Tutkallar ve Yapışma Özellikleri

02 Kasım 2018

Tutkallar ve Yapışma Özellikleri

Maddelerin yapıştırılmak amacıyla kullanılmasının tarihteki ilk örnekleri M.Ö. 4.000 yılına kadar uzanmaktadır.

Araştırma yapan arkeologlar tarih öncesinde ölen kişilerin yanında, birlikte gömüldükleri toprak eşyaların, çömleklerin, kırıldıktan sonra yapıştırıcı özelliği olan çeşitli ağaç reçineleriyle tamir edildiğini belirtmişlerdir.

Yapıştırıcılar insanoğlu tarafından binlerce yıldır bilinip kullanılmasına rağmen, günümüzde kullandığımız yapıştırıcı teknolojisinin büyük bir kısmı son yüzyıl içerisinde geliştirilmiştir.

Özellikle elastomerin bulunuşu, yapıştırıcı formüllerinde hızlı ilerlemeleri de beraberinde getirmiş ve kimyacılara yapıştırıcıların özelliklerini geliştirme fırsatı vermiştir.

Yapıştırıcı ve malzeme arasındaki yapışma olayı; oldukça karmaşık reaksiyonları ve birçok değişkeni içermektedir. Yapışma fiziksel olarak tutkalın, küçük gözeneklerin içine nüfuz etmesiyle veya kimyasal reaksiyon mekanizmalarıyla oluşabilir.

Tutkal ve malzeme arasında kimyasal etkileşimler zayıf (elektrostatik kuvvetler) veya güçlü kimyasal bağlar (iyonik, kovalent) ile ilişkili olabilir.

2.Tutkalla Birleştirmenin Genel Özellikleri

Günümüzde değişik birçok kullanım alanı için, istenilen özellikte, ucuz yapıştırıcıların üretilebilmesi, tutkal endüstrisindeki hızlı gelişmeyi beraberinde getirmiştir.

Malzemelerin sıvı veya katı haldeki tutkallarla birleştirilmesi, diğer mekanik birleştirmelere örneğin kaynak, lehim, cıvata, vb. göre bazı belirgin avantajlara sahiptir.

Bu avantajlar aşağıdaki gibi kısaca özetlenebilir.

1. Birbirinden farklı özellikteki maddeler örneğin; alüminyum-kâğıt, demir-odun, kumaş-kağıt tutkallarla etkili şekilde birleştirilebilir.

2. Başka şekilde birleştirilmesi hemen hemen mümkün olamayan ince film, lif ve küçük parçacıklar örneğin; cam yünü, zımpara kağıtları, fren balataları, odun yongaları (yonga levha), tutkallarla kolayca birleştirilebilir.

3. Tutkallarla, diğer birleştirmelerden daha güçlü, hafif ve etkili bağlanma sağlanabilir. Böylece kuvvetlerin geniş alana dağıtılması mümkün olabilir ve madde zayıflamasından kaynaklanan kırılmalar azaltılabilir. Örneğin yapıştırma döşemeler, kompozit levhalar.

4. Farklı özellikteki maddelerin kuvvet/ağırlık oranları ve boyutsal kararlılığı, çapraz bağlar ile geliştirilebilir. Örnek olarak suya dirençli odun kompozit ürünlerinin(kontrplak, yonga levha, lif levha) termo-setting tutkallarla  birleştirilmesi verilebilir.

5. Tutkal hattı, bazı durumlarda elektrik, ısı veya su (nem) yalıtımı sağlamak için kullanılabilir.

Burada kısaca açıklanmaya çalışılan özelliklerin dışında, tutkallı birleştirmelerin genel veya özel kullanım alanlarında birçok avantajı bulunabilir.

Sonuç olarak tutkallarla, değişik malzemeler için ucuz, güvenli ve sağlam birleştirmeler yapılabilir.

3.Tutkalların Sınıflandırılması

 

Tutkalların sınıflandırılması birçok şekilde yapılabilir. Genel olarak tutkallar aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir:

• Uygulama ve katılaşma özelliklerine,

• Kimyasal bileşimlerine ve elde edildikleri kaynaklara,

• Yapıştırıldıkları malzemeye,

• Son kullanım yerine.

Aşağıda kısaca bazı tutkal çeşitleri ve sınıflandırılmaları özet olarak verilmiştir.

 

A. Doğal Tutkallar

• Protein Esaslı Tutkallar: Kazein tutkalı, kan tutkalı, soya tutkalı,

• Karbonhidrat Esaslı Tutkallar: Nişasta, selülozik tutkallar, dekstrin,

• Balsam ve Kauçuk Tipi Bitkisel Tutkallar: Doğal kauçuk, arap zamkı,

• Doğal Reçineler: Kolofan, şellak.

