Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Publikaci podpořili:

Petr Briš, Jiří Kuběna, Jan Štrkaň

Lepení v praxi

Vydala Grada Publishing, a.s.
U Průhonu 22, Praha 7
obchod@grada.cz, www.grada.cz
tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400
jako svou 6706. publikaci

Odpovědný redaktor Petr Somogyi
Grafická úprava a sazba Jakub Náprstek
Formát ePub Štěpán Böhm

Počet stran 144
První vydání, Praha 2017
Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a. s.

© Grada Publishing, a.s., 2017
Cover & Layout Design © Jakub Náprstek, 2017

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-271-9260-1 (ePub)
ISBN 978-80-271-9259-5 (pdf)
ISBN 978-80-271-0247-1 (print)

Úvod

Lepením rozumíme technologický postup pro vytvoření trvalého nebo pomocného spojení dvou stejných nebo rozdílných materiálů pomocí lepidel. Tato technika se využívá už od dávných dob. Lidé si všimli schopností některých přírodních látek (například pryskyřic, rozbobtnalého škrobu z mouky, albumínu z vaječných bílků, kaseinu z mléka, klihu z kostí nebo kůží, kaučukového latexu a podobně) a tyto látky používali ke slepování různých materiálů jako dřevo, keramika, usně a podobně. Technologie lepení se využívala i při výrobě šperků. Například pro vlepování drahých kamenů do kovového, většinou stříbrného nebo zlatého podkladu se používal (a dodnes používá) pružný klih získaný z rybích kožek. Pro „slepování“ stavebních materiálů se využívalo různých jílů nebo hlinitých směsí, později i malty a v antickém Římě i předchůdce cementu na bázi směsi vápna s mletým sopečným popelem, který po smíchání s vodou vytvořil „umělý kámen“, tedy předchůdce betonu.

Ovšem největší rozmach technologie lepení nastal v souvislosti s rozvojem chemie, který umožnil výrobu nových typů lepidel získaných jak modifikací přírodních látek, tak i výrobou syntetických lepidel. Lepení se pak stalo jednou ze základních technologií pro spojování kovů, plastů, usní, dřeva, textilu a dalších materiálů, a to téměř ve všech průmyslových odvětvích. Ovšem je nutné podotknout, že neexistuje univerzální lepidlo a pro každý typ lepeného spoje je nutné zvolit vhodný typ lepidla a použít vhodnou technologii lepení.

1Z historie lepicích procesů

1.1Lepidla dobývají svět: od sekery z kamene k vesmírnému raketoplánu

Lepení představuje jednu z nejstarších a nejdůležitějších kulturních technik lidstva. Dřívější lepidla, jako březová smůla, dovolovala našim předkům zhotovovat zbraně a nástroje, aby se prosadili v nepřátelském prostředí. Velké kultury starověku jako Sumerové, Řekové nebo Římane používaly vlastní techniky lepení. V průběhu času se lepení dále vyvíjelo. Dnes se lepidla využívají více než kdy dříve. Technické vymoženosti, jako jsou například vesmírné raketoplány, jsou možné jen s lepidly.

V polovině šedesátých let 20. století v těžební oblasti hnědého uhlí nedaleko Halle prováděli archeologové univerzity v Halle-Wittenbergu výzkumné práce. Narazili při tom na ostatky mamutů, sobů a jelenů evropských, jakož i na kamenné nástroje. Nejdůležitějším nálezem se ale staly dvě nenápadné černé smolnaté hroudy. Jednalo se o cca 40 000 let starou březovou smůlu. Toto dávné lepidlo se používáno k tomu, aby nástroje nebo zbraně z kamene a dřeva držely pohromadě. Smůla se nevyskytuje přirozeně, ale musí se cíleně vyrábět. Nalezené kusy jednoznačně ukazují, že lepidla hrála už během střední doby kamenné důležitou roli.

Obr. 1.1:  Stará březová smůla

1.2Ötzi měl šípy z březové smůly

Březová smůla se jako lepidlo používala po tisíciletí. Také ledovcová mumie označovaná jako Ötzi z doby okolo 3400 před Kristem měla v zavazadle šípy vyrobené z březové smůly. O 600 let dříve byla objevena alternativa k březové smůle: Sumerové používali segin, glutinové lepidlo, vařené ze zvířecích kůží. K utěsnění lodí a ve stavebnictví se kromě toho používal přírodní asfalt, který se v Mezopotámii, v regionu okolo dnešního Iráku, bohatě vyskytoval. Nejpozději od roku 1500 před Kristem začali používat zvířecí lepidlo i Egypťané. Lepidlo získávané z kostí sloužilo především k uměleckým dýhovaným pracím. Jeho obrovský kulturní význam dokazuje nástěnný obraz z hrobu Rekhmary, prefekta (správního úředníka) z Théb. Nákladný obraz ukazuje detailně různé aspekty dýhované práce, mimo jiné také použití želatinového lepidla.

Obr. 1.2:  Ledový muž Ötzi

1.3Řekové používali rybí klih

Umění vaření lepidla, obzvlášť efektivního rybího klihu, bylo dále rozvíjeno starými Řeky. „U tesařských prací drží pohromadě nejlépe smrk, díky jeho uvolněnému a rovně probíhajícímu dřevu. Spíše se roztrhne dřevo než slepená spára,“ konstatuje filosof Theofrastos (371–286 před Kristem) ve svém příběhu rostlin. V Řecku vzniklo také samostatné profesní odvětví, kuchař lepidel. Jméno „Kellopsos“ označovalo v antice experta na lepidla.

Obr. 1.3:  Lepení knih

Po tomto předběžném vrcholu nebyly několik století žádné pozoruhodné novinky v oblasti lepidel známé. Pouze Aztékové používali ve 14. století nejdříve zvířecí krev, aby zvýšili lepicí sílu cementu. Ještě dnes dokazují mnohé dobře zachované chrámové komplexy zjevnou kvalitu tohoto pojiva.

