Budowa i klasyfikacja materiałów samoprzylepnych

Transkrypt

1 Budowa i klasyfikacja materiałów samoprzylepnych ETYKIETY I KLEJE Do ćwiczeń obowiązuje dodatkowo część teoretyczna ze skryptu: Korzeniowski A., Towaroznawstwo Artykułów Przemysłowych, MD, część III, Poznań 2006, rozdział 12 Badanie klejów, str Materiały samoprzylepne są produktami wielowarstwowymi. Najczęściej składają się one z dwóch części: wierzchniej, stanowiącej samoprzylepny materiał użytkowy oraz spodniej, ochronnej dla kleju samoprzylepnego. Powszechny jest także pogląd, że materiały samoprzylepne składają się z trzech komponentów, które stanowią: - materiał powierzchniowy, - klej samoprzylepny, - papier podkładowy. Jak widać, poglądy są trochę rozbieżne. Niemniej w najprostszej wersji materiał samoprzylepny składa się z: - materiału wierzchniego, - kleju samoprzylepnego, - materiału spodniego. Schematyczną budowę materiału samoprzylepnego przedstawiono na rys. 1. Jest to najprostszy i najczęściej produkowany rodzaj materiałów samoprzylepnych, w związku z tym produkowane są materiały kilkuwarstwowe mające inną niż przedstawiona na rys. 1. budowę. Materiały samoprzylepne w zależności od rodzaju powierzchni najczęściej dzielone są na: - papiery niepowlekane, - papiery powlekane, - laminaty termiczne, - laminaty syntetyczne, - asortyment specjalny Rysunek 1 Schematyczna budowa materiału samoprzylepnego: 1 materiał wierzchni, 2 klej samoprzylepny, 3 materiał spodni (powleczony warstwą silikonu) Materiały wierzchnie - podłoża drukowe stosowane w materiałach samoprzylepnych Jako materiały wierzchnie w materiałach samoprzylepnych występują: - papiery niepowlekane, - papiery powlekane, 1

2 - materiały termiczne, - folia aluminiowa, jej laminaty i papiery metalizowane próżniowo, - folie syntetyczne, - materiały specjalne. Klejenie Początkowo stosowano kleje pochodzenia naturalnego uzyskiwane z mleka i wapna gaszonego oraz innych substancji. Pomimo rozwoju opracowania klejów syntetycznych w dalszym ciągu stosowane są kleje pochodzenia naturalnego. Podstawowymi składnikami klejów są polimery, które w mieszaninie z rozpuszczalnikami, rozcieńczalnikami, napełniaczami i innymi składnikami dodatkowymi stanowią klej. Za pomocą klejów połączyć można praktycznie wszystkie materiały (tworzywa, metale, szkło, drewno, kamień, gumę i inne) między sobą i praktycznie w dowolnych kombinacjach układach. Przyczepność kleju do powierzchni klejonej adhezja Podstawowymi składnikami klejów są żywice naturalne lub syntetyczne. Żywice naturalne są pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego. Syntetyczne natomiast otrzymujemy przy pomocy tzw. polireakcji. W skład klejów wchodzą żywice oparte na polimerach termoplastycznych, termoutwardzalnych i elastomerach. Adhezja jest to oddziaływanie na granicy dwóch faz: stałej i ciekłej. Siły występujące podczas tego oddziaływania warunkują przyczepność pomiędzy substancjami. Oddziaływania te mogą mieć charakter mechaniczny zakotwiczenia się kleju do nierówności powierzchni łączonej (adhezja mechaniczna) lub też być sumą oddziaływań międzyatomowych i cząsteczkowych (adhezja właściwa). Na oddziaływania te składają się: siły oddziaływań cząsteczkowych i atomowych - wywołane przez siły międzycząsteczkowe i siły wiązań chemicznych. W przypadku polimerów liniowych (kleje na bazie termoplastów) są to przede wszystkim siły van der Waalsa. Siły te mają zasięg oddziaływania w zakresie długości wiązań atomowych i maleją proporcjonalnie do odległości. Podczas klejenia warunek ten może być spełniony, gdyż kleje występują w postaci ciekłej. Nawet kleje o dużej lepkości czy też w stanie stałym (kleje topliwe) w procesie klejenia (utwardzania kleju) przechodzą przez fazę ciekłą związane jest to bądź z podwyższoną temperaturą utwardzania, bądź w wyniku reakcji chemicznych zachodzących podczas utwardzania kleju, które są najczęściej egzotermiczne. Podczas klejenia tworzyw bardzo istotna jest polarność tworzywa. Polarność tworzywa, jak i kleju, wynika z niesymetrycznego rozłożenia ładunku w cząsteczce. Takie rozłożenie ładunków prowadzi do pojawienia się momentu dipolowego. Siła wynikająca z oddziaływań dipolowych maleje wraz ze wzrostem temperatury, gdyż wówczas wzmaga się ruch cząsteczek, w tym i dipoli, zmienia się ich orientacja w tworzywie. Klejom właściwości kleiste nadaje się podczas produkcji. Natomiast materiałom klejonym, jak tworzywo sztuczne, metale, ceramika, szkło i inne, nadaje się optymalne właściwości powierzchni do klejenia w procesie przygotowania powierzchni. 2

