Coraz częściej w procesach produkcyjnych łączy się różne elementy, stosując klejenie. To obecnie efektywna i szybka metoda uzyskiwania połączeń o dużej wytrzymałości i odporności na działanie czynników zewnętrznych. Postęp technologiczny pozwala łączyć różne materiały przy zachowaniu ich właściwości i zakładanych parametrów dotyczących samego połączenia. Liczy się też szybkość wiązania, uzyskiwanie szczelności połączeń i brak potrzeby dodatkowej obróbki spoiny.
Klejenie jako metoda łączenia jest wykorzystywane już od czasów prehistorycznych. Do wykonania topora, który został znaleziony przy odsłoniętym przez lodowiec Ötzim, wykorzystano smołę jako klej. Pierwsze wzmianki o klejeniu pojawiły się w literaturze ok. 2000 r. p.n.e.
Uważa się, że rozwój nowoczesnych klejów rozpoczął się w 1690 r. wraz z rozpoczęciem produkcji w pierwszej komercyjnej fabryce klejów w Holandii. Wytwarzano w niej kleje ze skór zwierzęcych. Natomiast w 1750 r. wydano pierwszy brytyjski patent na klej uzyskiwany z ryb.
W XX w. technologie związane z klejeniem zaczęły bardzo szybko się rozwijać. Pojawiły się nowe materiały, takie jak żywice fenolowe. Jednak ze względu na niski koszt nadal korzysta się powszechnie z klejów naturalnych. Warto też zwrócić uwagę, że w naszym otoczeniu praktycznie w każdym przedmiocie wykorzystano przynajmniej jeden klej.
Rynek klejów
Analitycy przewidują, że w 2019 r. obroty na światowym rynku klejów osiągną poziom prawie 50 mld dolarów. W raporcie firmy Technavio dotyczącym światowego rynku klejów przemysłowych ocenia się, że w latach 2018–2022 będzie on rósł średnio o 5%, a głównym odbiorcą będzie przemysł motoryzacyjny. Zastosowanie przemysłowych klejów strukturalnych pozwala np. zmniejszyć masę pojazdów, co poprawia ekonomikę zużycia paliwa. Zmniejszając np. masę pojazdu o 10%, można uzyskać oszczędności w zużyciu paliwa na poziomie od 5% do 7%. Ma to duże znaczenie zarówno ze względu na rosnące ceny paliw, jak i ochronę środowiska naturalnego.
W raporcie zwrócono uwagę na szybki rozwój innowacyjnych technologii związanych z klejami i klejeniem w takich krajach, jak: Stany Zjednoczone, Niemcy, Wielka Brytania i Kanada.
Współcześnie ważny jest segment technologii wodorozcieńczalnych, mających największy udział w rynku w 2017 r. wynoszący blisko 44%. Tego rodzaju kleje wykazują doskonałą odporność na wilgoć, promieniowanie ultrafioletowe (UV) i przebarwienia. Większość klejów na bazie wody to emulsje żywicy, zwłaszcza emulsja polioctanu winylu (PVA).
Jeśli chodzi o odbiorców klejów, segment użytkowników budynków i producentów stolarki budowlanej w 2017 r. stanowił prawie 33%. Oczekuje się, że do 2022 r. będzie się on zwiększał o prawie 1%.
Najszybciej rozwijającym się segmentem użytkowników końcowych jest ten związany z rynkiem opakowań. Natomiast w opublikowanym we wrześniu tego roku raporcie dotyczącym zastosowania klejów w elektronice analitycy z firmy Technavio przewidują, że w latach 2018–2022 nastąpi wzrost tego rynku średnio rocznie o 10,06%. To pokazuje, jak duży nastąpił postęp w wykorzystaniu technologii klejenia.
Kleje i ich właściwości
Podstawowe parametry charakteryzujące klej to: lepkość, czas otwarty, czyli maksymalny okres od nałożenia kleju na powierzchnię sklejaną do chwili sklejenia, a także czas wiązania, określający, po jakim czasie spoina osiągnie pełną wytrzymałość. Kolejne istotne informacje dotyczą bazy kleju, czyli podstawowych składników odpowiadających za parametry związane z klejeniem, a także ilości suchej masy w jednostce objętości.
Oczywiście kleje mogą mieć różne właściwości fizyczne. Mogą być: sztywne, elastyczne, przewodzące lub nieprzewodzące prąd elektryczny albo ciepło. Mogą też różnie zachowywać się w polu elektrycznym lub magnetycznym. Dostępne są kleje odporne na wysokie i niskie temperatury, wodoodporne, odporne na działanie agresywnych środowisk chemicznych itp. Mogą być też naturalne lub całkowicie syntetyczne.