Teprve v pozdním středověku přesídlil vývoj lepidel opět do Evropy. Poté, co Gutenberg v Mohuči vynalezl knihtisk s živými písmeny, začala být najednou poptávka po lepidlech na spolehlivé vázání knih.

I truhlářská profese potřebovala na základě většího používání dýhovací techniky efektivní dřevařská lepidla. V průběhu tohoto vývoje vznikla v roce 1690 ve Spojených provinciích nizozemských první továrna na lepidla na světě. Neměla zůstat jediná. Končící 17. století vidělo zakládání kliháren v celé Evropě. Jejich výrobky se pak používaly až do 20. století. Při restaurování starožitného nábytku se používají dokonce ještě i dnes. První patent pro lepidlo – rybí klih – byl udělen v roce 1754 v Anglii.

1.4Inovativní století

Ve 20. století přišly inovace rychle po sobě. V roce 1909 bylo zahájeno patentové řízení k tvrdnutí fenolové pryskyřice. Jen o tři roky později byl Adolfu Rollettovi a Fritzi Klattemu udělen patent na polyvinylacetát. Plasty jsou i dnes jednou z nejčastějších komponent lepidla na dřevo i ostatních lepidel.

V roce 1930 vyvinul v USA Richard Gurley Drew transparentní lepicí pásku. V roce 1932 se podařilo lékárníkovi Augustu Fischerovi v Bühlu namíchat první použitelné lepidlo na bázi syntetické pryskyřice. Americký vysokoškolský profesor Vernon Krieble vynalezl v roce 1953 syntetickou pryskyřici, která pod vlivem kyslíku vytvrdne. V roce 1969 slavila v Düsseldorfu světovou premiéru lepicí tyčinka.

Obr. 1.4:  Lepené spoje

Lepidla mají neocenitelný význam i v high-tech sektoru. V mobilních telefonech nahrazují lepené spoje stále více klasické šrouby a sváry. V automobilovém průmyslu se díky nejmodernější technice lepení používají lehčí pojiva, která byla ještě před několika lety nemyslitelná.

V posledních letech neztratilo lepení nic na svém obrovském významu pro všechny oblasti lidského života. Naopak – je dnes důležitější než kdy předtím a představuje zcela klíčovou technologii.

2Výhody a nevýhody technologie lepení

Technologie lepení má oproti jiným technologiím spojování dvou subjektů (jako je šití, nýtování a podobně, případně u kovů i pájení nebo svařování) řadu výhod. K nim patří:

•rovnoměrné rozložení pnutí,

•žádný tepelný vliv na strukturu,

•žádná deformace konstrukčního dílu,

•možnost spojování velmi tenkých dílů například fólií,

•možnost kombinování různých materiálů,

•možnost kombinace s jinými metodami spojování,

•dobrá dynamická pevnost, případně dobré tlumení chvění.

Mezi další výhody lze zařadit i vytvoření difuzní bariéry proti pronikání:

•prachu,

•vody,

•chemikálií,

•světla,

•větru,

•tepla a podobně.

Lepený spoj může mít i další doplňkové funkce, a to:

•elektrickou vodivost,

•tepelnou vodivost,

•zvukovou izolaci,

•optické vlastnosti jako průhlednost apod. a další.

K nevýhodám může patřit:

•často malá počáteční pevnost,

•omezená tvarová stálost při tepelném namáhání,

•špatně odhadnutelná závislost na stárnutí,

•náchylnost k plastickému tečení při statické zátěži,

•omezená rozpojitelnost,

•nákladné nedestruktivní zkoušení,

•nutnost předem upravit spojené dílce a další.

Ovšem v mnoha případech lze výběrem vhodného typu lepidla a vhodné technologie lepení uvedené nevýhody částečně nebo úplně eliminovat.

3Lepidla a jejich rozdělení

Za lepidlo lze podle normy ČSN EN 923 + A1 považovat „nekovovou látku schopnou spojovat materiály slepením povrchů (adhezí) s tím, že lepený spoj disponuje potřebnou vnitřní pevností (kohezí)“.

Podle této definice lze do kategorie lepidel zařadit širokou škálu látek: od malt a cementů přes přírodní pryskyřice po látky na syntetické bázi. Pro technickou praxi je proto vhodné různé typy lepidel dále specifikovat.

3.1Specifikace podle chemické struktury

Podle základní chemické struktury lze lepidla rozdělit na:

•lepidla na anorganické bázi,

•lepidla na bázi silikonů,

•lepidla na organické bázi.

Lepidla na anorganické bázi

Patří sem cementy, malty, rozpustné silikáty, například vodní sklo a podobně. Do této skupiny jsou zahrnovány i taveniny na bázi anorganických kysličníků a silikátů sloužících pro svařování skla.

Lepidla na bázi silikonů

Jedná se o polymerní látky s centrálním atomem na bázi křemíků, které tvoří jistý přechod mezi organickými a anorganickými sloučeninami. Polymerní řetězec se většinou skládá z atomů křemíku, ovšem většinou obsahuje substituenty nebo koncové skupiny organického charakteru. Dále může obsahovat reaktivní skupiny, které jsou schopné prodloužit polymerní řetězec nebo vytvořit prostorovou strukturu polymeru.

K silikonům jsou zařazovány i tzv. MS polymery, kdy je polymer na organické bázi modifikován sloučeninami na bázi křemíku.

Lepidla na organické bázi

Jedná se o polymerní látky s centrálním atomem na bázi uhlíku. Tyto materiály lze dále rozdělit na lepidla:

•přírodní,

•semisyntetická,

•syntetická.

Přírodní lepidla

Základem je látka získaná z rostlin nebo živočichů, respektive z jejich produktů (vajec, mléka apod.). Lze mezi ně zařadit například škrob získaný z mouky, klovatinu získanou z rostlinných pryskyřičných výpotků (například arabská guma, denárová pryskyřice apod.), v podstatě sem lze zařadit i latex z přírodního kaučuku, klih získaný z kostí nebo kůže zvířat, albumin z vajec, kasein z mléka apod.