B. Sentetik Tutkallar (Organik Esaslı)

 

• Termoplastik Polimerler: Polivinil asetat (PVA), polivinil klorür (PVC), polivinil alkol,

•Butadin Polimerleri: Kauçuk-lateks, kauçuk-klor, sentetik kauçuk,

•Aminoplastlar: Üre-formaldehit reçinesi, melamin formaldehit reçinesi, disiyan-diamid reçinesi,

•Fenoplastlar: Fenol-formaldehit reçinesi, rezorsin-formaldehit reçinesi,

•Diğerleri: Poliamid, poliester, epoksi, silikon.

C. Sentetik Tutkallar (Anorganik Esaslı)

•Bezir yağı macunu, kireç, alçı, magnezyum oksit – klorür. Burada belirtilen bazı tutkal sınıfları da kendi aralarında daha alt gruplara ayrılabilir.

4.Yapışmanın Temel İlkeleri

Çeşitli teoriler ve pratik yaklaşımlar geliştirilmiş olmasın rağmen benzer veya farklı maddelerin yapıştırılmak suretiyle birleştirilmesi hala tam olarak açıklanamamış birçok konuyu kapsamaktadır.

Şu ana kadar yapılan çalışmalardan ve önerilen teorilerden ve ortaya çıkan genel sonuca göre; yapıştırma işlemi uygulanacak malzemelerin:

•Üst yüzey özelliklerinin,

•Birleştirmede kullanılacak yapıştırıcının kimyasal ve fiziksel durumlarının,

•Birleştirilecek malzemelerin ve kullanılacak yapıştırıcıların birbirleriyle oluşturabileceği yüzey ilişkilerinin, yakından incelenmesi, yapışmanın derecesinin tespit edilmesinde önemli olduğu anlaşılmıştır.

 

Tutkallarla birleştirmede yoğun olarak kullanılan adezyon ve kohezyon terimlerinin birbirleriyle karıştırılmaması gerekir.

Adezyon, iki maddenin yapışmasında, karşılık gelen yüzeylerin birleşmesini sağlayan kuvvetlerin toplamı olarak açıklanmaktadır.

Bu bakımdan iki katı madde atomları, mikroskobik olarak yüzey özeliklerinden dolayı birbirine belli düzeyden daha fazla yaklaştırılamaz ve tutkal molekülleri bu ara yüzey boyunca birleşmenin sağlanmasında yardımcı olurlar.

Kohezyon, aynı cins maddenin molekülleri arasındaki çekim kuvvetidir. Örneğin tutkal veya su moleküllerinin kendi aralarındaki çekim kuvvetlerine kohezyon olarak belirtilir.

Maddenin dış etkilere karsı direnç göstermesi ve şeklinin deformasyona dayanması kohezyon kuvvetlerinin büyüklüğüne bağlıdır. Aşağıda Şekil 1’de, adezyon-kohezyon ve yapıştırılacak yüzey arasında oluşan etkileşim şematik olarak gösterilmiştir.

adezyon-kohezyon

Şekil 1. Yapışma olayı ve adezyon-kohezyon etkileşimleri

Günümüzün yapışma veya tutkallarla birleşme olayı üzerine yapılan çalışmalar iki temel grup altında incelenebilir. Bunlardan birisi yüzeylerin kimyası ve fiziği ile uğraşırken diğeri yapıştırılmış eklemlerin kırılma mekaniği ile ilgilenmektedir.

Birinci grup büyük ölçüde bağ oluşumunu; ıslatma absorpsiyon-kimyasal bağlanma gibi birleşme hattı boyunca oluşan etkileşimin büyüklüğünü belirlemeye çalışırken, ikinci grup bir ara yüzey boyunca yapıştırılmış cisimlerin direncini ölçmek için deneme yöntemleri geliştirme ve analizleri ile ilgilenmektedir.

Tutkallarla birleştirmede göz önünde tutulması gereken bazı kimyasal bağların bağ enerjileri aşağıda kısaca gösterilmiştir.

Kimyasal bağlanma yapıştırıcının molekülleri ile yapıştırılan madde moleküllerinin kovalent, iyonik, hidrojen, van der Waals gibi bağların yüzeylerle tutkal tabakası arasında doğrudan etkileşmeleri sonunda oluşur.

Fiziksel bağlanma ise, yapıştırıcı kaba bir yüzey üzerinde katılaştığında, yapıştırıcı molekülleri ile yapıştırılan molekülleri arasında oluşan fiziksel absorpsiyon kuvvetleri veya yapıştırıcı moleküllerinin yapıştırılan maddeye difüzyon yoluyla geçişmesi, mekanik olarak kenetlenme sonucu olabilir.

