W przemyśle korzysta się od dziesięcioleci z różnych sposobów łączenia, takich jak: nitowanie, spawanie wkręcanie i lutowanie. Obecnie w coraz liczniejszych aplikacjach stosuje się różne techniki klejenia. Wśród głównych zalet klejenia wymienia się elastyczność, delikatność i łatwość stosowania.
Niestety w stosunku do innych technologii łączenia, klejenie jest z reguły bardziej wymagające, jeśli chodzi o wymogi procesu technologicznego. Znane są przypadki wad produktów spowodowane złą technologią, czy też złą jakością kleju lub jego oddziaływaniem na klejone materiały. Często skutek takiej wady ujawniał się dopiero po dłuższym czasie, stąd trudno mu zapobiec w czasie produkcji. Niestety wina może w takich przypadkach leżeć zarówno po stronie producenta, jak i użytkownika kleju. Producenci zwracają uwagę na często popełniane błędy w stosowaniu klejów, a użytkownicy na różną jakość kolejnych partii produktu.
Można powiedzieć, że klejenie jako metoda łączenia bardzo różnych powierzchni jest już dojrzała technologicznie. Praktycznie można połączyć wszystko ze wszystkim i otrzymać spoinę właściwą dla wymagań każdego procesu technologicznego, choć nie wszędzie ze względu na koszty to się opłaca. Teoretycznie taki sam klej możemy kupić od różnych producentów. Z tym oczywiście oni sami się nie zgadzają twierdząc, że ich produkt jest wyjątkowy. Krajowi producenci klejów uważają, że produkty znanych koncernów są porównywalne pod względem jakości, bo powstają praktycznie z tych samych komponentów chemicznych. Co nie tłumaczy tak znaczącej ich zdaniem różnicy w cenie. Tu jednak trzeba być ostrożnym, bo niewielkie zmiany w składzie kleju i dokładniejsza kontrola w czasie jego produkcji mogą wpływać na jego zachowanie w trakcie użytkowania. Czy jednak ceny niektórych światowych producentów nie są zawyżone – trudno to jednoznacznie ocenić. Można powiedzieć, że klejenie staje się w coraz większym stopniu i w wielu obszarach, zwłaszcza dotyczących wysokich technologii, kluczową metodą łączenia różnych nowych materiałów. Ciekawym trendem jest stosowanie połączeń hybrydowych, w których używa się klejenia razem z innymi technikami łączenia.
Rynek
Analitycy z firmy Ceresana przeanalizowali w opublikowanym w tym roku raporcie europejski rynek kleju. Jak się okazało, największy popyt na kleje jest w Niemczech. Stanowi on ok. 18,5% całego popytu w Europie. Na kolejnych miejscach są: Francja, Włochy i Wielka Brytania. Wzrost powyżej średniego o 2,7% do 4,8% osiągnięto na takich rynkach zbytu, jak: Rosja, Polska i Turcja. Wśród najważniejszych obszarów zastosowania w powyższym raporcie, wymienia się takie, jak: papier, opakowania oraz budownictwo. Zapotrzebowanie w tych trzech obszarach to ponad 58% produkcji klejów.
Analitycy spodziewają się, że wzrośnie zapotrzebowanie na kleje w inżynierii medycznej, przemyśle samochodowym, elektrycznym i elektronicznym i osiągnie tempo wzrostu od 2,7% do 3,8% rocznie. Dotyczy to szczególnie klejów akrylowych, które są wykorzystywane w samochodach i pojazdach szynowych. To samo dotyczy żywic epoksydowych, które są dodatkowo stosowane w konstrukcjach lotniczych. Jeśli chodzi o kleje utwardzane promieniowaniem, oczekuje się, znacznego wzrostu ich zużycia w przemyśle elektrycznym i elektronicznym. W przypadku klejów naturalnych, produkowanych ze skrobi, celulozy i surowców zwierzęcych, przewiduje się wzrost ich użytkowania tam, gdzie wykorzystuje się papier, tekturę i opakowania. W zastępowaniu klejów na bazie rozpuszczalnika klejami bez rozpuszczalników nadal przewodzi Europa Zachodnia. Choć – jak wynika z badania – firmy w Europie Wschodniej coraz częściej inwestują w rozwój nowych systemów klejenia. Autorzy z firmy badawczej Ceresana podkreślają, że przyjazne dla środowiska kleje zyskują powszechnie na znaczeniu. Chodzi tu o kleje z tzw. źródeł odnawialnych, jak i wykorzystujące niezanieczyszczające środowisko składniki.