3 Cechą charakterystyczną klejów jest kohezja. Kohezja, czyli spójność spoiny klejowej określa jej wytrzymałość mechaniczną będącą odzwierciedleniem sił i oddziaływań międzycząsteczkowych wewnątrz kleju. Zniszczenie złącza klejonego może nastąpić w jednym z trzech następujących przypadków: na granicy materiał łączony - klej, zniszczenia takie ma charakter adhezyjny, w warstwie kleju, wówczas zniszczenie ma charakter kohezyjny, w materiale łączonym. Pierwszy rodzaj zniszczenia (adhezyjny) ma miejsce wtedy, gdy siły wpływające na przyczepność kleju do materiału łączonego są mniejsze od sił kohezji kleju i materiału łączonego. Drugi przypadek (zniszczenie kohezyjne) ma miejsce wówczas, gdy siły kohezji są mniejsze od sił adhezji i wytrzymałości materiału łączonego. Trzeci przypadek jest tym, do którego się zmierza prowadząc proces klejenia, czyli do zniszczenia połączenia występującego w materiale łączonym. W tym przypadku siły przyczepności i kohezji są większe od sił spójności materiału klejonego. Z tego powodu substancje chemiczne, z których otrzymuje się kleje, muszą charakteryzować się dużymi siłami spójności w stanie utwardzonym. W celu polepszenia jakości klejów dodaje się do nich napełniacze, modyfikatory i inne składniki. Klej oprócz spójności (kohezji) musi w sposób maksymalnie dobry współdziałać z powierzchnią łączoną, tj. wykazywać dobrą przyczepność adhezję. Aby to zrealizować, należy odpowiednio przygotować powierzchnię do klejenia. Przygotowanie powierzchni do klejenia Operacja technologiczna przygotowania powierzchni ma na celu przeprowadzenie takich działań, w wyniku których otrzyma się powierzchnię o największej aktywności. Sposób przygotowania powierzchni dostosowuje się do konkretnego kleju, czyli układu: przygotowana powierzchnia klej, a w wyniku współdziałania uzyskuje się maksymalną adhezję. Najprostszym sposobem oceny metody przygotowania powierzchni do klejenia jest zwilżalność mierzona kątem zwilżania (Rys. 2). Próbę można wykonać, używając do oceny zwilżalności wody. Jeśli woda dobrze zwilża powierzchnię, to tym bardziej klej będzie ją zwilżał. Rysunek 2 Zwilżanie powierzchni stałej przez ciecz: σ sg napięcie powierzchniowe podłoże gaz; σ sl - napięcie powierzchniowe podłoże ciecz; σ lg - napięcie powierzchniowe ciecz gaz. 3

4 Przygotowanie do klejenia powierzchni tworzyw sztucznych prowadzić można następującymi sposobami: mechanicznym, chemicznym lub obróbką za pomocą metod fizykochemicznych: płomieniową plazmową. Każdy przypadek klejenia rozpatruje się indywidualnie, dobierając sposób przygotowania powierzchni i klej, który musi spełnić wymagania eksploatacyjne połączenia będące efektem optymalnego doboru kleju i sposobu przygotowania powierzchni. Pierwszą operacją w procesie przygotowania powierzchni jest odtłuszczanie. W procesach klejenia różnych materiałów jest to warunek konieczny, gdyż obrabiane powierzchnie nie mogą być zatłuszczone. Odtłuszczanie ma na celu usunięcie z powierzchni zanieczyszczeń, do których należą: zabrudzenia olejem, smarem, wilgoć i inne niepożądane substancje przeszkadzające w dalszych procesach uaktywniania powierzchni. Odtłuszczanie przeprowadzać można ręcznie w przypadku produkcji jednostkowej lub w przypadku skomplikowanego kształtu elementu odtłuszczanego. Ten rodzaj odtłuszczania jest niedoskonały oraz praco- i czasochłonny. Odtłuszczanie najczęściej odbywa się albo w kąpielach rozpuszczalników, albo ich parach. Do odtłuszczania i mycia można stosować rozpuszczalniki: aceton, benzynę, czterochlorek węgla lub wodne roztwory substancji powierzchniowo czynnych, np, alkiloarylosulfoniany, roztwory fosforanów i inne. Gdy do odtłuszczania używa się wody ze środkami myjącymi, należy sprawdzić, czy tworzywo chłonie wodę czy jest hydrofilowe. Jeżeli tak, to następną czynnością musi być usunięcie wody np. przez wysuszenie. Do mechanicznych metod przygotowania należy szorstkowanie powierzchni. Metodę tę stosuje się do tworzyw twardych, takich jak PVC, poliamidy, tworzywa termoutwardzalne. Powierzchnię tworzyw miękkich najczęściej poddaje się działaniu rozpuszczalnika, w wyniku czego powierzchnia pęcznieje. Działania te prowadzą do powiększenia czynnej powierzchni klejenia. Powierzchnia ta jest większa od powierzchni geometrycznej połączenia. W warstwie spęcznionej makrocząsteczki tworzywa stają się bardziej ruchliwe i mogą łatwiej się łączyć z klejem. Przykładem może być klejenie twardego polichlorku winylu. Tworzyw niepolarnych, bardzo trudno rozpuszczających się w rozpuszczalnikach, nie obrabia się w ten sposób. Np. polietylen można poddać działaniu kwasu chromowego, policzterofluoroetylen (teflon) poddaje się działaniu sodu rozpuszczonego w naftalenie i czterowodorofuranie, polipropylen poddaje się działaniu wyładowań elektrycznych, np. przed malowaniem, gdzie powierzchnia musi mieć podobną aktywność jak przed klejeniem. W niektórych przypadkach stosuje się kąpiel sporządzoną ze stężonego kwasu siarkowego, dwuchromianu potasu i wody. Stosuje się ją do trawienia powierzchni tworzyw, które klejone są klejami reaktywnymi. Tworzywa niepolarne, szczególnie polietylen i polipropylen, zamiast kleić, należy spawać i zgrzewać. Efekty klejenia są stosunkowo mizerne, przy bardzo dużym nakładzie pracy związanym przede wszystkim z przygotowaniem powierzchni do klejenia. Połączenia spawane i zgrzewane PE i PP mają doskonałe własności mechaniczne. Tworzywa polarne można łatwo kleić, a proces przygotowania powierzchni jest najczęściej prosty i tani. W tworzywach polarnych występują dipole, wraz z dipolami pojawiają się oddziaływania elektrostatyczne, jak siły przyciągania dipolowego, na które wpływają momenty dipolowe. Dipole jednej cząsteczki oddziałując na cząsteczki drugiej 4

