Od bicikla do lokomotive
U jesen 2010. godine Australac Chris MCCORMACK po drugi je put u svojoj karijeri osvojio naslov svjetskog prvaka na natjecanju 'Ironman', pri čemu je zahvaljujući svojoj željeznoj volji, ali i najbržem biciklu na svijetu, ostavio ostale natjecatelje iza sebe. Chrisov bicikl, model Shiv TT američkog proizvođača Specialized izrađen je od karbonskih vlakana (il. 1). Karbonska vlakna čine bicikl vrlo laganim, a ujedno su izuzetno čvrsta. Kao točku na 'i' složenog dizajnerskog, konstrukcijskog i proizvodnog procesa, tvrtka Specialized za spajanje dijelova bicikla, koristi epoksidno strukturno ljepilo Loctite koje, uz potpunu pouzdanost spoja, osigurava i optimalan prijenos snage i aerodinamične prijelaze između spojeva.
I TŽV Gredelj prepoznao je ljepila kao tehnologiju koja čini zavarivanje, vijke i zakovice zastarjelima. U razvoju svojeg novog prigradskog vlaka, Gredelj se u velikoj mjeri oslanja upravo na tehnologiju strukturnog lijepljenja za povezivanje dijelova vlaka. Uz sveobuhvatnu podrška Loctiteovih inženjera, Gredeljevi stručnjaci integrirali su ljepila već fazi idejnog razvoja novog vlaka što je omogućilo bitna poboljšanja u smislu čvrstoće spoja, jednostavnosti i učinkovitosti dizajna i proizvodnje, smanjenja mase te funkcionalnosti finalnog proizvoda.
Ilustracija 1 - Od bicikla do lokomotive
Što treba uzeti u obzir pri strukturnom oblikovanju
Važan aspekt je odabir pravog rješenja za lijepljenje za svaku pojedinu konstrukciju. No, koja su ljepila dostupna i koje faktore treba uzeti u obzir kako bi se dobili najbolji rezultati? Kako bi se osigurala strukturna čvrstoća lijepljenog spoja, osim odabira materijala koji se spajaju, potrebno je vrlo pažljivo analizirati i odabir tehnologije lijepljenja. Različite konstrukcije zahtijevat će različito strukturno lijepljenje. Čvrstoća i dugotrajna izdržljivost strukturnog lijepljenog spoja osobito ovise o korištenom ljepilu, materijalima koji se koriste i opterećenju kojem će konstrukcija biti izložena. Naprezanja, odnosno vanjske sile koje djeluju na konstrukciju, mogu se podijeliti u pet kategorija: vlačna, tlačna, smična, ljuštenje i kalanje. Za svaku vrstu naprezanja postoji tehnologija oblikovanja lijepljenog spoja te, uz odabir prikladnog ljepila, optimira se sam lijepljeni spoj.
Vlačno opterećenje nastaje kada se lijepljeni spoj optereti silama koje djeluju okomito na površine, u suprotnim smjerovima, pri čemu se površine pokušavaju razdvojiti (il. 2). Kod normalnog vlačnog opterećenja, dijagram naprezanja je ujednačen, preko cijele lijepljene površine. To vrijedi i za tlačno opterećenje koje uzrokuju tlačne sile, također okomite na površine, no koje pritišću lijepljene površine (il. 2). U praksi su čista vlačna i tlačna opterećenja rijetka i uobičajeno uključuju i ljuštenje u određenoj mjeri pa se govori o složenim opterećenjima.
U industrijskim konstrukcijama najčešća opterećenja su smične te sile ljuštenja i kalanja (il. 3). Smična sila je ona koja djeluje na liniju lijepljenja kada se dva spojena dijela povlače u paralelnim i suprotnim smjerovima. Sile ljuštenja i kidanja vrlo su slične te su najmanje poželjne sile koje djeluju na liniju strukturnog lijepljenja. Te dvije sile pojavljuju se kada se opterećenje primjenjuje na kraj linije lijepljenja. Radi se o odvajanju, kada se barem jedan od dijelova može jednostavno deformirati.
Iako su smična opterećenja mnogo poželjnija od ljuštenja ili kalanja, kod svake od te tri vrste opterećenja, dijagrami naprezanja su nejednoliki. Kod lijepljenih spojeva, podvrgnutih smičnom opterećenju, vršna naprezanja pojavljuju se na oba kraja lijepljenog spoja, dok su naprezanja na sredini manje intenzivna. Taj je način opterećenja vjerojatno najčešći, u spojevima koji se preklapaju, što je i najčešći oblik lijepljenog spoja. Međutim, tu treba biti oprezan da ta vršna naprezanja na rubovima spoja ne premaše granicu čvrstoće ljepila. Ako se to dogodi, ljepilo će popustiti, površine se počinju razdvajati u toj zoni, linija vršnih naprezanja se pomiče dalje prema sredini i dolazi do popuštanja cijelog spoja. Učinkoviti lijepljeni spoj, stoga, karakterizira jednolika raspodjela naprezanja, što se postiže adekvatnim geometrijskim oblikovanjem spoja te odabirom ljepila koja su posebno razvijena da dobro podnose takva negativna naprezanja.
