Technika klejenia jest dzisiaj jedną z kluczowych technologii stosowanych do łączenia różnych materiałów. Nowe kleje pozwalają skutecznie zastąpić takie systemy łączenia, jak zgrzewy punktowe i nitowanie, a nowoczesne żywice pomogą uzupełnić ubytki w elementach maszyn wykonanych praktycznie z dowolnego materiału.
Klejenie jest jedną z najstarszych technik stosowanych do łączenia różnych materiałów. Strzały znalezione przy Oetzi, człowieku lodu, którego czas życia datuje się na około 3500 lat przed Chrystusem, były wykonane przy wykorzystaniu kleju ze smoły brzozowej. Pierwsze nowoczesne kleje pojawiły się w XX w. W 1909 r. opatentowano procedurę utwardzania żywicy fenolowej, a w 1912 r. firma Rollet i Klatte otrzymała patent na polioctan winylu. W 1930 r. Richard Gurley Drew opracował pierwszą przezroczystą taśmę klejącą, a w 1953 r. Amerykanin, prof. Vernon Krieble wynalazł żywicę twardniejącą w warunkach beztlenowych. Do tych dat dodać jeszcze można rok 1969, w którym w Düsseldorfie pokazano pierwszy sztyft klejowy. Rozwój rodzajów klejów i technik klejenia umożliwił budowę tak wymagających konstrukcji, jak wahadłowce kosmiczne.
Wierzymy producentom, zachwycamy się danymi technicznymi uzyskiwanych spoin, podoba się nam łatwość aplikacji. Jednak uzyskiwany w praktyce efekt nie raz odbiega znacznie od oczekiwań. Nie zachęca to do stosowania (np. przy naprawach maszyn) żywic i klejów, nawet jeśli koszty są bardzo konkurencyjne. Niestety reklamowane na rynku kleje uniwersalne (do wszystkiego) nie mają wiele wspólnego z klejami do zastosowań profesjonalnych i w przemyśle. Są tu raczej kleje wyspecjalizowane do konkretnych zastosowań i warunków, w jakich są aplikowane. Dobór właściwego kleju jest sprawą kluczową i nietrywialną. Wielu producentów na swoich stronach internetowych oferuje programy ułatwiające wybranie właściwego kleju czy żywicy. Przykładem strona www.buehnen.pl firmy Bühnen z wyszukiwarką klejów, w której wybiera się takie parametry, jak rodzaj klejonych materiałów i sposób dostawy, ale też: bazę kleju, stosowane urządzenie do aplikacji, punkt mięknienia, odporność termiczną, lepkość, temperaturę pracy, czas otwarty (czas od nałożenia kleju, w którym należy połączyć elementy, by zostały sklejone), czas wiązania oraz kolor.
Oczywiście w zależności od branży jest też wiele dodatkowych cech, jakie muszą spełniać stosowane w procesach produkcyjnych (również przy naprawach i uszczelnianiu) kleje. Dlatego nie ma jednego prostego przepisu, jak prawidłowo kleić czy przygotowywać klejone powierzchnie itp. Pomimo to postaraliśmy się zebrać trochę uwag o zasadach, na które warto zwrócić uwagę, korzystając z technologii klejenia.
Popełniane błędy
W rozmowach z przedstawicielami firm oferujących na naszym rynku różnego typu kleje bardzo często słyszy się opinię, że użytkownicy nie czytają etykiet i zawartych na nich informacji o przeznaczeniu danego kleju. Jak mówi Jakub Szopa z firmy WIKO Klebetechnik, zdarza się, że kleje anaerobowe są stosowane do tworzyw sztucznych, podczas gdy są one przeznaczone do metali. Według niego nie zwraca się też uwagi na czasy klejenia, a już poważnym błędem jest ignorowanie temperatury, w jakiej przebiega proces. Ma to szczególnie znaczenie w okresie występowania niskich temperatur, gdy zimny klej przynosi się prosto z magazynu i próbuje nim kleić. W takiej sytuacji nie można oczekiwać właściwych rezultatów. Do często popełnianych błędów należy zaliczyć też niezwracanie uwagi na: rozmiar maksymalnej szczeliny, brak dostatecznego czasu na zaschnięcie, za wczesne naruszanie połączeń.
Powodem złych połączeń jest też klejenie niewłaściwych materiałów, jak choćby próby klejenia klejami UV tworzyw, które zawierają filtry UV. Czasem nie patrzy się, czy prawidłowo wypływają oba składniki w przypadku klejów dwuskładnikowych, a może wypływać tylko jeden.
