Kleje odgrywają ogromną rolę we współczesnej technice łączenia materiałów. Umożliwiają one łączenie elementów wykonanych z takich samych lub zupełnie różnych tworzyw, często zastępując tradycyjne metody mechaniczne (śruby, nity) czy termiczne (spawanie, lutowanie). Aby zrozumieć skuteczność klejów, trzeba poznać istotę adhezji, różne mechanizmy adhezji, a także czynniki wpływające na przyczepność. Poniżej przedstawiamy mechanizmy adhezji, omawiamy rodzaje klejów i ich właściwości, opisujemy czynniki wpływające na przyczepność oraz metody poprawy adhezji. Następnie przyjrzymy się zastosowaniom klejów w różnych branżach i porównamy nowoczesne technologie klejenia z tradycyjnymi metodami. Na koniec zaprezentujemy wskazówki wyboru odpowiedniego kleju oraz omówimy typowe problemy z adhezją i sposoby ich rozwiązania.
Definicja adhezji i jej znaczenie w klejach
Termin adhezja wywodzi się z łacińskiego adhaesio – przyleganie. W ujęciu technicznym adhezja oznacza łączenie się powierzchniowych warstw dwóch ciał fizycznych (stałych lub ciekłych) na skutek oddziaływań międzycząsteczkowych. W przypadku klejów chodzi o przyciąganie pomiędzy cząsteczkami kleju a cząsteczkami materiału, do którego klejamy. To właśnie dzięki adhezji klej potrafi przylgnąć do podłoża i utrzymać dwa elementy razem.
Znaczenie adhezji w technologii klejów jest fundamentalne – bez odpowiedniej adhezji nawet najlepszy klej nie spełni swojej roli. Słaba adhezja oznacza, że klej nie chwyta dobrze powierzchni, co prowadzi do odpadania lub łatwego rozwarstwienia połączenia (tzw. awaria adhezyjna). Z kolei wysoka adhezja przekłada się na trwałe połączenie. Dlatego przy projektowaniu i doborze klejów dużo uwagi poświęca się temu, jak zwiększyć adhezję do danego materiału. Adhezja jest wykorzystywana w każdym połączeniu klejowym – klej działa jak pomost między łączonymi powierzchniami, a siły adhezji decydują o przyczepności tego pomostu do obu materiałów.
W praktyce adhezja ściśle łączy się też z kohezją (spójnością kleju). Dla trwałości złącza obie te siły muszą być zrównoważone – klej musi równie dobrze przylegać (adhezja), co być mocny sam w sobie (kohezja). Jeśli adhezja jest słabsza niż kohezja, klej może odpadać od podłoża (zerwanie adhezyjne). Jeśli zaś kohezja jest słabsza, wówczas sam klej pęka (zerwanie kohezjne). Idealnie dobrany klej ma więc wysoką przyczepność do danej powierzchni i odpowiednią wytrzymałość wewnętrzną.
Mechanizmy adhezji
Adhezja nie jest pojedynczym zjawiskiem – na poziomie mikroskopowym występują różne mechanizmy powodujące przyczepność. W kontekście klejów wyróżnia się trzy główne mechanizmy adhezji:
Adhezja mechaniczna (zazębianie mechaniczne)
Adhezja mechaniczna polega na zakotwiczeniu kleju w nierównościach i porach podłoża. Nawet pozornie gładkie powierzchnie w skali mikroskopowej mają chropowatość – drobne rowki i wgłębienia. Klej wnika w te mikroskopijne zagłębienia i twardniejąc zakotwicza się w nich, co tworzy mechaniczne spojenie. Im bardziej chropowata (porowata) powierzchnia, tym więcej “zakotwień” może utworzyć klej, zwiększając adhezję. Popularne powiedzenie mówi, że szorstka powierzchnia lepiej się klei, właśnie dzięki efektowi mechanicznego zazębiania.
W praktyce wiele technik przygotowania powierzchni przed klejeniem ma na celu zwiększenie adhezji mechanicznej – np. szlifowanie lub piaskowanie tworzy mikronierówności, w które klej łatwiej wniknie. Trzeba jednak zachować umiar: zbyt duża chropowatość może zmniejszyć rzeczywistą powierzchnię kontaktu kleju z materiałem. Dlatego ważne jest optymalne przygotowanie powierzchni (o tym więcej w dalszej części). Adhezja mechaniczna odgrywa dużą rolę zwłaszcza przy klejeniu materiałów porowatych (drewno, tkaniny, papier) oraz wszędzie tam, gdzie klej może fizycznie penetrować powierzchnię.
