Lý thuyết về dán dính

Keo dán gỗ

Lý thuyết về dán dính

Ngày nay việc sử dụng keo dán nói chung và keo dán gỗ nói riêng rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày cũng như ở nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đặc biệt là trong công nghệ khai thác và chế biến gỗ. Trong ngành sản xuất ván nhân tạo, ván sàn gỗ, ván sàn gỗ công nghiệp, sàn gỗ tự nhiên, ván dăm, ván dán và ván sàn gỗ ngoài trời… thì keo dán là một thành phần không thể thiếu được trong quá trình sản xuất, gia công và chế biến.

Quá trình dán dính là một quá trình dán ép hai hay nhiều vật dán với nhau, có sự tham gia của chất kết dính trong điều kiện nhất định. Thông thường vật dán và keo dán là hai loại vật chất có cấu trúc cấu tạo khác nhau. Cường độ dán dính không chỉ phụ thuộc vào các lực liên kết trên bề mặt vật dán mà còn phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các phân tử keo sau khi đóng rắn.

 

Quá trình tạo ra liên kết bằng keo dán là một quá trình công nghệ, kỹ thuật rất phổ biến không chỉ trong công nghệ chế biến gỗ mà còn trong quá trình dán dính các vật liệu khác ở các lĩnh vực khác nhau. Vì vậy, trong những năm gần đây lý thuyết và cơ chế dán dính được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Tập hợp tất cả các quan điểm, cơ sở khoa học về quá trình dán dính và bản chất của mối dán được gọ là lý thuyết dán dính.

Một số quan điểm trước đây giải thích quá trình dán dính là do dung dịch keo khi dán được điền đầy vào các lỗ hổng, sự mấp mô của bề mặt vật dán sau đó đóng rắn trở thành các đinh keo có tác dụng liên kết hai vật dán lại với nhau. Quan điểm này được gọi là thuyết cơ học, tuy nhiên nó không đủ cơ sở để giải thích khi dán các vật dán có bề mặt phẳng nhẵn hoặc trường hợp dán gỗ theo chiều dọc thớ lại tại được liên kết tốt khi dán các mặt dán vuông góc thớ gỗ.

Trong dán dính gỗ, nghiên cứu sơ chế dán dính liên quan đến đặc tính vật liệu gỗ, khoa học về bề mặt vật liệu, các đặc tính của polyme và sự tương tác giữa polyme và bề mặt. Hiện nay, chưa có lý thuyết thống nhất mô tả tất cả các liên kết của chất kết dính với bề mặt vật liệu, gần đây nhất các nhà khoa học ( Schultz và Nardin (1994); Pocius (2002)) đã đề xuất về lý thuyết và cơ chế dán dính theo 6 nhóm.

  • Lý thuyết liên kết cơ học.
  • Lý thuyết điện tử
  • Lý thuyết về đường ranh giới và miền tiếp xúc;
  • Lý thuyết khuếch tán;
  • Lý thuyết hấp phụ (nhiệt động học);
  • Lý thuyết liên kết hóa học.

Các cơ chế dán dính không tự loại trừ nhau, mà trong nhiều trường hợp mối dán được thực hiện bởi nhiều cơ chế dán dính. Do đó, độ bền dán dính phụ thuộc rất nhiều vào các cơ chế dán dính của vật liệu.

Lý thuyết liên kết cơ học (liên kết đinh keo)

Lý thuyết liên kết cơ học đã được MacBain và Hopkins đề xuất vào năm 1925, cơ chế của liên kế này là quá trình dán dính xảy ra đầu tiên giữa keo dán gỗ và bề mặt gỗ. Khi đưa keo dán ở dạng lỏng lên bề mặt gỗ, do bề mặt gỗ mấp mô trong quá trình gia công, gỗ có cấu trúc rỗng, xốp nên dung dịch keo sẽ thấm vào gỗ sau đó đóng rắn tạo thành các đinh keo. Keo càng thấm sâu vào gỗ thì diện tích tiếp xúc giữa keo và gỗ càng lớn làm tăng hiệu quả của liên kết đinh keo. Liên kết đinh keo tốt nhất khi keo dán thấm vào phần rỗng trong ruột tế bào và vách tế bào để tạo nên sự tiếp xúc ở mức độ phân tử giữa phân tử keo dán và cellulose, hemicellulose hay lignin. Tuy nhiên, quan điểm này không giải thích được khi dán dính giữa các bề mặt phẳng, nhẵn. Để bổ khuyết cho quan điểm này, Gent, Schultz, và Wake đã đề xuất quá trình dán dính được hình thành bởi tác động kép giữa liên kết cơ học và tương tác nhiệt động học bề mặt. Độ bền dán dính được thể hiện theo phương trình:

G = C.M.l

Trong đó:   G – độ bền liên kết của mối dán;

C – hệ số phụ thuộc vào điều kiện dán ép;

M – liên kết cơ học;

L – liên kết tương tác bề mặt.