Jakie są obecnie główne trendy w branży klejów? Okazuje się, że ich wydajność przewyższa bezpośredni wpływ klejów na środowisko naturalne. Skutecznie zastępuje się szkodliwe związki chemiczne w klejach przy zachowaniu wydajności i niskiego poziomu kosztów. Kleje zazwyczaj zawierają 1% lub mniej końcowych produktów objętościowych, przy spełnieniu założonych funkcji.
Specjaliści zwracają uwagę na rozwój technologii Ebeam (Electron Beam), w której do procesu suszenia wykorzystuje się wytwarzane elektrony o niskiej energii. Technologia ta jest znana od ponad 40 lat, ale dopiero ostatnio stosuje się ją do suszenia i utwardzania klejów. W procesie nie są wytwarzane praktycznie żadne LZO (lotne związki organiczne). Również koszty implementacji są stosunkowo niskie. Natomiast kleje na bazie rozpuszczalników organicznych są stopniowo wycofywane z rynku.
Warto zwrócić uwagę, że klejenie to już powszechna metoda łączenia stosowana w montażu komponentów samochodowych i elektronicznych oraz w opakowaniach produktów. Jak się okazuje, technologia klejenia osiągnęła poziom, w którym kleje przemysłowe często przywierają lepiej i szybciej do powierzchni, niż dzieje się to przy spawaniu lub przy użyciu elementów złącznych. Mogą być nakładane na cały tor, a nie tylko w wybranych miejscach wzdłuż dopasowanej powierzchni, co daje potencjalnie wodo-szczelne wiązania.
Wyzwaniem jest natomiast skuteczne sprawdzanie jakości połączeń w produkcji wielkoseryjnej z wykorzystaniem nieniszczących metod badania. Coraz częściej wykorzystuje się tu technologie 3D. Skanowanie i kontrola 3D pozwala szybko i dokładnie określić: szerokość, położenie, wysokość i objętość zastosowanego kleju. Stosuje się np. inspekcję kleju, wykorzystując inteligentne czujniki 3D. Mogą się one komunikować nawet bezpośrednio z logiką systemu dozowania.
Jeśli chodzi o skład klejów stosowanych w przemyśle, to są to głównie kleje na bazie syntetycznej. Polimery stosowane w klejach syntetycznych dzieli się na termoplastyczne i termoutwardzalne. Żywice termoplastyczne to: nitroceluloza, polioctan winylu, kopolimer octan winylu-etylen, polietylen, poliamidy, polipropylen, poliestry, akryle lub cyjanoakryle. W przypadku żywic termoutwardzalnych są to np. związki fenolowo-formaldehydowe, na bazie mocznika i formaldehydu, nienasycone poliestry, epoksydy i poliuretany.
Kleje dzieli się też pod względem funkcjonalnym m.in. na strukturalne, topliwe Hot-Melt. Te ostatnie charakteryzują się atrakcyjnymi właściwościami i stale trwają prace, by poprawić ich wydajność w wyższych temperaturach oraz zwiększyć odporność na promieniowanie ultrafioletowe.
Kleje Hot Melt nie zawierają rozpuszczalników. To jeden z powodów, dla których wiele różnych sektorów przemysłu przestawia się na ten rodzaj klejów. Materiał topliwy wytwarza minimalne zanieczyszczenie i ma niewielkie lub żadne efekty środowiskowe. Nie potrzeba specjalnej wentylacji w miejscu ich stosowania i nie są łatwopalne. Rządy wielu krajów i podmioty regulacyjne na świecie wspierają ich stosowanie.
Warto przypomnieć, że od początku lat 60. ubiegłego wieku rozwijane są również kleje utwardzane ultrafioletem. Ich bazą są silikony, uretany i metakrylany.
Obecnie różnorodność klejów wykorzystywanych w przemyśle jest bardzo duża. Praktycznie do podobnych zastosowań można wykorzystać z dobrym skutkiem wiele różnych produktów. Często decydują tu względy ekonomiczne i związane z ochroną środowiska oraz bezpieczeństwem pracowników. Rozwija się też rynek taśm samoprzylepnych i folii. W tym przypadku do uzyskania połączenia wystarczy użycie, często tylko krótkotrwałe, nacisku i temperatura pokojowa.
