Клей для дерева – это клей , используемый для прочного соединения деревянных деталей . Многие вещества использовались в качестве клеев. Традиционно животные белки, такие как казеин из молока или коллаген из шкур и костей животных, варились для изготовления первых клеев. Они работали, затвердевая по мере высыхания. Позже клей стали изготавливать из растительных крахмалов, таких как мука или картофельный крахмал. При смешивании с водой и нагревании крахмал желатинизируется и при высыхании образует липкую пасту. Клеи растительного происхождения обычно использовались для изготовления книг и бумажной продукции, хотя со временем они могут легче разрушаться по сравнению с клеями животного происхождения. [1] [2] [3] Примеры современных клеев для дерева включают поливинилацетат (ПВА) и эпоксидные смолы. Некоторые смолы (например, клеи), используемые при производстве изделий из композитной древесины, могут содержать формальдегид. [4] По состоянию на 2021 год «в производстве древесных плит используется почти 95% синтетических термореактивных клеев нефтяного происхождения, в основном на основе мочевины, фенола и меламина, среди прочего». [5]
Клей животных , особенно клей для копыт и клей для шкур , на протяжении многих веков был основным клеем для многих видов деревообработки, включая мебель и столярные изделия. Его производят из выработанного коллагена из шкур (шкур) или копыт животных. По химическому составу он похож на съедобный желатин и нетоксичен при проглатывании. Клей для шкур до сих пор используется в специализированных целях: для музыкальных инструментов ( лютерии ), для реплик мебели и для реставрационного ремонта старинных изделий из дерева. Клей для шкур измеряется на основе прочности его геля - меры того, сколько граммов силы требуется, чтобы вдавить поршень диаметром 1 ⁄ 2 дюйма (13 мм) на глубину 4 мм (0,16 дюйма) в 12,5% белковый раствор клея при 10 °С (50 °Ф). Клей выпускается стандартных марок по 32–512 граммов (1,1–18,1 унций). Прочность 192 грамма (6,8 унции) чаще всего используется при работе с деревом; 251 грамм (8,9 унции) — это самый высокий вес, обычно используемый в приборостроении; 135 грамм (4,8 унции) — самый низкий вес, используемый для обычных работ по дереву. Клей с прочностью более 250 грамм (8,8 унции) требует чрезмерного разбавления, поэтому в швах остается слишком мало клея для эффективной адгезии, поэтому он обычно не используется. Теперь доступны жидкие версии клея для шкур; обычно в них добавляют мочевину , чтобы клей оставался жидким при комнатной температуре и увеличивал время высыхания. Примерами жидкого клея для шкур являются Old Brown Glue или Titebond Liquid Hide. Скрыть клей не расползается. Соединения с клеем для шкур легко отремонтировать, просто нагрев и добавив больше клея для шкур. [6] [7] [8]
Клеи на основе карбамидоформальдегидной смолы отличаются низкой эффективной стоимостью, низкими температурами отверждения, устойчивостью к микроорганизмам и истиранию, светлой окраской. Он не расползается и его можно отремонтировать с помощью эпоксидной смолы. В жаркой и влажной среде он может быстро портиться , выделяя формальдегид ( канцероген ). [9] [10] [11] Поставляется в виде мелкого белого порошка, который для использования смешивают с половиной его веса в холодной воде. Смешанный клей остается пригодным к использованию в течение примерно трех часов в зависимости от температуры. При условии хранения в сухом виде неиспользованный порошок может храниться до года. Клей обладает способностью заполнять зазоры между плохо прилегающими компонентами. Популярный бренд – Cascamite. [12]
Выбросы парниковых газов составляют 2,04 кг CO2-экв./кг карбамидоформальдегидного клея. [13]
