrutura de suas moléculas, causando uma alteração na distribuição dos elétrons das moléculas à medida que se aproximam, criando uma atração elétrica que pode formar estruturas microscópicas.
A diferença entre esses conceitos fundamentais da química coloidal é melhor demonstrada pelo exemplo de gotículas de água que se formam em uma vidraça durante a chuva.
A imagem mostra o confronto dos "elementos", cada um dos quais envolvido em seu próprio negócio de formar nossa imagem habitual do mundo. A forma da gota fornece a
tensão superficial . A força da gravidade (gravidade) - puxa uma gota para baixo e escorre do vidro. Essa força inexorável é combatida em conjunto pelas forças de adesão e coesão. A coesão é a primeira a se manifestar, pois já ocorre na própria gota d'água. As moléculas vizinhas se unem e formam as próprias gotas, que deslizam pitorescas ao longo do vidro. A coesão liga moléculas únicas em conjuntos. Mas a aderência prende os conjuntos em forma de gotas ao vidro, os mantém presos ao vidro, "puxa para cima", forçando-os a resistir ao movimento com seu próprio peso. Além disso, a coesão é mais forte que a adesão; caso contrário, as gotas não seriam capazes de formar, isto é, a água da chuva simplesmente se espalharia uniformemente no copo, formando uma espécie de película de óleo na água. By the way, observando cuidadosamente o copo durante a chuva, você pode ver que as gotas estão rolando pelos "caminhos de água" já existentes. Isso se deve ao fato de que gotas de água que caem devido a forças de coesão tentam grudar na água que já está lá e não no vidro. Os caminhos mencionados, a propósito, são formados devido ao fato de que quando as gotas caem na janela, as moléculas de água se desprendem das gotas que passam e são capturadas pelo vidro.
O que tudo isso tem a ver com adesivos? E o mais direto. Adesão e coesão são os principais fatores ativos em adesivos. Suponha que você queira conectar dois pedaços de madeira, A e B, usando cola B. Aqui você precisa de três forças diferentes: forças de adesão que podem reter A e B + forças de adesão que retêm B e B + forças de adesão que retêm o adesivo B.
Se tudo estiver claro com as duas primeiras forças, darei uma pequena explicação sobre as últimas. O melhor exemplo é dois pedaços de pão colados com geléia ou geléia. A geléia é uma cola natural clássica (depois vou dizer algumas palavras sobre elas) feita de açúcar e água. Além disso, é bastante eficaz. Ao usar pão (ou bolachas) razoavelmente fortes e a geléia "mãe" certa, é bastante realista manter duas peças juntas, lubrificando apenas um canto. Uma boa obstrução possui forças de coesão internas bastante fortes (portanto, é difícil puxá-la para fora da lata, especialmente a pera), mas também a adesão a outras superfícies é excelente. Portanto, é difícil quebrar um sanduíche colado sem destruir o pão (acontece com mais freqüência se você deslocar as camadas para o lado e não aplicar força perpendicularmente). Mas se a geléia "tem um núcleo coesivo interno fraco", não importa o quão bem adere ao pão. Duas metades não serão capazes de ficar juntas e desmoronarão sob a influência da gravidade.
Outro exemplo antagônico: água e um pedaço de ferro. Tanto esse quanto outro objeto - em condições normais, são muito pouco adequados para colar, mas por várias razões. Água - porque as forças de adesão são altas e aderem bem a qualquer superfície, mas devido a forças coesivas muito fracas, essas superfícies não são bem unidas e fáceis de separar. Em um pedaço de ferro, pelo contrário, existem interações coesivas incrivelmente fortes (responsáveis pela ligação dos átomos), e isso é tanto uma “coisa em si” que é quase impossível conseguir adesão a qualquer outro material externo a partir dele. O teste de forças coesivas internas pode ser a possibilidade de dividir o material em pedaços. Um “pedaço” de água pode ser facilmente separado da massa total com um dedo / colher, etc., e tente separar um pedaço de ferro fundido com o dedo :).
Pelo exposto, a conclusão é que, na natureza da cola, a principal força de coesão é a principal, e na natureza da ligação é a força da adesão. Como os adesivos, em regra, são substâncias bastante específicas, cuja eficácia foi testada pela experiência de muitas gerações, focalizarei o fenômeno da adesão (a propósito, o adesivo também pode ser chamado de adesivo). Até o momento, várias teorias concorrentes / complementares diferentes foram desenvolvidas que tentam explicar a aparência do fenômeno da adesão:
Apesar da abundância de equipamentos, ainda não há uma resposta única para a pergunta "o que faz a cola grudar?" Mas isso não é tão surpreendente quando se considera quantos tipos diferentes de cola existem e quantas maneiras diferentes de usá-las. Acredita-se que, para cada cola individual e para cada superfície individual em que é usada, exista uma combinação individual de diferentes fatores que mantêm esses objetos juntos. O processo de estudar os processos de colagem continua hoje, porque mesmo no século XXI, quando “as naves espaciais estão se abrindo ...”, ainda não entendemos completamente o que faz com que as substâncias se adiram umas às outras. Portanto, temos que operar com premissas e generalizações. Considerando qual, verifica-se que existem quatro principais mecanismos de ligação possíveis: por adsorção, quimisorção, fixação mecânica e difusão.
