16 października 2021



Dlaczego więc konstruktorzy i technolodzy decydują się na klejenie? I to pomimo braku przygotowania merytorycznego na większości polskich uczelni? Takich powodów jest kilkanaście, tu spróbuję wskazać kilka odnoszących się tylko do łączenia kompozytów.

  • Klejenie umożliwia utrzymanie najkorzystniejszego stosunku masy do sztywności. Konstrukcje są coraz lżejsze, przy zachowaniu koniecznej sztywności. To dotyczy większości zastosowań, głównie w transporcie, gdzie masa jest czynnikiem nie tylko w trakcie budowy, projektowania i montażu, ale przede wszystkim w czasie eksploatacji.
  • Wspomniany wcześniej aspekt wytrzymałości punktowej – laminaty łatwo jest osłabić przy łączeniu śrubami lub nitami. Klejenie rozkłada obciążenie na większej powierzchni i sprzyja zwiększeniu ogólnej siły przenoszonej przez konstrukcję.
  • Szczelność – wiele połączeń w transporcie musi spełniać wymogi szczelności – odporność na wodę, deszcz, mgłę solną, niepożądaną „wentylację” – czyli przeciągi. Klejone złącza spełniają te wymogi niejako przy okazji.
  • Łączenie z różnymi materiałami – z metalami, szkłem, innymi tworzywami sztucznymi, a nawet drewnianymi konstrukcjami lub ozdobami byłoby trudne bez klejenia. Mimo różnych współczynników rozszerzalności termicznej różne materiały łączą się skutecznie.
  • Estetyka – klejenie umożliwia wykonanie niewidocznych dla laika (a często i dla profesjonalisty) połączeń. Jest to ważne zwłaszcza wtedy, gdy łączone elementy są wykonane „na gotowo”, po klejeniu nie prowadzi się wtedy żadnych operacji zdobiących ani wykończeniowych.
  • Odporność na wibracje i zmienne obciążenia – w przypadku konstrukcji transportowych, ale również w przypadku śmigieł elektrowni wiatrowych – odporność na obciążenia udarowe i zmęczeniowe jest kluczowa. Wytrzymałość na wiele milionów cykli jest szczególnie ważna przy konstrukcjach pracujących bez przerwy, jak np. śmigła turbin wiatrowych.

Jak widać, klejenie jest technologią współgrającą z zarządzaniem kosztami, zwłaszcza jeśli chodzi o całkowity koszt posiadania. Jest to, jak Czytelnik doskonale wie (?), sumaryczny koszt związany z posiadaniem przedmiotu lub technologii. Np. na koszt posiadania samochodu ciężarowego składają się nie tylko koszty zakupu, ale też koszty konserwacji, remontów i napraw oraz eksploatacji – jak np. koszt paliwa, koszt tonokilometra, zużycie opon itd., ale najważniejsza jest obciążalność płatna (z ang.: payload), czyli udział masy ładunku w dopuszczalnej masie całkowitej pojazdu.

Jakie kleje do kompozytów?
Jak zawsze, zależy to w dużej mierze od konfiguracji połączenia, miejsca wykorzystania, obciążeń, warunków pracy złącza, temperatur… należy wziąć pod uwagę wiele zmiennych.
Oprócz względów technicznych, należy wziąć pod uwagę zagadnienia technologiczne. Np. kleje metakrylowe są zdecydowanymi faworytami pod tym względem. Pod każdym względem w rzeczy samej.
Kleje metakrylowe są królem łączenia kompozytów i metali. Jednym z ich największych zalet jest możliwość klejenia większości materiałów bez żadnego przygotowania powierzchni. Proszę to potraktować dosłownie: bez żadnego przygotowania – bez chropowacenia, bez odtłuszczania, bez podkładów. Z dużymi prześwitami, przy szczelinach między łączonymi podłożami dochodzących do 50 milimetrów! Kleje metakrylowe posiadają silne właściwości rozpuszczające na prawie wszystkie żywice poliestrowe i żelkoty. Przy tym nie niszczą klejonych elementów, nie powodują nadmiernych prześwitów (śladów w miejscu klejenia wynikających z kurczenia się utwardzającego się kleju). Jako kleje dwuskładnikowe utwardzają się w całej objętości, bez konieczności zostawiania łączonych elementów na kilka dni, by nastąpiła polimeryzacja jak w przypadku jednoskładnikowych klejów poliuretanowych. Złącza charakteryzują się ogromną odpornością na wodę, benzynę i olej napędowy, oraz temperatury do ponad 120 stopni Celsjusza. Są odporne na odchylenia stosunku mieszania, więc proces technologiczny jest dość bezpieczny pod względem zagrożenia brakami.