Přírodní materiál použitý k lepení může být různě upraven. Například přírodní latex je stabilizován proti koagulaci (vysrážení) v důsledku bakteriálního rozpadu ochranné koloidní vrstvy většinou pomocí čpavku, pro lepení se používá v koncentrovanější formě, než jak byl získán z přírody. Arabská guma získaná z výpotků různých typů akácií se zase většinou v praxi používá jako vodný roztok s přídavkem glycerinu nebo jiných polyalkoholů a podobně.

Semisyntetická lepidla

U této kategorie je základem polymerní řetězec získaný z přírodního materiálu, který je následně chemicky modifikován tak, aby byl schopen vytvořit lepený spoj požadovaných vlastností. V praxi se jedná především o materiály, jejichž základní strukturu tvoří řetězec na bázi celulózy. Volné karboxylové skupiny základního celulózového řetězce mohou být různě modifikovány. Jde především o estery celulózy, tzn. nitrocelulózu, acetát nebo acetobutyrát celulózy, nebo o étery celulózy, jako vodorozpustná metylcelulóza, karboxylmetylcelulóza, hydroxylmetylcelulóza, případně i étery celulózy rozpustné v organických rozpouštědlech, například etylcelulóza.

K semisyntetickým látkám patří i chemicky upravený přírodní kaučuk, tzn. cyklokaučuk, chlorkaučuk nebo hydrochlorkaučuk. Lze mezi ně zařadit i chemicky modifikovaný škrob, například karboxymetylškrob nebo kasein, případně želatinu, které jsou modifikovány akryláty, případně další chemicky modifikované přírodní materiály.

Chemicky upravené přírodní materiály nacházejí v poslední době uplatnění jako lepidla ve zdravotnictví. Jedná se například o kolageny upravené jak chemicky (například reakcí kolagenu s kyselinou antrachinondisulfonovou a glutaraldehydem), tak i enzymaticky (například selektivním štěpením kolagenu pomocí enzymů).

Syntetická lepidla

Do této skupiny patří lepidla, u nichž je spoj zajištěn polymerem vytvořeným pomocí chemické reakce z nízkomolekulárních látek (monomolekulárních látek). K tvorbě polymeru se zde využívá:

•Polymerační reakce, kdy polymer vzniká spojováním dvojných vazeb nízkomolekulární složky (viz obrázek 3.1). Výsledkem reakce je makromolekulární polymerizát (PVC, PVAc apod.).

Obr. 3.1:  Polymerace

•Polykondenzační reakce, kdy polymer vzniká v důsledku odštěpení reaktivních koncových skupin za vzniku polymerů a nízkomolekulárního štěpného produktu (většinou vody). Obě reakční koncové skupiny mohou být součástí jedné nízkomolekulární složky (schéma A, viz obrázek 3.2).

Obr. 3.2:  Schéma A

Polymer také může vznikat ze dvou typů molekul, z nichž každá obsahuje jinou reakční koncovou skupinu (schéma B, viz obrázek 3.3). Polymery na této bázi se nazývají polykondenzáty (polyamid, polyester).

Obr. 3.3:  Schéma B

•Polyadiční reakce, které mají obdobný reakční mechanismus jako polykondenzace (většinou typu B), ovšem nedochází zde k odštěpení reakčního produktu. Typickou polyadiční reakcí je reakce NCO skupiny s OH skupinou (viz obrázek 3.4). Polymery na této bázi se nazývají polyadukty (polyuretan, epoxidy apod.).

Obr. 3.4:  Polyadice

Podle výše uvedených chemických reakcí (respektive jejich popisu) lze získat strukturu lineárních polymerních řetězců, které jsou tvořeny jedním typem monomerních jednotek, takzvané homopolymery. Homopolymer často není schopen zajistit požadované vlastnosti polymerního materiálu. V případě technologie tvorby lepeného spoje to může být například nízká adhezní nebo kohezní pevnost, nutnost použít speciální technologie lepení. Pro lepidla používaná v roztoku to může být i špatná rozpustnost polymeru v klasických rozpouštědlech, pro tavná lepidla například vysoký bod měknutí, případně další nevýhody pro použití homopolymerů. Proto se v technické praxi využívají polymery tvořené z více typů monomerních jednotek. Může se jednat o kopolymery, kdy je polymer tvořen dvěma typy polymerních jednotek, které jsou schematicky znázorněny jako A a B. Ve výsledném polymerním řetězci pak mohou být polymerní jednotky zastoupeny náhodně, tedy statisticky (viz obrázek 3.5).

Obr. 3.5:  Statistický kopolymer

Polymerní jednotky také mohou vytvářet úseky tvořené z prepolymerních jednotek A spojených s prepolymerními jednotkami typu B, tzv. blokový kopolymer (viz obrázek 3.6).

Obr. 3.6:  Blokový kopolymer

Případně mohou být navázány na základní polymerní řetězec tvořený jednotkami typu A, tzv. roubovaný kopolymer (viz obrázek 3.7).

Obr. 3.7:  Roubovaný kopolymer

V technické praxi se vyskytují polymery, jejichž strukturu tvoří tři a více polymerních jednotek. Jedná se o takzvané terpolymery. Jejich struktura může být analogická strukturám znázorněným na obrázcích 3.5, 3.6 a 3.7. To znamená, může se jednat o statistický, blokový i roubovaný terpolymer. V některých případech může být na polymerní řetězec navázána nízkomolekulární látka N. Tato látka může tvořit jeho koncové skupiny (viz obrázky 3.8 a 3.9). Látky mohou být navázány i na vlastní řetězec. V daném případě hovoříme o modifikovaných polymerech.

Obr. 3.8:  Modifikovaný polymer

Obr. 3.9:  Modifikovaný polymer

Chemických reakcí uvedených na obrázcích 3.5 až 3.7 nemusí být využíváno pouze k tvorbě lineárního polymeru, ale i k prostorovému provázání jednotlivých makromolekul, tzn. k tvorbě síťovaného polymeru (viz obrázek 3.10).

