Superlijm

Achtergrond

Lijm is een gelatineuze kleefstof die wordt gebruikt om een ​​oppervlaktehechting tussen afzonderlijke materialen te vormen. Momenteel zijn er vijf basissoorten lijm. Oplosmiddellijmen bestaan ​​uit een lijmbasis gemengd met een chemisch oplosmiddel dat de lijm smeerbaar maakt; de lijm droogt als het oplosmiddel verdampt. De meeste oplosmiddelen zijn ontvlambaar en verdampen snel; tolueen, een vloeibare koolwaterstof gemaakt van fossiele brandstoffen, wordt vaak gebruikt. In deze categorie vallen lijmen die worden verkocht als vloeibare soldeer en zogenaamde contactcementen.

Lijmen op waterbasis gebruiken water als oplosmiddel in plaats van chemicaliën. Ze werken langzamer dan chemische oplosmiddellijmen; ze zijn echter niet ontvlambaar. Deze categorie omvat lijmen als witte lijm en poedervormige caseïnelijm, gemaakt van melkeiwit en thuis of in de winkel gemengd.

Tweecomponentenlijmen omvatten epoxy en resorcinol, een kristallijn fenol dat kan worden gesynthetiseerd of gemaakt van organische harsen. Een deel bevat de eigenlijke lijm; het andere deel is een katalysator of verharder. Tweecomponentenlijm is erg handig voor het werken met metalen (auto deukvuller is een tweecomponentenlijm) maar moet goed worden gemengd om goed te werken.

Dierenhuidlijmen zijn handig voor houtbewerking en fineerwerk. Gemaakt van de huiden, botten en andere delen van dieren, wordt de lijm kant-en-klaar verkocht of als poeder of vlok die met water kan worden gemengd, verwarmd en heet kan worden aangebracht.

Cyanoacrylaatlijmen, gewoonlijk aangeduid als C.A.s, typeren de nieuwste en sterkste moderne lijmen, die zijn gemaakt van synthetische polymeren. Een polymeer is een complex molecuul dat bestaat uit kleinere, eenvoudigere moleculen (monomeren) die zich hechten om zich herhalende structurele eenheden te vormen. Als een polymere reactie eenmaal is gekatalyseerd, kan het moeilijk zijn om deze te stoppen:de natuurlijke impuls om polymere ketens te vormen is erg sterk, net als de resulterende moleculaire bindingen - en de lijmen die daarop zijn gebaseerd. Thuis en op kantoor zijn kleine hoeveelheden CA's nuttig voor een bijna oneindig aantal reparaties, zoals het repareren van gebroken aardewerk, het repareren van voegen en zelfs het bij elkaar houden van gespleten vingernagels. In de industrie zijn CA's belangrijk geworden in de bouw, geneeskunde en tandheelkunde.

Cyanoacrylaatlijmen werden in 1951 in een Kodak-lab ontdekt toen twee chemici, Dr. Harry Coover en Dr. Fred Joyner, probeerden een film van ethylcyanoacrylaat tussen twee prisma's van een refractometer te plaatsen om te bepalen in welke mate het brak of verbogen, licht dat er doorheen gaat. Hoewel de eerste conclusie van Coover, Joyner en de andere leden van het laboratoriumteam alleen was dat een duur stuk laboratoriumapparatuur was geruïneerd, realiseerden ze zich al snel dat ze op een nieuw type kleefstof waren gestuit.

De overstap van een laboratoriumongeval naar een verkoopbaar product is niet eenvoudig; Kodak begon pas in 1958 met de verkoop van de eerste cyanoacrylaatlijm, Eastman 910 (het bedrijf maakt geen C.A.-lijmen meer). Tegenwoordig maken verschillende bedrijven C.A. lijmen in verschillende formuleringen. Sommige grote fabrikanten hebben onderzoekslaboratoria om te reageren op de nieuwe vraag naar speciale formuleringen en om nieuwe en betere C.A.'s te ontwikkelen.

