Wie kann Leime und Klebstoffe Arbeit, die Wissenschaft des Klebens
H aben Sie jemals zu denken aufgehört, warum kleben nicht an seine Röhre klebt? Haben Sie sich jemals gefragt, warum, wenn Sie einen Stau Sandwich öffnen, da auf beiden Stücke Brot Marmelade ist, wenn man es nur eine Scheibe angelegt zu beginnen? Wenn es jemals die Mühe gemacht hat, wie Sie Klebstoffe arbeiten, und warum sie scheitern, sind Sie nicht allein. Diese Frage hat einige der weltweit besten Köpfe seit der Antike besteuert. Auch nach all den Jahren immer noch Wissenschaftler nicht vollständig verstehen, wie klebrigen Substanzen eine Sache Stick zu einem anderen zu machen, obwohl sie einige sehr guten Ideen haben. Lasst uns genauer hinschauen!
Foto: Ohne Klebstoffe, alle Arten von täglichen Aufgaben wären sehr viel schwieriger sein. Klebeverbände (medizinisch „Heftpflaster“) arbeiten, um ein bisschen wie Klebeband: sie einen druckempfindlichen Klebstoff auf einem Kunststoff oder textilen Träger verwenden. Historisch gesehen, wie diese verwendeten Bandagen „natürlichen“ Klebstoffe aus Gummi und Harz hergestellt. Heute sind sie eher synthetische Klebstoffe verwendet werden, wie Acrylharze. Medizinische Klebstoffe haben, klebrig sein (aber nicht so sehr, dass sie reißen die Haut), wasserdicht und hypoallergen.
Klebstoffe, alt und modern
Photo: PVA (Polyvinylacetat) ist ein typischer Haushaltsalleskleber, die üblicherweise für das Zusammenkleben Holz. Hier ist eine kleine Probe, die ich spritzte heraus, neben dem Behälter.
Nach den Historikern und Archäologen, wurden Klebstoffe für Tausende von gebrauchten Jahren wahrscheinlich seit Höhlensteinzeit Bewohner angewandt Bitumen zuerst (eine teerartige Substanz verwendete Autobahnen zur Oberfläche) Flint axeheads zu den Spitzen ihrer hölzernen Jagd Speere zu bleiben. In der Antike machten die Leute ihre Leime aus, was sie in Wasser in der Welt um sie herum-Dinge wie Zucker, Fischhäute und Tierprodukte gekocht gefunden.
Wir haben noch heute einige dieser natürlichen Klebstoffe verwenden, obwohl wir viel wahrscheinlicher sind künstliche Klebstoffe in einer chemischen Anlage zu verwenden. Es ist offensichtlich, moderne Klebstoffe sind chemische Produkte aus den schrecklichen Namen, die sie haben-Polyvinylacetat (PVA), Phenol-Formaldehyd (PH), Ethylenvinylacetat (EVA), und Cyanacrylat ( „Superkleber“), um nur vier. Viele modernen Klebstoffe sind Kunstharze für keinen guten Grund andere genannt als das Harz (eine klebrige Substanz in Kiefern und anderen Pflanzen) war einer der ersten weithin verwendeten Klebstoffe.
Wie Kräfte machen Dinge bleiben
Zu wissen, was etwas genannt wird, ist weit entfernt von zu wissen, wie es funktioniert. Das war eine Lektion, den Nobel-Preisgekrönte amerikanischen Physiker Richard Feynman (1918-1988) häufig verwendet, um zu lehren. Also lassen Sie uns alle über Klebstoffe, Acetate vergessen, und Acrylate und versuchen, herauszufinden, warum eins zum anderen bleiben wird. Wenn Sie eine kurze Antwort wollen, ist das Wort „Kräfte“.
Die Leute halten Sie sich an der Erdoberfläche, obwohl der Planet mit hohen Geschwindigkeit dreht, und auch kein Kleber gibt es an den Fußsohlen. Der Grund ist einfach, dass die Schwerkraft uns mit genug Kraft, um den Planeten verbindet sie in dem Raum sausen off zu stoppen. Aber die Schwerkraft ist nicht genug, um uns an Ort und Stelle fest zu halten. Wenn wir größere Kräfte liefern, zum Beispiel durch unsere Muskeln auf unsere Beine zu bewegen und in der Luft springen, können wir „unstick“ sie selbst und gehen Sie woanders hin. Das Leben auf der Erde ist ein bisschen wie sein ein Riese leben Post-it® Noten nur mit den Beinen!
