В настоящее время развитие химической промышленности идет по пути
разработки энергосберегающих технологий, а также технологий, которые соответствовали бы все
более повышающимся требованиям к защите окружающей среды.
Одним из решений указанных задач является переход на полимерные клеи, растворителем или
дисперсной средой в которых является вода.
Учитывая, что при использовании полимерных водных клеев в различных отраслях
промышленности отпадает необходимость в вентиляции и рекуперации растворителей, значительно
облегчается очистка сточных вод и снижается степень загрязнения окружающей среды.
Следовательно, можно сделать вывод о том, что применение полимерных водных клеев резко
снижает капитальные затраты на производство и значительно улучшает санитарно-гигиенические
условия труда.
В настоящее время мировое производство полимерных водных клеев неуклонно растет. Так,
например, в Германии производство клеев на водной основе составляет 60% от общего объема
производства; в США, по разным оценкам, — от 40% до 50%; в странах Европейского Союза —
более 50%; в Японии — 50–60% [1].
Поливиниловый спирт (ПВС) является одним из немногих термопластичных полимеров,
используемых для производства полимерных водных клеев. Применение поливинилового спирта в
качестве основы клеев обусловлено хорошими адгезионными свойствами полимера, что, в свою
очередь, связано с наличием в молекуле поливинилового спирта полярных гидроксильных
групп [2].
Еще одним фактором, который говорит в пользу применения ПВС в качестве основы
полимерных водных клеев, является тот факт, что в мировом производстве позиции
поливинилспиртовых клеев значительно укрепились после повышения цен на конкурирующие клеи,
что было вызвано повышением цен на нефть и газ.
Применение 33–47-процентного раствора поливинилового спирта для изготовления
гофрированного картона (вязкость клея 24000–31000 мПа•с, рН=6–7) позволяет повысить
производительность линии на 10–25% и снизить расход энергии на 35% (по сравнению с
остальными клеями).
Учитывая вышесказанное, а также зависимость предприятий от поставок импортных
полимерных водных клеев и наличие в Украине соответствующей сырьевой базы для производства
таких клеев, возникает необходимость разработки отечественных рецептур поливинилспиртовых
клеев, которые обладали бы необходимым комплексом физико-химических, реологических,
прочностных и эксплуатационных свойств в различных условиях работы.
Анализ патентной ситуации, а также обзор литературных данных показывает, что, несмотря
на то, что поливиниловый спирт обладает хорошими адгезионными свойствами, а также другими
характеристиками, встречается очень мало рецептур, в которых бы не применялись различные
модифицирующие добавки. По-видимому, это связано с тем, что существует ряд проблем при
производстве, транспортировке и хранении клеев на основе поливинилового спирта, связанных
с обеспечением устойчивости их свойств в течение всего гарантийного срока хранения
(зарубежные производители обеспечивают стабильность полимерных водных клеев в течение 3–6
месяцев). Обычно полимерные водные клеи на основе концентрированных растворов ПВС теряют
текучесть через 10–12 часов за счет гелеобразования.
Одним из исключений являлся клей СК-1, предложенный для склеивания бумаги и картона,
бумаги с жестью, стеклом и деревом, и представлявший собой 10-процентный раствор
поливинилового спирта в воде. Продолжительность склеивания полоски писчей бумаги размером
3х16 см (определяемая по времени выдержки, обеспечивающей разрушение при отслаивании по
бумаге) с бумагой составляет 6 минут, с фанерой, жестью, стеклом — 15 минут.
К клеям, в которых поливиниловый спирт применяется в чистом виде, пожалуй, можно
отнести также применяемые в полиграфии 5-процентный раствор ПВС для склеивания целлофана и
8-процентный раствор полимера для склеивания бумаги [3].
Как видно из приведенных выше примеров, концентрация поливинилового спирта в таких
растворах относительно невелика, что обуславливает сравнительно небольшой сухой остаток
этих клеев.
Кроме того, следует отметить, что одной из важнейших характеристик, определяющих
эффективное применение экологически безвредных полимерных клеев на основе концентрированных
растворов полимеров, являются их технологические параметры. Во множестве случаев не всегда
удается применять такие клеи на автоматических технологических линиях, где требуются
определенные значения вязкости, скорости набора технологической, прочности и т. д. Как
показали исследования, технологические характеристики полимерных водных клеев эффективно
регулируются благодаря изменению сил межфазного (в случае коллоидных систем) или
межмолекулярного (в случаях водорастворимых систем) взаимодействия. Таким путем удается
достичь высокой скорости в наборе, технологичной прочности (схватывания) и улучшения
технологичности их применения. Кроме того, регулирование сил межмолекулярного взаимодействия
в конечном итоге (после технологической выдержки склеенных изделий) приводит к повышению
прочности и других физико-механических характеристик.
Подобный подход позволил при применении смешанного растворителя диметилсульфоксид
(ДМСО) — вода (стехиометрическое соотношение компонентов 1:2) стабилизировать вязкость
клеев на основе концентрированных растворов поливинилового спирта (ПВС) в течение 3–6
месяцев, и, как следствие, обусловил возможность применения данных клеев при производстве
многослойной фанеры, гофрокартона и гофроящиков, используемых как упаковка при перевозке
различных грузов, изготовлении мебели и т. д. [4].
Применение смешанного растворителя ДМСО — вода приводит к изменению баланса сил
межмолекулярного взаимодействия, которое выражается в изменении свободной межфазной энергии
Гиббса в сторону ее увеличения за счет адгезионно-способных свободных функциональных
ОН-групп ПВС. При склеивании уменьшение энергии Гиббса способствует увеличению скорости
набора технологической прочности (до 10 мин.) и повышению прочности склеивания.
Исследование морфологии тройной системы ПВС — ДМСО — вода показали, что применение
смешанного растворителя при стехиометрическом соотношении компонентов приводит к
аморфизации кристаллической фазы ПВС, а, следовательно, увеличивает подвижность и гибкость
макромолекул полимера. Увеличение гибкости макромолекул полимера (согласно
молекулярно-кинетическим представлениям) приводит к повышению адгезионной способности
ПВС [5].
Таким образом, направленное регулирование сил межмолекулярного взаимодействия за счет
подбора растворителя является эффективным способом оптимизации важнейших технологических
характеристик полимерных клеев на основе концентрированных растворов поливинилового спирта,
что, в свою очередь, будет способствовать их широкому применению в различных отраслях
промышленности.
Литература:
1. Барабанова А. В. Основные тенденции в области производства и потребления клеев на основе синтетических смол за рубежом. / А. В. Барабанова. // Химическая промышленность за рубежом. — 1978. — № 9. — C. 23–48.
2. Николаев А. Ф. Водорастворимые полимеры. / А. Ф. Николаев, Г. И. Охрименко. — Л.: Химия. — 1979. — 144 с.
3. Фрейдин А. С. Полимерные водные клеи. / А. С. Фрейдин. — М., Химия. — 1985. — 144 с.
4. Пат. 45260А Україна. МПК6 C09J129/04. Клейова композиція на водній основі. / Мішуров Д. О., Авраменко В. Л. (Україна). / Заявник та патентовласник — Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут». — № 2001075447. Заявл.: 31.07.01. Опубл.: 15.03.02. Бюл. № 3. — 2 с.
5. Мішуров Д. О. Дослідження морфології розчинів полівінілового спирту. / Д. О. Мішуров, В. Л. Авраменко. // Вісник Київського національного університету технологій і дизайну: Збірник наукових праць. — Київ, КНУТД. — 2007. — № 4(36). — С.145–147.