De methode waarmee polymeren als lijm werken, is niet volledig begrepen. De meeste andere lijmen werken volgens het haak-en-oogprincipe:de Het oorspronkelijke ingrediënt in superlijm, ethylcyanoacetaat, wordt in een ketel met draaiende messen geplaatst en gemengd met formaldehyde. Het mengen veroorzaakt condensatie, een chemische reactie die water produceert; dit water wordt vervolgens verdampt terwijl de ketel wordt verwarmd. Als het water verdampt is, blijft er in de ketel de C.A. polymeer. Vervolgens wordt de ketel opnieuw verwarmd, waardoor het polymeer thermisch barst en reactieve monomeren ontstaan ​​die zich afscheiden. Wanneer de afgewerkte lijm wordt aangebracht, recombineren deze monomeren om een ​​binding te vormen. lijm vormt zich tot microscopisch kleine haken en ogen die in elkaar grijpen, een soort moleculair klittenband. Bij lijmen die op deze manier werken, geldt:hoe dikker de applicatie, hoe effectiever de hechting. Cyaanacrylaatlijmen blijken echter anders te hechten. De huidige theorie schrijft de hechtende eigenschappen van het cyanoacrylaatpolymeer toe aan dezelfde elektromagnetische kracht die alle atomen bij elkaar houdt. Hoewel een aanzienlijke massa van één stof elke andere stof elektronisch zal afstoten, zullen twee atomen van verschillende stoffen die zeer dicht bij elkaar zijn geplaatst een wederzijdse aantrekkingskracht uitoefenen. Experimenten met verschillende stoffen hebben aangetoond dat twee stukken van hetzelfde experimentele materiaal (goud, bijvoorbeeld) kunnen worden gemaakt om aan elkaar te hechten zonder het voordeel van een toegevoegde lijm als ze dicht bij elkaar worden gedwongen.

Dit fenomeen verklaart waarom een ​​dunne film van C.A. lijm werkt beter dan een dikkere. Een dunnere lijm kan zo dicht bij het materiaal worden geperst dat het hecht dat de elektromagnetische kracht het overneemt. Een dikkere film laat voldoende ruimte tussen de materialen die het bindt, zodat de moleculen elkaar kunnen afstoten, en de lijm zal bijgevolg niet zo goed vasthouden.

Grondstoffen

De chemicaliën die nodig zijn om cyanoacrylaatpolymeer te vormen, omvatten ethylcyaanacetaat, formaldehyde, stikstof of een ander niet-reactief gas, remmers van vrije radicalen en base-scavengers. Ethylcyaanacetaat omvat ethyl, een koolwaterstofradicaal (een radicaal is een atoom of een groep atomen die, omdat het een ongepaard elektron bevat, eerder reageert met andere atomen), cyanide en acetaat, een ester die wordt geproduceerd door azijnzuur te mengen met alcohol en verwijder het water. Formaldehyde is een kleurloos gas dat vaak wordt gebruikt bij de vervaardiging van synthetische harsen. Stikstof is het meest voorkomende gas in de atmosfeer van de aarde, het bevat 78 procent van het volume en komt ook voor in alle levende weefsels. Omdat het niet reageert met andere stoffen, wordt het vaak gebruikt om zeer reactieve elementen te bufferen die anders ongewenste reacties zouden aangaan met aangrenzende stoffen. Vrije radicalen remmers en base scavengers dienen beide om stoffen te verwijderen die het product anders zouden saboteren.

Het fabricageproces

C.A.'s worden geproduceerd in verwarmde ketels die enkele gallons tot enkele duizenden gallons kunnen bevatten; de grootte hangt af van de schaal van de specifieke fabricagehandeling.

Het polymeer maken

• 1 Het oorspronkelijke ingrediënt is ethylcyanoacetaat. Dit materiaal wordt in een met glas beklede ketel met draaiende mengbladen geplaatst en vervolgens gemengd met formaldehyde. Het mengen van de twee chemicaliën veroorzaakt condensatie, a De gescheiden monomeren worden naar een tweede kette geleid. Terwijl ze van het ene vat naar het andere gaan, bewegen de monomeren door een reeks koelspiralen waardoor ze vloeibaar worden. De inhoud van de tweede opvangbak (die de vloeibare monomeren bevat) is in feite de C.A. lijm, hoewel ze nog moeten worden beschermd tegen uitharding. Verschillende chemicaliën genaamd vrije radicalen remmers en base scavengers worden toegevoegd om onzuiverheden neer te slaan die anders het mengsel zouden verharden. Na ontvangst van de benodigde toevoegingen wordt de lijm dienovereenkomstig verpakt. chemische reactie die water produceert dat vervolgens verdampt als de ketel wordt verwarmd. Als het water verdampt is, blijft er in de ketel de C.A. polymeer.
• 2 Omdat de C.A. begint uit te harden of uit te harden bij contact met vocht, wordt de ketelruimte die leeg is achtergelaten door de verdamping van het water gevuld met een niet-reactief gas zoals stikstof.