Wśród największych producentów klejów w Europie wymienia się takich, jak: 3M Europe, Akzo Nobel, Altana, AVEBE, BASF, Bostik, H.B. Fuller Europe, Henkel, ITW (Europe), Mapei, Sika, Tremco illbruck International, Uzin Utz, i Wacker Chemie. W kraju mamy wielu producentów klejów, jak również produkują je firmy zagraniczne w zakładach mieszczących się w naszym kraju. Są to często producenci wyspecjalizowani w jakimś rodzaju asortymentu. Wybrani krajowi producenci klejów to między innymi: P. Paprocki Zakłady Chemiczne, Akwawit – Polmos (producent klejów AWILEP do etykiet), Synthos (kleje do drewna Woodmax), Polychem Systems.
Jak mówi Sebastian Frączek z zarządu firmy Sack Invent Trading, firma od kilku lat zmienia profil w kierunku aktywności związanej z zagadnieniami klejów przemysłowych i ma doświadczenie w zakresie wdrożeń klejów w przemyśle opakowaniowym: słodycze, napoje, mrożonki, kawa, herbata oraz przemyśle papierniczym. W tym roku firma wdrożyła kleje Advantra PHO 0005 i PHO 0006 do aplikacji stosowanych w przemyśle mleczarskim, napojów bezalkoholowych. Stosowane są do tzw. recapów przy opakowaniach typu TETRAPAK i charakteryzują się odpornością na niskie/wysokie temperatury, dużą adhezją w porównaniu z klasycznymi klejami typu EVA. – Na przełomie roku wdrożymy nową linię produktów o jeszcze wyższych parametrach wydajnościowych od klejów typu Advantra, pozwalającą na oszczędności w procesie klejenia – dodaje Sebastian Frączek. Wskazuje też na nowy klej do etykietowania Clarity HL4084 stosowany przy etykietowaniu butelek PET i szklanych oraz metalowych puszek, bo ma zdolność recyklingu, a dokładnie mówiąc, jest zmywalny wodą np. z butelek zwrotnych PET.
Barbara Makosz z firmy Remex z podobnej grupy produktów poleca klej WORDMELT PK 21 do klejenia pudełek, kartonów i toreb na maszynach automatycznych. Jest on zalecany do konfekcjonowania produktów żywnościowych i leków, ponieważ nie wydziela nieprzyjemnych zapachów. Produkowany jest z surowców, które mają mniejszą zawartość substancji lotnych od klejów na bazie EVA. Nie powodują powstawania nici i włókien mimo aplikacji w temperaturach niższych niż zalecane. Są też zgodne z regulacjami DL z dnia 21.03.1973 i późniejszymi zmianami, dotyczącymi produkcji opakowań przeznaczonych do kontaktu z żywnością lub artykułami użytku osobistego oraz z normami FD A21 CFR 175.107. Sklejenia wytrzymują zarówno w wysokich, jak i w niskich temperaturach. Jak mówi Barbara Makosz, taką samą siłę klejenia jak za pomocą tradycyjnego kleju termotopliwego można uzyskać przy 30% mniejszej ilości kleju PK. Oczywiście takich coraz lepszych produktów jest na rynku coraz więcej. Czasem mniej znaczące cechy użytkowe klejów, jak na przykład to, że nie zapychają dyszy i nie odkładają się w przewodach aplikatorów, mają duże znaczenie praktyczne.
