ragasztó és felületkezelő anyagok

dr. Molnárné Hamvas Lívia

Ragasztó és felületkezelő anyagok

Faanyag – polimer kapcsolat

Kötőanyagok kémiája


Előző témakör

Kolloid rendszerek A polimerek makromolekuláris oldatai és diszperzió

Reológiai tulajdonságok – viszkozitás, folyási sajátságok Határfelületi sajátságok – peremszög, nedvesítés


felvitel nedvesítés beszivárgás

A ragasztó kötés kialakulásának lépései

ragasztó csepp

fa-felület

Szétoszlatás – felvitel és szétterülés a felületen Nedvesítés – a ragasztóanyag molekulák adszorpciója

a felületi rétegen – Van der Waals kölcsönhatások Beszivárgás – a ragasztóanyag molekulák abszorp-

ciója a felületi rétegben – diffúzió


nedvesítés és adszorpció

beszivárgás a felszíni rétegbe

kötés kialakulása

A ragasztó kötés kialakulásának lépései

Áthelyeződés – felületek közötti hézag kitöltése Nedvesítés – Beszivárgás Megkötődés – a ragasztóanyag molekulák rögzülése

állapotuk vagy összetételük megváltozása miatt – a molekulák mozgása gátolt


A fafelület - polimer kapcsolatra ható tényezők

a nedvesedést és a beszivárgást befolyásolja a felület előkészítése, valamint ragasztó-felvevő képessége a nedvesítéshez elegendő anyag felvitele, az optimális

cseppméret meghatározása a lakk vagy ragasztó kémiai sajátsága

rost

Fafelület - kolloid rendszer kölcsönhatása



a felület előkészítése – megszabja a nedvesítés mértékét

csiszolatlan durva fafelület

kétirányban csiszolt fafelület

négyszeresen csiszolt fafelület



a felület előkészítése – hatással van a felületek illeszkedésére, a diffúziós folyamatokra



A nedvesítéshez elegendő anyag felvitele, az optimális cseppméret meghatározása az oldószer és a viszkozitás hatása



10 mm

• hat 10 mm átmérőjű kör a nyírfa-lemez felületére

• pMDI gyantát (szerves oldószer) helyeztek 3 körbe, és egyenlő tömegű vizes PF-t másik 3-ra

• a lemezt szárítószekrényben egy éjszakára 130 °C-on

1. A pMDI könnyen beszivárgott a felületbe.

2. A fenol-formaldehid döntően az eredeti helyen maradt, valószínűleg a felület gyors víz abszorpciója miatt.

pMDIPF

PFPF

pMDI

pMDI



a polimer kémiai sajátságai – kötések kialakulása Elsőrendű kémiai kötés – kovalens kötés Másodlagos kémiai kölcsönhatások (fizikai kötés)

hidrogén-kötés Van der Waals kötés

Mechanikai kapcsolat


Kialakulhat pl. a PVAc ragasztó és a fafelület cellulóz vagy lignin OH-csoportjai között

alkohol végcsoport

HOCH2

fafelület

OH PVAc

H2O

fafelület

O CH2 PVAc


Elsőrendű kémiai kötés – kovalens kötés a ragasztó funkciós csoportjai és a fafelület aktív helyei

között jön létre

kondenzációs reakció


CH2OCN NCO

fafelület

OH

izocianát végcsoport

CH2OCONH

uretán

NCO

Elsőrendű kémiai kötés – kovalens kötés a ragasztó funkciós csoportjai és a fafelület aktív helyei

között jön létre


Kialakulhat pl. a pMDI ragasztó és a fafelület cellulóz vagy lignin OH-csoportjai között

addíciós reakció


Másodlagos kémiai kölcsönhatás – hidrogénkötés gyengébb kapcsolat, mint a kovalens kötések



Másodlagos kémiai kölcsönhatás – Van der Waals nagyon gyenge orientációs hatás vagy London féle erők

fa

OH OH OH OH OH OH OH

CH2 CH

CO

OCH3

CH2 CH

CO

OCH3

CH2 CH

CO

OCH3

CH2 CH

CO

OCH3

PVAc szegmens



a fafelület mikroszkópikusan

egyenetlena ragasztó nedvesít

és behatol a rétegekbe

amikor teljesen megszilárdul, a

lemezek egymáshoz kapcsolódnak

ragasztó-csepp

fa

összenyomott rétegek

Mechanikai kapcsolat – a fizikai és a kémiai kötések kiegészítéseként



Wood Adhesives 2005, San Diego



IR spektrofotometria: a kémiai kötések rezgő-, forgó-, és ollózó mozgási energiájának megfelelő hullámhosszú sugárzást elnyelő funkciós csoportok detektálása