5 substancji zdolne są zainicjować zjawisko polaryzacji, mogą tworzyć się dipole indukowane. Oddziaływania te będą skuteczne w układzie: klej materiał klejony, kiedy klej występuje w stanie ciekłym, wówczas zbliżenie kleju, do materiału klejonego jest najlepsze. Oprócz, opisanych zjawisk absorpcji fizycznej w procesie zwilżania kleju występują oddziaływania chemiczne, a właściwie siły wiązań chemicznych. W niektórych ocenach to one decydują o przyczepności kleju do materiału klejonego. Całość oddziaływań chemicznych nazywa się chemisorpcją. Zarówno absorpcja fizyczna, jak i chemisorpcją występują wspólnie. Intensywność tych zjawisk ma szczególne miejsce np. na powierzchniach przygotowywanych sposobami mechanicznymi, gdzie na skutek obróbki w warstwie obrabianej powierzchni, zarówno metali, jak i tworzyw sztucznych, tworzy się cała gama defektów strukturalnych, takich jak różnego rodzaju dyslokacje (krawędziowe, śrubowe, punktowe), stanowiących centra aktywne dla kleju. W literaturze związanej z adhezją zjawiska te są szczegółowo omówione i w dalszym ciągu stanowią interesującą dziedzinę badań. Dla osób zajmujących się procesem klejenia bardzo ważne są czystość powierzchni, jej aktywność, powodujące że nanoszony na nią klej, który ma podobne właściwości, bardzo dobrze się z nią zwiąże. Powierzchnię tworzyw sztucznych bardzo często przygotowuje się metodą płomieniową i plazmową. Metoda płomieniowa stosowana jest do modyfikacji (uaktywnienia) powierzchni tworzyw. Polega na działaniu płomienia spalanych węglowodorów na powierzchnię tworzywa. Jest to bardzo silny proces utleniający, powodujący destrukcję długich łańcuchów węglowych polimerów, przy czym tworzą się mniejsze cząsteczki oraz powstaje szereg grup funkcyjnych zawierających tlen, jak np. grupa hydroksylowa OH, karboksylową COOH, ketonowa C = 0 i inne. Metodą tą dobrze uaktywnia się nawet silnie niepolarne tworzywa, jak PE i PP. Metoda plazmowa polega na działaniu plazmą, czyli zjonizowanym gazem (rozpad atomów na dodatnio zjonizowane cząsteczki i swobodne elektrony, tworzące kwazineutralną mieszaninę). Podczas działania plazmy na powierzchnię tworzywa zachodzą procesy trawienia, czyszczenia, a zwłaszcza tworzenie się nowych grup funkcyjnych. Jakie grupy funkcyjne się tworzą, zależne jest od składu gazów, z których plazma się tworzy. Plazma tlenowa generuje grupy zawierające atom tlenu, plazma azotowa wytwarza grupy zawierające azot, jak aminowe NH i NH 2, CN. Plazma halogenowa wytwarza na powierzchni grapy zawierające atomy chloru, fluoru, np. C Cl, C F. Podczas obróbki plazmowej ważny jest czas działania plazmy i jej moc. Obydwa te parametry ustala się doświadczalnie dla każdego układu: tworzywo klej. Ma to miejsce podczas opracowania technologii klejenia. Podsumowując - metodami przygotowania powierzchni tworzyw do klejenia są: działanie rozpuszczalnikami, trawienie, obróbka płomieniowa i plazmowa oraz obróbka mechaniczna. 5

6 Surowce do produkcji klejów Jako surowce do produkcji klejów znaczenie techniczne mają następujące substancje chemiczne: żywice: epoksydowe, fenolowe, rezorcynowe, mocznikowe, melaminowe, nienasycone żywice poliestrowe, silikony, poliuretany, polioctan winylu, chlorowany polichlorek winylu, kopolimery chlorku i octanu winylu, poliakrylany, polimetakrylany, estry celulozy, polialkohol winylowy, poliacetale winylowe, polistyren, poliizobutylen, polibutadien, kopolimery butadienu i akrylonitrylu, polichloropren, polisiarczki. Wymienione substancje rzadko występują w kleju same, najczęściej w mieszaninie z różnymi dodatkami. Całość takiej mieszaniny stanowi o właściwościach kleju. Każdy klej ma specjalne, charakterystyczne dla niego właściwości i przeznaczenie. Nie ma klejów uniwersalnych, które kleją wszystkie materiały z takim samym dobrym skutkiem. Kleje występują w różnych postaciach: jako roztwory wodne, dyspersyjne, roztwory w rozpuszczalnikach organicznych w postaci cieczy o małej i dużej lepkości są to kleje rozpuszczalnikowe. Kleje, których utwardzanie związane jest z reakcją chemiczną nazywa się klejami reaktywnymi. Kleje mogą występować w postaci ciała stałego (kleje topliwe), folii lub mogą być naniesione na nośniki. Kleje te w procesie klejenia przechodzą przez fazę ciekłą (ulegają stopieniu). W fazie tej następuje zwilżenie powierzchni klejonej, czyli przechodzą przez fazę taką, w jakiej występują kleje ciekłe i w tym momencie pojawiają się oddziaływania pomiędzy klejem a przygotowaną powierzchnią klejoną. Na Rys. 3 przedstawiono zmianę lepkości kleju podczas jego utwardzania. Rysunek 3 Przebieg zmian lepkości podczas utwardzania klejów: 1 kleje stałe, 2 kleje ciekłe. Podział klejów Kleje można podzielić na naturalne i syntetyczne. Kleje naturalne można podzielić na pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Kleje syntetyczne można podzielić według różnych kryteriów, np.: 6