Het scheiden van monomeren van het
polymeer

• 3 Vervolgens wordt de ketel verwarmd tot een temperatuur van ongeveer 305 graden Fahrenheit (150 graden Celsius). Door het mengsel te verwarmen scheurt het polymeer thermisch, waardoor reactieve monomeren ontstaan ​​(chemisch gezien ethylcyanoacrylaatesters; met een iets ander proces zijn methylcyanoacrylaatesters mogelijk) die, wanneer de afgewerkte lijm wordt aangebracht, opnieuw zullen combineren om een ​​binding te vormen.
• 4 Omdat de monomeren lichter zijn dan het polymeer, vervluchtigen ze naar boven en worden ze uit de ketel naar een tweede collector geleid. Het proces is niet anders dan distilleren, hoewel het doel een lijm is in plaats van een alcoholische drank. Terwijl ze van het ene vat naar het andere gaan, bewegen de monomeren door een reeks koelspiralen waardoor ze vloeibaar worden. Een tweede distillatie kan worden uitgevoerd voor een product van hoge kwaliteit, en sommige fabrikanten kunnen de monomeren zelfs een derde keer distilleren.

Uitharding voorkomen

• 5 De inhoud van de tweede opvangbak (die de vloeibare monomeren bevat) is in feite de C.A. lijm, al moeten ze nog wel beschermd worden tegen uitharden. Verschillende chemicaliën genaamd vrije radicalen remmers en base scavengers worden toegevoegd om onzuiverheden neer te slaan die anders het mengsel zouden verharden. Omdat de hoeveelheden onzuiverheden en precipitaten klein zijn (meetbaar in niets groter dan delen per miljoen), is het niet nodig om ze uit de C.A. mengsel. Als er neerslagdeeltjes zichtbaar zouden zijn, zelfs onder enkele honderden vergrotingen, zou dit een teken zijn van ernstige verontreiniging en zou de partij vernietigd worden.

Additieven en verpakkingen

• 6 De C.A. lijm kan op dit moment alle additieven ontvangen die de fabrikant wenst. Deze additieven kunnen de viscositeit van de C.A. (in feite worden er minstens drie verschillende diktes verkocht), of ze kunnen de lijm laten werken op materiaalsoorten die eerdere C.A.'s niet konden. Een dikkere viscositeit is gewenst wanneer er gelijmd moet worden op oppervlakken die niet goed op elkaar aansluiten; door de dikkere viscositeit kan de lijm de lege ruimtes vullen voordat deze hard wordt. Zonder andere toevoegingen moet C.A.'s mogelijk worden beperkt tot niet-poreuze oppervlakken. Met toevoegingen in de C.A. of met enige oppervlaktevoorbereiding, de C.A. zal heel goed werken. CA technologie voldoende volwassen is dat een fabrikant kan voldoen aan een verzoek van een klant voor een C.A. dat zal bijna elk bepaald paar oppervlakken hechten.
• 7 De C.A. kan nu worden toegevoegd aan buizen met behulp van conventionele, zij het vochtvrije, technieken. Zodra een buis is gevuld, wordt een bovenkant gemonteerd en geplooid, en de onderkant van de buis wordt dicht gekrompen. Omdat de meeste metalen buizen zouden reageren met de C.A., worden verpakkingsbuizen meestal gemaakt van een plastic materiaal zoals polyethyleen, hoewel aluminium buizen ook mogelijk zijn. Zodra de C.A. wordt blootgesteld aan vocht of een alkaline, hetzij in de lucht of op de te verlijmen oppervlakken, zullen de monomeren opnieuw polymeriseren en uitharden, waardoor een enorm sterke binding tussen de twee stoffen ontstaat. De reactie is totaal; het volledige bedrag van C.A. dat op de stoffen is geplaatst, zal polymeriseren.

Kwaliteitscontrole

Om het product te laten werken zoals het hoort, moet een zorgvuldige kwaliteitscontrole worden uitgevoerd. Omdat de polymerisatie van monomeren een universele reactie is (deze verspreidt zich over de hoeveelheid lijm die op een oppervlak wordt aangebracht, zodat tegen de tijd dat de reactie is geëindigd, er geen lijm meer is die niet gepolymeriseerd is), kan elke fout in elke stap van het productieproces van invloed zijn op duizenden liters materiaal.

Er wordt enorm veel nadruk gelegd op de kwaliteit van chemicaliën en benodigdheden die de fabriek binnenkomen. Idealiter hebben alle leveranciers goedgekeurde procedures voor kwaliteitscontrole om de levering van kwaliteitsproducten aan de fabriek te garanderen.

Hoewel het productieproces automatisch is, wordt het in de fabriek in alle stadia van de operatie zorgvuldig gecontroleerd. De duur van het mengen, de hoeveelheid mengsel in elke fase en de temperatuur moeten allemaal in de gaten worden gehouden door operators die klaar staan ​​om de machines indien nodig aan te passen.

Het eindproduct wordt ook getest voor verzending. Het belangrijkste is de afschuifweerstand, een maat voor de kracht die nodig is om de houdkracht van de lijm te breken. Metingen van afschuifsterkte bereiken gewoonlijk enkele duizenden ponden kracht per vierkante inch.