Rodzeje klei i metody klejenia drewna

Uzyskanie wytrzymałego połączenia powierzchni dwóch ciał stałych bez użycia kleju jest w zwykłych warunkach niemożliwe. Przyciągające oddziaływanie atomów i cząsteczek zaznacza się bowiem tylko na bardzo małą odległość (0,4 nm w wypadku oddziaływnia fizycznego i 0,16 nm — oddziaływania chemicznego), a wszystkie powierzchnie ciał stałych, nawet pozornie idealnie wypolerowane, rozpatrywane w skali atomów, okazują się bardzo nierówne, gdyż wykazują chropowatość rzędu 10-100 nm.

 Nierówności te sprawiają, że nawet przy największym zbliżeniu ciała stałe nie stykają się na całej powierzchni, a tylko w poszczególnych jej punktach, co nie może zapewnić trwałego ich związania. Oprócz wspomnianych nierówności powierzchni, adhezję (przyleganie) ciał stałych utrudnia warstewka zaadsorbowanego powietrza lub pary wodnej, pokrywająca w normalnych warunkach powierzchnię wszystkich ciał stałych.

Ta nadzwyczaj cienka warstewka, bo o grubości wymiarów cząsteczek (ok. l nm), jest silnie związana z powierzchnią ciała stałego i nie można jej usunąć środkami mechanicznymi. Znacznie łatwiejsze staje się natomiast uzyskanie adhezji cząsteczek cieczy do cząsteczek ciała stałego. Ciecze bowiem, wskutek braku określonego kształtu, łatwo mogą dostosować się do konturów powierzchni ciała stałego i wypełniać jej nierówności. Stwarza to możliwość większego kontaktu między obu ciałami. Ponadto ciecze, które spełniają pewne warunki — wykazują większą adhezję niż powietrze czy para wodna — mogą wypierać ich cząsteczki i zwilżać daną powierzchnię. Każdy zatem klej w pierwszej fazie procesu klejenia musi mieć postać płynną, a następnie musi się zestalić, gdyż tylko w tym stanie może on — dzięki siłom kohezji (spójności) — trwale połączyć dwa ciała.

W ostatnich latach powstało wiele hipotez i teorii na temat charakteru sił działających między klejem i powierzchniami sklejonych materiałów. Jedną z pierwszych hipotez przedstawił w latach dwudziestych J.W. McBain, który za warunek sklejenia uznał — opierając się na obserwacjach zjawisk zachodzących przy klejeniu drewna klejem glutynowym — konieczność częściowego wniknięcia kleju w głąb obu elementów w celu wytworzenia w nich, po zestaleniu, wytrzymałych rozgałęzień łączących te elementy w sposób czysto mechaniczny przez znajdującą się między nimi warstewkę kleju. Słuszność tej hipotezy zdawało się potwierdzać dobre sklejanie się różnych porowatych materiałów, a więc drewna czy papieru, a także lepsze sklejanie się szorstkowanych powierzchni metali.

Dobry klej powinien charakteryzować się nie tylko dużą adhezją do powierzchni łączonych ciał stałych, lecz także możliwie największą kohezją pomiędzy własnymi cząsteczkami. We wzajemnym oddziaływaniu na siebie elementów budowy materii mogą brać udział zarówno siły natury chemicznej, jak i fizycznej. Największą energię sprzężania, dochodzącą do 1000 kJ/mol, wykazują wiązania chemiczne (wiązania jonowe, charakterystyczne dla związków nieorganicznych 580-1050 kJ/mol, wiązania atomowe, charakterystyczne dla związków organicznych 60-710 kJ/mol). Substancje zbudowane z tak powiązanych elementów są bardzo wytrzymałe, trudno topliwe i trudno rozpuszczalne, natomiast energia sprzężenia wiązań fizycznych jest znacznie mniejsza, gdyż nie przekracza 50 kJ/mol. Wytrzymałość, rozpuszczalność i topliwość substancji zbudowanych z cząsteczek w ten sposób powiązanych, zależy w dużym stopniu od ich kształtu i wymiarów.