Adhezja fizyczna (oddziaływania międzycząsteczkowe)
Adhezja fizyczna to przyczepność wynikająca z fizycznych sił przyciągania na poziomie cząsteczek. Gdy klej przylega do powierzchni, działają między nimi międzycząsteczkowe siły van der Waalsa, siły elektrostatyczne oraz ewentualnie wiązania wodorowe. Są to relatywnie słabe oddziaływania w porównaniu z wiązaniami chemicznymi, ale ich suma na dużej powierzchni potrafi dać znaczną siłę spojenia. Adhezja fizyczna jest czasem nazywana adhezją specyficzną lub adsorpcyjną – klej “przylepia się” dzięki temu, że jego cząsteczki przyciągają cząsteczki podłoża (i odwrotnie).
Kluczowym pojęciem jest tu energia powierzchniowa materiału. Powierzchnia o wysokiej energii (np. metale, szkło) silnie przyciąga cząsteczki kleju, ułatwiając zwilżenie i przyleganie. Z kolei materiały o bardzo niskiej energii powierzchniowej (np. polietylen PE, polipropylen PP, teflon PTFE) są trudne do sklejenia, ponieważ klej “zbiera się” w krople i nie wetuje dobrze takiego podłoża. Dla dobrej adhezji fizycznej klej musi dobrze zwilżyć powierzchnię – czyli rozpłynąć się po niej w cienkiej warstwie. Jeśli klej ma zbyt dużą lepkość lub powierzchnia jest nieaktywna (niskoenergetyczna), przyleganie będzie słabe. Często stosuje się więc primery lub aktywatory powierzchni, by zwiększyć energię powierzchniową podłoża i poprawić zwilżalność (o czym później).
Przykładem adhezji fizycznej są kleje kontaktowe oraz taśmy klejące – tam głównie siły van der Waalsa utrzymują kontakt między klejem a podłożem. Również silikonowe przyssawki trzymają się gładkich powierzchni dzięki adhezji fizycznej (podciśnienie pomaga zwiększyć kontakt, a resztę robią siły międzycząsteczkowe).
Adhezja chemiczna (wiązania chemiczne)
Adhezja chemiczna zachodzi, gdy pomiędzy klejem a podłożem tworzą się trwałe wiązania chemiczne. Oznacza to, że na granicy faz dochodzi do reakcji chemicznej – atomy kleju tworzą wiązania (kowalencyjne, jonowe lub inne) z atomami materiału. Ten mechanizm daje najsilniejsze możliwe połączenia, ponieważ wiązania chemiczne (np. wiązania kowalencyjne) są znacznie mocniejsze niż fizyczne siły van der Waalsa. Szacuje się, że wiązanie chemiczne z powierzchnią bywa kilkukrotnie silniejsze od adhezji fizycznej.
W praktyce adhezja chemiczna występuje w przypadku klejów, które reagują z podłożem. Przykładem są niektóre kleje epoksydowe i poliuretanowe, które mogą chemicznie wiązać się z powierzchnią (zwłaszcza jeśli użyty zostanie odpowiedni primer chemiczny). Również tzw. kleje silikonowe mogą tworzyć wiązania siloksanowe z podłożem szklanym lub metalicznym, jeśli aktywuje się powierzchnię. Adhezja chemiczna bywa wykorzystywana świadomie – np. poprzez zastosowanie łączników chemicznych (coupling agents), takich jak silany w przypadku klejenia szkła lub ceramiki polimerami (silany reagują z powierzchnią szkła i polimeru, tworząc “mosty” chemiczne).
Warto zaznaczyć, że w praktyce często adhezja ma charakter mieszany. Klejenie zazwyczaj opiera się na kombinacji mechanicznego zakotwiczenia, sił fizycznych i czasem lokalnych oddziaływań chemicznych. Granice między tymi mechanizmami są płynne – np. wiązania wodorowe można traktować zarówno jako słabe wiązania chemiczne, jak i silne oddziaływania fizyczne. Niezależnie od mechanizmu, cel jest jeden: uzyskać mocne przyleganie kleju do powierzchni.
