lepidel Anotace
Cílem diplomové práce je analýza high position tack efektu (manipulační pevnosti) dvou jednosložkových lepidel na bázi PUR, který umožňuje dosažení okamžité fixace substrátů. Okamžitá pevnost lepených spojů byla zjišťována s využitím analýz při zatížení smykem a kombinovaným zatížením tahem a odlupováním. Jako adherendy byla využita zkušební tělesa z PP+T a PP+LGF.
Součástí práce je i analýza povrchové napětí zkušebních těles a porovnání pevnostních charakteristik obou jednosložkových lepidel s doposud používaným dvousložkovým systémem. Experimentálnímu měření předchází teoretická část zabývající se vlastnostmi plněných plastů, druhů lepidel a procesu lepení plastů.
Klíčová slova: jednosložková lepidla, dvousložkové lepidlo, high position tack efekt, okamžitá fixace, polypropylen, skleněná vlákna, talek
Assessment of the quick fixing potential of single-component PU adhesives
Annotation
The aim of the thesis is to analyse the high position tack effect of two single- component adhesives based on PU which allows immediate fixation of the substrates. Immediate strength of bonded joints was determined by using shear load and combined load of tension and peel. As adherendes, test specimens of PP + T and PP + LGF were used for the experiment. The thesis also includes analysis of the surface tension of test specimens and comparison of strength characteristics of single-component adhesives with two-component system, which has been used for the application so far. Experimental measurement preceded the theoretical part which dealt with properties of filled plastics, types of adhesives and the process of bonding plastics.
Key words
:
one-component adhesives, two-component adhesive, high position tack effect, quick fixation, polypropylene, glass fibre, talcPředevším bych rád poděkoval vedoucímu mé diplomové práce Ing.
Martinu Seidlovi, Ph.D. za odborný dohled, vynaložený čas, pomoc při měření v laboratořích a za poskytnutí studijních podkladů.
V neposlední řadě bych rád poděkoval celé své rodině za podporu v celém průběhu mého studia.
Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS 21122/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.
- 8 -
Seznam použitých zkratek a symbolů ... 10
1 Úvod ... 11
2 Teoretická část ... 12
2.1 Charakteristika a rozdělení polymerů ... 12
2.2 Plněné a neplněné plasty ... 13
2.2.1 Vyztužující a nevyztužující plniva ... 14
2.3 Základy technologie lepení plastů ... 17
2.3.1 Základní pojmy teorie lepení ... 18
2.3.2 Teorie adheze ... 20
2.3.2.1 Molekulová (adsorbční) teorie ... 20
2.3.2.2 Elektrostatická teorie ... 21
2.3.2.3 Mechanická teorie... 21
2.3.2.4 Difuzní teorie ... 21
2.3.2.5 Teorie chemických vazeb ... 21
2.4 Druhy lepidel a jejich vlastnosti ... 22
2.4.1 Základní složení lepidla ... 22
2.4.2 Výběr vhodného lepidla ... 23
2.4.2.1 Typ spojovaných materiálů ... 23
2.4.2.2 Požadované vlastnosti spoje ... 23
2.4.2.3 Technologické podmínky lepení ... 24
2.4.3 Rozdělení lepidel podle chemické báze ... 24
2.4.4 Rozdělení lepidel podle principu vytvrzování ve spoji ... 25
2.4.4.1 Lepidla reaktivní... 25
2.5 Proces lepení plastů ... 27
2.5.1 Příprava povrchu adherendu před lepením... 28
2.5.2 Modifikace povrchu adherendu před lepením ... 28
2.5.2.1 Úprava plamenem ... 29
2.5.2.2 Modifikace povrchu koronovým výbojem ... 29
2.5.2.3 Plazmová povrchová úprava ... 29
2.5.2.4 Primery ... 30
2.5.3 Příprava lepidel ... 30
2.5.4 Nanášení lepidel ... 31
2.5.5 Kompletace lepeného spoje ... 32
2.5.6 Vytvrzování lepidel ... 32
2.6 Vlastnosti lepeného spoje ... 33
2.6.1 Konstrukce lepeného spoje ... 33
2.6.2 Typy porušení lepeného spoje ... 35
2.7 Hodnocení vlastností lepených spojů ... 35
2.7.1 Metody nedestruktivní ... 35
2.7.2 Metody destruktivní ... 36
2.7.2.1 Stanovení pevnosti tupých spojů v tahu dle ČSN EN 15870 ... 36
2.7.2.2 Stanovení pevnosti ve smyku při tahovém namáhání přeplátovaných lepených sestav dle ČSN EN 1456 ... 37
2.7.2.3 Další destruktivní zkoušky ... 37
3 Experimentální část ... 38
3.1 Charakteristika použitých lepidel a primerů ... 39
3.1.1 Lepidlo Eftec EFBOND DA 174 ... 39
3.1.2 Primer Eftec EFBOND DV 993 ... 39
3.1.3 Lepidlo Henkel TEROSON PU 8599 ... 40
3.1.4 Primer Henkel TEROSTAT 8517 H ... 40
3.1.5 Sika ADEKIT 290 ... 41
3.2 Charakteristika materiálů zkušebních těles ... 41
- 9 -
3.3 Příprava zkušebních těles ... 42
3.3.1 Analýza povrchového napětí ... 43
3.4 Příprava lepidel ... 44
3.5 Kompletace lepených sestav ... 44
3.6 Stanovení pevnosti ve smyku ... 47
3.7 Stanovení pevnosti při kombinovaném namáhání (cross peel test) ... 58
3.8 Vyhodnocení a diskuze výsledků ... 65
3.8.1 Zhodnocení pevnostních vlastností lepidla Henkel TEROSON PU 8599 65 3.8.1.1 Vliv tloušťky vrstvy lepidla ... 65
3.8.1.2 Vliv zatěžovacího času ... 67
3.8.1.3 Vliv aplikační teploty lepidla ... 69
3.8.2 Zhodnocení pevnostních vlastností lepidla Eftec EFBOND DA 174 ... 70
3.8.2.1 Vliv tloušťky vrstvy lepidla ... 70
3.8.2.2 Vliv zatěžovacího času ... 73
3.8.2.3 Vliv aplikační teploty lepidla ... 75
3.8.3 Zhodnocení pevnostních vlastností lepidla Sika ADEKIT 290 ... 76
4 Závěr ... 78
Seznam použité literatury ... 81
Seznam příloh
- 10 - Symbol Jednotka Význam
𝜏𝑚 [°C] teplota tání
𝜏𝑓 [°C] teplota viskózního toku
𝐻𝐾𝐸 [ J. m−3] hustota kohézní energie
𝑈𝑣 [ J] vnitřní výparná energie
𝑉𝑚 [m3] objem kapaliny
𝛿 [(J. m−3)12 ] parametr rozpustnosti
𝛼 [°] kontaktní úhel
𝜏𝐵 [MPa] smyková pevnost v tahu při přetržení
𝜏 [MPa] okamžitá pevnost lepidla
𝐹𝑚𝑎𝑥 [N] maximální zatěžovací síla
𝑙 [mm] délka přeplátovaného spoje
𝑏 [mm] šířka přeplátovaného spoje
𝜇 [-] průměrná hodnota
𝑠𝑅 [-] směrodatná odchylka
Symbol Význam
ABS akrylonitril-butadien-styren ACFP kombinované porušení
AF adhezní porušení
CF kohezní porušení
EP epoxidové pryskyřice
MF melaminformaldehydové pryskyřice
PA polyamid
PC polykarbonát
PE polyethylen
PET polyethylentereftalát
PF fenolformaldehydové pryskyřice PMMA polymethylmethakrylát
PP polypropylen
PS polystyren
PTFE polytetrafluoretylen
PUR polyuretan
PVC polyvinylchlorid
SCF speciální kohezní porušení
UF močovinoformaldehydové pryskyřice UP polyesterové pryskyřice
UV ultrafialové záření HPT high position tack efekt
- 11 -
Lepidla tvoří nezanedbatelnou část nerozebíratelných spojů, které se v automobilovém průmyslu využívají, a to od aplikací tak rozsáhlých, jako je lepení karoserie automobilu, až po tak malé, jako je připevnění senzorů do lišty nárazníku. Vzhledem k tomu, že lepidla se mohou tak silně a účelově lišit, je při jejich výběru nezbytná konzultace s výrobci lepidel o potřebách dané aplikace [1].