Małgorzata Gawryś z Industrial Adhesives & Tapes Division 3M Poland dodaje tu oczyszczenie powierzchni, która ma być klejona, a w niektórych przypadkach dodatkowe, odpowiednie przygotowanie powierzchni. Zwraca też uwagę na temperaturę (zarówno otoczenia, jak i klejonych elementów), czy też odpowiedni docisk lub unieruchomienie.
Jakub Szopa dodaje, że nie oczyszcza się i nie odtłuszcza powierzchni przed klejeniem (co wpływa na wytrzymałość połączenia). Zdarza się, że odtłuszcza się lub czyści powierzchnię wciąż tą samą ściereczką, co oczywiście przynosi coraz gorsze efekty. Również nie wszyscy decydują się na zakup profesjonalnego pistoletu i klej jest wyciskany ręcznie lub też oszczędza się na mieszaczach (nie używa się ich), w wyniku czego klej jest źle zmieszany, co oczywiście skutkuje słabszym połączeniem.
Z kolei Monika Wawrzyniak z firmy Emporia (producent kleju dyspersyjnego znajdującego zastosowanie w przemyśle opakowaniowym przy produkcji: kartonów, kartoników, torebek papierowych, worków papierowych, tulei, tub, kątowników w kaszerowaniu, drukarniach – introligatorstwie) uważa, że przy wyborze kleju najczęściej zwraca się uwagę na cenę, a nie jakość i co za tym idzie – również wydajność. Wiele firm kupuje klej, nie sprawdzając jego kart technicznych, nie wiedząc, co klej zawiera, jaka jest jego masa sucha, ciężar właściwy, lepkość, nie sprawdzając ilości wypełniaczy. Klej klei, i to wystarcza, ma niska cenę, czyli jest dobry, ale że trzeba go zużyć dwa razy tyle w stosunku do innego, tego nikt już nie liczy. Z obserwacji Emporii wynika, że klej często kupuje zaopatrzeniowiec, który nie ma pojęcia o tym, jak wygląda produkcja w zakładzie i liczy się tylko wynegocjowanie atrakcyjnej ceny. Wielu klientów oczekuje od firmy podpowiedzi, jak aplikować klej, w jakich ilościach. Wtedy można podpowiedzieć, że maszynę trzeba odpowiednio ustawić, by klej się nie marnował i był dozowany w odpowiednich ilościach. – W przypadku naszego typu produktów – mówi Monika Wawrzyniak – bardzo ważne jest przechowywanie kleju i tektury. Klej nie może przemarznąć, bo są to ekologiczne (produkcja opakowań dla branży spożywczej) kleje na bazie wody, które po przemarznięciu nie nadają się już do klejenia. Optymalna temperatura dla kleju to 18–23ºC. Klej musi być też chroniony przed zabrudzeniami. Nie aplikujemy go na maszynę zabrudzoną, niezmytą po innym kleju. Tektura – ważne, aby nie była zbyt nawilżona, przechowywana musi być w suchych pomieszczeniach. Emporia poleca zwłaszcza klej Ecoll 2003 do kaszerowania, bardzo wydajny i dobrze spełniający zadania.
Kleje termotopliwe
Te nowoczesne kleje, bezpieczne dla otoczenia i środowiska, są obecnie bardzo chętnie używane. Jednak ich stosowanie, choć na pozór wydaje się nieskomplikowanym procesem przy wykorzystaniu odpowiedniego sprzętu aplikacyjnego, wymaga odpowiedniego przygotowania. Klej termotopliwy po nałożeniu zaczyna natychmiast się ochładzać i jego lepkość szybko rośnie. Dlatego też części klejone muszą być połączone w określonym czasie. Klej może zwilżać powierzchnie tylko gdy jest w stanie płynnym, a zwilżaniu trzeba pomagać przez dociśnięcie do powierzchni. Przy klejeniu podstawowym parametrem, na który należy zwrócić uwagę, jest prędkość schładzania. Tu – zwłaszcza przy klejeniu metali (dobre przewodniki ciepła) – doradza się, aby kleić z najwyższą dopuszczalną temperaturą pracy kleju, jeśli siła wiązania ma być wysoka. W przypadku klejów termotopliwych proces wiązania jest odwracalny i przy doprowadzeniu odpowiedniej ilości ciepła klej traci swe właściwości wiążące. Należy to też przewidzieć i w takich sytuacjach albo używać klejów o wyższych temperaturach topnienia lub reaktywnych klejów termotopliwych, które wiążą, łącząc sposób fizyczny z chemicznym (klej z czasem sieciuje). Przy okazji warto wspomnieć, że kleje termotopliwe, których składnikiem są poliamidy, przed użyciem należy przechowywać, chroniąc przed wilgocią. Mają one zdolność znacznego wchłaniania wilgoci z otoczenia, co przy topieniu może doprowadzić do ich spienienia, gdy w temperaturze 100oC zaczyna odparowywać woda.
Pistolety
Robert Włodarczyk, wiceprezes firmy Bühnen Polska (przemysłowe kleje termotopliwe) w przypadku pistoletów ręcznych do sztyftów zwraca uwagę na takie często popełniane błędy przez użytkowników sprzętu do aplikacji klejów termotopliwych, jak: odkładanie rozgrzanego pistoletu na bok, co może spowodować wylanie się kleju i zaklejenie pistoletu, wyciąganie częściowo stopionego sztyftu z pistoletu, co kończy się całkowitym, nieodwracalnym zaklejeniem pistoletu. Również próba wyciskania kleju, zanim będzie on dostatecznie rozgrzany, powoduje mechaniczne zniszczenie mechanizmu posuwu sztyftu, a stosowanie dyszy o zbyt małej średnicy, do kleju o dużej lepkości powoduje utrudnienia z wyciskaniem kleju. Przy czym próba zwiększenia siły nacisku może doprowadzić do wylania się kleju z tyłu pistoletu, co powoduje jego zaklejenie i uszkodzenie.
Uważa też, że stosowanie tanich pistoletów do pracy ciągłej prowadzi w konsekwencji do błyskawicznego zużycia takiego narzędzia. Do pracy ciągłej Bühnen poleca wyłącznie pistolety przemysłowe, na przykład typu HB220 lub HB350. W przypadku pistoletów pneumatycznych jak Bühnen typu HB700 mamy dodatkowo do czynienia z kierowaniem dyszy do góry, co powoduje zalanie klejem przewodów doprowadzających sprężone powietrze. Również niedbałe wsypywanie kleju do zbiornika oznacza stopienie się kleju na obudowie, a odkładanie pistoletu na bok grozi jego zalaniem. Nie należy też otwierać zbiornika na zimno, bo powoduje to zniszczenie mechaniczne bagnetowego zamka.
Jak się w praktyce okazuje, w przypadku systemów klejowych wykorzystujących urządzenia zbiornikowe zdarza się, choć brzmi to śmiesznie, wrzucanie do zbiornika razem z klejem śmieci, a nawet kamieni. Gdy klej wysypie się na podłogę, jest on zmiatany i wprowadzany do urządzenia razem ze wszystkim, co na podłodze się znajduje. Należy więc stosować filtry liniowe pomiędzy urządzeniem i wężem. W wielu przypadkach brakuje regularnego czyszczenia systemu klejowego. Taka usługa trochę kosztuje, ale dzięki temu unikamy ryzyka nagłej awarii systemu i w konsekwencji unieruchomienia linii produkcyjnej. W zakładach brakuje także części zamiennych. W przypadku awarii węża może się okazać, że sprowadzenie nowego potrwa tydzień. Kto może zatrzymać produkcję na taki okres? Niestety nie dba się o węże grzewcze, często są one poskręcane i załamane, co może spowodować ich złamanie. Czasem leżą niezabezpieczone, a jak mówi Robert Włodarczyk – znane są mu przypadki przejechania po wężu wózkiem widłowym. Wykorzystuje się węże o zniszczonym oplocie, węże, z których wycieka klej. Jak się uważa, w praktyce węże należałoby wymieniać co 3 lata.
Chemia i mechanika
Mówiąc o klejach, warto wspomnieć o kompozytach na bazie żywic epoksydowych i pokrewnych. Pionierem chemii w mechanice był – przed z górą pół wiekiem – amerykański LOCTITE (obecnie marka w grupie Henkel). Kompozyty z wypełniaczami metalowymi stosujemy do regeneracji elementów maszyn wymagającej odbudowy zużytego elementu. Kompozyty z wypełniaczami ceramicznymi zaś tam, gdzie wymagana jest szczególna ochrona przed zużyciem – na skutek na przykład ścierania lub agresywnego działania korozyjnego.