W praktyce
Różnorodność materiałów, powierzchni i procesów technologicznych, w których stosuje się łączenie metodą klejenia, nie pozwala doradzić konkretnej aplikacji. Jednak są wspólne elementy, na które warto zwrócić uwagę, stosując taką technologię łączenia. Poza tym, że należy dobrać odpowiedni klej do danej aplikacji, ważnym elementem skutecznego połączenia jest to, co może zrobić użytkownik, czyli zadbać o przyczepność przez oczyszczenie podłoża i ewentualną jego obróbkę wstępną oraz zastosować odpowiedni grunt.
Jakie są ograniczenia związane z technologią klejenia? Choć montaż przy pomocy kleju może być łatwo zautomatyzowany, to potrzebny jest czas do osiągnięcia odpowiedniej wytrzymałości przez spoinę. Ograniczeniem też jest przygotowanie powierzchni czy problemy z demontażem.
Przeważają zalety, w tym niewymaganie posiadania specjalistycznego sprzętu i oszczędności – zmniejszenie kosztów generowanych przez korzystanie z usług zewnętrznych lub konieczność posiadania przeszkolonego personelu.
Jak radzą specjaliści, należy zwracać uwagę na to, jak duże szczeliny występują czy mogą wystąpić pomiędzy klejonymi powierzchniami. Jeśli szczelina pomiędzy klejonymi elementami jest duża, to może przekraczać dopuszczalny wymiar dla danego kleju. Nawet jeśli nie, to w przypadku klejów cyjanoakrylowych może się to wiązać z dłuższym czasem wiązania. Wtedy warto przed lub w trakcie klejenia użyć aktywatora (akceleratora) przeznaczonego dla tego typu klejów.
Oczywiście należy zawsze dbać o to, by powierzchnie klejonych elementów były czyste i dobrze odtłuszczone. Niewłaściwe jest, choć można się z tym spotkać, używanie do odtłuszczania powierzchni powszechnie stosowanych środków myjących i rozpuszczalników. Poleca się stosowanie tych, które zawierają wyłącznie aceton i alkohole.
Nowości
Od kilku lat obserwujemy coraz większe zainteresowanie wysoko wydajnymi klejami syntetycznymi, opartymi między innymi na poliuretanach, żywicach epoksydowych i materiałach utwardzanych: wiązką elektronową (EB), światłem ultrafioletowym (UV) lub z zakresu widzialnego (VL). Dzięki metodom radiacyjnym możliwe jest natychmiastowe polimeryzowanie drobnocząsteczkowych komponentów, co pozwala uniknąć stosowania podwyższonych temperatur i rozpuszczalników.
Użytkownicy klejów przemysłowych oczekują od dostawców rozbudowanej oferty produktów. Dlatego też producenci tacy jak choćby 3M wprowadzają co roku nowości do oferty. Jednym z takich nowych produktów 3M są jednoskładnikowe kleje uszczelniające i uszczelniacze. Dzięki temu firma może zaoferować kompleksowe technologie klejenia do zastosowań w produkcji oraz naprawie pojazdów i łodzi. Nowe produkty 3M to: uszczelniacze poliuretanowe i uszczelniacze hybrydowe – trwałe i odporne na promieniowanie UV. Pojawiają się też specjalistyczne produkty dla nowych, szybko rozwijających się gałęzi przemysłu, jak na przykład dla producentów słonecznych paneli fotogalwanicznych.
Dla takich odbiorców Henkel wprowadził na rynek produkty z grupy Terostat i Henkel Loctite kleje, uszczelniacze oraz środki czyszczące do produkcji i montażu modułów słonecznych, np. kleje do montażu nowoczesnych modułów cienkowarstwowych i z krzemu krystalicznego (c-Si). Między innymi mają one mniejsze wymagania w stosunku do temperatury utwardzania. DuPont z kolei nową technologię do klejenia wyświetlaczy obrazu DuPont Vertak.
Nowe technologie klejenia pozwalają na tworzenie innowacyjnych produktów, niedostępnych w inny sposób. Z najnowszych informacji podanych przez firmy 3M i IBM wynika, że opracowały one innowacyjną technologię klejenia półprzewodników (tzw. stosów krzemowych, czyli płytek, na których znajdują się rdzenie układów scalonych), a także układów 3D. Według IBM produkcja pierwszych rozwiązań zawierających do 100 sklejonych półprzewodnikowych płytek rozpocznie się już w przyszłym roku.