Polimerek kémiai reakciói

Polimerek előállítása kismolekulájú anyagokból polikondenzáció poliaddíció polimerizáció

Kész polimerek reakciói szabad funkciós csoportok reakciói bomlási folyamatok



Kondenzáció: két molekula egyesülése a főtermék és melléktermék (általában víz) keletkezése közben

Polikondenzáció

bi- vagy polifunkciós monomerek lépésenkénti össze-kapcsolódása: dimerek, trimerek … oligomerek … polimerek képződése közben

animáció



A polikondenzációs reakció jellemzői: a reakcióban melléktermék keletkezik a reakció egyensúlyra vezet, az egyensúlyi állandó

nagyságától függő átalakulások a reakció lépcsőzetes, a közbülső termékek stabilak



polikondenzációs polimerek

polisziloxánok, szilikonok (szilanol SI) aminoplasztok (amin + aldehid: UF, MF, UMF) fenoplasztok (fenol + aldehid: PF) poliamidok (amin + sav: PA 66, PPTA kevlar) poliamidok (izocianát + sav: PA) poliészterek (alkohol + sav: PET, PLA, alkid, gliptál) polikarbonátok (fenol + foszgén: PC) epoxi-poliéter (fenol + epiklórhidrin: EP)


Polikondenzációs folyamatok felosztása

a monomerek jellege alapján homo-polikondenzáció: azonos monomerek reagálnak,

több funkciós csoport politejsav (PLA) polisziloxán (SI) poliamid (PA)

hetero-polikondenzáció: két különböző monomer reagál, eltérő funkciós csoportokkal

UF, MF, UMF, PF PET, PA66



Polikondenzációs folyamatok

poliészter képződés


Polikondenzációs folyamatok felosztása

a monomerek funkcionalitása alapján lineáris polimerek - bifunkciós monomerek reakciójából –

termoplasztikus sajátságok poliészterek (PET, PLA) polisziloxánok (SI) fenoplaszt – novolak (PF)

térhálós polimerek - kettőnél több funkciós csoporttal rendelkező monomerek kapcsolódásával – hőre keményedő

aminoplasztok (UF, MF, UMF), fenoplaszt – rezol (PF) polisziloxánok (SI)



egyensúlyi folyamat

A B C D az egyensúlyi állandó nagysága alapján

K = 4 … 10 a polimer csak a melléktermék

eltávolításával nyerhető ki (pl. poliészter) K = 103 … 105 a reakció a melléktermék jelenlétében is

teljessé válik (pl. UF) K = ∞ a reakció nem egyensúlyi, hanem egyirányú (pl. PC)

]B[]A[

]D[]C[

K



egyensúlyi folyamat

az egyensúly – és reakciósebesség – befolyásolása

a Le Chatelier elv alapján: a monomerek mólarányával a kiindulási anyagok koncentrációjával a közeg pH-jának és a reakció hőmérsékletének megválasztásával

]B[]A[

]D[]C[

K



a reakciók sebessége kinetikai paraméterektől és diffúziós folyamatoktól függ –

minél nagyobb (térhálósabb) a polimer annál nagyobb hatású

a polimerizációs fok – időbeli változása a funkciós csoportok reakciókészsége független a lánc

hosszától

P = k t co + 1 a polimerizációs fok lineárisan változik

]B[]A[

]D[]C[

K


Polimerizációs fok lépcsőzetes reakcióbannincs reakció,

mind monomer25% monomer

elreagált75 % monomer

elreagált50% monomer

elreagált

Mn

Mw

P

1

1

1

8*1 + 4*28 + 4

= 1.33

8*12 + 4*22

8*1 + 4*2= 1.5

1.13

2

2.63

1.32

4

5.88

1.47


Polikondenzáció



Addíció: két molekula egyesülése egyetlen főtermék keletkezése közben

Poliaddíció

bi- vagy polifunkciós monomerek lépésenkénti összekapcsolódása: dimerek, trimerek … oligomerek … polimerek képződése közben



A poliaddíciós reakció jellemzői: a reakcióban melléktermék nem keletkezik a polimer összetétele megegyezik a kiindulási polimerek

összetételével nem egyensúlyi folyamat a termék mellett nincs szabad monomer lépcsős mechanizmusú reakció, közel azonos aktiválási

energiájú lépésekkel a reakcióidő függvényében a polimer moláris tömege

fokozatosan növekszik



poliaddíciós polimerek

poliuretánok (izocianát + alkohol: PUR), polikarbamidok (izocianát + amin: PUK) epoxigyanta (epoxi-poliéter + fenol: EP) epoxigyanta (epoxi-poliéter + amin: EP)


Poliaddíciós folyamatok felosztása

a monomerek jellege alapján homo-poliaddíció: azonos monomerek reagálnak

poliizocianurát (PCUR) 1-nylon

hetero-poliaddíció: két különböző monomer reagál, addíció telítetlen kötésre

poliuretán (PUR) epoxigyanta (EP)


