Древесный клей — это клей , используемый для прочного склеивания кусков древесины . В качестве клея использовались многие вещества. Традиционно животные белки, такие как казеин из молока или коллаген из шкур и костей животных, вываривались для изготовления ранних клеев. Они работали, затвердевая по мере высыхания. Позже клеи изготавливались из растительных крахмалов, таких как мука или картофельный крахмал. При смешивании с водой и нагревании крахмал желатинизируется и образует липкую пасту по мере высыхания. Растительные клеи были распространены для книг и бумажных изделий, хотя они могут легче разрушаться со временем по сравнению с клеями на основе животных. [1] [2] [3] Примерами современных древесных клеев являются поливинилацетат (ПВА) и эпоксидные смолы. Некоторые смолы (т. е. клеи), используемые при производстве композитных древесных изделий, могут содержать формальдегид. [4] По состоянию на 2021 год «в отрасли производства древесных панелей используется почти 95% синтетических термореактивных клеев на основе нефти, в основном на основе мочевины, фенола и меламина, среди прочих». [5] [6]
Животный клей , особенно клей для копыт и клей для мездры , был основным клеем для многих видов деревообработки, включая мебель и лютерию, на протяжении многих столетий. Он производится из коллагена, полученного из шкур (шкур) или копыт животных. Он химически похож на пищевой желатин и нетоксичен при попадании внутрь. Клей для мездры до сих пор используется в специализированных целях: для музыкальных инструментов ( лютерия ), для реплик мебели и для ремонта старинных деревянных изделий с сохранением качества. Клей для мездры измеряется на основе его прочности геля, меры того, сколько граммов силы требуется, чтобы вдавить плунжер размером 1 ⁄ 2 дюйма (13 мм) на 4 мм (0,16 дюйма) в 12,5%-ный белковый раствор клея при 10 °C (50 °F). Клей производится в стандартных сортах от 32 до 512 граммов (1,1–18,1 унции). Прочность 192 грамма (6,8 унций) является наиболее часто используемой для деревообработки; 251 грамм (8,9 унций) является самой высокой, обычно используемой для изготовления инструментов; 135 грамм (4,8 унций) является самой низкой, используемой для общей столярной работы. Клей прочностью выше 250 грамм (8,8 унций) требует чрезмерного разбавления и поэтому оставляет слишком мало клея в соединениях для эффективной адгезии, поэтому он обычно не используется. Сейчас доступны жидкие версии мездрового клея; обычно в них добавляют мочевину , чтобы клей оставался жидким при комнатной температуре и продлевать время высыхания. Примерами жидкого мездрового клея являются Old Brown Glue или Titebond Liquid Hide. Мездровый клей не расползается. Соединения мездрового клея легко ремонтировать, просто нагревая и добавляя больше мездрового клея. [7] [8] [9]
Клеи на основе карбамидоформальдегидной смолы характеризуются низкой эффективной стоимостью, низкими температурами отверждения, устойчивостью к микроорганизмам и истиранию, а также светлым цветом. Он не ползет и может быть отремонтирован с помощью эпоксидной смолы. Он может быстро разрушаться в горячих, влажных условиях, выделяя формальдегид ( канцероген ). [10] [11] [12] Поставляется в виде мелкого белого порошка, который смешивается с половиной своего веса холодной воды для использования. Смешанный клей остается пригодным к использованию в течение примерно трех часов, в зависимости от температуры. При условии, что он остается сухим, неиспользованный порошок имеет срок годности до года. Клей способен заполнять щели между плохо подогнанными компонентами. Он производится с 1930-х годов под названием Aerolite для склеивания фанеры для использования в авиастроении.