A adsorção é o efeito da adesão de superfícies umas às outras devido a forças de atração extremamente pequenas (as chamadas forças de Van der Waals (a propósito, o leitor
cck7777 mencionou que seria mais correto dizer “fan der” como em
de Nederlandse taal ), um nome comum para todos forças intermoleculares). Essas forças, além disso, são subdivididas em
forças de interação eletrostática (
forças de Kizom surgindo entre dipolos moleculares constantes), forças de polarização (forças
intermoleculares de Debye entre dipolos constantes e induzidos) e
forças de interação de dispersão (
forças de Londres entre dipolos instantaneamente induzidos). Dipolo = duas cargas, iguais em magnitude e opostas em sinal, localizadas a uma distância uma da outra, muito pequenas comparadas à distância do ponto de observação. Bem, então "atraído pelo oposto, etc.". Sobre isso, toda a eletrostática repousa (e com ela todos os adesivos). As forças da interação intermolecular, a propósito, aparecem quando os participantes (átomos e moléculas) estão a uma distância muito próxima (menos de 1 nm).
Ao aplicar cola, a superfície das peças a serem coladas é molhada e os objetos grudam uns nos outros. Para que o adesivo funcione, as superfícies devem ser desengorduradas o máximo possível (para que o adesivo se espalhe pela superfície) e o adesivo seja distribuído uniformemente com uma camada fina. De fato, esse processo lembra a adesão de milhões de ímãs microscópicos (que incluem moléculas adesivas e moléculas de materiais a serem coladas).
Uma pequena observação sobre superfícies perfeitamente lisasUm artefato adesivo interessante pode ser considerado uma
lagartixa . Este é um lagarto que pode se mover facilmente em várias superfícies verticais (em termos maravilhosos "como um homem aranha"). Até Aristóteles se entregou a pensamentos ociosos sobre a causa desse fenômeno. Os cientistas modernos estudam essa questão há muito tempo, descartando gradualmente a teoria do vácuo (= aderência devido à diferença de pressão), a teoria da cola biológica (= libera substância adesiva) etc. Como resultado, decidimos por interações eletrostáticas (causadas por eletrificação por contato), e não por van der Waals ou forças capilares. A causa do fenômeno foram as
cerdas , cobrindo milhões de cada uma das pernas. O comprimento de cada cerda é de cerca de 0,1 mm (duas espessuras de um cabelo humano). Para cada milímetro, as patas quadradas são responsáveis por até 14400 cerdas (~ 1,5 milhão por cm
2 ). Cada extremidade da cerda diverge em 400-1000 ramos e cada ramo termina no final com uma placa triangular com 0,2 micrômetro de largura. I.e. Um pé de lagartixa com uma área de cerca de um centímetro quadrado está em contato com uma superfície de aproximadamente dois bilhões de terminações.
B. Fotografia de cerdas de lagartixa. B. Foto de uma cerda de lagartixa. D. Fotografia do ramo no final da cerda.
Estudos recentes mostram que é precisamente essa geometria do pé e as forças eletrostáticas associadas (multiplicadas por bilhões de terminações) que resultam em um resultado que pode segurar a lagartixa no teto.
Rikkitik Reader :
Sobre o material que imita as pernas de uma lagartixa, aqui está o
artigo de 2016. Em resumo - o mais curioso não era como manter, mas como destacar sem perder a funcionalidade, ou seja, para obter a capacidade de reutilização da conexão.
Parece que requisitos mutuamente exclusivos são impostos às vilosidades - os pesquisadores encontraram isso no início do século XXI. As vilosidades devem ser finas para penetrar nos menores espaços e fossos e, ao mesmo tempo, fortes, para não sair da sola a cada passo. Devem ser flexíveis e relativamente fáceis de esticar para alcançar as saliências de uma superfície rugosa complexa e, ao mesmo tempo, não muito facilmente para se separar dessa superfície e não alcançar a sola como goma de mascar.
As estruturas artificiais de tais vilosidades devem ser tão estáveis quanto possível, não se afastando do pé e suportar um grande número (até um milhão) de ciclos de desmembramento. O espaço entre as vilosidades não deve estar muito contaminado com o pó coletado da superfície, e as próprias vilosidades não devem ficar juntas, pois ambas reduzem drasticamente sua capacidade de se adaptar a uma superfície complexa.
Seria surpreendente se os militares não tivessem se aproveitado de tudo isso. Em maio de 2014, a DARPA mostrou seu desenvolvimento do
Geckskin (projeto Z-Man),
alça de mão que permite mover-se em superfícies verticais.
É verdade que cinco anos se passaram, mas por alguma razão nada se ouve sobre Geckskin. Talvez porque seja classificado, e talvez porque não haja resultado.