7 według postaci na ciekłe i stałe. według budowy chemicznej fenolowe, mocznikowe, epoksydowe, nitrocelulozowe, kauczukowe, według mechanizmu wiązania - w procesie fizycznym (odparowanie rozpuszczalnika), w wyniku reakcji chemicznej, zestalające się po obniżeniu temperatury, według zastosowania - do klejenia tworzyw sztucznych, drewna, metali itp. według sposobu stosowania kleje przylepcowe, kontaktowe, reaktywne i rozpuszczalnikowe. Podstawowym warunkiem stawianym klejom jest, aby posiadały one dobrą adhezję do powierzchni klejonej. Przejawia się to małym kątem zwilżania (Rys. 1). Na rynku krajowym występują a przynajmniej do niedawna występowały, następujące kleje epoksydowe utwardzane na gorąco: 1. Epidian 100, występujący jako ciało stałe, 2. Epidian 101 a. A ciecz, roztwór epidianu 1 w acetonie, b. B ciecz, roztwór cyjanodwuamidu w acetonie, 3. ME 1, występujący jako ciecz, mieszanina epidianu 1 z poliwinylobutyralem i dwucyjanodwuamidem 4. ME 1, występujący w postaci stałej błony, klej naniesiony na siatkę stylonową, utwardzane na gorąco i na zimno: 5. Epidian 5 małocząsteczkowa żywica epoksydowa bez dodatku rozpuszczalników i rozcieńczalników 6. Epidian 51 jest to mieszanina epidianu 5 z modyfikatorem ftalan dwubutylu, 7. Epidian 53 jest to mieszanina epidianu 5 z modyfikatorem styrenem, 8. Epidian 55 jest to mieszanina epidianu 5 z aktywnym rozpuszczalnikiem organicznym fosforynem trójfenylowym. Jako jedyny epidian mogący się utwardzać w temperaturze 0 o C, 9. Epidian 57 - jest to mieszanina epidianu 5 z modyfikowaną żywicą poliestrową 10. Epidian 58 jest to mieszanina epidianu 5 z aktywnym rozcieńczalnikiem EBG, 11. Epidian 410 jest to mieszanina epidianu 5 z pyłem aluminiowym. Wymienione epidiany od 5 do 410, aby mogły być zastosowane jako kleje, wymagają użycia utwardzacza. Utwardzaczy do ich utwardzenia jest kilka. Zastosowanie ich do utwardzania kleju daje spoiny (warstwę utwardzonego kleju) o różnych własnościach, np. kruche, elastyczne, odporne w różnym stopniu na różne środowiska. Do utwardzaczy tych należą: Z-l trójetylenoczteroamina (TECZA), M m fenylenodwuamina, PAC pofiaminoamid, saduramit 25 i 40 (oznaczany również PA-25 i PA-40) są produktami poliaminoamidów z dimeryzowanymi kwasami tłuszczowymi, AR-1-10S i AR-1-100S, Akfanil. 7

8 Kleje na bazie kwasu poliakrylowego i jego pochodnych: bezrozpuszczalnikowy klej cyjanoakrylowy Cyjanopan B-4, kleje emulsyjne wytwarzane na bazie kopolimeru akrylowego. Kleje na bazie poliacetali winylu: BWF-21 oraz BWF-41 - alkoholowy roztwór pofiwinylobuty-ralu modyfikowanego żywicą fenolowo-formaldehydową. Kleje fenolowe: klej Nr-1 (do klejenia okładzin hamulcowych) - roztwór żywicy fenoloformaldehydowej z poliwinyloformalem, spirytusem posiarczynowym i dwuchloroetanem, klej bakelitowy roztwór żywicy fenolo formaldehydowej typu rezolowego. Kleje na bazie polichlorku winylu: PCW/AT oraz PCW/CA - roztwory PVC w rozpuszczal nikach: octanie etylu i butylu, dwuchloroetanie, chlorku metylenu i acetonie, Klej agresywny do rur roztwór. Kleje na bazie kwasów akrylowego i metakrylowego oraz ich pochodnych: cyjanopan B-4-2-cyjanoakrylan, Osolan Kl-B (Metapleks BK-540) - roztwór. Kleje anaerobowe na bazie dwumetakrylanu, utwardzają się bez dostępu tlenu: Loctite - klej irlandzki. Kolfix: S, W/55; W/904; W/908; W/910 i P/55 - produkt krajowy na bazie dwumetakrylanu. Kleje często stosuje się z aktywatorami, preimerami (podkładami), które mają na celu zwiększenie przyczepności, poprawienie adhezji kleju do łączonego materiału. 8

9 Proces klejenia 1. Przygotowanie kleju Po dokonaniu wyboru kleju następuje operacja jego przygotowania. W przypadku klejów jednoskładnikowych nie ma żadnych czynności dodatkowych za wyjątkiem wymieszania, gdy klej jest z napełniaczem. Czynność przygotowania kleju występuje w przypadku klejów wieloskładnikowych: dwu-, trój- i wieloskładnikowych. Najważniejsze jest przestrzeganie zaleceń producenta kleju, przede wszystkim o ilościowym stosunku mieszania poszczególnych składników. Pod żadnym pozorem nie wolno tego zmieniać, gdyż najczęściej wynika to ze stechiometrii reakcji, która zachodzi po zmieszaniu np. żywicy z utwardzaczem. Nadmiar jednego z nich pozostawia go nie przereagowanym w utwardzonym kleju. Ważną informacją dla użytkownika kleju jest żywotność masy klejowej, czyli czas od chwili zmieszania żywicy z utwardzaczem do chwili osiągnięcia takiej lepkości przez klej, która uniemożliwia naniesienie na powierzchnię. Należy pamiętać o tym, że reakcja zachodząca pomiędzy żywicą a utwardzaczem jest najczęściej egzotermiczna i przy dużej ilości zmieszanych składników klej może się nagrzać do tego stopnia, że ulegnie zestaleniu przed jego wykorzystaniem. W krańcowym przypadku może dojść do zapalenia się kleju. Przygotowanie (mieszanie) można przeprowadzić ręcznie lub w mieszalnikach mechanicznych. Wiąże się to z ręcznym lub zmechanizowanym nanoszeniem kleju. 9

10 2. Nanoszenie kleju Na przygotowaną powierzchnię klejoną nanosi się klej. Klej nanosić można ręcznie za pomocą prostych narzędzi (np. pędzla) lub urządzeń do nanoszenia kleju. Ważne jest, aby warstwa kleju była możliwie cienka i równomierna na całej powierzchni klejonej. Najczęściej kleje nanosi się na obydwie powierzchnie łączone. Producent precyzuje to w instrukcji. Dla klejów rozpuszczalnikowych bardzo ważne jest przestrzeganie tzw. czasu otwartego (czas schnięcia otwartego) - jest to czas niezbędny do odparowania rozpuszczalnika z kleju, kiedy powłoka klejowa osiąga optymalną przyczepność (dotykający palec nie może się kleić). Po tej czynności następuje złączenie powierzchni z naniesionym klejem i utwardzenie. 3. Utwardzenie kleju Utwardzenie kleju można przeprowadzać na zimno" w temperaturze pokojowej oraz na gorąco w temperaturze podwyższonej. Istnieje prosta zależność temperatury od czasu utwardzania: wyższa temperatura - krótszy czas utwardzania oraz lepsze właściwości połączenia. Szybkość utwardzania związana jest z reakcją, która zachodzi w kleju. Wyższa temperatura to szybszy przebieg reakcji utwardzania. Parametrami utwardzania kleju są: temperatura, czas i docisk. Utwardzanie przeprowadza się w suszarce, piecu lub autoklawie, w którym równocześnie wywierany jest docisk. Docisk w procesie klejenia można zrealizować w różny sposób. Rys. 4 przedstawia niektóre rozwiązania sposobu wywierania docisku. Są kleje, które wymagają docisku jedynie kontaktowego 0,1 kg/cm, inne np. fenolo formaldehydowe ok. 20 kg/cm 2. Wszystkich parametrów należy bezwzględnie przestrzegać i zachowywać je w wielkościach podanych przez producenta kleju. Od zachowania tych parametrów zależy w dużej mierze wytrzymałość połączenia klejonego. Rysunek 4 Sposoby wywierania docisku w procesie klejenia. 10