Dnešní výroba lepidel je založená na konkrétních trendech a požadavcích průmyslu, přičemž se stále více kladou nároky na ekologičnost vyráběných lepidel. Příkladem mohou být lepidla, která nepoužívají těkavá organická rozpouštědla a tím vyhovují požadavkům na trvale udržitelný rozvoj bez negativního dopadu na životní prostředí. Dalším případem mohou být lepidla bez obtěžujícího zápachu, která zajišťují požadovanou bezpečnost a komfort výrobních operátorů [1].
S ohledem na konstrukční faktory může technologie lepení nahradit technologii nýtování nebo svařovací linky a umožnit tak výrobu lehkých a nákladově přijatelnějších konstrukcí. Mechanické spojovací prvky neumožňují roztažení nebo kontrakci spojených materiálů při změnách teploty, aniž by došlo k poškození spojovaného materiálu. Některá lepidla jsou však dostatečně elastická i po vytvrzení, aby se dokázala přizpůsobit teplotní dilataci adherendů bez jejich poškození [1].
Cílem diplomové práce je zkoumání tzv. manipulační pevnosti jednosložkových polyuretanových lepidel. Jedná se o vyvození potřebné manipulační pevnosti lepeného spoje ve velmi krátké době po nanesení, což umožňuje zkrácené doby fixace slepenců v přípravcích a tím snížit i počet potřebných přípravků. Mechanické zkoušky byly prováděny na polypropylenových zkušebních tělesech s obsahem skelných vláken nebo talku pro různé tloušťky lepidla, pro různé aplikační teploty a pro různé doby fixace simulující čas upnutí v přípravku.
- 12 -
2 Teoretická část
2.1 Charakteristika a rozdělení polymerů
V dnešní době patří polymery mezi nejrozšířenější materiály. Stále nové polymerní směsi a kompozity představují téměř neomezené aplikační možnosti vesměs ve všech průmyslových oblastech. Polymery se využívají především pro výborné zpracovatelské vlastnosti, nízkou měrnou hmotnost a relativně nízkou cenou. Dalšími nespornými výhodami jsou zejména výborné elektroizolační vlastnosti, korozní odolnost nebo optické vlastnosti [2, 3]. Některé polymery vykazují vynikající chemickou odolnost vůči nejrůznějším mediím. V určitých oblastech limitují využití polymerů zejména nízká teplotní odolnost, velká závislost mechanických vlastností
na teplotě, způsobu a době zatěžování [4]. Polymery se dají klasifikovat podle mnoho hledisek, například podle typu aplikace, nadmolekulární struktury, polarity, druhu přísad, ale primární rozdělení je na základě jejich teplotního chování (obr. 1) [2].
Termoplasty jsou polymerní materiály, které při zahřívání nad teplotu teplotu tání 𝜏𝑚(semikrystalické plasty), resp. teplotu viskózního toku 𝜏𝑓 (amorfní plasty) přecházejí do plastického stavu, kde je lze snadno tvářet a zpracovávat.
Do tuhého stavu, ve kterém je možné je odformovat z výrobního nástroje, přejdou ochlazením pod teplotu krystalizace (semikrystalické plasty), resp. skelného přechodu (amorfní plasty). Protože při zahřívání nedochází ke změnám chemické struktury, lze proces měknutí a následného tuhnutí opakovat teoreticky bez omezení. K nejrozšířenějším termoplastům patří polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polyamid (PA), apod. [2, 3].
Reaktoplasty jsou polymerní materiály, které rovněž v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak jen omezenou dobu. Během dalšího zahřívání dochází k chemické reakci, prostorovému zesíťovaní struktury (tzv. vytvrzování).
Tento děj je nevratný a vytvrzené plasty nelze roztavit ani rozpustit. Dalším
Rozdělení polymerů
Termoplasty Reaktoplasty
Elastomery
Kaučuky Termoplastické
elastomery Plasty
Obr. 1: Základní rozdělení polymerů dle jejich teplotního chování [3]
- 13 -
zahříváním dojde k degradaci reaktoplastů. Patří sem fenol-formaldehydové pryskyřice (PF), epoxidové pryskyřice (EP), polyesterové pryskyřice (UP), polyuretany (PUR), močovinoformaldehydové (UF) a melamin-formaldehydové pryskyřice (MF) [2, 3].
Elastomery jsou polymerní materiály, které rovněž v první fázi zahřívání měknou a lze je tvářet, avšak jen omezenou dobu. Během dalšího zahřívání dochází k chemické reakci, prostorovému zesíťovaní struktury (probíhá tzv.
vulkanizace). Typickým představitelem jsou kaučuky, z nichž se vulkanizací (nejčastěji sírou) vyrábí pryže – vysoce pružný materiál, odolný trvalé deformaci [2, 3].
Termoplastické elastomery (TPE) jsou vlastnostmi velmi podobné pryžím.
Jejich struktura je tvořena tvrdými a měkkými segmenty, které vytváří uzly sítě.
Zvyšováním teploty přechází na rozdíl od pryží do tekutého stavu a mohou se zpracovávat opakovaně, obdobně jako termoplasty [3].
2.2 Plněné a neplněné plasty
Polymery se v čistém stavu využívají jen velmi zřídka. Mezi jejich hlavní nedostatky patří větší smrštění, hořlavost, vznik elektrostatického náboje na povrchu nebo nízká mechanická odolnost při vysokých teplotách [3].
Aby bylo možné vyhovět značným nárokům na vlastnosti polymerů, obsahují polymery různé přísady, pomocí kterých lze připravit materiály pro konkrétní aplikace [3, 4]. Přísady mohou ovlivňovat jak mechanické, tak i fyzikální vlastnosti polymeru. Zejména se využívá přísad pro zlepšení zpracovatelnosti polymeru, dosažení lepších mechanických vlastností nebo slouží jako ochrana vůči degradačním procesům. Hovoříme o plnivech, tepelných stabilizátorech, světelných stabilizátorech a mazivech. Mezi další přísady podporující užitné vlastnosti polymerů patří změkčovadla, antistatika, nadouvadla, barviva nebo retardéry hoření atd. [2, 3].
U plněných polymerů je třeba zajistit dostatečnou adhezi (přilnavost) mezi polymerem a plnivem. V opačném případě nebude dosaženo požadovaného zlepšení užitných vlastností. Pro tyto účely se používají adhezní prostředky, které zesilují adhezní síly mezi plnivem a polymerem [3].
- 14 -
2.2.1 Vyztužující a nevyztužující plniva
Plniva jsou látky anorganického nebo organického původu a používají se jako částicové plnivo v podobě prášku nebo částic malých rozměrů (kuličkovitý, tyčinkovitý, destičkový tvar), anebo jako vlákna různé délky. Vzhledem k účinkům na mechanické vlastnosti polymeru mají buď vyztužující, nebo nevyztužující charakter [3].
Nevyztužující plniva se přidávají nejčastěji za účelem zlevnění materiálu nebo za specifickým účelem úpravy vlastností pro danou aplikaci. Například použití dřevité moučky v polymerech při stavbě podlahových krytin či teras (obr.
2). Jedná se o materiál, který eliminuje nežádoucí vlastnosti dřeva (hnilobu plísně, sesychání nebo kroucení) a zároveň podtrhává vizuální efekt dřevěného povrchu bez jakékoliv údržby a ochranných nátěrů. Dalším příkladem může být grafit, který snižují součinitel tření, či použití kovových prášku pro zlepšení tepelné a elektrické vodivosti [2, 3]. V dnešní době nachází velkou oblibu duté skleněné kuličky, které přes mírný pokles mechanický vlastností dokáží rapidně snížit hmotnost konečného výrobku [5].