Выбросы парниковых газов составляют 2,04 кг CO2-экв./кг карбамидоформальдегидного клея. [13]
Клей на основе резорцин-формальдегидной смолы очень прочен и долговечен (выдерживает погружение в кипящую воду, слабые кислоты, соленую воду, растворители, плесень, грибок, ультрафиолет и т. д.). Исторически это был доминирующий клей в производстве фанеры для наружных работ и производстве деревянных самолетов. Его необходимо смешивать перед использованием (жидкую смолу и порошкообразный катализатор), он токсичен [14] и имеет темно-фиолетовый цвет после отверждения, что может быть неприемлемо в некоторых случаях. В течение многих лет Федеральное управление гражданской авиации (FAA) заявляло, что «резорцин является единственным известным клеем, рекомендованным и одобренным для использования в деревянной конструкции самолета и полностью отвечает необходимым требованиям прочности и долговечности» [10] для сертифицированных самолетов. Однако на самом деле в подавляющем большинстве деревянных самолетов, построенных в последние десятилетия (в основном самолеты любительской сборки), вместо этого используются другие типы клеев [ требуется ссылка ] (в первую очередь системы на основе эпоксидной смолы ), которые обеспечивают большую прочность и, что еще более важно, гораздо меньшую критичность при идеальной технике нанесения. Большинство новых клеев гораздо более терпимы к типичным ошибкам строительства (таким как небольшие зазоры или несоосность между деталями), чем резорцин, который практически не терпит таких повседневных строительных ситуаций. Это может вызвать серьезные трудности, особенно в сложных сборках. Однако резорцин все еще используется некоторыми строителями/реставраторами и часто встречается в старинных самолетах.
Фенолформальдегидная смола обычно используется для изготовления водостойкой фанеры . Она отверждается при повышенной температуре и давлении [10] , а также доступна в виде сухой пленки для размещения между слоями шпона ( пленка Tego ). Выбросы парниковых газов составляют 2,88 кг CO2-экв./кг клея PF. [13]
Потребление энергии и выбросы парниковых газов, связанные с производством карбамидоформальдегида, ниже, чем у фенолформальдегидных клеев. Но считается, что карбамидоформальдегидный клей имеет почти на 50% большее влияние на жизненный цикл, чем фенолформальдегид, в основном из-за выбросов на основе кислоты в процессе его производства. [15] [13]
Клеи на основе лигнин-фенолформальдегидной смолы обычно синтезируются путем реакции смеси изолированного лигнина (например, крафт-, содового или биорегенерированного лигнина) и фенола с формальдегидом в щелочных условиях. [16] Клеи на основе лигнин-фенолформальдегидной смолы имеют более высокую вязкость, более интенсивную окраску и требуют более жестких условий отверждения, чем клеи на основе мочевины-формальдегида и фенолформальдегидной смолы. [17]
В лигноцеллюлозной биомассе лигнин действует как клей, который обеспечивает прочность клеточных стенок, эффективно связывая целлюлозу и гемицеллюлозу вместе. [18] Клеи из измельченного древесного лигнина (MWL), лигнина, защищенного формальдегидом (FPL), и лигнина, защищенного ацетоном, которые были приготовлены с лигнинами, разделенными либо в мягких условиях, либо с защитой альдегидом или кетоном, продемонстрировали разумную прочность сцепления после горячего прессования при 190 °C и 1,5 МПа в течение 8 минут; прочность сцепления как в сухом, так и во влажном состоянии соответствовала минимальному требованию 0,7 МПа. Согласно результатам, слегка конденсированные или защищенные лигнины из разных источников можно было напрямую использовать в качестве древесных клеев без дополнительной физической или химической обработки. [19] Адгезионные характеристики этих клеев улучшались при снижении степени конденсации и увеличивались при более высоких температурах горячего прессования. Многослойные фанерные изделия с использованием лигниновых клеев соответствовали механическим требованиям для применения в различных областях. [19] [20]
Лигниновые клеи, приготовленные из лигнинов, защищенных другими альдегидами (например, ацетальдегидом, пропионовым альдегидом и фурфуролом), показали удовлетворительные адгезионные характеристики >0,7 МПа. [21] [22]
Приготовление клеев для древесины на основе лигнина из лигноцеллюлозной биомассы способствует использованию зеленых клеев и вносит вклад в разработку прибыльных схем биоочистки. Это значительный прогресс в области устойчивой технологии клея, который может оказать положительное влияние на отрасль производства фанеры.