Wady?
Niestety, mają również wady. I według mnie cena nie jest największą z nich. Tę niedogodność łatwo kompensują mniejsze pola odkładcze, spowodowane krótkim czasem utwardzania złącza.
W dzisiejszych czasach jednak największym utrudnieniem wydają się być... a jakże, przepisy unijne.
Z jakichś, dla mnie niewiadomych powodów, maszyny do dozowania klejów metakrylowych mają spełniać wymogi... antywybuchowe. Niby klej metakrylowy jest palny. Ale wybuchowy? To raczej nie, nawet jego opary, których ilość w procesie klejenia jest marginalna. Oczywiście, biuraliści mają swoje argumenty, ale dla mnie przypominają one zagadnienie krzywizny banana albo definicji marchewki jako owocu. Kto jest beneficjentem tego przepisu, jeszcze nie odkryłem, jednak jeśli chcą Państwo aplikować kleje metakrylowe zgodnie z unijnymi przepisami, należy przygotować dodatkowo minimum 5-9 tysięcy euro, gdyż każda maszyna przy zastosowaniu restrykcyjnych przepisów powinna być atestowana indywidualnie! Oczywiście, zawsze się znajdą tacy, którzy będą bronili przepisów, bo „przecież ktoś to badał i na pewno chciał, żeby było bezpieczniej”, ale zdrowy rozsądek (taka zapomniana dziś cecha ludzi mądrych) mówi: To, co jest na pewno konieczne, to wykonanie całej maszyny i systemu dozującego w stali nierdzewnej, z ewentualnym napędem pneumatycznym. Kleje metakrylowe są bowiem strasznie korozyjne i zamieniają stal, a zwłaszcza metale kolorowe w kupę złomu szybciej niż zdążycie zużyć beczkę kleju.
No i jeszcze zapach… dla niektórych okropny, dla niektórych przyjemny, przypomina gabinet dentystyczny. Jest charakterystyczny, bo metakrylany to pochodne PMMA, czyli szkła organicznego, tworzywa stosowanego w stomatologii do wypełnień, klejenia aparatów stałych i kilku innych aplikacji. Jednak warto pamiętać, że w tym zapachu dentyści spędzają całe życie zawodowe i... nic im nie jest.
Znam przypadki z przemysłu, gdy z powodu zapachu klejów metakrylowych wzywano PIP i Sanepid, prowadzono testy szkodliwości i... eliminowano przy okazji inne produkty chemiczne, które okazywały się bardziej szkodliwe niż pachnący intensywnie metakrylan.
Emisja substancji lotnych – VOC – jest w przypadku klejów metakrylowych i tak znacznie niższa niż w przypadku szpachlówek poliestrowych, gdyż emisja styrenu przy poliestrze jest co najmniej 10-15-krotnie większa.
Poza tym kleje metakrylowe wydają się nie posiadać wad. Są arcytechnologiczne, przyjazne dla inżyniera, tolerują niedbalstwo, prawie nie powodują braków… cudo techniki! Bez żadnej przesady.
W dużym stopniu do klejenia kompozytów stosuje się również szpachlówki poliestrowe. Wypełniona i stiksotropowana żywica jest najczęściej nakładana ręcznie. Ilość szpachlówki musi być znacznie większa niż kleju metakrylowego, ale jej niska cena za kilogram kompensuje tę trudność. Porównanie wytrzymałości, zwłaszcza zmęczeniowej, wypada dla szpachlówek niezbyt korzystnie, ale i tak są w wielu miejscach stosowane. Zwłaszcza tam, gdzie obciążenia jednostkowe są niewielkie. Szpachlówki są kruche, by to wyeliminować wypełnia się je rowingiem, który w naturalny sposób utrudnia znacznie automatyzację procesu mieszania i nakładania. Trudno jest przepompować wężem masę zawierającą np. 60% włókien o długości 50 mm. Dlatego aplikacje klejenia szpachlówką są często prowadzone ręcznie.
Czasem do nakładania zarówno szpachlówek i klejów metakrylowych używa się zwykłych toreb foliowych, które stosuje się jak cukiernicze torby do nakładania kremu na torcie. Jest to prosta i skuteczna metoda, zwłaszcza na początku rozwoju tej technologii w danej firmie.