Obr. 3.10:  Síťovaný polymer

V případě modifikovaných polymerů se často na tvorbě vysokomolekulární sítě podílejí i reaktivní skupiny nízkomolekulárních složek, které byly zabudovány na makromolekulární řetězec.

Rozdělení na anorganické látky, organické látky a silikony není stoprocentní. Mezi jednotlivými kategoriemi existují i mezistupně. Například anorganické lepidlo na bázi fluorokřemičitanů může být síťováno polymery na bázi kyseliny akrylové, nebo naopak kaučuky s obsahem karboxyskupin lze síťovat kysličníky zinku nebo hliníku ve formě prášku. Koncové skupiny polymerních lepidel na bázi silikonu bývají často modifikovány sloučeninami s obsahem izokyanátových, vinylových nebo epoxidových skupin, které jsou schopny vytvořit polymerní síť. Naopak organické polymery na bázi polyuretanů nebo polyesterů mohou mít koncové skupiny tvořené silanem apod.

3.2Specifikace podle fyzikální podstaty

Lepidla kapalná

Do této skupiny patří:

•reaktivní monomery,

•reaktivní prepolymery,

•roztoková lepidla,

•disperzní lepidla.

Plastická lepidla

Tvoří přechod mezi kapalnou a tuhou látkou. Patří sem:

•tmely,

•kaučukové patche,

•některé typy cementů,

•pasty apod.

Tuhá lepidla

Jedná se o látky v tuhém stavu, které jsou účinkem tepla (ať už přímým ohřátím, pomocí vysoké frekvence, nebo jiným způsobem) převedeny do plastického stavu a následně jsou schopny adheze k povrchům lepených subjektů. Jedná se o:

•termolepidla,

•lepicí fólie apod.

3.3Specifikace podle počtu složek

Jednosložková lepidla

Za jednosložková lepidla jsou považována:

•jednokomponentní lepidla,

•vícekomponentní lepicí směsi.

Jednokomponentní lepidla

Do této skupiny patří:

•Lepidla na bázi taveniny nebo fólie z termoplastického polymeru.

•Lepidla na bázi reaktivních monomerů nebo prepolymerů, kdy k vytvrzování dochází účinkem vlhkosti. Jedná se hlavně o prepolymerní lepidla na bázi silikonu nebo polyuretanu s volnými NCO skupinami, u nichž účinkem vlhkosti dochází k síťovací reakci. Mezi jednokomponentní lepidla patří také monomerní kyanoakryláty, kde je ke spuštění polymerní reakce potřebný vlhký, mírně alkalický povrch.

Vícekomponentní lepicí směsi

Do této skupiny řadíme:

•Anaerobní lepidla na bázi směsi monomerů (většinou modifikovaného akrylátu) a peroxidu, která jsou v přítomnosti kyslíku inaktivní. Je-li zabráněno přístupu kyslíku, dochází – zvláště v případě přítomnosti iontů kovů (CuFe) – k polymerační reakci.

•Lepidla vytvrzovaná UV zářením, která obsahují monomery nebo prepolymery (například na bázi silikonu) a fotoaktivátory, jež jsou schopné se při jisté intenzitě a vlnové délce záření rozštěpit na radikály a vyvolat polymerační nebo síťující reakci.

•Lepidla vyžadující pro nastartování polymerační nebo síťující reakce zvýšenou teplotu. Tyto typy lepidel (ať ve formě viskózních kapalin, nebo prášku nebo fólie) jsou za normální teploty stabilní. K vyvolání reaktivity některé ze složek je nutné systém vystavit působení zvýšené teploty. Může se jednat například o směs epoxy pryskyřice s ftalanhydridem, lepidla s maskovanými izokyanátovými skupinami a podobně. Doba vytvrzování obvykle souvisí s teplotou – čím vyšší teplota vytvrzování, tím kratší doba polymerace. Obvykle existuje minimální teplota potřebná pro aktivaci tvrdidla a start polymerace. Průběh vytvrzování jednosložkového lepidla na bázi polyuretanu lze znázornit podobně jako na obrázku 3.11.

Obr. 3.11:  Časová závislost doby vytvrzení

Vedle lepidel čistě vytvrzovaných teplem existují i lepidla, která využívají vytvrzování teplem jako přídavný mechanismus. Příkladem mohou být anaerobní lepidla, vytvrzovaná teplem obvykle okolo 120 °C.

Vícesložková lepidla

Vícesložková lepidla jsou taková, kdy je vlastní lepidlo vytvářeno smícháním dvou nebo více složek. K zamíchání může docházet bezprostředně mezi vlastní technologií lepení. Výsledná směs má jistou dobu zpracovatelnosti, tzn. dobu, kdy je schopna vytvořit pevný lepený spoj.

Ve většině případů okamžitě po homogenizaci složek dochází k chemické reakci, a proto má uvedený typ lepidel pouze jistou dobu zpracovatelnosti, tzn. dobu, kdy je možné vytvořit pevný lepený spoj. Na první pohled by mohlo být zřejmé, že z technologického hlediska je vhodná co nejdelší doba zpracovatelnosti. V praxi ovšem platí, že čím delší bude doba zpracovatelnosti, tím delší bude i doba, kdy spoj mezi dvěma adherendy bude mít potřebnou pevnost. Z toho vyplývá, že je nutné zvážit jisté optimum mezi dobou zpracovatelnosti a dobou, kdy bude od lepeného spoje vyžadována určitá pevnost. V praxi je proto vhodné připravit pouze takové množství směsi, které bude možné zpracovat v průběhu doby zpracovatelnosti.

U většiny dvousložkových lepidel je možné zkrátit dobu vytvrzování nánosu lepidla účinkem teploty. Umožňuje to zpracovávat i směsi s relativně dlouhou dobou zpracovatelnosti. V praxi je možné nanést lepicí směs na předehřáté adherendy nebo vytvořený lepený spoj následně vystavit zvýšené teplotě. V obou případech se zkrátí doba potřebná k získání požadované pevnosti lepeného spoje.