Từ phương trình trên ta thấy rõ, để nâng cao độ bền dán dính, cần đảm bảo cả hai yếu tố: hình thái bề mặt và các tính chất lý – hóa bề mặt của vật dán và chất kết dính. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp để tăng độ bền dán dính, người ta tăng liên kết cơ học vì đó là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện; hơn nữa khi bề mặt có khả năng thấm ướt, chất kết dính có thể dễ dàng xâm nhập vào các lỗ hổng và các vết nứt nhỏ trên bề mặt vật dán.

Packham và cộng sự đã nhấn mạnh vai trò của cấu trúc bề mặt đến độ bền dán dính khi phủ polyethylene lên bề mặt kim loại, độ bền kéo bong tách tăng lên khi bề mặt kim loại thô, ráp và có cấu trúc lưới. Gần đây, Ward cùng cộng sự đã nghiên cứu các định độ bền kéo trượt của sợi polyethylene được xử lý nhiệt (plasma) khi dán dính bằng keo epoxy, độ bền liên kết tăng khi thời gian xử lý nhiệt đối với polyethylene tăng, vì khi đó lớp bề mặt của sợi polyethylene xuất hiện nhiều lỗ hổng tế vi, keo dán đã điền đầy và đóng rắn trong các lỗ hổng đó.

Lý thuyết điện tử

Lý thuyết điện từ của sự dán dính đã được Deryaguin và cộng sự đưa ra năm 1948. Các tác giả đã nghiên cứu một cơ chế chuyển giao điện tử giữa chất nền và chất kết dính khi chúng mang điện tích trái dấu.

Hiện tượng này có thể hình thành nên một lớp điện tích trái dấu tại bề mặt tiếp xúc. Theo tác giả, kết quả lực tĩnh điện ảnh hưởng đáng kể vào độ bền bám dính giữa chất nền và chất kết dính.

Chất nền và chất kết dính có thể được xem như một tụ điện, ngoài ra độ bền dán dính còn phụ thuộc vào lực hấp dẫn tĩnh điện của lớp điện tử kép tại miền tiếp xúc giữa chất kết dính và chất nền.

Lực liên kết tĩnh điện phụ thuộc vào chất lượng bề mặt dán dính ( độ phẳng, độ nhẵn), độ ẩm của vật dán và các thông số kỹ thuật của chất kết dính.

Lý thuyết đường ranh giới và miền tiếp xúc

Khi gắn kết hai bề mặt gỗ bởi một màng keo sẽ hình thành nên miền tiếp xúc keo – gỗ và bề mặt tiếp xúc keo – gỗ hay còn gọi là bề mặt liên kết và miền liên kết. Chất lượng dán dính phụ thuộc rất nhiều vào liên kết này. Độ bền mối dán phụ thuộc bào độ bền liên kết trong nội tại màng keo và độ bền liên kết của bề mặt tiếp xúc và miền tiếp xúc.

Thực tế cho thấy, do chiều dày màng keo rất nhỏ nên mối dán thường bị phá hủy ở bề mặt liên kết hoặc miền liên kết. Khi lượng keo sử dụng ít, khả năng thẩm thấu của keo vào gỗ lớn sẽ giảm độ bền liên kết tại bề mặt tiếp xúc. Đồng thời, lý thuyết về đường ranh giới và miền tiếp xúc cho rằng bề mặt vật dán sạch có thể tạo nên mối dán tốt, một vài tạp chất như lớp gỉ, chất dầu, nhựa có thể dẫn đến đường biên yếu; nhưng không phải tất cả các tạp chất đều làm liên kết đường biên yếu, trong một số trường hợp các tạp chất bị hòa tan bởi keo do trong keo có cấu trúc axitacrylic từ đó độ bền mối dán bị ảnh hưởng không đáng kể.

