Карбамидные клеи приготовляют из мочевино-формальдегидных смол, получаемых в
результате реакций поликонденсации, протекающих между мочевиной и формальдегидом и
сопровождающихся выделением воды и газообразных продуктов. Карбамидные смолы
представляют собой светлые сиропообразные жидкости с запахом формальдегида, содержащие
45-50% сухого остатка. После вакуумирования (отгонки воды под вакуумом) получают смолы
с более высоким (65-70%) содержанием сухого остатка. Невакуумированные смолы имеют
низкую вязкость и при хранении расслаиваются два слоя: нижний пастообразный и верхний
жидкий, причем клеящие свойства их равноценны. Вакуумированные смолы имеют однородную
консистенцию, не расслаиваются при хранении и имеют более высокую вязкость.
Процесс отверждения карбамидных клеев как на холоде, так и при нагреве проходит
через три стадии: сиропообразное состояние, желатинизация, твердый неплавкий и
нерастворимый продукт.
Для карбамидных клеев используют отвердители, которые с некоторой условностью
можно подразделить на три группы: горячего, холодного и теплого (60-90 °С)
отверждения. К первой группе относятся аммонийные соли сильных кислот: хлористый аммоний
(нашатырь), сульфат аммония, фосфат аммония и др. Действие этих отвердителей основано
на их способности вступать в реакцию со свободным формальдегидом смолы, в результате чего
выделяется свободная кислота, которая и приводит к отверждению клея. Ко второй группе
отвердителей относятся слабые минеральные и органические кислоты: муравьиная, щавелевая,
молочная, уксусная, лимонная и сульфонафтеновые кислоты (контакт Петрова). К отвердителям
третьей группы можно отнести аммонийные соли слабых органических кислот. Они отверждают
клей и на холоде, но при небольшом нагревании этот процесс идет быстрее. Процесс
отверждения можно регулировать, вводя в клей так называемые буферные добавки: сульфит и
тиосульфат натрия, гидрат окиси магния, а также аммиак, уротропин, мочевину.
Отвердители применяют в виде водных растворов, добавляемых в клей из расчета
0,5-2% концентрированного вещества к весу смолы. Отвердитель должен постепенно повышать
вязкость клея, обеспечивая заданную жизнеспособность его. Необходимо учитывать, что
тепло, выделяющееся при смешивании смолы с отвердителем, ускоряет нарастание вязкости.
Во избежание этого рекомендуется либо охлаждать сосуды и клеенамазывающие приспособления,
либо наносить смолы и отвердитель раздельно (при раздельном способе раствор отвердителя
наносится на одну из склеиваемых поверхностей, а смола - на другую). Это значительно
повышает жизнеспособность клея. Кроме того, количество отвердителя можно изменять, что,
в свою очередь, позволяет регулировать скорость отверждения клея. Способ раздельного
нанесения особенно эффективен при холодном склеивании, продолжительность которого
сокращается в 3-4 раза (до 0,25-1 ч) по сравнению со способом подмешивания отвердителя.
Скорость отверждения карбамидных клеев зависит от многих факторов. Так, чрезмерное
увеличение количества отвердителя ухудшает условия склеивания из-за выделения свободной
влаги. Увеличение содержания сухого остатка в смоле (с 50 до 70%) сокращает
продолжительность склеивания в 2,5 раза. Интенсивное нагревание, предварительное
вакуумирование, различная степень или глубина поликонденсации также влияют на скорость
отверждения карбамидных клеев. Важнейшие свойства клеевых соединений (стойкость,
прочность и долговечность) зависят от наполнителей, их вида и количества.
Наполнители увеличивают вязкость клея и предотвращают быстрое впитывание или
выдавливание его из клеевого шва, а также сокращают расход смолы в толстых клеевых швах.
Подбирая соответствующий наполнитель, можно успешно бороться с присущими карбамидным
клеям хрупкостью или усадкой. В основном для наполнения карбамидных клеев используют
тайфунированную древесную муку, иногда - литопон.
Введение наполнителей позволяет снизить расход клея на единицу поверхности. Чтобы
сэкономить клей при склеивании фанеры и деревянных деталей, можно наносить его во
вспененном состоянии. Для этого применяют специальные вспенивающие аппараты (мешалки),
а в смолу добавляют стабилизирующие пену вещества: сапонин, казеин, альбумин,
синтетические поверхностно-активные вещества, например ОП-7 и др.