11 Tabela 1 Krajowe kleje do klejenia metali i tworzyw sztucznych - parametry utwardzania 4. Kondycjonowanie Po procesie utwardzania kleju następuje czynność kondycjonowania. Po zakończonym procesie utwardzania połączenia klejone pozostawia się na pewien czas w warunkach otoczenia w celu wyrównania w spoinie naprężeń wewnętrznych i między innymi osiągnięcia normalnej wilgotności sklejanego materiału. W czasie kondycjonowania spoina osiąga pełną wytrzymałość. Czas kondycjonowania jest zazwyczaj podawany przez producenta kleju. 5. Obróbka wykańczająca klejonych elementów Przedmioty sklejone można poddać obróbce dopiero po zakończeniu kondycjonowania. Wykańczanie polega na nadaniu złączu odpowiedniej estetyki. Najczęściej polega to na oszlifowaniu wycieków nadmiaru kleju, wypolerowaniu. 11

12 Zasady doboru kleju Kleje są opracowywane pod kątem klejenia określonych materiałów i tylko te materiały można nimi skutecznie łączyć. Pierwszym warunkiem właściwego doboru kleju jest znajomość budowy materiału, który ma być łączony. Doboru kleju do łączenia danego materiału można dokonać biorąc pod uwagę następujące czynniki: właściwości użytkowe kleju, właściwości otrzymanego połączenia, koszt procesu klejenia, a zwłaszcza kleju. Pierwszy z tych czynników dotyczy przydatności kleju do danego procesu technologicznego i obejmuje takie elementy, jak sposób przygotowania masy klejowej i jej żywotność, sposób nanoszenia kleju, warunki utwardzania i wymagania związane z bezpieczeństwem pracy i ochrony środowiska. Drugi czynnik związany jest z własnościami eksploatacyjnymi wykonanego połączenia. Przede wszystkim wytrzymałością, ale również odpornością spoiny klejowej na różne oddziaływania, np. temperaturę, wilgotność, środowisko chemiczne, w którym połączenie pracuje, zmienne naprężenia, o ile występują itp. Trzeci czynnik to cena kleju, często ona decyduje o użyciu danego kleju. W przypadku konieczności wytypowania kleju do nowego połączenia należy wziąć pod uwagę następujące ogólne wskazania: klej musi wykazywać przyczepność do danego materiału, czyli dobrze zwilżać jego powierzchnię, spoina klejowa powinna mieć właściwości zbliżone do właściwości klejonego materiału. Pożądane jest, gdy klej w złączu jest bardziej elastyczny od materiału klejonego, co zapewnia większą wytrzymałość połączenia, podczas klejenia tworzyw sztucznych najlepsze połączenia uzyskuje się, gdy klej jest wykonany na bazie tego samego polimeru, co materiał łączony, w przypadku użycia kleju termoutwardzalnego temperatura jego utwardzania musi być znacznie niższa niż temperatura mięknienia tworzywa klejonego. W przeciwnym razie mogą wystąpić odkształcenia, a nawet uszkodzenia materiału łączonego, wytypowany klej nie powinien wykazywać zbyt dużego skurczu podczas utwardzania, gdyż pociągałoby to za sobą występowanie naprężeń w złączu, klejąc materiały porowate należy unikać klejów rozpuszczalnikowych; gdyby zaszła konieczność ich zastosowania, należy zwrócić uwagę na odparowanie rozpuszczalnika przed złączeniem elementów klejonych. Ważne jest, by nie dopuścić do rozpuszczenia tworzywa klejonego, co można zaobserwować, jako zapadnięcie struktury komórkowej. Uwzględniając powyższe uwagi można tak dobrać klej do łączenia danego tworzywa, że otrzymane połączenie będzie spełniało wymagania tak wytrzymałościowe, jak i odporności na warunki eksploatacyjne. Przy doborze kleju do łączenia danego tworzywa można posługiwać się informacjami zawartymi w literaturze fachowej, jednak szczegóły technologii klejenia należy ustalić doświadczalnie. 12

13 Kontrola połączeń klejonych Połączenia klejone można badać metodami nieniszczącymi i niszczącymi. Do nieniszczących metod badania należą: ocena wzrokowa, wysokonapięciowa, ultradźwiękowa, rentgenowska, podciśnieniowa, określenie wodo- i gazoszczelności. Powyższe metody można zastosować na gotowych wyrobach. Równolegle z wykonywanym wyrobem należy wykonać próbki, które poddaje się ocenie zgodnie z istniejącymi normami. Są trzy podstawowe normy określające jakość klejów i połączeń klejonych: określenie wytrzymałości na ścinanie przez rozciąganie wgpn-69/c określenie wytrzymałości klejów na oddzieranie wg PN-69/C-89302, określenie wytrzymałości na odrywanie wg PN-65/C Na Rys. 5 przedstawiono próbki do badań połączeń klejonych wg wyżej podanych Polskich Norm. Rysunek 5 Próbki do badań połączeń klejowych: a) na ścinanie b) na oddzieranie c) na odrywanie Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych połączeń klejonych Połączenia klejone powinny być tak projektowane, by naprężenia w nich występujące miały charakter przede wszystkim ścinający lub odrywający. Połączenia wrażliwe są na działanie naprężeń złożonych, np. odrywająco oddzierających. Najkorzystniejszym przykładem jest połączenie rura z rurą, gdzie przy rozciąganiu, ściskaniu i skręcaniu zawsze występują naprężenia ścinające. Ważna jest wielkość powierzchni łączonych, która powinna być możliwie duża. Dobrze jest to realizowane w połączeniach zakładkowych, w których wytrzymałość 13