Клей из резорцино-формальдегидной смолы очень прочный и долговечный (устойчив к погружению в кипящую воду, слабые кислоты, соленую воду, растворители, плесень, грибок, ультрафиолет и т. д.). Исторически сложилось так, что это был доминирующий клей при производстве фанеры для наружных работ и производстве деревянных самолетов. Перед использованием его необходимо смешать (жидкая смола и порошкообразный катализатор), он токсичен [14] и имеет темно-фиолетовый затвердевший цвет, что может быть неприемлемо в некоторых случаях. В течение многих лет Федеральное управление гражданской авиации (ФАУ) заявляло, что «Резорцин — единственный известный клей, рекомендованный и одобренный для использования в деревянных конструкциях самолетов и полностью отвечающий необходимым требованиям прочности и долговечности» [9] для сертифицированных самолетов. Однако на самом деле в подавляющем большинстве деревянных самолетов, построенных в последние десятилетия (в основном самолетов любительской постройки), вместо этого используются другие типы клеев ( в первую очередь системы на основе эпоксидной смолы ) , которые обеспечивают большую прочность и, что еще более важно, гораздо меньшую. критичность в идеальной технике нанесения. Большинство новых клеев гораздо более устойчивы к типичным строительным ошибкам (таким как небольшие зазоры или несовпадения между деталями), чем резорцин, который практически не допускает таких повседневных строительных ситуаций. Это может создать серьезные трудности, особенно в сложных сборках. Однако резорцин до сих пор используется некоторыми строителями и реставраторами, и его часто можно увидеть в старинных самолетах.
Фенолформальдегидная смола обычно используется для изготовления фанеры. Отверждается при повышенной температуре и давлении. [9] Выбросы парниковых газов составляют 2,88 кг CO2-экв./кг клея PF. [13]
Что касается общего воздействия на окружающую среду, было обнаружено, что карбамидоформальдегидный клей оказывает почти на 50% большее воздействие на жизненный цикл, чем фенолформальдегидный клей. При сравнении энергопотребления, используемого в карбамидоформальдегидных и фенолформальдегидных клеях, карбамидоформальдегидный клей был намного ниже, чем фенолформальдегидный клей. [15] [13]
Клеи на основе лигнин-фенол-формальдегидной смолы обычно синтезируют путем взаимодействия смеси изолированного лигнина (например, крафт-, содового или биоперерабатывающего лигнина) и фенола с формальдегидом в щелочных условиях. [16] Клеи на основе лигнин-фенол-формальдегидной смолы имеют более высокую вязкость, более глубокую окраску и требуют более жестких условий отверждения, чем клеи на основе карбамидо-формальдегидной и фенол-формальдегидной смол. [17]
В лигноцеллюлозной биомассе лигнин действует как клей, который обеспечивает прочность клеточных стенок, эффективно связывая вместе целлюлозу и гемицеллюлозу. [18] Клеи из измельченного древесного лигнина (MWL), лигнина, защищенного формальдегидом (FPL) и лигнина, защищенного ацетоном, которые были приготовлены с использованием лигнинов, разделенных либо в мягких условиях, либо с защитой альдегидом или кетоном, продемонстрировали достаточную прочность сцепления после горячего прессования при 190 ° C. и 1,5 МПа – 8 мин; Прочность сцепления как в сухом, так и во влажном состоянии соответствовала минимальному требованию 0,7 МПа. Результаты показали, что слегка конденсированные или защищенные лигнины из разных источников можно напрямую использовать в качестве клеев для древесины без дополнительной физической или химической обработки. [19] Адгезионные характеристики этих клеев улучшаются при уменьшении степени конденсации и увеличиваются при более высоких температурах горячего прессования. Изделия из многослойной фанеры с использованием лигниновых клеев удовлетворяют механическим требованиям для применения в различных областях. [19] [20]
Лигниновые клеи, приготовленные из лигнинов, защищенных другими альдегидами (например, ацетальдегидом, пропиональдегидом и фурфуралом), показали удовлетворительные адгезионные характеристики >0,7 МПа. [21] [22]
Получение клеев для древесины на основе лигнина из лигноцеллюлозной биомассы способствует использованию экологически чистых клеев и способствует разработке выгодных схем биопереработки. Это значительный прогресс в области устойчивых клеевых технологий, который может оказать положительное влияние на фанерную промышленность.
