История, производство и будущее клея: от древних клеев к современным инновациям

Основы

В США средний человек использует примерно 40 фунтов (18,2 кг) клея в год — объем, подчеркивающий, насколько клеи неотъемлемы для современной жизни. От мебели и сантехники к обуви, книгам, зданиям и автомобилям — клей играет ключевую роль в бесчисленных отраслях.

Клей принадлежит к широкой семье клеящих веществ, отличаясь происхождением из натуральных органических соединений против химически синтезированных полимеров. Пока эпоксиды, герметики и уплотнители также химически основаны, они содержат специализированные добавки под конкретные применения.

Исторические рецепты клея восходят к древним племенам, перерабатывавшим животные ткани — кости, шкуры, кожи, сухожилия — для извлечения коллагена, белка, отвечающего за липкость. Молочные твердые вещества (казеин) и альбумин крови также служили базами; например, коровья сыворотка при нагревании коагулирует в альбумин, давая водонепроницаемый клей.

Рыбный клей, из голов, костей и кожи, исторически был тоньше и менее липким. Прорыв принес использование плавниковых мешков рыб, давая белый, безвкусный клей, известный как иктикол или ичикол.

Существует три основные категории натурального клея: костный, шкурный или кожаный и рыбный. Другие липкие вещества — клеящие, камеди, цементы — часто используются как синонимы в бытовой речи, но отличаются химически.

Растительные клеи, из растительных крахмалов, включают агар (из морских растений), альгин (из водорослей), камедь арабика (из акации). Морской клей, смесь смолы или пеньки, иногда ошибочно считают настоящим клеем, но не является традиционным клеем.

История

Ранние свидетельства клея датируются неандертальскими росписями в Ласко, Франция, где художники смешивали клей с пигментами для сохранения цветов от пещерной влаги. Египетские гробовые артефакты раскрывают обширное использование клея: с 3000 г. до н.э. фанеры и инкрустации в деревянной мебели опирались на животные клеи, папирусное производство также использовало клей. Греческие и римские мозаики, сохранившиеся до сегодня, еще больше подтверждают долговечность древних клеев.

На протяжении XVI–XIX вв. мастеровые столяры — Чиппендейл, Хепплуайт, Дункан Файф, братья Адамс, Шератон — использовали шкурный клей для точной столярки. Эти клеи, из измельченной шкуры или костного желе, были коричневыми, ломкими, твердыми и неводостойкими. Они оставались стандартом до Первой мировой войны, когда в производство вошли казеиновые и нитроцеллюлозные клеи.

1930-е принесли подъем синтетических клеев, Вторая мировая ускорила инновации с неопреновыми, эпоксидными и акрилонитрильными формулами. Эти передовые материалы, изначально ограниченные военным использованием, стали коммерчески доступны в конце 1940-х и 1950-х. Сегодня высокоспециализированные водостойкие клеи поддерживают отрасли от аэрокосмоса — используемые в Шаттле — до столярки и промышленных процессов вроде коллоидного образования для очистки жидкостей.

Питер Купер — филантроп, изобретатель и промышленный пионер — обеспечил почти монополию на американское клеевое производство после усовершенствования процесса и создания посвященной фабрики. Его предприятия охватывали металлургию, железные дороги, телеграфную инфраструктуру и ранние механические изобретения, олицетворяя трансформирующее влияние клеевой технологии на индустрию XIX в.

Сырьевые материалы

Производители клея закупают животные кости и ткани у мясокомбинатов, дубочных заводов и мясных фабрик. Крупнейший мировой производитель клея, компания Borden, иллюстрирует роль молочной отрасли в поставке казеиновых клеев. Распространенные сырьевые входы: уши, хвосты, обрезки шкур, сухожилия, кости, лапы. Производители рыбного клея аналогично собирают головы, чешую, кожи с консервных заводов.

Основные производственные стадии — мытье, намачивание, варка, очистка — по сути идентичны для костного, шкурного и рыбного клеев. Процесс дает «клеевой спирт», который повторно нагревают, очищают алюмом или кислотой, опционально обрабатывают яичным альбумином для удаления примесей.

Процесс производства

Производство шкурного клея

1. Шкуры и другие обрезки моют от грязи и намачивают для размягчения. Полученный сырой материал проходит последовательные ванны из извести для набухания и разрушения тканей. Известь промывают, слабые кислоты (уксусная или соляная) удаляют остаточную известь перед варкой либо в открытых баках, либо под давлением в автоклавах.
2. Контролируемое нагревание — типично 160 °F (70 °C) с несколькими температурными или давлением стадиями — расщепляет коллаген в клей. Извлеченная жидкость, или «клеевой спирт», повторно нагревают для повышения вязкости.
3. После остывания желатиноподобный материал содержит примеси. Очистка алюмом или кислотой с последующим яичным альбумином выпадает эти загрязнители. Механическая фильтрация или костной уголь также применимы.
4. Добавки — сернистая, фосфорная кислоты, алюм, оксид цинка — корректируют итоговый цвет и свойства, давая коричневый, прозрачный или белый «школьный клей».
5. Жидкость концентрируют в вакуумных испарителях и сушат в пластины, блоки или гранулы. Их затем смешивают до нужной консистенции и бутылкуют для распределения.

Производство костного клея

Костное клеевое производство сложнее. Кости обезжиривают, затем обрабатывают 8% раствором соляной кислоты для удаления фосфата кальция и других минералов, оставляя коллаген в нативной форме. Кислоту нейтрализуют и сушат коллаген для получения оссейна или окисленой кости. Эта база затем обрабатывается тем же методом открытых баков, что и шкурный клей.

Контроль качества

Производители контролируют каждый шаг точными приборами, компьютеризированным управлением и визуальной инспекцией для предотвращения ошибок температуры или давления, способных компрометировать большие партии. Близость к источникам сырья снижает риски загрязнения и повышает безопасность рабочих, строгие санитарные протоколы обеспечивают чистый конечный продукт.

Вторичные продукты и отходы

Клей — неизбежный побочный продукт молочных, мясных и других объектов, генерирующих сырье для его производства.

Перспективы

Клеи все чаще заменяют традиционные методы крепления — стежку, скобы, механические крепления — во многих производственных секторах. Медицинские клеи готовы лечить примерно треть всех ран, потенциально устраняя швы во многих случаях. Исследователи продолжают изучать новые применения, укрепляя репутацию клея как универсального, жизнь-улучшающего материала.