14 połączenia związana jest z długością zakładki. Zależność ta jest zależnością liniową tylko do pewnej wartości jej długości. Długość zakładki określa wzór: L = mσ 0,2 gdzie: m współczynnik zależny od rodzaju połączenia i sił obciążających, σ 0,2 umowna granica plastyczności. Graficznie zależność długości zakładki od wytrzymałości przedstawiono na rys. 6. Rysunek 6 Wykres zależności wytrzymałości połączenia klejonego zakładkowego od długości zakładki. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych połączeń klejonych przedstawia Rys. 7. Rysunek 7 Przykłady połączeń klejonych, których spoiny pracują na ścinanie Rysunek 8 Połączenia klejone zakładkowe 14

15 Rysunek 9 Połączenia klejone rurowe Rysunek 10 Połączenia okrągłych prętów Kleje samoprzylepne Klejem samoprzylepnym powleczona jest spodnia strona wierzchniej warstwy materiału samoprzylepnego. Kleje samoprzylepne w określonym przedziale temperatur mają trwałe właściwości przylepne, które powodują natychmiastowe przywieranie z odpowiednią siłą do różnych powierzchni. Im większa jest ta siła, tym większa przyczepność. Kleje samoprzylepne wykazują pewną przylepność w stanie ciekłym przy nakładaniu na podłoże. W stanie stałym błona klejowa powstała po wysuszeniu lub ochłodzeniu ma jednak przylepność znacznie większą. Jest to charakterystyczna cecha klejów samoprzylepnych. Dawniej kleje samoprzylepne nakładano w postaci roztworów, do sporządzania których używano palnych, toksycznych rozpuszczalników organicznych. Bardzo często przy wytwarzaniu materiałów samoprzylepnych dochodziło do groźnych pożarów. Najczęściej stosuje się obecnie kleje samoprzylepne w postaci klejów topliwych lub emulsyjnych (dyspersyjnych). Częściej są to kleje dyspersyjne. Kleje samoprzylepne są nakładane zwykle stosowanymi sposobami powlekania. W zależności od chłonności podłoża i przeznaczenia (tj. stanu równości powierzchni, na którą naklejany jest materiał samoprzylepny) gramatura nakładanego kleju wynosi od kilku do nawet 30 g/m 2. Kleje samoprzylepne mają zwykle skomplikowany skład chemiczny. Obecnie najczęściej do ich produkcji stosowane są poliakrylany i kauczuki (w przeważającej większości syntetyczne). Z dwóch wymienionych powyżej związków wielkocząsteczkowych produkowane są następujące kleje: - dyspersyjne na bazie wody (poliakrylany, kauczuki syntetyczne), 15

16 - rozpuszczalnikowe (kauczuk naturalny, poliakrylany)'5, - topliwe (hot melts - na bazie kauczuków syntetycznych), - sieciowane promieniowaniem UV (UV cross linkable acrylic - specjalny rodzaj poliakrylanów). Nie wszyscy producenci materiałów samoprzylepnych mają w swej ofercie wszystkie wymienione kleje. Rodzaje klejów z punktu widzenia ich budowy chemicznej oraz sposób ich aplikacji na spodnią stronę materiału wierzchniego (przeznaczonego do zadrukowywania) stanowią dla użytkownika tylko dane informacyjne, gdyż tak naprawdę interesują go dwa zagadnienia: jak zachowuje się materiał samoprzylepny naklejony na daną powierzchnię i przeznaczenie materiału samoprzylepnego z danym typem kleju, czyli tzw. końcowe zastosowanie materiału. Oba problemy można rozwiązać przez stosowanie kombinacji różnych klejów samoprzylepnych. Ze względu na swe właściwości ogół klejów stosowanych w materiałach samoprzylepnych można podzielić na dwie grupy: - kleje trwałe (ang. permanent adhesives), - kleje usuwalne (ang. removabte adhesives). Kleje trwałe mają dużą przylepność (adhezję) do powierzchni, na którą są naklejane, tak że po naklejeniu etykiety nie można jej oderwać bez jej zniszczenia. W ramach klejów trwałych niektórzy producenci wyróżniają jeszcze: - kleje półtrwate (ang. semi-permanent), - kleje supertrwale (ang. supertack). Kleje półtrwate zachowują się w jednych warunkach jak trwale, w innych zaś jak usuwalne, np. klej trwały wodousuwalny (ang. water removable) jest trwały bez działania wody i usuwalny przez działanie wody. Kleje supertrwale to kleje trwale o znacznie zwiększonej przylepności. Są one stosowane najczęściej w niskich temperaturach do głębokiego mrożenia Do grupy klejów trwałych zaliczane są: - kleje supertrwale, - kleje do stosowania w niskich temperaturach (ang. deep freeze), - kleje do etykiet na produkty żywnościowe (ang. food grade), - kleje półtrwate. Kleje usuwalne mają znacznie niższą adhezję do powierzchni, na którą są przyklejane i w związku z tym można je oderwać od danej powierzchni i ponownie na nią przykleić. Niestety nie dotyczy to wszystkich podłoży: gdy podłoże ma matą spoistość powierzchni (np. papier niepowlekany), wtedy klej usuwalny zachowuje się tak jak klej trwały. Do grupy klejów usuwalnych zaliczane są także kleje zmywalne wodą (ang. water wash off). Są to kleje rozpuszczalne (zmywalne) w wodzie mającej najczęściej odczyn zasadowy. Ostatnio zostały wprowadzone dwie nowe grupy klejów: - kleje specjalne (ang. specialities), - kleje utwardzane promieniowaniem UV (ang. UV hot melts). 16