Różne zastosowania
Poza procesem produkcyjnym kleje stosuje się również do uszczelniania i zabezpieczania gwintów, jak też przy remontach maszyn i innych urządzeń. Wykorzystuje się tu przede wszystkim przemysłowe kleje anaerobowe. Nie zawierają rozpuszczalników, a katalizatorem jest tu powierzchnia metalu. Odcięcie dopływu powietrza przyspiesza proces wiązania. Po utwardzeniu przybierają postać tworzywa. Warto tu zwrócić uwagę, że mogą być one koloryzowane, by łatwiej było kontrolować aplikację. Można też stosować aktywatory do klejów anaerobowych – jest to rozpuszczalnik stosowany na powierzchnię klejoną, na przykład do powierzchni nieaktywnych. Taką powierzchnią może być: stal (nierdzewna, kwasoodporna), aluminium, cyna, cynk, srebro, złoto, ceramika, warstwy tlenków, powłoki anodowe, tworzywa sztuczne, szkło. Nie zaleca się używania aktywatora na powierzchniach aktywnych, takich jak: stal, żelazo, miedź, brąz, mosiądz.
Dzięki zastosowaniu odpowiednich klejów można mocować nieruchomo łożyska, koła pasowe, koła zębate, wały itp. Niepotrzebna jest wtedy metoda termiczna, czy też poprzez wcisk z użyciem dużej siły. Odpowiedni klej anaerobowy pozwoli na zamocowanie takich części bez wywoływania naprężeń w metalu, dokładnej obróbki czy korzystania ze specjalistycznego sprzętu.
Oszczędności
Klejenie bardzo często jest jednym z ostatnich etapów produkcji, a więc chociaż koszt kleju w odniesieniu do kosztu np. czekolady w opakowaniu jest znikomy, jednak brak dobrego sklejania może spowodować bardzo duży koszt dla producenta i utratę zaufania klientów i jak mówi Sebastian Frączek, warto zwrócić uwagę na sposób doboru kleju przez dostawcę. Według niego, jeśli oferta nie jest poparta wizytą dostawcy oraz jego gotowością do nadzoru testów i pomocy przy wdrożeniu kleju w proces produkcyjny, ryzyko niepowodzenia jest duże, a stosowanie kleju może być kosztowne. Bo każdy klej ma swoje szczególne właściwości i bez odpowiednich ustawień sprzętu, dozowania odpowiedniej ilości, wartości ciśnień, praktycznie nie jest możliwe skuteczne, bezpieczne i oszczędne stosowanie kleju. Pozornie tani klej staje się kilkakrotnie droższy w użytkowaniu aniżeli się spodziewaliśmy. Uważa, że warto szukać oszczędności poprzez kompleksowe działania związane z procesem klejenia, poczynając od dobrze dobranego do aplikacji sprzętu i jego serwisowania, doboru kleju i sposobu jego aplikowania, ustawień itp. Często drobne korekty mogą w skali milionów klejonych produktów i 50 tygodni produkcyjnych w roku dawać wymierne i nierzadko duże korzyści finansowe.
Jak podkreślają specjaliści, jest coraz większe zainteresowanie produktami z wyższych półek jakościowych i powolne odchodzenie na przykład od klejów typu EVA. Liczy się też łatwość aplikacji, wydajność, odporność na warunki, w których kleje są stosowane. Równocześnie coraz ważniejsze jest bezpieczeństwo zarówno dla bezpośrednich użytkowników klejów w przemyśle, jak i użytkowników gotowych wyrobów. Korzystając z produktów chemicznych, należy pamiętać, że podlegają one przepisom Unii Europejskiej nr 1907/2006/WE, określanym jako REACH. Dlatego warto dowiedzieć się od producenta klejów, czy użyte do ich produkcji substancje chemiczne podlegające pod to rozporządzenie zostały zarejestrowane wstępnie przez producentów tych substancji.
Autor: Bohdan Szafrański
