Tillverka papperslim

Kemisk bakgrund

Lim - vad är det?

En definition av lim lyder "Limning är att med hjälp av adhesionskrafter och ett tredje material binda samman två kroppar. Det sammanbindande ämnet ska övergå från flytande till fast form".

Mellan molekylerna i en kropp verkar kohesionskrafter (sammanhållande inom ett material). Eftersom molekylerna inne i kroppen påverkas av krafter i alla riktningar märks inte dessa krafter inne i kroppen, men för molekylerna på ytan , som saknar påverkan från ett håll, kommer resultatet att bli en kraft som drar mot mitten. Ytspänningen beror av detta samband.

I gränsytan mellan två kroppar verkar adhesionskrafter (sammanhållande i kontaktytan mellan två material). Kraftens storlek är större ju mindre avståndet är mellan molekylerna. Om man kunde pressa samman två brottytor, som exakt passade samman, till ett avstånd mindre än 4 Å (0,0000004 mm) skulle man få en perfekt "limning".

Limmets uppgift är att fylla ut alla ojämnheter mellan ytorna som ska sammanfogas. För att det ska fungera måste adhesionskrafterna (de mellan lim och material ) vara större än kohesionskrafterna mellan limmets molekyler.I annat fall kommer ytspänningen att hindra limmet från att tränga ner i materialets små ojämnheter, och avståndet mellan molekylerna blir för stort (Limmet ska kunna väta materialet).

Feta vaxartade ytor, t ex av etenplast, är svåra att limma eftersom de är svåra att väta. Om man lägger en vatten droppe på etenplasten ser man att den inte rinner ut. Samma sak gäller limmet på mikroskopisk nivå, fast man kanske inte ser det med blotta ögat. Det beror på att adhesionskrafterna mellan limmet (vattnet) och etenplasten är svaga.

Teorier för adhesion

Vidhäftning, adhesion, kan förklaras med flera olika teorier eller en kombination av dessa [1].

Man kan likna adhesion i limmer med kardborreband. Ena delen av kardborrebandet har små hakar och den andra små öglor. När de två halvorna kommer i kontakt med varandra griper de tag i varandra. På samma sätt kan limmet fästa på ytan genom att limmolekylerna griper tag i ojämnheter i underlaget. Denna teori är den mekaniska teorin för limning.

Adhesion kan också förklaras med den elektrostatiska teorin. Du har säkert märkt att torra papper eller plastfilmer som gått genom kopieringsapparaten dras mot varandra. Det beror på laddningar som samlats på ytan. Negativa laddningar på ena sidan dras mot positiva laddningar på den andra. På mikroskopisk nivå finns också en attraktion mellan laddade grupper i limmet och grupper med motsatt laddning i underlaget.

Adsorptionsteorin förklarar adhesionen med Van der Waals-bindningar. Den uppstår på grund av eletronmolnens slumpvisa fluktuationer (förskjutningar) kring molekylerna. Det ger upphov till kortlivade positiva och negativa områden kring molekylerna. En tillfällig positiv laddning i en molekyl attraheras till en tillfällig negativ laddning i en närliggande molekyl.

Van der Waals-krafterna har även stor betydelse för smält- och kokpunkterna för ämnen som saknar andra starkare sammanhållande krafter. I t ex stearin är Van der Waals-krafterna de krafter som gör att ämnet är i fast form i rumstemperatur.

Diffusionsteorin för adhesion kan tillämpas på molekyler med långa kedjor. Värmerörelsen får kedjorna att röra sig kring varandra och delvis blandas. Det blir ingen skarp gränsyta mellan limmet och underlaget. Molekyler som kan diffundera (röra sig slumpvis) har också en förmåga att sprida sig en bit från limfogen, in i det underliggande materialet.

Till detta kommer möjligheten att limmet och underlaget binds till varandra i en kemisk reaktion, där t ex kovalenta bindningar uppstår, men då handlar det inte längre om vanlig adhesion.

Limtyper

Man kan del in limmerna i olika typer efter hur de stelnar:

Avsvalnande lim stelnar när de svalnar, t ex kollagena lim från ben och hudar. Kollagen är ett segt, böjligt protein som finns tillsammans med kalken i skelettet och som gör det starkt och hindrar det att brytas av. Ett annat exempel på smältlim är det som används i limpistoler.

Lösningsmedelsbaserat lim har bindemedlet löst i ett lösningsmedel, t ex vatten eller organiska lösningsmedel som avdunstar. Bindemedlet kan vara t.ex stärkelse, plast, gummi.

Härdande lim stelnar genom kemisk reaktion när ett ämne tillsätts (tvåkomponentlim) eller i frånvaro av ett ämne (anaerobt lim stelnar i brist på luft ). Ljus eller värme kan också fungera som härdare. Fenol- eller ureaharts härdar i värme.

Lim och miljöhänsyn

Det första syntetiska limmet var ett fenollim. Det kom omkring 1920 och var framställt ur fenol och formaldehyd. Limmet förbättrades sedan genom tillsats av resorcinol (Resorcinol liknar fenol, men har två OH-grupper i stället för en). Nackdelar med resorcinol är högt pris och icke-miljövänlig framställning.