As lagartixas e Darpa estão lá fora em algum lugar com eles. E em nosso país, uma superfície perfeitamente plana pode ser a melhor ilustração das forças das interações intermoleculares. Cada operador de máquina de tornear e fresar deve saber algo como ladrilhos Johanson, ou
medidas finais de comprimento paralelo plano . Esses ladrilhos são polidos e retificados, de modo que se grudem fortemente se forem colocados com bordas lisas um no outro. Na figura, trinta e seis peças são mantidas juntas pela pressão atmosférica
e Van der Waals se força:
Para aqueles que não acreditam que isso seja possível, recomendo assistir a uma demonstração visual (clicável):
A adsorção é seguida incansavelmente pela quimisorção, mas, apesar da semelhança dos nomes, a essência dos fenômenos é radicalmente diferente. Quiisorção - a adesão é realizada devido à formação de ligações químicas entre o adesivo e as substâncias coladas. De fato, a ligação produz um novo produto químico. Durante a difusão, a ligação ocorre devido à penetração mútua das moléculas do material uma na outra. As moléculas de cola se misturam com moléculas de superfícies coladas e formam uma forte ligação. E, finalmente, a adesão mecânica ocorre quando a cola penetra nas microfissuras e cavidades dos materiais e sua subsequente retenção física. Para fins ilustrativos, os valores numéricos das energias para várias forças que ocorrem durante a ligação são mostrados na figura.
Obviamente, a melhor adesão é formada no caso de uma interação de quimisorção entre as substâncias ligadas, embora isso nem sempre seja possível (mas é necessário esforço).
Variedades de adesivos
De todas as alternativas acima, segue-se que qualquer cola explorará um ou outro princípio descrito acima. Além disso, no caso de adesivos, como no caso de lagartixas, os pesquisadores também geralmente não têm uma opinião comum. Mas isso, em princípio, não é tão importante, pois acumulou-se uma experiência prática séria que permite selecionar facilmente os adesivos e adesivos ideais para toda a variedade de materiais. Existem muitas divisões de substâncias adesivas, darei o mais simples, com base em sua natureza química:
Além disso, gostaria de observar o fato de que, até hoje, estamos explorando principalmente o desenvolvimento de quase cem anos atrás. Julgue por si mesmo por uma breve cronologia:
Década de 1920 : adesivos à base de ésteres de celulose, resinas alquídicas, borracha ciclizada, policloropreno (neoprene), colas de sojadécada de 1930 : invenção da ureia-formaldeído, fitas adesivas sensíveis à pressão, filmes adesivos à base de resina fenólica, adesivos de acetato de polivinila (PVA) ) colas para madeiraem 1940 th ano: nitrilfenol sintetizado, borracha clorada, melamina formaldeído, acrílicos e os poliuretanos vinilfenol1950 th ano: epóxis apresentados, cianoacrilatos, adesivos anaeróbicos1960 th anos: poliimidas apresentados, polibenzimid solenóide, polyquinoxalines1970 anos -e: adesivos acrílicos apresenta uma segunda geração de acrílico poliuretanos estruturais sensíveis à pressão1980 - : , , ,
1990 - : , ,
2000 - : , ,
, tutorial (
3D-. +
Devolvemos as aves domésticas ou RTFM por definição de plástico em casa ), pelo menos para nos acostumarmos à terminologia "polímero" e ver informações básicas sobre polímeros.Hoje, o principal desenvolvimento de composições adesivas "personalizadas" está no caminho para aumentar a compatibilidade ambiental (muitas vezes, a propósito, em detrimento da resistência da união). Os compostos estruturais e industriais não são particularmente suscetíveis a isso, mas geralmente, as opções tradicionais e testadas pelo tempo ainda são usadas lá. Então, procuramos na tabela abaixo nossos materiais de união e lembramos o tipo de cola que precisamos.Bônus - uma análise comparativa das características de resistência de vários tipos de adesivos. Às vezes é útil :)Uma comparação clara das características de resistência dos compostos obtidos usando diferentes tipos de adesivos
: CA-, MS- , PU- , - , -, -
Com isso, a parte introdutória é concluída, a seguir - procederemos à consideração de tipos específicos de cola e condições / materiais ideais para seu uso. Faça nos comentários as perguntas que lhe interessam - na próxima parte, a probabilidade de aparecer respostas é alta.NB Continuação do tema:Opus sobre Sua Majestade Clay. Parte Dois - Viva, Cianoacrilato! Viva, super colaOpusa sobre Sua Majestade Clay. Parte Três - Poliuretano vs Espaço ColdOpusa sobre Sua Majestade Clay. Parte Quatro - SiliconesO próximo artigo dependerá da comunidade Habr, para
subm .
Importante!Todas as atualizações e notas provisórias a partir das quais os artigos de habr são formados sem problemas podem agora ser vistas no meu laboratório de canais de telegrama66 . Assine para não esperar o próximo artigo, mas para saber imediatamente sobre toda a pesquisa :)
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