17 Kleje specjalne mają konkretne specyficzne zastosowanie, zaś kleje utwardzane promieniowaniem UV - specyficzny sposób nanoszenia i utrwalania na spodniej stronie materiału wierzchniego. Typowe kleje trwale, usuwalne i półtrwale nazywane są klejami ogólnego przeznaczenia. Kleje nie mają zwykle nazw i oznaczane są najczęściej symbolami. Kleje ogólnego przeznaczenia są stosowane do aplikacji na najprostszych gładkich i suchych powierzchniach bez ekstremalnych warunków otoczenia. Wymagania i zalecenia odnośnie do końcowego użytkownika, a prawdę mówiąc wymagania dotyczące specyficznych powierzchni, na które naklejany jest dany materiał (etykieta) samoprzylepny, zostaną przedstawione w jednym z dalszych rozdziałów. Zazwyczaj kleje kauczukowe są bardziej mrozoodporne niż poliakrylowe. Kleje kauczukowe bardziej niż kleje poliakrylowe brudzą noże przy krojeniu materiałów samoprzylepnych. Kleje mogą być nanoszone na całą powierzchnię materiału samoprzylepnego (etykiety) lub wybiórczo w postaci pasków o różnej szerokości. Materiały spodnie materiałów samoprzylepnych Spodnią część materiałów samoprzylepnych stanowi najczęściej papier o właściwościach abhezyjnych. Jest to papier powleczony warstwą silikonu. Warstwa ta ma właściwości antyadhezyjne (abhezyjne), które zabezpieczają warstwę kleju samoprzylepnego przed samoistnym przylepieniem, a jednocześnie umożliwiają łatwe oddzielenie silikonowego papieru od warstwy kleju dając możliwość łatwego przyklejenia (aplikacji) materiału samoprzylepnego na danej powierzchni, innymi słowy właściwości abhezyjne, czyli antyadhezyjne to nic innego jak właściwości przeciwprzylepne. Jak już wspomniano na wstępie tego rozdziału, materiały samoprzylepne produkowane są w dwóch postaciach: jako materiały arkuszowe i zwojowe. Materiały arkuszowe (głownie papierowe, tj. z wierzchem z papieru) wymagają stabilizującej przekładki abhezyjnej, czyli papieru silikonowego o stosunkowo dużej gramaturze. Samoprzylepne materiały zwojowe (w tym także papiery) wymagają papieru silikonowego o niższej gramaturze, gdyż stabilizacja wymiarowa wstęgi jest również uzależniona od naciągu wstęgi. W związku z powyższym stosowane są różne papiery silikonowe (o różnej gramaturze) do materiałów arkuszowych i zwojowych. Sita sczepienia (adhezji) warstwy spodniej z klejem samoprzylepnym musi być odpowiednia. Nie może być zbyt mała, gdyż warstwa spodnia mogłaby samorzutnie odpaść. Nie może być zbyt duża, gdyż wtedy trudno byłoby oddzielić część wierzchnią od spodniej. Składem powłoki silikonowej można regulować siłę jej sczepienia z warstwą kleju samoprzylepnego. Jest to zagadnienie ważne szczególnie w przypadku automatycznego etykietowania. Sita sczepienia musi być optymalna dla danej szybkości maszyny etykietującej. Materiałem, z którego najczęściej wykonuje się spodnią część materiałów samoprzylepnych, jest wyrób papierowy pokryty silikonem, czyli papier silikonowy. Papier silikonowy spełnia ważną funkcję, jako nośnik części wierzchniej, która jest najczęściej cienka i mało sztywna. W związku z tym musi on mieć odpowiednią sztywność i 17

18 wytrzymałość. Od papieru silikonowego przeznaczonego do materiałów arkuszowych wymagana jest szczególnie wytrzymałość na przedarcie, zaś dla materiałów zwojowych - wytrzymałość na rozciąganie. Stosowane są do tego celu różne rodzaje papierów celulozowych (bezdrzewnych), różniące się sposobem wykończenia, gramaturą, składem itp. Pewne rozwiązania zostały opatentowane przez producentów materiałów samoprzylepnych i w związku z tym różni producenci stosują nieco różniące się papiery silikonowe do tych samych celów. Papier podłożowy do silikonowania jest kupowany u czołowych producentów papieru. Producenci materiałów samoprzylepnych sami we własnym zakresie powlekają silikonem papiery. Jako spodnia warstwa arkuszowych materiałów samoprzylepnych stosowane są głównie różnego rodzaju papiery siarczanowe o różnym stopniu przetworzenia, tak maszynowo gładzone, jak i powlekane. Dolny zakres gramatur papierów silikonowych do arkuszowych materiałów samoprzylepnych jest wyższy niż papierów silikonowych przeznaczonych do zwojowych materiałów samoprzylepnych i wynosi najczęściej od 80 g/m 2 wzwyż - na ogól do 140 g/m 2 ; w tym także papiery samokopiujące CFB (ang. Coated Front & Back) i CF (ang. Coated Front). Do materiałów samoprzylepnych zwojowych stosowane są najczęściej poniżej podane materiały spodnie. Do papierów samoprzylepnych zwojowych stosowane są głównie satynowane papiery pergaminowe (ang. glassine paper) i papiery siarczanowe (ang. kraft paper) powleczone warstwą silikonu oraz papier pergaminowy pokryty jednostronnie powloką polipropylenową i papier siarczanowy dwustronnie powlekany polietylenem. Satynowane papiery pergaminowe stosowane do silikonowania mają najczęściej gramaturę od 60 g/m 2 do 97 g/m 2. Papiery pergaminowe są transparentne, co umożliwia sterowanie procesem etykietowania przez urządzenia sterowane fotokomórkami. Satynowane papiery pergaminowe występują w kilku barwach: miodowej (żółtej), białej, niebieskiej, kremowej itp. Papiery siarczanowe przeznaczone do zwojowych materiałów samoprzylepnych, stosowane do silikonowania mają najczęściej gramaturę od 37 g/m 2 do 137 g/m 2. Papiery siarczanowe mają w zależności od zastosowania różne wykończenie powierzchni. Mogą być białe maszynowo gładzone bądź jedno- lub dwustronnie powlekane (mieszankami pigmentowymi albo polietylenem). Sposób wykończenia powierzchni papierów do silikonowania jest zależny od specyficznego zastosowania materiału samoprzylepnego. Mogą być także stosowane papiery dwustronnie silikonowane. Oczywiście w takim przypadku nie będzie to materiał samoprzylepny trójwarstwowy - będzie się składał z większej liczby warstw. Powleczone tworzywami sztucznymi satynowane papiery pergaminowe i siarczanowe są stosowane głównie, jako warstwa spodnia samoprzylepnych folii; konkurują one ze spodnimi warstwami z folii z tworzyw sztucznych. Konkurencja ta związana jest z szybkością automatycznego etykietowania. Przy dużych szybkościach w przypadku samoprzylepnych materiałów foliowych spodnią ich część stanowią przezroczyste folie poliestrowe lub polipropylenowe. Najczęściej stosowane są folie poliestrowe z poliftereftalanu etylenu) tzw. PET. Są to na ogól folie o grubości µm, czyli o gramaturze g/m 2. Jako spodnia warstwa 18