U speciálních dvousložkových systémů je možné urychlit vytvrzování lepeného spoje účinkem UV nebo světelného záření.

Pro zpracování dvousložkových směsí s dobou zpracovatelnosti kratší než pět minut je nutné použít směšovače. Pro běžné lepení (například v domácnostech) jsou dvousložková lepidla dodávána v kartuších, kde jsou obě složky od sebe mechanicky odděleny. Při použití jsou obě složky vytlačovány přes mechanický směšovač (viz obrázek 3.12), v němž dojde k promísení obou složek a získaná směs je schopna za poměrně krátkou dobu vytvořit pevný spoj.

Obr. 3.12:  Průběh směšování dvoukomponentních lepidel na principu směšovače

V průmyslové praxi se pro kontinuální tvorbu lepeného spoje ze dvousložkových, respektive vícesložkových lepidel používá směšovač znázorněný na obrázku 3.13. Tímto zařízením lze zpracovávat i lepicí směsi s dobou zpracovatelnosti kratší než jedna minuta.

Existují i dvousložková lepidla (většinou na bázi reaktivních akrylátů), kde je možné nanést jednu složku na plochu prvního adherendu a druhou složku na plochu druhého adherendu. Po přitlačení obou ploch na sebe dojde k promísení složek a relativně rychlému vytvoření pevného lepeného spoje. Tento způsob je možné používat především v případě, že má lepicí vrstva relativně malou tloušťku.

Pro získání větší tloušťky lepeného spoje jsou vyvinuta lepidla, jejichž obě složky mají konzistenci plastelíny. Jsou nanášena na plochu jednoho adherendu, a to buď pruh vedle pruhu (viz obrázek 3.14), nebo jako pruh na pruhu (viz obrázek 3.15).

Obr. 3.13:  Dynamický směšovač pro dvoukomponentní lepidla

Obr. 3.14:  Nanášení lepidla pruh vedle pruhu

Obr. 3.15:  Nanášení lepidla pruh na pruh

K promísení obou komponent dochází při přitlačení plochy druhého adherendu. V některých případech je vhodné lepenými subjekty mírně pohybovat, aby došlo k lepšímu propojení složek.

4Lepený spoj

Za lepený spoj lze považovat subjekt, který je schopen vytvořit pevné mezifázové spojení dvou ploch lepených adherendů. Pevné spojení vzniká stlačením dvou ploch lepených adherendů, kdy jedna nebo obě plochy jsou schopny okamžitě nebo za jistou dobu vytvořit pevné mezipovrchové spojení. Z toho vyplývá, že pro získání pevného lepeného spoje je nutné, aby lepicí vrstva měla schopnost:

•pokrýt plochu lepeného adherendu,

•vytvořit mezifázové spojení mezi plochou lepivé vrstvy a lepeným adherendem,

•vytvořit tuhou fázi lepeného spoje.

4.1Plošné pokrytí lepeného adherendu

K danému efektu může dojít pouze v případě, kdy lepicí vrstva (nebo alespoň její povrch) je kapalná nebo má případně viskoelastický charakter.

Lepené adherendy jsou tuhá tělesa. Aby bylo možné jejich povrch pokrýt lepicí vrstvou, je nutné, aby tato byla kapalná nebo měla plastický či viskoelastický charakter. V některých případech je postačující, když plastický nebo viskoelastický charakter má povrch lepicí vrstvy, která bude ve styku s povrchem lepeného adherendu. S touto situací se setkáváme například v případě, kdy je povrch suchého nelepkavého nánosu lepidla na jednom nebo obou slepovaných adherendech možné aktivovat teplem, případně rozpouštědlem a obnovit jeho lepicí schopnost. Jiným příkladem může být, když je pro tvorbu lepicí vrstvy použita pevná fólie na bázi termoplastu, jejíž oba povrchy jsou aktivovány ponořením do vhodného rozpouštědla a takto aktivovaná lepicí fólie je vložena mezi dva adherendy, kde se po odpaření rozpouštědla vytvoří lepený spoj. Takto vlepená fólie může mít i další užitné vlastnosti. Například polymerní fólie na bázi polystyrenu, jejíž povrch byl aktivován toluenem, v procesu výroby obuvi nejen slepí povrch s podšívkou, ale slouží i k vyztužení špiky obuvi.

Při slepování adherendů na bázi termoplastů lze někdy aktivovat povrch jednoho nebo obou adherendů vhodným rozpouštědlem, případně účinkem teploty a slepit oba povrchy bez použití rozpouštědla.

Ve výše uvedených případech se účinkem rozpouštědla nebo v důsledku zvýšené teploty v povrchových vrstvách polymeru uvolní mezimolekulární síly a makromolekuly nebo jejich části jsou schopné difundovat přes lepenou plochu do druhého adherendu a následně vytvořit pevný lepený spoj. Jedná se o takzvané difuzní lepení. Na obrázku 4.1 je znázorněn lepený spoj získaný technologií slepování dvou adherendů na bázi termoplastu, jejichž oba lepené povrchy byly aktivovány rozpouštědlem.

Obr. 4.1:  Difuzní spoj dvou adherendů

K difuznímu spojení dochází i v případě svařování plastů účinkem tepla (polyolefiny) nebo vysoké frekvence (PVC, případně polyamid). V některých případech se tepelný nebo vysokofrekvenční ohřev využívá ke spojování porézních materiálů, například usně nebo textilu, pomocí vložené fólie na bázi polyolefinu nebo PVC. Zde ovšem nedochází k difuznímu spojení, ale k mechanickému zakotvení taveniny do pórů lepeného substrátu. Jako příklad lze uvést nažehlování ozdobných dílců, opatřených z rubové strany nánosem polyetylenu, na textilní výrobky.