Полиуретановый клей (торговые названия включают Gorilla Glue и Excel ) становится все более популярным в США после многолетнего использования в других странах. Он склеивается с текстильными волокнами, металлами, пластмассами, стеклом, песком, керамикой и резиной, а также с древесиной. Полиуретановые клеи для древесины обычно представляют собой форполимеры с изоцианатными группами на конце . Под воздействием влаги изоцианаты реагируют с водой и тем самым отверждают клеи. Поэтому однокомпонентные полиуретановые клеи также называют полиуретанами, отверждаемыми влагой. Кроме того, взаимодействие между полиуретанами и древесными полимерами может существенно влиять на характеристики склеивания. [23] Полиуретановые клеи расширяются при затвердевании, улучшая адгезию там, где прилегание неплотное. В отличие от клея ПВА, ими можно склеивать торцы зерен. Однако в тестах на водонасыщение полиуретановые связи «были гораздо менее прочными, чем резорциновые связи как на пихте Дугласа, так и на желтой березе». [24]
Эпоксидная смола , обычно в виде двухкомпонентной смеси, отверждается в более широком диапазоне температур и содержания влаги, чем другие клеи, не требует давления во время отверждения и обладает хорошими свойствами заполнения зазоров: практически идеальные соединения с очень маленькими зазорами. создавать более слабые связи. Использование эпоксидной смолы требует тщательного соблюдения соотношения смешивания двух частей. Он сцепляется с большинством отвержденных клеев для дерева (кроме ПВА). [25] Двухкомпонентный эпоксидный клей очень устойчив к соленой воде, большинство эпоксидных смол термостойки до 177 °C (351 °F), составы, содержащие порошкообразный металл и резину или пластификаторы , очень прочные и ударопрочные. Наиболее распространенные эпоксидные смолы основаны на реакции эпихлоргидрина (ECH) с бисфенолом А , в результате чего образуется другое химическое вещество, известное как диглицидиловый эфир бисфенола А (широко известный как BADGE или DGEBA). Смолы на основе бисфенола А являются наиболее широко продаваемыми смолами, но также и другие бисфенолы аналогично реагируют с эпихлоргидрином, например бисфенол F. Эпоксидная смола может вызвать длительную чувствительность ( аллергию ) из-за чрезмерного воздействия и часто стоит дорого. [26]
Цианоакрилат ( клей Crazy , суперклей , CA или CyA ) используется в основном для мелкого ремонта, особенно токарями по дереву . Он мгновенно связывается, в том числе с кожей. Отвержденный СА по сути представляет собой пластиковый материал. Доступны версии, которые способны проникать в плотные соединения, но склеиваются с пониженной прочностью (поскольку большая часть капает, а большая часть впитывается в древесину, оставляя очень мало на поверхности для склеивания), или более густые составы (гель), которые могут заполнить очень маленькие зазоры. , не вытекать из шва и не впитываться так быстро в древесину. Более тонкий цианакрилатный клей не склеивается быстрее и не образует более короткие полимерные цепи, чем гелевая версия, при использовании на дереве. Химическая природа древесины значительно задерживает полимеризацию цианоакрилата. Когда он окончательно полимеризуется в деревянном шве, остается достаточно геля для лучшего сцепления, чем при тонком варианте. При использовании геля слишком большое количество клея ослабит образовавшуюся связь. Аналогичным образом, нанесение слишком малого количества тонкого суперклея приведет к тому, что в деревянном соединении почти не останется клея, что приведет к слабой связи или ее полному отсутствию. Также доступны версии, безопасные для пенообразования (обычный CA растворяет большинство пенопластов), которые обычно продаются как со слабым запахом . Цианоакрилат жесткий, но имеет низкую прочность на сдвиг (хрупкий), поэтому в некоторых случаях нормальный изгиб древесины может разрушить соединение. Часто наносится слишком много клея, что приводит к значительному ослаблению сцепления. CA быстро стал доминирующим клеем, используемым при изготовлении моделей из пробкового дерева, где его прочность намного превосходит основные материалы.
