Новые разработки в области клеев, склеивания и смежных технологий

1. Источники информации.
2. Клеи и сырье для клеев.
3. Технология склеивания.
4. Применение клеев.
5. Смежные технологии.
6. Заключение.

1. Источники информации

Разработка нового клеевого соединения зачастую начинается с выбора клея (иначе — адгезива) из числа выпускающихся различными компаниями или создания нового. О новых своих клеях компании регулярно сообщают на страницах отраслевого журнала Adhäsion (Германия) под рубрикой Springer Professional. Многообразием предлагаемых на рынке клеев выделяются компании Bostik, Dural, Henkel, Delo, Jowat, Kleiberit, Follmnn, 3M Deutschland, Panacol и некоторые другие.

Компетентностью в части подобной информации обладает консалтинговая компания Ceresana (г. Констанц, Германия), которая уже в четвертый раз выпустила состоящий из трех глав аналитический труд «Исследование рынка клеев в Европе». В нем было указано, что потребление клеев в 2019 г. на европейском рынке составило около 3,51 млн т [1]. Аналитики сделали вывод, что до 2027 г. продажи клеев в Европе будут расти на 0,5 % в год за счет развития транспортостроения и других отраслей. Следует учесть, однако, что этот прогноз был сделан еще без учета влияния на экономику пандемии COVID-19 и его последствий, а также современной геополитической обстановки. Тем не менее несомненно, что будущее будет мобильным только с помощью инновационных совместных технологий, включая склеивание. Уже сегодня в новом автомобиле содержится около 18 кг клеевых составов, используемых в его различных узлах и комплектующих, — от отводящих теплоту защитных слоев аккумуляторных элементов до легкого корпуса и ударопрочных окон. Здесь к наиболее важным относятся клеи на основе поливинилацетата. Из него изготавливается поливиниловый спирт, который также используется в качестве адгезива, например, для пористых материалов, таких как бумага, картон, древесина, пробка или кожа. Основными областями применения виниловых клеев являются бумажная, упаковочная, деревообрабатывающая и строительная промышленность, где в основном используются содержащие воду продукты и клеи-расплавы. В частности, физически схватывающие клеи содержат от 30 до 60 % по массе органических растворителей, которые испаряются со склеиваемых поверхностей. Ароматические углеводороды, например ксилол или толуол, не только пожароопасны, но и вредны для здоровья, а их пары считаются канцерогенными и мутагенными. Поэтому все чаще ищут альтернативу в виде менее токсичных и экологически чистых клеевых составов. Например, в Европе клеи, содержащие воду, в 2019 г. составили уже более 50 % от общего объема потребления. Однако, если клеевой состав содержит только воду в качестве растворителя, необходимо добавлять консерванты, что, в свою очередь, может быть проблематичным для людей, страдающих аллергией.

Наиболее полная картина о рынке клеев у читателя может сложиться при его обращении к самому новому источнику информации — справочнику [2], выпущенному в 2021 г. Ассоциацией производителей клеев (IVK) в сотрудничестве с редакцией специализированного журнала Adhäsion. На сей раз он был переиздан в печатной и онлайн-версиях и содержит обширную и исчерпывающую информацию об отрасли, связанной с технологией склеивания. В новой версии англоязычного издания этого справочника, изданного также в 2021 г. под названием Adhesives Technology Compendium, снова содержится важная информация о промышленности клеев Германии, Австрии, Швейцарии и Нидерландов, а также о портфеле услуг, предоставляемых клеевыми союзами в этих странах (рис. 1). Благодаря профилям более чем 175 компаний предоставляется всесторонний обзор поставок и услуг для производителей клеев, клеевого сырья и герметиков, для предприятий сферы услуг и оборудования, а также для научных учреждений. Кроме того, в справочнике содержится актуальная информация о европейских инициативах, таких как «Зеленый курс», а также соответствующие нормативные акты ЕС, стандарты, процедуры тестирования и статистические обзоры, относящиеся к клеям. Онлайн-версия справочника представлена в открытом доступе (в отличие от обзора Ceresana) на сайте www.adhesivecompendium.com.

2. Клеи и сырье для клеев 

Все более актуальными становятся разработки, направленные на снижение токсичности клеев и использование возобновляемого и вторичного сырья. 