Obr. 2: Aplikace dřevité moučky při stavbě podlahových krytin [6, 7]
Vyztužující plniva jsou používána především za účelem zvýšení mechanických charakteristik jako je mez pevnosti a modul pružnosti nebo rázové houževnatosti polymerů. K nejdůležitějším vyztužujícím plnivům patří kratší (~ 3 mm) nebo delší (10 až 16 mm) skleněná, uhlíková, kovová, aramidová, minerální, rostlinná nebo jiná vlákna. Mezi nejvíce používaná přírodní vlákna patří např.
vlákna konopí, kokosu, lnu nebo sisalu [3].
- 15 -
Špičkových hodnot mechanických vlastností při současně malé hustotě i dobré korozní odolnosti lze dosáhnout pouze u struktur s dlouhovláknovou výztuží (obr. 3) [3]. Dlouhovláknové polymerní kompozity (vyztužené polymery) jsou specifické tím, že ve srovnání s částicovými nebo krátkovláknovými kompozity vyžadují speciální
technologie zpracování [5].
Skleněná vlákna
I přes horší mechanické vlastnosti skleněných vláken oproti aramidovým nebo uhlíkovým vláknům jsou stále nejpoužívanější výztuží polymerních kompozitů. Hlavním
důvodem je jejich nízká cena a výborná chemická odolnost. Vlastnosti skleněných vláken jsou izotropní, tedy stejné v podélném i kolmém směru [5, 9].
Podle chemického složení se skla liší v některých vlastnostech.
Nejpoužívanějším typem skleněného vlákna jsou tzv. E-skla. Vyznačují se dobrými elektroizolačními vlastnostmi, vysokou pevností a dostačující modulem pružnosti [9]. Pro náročné, mechanicky namáhané díly jsou perspektivní bezalkalická S-vlákna, která jsou charakteristická větší pevností i modulem pružnosti, menší hustotou, lepší korozní odolností a větší teplotní odolností. S- vlákna mají i vyšší teplotu tavení a jsou dražší, což brání jejich zavádění do širší technické praxe. Používají se téměř výhradně pro kompozity s epoxidovou matricí na výrobu dílů s většími nároky na mechanické vlastnosti [5].
Pevnost v tahu skleněných vláken je značně závislá na stavu povrchu.
Vzájemné poškozování vláken při sdružování do pramenů a adsorpce vzdušné vlhkosti snižuje pevnost čerstvě vytaženého vlákna až o 50 %. Pro ochranu před vzájemným poškozováním je nutno skleněná vlákna chránit povlaky nanášenými ještě před sdružením vláken do pramene [10].
Obr. 3: Vlákenná výztuž a) skleněná vlákna b) aramidová vlákna c) uhlíková vlákna [8]
- 16 -
Tab. 1: Vlastnosti vybraných typů skleněných vláken [11, 12]
Označení Hustota [g/cm³]
Pevnost v tahu
[GPa]
Modul pružnosti
[GPa]
Poměrné prodloužení do mezi pevnosti [%]
Použití
E-sklo 2,54 3,5 73,5 4,8 Elektrické izolace
S-sklo 2,48 4,9 88 5,2 Vysokopevnostní
kompozity
A-sklo 2,48 3,1 74 3,6 Tepelné izolace
C-sklo 2,49 3,2 71 3,5 Chemické
aplikace
Minerální plniva
V technické praxi se do polymerů velmi často přidává minerální plnivo. Mezi nejčastější minerální plniva patří talek (mastek), uhličitan vápenatý, slída apod.
Společným důvodem jejich používání je nižší cena konečného polymeru a nižší smrštění dílu po výrobě [3].
Talek je nejčastějším plnivem používaným v polypropylenu (obr. 4). Důvody jeho používání kromě snížení ceny polymeru jsou zvýšení krystalizace, pevnosti, rozměrové stability a chemické i tepelné odolnosti polymerů. Je nutno podotknout, že zvýšení mechanických
vlastností není tak velké jako u polymerů plněných skleněnými vlákny. Mechanické charakteristiky polymerů (obr. 5), jako mez pevnosti, modul pružnosti a rázová houževnatost, s obsahem talku rostou (nejčastěji je obsah talku ca. 20 %, ale v nabídce jsou i materiály s obsahem až 60 %) [3].
Polypropylen plněný talkem nachází široké uplatnění především v automobilovém průmyslu, a to jak u interiérových dílů (např. dílů klimatizační jednotky, obložení vnitřních sloupků karosérií, zavazadlového prostoru atd.), tak i u dílů exteriérových (nárazníků, bočních ochranných lišt atd.). Současně je ale modifikován přísadami pro zvýšení jeho rázové houževnatosti za nízkých teplot a odolnosti proti UV záření [3].
Obr. 4: Přírodní minerál talek [3]
- 17 -
Obr. 5: Průběh tahového napětí (diagram vlevo) a ohybového napětí (diagram vpravo) v závislosti na množství talku v PP Kelburon 95610 [13]
2.3 Základy technologie lepení plastů
V současnosti se technologie lepení stala jednou ze základních technologií spojování plastů téměř ve všech průmyslových odvětvích [14]. Lepení plastů se jeví jako jednoduché spojování polymerů polymery, ale ve skutečnosti jde o velmi komplexní proces. Polymerní materiály jsou totiž mnohem komplikovanější než kovy, a liší se nejenom molekulovou hmotností ale i množstvím přísad, z nichž mnohé ovlivňují proces lepení [2].
Při rozhodování o typu spoje je třeba uvážit přednosti a nevýhody lepení ve srovnání s tradičními způsoby spojování.
Mezi přednosti technologie lepení patří možnost spojování různých typů materiálů bez ohledu na jejich tloušťku či ovlivnění povrchu spojovaných dílců (mimo chemické účinky). Lepený spoj zabraňuje vzniku elektrolytické korozi, tlumí vibrace a dá se připravit jako vodotěsný či plynotěsný [14, 15].
Nevýhodou lepených spojů je nutnost modifikace povrchů u adherendů s nízkým povrchovým napětím, například polyolefinů [15]. Lepené spoje jsou velmi citlivé na namáhání v odlupování. Mezi další nevýhody lepených spojů patří dlouhá dobu vytvrzení lepidla, nízká odolnost vůči vyšším teplotám nebo větší náročnost na vybavení pracoviště (lisy, přípravky, nanášecí zařízení), případně komplikovaná manipulace s adhezivem [15].
- 18 -
2.3.1 Základní pojmy teorie lepení
Princip lepení spočívá ve spojování dvou stejných nebo odlišných adherendů (materiálů) za použití vybraného adheziva (lepidla) [2]. Lepidlo vyplní nerovnosti povrchu adherendu, kde zároveň vytlačí většinu pohlcených par a plynů a po vytvrzení lepidla dochází k nerozebratelnému spojení [15].
Vlastnosti lepeného spoje závisí především na adhezi (síly vyvolávající přilnavost lepidla a lepeného materiálu), kohezi (soudržnost filmu lepidla po vytvrzení), smáčivosti povrchu lepeného materiálu adhezivem a na pevnosti lepeného materiálu [15].
Adheze je základní předpoklad úspěšného lepení. Jestliže lepidlo není schopno dostatečně pevně přilnout k materiálu, dochází k rozlepení na rozhraní lepidlo – lepený materiál. V tomto případě je koheze i vlastní pevnost materiálu vyšší než adheze. Na to, proč vznikají adhezní síly, existují dva teoretické modely popisující vazby mezi lepidlem a lepeným povrchem: mechanická vazba a chemická (nebo také specifická) vazba [16].
