Стабильный силиказоль для клеев: коллоидный кремнезем в водно-дисперсионных клеевых составах

Силиказоль (кремнезоль) — водная коллоидная дисперсия частиц аморфного SiO₂. Использование силиказоля позволяет вводить SiO₂ в водный клеевой состав в готовой дисперсионной форме, без предварительного диспергирования сухого порошка.

Силанольные группы Si–OH на поверхности частиц способны диссоциировать с образованием отрицательно заряженных групп Si–O⁻ в зависимости от pH среды и участвовать в водородных и электростатических взаимодействиях.

Чем мельче частицы при прочих равных условиях и одинаковой морфологии, тем выше удельная поверхность SiO₂ и потенциальная площадь контакта с полимером. Изменение поверхностных свойств частиц влияет на характер адсорбции компонентов клеевой системы, однако само по себе не свидетельствует об улучшении прочности и других эксплуатационных характеристик клеевого соединения.

Для выбора силиказоля учитывают следующие характеристики:

• Размер частиц — размер отдельных сферических частиц аморфного SiO₂, распределённых в водной среде.
• Гидродинамический диаметр — размер частиц в жидкой среде, определяемый, в частности, методом динамического рассеяния света (ДРС). Учитывает гидродинамическое поведение частиц и возможное влияние их ассоциации.
• Коллоидная стабильность — способность частиц сохранять дисперсное состояние без существенного укрупнения, выпадения осадка или гелеобразования.

При введении силиказоля в полимерную дисперсию взаимодействие между компонентами клеевого состава может влиять на коллоидную стабильность системы. Поэтому характеристики исходного силиказоля не всегда сохраняются неизменными после его смешения с латексом.

В щелочных золях отрицательный поверхностный заряд обычно способствует электростатическому отталкиванию частиц SiO₂ и поддержанию устойчивости коллоидной дисперсии. При введении латекса меняются электролитный состав и характер взаимодействия частиц с поверхностно-активными веществами и защитными коллоидами. Дзета-потенциал отражает электрокинетическое состояние, но не учитывает весь вклад стерической стабилизации.

На совместимость влияют:

• pH обеих дисперсий и возможный его сдвиг после смешения;
• тип эмульгаторов, защитных коллоидов и противоионов;
• соли, загустители, регуляторы pH и другие рецептурные добавки;
• локальная концентрация золя при вводе и температура процесса.

Признаки несовместимости — коагуляция полимерной дисперсии, образование хлопьев, гелеобразование и увеличение размера дисперсных частиц или их ассоциатов. Их оценивают в ходе предварительных испытаний совместимости и проверки устойчивости приготовленного клеевого состава.

Химическая природа полимера определяет наличие функциональных групп, характер стабилизации дисперсии и способность полимерных частиц деформироваться при формировании клеевого слоя. Поэтому даже при одинаковом содержании сухих веществ совместимость с силиказолем может существенно различаться.

• Акриловые латексы: важны состав мономеров, наличие карбоксильных групп и температура стеклования; в самоклеящихся составах, то есть клеях, чувствительных к давлению, дополнительно учитывают податливость связующего и способность клеевого слоя деформироваться под нагрузкой.
• Водные полиуретановые дисперсии: существенны соотношение мягких и жёстких сегментов, фазовое разделение и возможность последующего сшивания полимера.
• Поливинилацетатные (ПВАц) и винилацетат-этиленовые латексы: совместимость во многом связана с природой защитных коллоидов, пластификаторов и компонентов эмульсионной системы.

Реологические свойства определяют поведение состава при перемешивании, перекачивании и нанесении. Взаимодействие SiO₂ с полимером и загустителями может повысить или снизить вязкость; направление и степень изменения зависят от состава клея, характеристик силиказоля и условий смешения. Поэтому изменение вязкости необходимо устанавливать экспериментально для каждой рецептуры.

При оценке вязкости клеевого состава недостаточно ограничиваться измерением при одной скорости сдвига. Для характеристики его поведения при нанесении и перемешивании учитывают также:

• зависимость вязкости от скорости сдвига и температуры;
• тиксотропию — обратимое изменение структуры системы под действием механического воздействия с последующим восстановлением во времени после прекращения воздействия;
• устойчивость к стеканию и образованию потёков, способность сохранять равномерность нанесённого слоя;
• стабильность вязкости в течение рабочего времени смеси.

Требования к вязкости и характеру течения клеевого состава зависят от способа нанесения, характеристик оборудования и требуемой толщины клеевого слоя.

При сушке частицы латекса сближаются, деформируются и коалесцируют. На этот процесс влияют температура стеклования полимера, минимальная температура плёнкообразования, коалесценты и режим удаления воды.

Частицы SiO₂ не подвергаются коалесценции подобно полимерным частицам латекса. В процессе высыхания они могут оставаться в составе формирующегося полимерного слоя, располагаясь между полимерными областями и на границах раздела фаз. Характер их распределения зависит от совместимости компонентов, содержания SiO₂ и условий высыхания.

При чрезмерном содержании SiO₂ или его неравномерном распределении возможно нарушение формирования сплошной полимерной плёнки, изменение подвижности полимерных цепей и появление структурных неоднородностей. Такие эффекты необходимо оценивать с учётом состава конкретной дисперсии: результаты исследований латексных плёнок с высоким содержанием SiO₂ нельзя напрямую переносить на клеевые соединения.

При оценке прочности клеевого соединения различают адгезионную и когезионную прочность. Адгезионная прочность характеризует сопротивление разрушению по границе между клеем и склеиваемым материалом, а когезионная прочность — сопротивление разрушению внутри самого клеевого слоя. Эти характеристики зависят от состава клея, свойств склеиваемых поверхностей и условий формирования клеевого соединения.

Основные показатели выбирают по назначению материала:

• Прочность при сдвиге внахлёст: сопротивление клеевого соединения разрушению под действием сдвиговой нагрузки.
• Прочность при отслаивании: сопротивление распространению фронта отрыва при отслаивании одной подложки от другой.
• Начальная липкость: способность клея, чувствительного к давлению, образовывать соединение при кратковременном контакте и приложении небольшого давления.
• Термостойкость клеевого соединения: способность сохранять прочность при повышенной температуре; оценивается по результатам испытаний при заданной температуре и нагрузке.

Характер разрушения — адгезионный, когезионный или смешанный — фиксируют в протоколе.