Chương 1: TỔNG QUAN SƠ LƯỢC VỀ CHẤT KẾT DÍNH HỮU CƠ (HOẶC KEO DÁN) 1.1 Chất kết dính là gì?Khái niệm về chất kết dính Chất kết dính là những chất có khả năng kết dính được các vật liệu một cách tương đối bền chắc bằng tác dụng bề mặt của mình mà không làm thay đổi bản chất của vật liệu được kết dính [1]. So sánh với những phương pháp dùng để liên kết các vật liệu khác như hàn , tán rive, bắt vít, bulong,…thì trong nhiều trường hợp kỹ thuật dán tỏ ra có nhiều ưu điểm như nhanh chóng, giảm được giá thành sản xuất, giảm khối lượng, công nghệ đơn giản, bảo đám được tính thẩm mỹ… Tuy có một số hạn chế nhất định, nhưng rõ ràng cùng với những phương pháp để liên kết các chi tiết, các vật liệu khác, kỹ thuật dán là một phương pháp công nghệ không thể thiếu được, thậm chí không thể thay thế được trong nhiều lĩnh vực. Biết bao nhiêu ví dụ thực tế đã nói lên vai trò của kỹ thuật dán và của keo dán trong những nghành mũi nhọn cửa thời đại. Hàng nghìn chi tiết trong máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ được ghép nối bằng keo, hàng trăm linh kiện trong các máy tính cực nhanh, các thiết bị điện tử, vi điện tử đã sử dụng keo.
Nhiều chiếc cầu bắt trên những dòng sông, chịu trọng tải lớn cũng như biến động của thời tiết đã thay thế những mối hàn kim loại, vít, ốc, bulong hoặc rive bằng những mối dán bằng keo tổng hợp. Keo xây dựng gắn một cách bền chắc những khối bê tông làm các công trình xây dựng thêm nhẹ nhàng, thanh thoát và giảm dần thời gian thi công… [1].2 Lịch sử và phát triển Nguồn gốc của mọi loại keo có lẽ dán bắt nguồn từ người Hy Lạp cổ đại. Bởi cách đây vài trăm triệu năm trước Công nguyên, họ đã biết dùng các nguyên liệu từ thiên nhiên lòng trắng trứng, máu, xương, sữa,… để tạo nên hỗn hợp “keo dán” cho các vật liệu gỗ, đồng, đất sét [1]. Và dựa trên cơ sở, bằng chứng khoa học khảo cổ, các nhà phát minh đã nghiên cứu và phát triển hợp chất này thành sản phẩm “keo dán” đầu tiên trên thế giới vào năm 1750.
Sản phẩm này do một người Anh sáng chế với nguyên liệu chính là cá. Sau đó, các nguyên liệu khác như cao su tự nhiên, xương động vật, tinh bột, protein sữa hoặc casein cũng nhanh chóng được sử dụng để làm “keo dán” [1]. Tuy vậy, người ta thấy rằng những loại keo dán có nguồn gốc từ tự nhiên lại có nhiều khuyết điểm như không bền, dễ tan trong nước, không giữ được tính kết dính khi thời tiết ẩm ướt, nhiều loại bị vi sinh vật phá hoại khiến những đồ vật dán không bảo quản được lâu dài,…Khoa học kỹ thuật phát triển đặt ra những yêu cầu mới đối với keo dán, mà những loại keo “cổ truyền” không đáp ứng được [1]. 13 Đồ án công nghệ 1 GVHD: TS.Phan Thị Thúy Hằng Từ cuối thế kỷ 19, một ngành hóa học mới xuất hiện: hóa học các hợp chất cao phân tử, nó đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử hóa học.
Người ta đã tổng hợp được hàng loạt các hợp chất có tính năng độc đáo chưa hề có ở những hợp chất có trong thiên nhiên [1]. Trong thơi gian không đầy một thế kỷ, hàng trăm chủng loại keo dán ra đời từ các hợp chất cao phân tử. Chúng khắc phục được những nhược điểm của keo dán từ nguyên liệu thiên nhiên : độ bền của mối dán tăng lên rất nhiều, đôi khi cao hơn cả bản thân vật liệu, hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi thời tiết và vi sinh vật, chịu lạnh, chịu nóng (chẳng hạn keo từ cao phân tử vô cơ và cơ kim bền ở nhiệt độ 1000oC hay hơn nữa), chịu hóa chất,…. Kỹ thuật dán cũng thay đổi.