Lý thuyết khuếch tán

Đây là lý thuyết giải thích sự liên kết phổ biến của chất kết dính với bề mặt vật dán, Theo luận thuyết này, để tạo liên kết đòi hỏi các phân tử của chất kết dính và bề mặt vật dán phải có khả năng chuyển động, tương thích lẫn nhau và có thể sáp nhập vào nhau có nghĩa là, các phân tử của chất kết dính phải có khả năng chuyển động, sáp nhập vào vật dán và ngược lại.

Lý thuyết khuếch tán khẳng định khả năng dán dính phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm gỗ, tính chất của vật dán, keo dán. Khi áp suất ép lớn các khoảng cách vật thể gần nhau hơn, sự khuếch tán tốt hơn từ đó cường độ dán dính tăng. Ở nhiệt độ cao các phân tử dao động lớn hơn nên cường độ dán dính lớn. Các phân tử ngắn, bền vững hơn thì sự chuyển động của các phân tử nhỏ hơn nên cường độ dán dính nhỏ. Các chất có độ phân cực lớn sẽ có tác dụng tăng cường khả năng dán dính.

Quá trình khuếch tán của keo dán vào gỗ đã hình thành nên một miền tiếp xúc và tăng cường độ bền của mối dán.

Lý thuyết hấp phụ

Lý thuyết hấp phụ hay mô hình nhiệt động lực của quá trình dán dính được Sharpe và Schonhorn đề xuất. Lý thuyết hấp phụ là một hướng tiếp cận được mà hiện nay nhiều nhà khoa học dùng để giải thích cơ chế dán dính. Theo đó, lực liên kết bề mặt vật dán và chất kết dính là kết quả của lực Van der Waals; độ lớn của các lực này thường liên quan đến năng lượng nhiệt động lực cơ bản, như năng lượng tự do bề mặt của cả chất kết dính và vật dán. Lực liên kết bề mặt phụ thuộc vào sự tiếp xúc của hai pha lỏng – rắn; vì vậy tiêu chí đầu tiên để hình thành mối liên kết là khả năng thấm ướt tốt của bề mặt vật dán.

Sự tiếp xúc giữa hai pha lỏng – rắn được biểu diễn như một giọt nước được nhỏ lên bề mặt cứng phẳng, nhẵn.

Khi dán dính các vật dán bằng mối liên kết keo, để có một màng keo mỏng, đều và liên tục cần tạo bề mặt vật dán phẳng nhẵn, có độ ẩm thích hợp và keo dán phải có trị số độ nhớt thấp. Tuy nhiên khi độ ẩm vật dán cao, độ nhớt của keo nhỏ sẽ kéo dài thời gian đóng rắn của keo, độ bền dán dính thấp. Để khắc phục vấn đề này, trong công nghệ dán ép thường phải sử dụng các nguồn lực hỗ trợ như: tạo áp lực ép lên màng keo, lên vật dán và hoặc kết hợp với gia nhiệt làm mềm bề mặt vật dán và giảm độ nhớt của keo dán. Đặc biệt, khi độ nhẵn bề mặt vật dán thấp, độ nhớt của keo dán lớn cần phải tăng áp lực ép và nhiệt độ ép cho vật dán và màng keo.

Lý thuyết liên kết hóa học

Liên kết hóa học hình thành nên một mối liên kết ngang tại bề mặt tiếp xúc giữa vật dán và keo dán; nó được coi là mối liên kết chính quyết định nhất đến độ bền mối dán. Liên kết hóa học (gồm liên kết cộng hóa trị và liên kết ion) có độ bền lớn hơn so với liên kết lydro hay liên kết bởi lực Van der Waals.

Trong liên kết cộng hóa trị, các dạng liên kết hóa học được phân biệt bởi khoảng không gian mà các điện tử tập trung hay phân tán giữa các nguyên tử của chất đó. Các điện tử nằm trong liên kết không gắn với các nguyên tử riêng biệt, mà chúng được phân bổ trong cấu trúc ngang qua phân tử. Không giống như liên kết ion thuần túy, các liên kết cộng hóa trị có thể có các thuộc tính không đẳng hướng do đó đây là mối liên kết bền vững.