So brauchen Sie nicht immer einen Klecks Klebstoff Dinge zusammenhalten. So viel ist blendend offensichtlich, wenn es auf Ihrem Fenster regnet. Gravity versucht, das Wasser bis auf den Boden des Glases zu ziehen. und früher oder später es in der Regel gewinnt, aber zwei interessante Dinge versuchen, ihn zu stoppen. Zuerst Wassermoleküle (zwei Atome von Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff miteinander verbunden) haften natürlich miteinander, so dass sie verklumpen in großen Tropfen auf dem Fenster. Die Kräfte, die sie tun dies machen werden Kohäsionskräfte genannt (und der Prozess beteiligt ist Zusammenhalt genannt). Zweitens bleiben die Wassertropfen auch auf das Glas ohne Hilfe oder Klebstoff. Verschiedene Kräfte sind hier bei der Arbeit als Adhäsionskräfte bekannt (der Klebeprozess wird Adhäsion genannt). Nun ist die Kohäsionskräfte müssen größer sein als die Adhäsionskräfte oder würde das Wasser nicht Tröpfchen bilden überhaupt. Stattdessen wäre es in einer sehr dünnen Schicht ausgebreitet nur auf dem Glas viel wie Öl macht, wenn man es auf dem Wasser ausgebreitet. Aber die Adhäsionskräfte sind immer noch ziemlich stark: einige der Wassertropfen, die auf Ihre Fenster kleben sind überraschend groß.
Das nächste Mal, es regnet, beobachten, wie sich das Wasser verhält. Sehen Sie, wie der regen natürlich in Tröpfchen Klumpen (wegen der Kohäsion), die auf dem Glas bleiben (wegen der Adhäsion). Die Tropfen fallen nach unten nur das Fenster, wenn sie für die Adhäsionskräfte zu schwer sind sie an ihrem Platz zu halten (wenn die Schwerkraft sie nach unten zieht größer ist als die Adhäsionskraft sie halten). Beachten Sie, wie sie das Fenster herunter in verschiedenen Spuren laufen, mit Tröpfchen folgenden bestehenden, wässrigen Wege. Das ist, weil der Wassertropfen, die schwerer fallen versuchen, um das Wasser zu halten, die schon da ist und nicht auf das Glas (Kohäsion bei der Arbeit wieder). Warum der regen diese streifig Kanäle bilden? Denn als Tropfen fallen ins Glas, reißen Kohäsionskräfte einige der Wassermoleküle entfernt Tropfen aus vorbei, hinter Tröpfchen verlassen, die (wieder Haftung) auf das Glas zu kleben klein genug sind.
Adhäsions- und Kohäsionskräfte in Leimen
Was hat das alles mit Klebstoffen zu tun? Adhäsions- und Kohäsionskräfte sind bei der Arbeit auch in Klebstoffen. Angenommen, Sie haben zusammen zwei Holzstückchen, A und B halten wollen, mit einem Klebstoff namens C. Sie müssen drei unterschiedliche Kräfte hier: Adhäsionskräfte A bis C, Adhäsionskräfte zu halten, haften C nach B und Kohäsionskräfte zu halten C zusammen auch. Die ersten beiden sind ziemlich offensichtlich: der Kleber auf jedem der Materialien zu haften hat Sie zusammenhalten möchten. Aber der Kleber hat auch an sich selbst zu haften. Wenn das nicht offensichtlich ist, denken Sie an einen Trainingsschuh an der Decke kleben. Der Kleber hat eindeutig sowohl für den Trainingsschuh und an der Decke zu halten. Aber wenn der Kleber selbst schwach ist, spielt es keine Rolle, wie gut es mit dem Schuhe klebt oder die Decke, weil es einfach auseinander bricht in der Mitte, eine Schicht Kleber hinter auf beiden Oberflächen zu hinterlassen. Das ist ein Fehler verursacht, wenn die Haftkräfte sind größer als die Kohäsions Einsen und die Kohäsionskräfte sind nicht groß genug, um den Zug der Schwerkraft zu überwinden.