Poliaddíciós folyamatok felosztása

a monomerek funkcionalitása alapján lineáris polimerek - bifunkciós monomerek reakciójából

poliuretánok (PUR) térhálós polimerek - kettőnél több funkciós csoporttal

rendelkező monomerek kapcsolódásával poliizocianurát (PCUR)



Poliaddíciós folyamatok

poliuretán képződés



Addíció: két molekula egyesülése egyetlen főtermék keletkezése közben

Polimerizáció

kettős, vagy hármas kötést tartalmazó monomerek összekapcsolódása láncreakcióban polimerek képződése közben

animáció



A polimerizációs reakció jellemzői: a reakcióban melléktermék nem keletkezik a polimer összetétele megegyezik a kiindulási polimerek

összetételével láncreakció mechanizmusú folyamat az aktiváló ágens szabad gyök, kation vagy anion mellékfolyamatként láncátadás, elágazás mehet végbe



polimerizációs polimerek

polietilén (PE), polipropilén (PPE), teflon (PTFE) poli(vinil-klorid) (PVC), poli(vinil-acetát) (PVAc) polisztirol (PS) poliakrilátok (PAE, PMMA), cianoakrilátok akrilnitril-butadién-sztirol terpolimer (ABS)


Polimerizációs polimerek


Polimerizációs folyamatok felosztása

a monomerek jellege alapján homo-polimerizáció: azonos monomerek reagálnak

polietilén (PE) poli(vinil-klorid) (PVC) poli(vinil-acetát) (PVAc) teflon (PTFE)

hetero-polimerizáció: két vagy három különböző,

telítetlen kötésű monomer reagál - kopolimerizáció akrilnitril-sztirol (SAN) akrilnitril-butadién-sztirol (ABS)


Polimerizációs folyamatok felosztása

mindkét monomer azonos sebességgel

reagál önmagával és egymással

vinilidénklorid-metakrilát

a monomerek csak a másik monomerrel

reagálnak maleinsav-sztilbén

mindkét monomer inkább önmagával

polimerek keveréke


Polimerizációs folyamatok

Láncreakció Láncindítás (iniciálás): az aktív centrumok létrehozása



Láncreakció Láncindítás (iniciálás): az aktív centrumok létrehozása Láncnövekedés: az aktív centrumok monomerekkel

történő, egymás utáni reakciója, gyors monomer addíció




történő, egymás utáni reakciója, gyors monomer addíció Lánczáródás (dezaktiválás): a láncnövekedés megállása, az

aktív centrumok megszűnése




történő, egymás utáni reakciója, gyors monomer addíció Lánczáródás (dezaktiválás): a láncnövekedés megállása, az

aktív centrumok megszűnése

Reakció sebesség arányos az iniciátor koncentráció négyzetgyökével és a

monomer koncentrációjával


Polimerizációs fok láncreakcióban

nincs reakció,mind monomer

25% monomer elreagált



Mn

Mw

P

1

1

1

11*1 + 1*511 + 1

= 1.33

11*12 + 1*52

11*1 + 1*5= 2.25

1.68

2

5.5

2.75

4

10.75

2.69


Láncreakció a növekedési szakaszban csak

monomer kapcsolódhat a lánchoz a monomer koncentrációja folya-

matosan csökken a polimerizáció során

azonnal nagy moláris tömegű polimer képződik, a moláris tömeg gyakorlatilag nem változik a reakció során

a reakcióidővel nő a kitermelés, de a moláris tömeg alig változik

a reakcióelegy csak monomert, polimert és kb. 10-8 % növekvő láncot tartalmaz

Lépcsőzetes reakció bármelyik két molekula reagálhat

egymással a monomer korán elfogy a reakció-

elegyből; ha a polimerizációs fok 10, monomer már csak 1%

a polimer moláris tömege folyama-tosan nő a reakció alatt;

nagy moláris tömeg eléréséhez hosszú reakcióidő kell

a különböző moláris tömegű kom-ponensek eloszlása bármely idő-pillanatban kiszámítható


Moláris tömeg és reakció típusok

0

15

5

10

25 50 75 100

mol

áris

töm

eg

elreagált monomer (%)

1

polimerizáció

kondenzáció és addíció

polimer képződésMn

Mw

Mw


Következő témakör

Természetes és mesterséges makromolekulák átalakítása cellulóz módosítása PVAc átalakítása

A polimerek előállításának folyamatai polikondenzáció

- karbamid-formaldehid (UF)

- melamin-formaldehid (MF)

- karbamid-melamin-formaldehid (UMF)

ragasztó és felületkezelő anyagok

Documents