На прочность соединений влияет также время открытой выдержки до прессования. Для
наиболее распространенных клеев горячего отверждения МФ-17, М-4, МФС-1, М-60 время
открытой выдержки составляет 60 мин, а для клея М-70 - не более 30 мин. Для клеев
холодного отверждения М-4, М-60, М-70 время выдержки составляет 20 мин, а для клея
К-17 - 30 мин.
Большой интерес представляют порошкообразные карбамидные клеи (сухие),
получаемые распылением жидкой смолы и последующей ее сушкой горячим воздухом или
топочными газами. Распыление может производиться форсунками пневматического действия,
работающими по принципу движения сжатого воздуха или пара перпендикулярно или
параллельно струе смолы. Сухой клей представляет собой белый или светло-серый порошок,
для предотвращения комкования которого в состав вводят небольшое количество керосина.
Для растворения на 1 вес. ч. порошка берут 0,6-0,7 вес. ч. воды; растворение производят
при перемешивании до получения однородной массы. Эти клеи изготовляют на основе
различных карбамидных смол: М-48, М-70 и др. Разработан специальный порошкообразный
клей СМК-2, имеющий после растворения водой вязкость 20-90°
ФЭ и рН от 5,2 до 7,2.
Жизнеспособность раствора не менее 2 суток; для ее увеличения вводят этиловый
спирт (до 10% от веса смолы).
Отвердителем служит молочная кислота, количество которой для клея рассчитывают
по формуле Рис. 1.
Рис. 1. Формула расчета количества молочной кислоты
A - вес молочной кислоты, г; B - вес раствора смолы, г; C - концентрация раствора смолы, %; E - концентрация раствора молочной кислоты, %; 3,5 - поправочный коэффициент;
Жизнеспособность клея после введения отвердителя 2-8 ч. Прочность клеевых
соединений древесины на порошкообразных клеях достигает 20-22 кг/см²
и не снижается после вымачивания в воде в течение 24 ч. Преимущество порошкообразных клеев
состоит в удобстве транспортировки, хранения и приготовления.
Однако надо иметь в виду, что эти клеи гигроскопичны, поэтому хранить их следует
в сухом помещении и в закрытой таре при температуре не выше 20 °С и влажности 5%.
Карбамидные клеи требуют относительно высокого давления при запрессовке
(5-10 кг/см²). Соединения на клеях горячего отверждения
более тепло- и атмосферостойки по сравнению с клеями холодного отверждения, температура
склеивания при горячем отверждении не должна превышать 125 °С.
Карбамидные клеи горячего отверждения дают прочные соединения, стойкие к
длительному воздействию холодной воды и температуры от -40 до +60°
С. Более высокая температура приводит к процессам деструкции в клеевой прослойке. Теплый
воздух (+80 °С) вызывает снижение прочности соединения
(за 6 ч - на 25-30%).
Пребывание образцов на открытом воздухе под солнцем приводит к полному
расклеиванию соединений древесину в течение 3-4 лет.
Соединения на карбамидных клеях, в соответствии с ГОСТом, относят к категории
средневодостойких.
Испытывают соединения, вымачивая образцы в воде при комнатной температуре в
течение 24 ч. При этом несколько увеличивается прочность соединений вследствие повышения
эластичности клеевых прослоек, которые в сухом состоянии хрупки и жестки. Например,
испытания фанеры, склеенной клеем МФС-1, показали, что прочность образцов в сухом
состоянии составляет 20,5 кг/см², а после вымачивания в
воде в течение 24 ч - 25 кг/см². Таким образом,
вымачивание образцов в воде при комнатной температуре не является по своему характеру
разрушительным для карбамидных смол и поэтому не должно служить условием стандартного
испытания.
Так как соединения на карбамидных клеях сравнительно хорошо сопротивляются
действию влаги, но разрушаются при повышенной температуре, их можно характеризовать как
нетеплостойкие. Испытания показывают, что соединения на карбамидных клеях не теряют
прочности при длительном, в течение 4-5 лет, воздействии температуры до 50 °С.
При температуре 60-70 °С прочность соединений постепенно
снижается вследствие развития термической деструкции полимера.
Во влажной среде при нагревании прочность соединений на карбамидных клеях
снижается быстрее, чем на воздухе. Учитывая это свойство, эффективным методом проверки
качества соединений на карбамидных клеях может служить вымачивание образцов в воде при
температуре 65-70 °С в течение 3 ч.