V případě použití kapalných lepidel na bázi monomerů, kapalných prepolymerů nebo roztoků, případně disperzí plastů je důležitým faktorem pro pokrytí povrchu lepeného adherendu takzvaná smáčivost. Z fyzikálně-chemického hlediska je tento faktor závislý na volné povrchové energii plochy lepeného adherendu a povrchové energii kapalného lepidla. Volná povrchová energie kapalného nebo tuhého tělesa je důsledkem energetické nerovnováhy mezi mezimolekulárními silami uvnitř tělesa a na jejím povrchu. Uvnitř tělesa jsou molekuly (respektive atomy) obklopeny v celém prostoru molekulami stejného, případně příbuzného druhu, mezimolekulární síly jsou tedy navzájem kompenzovány. Na povrchu chybí okolní molekuly, které by tyto mezimolekulární síly vyrovnávaly. Mezimolekulární síly uvnitř tělesa působí na povrchové molekuly a „vtahují“ je dovnitř struktury. Tím vzniká v povrchových vrstvách jisté napětí – povrchové napětí γ. Kapalné látky jsou schopné minimalizovat povrchové napětí tím, že zaujmou tvar koule, tedy útvar, který má minimální povrch. Tuhé látky tuto schopnost nemají a jejich povrchová energie je závislá na velikosti volného povrchu.

Energetickou nenasycenost povrchu tuhé látky lze eliminovat nebo alespoň snížit tím, že bude obklopen molekulami látky jiného chemického charakteru. Ovšem i v tomto případě je nutné počítat s mezimolekulárními silami mezi molekulami látky nanesené na povrchu a mezimolekulárními silami uvnitř obou látek.

V případě smáčení tuhého tělesa kapalinou je nutné, aby síly způsobující povrchové napětí tuhé látky (γSV) byly vyšší než povrchové napětí kapaliny (γLV). (Index V znamená, že jak tuhá, tak kapalná látka je v průběhu smáčení ve styku s plynem, většinou vzduchem, který může ovlivnit hodnotu povrchového napětí obou látek.)

Ochotu kapaliny smáčet tuhý povrch lze charakterizovat adhezním napětím (σa), což je termodynamická síla charakterizující schopnost samovolného rozlivu kapaliny po tuhém povrchu.

σa = γSV – γSL

kde γSL je mezipovrchové napětí mezi tuhým podkladem a nanesenou kapalnou látkou.

Stanovit γSL je obtížné, a proto se v praxi používá stanovení rozdílu γSV – γSL. Měření tohoto rozdílu je založeno na stanovení kontaktního úhlu α, který zaujme kapka kapaliny po nanesení na tuhý povrch.

Z pohledu termodynamické rovnováhy platí, že:

γSV – γSL = γLV ∙ cos α

Adhezní napětí tedy je:

σa = γLV ∙ cos α.

V praxi to znamená, že hodnotu adhezního napětí lze získat pomocí stanovení povrchového napětí kapalného adheziva a změřením kontaktního úhlu. Může nastat široká škála variant. Některé z nich jsou znázorněny na obrázku 4.2.

Obr. 4.2:  Varianty kontaktních úhlů

Z obrázku je zřejmé, že dobrou smáčenlivost budou mít lepidla, jejichž smáčecí úhel bude menší než 90°. Z výše uvedené rovnice rovněž vyplývá, že pouze kapaliny, jejichž povrchové napětí je menší než povrchové napětí tuhé fáze, jsou schopné smáčet její povrch. V technické literatuře je proto udáváno tzv. kritické povrchové napětí tuhých látek σk. Z této hodnoty lze odvodit, zda a do jaké míry konkrétní kapalné lepidlo bude schopné smáčet povrch tuhé látky. Kritické povrchové napětí pro těžko lepivé polymery jako nízkosmáčenlivý polytetrafluoretylen má hodnotu 18,5 mNm–1, polyetylen má hodnotu 31 mNm–1. Hodnota kritického napětí běžných lepitelných polymerů musí být vyšší než 32 mNm–1. Polystyren má například kritické napětí 33 mNm–1, PVC 39 mNm–1. Běžné kovy mají kritické povrchové napětí vyšší než 70 mNm–1, sklo 110 mNm–1.

Nízká smáčenlivost ovšem neznamená, že nebude možné pokrýt plochu povrchu lepeného adherendu konkrétním lepidlem. Působením vnějších sil, většinou tlaku, jsou lepidla i s vyšším kontaktním úhlem schopna pokrýt lepenou plochu.

V případě kontaktního úhlu menšího než 90°, případně i vyšší viskozity lepidla je dokonalé pokrytí povrchu závislé i na době kontaktu lepidla s povrchem adherendu. I tento časový faktor může ovlivnit pevnost spoje.

Obr. 4.3:  Vliv doby zalisování na pevnost spoje

4.2Vytvoření mezifázového spojení mezi povrchem lepicí vrstvy a povrchem lepeného adherendu

I v případě, že došlo k dokonalému pokrytí povrchu obou lepených adherendů lepicí vrstvou, nemusí vždy dojít k vytvoření pevného lepeného spoje. Vždy je nutné, aby došlo k jistému spojení lepicí vrstvy s povrchem lepeného adherendu.

Pevné spojení lepicí vrstvy s lepeným adherendem může být vytvořeno:

•mechanicky,

•fyzikálně-chemicky,

•v důsledku chemické reakce mezi molekulami lepidla a molekulami lepeného spoje.

Mechanická tvorba lepeného spoje

K zakotvení lepidla zde dochází po průniku lepidla do otevřených pórů, štěrbin a dalších dutin, které se nacházejí na povrchu lepeného adherendu. Po ztuhnutí lepidla může dojít k pevnému spojení adherendu s lepicí vrstvou. Princip vytvoření mechanického spoje je znázorněn na obrázku 4.4.