Mechanická vazba se uplatňuje především při lepení porézních materiálů, jako jsou dřevo, papír, keramika nebo pěnové plasty. Při lepení leštěných hladkých ploch je mechanická vazba zanedbatelná. Lepidlo zatéká při lepení do pórů a prohlubní a po jeho ztuhnutí se vytvoří mechanický zámek mezi hmotou lepidla a lepeného materiálu [16].
Chemická (specifická) vazba je založena na působení slabých Van der Waalsových elektrických přitažlivých sil mezi molekulami lepidla a lepeného materiálu, ale zejména na přímém chemickém působení lepidla na lepený povrch. Využívá se pro lepení materiálů, které mají reaktivní povrch nebo povrch upravený tak, aby mohla proběhnout chemická reakce mezi lepidlem a povrchem za vzniku kovalentní vazby. Velmi dobře se lepí kovy, přírodní polymery nebo plasty s oxidovaných povrchem. Chemická vazba se uplatňuje u porézních i zcela hladkých povrchů [16].
Podstatu adhezních jevů se pokusila teoreticky i experimentálně objasnit řada autorů, detailněji jsou teorie adheze popsány v kap. 2.3.2 [15].
- 19 -
Koheze představuje vlastní pevnost vrstvy lepidla. Charakterizuje stav hmoty (lepidla), ve kterém drží její částice působením mezimolekulárních a valenčních sil pohromadě (obr. 6). Jestliže
se lepený spoj roztrhne ve vrstvě lepidla, znamená to, že adheze i pevnost lepeného materiálu je vyšší než koheze. Velikost koheze udává tzv. kohezní energie, což je velikost energie potřebná k odtržení jedné částečky od ostatních [16, 14].
Hustota kohezní energie (pro kapaliny) je definovaná jako [18]:
𝐻𝐾𝐸 =
𝑈𝑣𝑉𝑚
[ 𝐽. 𝑚−3] (1) kde: 𝑈𝑣 vnitřní výparná energie [ 𝐽]
𝑉𝑚 objem kapaliny [𝑚3]
Koheze ovlivňuje rozpustnost polymerů v rozpouštědlech, přičemž parametr rozpustnosti 𝛿 je dán vztahem [18]:
𝛿 = √𝐻𝐾𝐸
[(𝐽. 𝑚−3)12 ] (2) Smáčivost souvisí s polaritou lepeného povrchu a s povrchovým napětím lepidla a povrchu adherendu. Jestliže lepidlo není schopno se rovnoměrně rozprostřít po lepeném povrchu, žádná adhezní vazba nevznikne. Smáčivost lepeného povrchu charakterizuje tzv. kontaktní úhel α (obr. 7) [16]. Jedním z velmi rozšířených způsobů hodnocení smáčivosti povrchu adherendu je kapková zkouška. Na zkoušený povrch se nanese kapka kapaliny se známým povrchovým napětím a o definovaném objemu určitém průměru a pomocí optických přístrojů se měří kontaktní úhel [15].
Obr. 7: Vliv kontaktní úhlu α na smáčivosti povrchu [19]
Obr. 6: Řez lepeným spojem [17]
- 20 -
Má-li kapalina pevnou látku smáčet, musí být její povrchové napětí menší než povrchové napětí smáčené hmoty. Při hodnocení smáčivosti povrchu adherendu je nutné brát v úvahu, že adsorbované cizí látky na povrchu (vzduch, prach, tuky a pot) podstatně mění obraz povrchového napětí materiálu [15].
Tab. 2: Povrchové napětí vybraných pevných látek a kapalin [15, 16]
Polární látky Povrchové napětí
[mN/m] Nepolární látky [MPa] Povrchové napětí [mN/m]
Voda 71 Polyethylen (PE) 24-29
Polyvinylchlorid
(PVC) 40-45 Polytetrafluoretylen
(PTFE) 18
Polyamid (PA) 37 Polypropylen (PP) 28-34
Smáčivost adherendu příznivě ovlivňují některé dodatečné úpravy povrchu (např. odmaštění nebo oxidace chemickými prostředky). Smáčecí účinnost lepidel může být zvýšena fluorováním a také přídavky smáčedel, které snižují povrchové napětí lepidla [15].
2.3.2 Teorie adheze
Prozatím neexistuje žádná sjednocující teorie adheze, která by kompletně popisovala pevnost adhezního spojení v souvislosti s fyzikálními silami, chemickými vazbami a mezimolekulárními silami lepidla a adherendu. V současné době se nejčastěji uplatňují následující teorie adheze [14]:
2.3.2.1 Molekulová (adsorbční) teorie
V dnešní době nejvíce přijímána adsorpční teorie adheze vycházející z analogie jevu smáčení, adsorpce a adheze. Základem adheze je vzájemné působení molekul adherendu a lepidla, proto je nevyhnutelné, aby oba druhy molekul měly polární funkční skupiny schopné vzájemného působení. Proces vzniku adhezního spoje lze rozdělit na dvě stadia. Nejprve probíhá transport molekul adheziva k povrchu adherendu a poté dojde k vzájemnému působení mezimolekulárních sil (po přiblížení molekul adheziva na vzdálenost menší než 0,5 nm). To trvá až do dosažení adsorpční rovnováhy. Za předpokladu dostatečného kontaktu (na molekulární úrovni) adherendu a adheziva k dobré
- 21 -
pevnosti adhezního spojení postačují Van der Waalsovy síly vzhledem ke své vysoké četnosti. Příčina malé pevnosti adhezního spoje je spatřována především v omezeném kontaktu adherendu a adheziva, a proto úzce souvisí s dokonalostí smáčení povrchu adherendu adhezivem [14].
2.3.2.2 Elektrostatická teorie
Tato teorie předpokládá dvojitou vrstvu vytvořenou dotykem dvou rozličných substancí ve spoji jako základ pro vznik adheze. Podle toho je spoj kondenzátorem, kterého rozdílně nabité desky se přitahují. Jakmile je oddělíme, vzniklý potenciálový rozdíl se musí vybít nebo vyzářit jako elektronová emise. Při podrobnějších studiích však nebyla prokázána závislost mezi velikostí povrchového elektrostatického náboje a pevností odpovídajících adhezních spojení [14].
2.3.2.3 Mechanická teorie
Vychází z představy, že po proniknutí kapalného adheziva do trhlin a kavit lepeného povrchu dojde po zatuhnutí adheziva k jeho zaklínění v povrchu adherendu. Mechanické teorie adheze jsou dnes užívány sporadicky jen ve specifických případech, jako je např. adheze pryžových směsí k textilním vláknům [14]. Pro vysvětlení adheze lepidel k neporézním materiálům, např. ke sklu a kovům, je teorie mechanické adheze nepoužitelná [15].
2.3.2.4 Difuzní teorie
Podle této teorie pevnost spoje vzniká přechodem molekul lepidla do lepeného materiálu a naopak [15]. Základem tohoto tvrzení je skutečnost, že některé látky mohou navzájem difundovat a průběh této difuze, který závisí především na čase, teplotě, viskozitě, kompatibilitě adherendu a adheziva či relativní molekulové hmotnosti polymerů, ovlivňuje pevnost lepeného spoje. Tato teorie však nevysvětluje možnost spojení materiálů, které vzájemně nedifundují, ale úspěšně se lepí (např. kov-sklo) [14].
2.3.2.5 Teorie chemických vazeb
Pro získání pevného spoje, který nebude vykazovat adhezivní, ale kohezní lom je podle této teorie potřebné, aby materiály, které se mají navzájem spojit, reagovaly vytvořením primárních chemických (kovalentních) vazeb napříč rozhraním. Takovéto vazby sice někdy vznikají, všeobecně však lepení probíhá
- 22 -
v termodynamických podmínkách, které vznik chemických vazeb neumožňují.
Pokud by tyto vazby vznikly nelze jednoznačně tvrdit, že zvyšují pevnost spoje, neboť snahy zavést do adheziv či adherendu reakce schopné funkční skupiny často nevedly ke zlepšení vlastností adhezního spoje [14].