Klejenie – produkty i urządzenia
Na rynku pojawia się wiele nowości, zarówno dotyczących samych klejów, jak i urządzeń oraz technologii związanych z ich aplikowaniem. Na przykład firma Robatech Polska wprowadziła nową serię automatycznych podajników kleju RobaFeed 3. Zastosowano w nich nowy rodzaj głowicy rozpylającej klej AX 1 SP NV w formie spirali, która sprawdza się głównie przy stabilizacji palet klejem. Pojawiła się również nowa seria głowic – LongLife – z technologią, która zapewnia większą żywotność głowicy i jej elementów. Jak informuje firma, od niedawna na rynku jest też nowa wersja urządzenia topiącego JumboFlex. Ponadto wprowadzono do sprzedaży urządzenie Concept Stream w drugim rozmiarze.
Na zeszłorocznych targach AUTOMATICON firma Nordson Polska pokazała np. linię dozowników Performus X15-100, które pozwalają na precyzyjną aplikację praktycznie każdego płynu montażowego, w tym klejów i żywic epoksydowych. Firma Dow (DowDuPont) w lipcu 2018 r. wprowadziła np. nowe kleje z linii produktów jednoskładnikowych, utwardzanych w temperaturze pokojowej DOWSIL™ SE 9100 i 9160. To kleje silikonowe, które poza dużymi możliwościami obróbki dobrze wiążą się z większością podłoży oraz charakteryzują się łatwym recyklingiem. Zapewniają też skuteczne uszczelnienia kompatybilne z IPX7. Klej SE 9100 to jednoskładnikowy preparat silikonowy, który umożliwia wykorzystanie go w temperaturze pokojowej z opcją przyspieszenia utwardzania przy zastosowaniu ciepła, a SE 9160 ma dodatkowo formułę podwójnego utwardzania dzięki użyciu światła ultrafioletowego (UV).
Grupa Fobaro, wyłączny dystrybutor w Polsce firmy Paramelt, wprowadziła w zeszłym roku, poza dotychczasową ofertą, serię produktów Latyl ES. Jak podano, od kilku lat w branży napojów rośnie zainteresowanie klejami do etykietowania bez kazeiny, które łączą opłacalność z wydajnością. Tradycyjne kleje na bazie kazeiny są często uważane za zbyt drogie oraz wzrasta zapotrzebowanie na kleje wodoodporne (IWR). Produkty te powinny być również łatwo zmywalne przy ich stosowaniu do opakowań zwrotnych. Takie wymagania spełnia właśnie seria syntetycznych klejów Latyl ES firmy Paramelt o bardzo szybkim tempie wiązania i bardzo dobrym IWR, opracowanych na rynek amerykański.
Inna firma – WIKO Klebetechnik – informuje o kleju WELDYX MASTER do tworzenia strukturalnych połączeń o wysokiej wytrzymałości, elastyczności i odporności. To dwuskładnikowy klej metakrylano-metylowy mieszany w proporcjach 10:1, dostępny w wersjach o czasie otwartym 5 lub 15 minut. Dzięki przeprowadzeniu badania zgodności z normą DIN EN 45545-2/R1 i spełnieniu wymogów poziomu ochrony przeciwpożarowej HAZARD LEVEL HL 3 odpowiada on wymaganiom stawianym pojazdom szynowym o wysokiej klasie zagrożenia. Klej został opracowany do strukturalnego łączenia metali, kompozytów i tworzyw sztucznych.
Na naszym rynku działają też wyspecjalizowani dystrybutorzy, np. firma Milar, należąca do niemieckiej grupy Biesterfeld – znaczącego dystrybutora produktów chemicznych w Europie. Firma reprezentuje głównych światowych producentów klejów dla przemysłu. Ma w asortymencie kleje do: metali, ceramiki, kamienia, technicznych tworzyw sztucznych, betonu, drewna, pianek, materiałów porowatych i szkła, a także do tłoczyw, płyt prasowanych, laminatów szkło-epoksydowych, szkło-poliestrowych, z włóknem węglowym oraz aramidowym. Są to kleje szybko- i wolnowiążące, o niskiej lepkości, a także w postaci pasty, utwardzane w temperaturze otoczenia i na gorąco, kleje i szczeliwa utwardzane pod wpływem wilgoci oraz utwardzane światłem UV.
Inny przykład to mieszcząca się we Wrocławiu firma BÜHNEN Polska – dystrybutor oferty tej grupy w naszym kraju. Dysponuje rozwiązaniami dla każdej gałęzi przemysłu. Wśród nowości firmy można wymienić pistolet do dozowania kleju HB 250 i mniejszy HB 240, o poprawionej ergonomii i bezpieczeństwie procesu klejenia.