2.1. Снижение токсичности

Компания RAMPF Polymer Solutions (Германия) заменяет свою продукцию на клеи, не содержащие растворителей в виде N-метил-2-пирролидона (NMP) или N-этил-2-пирролидона (NEP) [3]. Тем самым компания защищает здоровье своих сотрудников, сберегает окружающую среду и при этом достигает очень хороших свойств клеевых соединений. Клеи в первую очередь характеризуются двумя свойствами — адгезией и когезией. Адгезию оценивают силой сцепления клея со склеиваемой деталью, когезию — внутренней прочностью, особенно важной для удержания клеевого соединения в целостности (рис. 2). Для улучшения адгезионных свойств клеев также используются компоненты, содержащие растворители. До сих пор подобные клеи используются очень часто, особенно на трудно склеиваемых поверхностях, таких как у мягкого ПВХ. Но поскольку растворители могут содержать вещества, вредные для здоровья и окружающей среды, они все более критически рассматриваются законодательными органами. То же касается NMP и NEP. Эти два вещества часто используются в качестве растворителей в различных отраслях промышленности, например, в фармацевтической промышленности, в производстве пестицидов или, как описано выше, клеев. Однако в 2017 г. NMP и NEP были включены в регламент REACH — положения ЕС, в котором перечислены химические вещества, опасные для здоровья и (или) окружающей среды. Новая классификация REACH гласит, что NMP и NEP вызывают раздражение кожи и глаз, дыхательных путей и могут нанести вред еще не рожденному ребенку. Это серьезно ограничивает использование и маркетинг NMP и NEP, которые могут применяться только в определенной концентрации, при строгих условиях и с большими затратами. По этой причине в настоящее время все больше и больше внимания уделяется выпуску на рынок клеев, не содержащих растворителей.

2.2. Возобновляемое сырье 

Исследователям из КНР удалось успешно вывести на рынок не содержащий формальдегида клей на основе обезжиренной соевой муки (ОСМ) [4]. Однако неясность влияния компонентов ОСМ на характеристики клея ограничивали его более широкое коммерческое применение. В выполненном исследовании изолят соевого белка (ИСБ) и полисахариды сои (ПСС) были «сконструированы» для имитации ОСМ и позволили исследовать вклад этих компонентов в характеристики сшивания клея и производительность склеивания (рис. 3). Результаты золь-гель-теста, ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье и ядерного магнитного резонанса подтвердили, что смеси ИСБ и ПСС достоверно имитировали функцию ОСМ, пропорциональную их вкладу в содержание ОСМ, и показали, что углеводы в ОСМ могут быть сшиты с помощью эпихлоргидромодифицированного полиамида (EMPA). Результаты ИК-спектроскопии, реологические испытания и оценка адгезионных свойств подтвердили, что снижение реакционной способности ИСБ за счет углеводов эффективно снижает кажущуюся вязкость и скорость сшивания при комнатной температуре и, следовательно, выгодно для технологической применимости, но может отрицательно повлиять на адгезионные свойства клеев на основе ОСМ. Было установлено также, что 10–30 % обогащенной углеводами пшеничной муки можно вводить в клеи на основе ОСМ для улучшения их технологических свойств и снижения себестоимости.

С целью замены клеев на основе формальдегида исследователи из Испании разработали недорогой биоклей на основе комбинации густого отработанного щелока с пшеничной мукой для производства трехслойного древесно-слоистого пластика (ДСП) [5]. Им удалось добиться плотности материала в пределах от 682 до 783 кг/м³ при прессовании плит при температуре от 180 до 210 °С и продолжительности прессования от 8 до 10 мин. Все ДСП, изготовленные при указанных режимах, соответствуют прочности, требуемой по стандарту EN 312 для ДСП типа Р2 (0,35 МПа).

Чтобы обеспечить производство критически важного сырья (в том числе клеевого) для промышленности на долгосрочную перспективу, в ЕС применяются централизованные меры, способствующие выполнению намеченных планов. Считают, что промышленность ЕС к 2050 г. больше не должна выбрасывать парниковые газы и должна потреблять значительно меньше ресурсов, оставаясь при этом конкурентоспособной. План действий в ЕС по критически важному сырью основан на четырех столпах [6]: укрепление цепочек добавленной стоимости, продвижение экономики замкнутого цикла, оценка возможностей поставки сырья горнодобывающей промышленностью в масштабах ЕС и диверсификация закупок из третьих стран.