2.4 Druhy lepidel a jejich vlastnosti
Lepidla jsou látky o vysoké vnitřní soudružnosti (kohezi), schopné spojovat tuhá tělesa v důsledku přilnavosti (adheze). Na trhu existuje velké množství lepidel od různých výrobců. Lepidla lze klasifikovat různými způsoby (viz. tab. 3), ačkoli žádná klasifikace není všeobecně uznávána. Tím nejpoužívanějším způsobem klasifikace je rozdělení dle chemické báze nebo dle způsobu tuhnutí spoje [20, 21].
Tab. 3: Klasifikace lepidel [22, 23]
Podle původu Podle konsistence
Podle způsobu
tuhnutí Podle tepelných vlastností filmu lepidla
Podle odolnosti filmu lepidla k vodě
Lepidla organická z přírodních surovin pryskyřičná škrobová glutinová albuminová bitumenová syntetická polykondenzační polymerační polyadiční Lepidla anorganická vodní sklo cementy sádra
Lepidla smíšená albumin-cement albumin-síra močovinová s vodním sklem
Lepidla tuhá lepicí fólie lepidla v prášku a granulích Lepidla polotuhá lepicí pásky lepivé tmely Lepidla tekutá lepidla v roztoku lepidla disperzní
Lepidla reaktivní lepidla tuhnoucí vlivem vlhkosti prostředí lepidla tuhnoucí kontaktem s kovy bez přístupu kyslíku
lepidla tuhnoucí po přidání tvrdidel lepidla tuhnoucí zvýšenou teplotou lepidla tuhnoucí UV zářením nebo světlem
Lepidla nereaktivní disperzní
roztoková tuhnoucí odpařením vody roztoková tuhnoucí odpařením rozpouštědla tavná lepidla
Lepidla reaktoplastická fenolická rezorcinová močovinová melaminová epoxidová polyuretanová polyesterová Lepidla termoplastická polyvinylacetátová polyvinylchloridová polymetakrylátová polyvinylacetátová polystyrenová lepidla z derivátu celulózy
Lepidla kaučuková chlórkaučuková polychloroprenová polybutadienakrylo- nitrilová
Lepidla neodolná proti vodě
škrobová glutinová albuminová polyvinylalkoholová methylcelulózová karboxymethylcelulózová Lepidla krátkodobě odolná proti vodě močovinová polyvinylacetátová nitrátcelulózová polyvinyléterová Lepidla trvale odolná proti vodě
fenolformaldehydová rezorcinová melaminová polyuretanová polyesterová polymetakrylátová epoxidová
2.4.1 Základní složení lepidla
Mezi základní složky obsahující většinu lepidel, zejména těch dvousložkových, se řadí [24]:
- 23 -
Adhezivní základ je látka dodávající lepidlu a zhotovenému spoji požadované vlastnosti, hlavně pevnost a odolnost [24].
Nosné médium je například rozpouštědlo, fólie, papír nebo vlákno (podle formy lepidla). Úlohou je zabezpečovat určitou konzistenci lepidla [24].
Katalyzátory a tvrdidla zabezpečují vytvrzovací reakci. Nemusí být obsaženy v každém lepidle [24].
Urychlovače a inhibitory jsou látky, které řídí vytvrzovací proces.
Urychlovače zrychlují vytvrzovací reakci, naopak inhibitory ji zpomalují [24].
Modifikátory mění technologické vlastnosti eventuálně výsledné vlastnosti lepeného spoje. Mezi modifikátory patří plniva, nadouvadla, ředidla nebo stabilizátory [24].
2.4.2 Výběr vhodného lepidla
Základním kritériem pro výběr lepidla je požadavek, aby se lepidlo svými vlastnostmi co nejvíce přibližovalo lepeným plastům. Jedná se hlavně o pevnostní charakteristiky, navlhavost, velikost smrštění a dobré zpracovatelské vlastnosti (např. nanášení, doba použitelnosti) [2].
2.4.2.1 Typ spojovaných materiálů
Důležité je zjistit vlastnosti obou adherendů, a to jejich strukturu, složení a propustnost plynů. Tyto informace jsou důležité pro výběr lepidla z hlediska adheze, koheze a tuhnutí lepidla ve spoji. Další vlastnosti lepených materiálů jsou tepelná stálost, roztažnost a rozpustnost v organických rozpouštědlech [15].
Teprve po přesné identifikaci druhu obou spojovaných materiálů je možno zvolit lepidlo optimálních vlastností [22].
2.4.2.2 Požadované vlastnosti spoje
Z lepidel, která byla zvolena jako vyhovující z hlediska specifické adheze, je nutné vybrat taková, která vyhovují i předpokládanému zatížení budoucího spoje [22]. Síly, které mohou působit na lepený spoj, jsou při volbě vhodného lepidla kriticky důležitým faktorem. Některá lepidla mají lepší charakteristiky za určitých podmínek nebo jsou navržena tak, aby určitému namáhání odolávala lépe než jiná lepidla (u některých termoplastických lepidel může při dlouhodobém statickém zatěžování docházet k tečení za studena polymerní složky lepidla) [15, 25].
- 24 -
Mechanické vlastnosti
Kvalita lepeného spoje při statickém namáhání se definuje jako minimální pevnost v tahu, ve smyku a v odlupování. Hodnocení dynamicky namáhaných spojů je obtížnější, protože toto namáhaní je těžko definovatelné. Převážně se jedná o amplitudově i časově nepravidelné namáhání [15].
Odolnost vůči zvýšeným teplotám
Pro spoje, pracující za zvýšené teploty, jsou vhodná lepidla fenolická, polyuretanová a epoxidová. Tato lepidla odolávají teplotě až do 150°C. Teplotám od 250 °C do 350 °C odolávají např. polyimidová lepidla. Teplotní odolnost lze zvýšit použitím minerálních plniv a kovových prachů [15].
Odolnost vůči chemikáliím
Před aplikací lepidla je důležité zjistit, zda chemické složení lepidla neovlivní spoj agresivními výpary nebo kapalinami, které mohou difundovat do lepeného materiálu. Proto se vždy vybírají lepidla, která chemicky neovlivní adherendy [15].
Odolnost vůči vodě a vlhkosti
Mezi lepidla s dočasnou odolností proti vodě a vlhkosti se řadí lepidla polyvinylacetátová, kaseinová a lepidla močovinoformaldehydových pryskyřic.
Dobrou odolností vůči vodě a vlhkosti po vytvrzení se vyznačují např. lepidla polyuretanová, fenolická nebo roztoková lepidla na bázi polymethylmetakrylátu či chlorovaného PVC [15].
2.4.2.3 Technologické podmínky lepení
Při výběru lepidla je třeba přihlížet i k předpokládanému způsobu zpracování (nanášení, předsoušení a tvrzení). Pro kontinuální nanášení jsou pochopitelně nejvhodnější lepidla, u nichž lze zajistit přiměřeně dlouhou životnost v tekutém stavu, přednostně tedy lepidla disperzní, roztoková nebo tavná.
Naopak tam, kde ekonomika provozu vyžaduje maximální zkrácení doby tvrzení, se dává přednost lepidlům reaktivním [22].
2.4.3 Rozdělení lepidel podle chemické báze
Lepidla na přírodní bázi se dále dělí na lepidla organického původu (např.
kaseinová, taninová, škrobová nebo glutinová) a na lepidla anorganického a
- 25 -
minerálního původu (lepidla, která se skládají z minerálního pojiva, k nimž patří vodní sklo, cement a sádra) [15, 21].
Mezi lepidla na syntetické bázi patří reaktoplastická, termoplastická a kaučuková lepidla [15]. Všechna konstrukční lepidla jsou syntetická [20].
2.4.4 Rozdělení lepidel podle principu vytvrzování ve spoji
Dle principu vytvrzování se lepidla dále dělí na dvě skupiny, na lepidla tuhnoucí vsáknutím a odpařením rozpouštědel ve spoji (nereaktivní lepidla) a na lepidla reaktivní [23].