Obr. 4.4:  Princip vytvoření mechanického spoje (1 – lepený adherend, 2 – nános lepidla, 3 – dutiny povrchu adherendu, 3a – hluboká vnitřní dutina, 3b – kolmá dutina, 3c – kulová dutina, 3d – plochá vnitřní dutina)

Princip mechanického zakotvení lepidla

Pevnost spojení lepicí vrstvy s lepeným adherendem je závislá na množství, velikosti a tvaru otevřených dutin na povrchu lepeného adherendu. Z obrázku je zřejmé, že pevnost mechanického spojení budou převážně zajišťovat dutiny typu 3d nebo 3a. Zde v případě, že lepicí vrstva bude mít poměrně vysokou pevnost, může při mechanickém namáhání dojít k situaci, kdy k porušení lepeného spoje nedojde v lepicí vrstvě, ale na lepeném adherendu. Pro tvorbu pevného lepeného spoje mechanickou cestou je nutné, aby použité lepidlo mělo relativně nízkou viskozitu, případně dobrou smáčivost povrchu lepeného adherendu, aby v procesu nanášení lepicí vrstvy bylo schopné zaplnit dutiny výše uvedeného tvaru. Zaplnění dutin se týká i procesu, kdy je nutné na plastickou lepicí vrstvu působit tlakem. Tento tlak musí být natolik vysoký, aby došlo k průniku lepicí vrstvy do pórů lepeného adherendu.

S mechanickým zakotvením lepicí vrstvy se v praxi setkáváme například při slepování keramiky nebo nažehlování ozdobných dílců opatřených na rubové straně nánosem polyetylenu na textil nebo useň.

Fyzikálně-chemické spojení lepicí vrstvy a lepeného adherendu

Z pohledu fyzikální chemie se opět jedná o snížení energetické nenasycenosti volného povrchu lepeného adherendu tím, že bude obklopen molekulami jiného druhu, než je molekulární struktura tělesa lepeného subjektu. Jedná se o jistou analogii smáčenlivosti povrchu kapalinou, která byla popsána v části o potřebě pokrytí lepeného povrchu. Zde je ovšem potřeba zdůraznit, že samotné pokrytí povrchu, například roztokem polymeru, nemusí vytvořit pevný spoj. Jedná se o případy, kdy je roztok polymeru sice schopen pokrýt povrch lepeného adherendu, ale po odpaření rozpouštědla molekuly nemusí mít dostatečnou fyzikálně-chemickou soudržnost s molekulami lepeného adherendu. Například nelze slepovat polyamid roztokem polyvinylalkoholu ve směsi voda a etylalkohol. Proto je nutné zvlášť posoudit i fyzikálně-chemickou soudržnost povrchu lepeného adherendu a pevné lepicí vrstvy.

Pevnost mezi oběma povrchy může být poměrně vysoká. Při použití vhodné lepicí vrstvy se teoreticky může pohybovat mezi 0,7–7 GPa, v závislosti na povrchové energii adherendu a povrchu lepidla. Je třeba si uvědomit, že fyzikálně-chemická soudržnost dosahuje této své maximální hodnoty do vzdálenosti 0,3–0,5 nm. Se stoupající vzdáleností pak klesá (například v případě disperzních van der Waalsových sil se sedmou mocninou vzdálenosti).

Velikost mezipovrchových sil je závislá na vlastní molekulární struktuře adherendu a lepicí vrstvy. V praxi se zde nejčastěji uplatňují disperzní síly (to jsou dipóly způsobené pohybem uvnitř molekuly, nezávislé na polaritě nebo nedostatku polarity molekuly). Ke zvýšení hodnoty disperzních sil přispívá polarita molekul lepidla a lepeného spoje. K dalšímu zvýšení může docházet v důsledku vytváření vodíkových můstků, viz dále.

Obdobně jako u smáčení kapalinou platí, že povrchové napětí lepidla musí být vždy nižší než povrchové napětí tuhé fáze. Potvrdili to například Torpe a Sharnthorn, když slepovali povrchy z tuhé epoxidové pryskyřice (γ je přibližně 45 mNm–1) s taveným PE (γ je cca 31 mNm–1) a získali poměrně pevný spoj. Obráceně při lepení PE epoxidovou pryskyřicí získali pouze slabé spojení.

Chemická vazba mezi molekulami lepidla a molekulami povrchu lepeného adherendu

Jestliže pevnost mezipovrchového spojení dosahuje teoreticky 0,7–7 GPa, v případě chemické vazby je desetkrát vyšší (7–70 GPa). Chemická vazba je podstatně energeticky stabilnější než fyzikální soudržnost. Vazebná energie v případě fyzikální soudržnosti činní 2–40 kJmol–1, chemická vazba 40–400 kJmol–1.

K vytvoření chemické vazby mohou sloužit veškeré typy výše uvedených chemických reakcí, může tedy dojít k polymerační reakci, polykondenzační i polyadiční reakci. Ve speciálních případech, například při lepení kovů některými polymery, může dojít k tvorbě iontové vazby mezi molekulami povrchu adherendu (kovovým iontem) a například COOH skupinou z lepidla.

Karboxyskupina se získává kopolymerací kyseliny akrylové nebo metakrylové s dalšími typy monomerů. V technické praxi se používají kopolymery s obsahem až 25 % karboxylového monomeru většinou jako primery nebo jako lepidla pro spojování pryže (včetně obtížně lepitelného butylkaučuku) s kovy. Karboxylované kopolymery na bázi polyolefinů se používají i pro méně namáhané konstrukční spoje mezi dvěma kovy. Získaný spoj získá dostatečnou pevnost v odlupování i za nízkých teplot (až do –140 °C).