Wie kann Kohäsionskräfte der Arbeit?
Wasser und Eisen sind beide ziemlich nutzlos wie Leime, aber aus ganz anderen Gründen. Wasser könnte ein ausgezeichneter Klebstoff sein, weil es ganz gut auf andere Substanzen (wie Glas) klebt, aber seine Kohäsionskräfte sind unglaublich schwach. Sie können Papier an der Wand haften bleiben, indem sie es erste Benetzung, aber man kann es in der Regel schälen ganz leicht zu ab. Wenn Sie schälen, sind Sie die schwachen Kohäsionskräfte zu brechen, die ein Wassermolekül zu einem anderen zu halten. Eisen ist nicht gut, als Klebstoff, weil sie zu sehr damit beschäftigt ist, mit sich selbst klebt sonst irgendetwas zu bleiben. Alle seine Kräfte werden intern besetzt, Befestigungs ein Eisenatom zu einem anderen in einer starken zusammenhängenden Struktur. Es gibt nichts, es selbst verwenden kann, um andere Gegenstände zu befestigen: seine Haftkräfte sind praktisch nicht existent.
Photo: Klebeband ist einfach ein druckempfindlicher Klebstoff auf einem geeigneten, transparenten Folienträgern (auch Scotch®-Band und Sellotape® nach zwei bekannten Marken genannt).
Wie wirken Adhäsionskräfte Arbeit?
Einer der wichtigsten Faktoren ist die Adsorption genannt. Wenn Sie Klebstoff verteilt, benetzt sie die Oberfläche Sie es anwenden. Viele sehr schwache elektrostatische Kräfte zwischen den Leim-Molekülen und den Molekülen in der Oberfläche (die so genannte van der Waals-Kräfte für den Physiker Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), der sie entdeckt) halten die beiden Dinge zusammen. Für Klebstoffe wie dies gut zu funktionieren, müssen sie sehr gut dünn und benetzen die Oberflächen verteilt. Es gibt keine eigentliche chemische Bindung zwischen dem Klebstoff und der Oberfläche es klebt, nur eine große Anzahl von kleinen Anziehungskräften. Die Klebstoff-Moleküle haften an Oberflächenmoleküle wie Millionen von mikroskopisch kleinen Magneten.
In einigen Fällen können Klebstoffe machen viel stärkere chemische Bindungen mit den Materialien, die sie berühren. Verwenden Sie zum Beispiel, wenn Sie bestimmte Klebstoffe auf bestimmte Kunststoffe. der Kleber und der Kunststoff verschmelzen eigentlich zusammen eine sehr starke chemische Bindung bilden sie effektiv eine neue chemische Verbindung an der Verbindungsstelle bilden. Dieser Prozess wird Chemisorption genannt.
Absorption und Chemisorption sind chemische Verbindungen zwischen dem Klebstoff und der Oberfläche. Die Kleber können auch mit der Oberfläche physikalische (mechanische) Bindungen bilden sie abgelegt haben. Angenommen, die Oberfläche porös ist (löchrig). Der Klebstoff kann in diese Löcher und greifen durch sie sickern, wie ein Bergsteiger den Fingern Löcher in einer Felswand greifen. Das ist die mechanische Theorie der Klebstoffe genannt.
Eine andere Theorie besagt, wie Leime Arbeit legt nahe, kann der Klebstoff die Oberfläche und umgekehrt diffundieren in, mit den Molekülen an der Verbindung über Swapping und vermischte zusammen. Dies wird die Diffusionstheorie genannt.
Wie Post-it® Notes arbeiten?
Also, was über diese kleine Post-it® Notiz sahen wir da oben? Wie funktioniert das?