Казеиновый клей изготавливается из молочных белков. Он использовался для изготовления прочных и надежных соединений в ранней авиации и был повсеместно распространен в форме «белого клея», такого как Elmer's Glue-All , но потерял популярность из-за своей восприимчивости к атакам бактерий.
Поливинилацетат (ПВА), также известный как «белый клей», «хобби и ремесло» или «школьный клей», нетоксичен, имеет нейтральный уровень pH, дешев и прост в использовании и поэтому является наиболее часто используемым типом клея для дерева. Соединения должны быть плотно подогнаны и зажаты во время отверждения для обеспечения максимальной прочности. Однако ПВА остаются гибкими после отверждения и будут расползаться под постоянной нагрузкой. Соединения, которые ранее были склеены ПВА, может быть трудно отремонтировать, поскольку большинство клеев (включая сам ПВА) плохо сцепляются с затвердевшим клеем ПВА. Клеи ПВА не являются водонепроницаемыми, однако ПВА типа 2 водостойки.
Алифатическая смола , также известная как «столярный клей» и «желтый клей», представляет собой синтетический клей (в данном случае алифатическое соединение ) светло-желтого цвета и кремовой текстуры, который чаще всего используется для склеивания кусков дерева. По сравнению с другими клеями он имеет слабый запах и горючесть , хорошую прочность сцепления и умеренную влагостойкость. Он более термо- и водостойкий, чем поливинилацетатные «белые» клеи, имеет более тяжелую консистенцию, что приводит к меньшему количеству капель, и схватывается при температуре от 50 ° F (10 ° C) до 110 ° F (43 ° C). ), хотя он считается непригодным для использования на открытом воздухе. Его более быстрое схватывание, чем у белых клеев, может затруднить его использование в сложных проектах. Он затвердевает примерно через 24 часа, в результате чего клеевая линия становится полупрозрачной, бледно-коричневой или янтарной. Прежде чем он затвердеет, его можно очистить водопроводной водой (например, клеем ПВА). В отличие от белого клея, его термостойкость и твердость после отверждения означают, что его можно шлифовать, хотя он не впитывает морилки, нанесенные на него. Перед окрашиванием излишки смолы необходимо отшлифовать или удалить другим способом. [27] Он имеет меньшую склонность к «ползучести» (скольжению во время зажима), чем клей ПВА. [28] Алифатическая смола имеет такой же профиль использования и относительную предел прочности, что и ПВС. Эти два клея различаются по характеристикам сцепления до первоначального схватывания: ПВА демонстрирует большее скольжение во время сборки, а желтый клей имеет большее первоначальное сцепление. Бренды включают Titebond и Lepage .
Контактный клей для деревянного шпона .
Горячий клей для временного использования.
Некоторые клеи для дерева обладают плохой способностью «заполнять зазоры», то есть они либо впитываются в древесину и оставляют зазор пустым, либо остаются, заполняя зазор, но имеют небольшую структурную целостность. Поэтому мастера по дереву обычно используют плотно прилегающие соединения, которым для удержания больших кусков дерева требуется на удивление мало клея. Большинство клеев для дерева необходимо зажимать , пока клей схватывается. [7] Эпоксидные смолы и некоторые другие клеи можно загущать конструкционными наполнителями (или более густыми составами смолы), чтобы помочь заполнить зазоры, однако предпочтительнее сначала попытаться минимизировать зазоры, чтобы не столкнуться с проблемой.
Журнал Fine Woodworking провел ряд испытаний для оценки механической прочности соединений древесины с использованием различных клеев: [29]
Клей ПВА типа I — Titebond III, водостойкий клей. Эпоксидная смола была из Системы Третьей. Клей ПВА был клеем Elmer's Carpenter. Жидкий клей для шкур был от Old Brown Glue. Горячий клей для кожи принадлежал Дж. Э. Мозеру. Полиуретан был марки Gorilla.