19 materiałów samoprzylepnych stosowana jest także folia z orientowanego polipropylenu OPP 50 µm, tj. o gramaturze ok. 45 g/m 2. Folie stosowane w charakterze przekładki antyadhezyjnej powlekane są silikonem. W charakterze spodnich warstw materiałów samoprzylepnych stosowane bywają także papiery pergaminowe satynowane powlekane polipropylenem. Materiały samoprzylepne formatowe, tj. w formacie A4 papiery samoprzylepne przeznaczone do prac biurowych (drukarki ink-jet, drukarki laserowe oraz wykrawane etykiety na tym formacie) i rolki kasowe mają jako dolną część materiałów samoprzylepnych najczęściej papiery siarczanowe o gramaturze pośredniej pomiędzy papierami silikonowymi przeznaczonymi do materiałów samoprzylepnych arkuszowych i zwojowych. Przedstawiony opis nie wyczerpuje zagadnienia. Jest wiele Innych specyficznych papierów silikonowych, przeznaczonych wyłącznie do jednego konkretnego zastosowania. Strona spodnia (niepowleczona) papieru silikonowego może być zadrukowywana prostymi rysunkami, gdy jest nie powlekana i/lub rysunkami wielobarwnymi, gdy jest powlekana. W celu ułatwienia oddzielania spodniej warstwy materiału samoprzylepnego od wierzchniej, warstwa spodnia jest w niektórych przypadkach nacinana (przekrawana) lub wypalana laserem. Zarówno metody, jak i kierunki oraz odstępy pomiędzy nacięciami są obiektem zastrzeżeń patentowych poszczególnych firm produkujących materiały samoprzylepne. Standardowe nacinanie warstwy spodniej jest wykonywane w zależności od firmy co 31, 32, 35, 38, mm itp. równolegle, prostopadle lub ukośnie (pod kątem 45 ) do kierunku wytwarzania. Nie oznacza to bynajmniej, że przy stosunkowo dużym zamówieniu nie można zamówić sobie innych odstępów - zwykle nie mniejszych niż 25 mm. Nacięcia standardowe spełniają swą funkcję tylko przy małych użytkach (przy etykietach o małych formatach). Przy dużych formatach etykiet musimy sami wykonać nacięcia strony spodniej, aby łatwiej było oddzielić użytkową część wierzchnią od spodniej. Budowa materiałów samoprzylepnych o specjalnym przeznaczeniu Nie wszystkie materiały samoprzylepne mają klasyczną trójwarstwową budowę: warstwa wierzchnia - klej samoprzylepny - papier (folia) antyadhezyjny. Do pewnych specjalnych celów stosowane są materiały o innej budowie; najczęściej produkowane zostaną wymienione poniżej. Bardzo często jednak zastosowanie etykiety o innej budowie jest spowodowane przez niewielkie rozmiary opakowania, na które ma być naniesiona dana etykieta. Najczęściej nie ma z tym większych problemów, ale zdarzają się przypadki, że etykieta musi zawierać taką ilość informacji, jaka nie ma szans zmieścić się na małej etykiecie - w tym celu powstały etykiety wielowarstwowe, typu broszurowe i etykiety plus. W tej formie etykiety spełniają dwie funkcje. Pierwsza z nich to identyfikacyjna, a druga - w przypadku rozwinięcia kolejnych warstw - informacyjna. Bardzo ważne dla tych etykiet jest też to, że nawet po rozwinięciu informacja wciąż pozostaje z produktem, którego dotyczy. Taki sposób drukowania daje możliwość zwiększenia powierzchni informacyjnej etykiety nawet do dwudziestu lub trzydziestu razy. 19

20 Materiały wielowarstwowe typu sandwich to dwie etykiety jedna na drugiej tak jak w przypadku kanapki (rys. 11) - wariant tylko w wersji papierowej. Budowa od góry jest następująca: pierwszą etykietę stanowi dowolny papier pokryty klejem samoprzylepnym, druga etykieta wykonana jest z papieru silikonowego i pokryta klejem samoprzylepnym, ostatnia warstwa to papier silikonowy. Papiery w zależności od zastosowania mają różne powłoki funkcyjne - najczęściej są to materiały samokopiujące wieloarkuszowe z warstwami CFB i CF. Rysunek 11 Budowa materiału samoprzylepnego typu sandwich 1 pierwsza etykieta 2 druga etykieta 3 materiał spodni A papier wierzchni B warstwa kleju C papier silikonowy D warstwa kleju Bardziej skomplikowany sandwich to trzy etykiety papierowe z klejem samoprzylepnym i papier silikonowy zabezpieczający: pierwsza etykieta z warstwą CB, druga pokryta z wierzchu żywicą silikonową i warstwami CFB, trzecia etykieta pokryta z wierzchu warstwą żywicy silikonowej i warstwą CF. Jeszcze bardziej wyrafinowaną kanapką są materiały samoprzylepne służące do wykonywania samoprzylepnych tatuaży. Od góry materiał (od czytelnej strony rysunku) do wykonywania tatuaży składa się z następujących warstw: - folia z OPP, - powłoka dzieląca (primer), - druk (rysunek tatuażu), - klej transferowy (nałożony na papier silikonowy), - papier silikonowy (spodnia część materiału samoprzylepnego). Materiały wielowarstwowe z papierem silikonowym w środku. Tego typu materiał (rys. 12) zbudowany jest w ten sposób, że dwie powierzchnie przeznaczone do zadrukowywania powleczone klejem samoprzylepnym połączone są poprzez dwustronnie powlekany żywicą silikonową papier adhezyjny. Tego rodzaju konstrukcja określana jest w języku angielskim jako stereo construction. Na podobnej zasadzie zbudowany jest materiał wielowarstwowy z dwustronnie powleczonym klejem materiałem podłożowym; klej z obu stron zabezpieczony jest papierem silikonowym. 20