Do první skupiny se řadí rozpouštědlová disperzní lepidla, rozpouštědlová lepidla roztoková a tavná lepidla [23].
Do reaktivních lepidel naopak patří lepidla tuhnoucí vlivem vlhkosti prostředí, kontaktu s kovy bez přístupu vzdušného kyslíku (anaerobní lepidla), lepidla tuhnoucí po přidání tvrdidel, lepidla tuhnoucí zvýšenou teplotou a lepidla tuhnoucí UV zářením anebo světlem [23]. Blíže budou popsány pouze mechanismy, které byly v rámci předkládané práce využívány.
2.4.4.1 Lepidla reaktivní
Lepidla tuhnoucí vlivem vlhkosti prostředí
Polymerace lepidla se uskutečňuje reakcí s atmosférickou vlhkostí. Tato lepidla se dělí do tří základních skupin, jednosložková polyuretanová lepidla, silikonová a kyanoakrylátová lepidla (obr. 9). Doba vytvrzování je závislá na okolní vlhkosti (viz. obr. 8), vlhkosti povrchu adherendu, typu lepidla a teplotě okolí, kdy se doba vytvrzování pohybuje od několika sekund (kyanoakrylátová lepidla) až po několik hodin až dnů (polyuretanová a silikonová lepidla) [26].
Obr. 8: Zavilost rychlosti vytvrzování na relativní vlhkosti PUR a silikonových lepidel [26]
- 26 -
Oproti kyanoakrylátovým lepidlům, kdy vlhkost prostředí neutralizuje stabilizátor a tím dojde k vytvrzení, dochází k polymerizaci silikonových lepidel přímo vlivem vzdušné vlhkosti. To znamená, že molekuly vody musí vniknout až do místa vytvrzení. Jakmile dojde k integraci molekul vody mezi molekuly silikonu, dochází k uvolnění vedlejšího produktu (např. kyselina octová) [26].
K vytvrzování jednosložkových polyuretanových lepidel dochází podobným způsobem jako u silikonových lepidel s tím rozdílem, že nevzniká žádný vedlejší produkt [26]. Předpolymery polyesterů a isokyanátů s hydroxylovými skupinami reagují s vzdušnou vlhkostí, čímž dochází k rozkladu izokyanátů a zahájení vytvrzující reakce [15, 16].
Vlastnosti lepených spojů silikonovými lepidly vykazují velmi dobré těsnící účinky při zvýšených teplotách. Vytvrzené spoje jednosložkových polyuretanových lepidel mají vynikající houževnatost spolu s velmi dobrou chemickou odolností a vynikajícím vyplněním spáry. Kyanoakrylátová lepidla se vyznačují velmi rychlým vytvrzením, dobrou odolností vůči stárnutí, možností lepit většinu materiálů a po vytvrzení má lepený spoj velmi vysokou pevnost v tahu [26].
Lepidla tuhnoucí po přidání tvrdidel
K vytvrzení nejčastěji dvou ale i vícesložkových lepidel dochází po smíchání lepidla s tvrdidlem. Jednotlivé komponenty jsou dodávány v samostatných baleních a před aplikací se jednotlivé složky v předepsaném poměru promíchají.
Připravená kompozice má různě dlouhou dobu zpracovatelnosti, zpravidla od desítek sekund po několik hodin (v závislosti na typu lepidla a aplikační teplotě) [27]. Nejvýznamnější skupinu tvoří dvousložková polyuretanová a epoxidová
Obr. 9: Proces vytvrzování kyanoakrylátových lepidel a) Stabilizátor udržuje lepidlo v kapalném stavu (brání spojování molekul). b) Povrchová vlhkost neutralizuje stabilizátor. c) Dochází k procesu polymerizace. d) Vytváří se mnoho vzájemně propojených polymerních řetězců [26].
- 27 -
lepidla. Jako další se do této kategorie řadí lepidla fenolformaldehydová, polyesterová nebo polymetakrylátová [15].
Dvousložková polyuretanová lepidla vznikají polymerací polyisokyanátů s alkoholy nebo polyesterovými pryskyřicemi obsahující hydroxylové skupiny.
Reakce základních složek probíhá za normální teploty, proto se připravuje jen tolik směsi, kolik jí lze zpracovat. Po vytvrzení je spoj netavitelný a nerozpustný.
K přednostem těchto lepidel patří dobrá mechanická pevnost spojů, pružnost a odolnost proti dynamickému namáhání spolu s odolností vůči vlhkosti. Vlastnosti spojů ovlivňuje i poměr obou složek, vyšší přídavek polyisokyanátů dává předpoklad pro vyšší adhezi lepidla k podkladu [15].
Epoxidová lepidla jsou velmi jakostní lepidla vhodná pro mnoho materiálu s výjimkou termoplastů (PVC, PP, PE). Příprava epoxidových pryskyřic je založena na reakci fenolů s epichlorhydrinem. Podle vzájemného poměru obou složek a podmínek reakce vznikají pryskyřice s různými vlastnostmi. Vytvrzená epoxidová lepidla vytvářejí nerozpustné, netavitelné tvrdé až částečně elastické spoje. Mohou se plnit anorganickými plnivy např. práškem kovů pro úpravu tepelné vodivost a roztažnosti [15].
2.5 Proces lepení plastů
Většinu plastů lze všeobecně lepit prakticky všemi druhy lepidel a lze tedy zkonstatovat, že lepení je použitelné pro ty plasty, které mají vzhledem ke své chemické povaze a polárnímu charakteru dostatečnou adhezi k lepidlům.
Podle druhu plastu se lepení dělí na lepení termoplastů, reaktoplastů a elastomerů [2].
Termoplasty se dělí buď na dobře lepitelné (PS, PMMA, PVC, ABS, PC), termoplasty obtížně lepitelné (PA, PET) nebo na termoplasty, které je možné lepit jen po náročné úpravě povrchu (oxidace pro zvýšení polarity nebo přidání polárních plniv), do této skupiny patří polyolefíny [2].
Lepení reaktoplastů je náročnější z hlediska volby lepidla v důsledku vysokých mechanických a tepelných vlastností a z hlediska chemické odolnosti a také vzhledem k časté anizotropii vlastností. Na druhé straně je lepení jednodušší oproti termoplastům v důsledku netavitelnosti vytvrzeného plastu [2].
- 28 -
Před lepením fenoplastů a aminoplastů je nutné důkladně povrch adherendu obrousit a odmastit [19].
Největší problémy při lepení elastomerů vznikají při vzájemném napojování vulkanizovaných pryží, protože oba adherendy jsou v částečně zesítěném stavu, a nejsou proto schopny tečení. V takovém případě se aplikují rozpouštědlová lepidla obsahující kaučuky stejného složení a téže polarity [15].
Technologický postup lepení je ve své podstatě vždy téměř shodný. Skládá se z přípravy povrchu adherendu, modifikace povrchu adherendu, přípravy a nanášení lepidla a z montáže lepeného spoje [2].
2.5.1 Příprava povrchu adherendu před lepením
Hlavním cílem je odstranění všech látek, vrstev a nerovností z povrchu adherendu, za účelem vzniku dostatečných adhezních vazeb [2]. Čištění se provádí různými způsoby, podle složení materiálu, jeho struktury a požadovaného efektu. U tuhých materiálů se mechanicky odstraňují tenké povrchové vrstvy, v jiných případech postačí odmaštění rozpouštědly [15].
Způsoby předběžných úprav je možné v zásadě rozdělit na fyzikální (např.
broušení, smirkování, pískování, ultrazvukové čištění atd.) a na chemické operace (odmašťování, moření, chemické leptání atd.) [2].
2.5.2 Modifikace povrchu adherendu před lepením
Obecný cíl modifikace povrchu spočívá ve změně povrchové energie (tab.