Wiążącą podstawą klejów musi być zawsze substancja o dużej masie cząsteczkowej (żywica syntetyczna, białko, kauczuk). Substancja ta stanowi podstawowy składnik każdego kleju. Do zaistnienia adhezji cząsteczek kleju do powierzchni ciał stałych nieodzowna jest płynna postać kleju w procesie klejenia. Najczęściej płynny klej uzyskuje się, rozpuszczając związek wielkocząsteczkowy w odpowiednim rozpuszczalniku lub, w razie jego nierozpuszczalności, przeprowadzając go w stan koloidalny przez rozproszenie w odpowiednim ciekłym ośrodku dyspersyjnym. Aby zatem w wymienionych przypadkach podstawowy składnik kleju uzyskał właściwości wiążące, konieczne jest dodanie doń rozpuszczalnika lub ciekłego ośrodka dyspersyjnego. Ciecze te stanowią więc dla omawianych klejów nieodzowny dodatek. Tworzenie się nieodwracalnych żelów jest w niektórych klejach (np. kazeinowych, rezorcynowych, poliuretanowych czy epoksydowych) następstwem reakcji chemicznej pomiędzy odpowiednim związkiem chemicznym i podstawowym składnikiem kleju. A zatem i ten związek stanowi dla danego kleju dodatek nieodzowny. Dysponując wspomnianymi zasadniczymi składnikami, można przyrządzić klej, który będzie spełniał wszystkie elementarne warunki, a więc: zwilżał powierzchnię ciała stałego, a następnie zestalał się w wytrzymałe ciało stałe.

 Wymagania praktyczne idą jednak znacznie dalej, stawiając klejom, oprócz warunków elementarnych, warunki szczególne, które decydują o przydatności danego kleju do tych czy innych celów. Warunki te można podzielić na trzy grupy:
1) warunki technologiczne: długa żywotność, łatwość nanoszenia, odpowiedni i dający się regulować czas zestalania się, brak składników szkodliwych dla zdrowia, brak składników barwiących lub uszkadzających sklejane materiały, małe zmiany objętości zestalonego kleju w stosunku do objętości kleju płynnego, nie powodujące powstawania naprężeń;
2) warunki ekonomiczne: niska cena, szybkie zestalanie się w nie podwyższonej temperaturze (a co za tym idzie — duża wydajność procesu technologicznego, mały nakład energii i niski koszt urządzeń), małe zużycie narzędzi przy obróbce sklejonych elementów;
3) warunki stawiane spoinom klejowym: wytrzymałość równa wytrzymałości sklejonego materiału, odpowiednia sprężystość pozwalająca na znoszenie przez klej zmian objętości drewna przy zmianach jego wilgotności, odporność na działanie warunków użytkowania połączeń, brak znaczniejszego płynięcia pod wpływem długotrwałych obciążeń statycznych.

Liczba i różnorodność warunków stawianych klejom jest więc duża, stąd nie ma kleju, który by w pełni odpowiadał wszystkim tym wymaganiom.

 Celem procesu klejenia jest wytworzenie pomiędzy łączonymi elementami tzw. spoiny klejowej, czyli ściśle związanej z nimi warstwy zestalonego kleju o odpowiednich właściwościach mechanicznych. Im mniejsza jest grubość tej warstwy, tym na ogół wytrzymałość połączenia jest większa. W bardzo cienkich warstwach mniejszy jest bowiem ujemny wpływ strukturalnych wad zestalonego polimeru, jak również wewnętrznych naprężeń powstających wskutek kurczenia się wysychających klejów, gdy są one stosowane w postaci roztworów lub emulsji. Wytrzymałość połączenia byłaby niewątpliwie największa, gdyby pomiędzy elementami wytworzyła się jedynie adhezyjna warstwa kleju, a więc o grubości odpowiadającej wymiarom pojedynczych cząsteczek (poniżej l mikrometra) przy braku warstwy kohezyjnej, której dotyczą wspomniane wady strukturalne i naprężenia. Uzyskanie tak cienkiej warstwy kleju jest jednak niezwykle trudne nawet w warunkach laboratoryjnych. W odniesieniu do drewna przyjmuje się zatem, jako granicę dzielącą spoiny cienkie od grubych wartość około 0,1 mm.

Wytworzenie cienkiej, wytrzymałej spoiny jest możliwe tylko po spełnieniu kilku podstawowych warunków, z których najważniejsze to: odpowiednie pokrycie klejem przeznaczonych do sklejenia powierzchni, spowodowanie jak największego zbliżenia tych powierzchni ku sobie i zapewnienie prawidłowego przebiegu zestalania się kleju przez właściwy dobór czasu klejenia.

Duża różnorodność materiałów poddawanych klejeniu w przemyśle drzewnym i stosowanie różniących się swymi właściwościami klejów sprawia, że w poszczególnych gałęziach tego przemysłu proces klejenia jest prowadzony w różny sposób.

Używa się przy tym rozmaitych urządzeń do pokrywania elementów klejem, do wywierania na nie nacisku oraz, w wielu wypadkach, do zwiększania temperatury w celu przyspieszenia reakcji chemicznych w klejach i skrócenia w ten sposób czasu ich zestalania się.

 Opracowano na podstawie :Kleje i klejenie drewna, Michał Zenkteler,Poznań 1996.