Полиуретановый клей (торговые наименования включают Gorilla Glue и Excel ) становится все более популярным в США после того, как в течение многих лет использовался в других странах. Он склеивает текстильные волокна, металлы, пластик, стекло, песок, керамику и резину, в дополнение к дереву. Полиуретановые клеи для дерева обычно представляют собой преполимеры с концевыми изоцианатными группами . При воздействии влаги изоцианаты реагируют с водой и таким образом отверждают клей. Поэтому однокомпонентные полиуретановые клеи также называют полиуретанами, отверждаемыми влагой. Кроме того, взаимодействие между полиуретанами и древесными полимерами может значительно влиять на эффективность склеивания. [23] Полиуретановые клеи расширяются при отверждении, улучшая адгезию там, где прилегание не плотное. В отличие от клеев ПВА, их можно использовать для склеивания торцевых зерен. Однако в испытаниях на водонасыщение полиуретановые связи «оказались намного менее прочными, чем резорциновые связи на обоих [пихте Дугласа и желтой березе]». [24]
Эпоксидная смола , обычно как двухкомпонентная система смешивания, отверждается в более широком диапазоне температур и влажности, чем другие клеи, не требует давления при отверждении и обладает хорошими свойствами заполнения зазоров: почти идеальные соединения с очень маленькими зазорами на самом деле создают более слабые связи. Использование эпоксидной смолы требует тщательного внимания к соотношению смешивания двух частей. Она связывается с большинством отвержденных клеев для дерева (кроме ПВА). [25] Двухкомпонентный эпоксидный клей очень устойчив к соленой воде, большинство эпоксидных смол устойчивы к температуре 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 (ЭХГ) с бисфенолом А , в результате чего получается другое химическое вещество, известное как диглицидиловый эфир бисфенола А (обычно известный как BADGE или DGEBA). Смолы на основе бисфенола А являются наиболее широко распространенными в торговле смолами, но и другие бисфенолы аналогично реагируют с эпихлоргидрином, например, бисфенол F. Эпоксидная смола может вызывать долгосрочную чувствительность ( аллергию ) из-за чрезмерного воздействия и часто является дорогостоящей. [26]
Цианоакрилат ( Crazy Glue , Superglue , CA или CyA ) используется в основном для мелкого ремонта, особенно токарями по дереву . Он мгновенно склеивает, в том числе с кожей. Отвержденный CA по сути является пластиковым материалом. Существуют версии, которые способны впитываться в плотные соединения, но склеивают с меньшей прочностью (потому что много капает и много впитывается в древесину, оставляя очень мало на поверхности для склеивания), или более густые составы (гель), которые могут заполнять очень маленькие зазоры, не вытекают из соединения и не так быстро впитываются в древесину. Более тонкий цианоакрилатный клей не склеивает 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 соединении, остается достаточно геля для лучшего склеивания, чем при использовании тонкой версии. При использовании геля слишком много клея ослабит полученное склеивание. Аналогично, нанесение слишком малого количества тонкого суперклея приведет к тому, что в деревянном соединении почти не останется клея, что приведет к слабому сцеплению или полному отсутствию сцепления. Также доступны версии, безопасные для пены (обычный АК растворяет большинство пластиковых пен), которые обычно также продаются как слабопахнущие . Цианоакрилат жесткий, но имеет низкую прочность на сдвиг (хрупкий), поэтому обычное сгибание древесины может разрушить сцепление в некоторых случаях. Часто наносится слишком много клея, что приводит к гораздо более слабому сцеплению. АК быстро стал доминирующим клеем, используемым строителями моделей из бальзового дерева, где его прочность намного превосходит прочность основных материалов.