Lepené povrchy a jejich úprava

V předchozí části jsme se zabývali obecnými podmínkami vlivu adhezních sil na konečnou pevnost spoje. Tyto podmínky platí pouze v případě, že ke styku dvou fází dochází na dokonale hladkém povrchu bez kontaminace. V praxi tato podmínka není splněna. Povrch tuhého subjektu může být kontaminován prachem, olejem, případně dalšími nečistotami. Tyto nečistoty nejen snižují plošnou využitelnost lepeného povrchu pomocí adhezních sil, ale některé (například prachové částice nebo některé typy olejů, emulgátorů apod.) mohou snížit i kohezní pevnost spoje. Ale ani povrchy bez mechanického znečištění nelze často považovat z pohledu smáčenlivosti povrchu, respektive využití adhezních sil za čisté. Povrch subjektu může mít v důsledku působení vnějších vlivů (například atmosférických) jinou chemickou nebo fyzikálně-chemickou strukturu než jeho masivní podklad. Tato vlastnost je typická pro kovy, ovšem lze se s ní setkat i u dalších adherendů, například polymerů na bázi dienu. Pevnost spoje tak může být ovlivněna soudržností této vrstvy s mateřským tělesem.

Ale i v podstatě zdánlivě čistý hladký nezoxidovaný povrch adherendu může být kontaminován absorpcí plynů a par přítomných v ovzduší. Bylo například zjištěno, že kontaktní úhel Θ vody na povrchu zlata se podle složení atmosféry pohyboval v rozpětí 8–85°.

Povrch adherendu je vhodné před lepením vždy upravit. V praxi můžou úpravy zahrnovat:

a)omytí povrchu,

b)odstranění povrchové vrstvy,

c)zdrsnění povrchu,

d)chemická a fyzikálně-chemická úprava povrchu,

e)nanesení mezivrstvy s přilnavostí k ploše adherendu i lepidla.

Při praktickém lepení se používá kombinace více způsobů, například zdrsnění s následným omytím, které mimo jiné zbaví povrch částeček prachu.

Omytí povrchu

Omývání je nejčastější formou úpravy povrchu. Touto operací se povrch zbaví mechanických nečistot, olejů a většinou i absorbovaných plynů a par. K omývání se nejčastěji používají organická rozpouštědla. Jejich druh se řídí chemickým charakterem tuhého povrchu. V některých případech mohou rozpouštědla narušit lepený povrch a snížit pevnost lepeného spoje, jindy naopak uvolnit segmenty makromolekul na povrchu a usnadnit jejich difuzní proplétání s makromolekulami lepidla za vytvoření difuzního spoje.

Méně časté je omývání povrchu vodným roztokem povrchově aktivních látek. Používá se mimo jiné k odstranění vrstvy separátoru (klouzku) z nezvulkanizovaného kaučuku. Některé typy povrchově aktivních látek mohou lepený povrch kontaminovat, ale existují i případy, kdy mohou zvýšit pevnost spoje. Například ocel omytá některými typy neionogenních emulgátorů vytváří pevný spoj s kapalným dvousložkovým polyuretanem. I v obuvnickém průmyslu se neionogenní emulgátory přidávaly do roztokového PUR lepidla s obsahem izokyanátu. Při lepení podešve se svrškem obuvi za použití takto upraveného lepidla došlo k podstatnému zlepšení pevného spoje. Omývání bývá často používáno k očištění zdrsněného povrchu. Účelem je odstranění prachových částic.

Odstranění povrchové vrstvy

Odstranění povrchové vrstvy je typickou operací pro úpravu povrchu kovů, případně plastů před jejich lepením. Na povrchu většiny kovů se nachází povrchová vrstva tvořená v převážné míře oxidy, ale vzhledem k znečištěnému ovzduší může obsahovat i sloučeniny na bázi kysličníků síry, dusíku apod. Tato vrstva může být se základním kovem pevně spojena (například v případě povrchu hliníku), nebo může být v podstatě volná (rez na oceli).

I povrchová vrstva gumy nebo plastu může mít z pohledu lepitelnosti negativní vlastnosti, ty mohou být způsobeny sorpcí nečistot z okolního prostředí nebo migrací nízkomolekulárních složek z tělesa polymerů do povrchových vrstev, chemickými změnami v důsledku působení kyslíku, UV záření apod.

Pevnost spojení povrchové vrstvy s kovem může ovšem ovlivnit v konečné fázi pevnost lepeného spoje. Povrchová vrstva změní hodnotu kontaktního úhlu, může být náchylnější k absorpci par, a proto je často vhodné i pevně spojenou vrstvu kovu před operací lepení z jeho povrchu odstranit.

Existují ovšem některé typy lepidel, které jsou schopné s kysličníky v povrchové vrstvě chemicky reagovat a vytvořit pevný spoj. Většinou se jedná o lepidla s obsahem COOH skupin.

Zdrsnění povrchu

Mechanické zdrsnění povrchu (například hrubé broušení, pískování) je nejběžnější úpravou povrchů před lepením. Při této operaci dojde nejen k odstranění povrchové vrstvy, ale i ke zvětšení povrchové plochy lepeného subjektu. V případě dobré smáčenlivosti lepidla dojde i ke zvýšení pevnosti lepeného spoje. Můžeme to popsat následovně: jestliže označíme poměr skutečného (zdrsněného povrchu) k povrchu původní (hladké plochy) faktorem drsnosti D, pak adhezní napětí lze vyjádřit:

kde ϕ je zdánlivě kontaktní úhel drsného kontaktu. Ze srovnání se vztahy platnými pro hladký povrch vyplývá rovnice pro smáčecí kontaktní úhel v závislosti na drsnosti povrchu:

Případně i tzv. Wenzelova rovnice:

Z Wenzelovy rovnice lze vidět, že pokud je skutečný kontaktní úhel kapaliny a tuhé fáze < 90°, zdrsnění způsobí redukci kontaktního úhlu a podpoří smáčení. Je-li kontaktní úhel > 90°, smáčenlivost se zdrsněním zhoršuje. Při dokonalém smáčení a nízké viskozitě lepidla jednoznačně dochází ke zvýšení adhezní pevnosti spoje.

V praxi při lepení kapalným lepidlem na zdrsněném povrchu může ovšem docházet k uzavírání bublinek vzduchu mezi zdrsněným povrchem a plochou lepidla (viz obrázek 4.5).

Vážení čtenáři, právě jste dočetli ukázku z knihy Lepení v praxi.
Pokud se Vám líbila, celou knihu si můžete zakoupit v našem e-shopu.