כימיה דבק

דבק, כל חומר שמסוגל להחזיק יחד חומרים בצורה פונקציונאלית על ידי התקשרות פני השטח המתנגד להפרדה. "דבק" כמונח כללי כולל מלט, רירית, דבק והדבק - מונחים המשמשים לעתים קרובות להחלפה לכל חומר אורגני היוצר קשר דבק. חומרים אורגניים כמו מלט פורטלנד יכולים גם הם להיחשב דבקים, במובן זה שהם מחזיקים חפצים כמו לבנים וקורות יחד דרך חיבור פני השטח, אך מאמר זה מוגבל לדיון על דבקים אורגניים, טבעיים וסינתטיים כאחד.

דבקים טבעיים ידועים מאז ימי קדם. גילופי מצרים המתוארכים ל -3,300 שנה מתארים הדבקה של חתיכת פורניר דקה למה שנראה כקרש שקמה. פפירוס, בד לא ארוג מוקדם, הכיל סיבים של צמחים דמויי קנה מלוכדים יחד עם ממרח קמח. ביטומן, מגרשי עצים ושעוות דבורים שימשו כחומרי איטום (ציפוי מגן) ודבקים בימי קדם ובימי הביניים. עלה הזהב של כתבי היד המוארים נקשר לנייר על ידי לבן ביצה, וחפצי עץ נקשרו עם דבקים מדגים, קרניים וגבינות. הטכנולוגיה של דבקי בעלי חיים ודגים התקדמה במהלך המאה ה -18, ובמאה ה -19 הוצגה מלטים מבוססי גומי וניטרוסלולוזה. עם זאת, התקדמות מכרעת בטכנולוגיית הדבקים חיכתה למאה העשרים, שבמהלכה שופרו דבקים טבעיים וסינתטיים רבים יצאו מהמעבדה כדי להחליף דבקים טבעיים בשוק. הצמיחה המהירה של תעשיות המטוסים והתעופה והחלל במחצית השנייה של המאה העשרים השפיעה מאוד על טכנולוגיית הדבקים. הביקוש לדבקים שהיה בעל דרגה גבוהה של חוזק מבני ועמיד בפני עייפות וגם בתנאי סביבה קשים הוביל להתפתחות של חומרים בעלי ביצועים גבוהים, שבסופו של דבר מצאו את דרכם ליישומים תעשייתיים וביתיים רבים.

מאמר זה מתחיל בהסבר קצר על עקרונות ההדבקה ואז ממשיך לסקירה של המעמדות העיקריים של דבקים טבעיים וסינתטיים.

הדבקה

בביצועים של מפרקי דבק, התכונות הפיזיקליות והכימיות של הדבק הם הגורמים החשובים ביותר. חשוב גם לקבוע אם מפרק הדבק יתפקד כראוי הם סוגי ההדבקה (כלומר הרכיבים שאליהם מצטרפים - למשל, סגסוגת מתכת, פלסטיק, חומר מרוכב) ואופי הטיפול המקדים או פריימר. שלושת הגורמים הללו - דבק, הדבקה ומשטח - משפיעים על חיי השירות של המבנה המלוכד. ההתנהגות המכנית של המבנה המלוכד בתורו מושפעת מפרטי העיצוב המפרקי ומהאופן בו מועברים העומסים המופעלים מדבקה אחד לשני.

משמעות היווצרות קשר הדבקה מקובל היא יכולתו של הדבק להרטיב ולהפיץ על הדבקים המצטרפים אליו. השגת קשר מולקולרי בין-ממשקי כזה הוא צעד ראשון הכרחי ביצירת מפרקי דבק חזקים ויציבים. לאחר השגת ההרטבה, נוצרים כוחות הדבקה מהותיים על פני הממשק באמצעות מספר מנגנונים. אופים המדויק של מנגנונים אלה היה מושא למחקר פיזיקלי וכימי מאז שנות השישים לפחות, והתוצאה קיימות מספר תיאוריות של הידבקות. מנגנון ההדבקה העיקרי מוסבר על ידי תיאוריית הספיחה, הקובעת כי חומרים נדבקים בעיקר בגלל מגע אינטר-מולקולרי אינטימי. במפרקי דבק מגע זה מושג על ידי כוחות בין-מולקולריים או ערכיות המופעלים על ידי מולקולות בשכבות השטח של הדבק ומדביקים.

בנוסף לספיחה, הוצעו ארבעה מנגנוני הידבקות נוספים. הראשון, שילוב מכני, מתרחש כאשר דבק זורם לנקבוביות במשטח הדבק או סביב הקרנות על פני השטח. השנייה, ההפצה, נוצרת כאשר דבק נוזלי מתמוסס ומתפזר לחומרים דבקים. במנגנון השלישי, ספיחה ותגובת פני שטח, הקשר מתרחש כאשר מולקולות דבק נספחות על משטח מוצק ומגיבות איתו כימית. בגלל התגובה הכימית, תהליך זה שונה במידה מסוימת מהספיחה הפשוטה, שתוארה לעיל, אם כי יש חוקרים הרואים בתגובה כימית חלק מתהליך הספיחה הכולל ולא מנגנון הדבקה נפרד. לבסוף, תיאוריית המשיכה האלקטרונית, או האלקטרוסטטית, מציעה שכוחות אלקטרוסטטיים מתפתחים בממשק בין חומרים עם מבני פס אלקטרוניים שונים. באופן כללי, יותר מאחד מהמנגנונים הללו ממלאים תפקיד בהשגת רמת ההדבקה הרצויה עבור סוגים שונים של דבק ודבקות.