Liên kết ion là liên kết hóa học giữa hai ion mang điện tích trái dấu tác động qua lại lẫn nhau. Ion mất điện tích hình thành ion dương, ion nhận được điện tích hình thành ion âm, các ion trái dấu được hút lại gần nhau nhờ lực hút tĩnh điện, khi các ion gần nhâu hết mức, tầng mây ion của các điện tích trái dấu cũng tương hỗ triệt tiêu, khi sự hấp dẫn và triệt tiêu tương tác bằng nhau thì hình thành một động thái cân bằng, cũng là hình thành liên kết ion.

Liên kết hydro là một loại lực đặc biệt do nguyên tử hydro hấp dẫn nguyên tử hydro trong các hợp chất có nguyên tử hydro. Ví dụ, trong lúc thủy phân, hình thức liên kết cộng hóa trị của hydro và oxi, do điện tích dương của hydro lớn hơn của oxi rất nhiều, điện tử cộng hưởng thì nghiêng nhiều về phía nguyên tử oxi, mà nhân nguyên tử hydro gần như bị lộ ra, hạt nhân mang điện tích dương này do không có điện tích nội lực, vì vậy không thể bị đám mây điện tử của điện tử khác bài xích, mà có thể hấp dẫn điện tử độc lập phân tử oxi trong phân tử nước khác. Lực được hình thành lên đó là liên kết hydro. Liên kết hydro làm cho phân tử nước phát sinh tác dụng kết hợp.

Liên kết hóa học giữa phân tử keo và gỗ được thực hiện qua các cầu nối như sau: ( -CH2-O-CH2-; nếu trong chất kết dính có chứa nhóm isocyanate và vật dán là gỗ sẽ hình thành nên cầu nối liên kết C-O (năng lượng liên kết 351kJ.mol-1); hoặc nếu trong chất kết dính có chứa nhóm epoxy và bề mặt vật dán có chứa nhóm amine sẽ hình thành nên cầu nối liên kết C-N ( năng lượng liên kết 291kJ.mol-1).

Để nâng cao độ bền liên kết hóa học giữa keo và gỗ thì các yếu tố thuộc về keo dán, vật dán và điều kiện phản ứng là rất quan trọng. Các loại keo dán gỗ khi đóng rắn hoặc khi liên kết với gỗ hình thành nên cấu trúc mạng không gian sẽ cho độ bền liên kết cao hơn so với cấu trúc dạng mạch thẳng. Bề mặt vật dán cần được làm sạch, độ phẳng, nhẵn cao, không có chất dầu nhựa ức chế quá trình phản ứng… Để tạo môi trường phản ứng, rút ngắn thời gian đóng rắn, một số loại keo dán có sử dụng thêm chất đóng rắn như các dòng keo UF, PF, epoxy, emulsion polyme isocyanate…

Việc nắm vững các kiến thức cơ bản, lý thuyết về dán dính là hết sức quan trọng, nó ảnh hưởng rất lớn và quyết định tới chất lượng của các sản phẩm trong các ngành sản xuất, gia công và chế biến gỗ. Tuy nhiên trên thị trường hiện nay có rất nhiều các loại keo dán với đủ chủng loại, thương hiệu khác nhau. Bên cạnh những thương hiệu keo dán chất lượng và uy tín thì cũng có cả ma trận các loại keo dán giá rẻ, chất lượng kém, hàng giả, hàng nhái làm cho khách hàng không biết đâu mà lần, thật giả lẫn lộn.

Sử dụng các loại keo dán gỗ kém chất lượng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới không những chất lượng sản phẩm mà còn gây hại cho sức khỏe con người và môi trường sinh thái. Đơn cử như trong ngành sản xuất sàn gỗ công nghiệp nếu như sử dụng các loại keo dán gỗ rẻ tiền thì sẽ cho ra đời các sản phẩm sàn gỗ giá rẻ kém chất lượng. Liên kết giữa lớp giấy tạo vân gỗ và lớp cốt gỗ sẽ kém, không chắc chắn và sẽ bị bong tróc, phồng rộp trong quá trình sử dụng sàn gỗ, đặc biệt khi bị ngập nước sẽ bị bong ngay lập tức. Hơn nữa những loại keo dán gỗ giá rẻ thường rất độc hại cho sức khỏe con người, không thân thiện với môi trường sinh thái.

Bài viết liên quan

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *