Przemysłowa aplikacja klejów. Na czym polega?

Klejenie jest coraz popularniejszą metodą łączenia różnych elementów, które oferuje niski koszt całej operacji, a przy tym jest w stanie spełnić urozmaicone i niezwykle rygorystyczne wymagania. Przemysłowa aplikacja klejów może się odbywać w sposób w pełni zautomatyzowany, co oznacza znaczne ograniczenie kosztów produkcji. Ważna jest również wysoka wydajność oraz możliwość dopasowania rodzaju kleju do konkretnych potrzeb.

Przemysłowe procesy technologiczne a stosowanie klejów

W zastosowaniach przemysłowych wykorzystuje się wiele metod łączenia elementów, które mają stworzyć jedną konstrukcję lub podzespół. Stosowane są zarówno metody, których efektem jest wykonanie trwałego połączenia, nadającego detalom postać jednolitej konstrukcji przez cały okres eksploatacji, jak i rozłącznego, umożliwiającego wygodny demontaż, np. w celu czyszczenia, wymiany, naprawy czy kontroli stanu technicznego. Wśród połączeń rozłącznych najpopularniejsze są mechaniczne elementy złączne, takie jak śruby, nakrętki i wszelkiego rodzaju wkręty. Choć gwarantują one odpowiednią wytrzymałość, to często są dość ciężkie oraz zabierają sporo przestrzeni, co w niektórych sytuacjach, np. przy urządzeniach zminiaturyzowanych jest poważną wadą. W przypadku połączeń trwałych popularnością cieszą się metody spajania mechanicznego, takie jak np. nitowanie, jednak ich ograniczenia są bardzo podobne jak w przypadku elementów gwintowanych. Takich słabości nie wykazują połączenia termiczne, takie jak spawanie, zgrzewanie i lutowanie. Nie są one jednak przydatne przy łączeniu ze sobą mniejszych detali czy dużych powierzchni, wymagają także dużych nakładów na sprzęt oraz sporej ilości energii. W tego typu sytuacjach najlepiej sprawdzają się metody spajania chemicznego, w tym najbardziej rozpowszechnione stosowanie klejów – wyjaśnia przedstawiciel firmy Rolmasz, specjalizującej się w dostarczaniu narzędzi i elektronarzędzi, a także sprzedaży maszyn rolniczych.

Klejenie pozwala na łączenie dwóch powierzchni dzięki wykorzystaniu zjawiska adhezji. Opiera się ona na kilku zachodzących jednocześnie procesach, których znaczenie jest związane ze specyfiką łączonych elementów oraz używanej substancji. W przypadku powierzchni porowatych najbardziej istotna będzie adhezja mechaniczna, która polega na wnikaniu kleju w nierówności powierzchni, a po jego utwardzeniu tworzy liczne mikroskopijne „zaczepy” utrzymujące dwa elementy. Jeśli powierzchnie są bardziej gładkie, większą rolę może odgrywać różnica potencjałów elektrycznych, zachodząca dyfuzja cząsteczek lub adsorpcja. W przypadku oddziaływań elektrycznych mamy do czynienia z polaryzacją klejonych powierzchni i wzajemnym przyciąganiem się ładunków dzięki pojawiającej się indukcji inicjowanej przez substancję, z której jest wykonany klej. Dyfuzja łączy się z wzajemnym wnikaniem cząsteczek kleju i materiału w swoje struktury i tworzenie między nimi wiązań chemicznych. Proces adsorpcji wiąże się natomiast z napięciem powierzchniowym powstającym na granicy faz między klejoną powierzchnią a samym klejem.

Siła adhezji, czyli moc połączenia dwóch elementów może być różna w zależności od potrzeb oraz charakterystyki używanych materiałów. W połączeniach, które mają być odporne na duże obciążenia, powinna ona być równa lub większa od sił kohezji, a zatem siły wiązań między cząsteczkami klejonych materiałów. W przypadku, gdy klejenie ma spoić powierzchnie jedynie czasowo, siła adhezji powinna być zdecydowanie mniejsza niż siła kohezji.

Największą zaletą technologii klejenia jest możliwość łączenia ze sobą  różnych materiałów o często odmiennej charakterystyce, rodzaju powierzchni czy elastyczności. Klejenie nie wiąże się ze zmianą właściwości łączonych powierzchni niezbędną np. podczas spawania. Plusem jest możliwość rozkładania obciążenia na całą łączona powierzchnię, co ma duże znaczenie przy klejeniu elementów o większych rozmiarach. Znaczenie ma fakt, że połączenia klejone mogą być całkowicie niewidoczne, a ich wykonanie jest stosunkowo tanie. Liczy się możliwość używania klejów o właściwościach specjalnych – termoizolacyjnych, przewodzących prąd czy zapewniających amortyzację i tłumienie drgań. W przypadku zastosowań przemysłowych niezmiernie ważna jest też łatwa automatyzacja całego procesu.

Jakie kleje mogą być używane w zastosowaniach przemysłowych?

Istnieje wiele rodzajów kleju, zarówno jeśli chodzi o ich skład chemiczny, jak i postać, w której występują oraz właściwości, jakie mają po wykonaniu połączenia. W zastosowaniach przemysłowych stosuje się kleje ciekłe, w postaci plastycznej, np. pasty lub żelu, a także w formie błony oraz ciała stałego, które wymagają podgrzania do odpowiedniej temperatury aplikacji. Kleje mogą tworzyć połączenia sztywne bądź zachowujące pełną elastyczność np. w przypadku kleju do łatek wulkanizacyjnych czy uszczelek. Stosuje się również kleje, które są utwardzane na różne sposoby – w temperaturze otoczenia, pod wpływem promieniowania UV, przy kontakcie z wilgocią, w obecności specjalnego składnika czy wreszcie w podwyższonej temperaturze.

Wykorzystywane są kleje naturalne produkowane na bazie substancji pochodzenia roślinnego jak np. kauczuk, a także zwierzęcego m.in. wytwarzane z mączki kostnej. Szeroko korzysta się również z klejów syntetycznych – silikonowych, akrylowych, winylowych, poliuretanowych czy epoksydowych. Rozmaite rodzaje klejów mają odmienną zdolność do penetracji klejonych powierzchni, siłę tworzonych wiązań chemicznych, a także zdolność do rozpływania się po łączonej powierzchni. Zupełnie inna bywa też lepkość, czas otwarty, tj. okres, w jakim klej umożliwia zetknięcie ze sobą klejonych elementów, jak i czas wiązania potrzebny do wytworzenia połączeń dających pełną wytrzymałość mechaniczną.

Do najważniejszych parametrów, od których zależy jakość połączenia klejonego, należą zwilżalność determinująca powierzchnię, na jakiej cząsteczki kleju będą się stykały z powierzchnią łączonych elementów, chropowatość powierzchni określająca liczbę nierówności występujących na łączonych powierzchniach, co wpływa na ich wzajemne przyleganie i zarazem konieczną grubość warstwy kleju, a także porowatość, czyli ilość otworów i kanalików, do których będzie mógł wniknąć naniesiony klej. Znaczenie ma obecność innych substancji chemicznych i zanieczyszczeń – tłuszczy, kurzu, drobin różnych materiałów czy resztek farb, rozmaitych powłok albo rdzy.

Jak przebiega proces przemysłowej aplikacji kleju?

Proces klejenia przemysłowego może być – w zależności od konkretnej aplikacji – częściowo lub całkowicie zautomatyzowany. Urządzenia wykorzystywane na liniach produkcyjnych są w stanie oczyścić łączone powierzchnie zarówno od zabrudzeń chemicznych, jak i rozmaitych zanieczyszczeń, przygotować klej o odpowiednim składzie i temperaturze, a także rozprowadzić go po klejonej powierzchni, docisnąć na czas potrzebny na wytworzenie połączenia, a nawet usunąć jego ewentualne wycieki.

W zastosowaniach przemysłowych wykorzystuje się zwykle różne rodzaje klejów – nanoszone na zimno, w przypadku klejów płynnych oraz półpłynnych, używane na gorąco w przypadku klejów występujących w postaci ciała stałego, np. granulatu czy pałeczek, a także wieloskładnikowe wymagające mieszania. Istnieje również wiele sposobów nakładania warstwy kleju. W urządzeniach zautomatyzowanych klej może być natryskiwany, nanoszony wałkiem, podawany z dozownika w formie kropel czy nitek, a także rozprowadzany rozmaitymi packami, listwami z odpowiednim włosiem albo układany w postaci błon lub taśm klejących. Kleje topliwe mogą być nakładane w postaci stałej, a następnie rozpuszczane przez podgrzewanie powierzchni, na których się znajdują.

Klejenie przemysłowe jest wykorzystywane w wielu branżach. Najszerzej korzysta się z klejów w motoryzacji, lotnictwie i przemyśle kosmicznym. Równie często klej jest używany przy produkcji maszyn i urządzeń, w chłodnictwie oraz przy wytwarzaniu urządzeń elektronicznych. Klejenie jest także nieodzowne przy większości procesów związanych z pakowaniem gotowych produktów. Trudno bez niego wyobrazić sobie takie gałęzie jak budownictwo, produkcja szkła użytkowego i medycyna. Można przypuszczać, że wraz ze wzrostem udziału materiałów z tworzyw sztucznych w różnych zastosowaniach przemysłowych oraz rozmaitych kompozytów rola klejenia będzie się systematycznie zwiększała.