ביצירת קשר דבק נוצר אזור מעבר בממשק שבין דבק לדבק. באזור זה, המכונה הממשק, יכול להיות שתכונותיו הכימיות והפיזיקליות של הדבק יהיו שונות באופן משמעותי מאלו בחלקים הלא-מגעיים. בדרך כלל מאמינים כי הרכב הבין-שלבי שולט בעמידותו ובעוצמתו של מפרק דבק והוא אחראי בעיקר להעברת הלחץ מהדבק אחד למשנהו. אזור הבמה הוא לעתים קרובות אתר ההתקפה הסביבתית, מה שמוביל לכישלון במפרקים.

חוזק קשרי ההדבקה נקבע בדרך כלל על ידי בדיקות הרסניות, המודדות את המתח המוצב בנקודת השבר או קו השבר של חתיכת הבדיקה. נעשה שימוש בשיטות בדיקה שונות, כולל בדיקות קילוף, גזירת הברכיים, המחשוף והעייפות. בדיקות אלו מתבצעות בטווח רחב של טמפרטורות ובתנאים סביבתיים שונים. שיטה חלופית לאפיון מפרק דבק היא על ידי קביעת האנרגיה המופעלת בגזירת שטח יחידה בממשק. המסקנות הנגזרות מחישובי אנרגיה כאלה שקולות באופן עקרוני לחלוטין למסקנות הנגזרות מניתוח מתח.

חומרי דבק

כמעט כל הדבקים הסינתטיים ודבקים טבעיים מסוימים מורכבים מפולימרים, שהם מולקולות ענקיות, או מקרומולקולות, שנוצרות על ידי קישור של אלפי מולקולות פשוטות יותר המכונות מונומרים. היווצרות הפולימר (תגובה כימית המכונה פילמור) יכולה להתרחש בשלב "ריפוי", בו הפולימרציה מתרחשת במקביל להיווצרות קשרים דביקים (כמו במקרה של שרפים אפוקסי וציאנו-אקרילטים), או שהפולימר עשוי להיות נוצר לפני החדרת החומר כדבק, כמו באלסטומרים תרמופלסטיים כמו קופולימרים בלוק סטירן-איזופרן-סטירן. פולימרים מקנים כוח, גמישות ויכולת להתפשט ולתפעל על משטח דבק - תכונות הנדרשות ליצירת רמות הידבקות מקובלות.

דבקים טבעיים

דבקים טבעיים הם בעיקר ממקור בעלי חיים או צמחיים. למרות שהביקוש למוצרים טבעיים פחת מאז אמצע המאה ה -20, ישנם כאלה שממשיכים להשתמש במוצרי עץ ונייר, בעיקר בקרטון גלי, מעטפות, מדבקות לבקבוקים, כריכות ספרים, קרטונים, רהיטים וסרטים למינציה ונייר כסף.. בנוסף, בשל תקנות סביבתיות שונות, דבקים טבעיים הנגזרים ממשאבים מתחדשים זוכים לתשומת לב מחודשת. המוצרים הטבעיים החשובים ביותר מתוארים להלן.

דבק בעלי חיים

המונח דבק בעלי חיים בדרך כלל מוגבל לדבקים שהוכנו מקולגן יונקים, המהווה את מרכיב החלבון העיקרי של עור, עצם ושריר. כאשר מטפלים בחומצות, אלקליות או מים חמים, הקולגן הבלתי מסיס בדרך כלל הופך להיות מסיס. אם החלבון המקורי טהור ותהליך ההמרה הוא קל, המוצר בעל משקל מולקולרי גבוה נקרא ג'לטין והוא עשוי לשמש למזון או מוצרים מצולמים. החומר במשקל המולקולרי התחתון המיוצר על ידי עיבוד נמרץ יותר הוא בדרך כלל פחות טהור וכהה יותר ונקרא דבק מהחי.

באופן מסורתי נעשה שימוש בדבק בעלי חיים בהצטרפות עץ, כריכת ספרים, ייצור נייר זכוכית, קלטות דבוקות כבדות ויישומים דומים. למרות היתרון שלו במגע ראשוני גבוה (דביקות), דבק בעלי חיים רב שונה או הוחלף כולו בדבקים סינטטיים.

דבק קזאין

מוצר זה מיוצר על ידי המסת קזאין, חלבון המתקבל מחלב, בממיס אלקליין מימי. מידת וסוג האלקלי משפיעים על התנהגות המוצר. בהדבקה בעץ, דבקי קזאין בדרך כלל עדיפים על הדבקים של בעלי חיים אמיתיים בעלי עמידות לחות ומאפייני הזדקנות. הקזאין משמש גם לשיפור המאפיינים הדבקים של צבעים וציפויים.

דבק אלבומי דם

דבק מסוג זה מיוצר מאלבומין בסרום, מרכיב דם שניתן להשיג בדם מן החי הטרי או מאבקת דם מסיסה מיובשת שאליה הוספו מים. תוספת אלקלי לתערובות אלבומין-מים משפרת את תכונות הדבק. כמות ניכרת של מוצרי דבק מדם משמשת בענף דיקט.

עמילן ודקסטרין

עמילן ודקסטרין מופקים מתירס, חיטה, תפוחי אדמה או אורז. הם מהווים את הסוגים העיקריים של דבקים מהצומח, המסיסים או הפיזרים במים ומתקבלים ממקורות צמחיים ברחבי העולם. דבקי עמילן ודקסטרין משמשים בקיר גלי ובאריזה וכדבק טפטים.