Jak się okazuje, ręczne nanoszenie kleju w przypadku wielu zastosowań, również w dziedzinie nowych technologii, nadal jest najefektywniejszą metodą łączenia ze sobą dwóch materiałów. Nie zawsze łatwo dostosować proces klejenia tak, aby był bezpieczny i ekonomiczny. Mają w tym pomóc urządzenia z nowej serii wing.line firmy. Urządzenia do stosowania ze sztyftami 12 mm opracowano na nowo w Niemczech i wykorzystano w nich opatentowaną technikę pozwalającą zredukować siłę nacisku na dźwignię spustu o co najmniej 30% w porównaniu z innymi urządzeniami.
To tylko kilka wybranych przykładów z rynku, pokazujących, jak wiele zmienia się obecnie w obszarze produktów i technologii związanych z klejeniem.
Jak kleić?
Przy wykorzystaniu klejów do łączenia elementów w przemyśle ważnych jest kilka czynników. Na przykład to, jakie materiały będą klejone, przy czym nie wystarczy tu sama informacja, że jest to metal. Na powierzchni aluminium zazwyczaj tworzy się warstwa tlenku i to on jest klejony. Aluminium może być również oksydowane. Jeszcze większa różnorodność występuje w przypadku tworzyw sztucznych.
Poza doborem odpowiedniego kleju do łączonych materiałów oraz stawianych połączeniu wymagań wytrzymałościowych należy, zdaniem specjalistów, zwrócić uwagę na przygotowanie powierzchni do klejenia. Powinny one być odtłuszczone przy użyciu odpowiednich preparatów.
W poradniku wydanym przez firmę Proxima Adhesives zaleca się użycie rozpuszczalników, które usuwają oleje i inne zanieczyszczenia z powierzchni substratu. Metody stosowane do tego celu to: zanurzenie, przecieranie rozpuszczalnikiem, spryskiwanie, odtłuszczanie w oparach i odtłuszczanie ultradźwiękowe. Zanieczyszczeniami są: brud, olej, warstwy tlenków, rdza, środki rozdzielające, wilgoć, smary, odciski palców i inne niepożądane substancje na powierzchni substratu. Firma poleca wykorzystanie do odtłuszczania np. alkoholu izopropylowego – czystego lub z odpowiednimi dodatkami (oferowanego jako Cleaner UL w sprayu).
Równie ważna jest temperatura aplikacji kleju. Specjaliści doradzają, by przy naprawach jak najszybciej skleić uszkodzony element. Wystawienie powierzchni na warunki atmosferyczne może powodować jej utlenienie i inne zmiany, co może utrudnić dobre związanie klejem.
Natomiast jeśli chodzi o produkcję, to już na etapie projektowania wyrobu warto brać pod uwagę własności i możliwości klejów. Na połączenia klejowe powinny działać raczej tylko siły ścinające i/lub ściskające. Powierzchnie sklejane powinny być odpowiednio duże. Dlatego warto korzystać z zakładek, nakładek, połączeń stykowych skośnych itp. Należy też unikać działania na spojenie sił oddzierających. W trakcie montażu części warto też zwracać uwagę, by naniesiony klej nie został zepchnięty z powierzchni klejonej.
Podsumowanie
W naszym kraju działa Polskie Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Montażu, które organizuje konferencje związane z klejeniem w procesach produkcyjnych. Organizowane są też kursy w zakresie klejenia, zgodnie z normą DIN 6701 – normą jakościową dla zastosowań techniki klejenia.
W przypadku tak szybko rozwijającej się technologii łączenia, jaką jest klejenie, konieczna jest aktualizacja posiadanej wiedzy. Tylko wtedy w pełni będzie można wykorzystać jej zalety. Specjaliści np. zwracają uwagę użytkownikom, że osoby odpowiedzialne za wdrażanie technologii aplikacji kleju w firmach powinny brać pod uwagę głównie bezpieczeństwo obsługi. Nie wszyscy np. zdają sobie sprawę z konsekwencji poparzenia lub niekontrolowanego wycieku kleju, który może być transportowany nawet pod ciśnieniem 60 barów.
Na świecie stale opracowuje się nowe polityki środowiskowe związane z zastosowaniem klejów. W Europie działa FEICA – organizacja zrzeszająca producentów z branży klejów i uszczelniaczy. Jak twierdzą jej przedstawiciele, obecnie jest już możliwa taka współpraca dostawców i odbiorców klejów, że optymalny skład kleju może zostać opracowany już na etapie projektowania jego zastosowania.
Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do odbiorców z branży automatyki przemysłowej.