Schauen Sie sich die Rückseite einer Haftnotiz unter Verwendung eines Elektronenmikroskops und Sie werden keine kontinuierlichen Film von Klebstoff, aber viele mikroskopisch kleinen Blasen Leim, bekannt als Mikrokapsel sehen, die etwa 10 bis 100 mal größer und viel schwächer als der Klebstoffpartikel Sie Würd faulenzen auf normalem Klebeband finden. Wenn Sie eine Post-it® auf einen Tisch schieben, klammern sich einige dieser relativ großen klebrigen Kapseln an die Oberfläche, Kraft gerade genug Klebstoff bereitstellt, das Gewicht des Papiers in der kleinen Notiz zu halten. Jedes Mal, wenn Sie befestigen und ziehen Sie die Notiz, Staub und Schmutz heften sich an den Klebstoffkapseln ab, so dass sie sich, ihre Klebrigkeit verlieren. Aber da es so viele Kapseln von allen verschiedenen Größen sind, eine Post-it® Notiz geht noch eine ganze Weile auf kleben.
Foto: Post-it® Notes heftet sich mit Hilfe von vielen „Mikrokapseln“ (mikroskopisch kleiner Bläschen von Klebstoff) auf der Rückseite, die viel größer ist als die Klebstoffpartikel auf herkömmliches Klebeband.
Warum klebt nicht an dem Rohr kleben?
Klebstoffe sind so konzipiert, arbeiten, wenn sie das Rohr und nicht vor lassen. Verschiedene Klebstoffe erreichen dies auf unterschiedliche Weise. Einige sind in Chemikalien, die als Lösungsmittel aufgelöst, die sie stabil halten und nicht klebrig in der Röhre. Wenn man sie auszupressen, verdunsten die Lösungsmittel schnell in der Luft oder von den Oberflächen absorbiert werden Sie abgelegt haben, befreien die Klebstoffe selbst ihre Arbeit zu tun. Plastik-Modellbau Klebstoff funktioniert wie folgt. Es enthält Moleküle von Polystyrol in einem Aceton-Lösungsmittel. Wenn Sie die Tube drücken, spurtet der Klebstoff aus und Sie können in der Regel die sehr starke Aceton riechen wie es verdampft. Sobald es weg ist, sperren die Polystyrol-Moleküle zusammen starke chemische Bindungen zu machen. Leim riecht nicht, wenn es trocken ist, weil das gesamte Lösungsmittel in die Luft verschwunden. Einige Klebstoffe (wie synthetische, Epoxidharze) haben miteinander vermischt werden, bevor sie arbeiten. Es gibt sie in zwei unterschiedlichen Rohren, einer mit dem Kunstharz und der andere enthält eine Chemikalie, die das Harz erhärten läßt. Die beiden Chemikalien sind nutzlos für sich aber, zusammen gemischt, bilden einen zähen, dauerhaften Klebstoff.
Wie klebt ein Gecko an der Decke?
Also, was ist der Trick? Jeder der Geckos Füße in Millionen von winzigen Härchen genannt Setae bedeckt. Ein Blick unter einem leistungsfähigen Elektronenmikroskop. Wissenschaftler fanden heraus, jedes Haar wie eine Bürste auch ein bisschen an seinem Ende mit Hunderten von Borsten (genannt Spatulae). Wenn der Gecko an der Decke eines Tanks geht, sind Bürste Hunderte von Millionen von Borsten gegen das Glas. Jede Borste Gecko von organischen (kohlenstoffbasierten) -Moleküle hergestellt, während das Glas von Molekülen einer anderen Substanz, Siliziumdioxid hergestellt ist. Wenn der Gecko seine Haare über das Glas bewegt, Bürste, um die organischen Moleküle vorbei an dem Silizium-Dioxid-Moleküle. Wenn die beiden Arten von Molekülen extrem nahe beieinander liegen, winzige elektrostatische Kräfte (van der Waals-Kräfte) auf magische Weise zwischen ihnen erscheinen. Jede der organischen Moleküle klebt an einem Siliziumdioxid-Molekül wie ein Ballon klebt an Ihren Jumper. Jede einzelne Borste ermöglicht eine mikroskopische nach oben gerichtete Kraft, die die Gecko an der Decke zu halten hilft. Mit Hunderten von Milliarden von Borsten alle als Team arbeiten, ist es mehr als genug Kraft Ankleben der Gecko Gewicht auszubalancieren.