2.3. Возможности искусственного интеллекта

Перспективным направлением при разработке новых клеевых составов может быть использование искусственного интеллекта (ИИ). Примером служит опыт передовых компаний в области разработки новых материалов. Так, компания Lanxess [7], идя по этому пути, считает, что применение ИИ позволит быстрее разрабатывать и предлагать полиуретановые системы, изготовленные по индивидуальному заказу. На первом этапе проекта разработчики расширили базу данных по рецептурам на основе предполимеров, Кроме того, специалисты по обработке данных и эксперты по технологическим процессам добавили в базу данных дополнительные сведения о рецептурах с помощью платформы для интеллектуального анализа, предложенной партнером проекта — компанией Citrine Informatics. При этом алгоритм расчета, разработанный на основе химии, использует существующие эмпирические данные измерений, связывает их со знаниями экспертов по технологическому процессу и вычисляет дополнительные значения. Таким образом, согласно Lanxess, для проверки значений, определенных с помощью ИИ, требуется всего несколько реальных измерений. На следующем этапе специалисты по обработке данных и процессов проверят, насколько можно использовать ИИ для прогнозирования оптимальных составов для удовлетворения индивидуальных требований к характеристикам продукта. До сих пор химики в основном полагались на свой опыт при создании новых рецептур, которые лишь в определенной степени позволяли добиваться желаемых характеристик продукта, таких как твердость, прочность при растяжении или вязкость. 

Список литературы

1. Aktuelle Studie zum europaeischen Klebstoffmarkt // Adhäsion. — Kleben und Dichten. — 2021. — Bd. 65, Nr. 1–2. — S. 6.
2. Adhesives Technology Compendium 2021 // Adhäsion. — Kleben und Dichten. — 2021. — Bd. 65. — Nr. 10. — S. 15.
3. Kleben ohne Loesemittel // Werkstoffe in der Fertigung. — 2020. — Nr. 3. — S. 46–47.
4. Mi Y., Sun Z., Gao D., et al. Positive impact of carbohydrate on the crosslinking, performance, and potential applications of defatted soybean flour-based adhesive // Int. J. Adhes. and Adhes. — 2021. — V. 106. — P. 102811.
5. Ferreira A. M., Pereira J., Almeida M., et al. Low-cost natural binder for particleboards production: study of manufacture conditions and stability // Int. J. Adhes. and Adhes. — 2019. — V. 93. — P. 102325.
6. EU will kritische Rohstoffe für die Industrie sichern // Adhäsion. — Kleben und Dichten. — 2021. — Bd. 65. — Nr. 1–2. — S. 15.
7. Mit KI zum massgeschneiderten Polyurethansystem // Adhäsion. — Kleben und Dichten. — 2020. — Bd. 64. — Nr. 4. — S. 9.

New Developments in the Field of Adhesives, Bonding and Related Technologies
G. V. Komarov
Progress in the field of bonding and adhesive joints is characterized by the appearance of new adhesives and adhesive objects, numerical modeling of technological processes and behavior of finished joints, the development of new equipment and testing devices. All this is reflected in publications on the pages of VINITI RAS publications and allows us to follow the current trends of this assembly method in various fields of technology, which, in fact, has become the subject of analysis in this work.

IV Международная научно-техническая конференция«Современные достижения в области клеев и герметиков: материалы, сырье, технологии» 

Организатор: НИИ химии и технологии полимеров имени академика В. А. Каргина (г. Дзержинск, Нижегородская обл.)

Цель проведения конференции: предоставить участникам уникальную возможность обменяться информацией о новейших научно-технических достижениях в области разработки и исследования свойств клеевых, герметизирующих и уплотняющих материалов. 

Дата и место проведения: 26–28 сентября 2023 г., загородный отель «Чайка», расположенном в пос. Желнино (городской округ г. Дзержинска). 

Информационную поддержку конференции оказывают журналы «Клеи. Герметики. Технологии», «Пластические массы», «Полимерные материалы» и др. 

Программа мероприятия будут включать пленарные доклады ведущих ученых и специалистов, устные,стендовые и заочные доклады по актуальным научным и прикладным проблемам. В рамках конференции будут обсуждаться следующие вопросы:

• современные тенденции и научные исследования в области создания клеевых и герметизирующих материалов на основе акриловых, уретановых, эпоксидных, силиконовых тиоколовых и других соединений. 
• новое в технологии получения и применения адгезионных материалов;
• исследования в области синтеза мономеров, олигомеров и (со)полимеров для клеев и герметиков;
• синтез и модификация свойств отвердителей, наполнителей, пластификаторов и других добавок для получения клеев и герметиков, перспективы их производства, в том числе с использованием российского сырья;
• современные приборы и методы исследований полимерных адгезионных материалов.

Тезисы докладов и экспертные заключения о возможности открытой публикации должны быть представлены в Оргкомитет не позднее 1 июля 2023 г. на e-mail: conf@nicp.ru. 

Условия участия и дополнительная информация на веб-странице конференции: www.nicp.ru/ru/529. 

Ученый секретарь: Козлова Ирина Ильинична, kozlova@niсp.ru. 

Технический секретарь: Савина Ольга Феоктистовна, savina@nicp.ru; тел.: +7 (8313) 24-25-56.