4) projevující se např. zvýšením smáčivosti, schopností disperze materiálu či zvýšením adhezních vlastností polymerů k jiným materiálům, což má za následek zlepšení kvality lepeného spoje [28]. Mezi nejpoužívanější metody modifikace povrchu polymerů se řadí povrchová úprava plamenem, koronovým výbojem, plazmou nebo nanesením primeru [20, 22].
Tab. 4: Porovnání povrchového napětí modifikovaného povrchu PP [29]
Modifikace povrchu Povrchové napětí [mN/m]
PP bez úpravy 30
PP po úpravě koronovým výbojem 38
PP po úpravě plamenem PP po úpravě plazmou
39 40-70
- 29 - 2.5.2.1 Úprava plamenem
Spočívá v ožehnutí odmaštěných kontaktních ploch adherendu plamenem o teplotě 800-1000°C. Ožehnutí se musí provádět citlivě tak aby nedošlo k protavení nebo spálení povrchu. Ožehování je možné provádět v laboratorním i průmyslovém měřítku. Pro úpravu fólií a výlisků byla zkonstruována zařízení s měnitelným počtem hořáku a s regulací vzdálenosti a velikosti plamene.
Ožehnutí plamenem se používá především k aktivaci povrchu nepolárních polyolefinů [15].
2.5.2.2 Modifikace povrchu koronovým výbojem
Koronový výboj probíhá při atmosférickém tlaku na rozdíl od nízkoteplotní (nebo studené) plazmy, která vyžaduje vakuum. Koronový výboj je tok nabitých částic, jako jsou elektrony a ionty, který je urychlen elektrickým polem. Generuje se, když je prostorová mezera (naplněná vzduchem nebo jinými plyny) vystavena dostatečně vysokému napětí, aby došlo ke kolizi částic, což vede k tvorbě více iontů. Při této metodě je povrch materiálu vystaven koronovému výboji vytvořenému vysokofrekvenčním vysokonapěťovým střídavým proudem [20].
2.5.2.3 Plazmová povrchová úprava
Spočívá v navázání nových funkčních skupin na povrch řetězce polymeru.
Podstata plazmových procesů spočívá ve vytváření aktivních částic (ionty, radikály atd.) průchodem plynu plazmovým výbojem (obr. 10). Tyto částice mohou například vytvářet vrstvy, vyvolávat chemické reakce nebo se jich aktivně účastnit. Výsledným efektem je požadovaná změna povrchové energie (obr. 11). Mezi průmyslové aplikace těchto povrchových úprav patří modifikace fólií či různých plastových dílů např. pro automobilový, strojírenský či elektrotechnický průmysl [28].
Obr. 10: Plazmový výboj [30]
- 30 -
Obr. 11: Závislost povrchového napětí PET, PE a PP na hustotě výkonu plazmového výboje [29]
2.5.2.4 Primery
Primerem je obvykle zředěný roztok adhesiva v organickém rozpouštědle, který se aplikuje jako poslední krok před samotným lepením. Primer se nanáší většinou štětcem či sprejem a tloušťka naneseného filmu se pohybuje v rozmezí 0,0015 – 0,05 mm. Primery se používají za účelem zlepšení přilnavosti lepidla k povrchu adherendu a jako ochrana před oxidací povrchu po jeho čištění [20].
2.5.3 Příprava lepidel
Ne vždy lze lepidla zpracovávat přímo ve stavu, v jakém byla dodána.
Například lepidla pro spojování průhledných součástí se mají před nanesením vakuově odplynit [22]. Homogenita a viskozita lepidla je základním předpokladem vytvoření kvalitního rovnoměrného filmu. Při použití vícesložkových lepidel nebo lepidel s obsahem nerozpustných přísad je nutné směs dokonale promíchat.
Postupuje se obvykle tak, že se lepidlo předem smíchá s přísadami, které reaktivitu směsi neovlivňují, a teprve těsně před použitím se přidává tvrdící katalyzátor [22]. K homogenizaci lepidla slouží různé typy míchacích strojů se šnekovými nebo lopatkovými míchadly.
Viskozita lepidel se upravuje podle pokynů výrobce buď mícháním s lepidlem jiné viskozity nebo přídavkem vhodných plniv. V některých případech se lepidlo musí před nanesením temperovat na aplikační teplotu [15].
- 31 -
2.5.4 Nanášení lepidel
Podmínkou dosažení kvalitního lepeného spoje je nanesení souvislé a rovnoměrné vrstvy filmu lepidla. Způsoby nanášení lepidla mohou být jednak ruční (štětce, tyčinky či stěrky), pomocí přípravků (vytlačovací pistole, mechanické dávkovače, ruční nožové a válcové natírací zařízení) a strojní (polévací zařízení, stříkání pomocí pistolí, elektrostatické nanášení nebo robotické nanášení). Nanesení lepidla je možné realizovat i pomocí tepelných procesů (natavování, žárové stříkání nebo vytlačování taveniny) [2].
Obr. 12: Nanášení vrstvy lepidla pomocí průmyslového robotu [31]
Zda-li použít jednostranný či dvoustranný nános, závisí především na druhu lepidla a konstrukční složitosti lepeného spoje. Obecně platí, že rozpouštědlová rychle schnoucí lepidla se musí nanášet na obě lepené plochy. Reaktivní lepidla, která tuhnou v důsledku reakce v celé hmotě současně, lze nanášet jednostranně [22].
Nános lepidla musí stačit k vytvoření přiměřeného filmu lepidla s mírným přetokem. Některé druhy lepidel jsou velmi citlivé na tloušťku filmu. Například močovinová lepidla vyžadují relativně tenký nános. Naopak u lepidel epoxidových má být minimální tloušťka filmu 0,2 mm. Při jednostranném nánosu se lepidlo obvykle nanáší na materiál s horšími adhezními vlastnostmi nebo na plochu méně pórovitou [22].
- 32 -
2.5.5 Kompletace lepeného spoje
Důležitým úkonem před vyvozením tlaku na spoj je fixace vzájemné polohy lepených dílců. Fixace je nutná, protože některá lepidla, v první fázi vytvrzování zřídnou a nezajištěné dílce mohou snadno změnit polohu. Spoj se zajišťuje tak, že se vloží do přípravku nebo mezi distanční prvky [15].
Účelem vyvození tlaku na lepený spoj je především dokonalé přilnutí lepidla k lepeným povrchům, zajištění dosažení požadované tloušťky lepidla a proniknutí lepidla do pórů na povrchu adherendu [2]. Nadměrný tlak může mít negativní účinky. Může dojít k tomu, že lepidlo se ze spáry vytlačí a vznikne nesoudržný spoj. Nedostatečné zatížení spoje může vést zase k závadám jiného druhu.
Lepidlo bývá nerovnoměrně rozvrstveno a spoj vykazuje nižší pevnost [22]. Tlak musí zásadně působit kolmo na lepené plochy a musí být přiměřený tlakové pevnosti podkladu a viskozitě lepidla [15].
Spojované plochy musí zůstat pod tlakem tak dlouho, až koheze lepidla dosáhne stupně postačujícího k jejich pevnému spojení [22].
2.5.6 Vytvrzování lepidel
Má-li se ve spoji vytvořit film lepidla schopný adheze, musí lepidlo přejít z fáze tekuté do fáze tuhé. Způsob, jakým se to stane, charakterizuje jednotlivé skupiny lepidel [15]:
Lepidla roztoková a disperzní, která tuhnou následkem vsakování a odtěkání vody nebo organického rozpouštědla. Lepidla reaktivní, jež tuhnou nebo se vytvrzují následkem chemické reakce vyvolané různými vlivy. Lepidla tavná, která po ohřevu na aplikační teplotu roztají a po spojení lepených ploch dojde k vytvrzení následkem ochlazení [15, 16].
Rychlost tuhnutí lepidel ve spoji může být ovlivněna jak teplotou okolí, tak uměle připraveným teplotním režimem. Rozlišujeme tedy lepení za normální teploty (15-25 °C), lepení za tepla (nad 25 °C) a lepení za horka (nad 100 °C) [2, 15]. Zvýšená teplota nesmí být příčinou vzniku pnutí mezi dvěma materiály s podstatně rozdílnou délkovou roztažností teplem [22].