Böylece yapışma hareketinin mekanizması değişik yapıştırıcı ve yapıştırılan madde türlerine göre tamamen farklı  olmaktadır.

Fiziksel veya kimyasal olarak yapışmanın nasıl oluştuğu oldukça karmaşıktır ve hala tam olarak açıklanamamıştır. Konu ile ilgili bazı teoriler bulunmaktadır.

Bağ tipi/ Bağ Enerjisi (KJ / mol)

İyonik bağ /600-1100

Kovalent bağ/ 160-700

Lewis Asit-Baz Etkileşimi /80’e kadar

Bronsted Asit Baz Etkileşimi /1000’e kadar

Hidrojen Bağlar /10-25

Dipole Dipole Etkileşimi/ 4-20

Dispersion Kuvvetleri /0.08-40

Yapıştırmada temel amaç, iki maddeyi birbirine mümkün olan en güçlü şekilde bağlayarak, iki yüzeyi birbirinden sağlanmasıdır.

Bu, yapışmanın en ideal biçimini oluşturmaktadır. Genelde bir ara yüzey boyunca iki farklı madde arasındaki etkileşim (yapışma-adezyon), maddelerin özelliklerine bağlı olarak fiziksel veya kimyasal bağlanma ile gerçekleşebilir.

Yapıştırıcılar kullanılarak iki yüzey arasında sağlam ve dayanıklı bir birleştirmenin sağlanabilmesi için aşağıdaki kriterlere dikkat edilmelidir;

a) Yapıştırılması istenilen yüzeylerde çözünebilen tutkal kullanılmalı,

b) Seçilen yapıştırıcı, yapıştırılacak malzeme ile kovalent bağ yapabilmeli,

c) Kullanılacak tutkal yüzeylerde kolayca yayılabilmeli/sürülebilmeli,

d) Yapıştırılması istenilen malzemelerin yüzey özellikleri kontrol edilmeli ve mikroskobik anlamda kaba olmalı,

e) Yüzeylerde zayıflık sağlayan yüzey deformasyonları/kirler uzaklaştırılmalı,

f) Kullanılacak yapıştırıcın viskozitesinin kullanım için uygunluğu kontrol edilmelidir.

 

Yukarıdaki kısımlarda, tutkallarla birleşmesinin temel esasları ve genel özellikleri üzerine en temel bilgiler özet olarak verilmiştir. Konu ile ilgili ayrıntılı bilgiler diğer kaynaklardan edinilebilir (Frihart ve Hunt 2010; Marra, 1992; Pizzi, 1994; Vick, 1999).

Prof. Dr. H. Turgut Şahin – Endüstri Mühendisliği Bölümü / Orman Fakültesi – Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

 

Kaynaklar 

Frihart, C. R., Hunt, C.G. 2010. Adhesives with Wood Materials: Bond Formation and Performance. In: Wood Handbook: Wood as an Engineering Material:USDA, Forest Service, General Technical Report FPL, GTR-190. Madison, WI.

Gillespie, R.H., Countryman, D., Blomquist, R. (1978). Adhesives in Building Construction, USDA Agriculture Handbook No. 516, Washington D.C. USA.

Kubler, H. 1980. Wood as Building and Hobby Material, John Wiley & Sons, NY.

Marra, A. A. 1992. Technology of Wood Bonding: Principles in Practice, Van Nostrand Reinhold, NY.

Pizzi, A. 1994. Advanced Wood Adhesives Technology, CRC Press, NY.

Şahin, H.T. 2005. Kontrplak Üretiminde Kullanılan Formaldehit Esaslı ‘Termo- Setting’ Tutkallar (in Turkish), Laminart, Haziran-Temmuz, Sayı 38, 128-133.

Şahin, H.T. 2012. Ağaç Malzeme Tutkalları, SDU Orman Fakültesi Ders notları (Basılmamıştır) 101s. Isparta.

Şahin, H.T. 2017. Odun Kompozit Malzemelerin Üretiminde Kullanılan Tutkallar ve Özellikleri, Putech & Composites, Temmuz-Ağustos 2017: 22-28.

Tank, T. 1993. Tutkallar ve Yapıştırma Tekniği, IU Orman Fakültesi Ders notları, (Basılmamıştır), İstanbul.

Vick, C. B. 1999. Adhesive Bonding of Wood Materials. In: Wood Handbook: Wood as an Engineering Material. Madison, WI. USDA, Forest Service, General Technical Report FPL, GTR-190. Madison, WI.