Cách dán bằng keo nóng chảy trước đây 60 năm người ta chưa thể hình dung ra. Vật liệu có thể dán được với nhau ngày càng mở rộng : thủy tinh, kim loại, cao su, chất dẻo, gốm sứ, grafit, vải sợi, bê tông,…Với các loại keo tổng hợp, kỹ thuật dán đã thâm nhập vào mọi ngành công nghiệp như sản xuất đồ gỗ, đóng giày dép, xây dựng, chế tạo máy, sản xuất ôtô, máy bay, tên lửa, kỹ thuật điện và điện tử…thậm chí keo còn được dùng trong việc dán xương gãy, dán các vết mổ thay thế cho phương pháp khâu thông thường [1].3 Hiện tượng kết dính Dán bằng keo là một quy trình kỹ thuật được nghiên cứu khá tỉ mỉ và khoa học, giống như bất kỳ một quy trình kỹ thuật nào khác. Đó là sự đóng rắn và tạo thành một lớp keo bền chắc giữa hai bề mặt. Tùy loại keo, lớp màng ấy có thể hình thành theo nhiều cách khác nhau: do sự bay hơi của dung môi hòa tan keo, do sự rắn lại của keo khi lạnh, cũng có thể do sự chuyển trạng thái của keo từ thể lỏng sang thể rắn nhờ các phản ứng khoa học.
Cho đến nay vẫn chưa có một lý thuyết chung nào có thể giải thích đầy đủ cơ chế của quá trình dán. Lý thuyết ra đời sớm hơn cả do Mac Ben đưa ra, xem quá trình dán là ‘’chêm’’ keo vào các lỗ nhỏ và khe hở nhỏ của vật cần dán. Rõ ràng, các vật mà bề mặt có những lỗ rỗng cực nhỏ như gỗ, giấy, da… dán rất dễ dàng. Những vật có bề mặt trơn nhẵn (như kim loại) trước khi dán cần phải mài nhám làm bề mặt gỗ, chứng tỏ sự ‘’chêm’’ keo vào những lỗ rỗng là “cần”, nhưng chưa phải là “đủ” để giải thích hiện tượng dán (kết dính).
Sau này, dựa trên nhiều quá trình thực tế, người ta đã đề xuất ra một số lý thuyết đặc biệt, về kết dính như lý thuyết hấp thu, lý thuyết điện, lý thuyết hóa học và lý thuyết khuếch tán… bổ sung cho nhau, làm sáng tỏ quá trình dán, phần nào vạch ra hướng nghiên cứu và lựa chọn keo dán vào từng mục đích. Kết dính là hiện tượng phổ biến trong thiên nhiên và kỹ thuật. Hai vật liệu khác loại tiếp xúc với nhau, có thể dính với nhau. Khi dán, kết dính là sự liên kết giữa keo dán và vật cần dán.
Sự kết dính giữa những phân tư bên trong keo được gọi bằng một thuật ngữ riêng: kết dính nội (cohesion). Vì thế đôi khi hiện tượng kết dính của hai vật liệu khác loại người ta gọi 14 Đồ án công nghệ 1 GVHD: TS.Phan Thị Thúy Hằng là kết dính ngoại (adhesion). Hai tính chất này xác định được khả năng dán của một loại keo và độ bền của mối dán sau này. Khả năng dán của một loại keo, phản ánh chủ yếu qua lực liên kết nội, phụ thuộc vào cấu tạo và bản chất của những nhóm chức trong phân tử keo cũng như khối lượng phân tử của nó.
Những nhóm phân cực trong phân tử keo càng nhiều, thì nói chung khả năng kết dính của có càng cao. Nhưng khi những nhóm đó quá nhiều, khiến mạch phân tử bị “cứng” lại thì khả năng kết dính lại giảm. cho nên, riêng về cấu tạo phân tử cũng cần có sự điều chỉnh về số lượng và cách sắp xếp những nhóm chức để khả năng kết dính đạt được tối da. Khối lượng phân tử cũng là một yếu tố đáng chú ý.