- 33 -
2.6 Vlastnosti lepeného spoje
Podmínkami pro vytvoření kvalitního lepeného spoje se všemi jeho kladnými vlastnostmi jsou především vhodná konstrukce spoje, vhodná kombinace lepených materiálů a použitého lepidla a dodržení technologického postupu výroby lepeného spoje [14].
Lepený spoj může být namáhán pěti hlavními způsoby: tahem, smykem, tlakem, štěpením nebo odlupováním (obr. 13) [25].
Obr. 13: Základní typy namáhání lepeného spoje společně s jednotlivými průběhy napětí a) smykové namáhání b) tlakové namáhání c) tahové namáhání d) štěpení e) odlupování [17]
Lepené spoje dosahují vysokých pevností ve smyku, tahu (tlaku) a při dynamickém namáhání. V případě cyklické únavy materiálů překonávají lepené spoje pevnost svarových spojů, čehož se úspěšně již dlouhá léta využívá při konstrukci lepených spojů v leteckém průmyslu [23].
Standardní vzorec pro stanovení smykové pevnosti v tahu:
𝜏
𝐵=
𝐹𝑚𝑎𝑥𝑏.𝑙
[𝑀𝑃𝑎] (3)
kde: 𝐹𝑚𝑎𝑥 maximální zatěžovací síla 𝑙 délka přeplátovaného spoje 𝑏 šířka přeplátovaného spoje
2.6.1 Konstrukce lepeného spoje
Mezi základní druhy lepených spojů patří spoj zkosený, přeplátovaný a se stykovou deskou [2]. Optimálních hodnot mechanické pevnosti se za daných podmínek dosahuje použitím spojů s uměle zvětšenou spárou, zejména u spojů
- 34 -
jednostranné a oboustranné přeplátovaných a u spojů s jednostrannými nebo oboustrannými příložkami (obr. 14) [15].
Obr. 14: Typy lepených spojů a) jednoduchý přeplátovaný spoj b) zúžený přeplátovaný spoj c) zkosený spoj d) tupý čelní spoj e) přeplátovaný spojený pásem f) dvojitě přeplátovaný spojený pásem g) dvojitě přeplátovaný spoj se zúženými pásy h) dvojitě přeložený spoj i) stupňovitě přeložený spoj [2, 32]
Při navrhování konstrukce lepeného spoje je nutné pochopit, jak je napětí ve spoji rozloženo (viz obr. 13). Existuje několik směrnic, podle kterých se dá při navrhování lepeného spoje řídit [20]. Optimální je dosažení takového rozložení sil, aby byl spoj zatěžován převážně ve smyku při minimalizaci zatěžování v odlupování a štěpení [15].
Délka přeplátování u jednoduchého přeplátovaného spoje sice zvyšuje nosnost, ale nemá v podstatě žádný pozitivní vliv zvýšení pevnosti ve smyku.
Kladný vliv na zvýšení pevnosti ve smyku má šířka přeplátování (obr. 15), což vychází z předpokladu vyšší tvarové stálosti, a tím i nižších deformací vedoucích k namáhání spoje v odlupování. To, co platí pro spoje jednostranně přeplátované, platí i pro spoje s příložkami [15].
Obr. 15: Vliv délky a šířky přeplátování na pevnost jednoduchého přeplátovaného spoje [20]
- 35 -
2.6.2 Typy porušení lepeného spoje
Lepený spoj je velmi náročný systém a jeho kvalita i poruchovost závisí na mnoha faktorech. Základní poruchy lepených spojů (obr. 16) se dělí na adhezní, kohezní a kombinované, nebo může dojít k deformaci lepeného materiálu [33].
Dojde-li k odtržení spoje mezi vrstvou lepidla a lepeným materiálem, jedná se o adhezní poruchu. Důvodem může být přítomnost vrstvy oxidů či látek, které nebyly odstraněny v přípravné fázi. Dalšími příčinami vzniku adhezní poruchy mohou být nevhodné povrchové úpravy substrátů, které neumožnily vznik chemicky aktivního povrchu nebo v důsledku vytvrzení lepidla ještě před vytvořením vazby. Vhodnou
mechanickou úpravou lepeného povrchu bývá zabráněno vzniku adhezního porušení [33, 34].
Dojde-li k porušení lepeného spoje tak, že na odpovídajících stranách obou adherendů zůstane tenká vrstva lepidla, jedná se o kohezní poruchu. Příčinami kohézní poruchy bývá
především špatné navrhnutí konstrukce spoje nebo nadměrná pórovitost lepidla [34].
Při správném slepení dochází vzhledem k nízké pevnosti plastů v tahu a velké ploše spoje většinou k deformaci adherendu než k selhání lepeného spoje [25]. Pokles mechanických vlastností a tím poškození lepeného materiálu může také nastat působením chemikálií nebo vlivem koroze [20].
2.7 Hodnocení vlastností lepených spojů
2.7.1 Metody nedestruktivní
Jednotlivé metody nedestruktivní defektoskopie umožnují ověřit jakost lepených výrobků, aniž by byly poškozeny. Nelze jimi však měřit pevnost lepeného spoje. Naproti tomu dovolují odhalit skryté vady spojů, např. neslepená
Obr. 16: Základní poruchy lepeného spoje a) adhezní porušení (AF) b) kohezní porušení (CF) c) speciální kohezní porušení (SCF) d) deformace adherendu e) kombinované porušení (ACFP) [35, 36]
- 36 -
místa, místa s nedostatečným nánosem nebo bez nánosu lepidla, trhliny a puchýře. Rozlišujeme tyto typy nedestruktivních zkušebních metod:
Akustická defektoskopie, při které těleso vydává po rozkmitání v místech vadného spoje zvuk jiné amplitudy, jiné vlnové délky a zvukového spektra než v místech kvalitního spoje.
Optické zkušební metody, které spočívají v prosvětlení tenkých lepených celků intenzivními světelnými zdroji nebo u tlustších souboru rentgenovými paprsky.
Defektoskopie pomocí radioizotopu, při které se do lepidla přidává vhodný radioizotop a kontroluje se jeho rozložení ve spoji.
Ultrazvuková defektoskopie, u které se zkoušený celek umístí mezi ultrazvukový generátor a přijímač ultrazvukových vln, a tak se zjišťují místa s vadným spojením [15].
2.7.2 Metody destruktivní
Z množství metod navržených k hodnocení lepených spojů se převážně používají metody destruktivní spočívající v hodnocení pevnosti spoje namáhaného ve smyku, v tahu, v odlupování a v rázu. Doplňkovými zkouškami bývají zkoušky pevnosti spojů při statickém zatížení a zkoušky za určitých podmínek, např. za zvýšené teploty nebo po expozici v různých kapalinách [15].
Výsledky slouží ke kontrole vlastností lepidel a lepených spojů i jako podklad pro konstrukční výpočty [15].
2.7.2.1 Stanovení pevnosti tupých spojů v tahu dle ČSN EN 15870
Spoj, tvořený dvěma adherendy, které mají tvar tyčí a jsou k sobě slepeny plochami kolmými k jejich délce, je namáhán tahovou silou ve směru podélné osy zkušebního tělesa, dokud nedojde k jeho přetržení. Výsledkem je zatěžovací síla pozorovaná při přetržení [37].
Pro účely porovnání lepidel a mezi laboratorní zkoušky musí být oba adherendy ze stejného materiálu a natolik pevné, aby nedošlo ke zřetelné deformaci. Pokud není předepsáno jinak, rozměry adherendů musí být následující: a) pro kruhové průřezy: průměr 10 mm, 15 mm, 25 mm nebo 50 mm, b) pro čtvercové průřezy: strana délky čtverce 10 mm, 15 mm, 25 mm nebo 50 mm. Délka adherendů může být 50 mm nebo trojnásobek průměru (strany) [37].