Typowym przykładem naprawy, jaki przedstawia Wojciech Kozak z firmy Henkel, gdy oba typy produktów kompozytowych są przydatne, jest regeneracja pompy. Ubytki w elementach obudowy, łopatkach wirnika uzupełnia się masą kompozytową Loctite 7222 Nordbak lub Loctite 3478 Superior Metal. Po uzupełnieniu ubytków (i jeśli jest to niezbędne oraz możliwe – obróbce mechanicznej) całość pokrywana jest cienką powłoką ceramiczną – Loctite Hysol 7117. Uszkodzony wałek można zregenerować przy użyciu Loctite 3478 Superior Metal (a następnie przetoczyć i oszlifować na żądany wymiar). Jeżeli powierzchnie wewnętrzne korpusu pompy i wirnika są narażone na zużycie z powodu ścierania, wówczas nakłada się na nie odpowiednią powłokę kompozytu z wypełniaczem ceramicznym, szczególnie odpornym na ścieranie. Użytkownicy technologii Loctite najczęściej chcą porównać materiał kompozytowy do stali lub żeliwa, a to nie jest możliwe – kompozyt epoksydowo-metalowy lub epoksydowo-ceramiczny jest materiałem całkowicie różnym od ciągłej struktury metalicznej, ale funkcjonalnie zregenerowany wałek napędowy w niczym nie ustępuje fabrycznie nowemu. Zaś zregenerowany korpus pompy, pokryty warstwą kompozytu ceramicznego, jest znacznie bardziej trwały od żeliwnego. Oczywiście w całym procesie należy przestrzegać technologii, czyli przygotowania powierzchni – obróbka strumieniowo-ścierna, odtłuszczenie są równie ważne, jak staranne przygotowanie materiału – wymieszanie w zalecanych proporcjach, staranne nakładanie, utwardzenie w zalecanym czasie i warunkach. Jak mówi Wojciech Kozak, stosując kompozyty Loctite, należy brać też pod uwagę ekonomiczny aspekt tych technologii: regeneracja, ochrona przed korozją, zmniejszenie zużycia, wzrost sprawności pomp.
Podsumowanie
Mówiąc o klejeniu czy o żywicach, warto wspomnieć o takich sposobach łączenia, jak choćby te, z których znana jest firma 3M, czyli: taśmy akrylowe 3M VHB, połączenia rozłączne – rzepy 3M Dual Lock oraz kleje strukturalne 3M Scotch-Weld. Połączenia wykonane taśmą VHB konkurują z innymi sposobami łączenia. Jedną z ważniejszych własności taśm 3M VHB jest ich odporność na warunki środowiskowe, zmienne temperatury (niskie, do –40°C; wysokie: długoterminowo do +90°C, krótkoterminowo do +150°C, a w przypadku niektórych taśm chwilowo nawet do +230°C), wilgoć, opady, promieniowanie UV (światło słoneczne) oraz krótkotrwały wpływ różnych czynników chemicznych, między innymi większości rozpuszczalników, paliw, płynów hydraulicznych i olejów silnikowych. Zapewniają też szczelność, równomierny rozkład naprężeń na całej powierzchni spoiny oraz brak naprężeń wynikających z niedopasowania łączonych elementów (zdolność taśmy do dużych odkształceń i relaksacji naprężeń). Taśma separuje też galwanicznie klejone metale, wykluczając możliwość wystąpienia korozji elektrochemicznej.
Kolejne środki chemiczne powiązane ściśle z procesem klejenia to odtłuszczacze – służą do przygotowania i oczyszczenia powierzchni przed klejeniem (jak mówi Jakub Szopa, zawsze należy wykonać test, czy dany środek jest odpowiedni do konkretnej powierzchni, czy nie będzie działał zbyt agresywnie). Aktywatory – stosowane, gdy warunki klejenia nie są optymalne, przyspieszają utwardzanie się kleju. Primer – pozwala sklejać trudne do klejenia tworzywa, na przykład: poliolefiny, teflon, silikon. Należy też stosować odpowiednie zmywacze – przeznaczone do usuwania klejów. Specjaliści podkreślają, że główny grzech to zbytnie sugerowanie się ceną – klienci często wybierają dany klej, ponieważ jest tańszy, nie bacząc, jakie jest jego podstawowe zastosowanie. Jak mówi Małgorzata Gawryś z 3M Poland, w zastosowaniach przemysłowych nie ma klejów i taśm klejących uniwersalnych, które mogą być użyte do wszystkiego. System klejenia musi być dobierany z uwzględnieniem wymagań konkretnego zastosowania i o tym zawsze trzeba pamiętać. Jeśli będziemy się do tego stosować, przestaniemy bać się klejenia, a uzyskane rezultaty będą zadowalające przy zachowaniu rozsądnych kosztów połączeń.
Autor: Bohdan Szafrański