Urealim framställs ur karbamid (urinämne) och formaldehyd med ett surt ämne som härdare. Det har använts som bindemedel i spånskivor. Fri aldehyd som dunstar från skivorna har i många fall påverkat inomhusluften på ett negativt sätt. Vissa importerade spånskivor har haft mycket höga halter av aldehyd.

PVAC kom strax efter andra världskriget. Härdare som används kan vara giftiga (som aromatiska aminhärdare), eller ge allergiska eksem (som alifatiska aminhärdare).

Kuriosa

I Tutanchamons grav har man hittat en kista av cederträ limmad med djurlim.

Första limfabriken man känner till fanns i Holland i slutet av 1600-talet.

Kaseinlim började användas i Sverige i början av 1900-talet, Casco startade tillverkningen 1928. Limmet användes till flygplan under första världskriget, till de första limmade skidorna och till taket i vänthallen på Stockholms central för att nämna några exempel.

Gelatin

Gelatin framställs mest ur slakteriavfall och består av kollagen från hud och ben. Kollagenet är segt och starkt. Gelatinet tar upp vatten, men löser sig inte. Det bildar en gel med goda limningsegenskaper som har använts imånga sekler, t.ex. inom bokbindning.

Stärkelse

Vanlig stärkelse är inte löslig i vatten. Genom att värma stärkelsen under ganska lång tid vid en temperatur strax ovanför gelatiniseringstemperaturen (62,5 ° för potatisstärkelse och 67,5 ° för vetestärkelse). Man kan också gelatinisera stärkelsen med alkali (baser) så lågt som vid rumstemperatur. Gelatiniseringen innebär att stärkelsen bryts ned i mindre delar genom hydrolys. Ju kortare fragment desto lättlösligare, men samtidigt mindre viskös, blir stärkelsen/gelatinet. [1]

Fördjupning

Ytspänning

Vattnets ytspänning är hög

Vatten är exempel på ett ämne med hög ytspänning. Det beror på att attraktionskrafterna mellan vattenmolekylerna är ovanligt stora. Vätebindningen mellan syret i en molekyl och väteatomen i en annan närliggande molekyl är nämligen stark.


Ytspänningen är en följd av att attraktionskrafterna i gränsskiktet är riktade inåt.
"Wasser in Tropfen und an der Phasengrenze" av Booyabazooka" (CC BY)

Ytspänningen visar sig i gränsskiktet

Attraktionskrafterna mellan molekylerna får vätskan att hålla samman. Inne i vätskan verkar attraktionskrafterna åt alla håll eftersom varje molekyl är omgiven på alla sidor av andra molekyler som den attraherar.

I gränsskiktet mellan vattnet och luften är bindningarna mycket svagare, så svaga att de oftast är försumbara. Luftens molekyler kan nämligen inte bilda de starka vätebindningarna. Dessutom är avståndet mellan luftmolekylerna stort, vilket innebär att vattnet inte kan binda till så många luftmolekyler. Bindningarna är dessutom mycket kortvariga. De existerar bara i ett mycket kort ögonblick då luftmolekylen kolliderar med vattenytan.

Det är skillnaden i energi mellan vattenmolekylerna i vätskeytan (högre energi) och molekylerna i vätskans inre (lägre energi) som är själva ytspänningen. Ytspänningen är alltså ett mått på den energi som krävs för att skapa fasgränsen mellan vätskan och gasen.


Ytspänning i en droppe.
Bild: Svante Åberg, Sofie Wallin

Ytspänning i en droppe

De röda pilarna visar krafterna som håller samman vattenmolekylerna i en droppe. Nettokraften (summan av krafterna) visas med blå pil.

I droppens inre verkar krafterna åt alla håll ungefär lika mycket. Krafterna tar därför ut varandra så att nettokraften blir nästan noll.

I vattenytan finns bara krafter som verkar i ytan och mot droppens inre. Nettokraften pekar därför mot droppens inre. Det verkar som om vattnet har en tunn hinna, ytspänning. Ytspänningen gör att droppen får en rund form.



Ytspänning i en plan vätskeyta.
Bild: Svante Åberg, Sofie Wallin

Ytspänning i en plan vätskeyta

Om vattenmängden är större flyter vattnet ut till en plan yta. Det beror på att vattnets tyngdkraft är större än ytspänningens sammanhållande krafter. Ytspänningen finns dock kvar som en tunn hinna på vattenytan. Det är den som gör att skräddare (insekter) kan springa på vattenytan utan att sjunka.


Energinivån är högre hos molekylerna i vätskeytan

Bindningsenergier sänker molekylernas energinivå. Det kan man förstå när man tänker på att det krävs arbete för att slita loss en molekyl från de andra molekylerna i vätskan. Eftersom molekylerna i vätskeytan binder färre grannmolekyler, så sänks deras energi inte lika mycket som molekylerna längre in. Molekylerna i ytan ligger på en högre energinivå. Det är denna energiskillnad som är ytspänningen. Ytspänning mäts i enheten energi per ytenhet (J/m2).

Men energi kan också mätas som det arbete som krävs att skapa vätskeytan. Till exempel krävs det arbete att blåsa upp en såpbubbla, även om det är lite. Om man tar bort munnen från blåsröret innan bubblan har lossnat, så drar såpbubblan ihop sig igen. Det finns alltså en spänning i vätskeytan. Ytspänningen kan därför också anges som kraft per sträcka (N/m), ungefär som den kraft som krävs att sträcka ett gummiband.