Тепло- и атмосферостойкость карбамидных клеев можно повысить, вводя в мочевино-
формальдегидную смолу меламин или используя для клея готовые мочевино-меламино-
формальдегидные смолы, полученные в процессе совместной поликонденсации мочевины,
меламина и формальдегида. Добавление 10-20% порошкообразного технического меламина в
готовую мочевино-формальдегидную смолу повышает срок службы клееных изделий в атмосферных
условиях. Благодаря наличию трех аминогрупп меламин, введенный в смолу, энергично
реагирует со свободным формальдегидом, в результате чего процесс с поликонденсации
углубляется и усиливается теплостойкость клеевой прослойки.
Наиболее устойчивый эффект теплостойкости клеевых соединений достигается при
использовании смол, полученных совместной конденсацией мочевины, меламина и формальдегида
при соотношении между мочевиной и меламином примерно от 1:0,5 до 1:1.
Отечественный мочевино-меламиновый клей ММС, получаемый таким путем, имеет
вязкость 300-800 сп, содержание сухого остатка 60%, содержание свободного формальдегида
0,5-1,5%, соотношение мочевины и меламина в исходной смеси 1:0,66, содержание меламина -
16%.
Отвердителем мочевино-меламинового клея служит хлористый аммоний, вводимый в
количестве 0,5-1% от веса смолы. Избыток хлористого аммония снижает водостойкость
клеевого соединения. Клей ММС обладает стойкостью к действию кипящей воды и, таким
образом, по свойствам приближается к феноло-формальдегидным клеям, но в отличие от них
отверждается значительно быстрее. Другие отечественные мочевино-меламиновые клеи ММФ,
М-61 близки по свойствам клею ММС.
Свойства карбамидных смол могут быть также значительно улучшены модификацией
фуриловыми смолами или совместной конденсацией мочевины и фурфурола (смолы ВМФ, МФФ, МФФР
и др.).
Мочевино-фуриловая смола ВМФ отличается повышенной прочностью, водостойкостью и
рекомендуется в качестве клея для древесины при производстве древесностружечных плит,
древесных и бумажных пластиков. Она представляет собой однородную вязкую массу от
светло-желтого до светло-коричневого цвета. Удельный вес смолы 1,18-1,30 г/см³,
вязкость по вискозиметру ВЗ-4 20-150 сек, содержание сухого остатка 45-70%, концентрация
водородных ионов 6,8-7,5, жизнеспособность с 1% хлористого аммония 0,8-10 ч, срок хранения
не менее 6 месяцев. Смолу ВМФ применяют для холодного и горячего отверждения в зависимости
от глубины конденсации и от используемых катализаторов. Прочность клеевых соединений
фанеры, изготовленной на смоле ВМФ, в сухом состоянии составляет 12,4-22 кг/см²,
а после кипячения образцов в воде в течение 1 ч - 8,6-12,4 кг/см²,
в то время как прочность образцов фанеры на феноло-формальдегидной смоле С-1, испытанных в
аналогичных условиях, составляет 12-18,2 кг/см², в сухом
состоянии и 9,6-15,2 кг/см² после кипячения в воде. Таким
образом, клеевые соединения на смоле ВМФ соответствуют требованиям, предъявляемым к
водостойкой фанере. Это позволяет заменять дорогостоящие и дефицитные феноло-
формальдегидные клеи, используемые в производстве водостойкой фанеры и плит, на более
доступные мочевино-фуриловые, стоимость которых на 20% ниже.
Недостатками карбамидных клеев, особенно холодного отверждения, являются
хрупкость клеевой прослойки значительная усадка, ограниченное зазорозаполнение,
невысокая тепло- и атмосферостойкость. Эти недостатки могут быть устранены в результате
модифицирования карбамидных смол поливинилацетатной эмульсией и некоторыми латексами.
Поливинил ацетат, содержащийся в эмульсии, обладает термопластичными свойствами, поэтому
получающиеся в результате модификации карбамидно-поливинилацетатные клеи эластичны,
отверждаются с меньшей усадкой, не требуют высокого давления при склеивании и могут
склеивать древесину с более высокой влажностью, чем это предусмотрено для карбамидных
клеев.
Совмещая карбамидную смолу и латексы, можно получить карбамидно-латексные клеи с
повышенной эластичностью и несколько более высокой водо- и теплостойкостью. Для этого
вводят не менее 20% латекса.
В строительстве карбамидные клеи применяют в основном для склеивания древесины.
Этому способствует простота обращения с ними, хорошая впитываемость клея в древесину,
минимальное содержание летучих веществ, высокая скорость отверждения, относительно
невысокая стоимость, обеспеченность сырьевой базой.