Казеиновый клей производится из молочных белков. Он использовался для создания прочных и надежных соединений в ранней авиации и был повсеместно распространен в форме «белого клея», такого как Elmer's Glue-All , но впал в немилость из-за своей восприимчивости к атакам бактерий.
Поливинилацетат (ПВА), также известный как «белый клей», «клей для хобби и ремесел» или «школьный клей», нетоксичен, имеет нейтральный pH, недорог и прост в использовании, поэтому является наиболее часто используемым типом столярного клея. Соединения должны быть плотно подогнаны и зажаты во время отверждения для максимальной прочности. Однако ПВА остаются гибкими после отверждения и будут ползти под постоянной нагрузкой. Соединения, которые ранее были склеены ПВА, может быть трудно отремонтировать, поскольку большинство клеев (включая сам ПВА) плохо прилипают к отвержденному клею ПВА. Клеи ПВА не являются водонепроницаемыми, однако ПВА типа 2 являются водостойкими.
Алифатическая смола , также известная как «клей плотника» и «желтый клей», представляет собой синтетический клей (в данном случае алифатическое соединение ) светло-желтого цвета и кремообразной текстуры, который чаще всего используется для склеивания деревянных деталей. По сравнению с другими клеями он имеет слабый запах и воспламеняемость , хорошую прочность склеивания и умеренную влагостойкость. Он более термо- и водостойкий, чем поливинилацетатные «белые» клеи, имеет более тяжелую консистенцию, что приводит к меньшему количеству капель, и застывает при температуре выше 50 °F (10 °C) и до 110 °F (43 °C), хотя он считается непригодным для использования на открытом воздухе. Его более быстрое время схватывания, чем у белых клеев, может затруднить его использование в сложных проектах. Он застывает примерно за 24 часа и образует клеевой шов, который либо полупрозрачен, либо бледно-желтоватый, либо янтарный. До застывания его можно очистить водопроводной водой (как белый клей). В отличие от белого клея, его термостойкость и твердость после отверждения означают, что его можно шлифовать, хотя он не впитывает нанесенные поверх него морилки для дерева . Излишки смолы необходимо отшлифовать или иным образом удалить перед окрашиванием. [27] Он имеет меньшую тенденцию к «ползучему» (скольжению во время зажима), чем белый клей. [28] Алифатическая смола имеет схожий профиль использования и относительную предельную прочность, как и ПВА. Два клея различаются по характеристикам сцепления до начального схватывания, при этом ПВА демонстрирует большее скольжение во время сборки, а желтый клей имеет большее начальное сцепление. К торговым маркам относятся Titebond и Lepage .
Контактный цемент для деревянного шпона .
Горячий клей для временного использования.
Некоторые виды клея для дерева имеют плохую способность «заполнять зазоры», то есть они либо впитываются в древесину и оставляют зазор пустым, либо остаются, заполняя зазор, но имеют низкую структурную целостность. Поэтому плотники обычно используют плотно прилегающие соединения, которым требуется на удивление мало клея для удержания больших кусков дерева. Большинство видов клея для дерева необходимо зажимать, пока клей застывает. [8] Эпоксидные смолы и некоторые другие клеи можно загустить с помощью структурных наполнителей (или более густых составов смолы), чтобы помочь заполнить зазоры, однако предпочтительнее попытаться минимизировать зазоры в первую очередь, чтобы не возникало проблемы.
Журнал Fine Woodworking провел ряд испытаний для оценки механической прочности деревянных соединений с использованием различных клеев: [29]
Клей ПВА типа I — Titebond III, водостойкий клей. Эпоксидная смола — System Three. Клей ПВА — Elmer's Carpenter's Glue. Жидкий клей для кожи — Old Brown Glue. Горячий клей для кожи — JE Moser's. Полиуретан — Gorilla.