Mạch phân tử càng dài, độ hòa tan của keo càng kém, nhiệt độ cháy mềm cao càng cao thì tùy tính kết dính nội tốt lên, nhưng tính kết dính ngoại lại yếu đi, khả năng dán cũng giảm. Vì vậy, chưa nói đến những yếu tố khác có ảnh hưởng đến quá trình dán, như dung môi, chất phụ gia, bản chất của vật được dán… riêng việc lựa chọn chất keo cũng đã là một bài toán khác phức tạp, với nhiều thông số cần phải điều chỉnh “thỏa hiệp” Tuy nhiên, yếu tố quan trọng hơn trong quá trình dán vẫn là tính kết dính ngoại: khả năng gắn của chất keo với những vật dán khác nhau. ở đây, người ta phân biệt rah ai loại kết dính: kết dính đặc biệt và kết dính cơ học. kết dính đặc biệt thể hiện khi vật dán có bề mặt nhẵn bóng, đặc sít và do mối tương tác đặc biệt giữa phân tử chất keo và vật dán gây ra.
Kết dính cơ học đặc trưng cho những bề mặt có lỗ xốp (giấy. vải, gỗ…), là kết quả của tác dụng thuần túy cơ học, có độ bền xác định bằng sự thấm keo vào những mao quản và taoh thành mói nối do sự “chêm” keo [1].4 Phân loại keo Phân loại keo là một vấn đề tương đối khó. không thể phân loại theo lĩnh vực sử dụng, vì cùng một loại theo tính năng như theo độ bền kéo, theo tính chịu nhiệt, tính bền khí quyển,… cũng không hợp lý vì tùy theo tính chất của vật dán, các tính năng của mối dán cũng thay đổi trong một phạm vi khá rộng. Có thể phân loại keo theo trạng thái hóa lý, thành 5 nhóm: nhóm tan trong nước, nhóm tan trong dung môi hữu cơ, nhóm khuếch tán trong môi trường nước (latex cao su), nhóm hạt dễ nóng chảy và màng dính [1].
Tuy nhiên, cách phân loại dễ hiểu và phổ biến nhất hơn cả là theo nguồn gốc và bản chất hóa học của keo. Theo cách này keo được chia thành 2 nhóm lớn : keo thiên nhiên và keo tổng hợp [1]. Keo thiên nhiên: Keo thiên nhiên đi từ hợp chất sẵn có trong thiên nhiên, có nguốn gốc động vật, thực vật và khoáng chất. Keo động vật bao gồm keo da, keo xương, keo cá, keo cazein (sữa), keo albumin, cánh kiến.
15 Đồ án công nghệ 1 GVHD: TS.Phan Thị Thúy Hằng Keo thực vật phong phú hơn, gồm tinh bột, dextum, các loại nhựa cây như sơn ta , cao su thiên nhiên, protein từ ngô, đậu nành, dầu khô. Keo khoáng có bitum, nhựa đường [1]. Keo tổng hợp: Keo tổng hợp thu được qua quá trình chế biến hóa học các khoáng vật, dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá hoặc nguyên liệu thực vật. Keo tổng hợp : vô cơ và hữu cơ Keo tổng hợp vô cơ không nhiều: thủy tinh nước (natri silicat), keo trên cơ sở magie oxiclorua, canxi sunphat v.v… Keo tổng hợp hữu cơ thuộc nhóm hợp chất đặc biệt: những hợp chất cao phân tử, còn gọi là polymepolymer.
Nhóm này có thể chia thành nhựa trùng hợp và trùng ngưng, nhưng hợp lý hơn, , chia thành nhựa nhiệt rắn và nhiệt dẻo. Keo từ nhựa nhiệt dẻo (poliizobutilen, polivinyl axetat, poliacrilat, v.) nóng chảy khi bị đốt nóng, có chỉ tiêu về độ bền tương đối thấp, nhất là khi dùng ở nhiệt độ cao; chủ yếu được sử dụng cho những kết cấu phi kim loại không chịu lực.