Ilustracija 2 - Vlačne i tlačne sile
Ilustracija 3 - Smične sile, sile ljuštenje i kalanje
Pregled tehnologija ljepila
U industrijskoj proizvodnji ljepila imaju sve važniju ulogu u proizvodnji mnogih različitih vrsta proizvoda. Ona nude brojne prednosti kojima konvencionalne tehnike spajanja ne mogu konkurirati. U usporedbi s tradicionalnim metodama spajanja, lijepljeni su spojevi superiorni kod dinamičkog naprezanja zahvaljujući, prije svega, svojim elastičnim svojstvima. Zakovice ili vijci mogu samo prenositi sile preko vrlo uskog područja (točke opterećenja), dok se kod lijepljenog spoja raspodjela naprezanja ili prijenos sile širi preko cijele površine spoja (il. 4). Uz to se dijelovi koji se lijepe ne oslabljuju bušenjem otvora.
Drugi ključni kriterij pri odabiru ljepila je njihovo svojstvo da ne razvijaju visoku temperaturu kemijskom reakcijom stvrdnjavanja. To je osobito važno kod površina sa završnim slojem, poput kromiranih površina. Ljepila su uglavnom materijali koji imaju elektroizolacijski učinak te tako sprječavaju i nastanak kontaktne korozije.
Korišteni materijali i zahtjevi konačne konstrukcije odlučujući su čimbenici pri odabiru ljepila koje će se koristiti. Ovisno o namjeni, za strukturno lijepljenje dostupna su ljepila specifičnih svojstava i različitih baznih tehnologija.
Ilustracija 4 - Raspodjela naprezanja pri lijepljenju te spajanju zakovicama i vijcima
Epoksidi
Najrašireniji razred ljepila korištenih za strukturno lijepljenje su epoksidi. Nalaze se u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji te građevinarstvu i građevinskoj industriji. Njihova velika prednost jest da mogu lijepiti i metale i plastiku. Nadalje, oni su iznimno izdržljivi, imaju malu tendenciju puzanja i minimalno se skupljaju pri stvrdnjavanju. Ovisno o vrsti, mogu podnijeti kontinuirano izlaganje temperaturama između 100 i 200 °C. Dodatna prednost je njihova vrlo dobra kemijska otpornost, iako su općenito kruti. Asortiman epoksidnih ljepila obuhvaća ona s otvorenim vremenom od svega nekoliko minuta pa do onih kojima je otvoreno vrijeme i 2 h. Dugo otvoreno vrijeme može biti prednost kada dijelovi koji će se spajati zahtijevaju, npr. prethodno rukovanje, najčešće pozicioniranje.
Epoksidi su dostupni kao jednokomponentni ili dvokomponentni sustavi. U jednokomponentnim sustavima smola i komponente učvršćivača već su tijekom proizvodnje izmiješane u pravilnom omjeru i počinju međusobno reagirati tek kada budu izloženi toplini. Dvokomponentni sustavi sastoje se od odvojenih komponenti smole i učvršćivača koje se miješaju neposredno prije primjene. Treba imati na umu da kemijska reakcija stvrdnjavanja kod dvokomponentnih sustava počinje odmah nakon miješanja komponenti.
Poliuretani
Poliuretanska ljepila su također dostupna kao jednokomponentni ili dvokomponentni sustavi. Dolaze u raznim viskozitetima, sa širokim rasponom vremena stvrdnjavanja i različitim specifikacijama s obzirom na kemijsku otpornost. Stupanj međusobnog povezivanja i time čvrstoće završnog spoja određen je kombinacijom sirovina koje sadrži svaki od tih sustava ljepila. Stoga je možda i najvažnije njihovo svojstvo ispunjavanja doslovno svakog mehaničkog zahtjeva, u rasponu od vrlo krutih do iznimno elastičnih spojeva. Uz to, ona su vrlo otporna na mnoge vrste otapala. Upravo zbog takvog profila, poliuretani se uvelike koriste za raznolika industrijska lijepljenja, poput lijepljenja vjetrobranskog stakla na karoseriju automobila ili sastavljanja ljuski lopatica rotora za vjetroelektrane.
Akrilna ljepila
Kod akrilnih ljepila nalazi se velika raznolikost u mogućnostima lijepljenja. Ona mogu spajati širok raspon raznih površina, uključujući većinu termoplastičnih materijala te pokazuju dobru uravnoteženost između visoke čvrstoće i određene elastičnosti, što ih čini jednim od najčešćih odabira kada se radi o dinamičkim opterećenjima. Još jedno zanimljivo svojstvo te kemijske obitelji je njezina velika brzina stvrdnjavanja koja osigurava dodatne mogućnosti za snižavanje proizvodnih troškova. Međutim, ona uobičajeno imaju jak miris pa se u slučaju korištenja veće količine ljepila preporučuje njihova primjena u dobro prozračenim prostorima.
Akrilna ljepila mogu biti ili jednokomponentna ljepila s aktivatorom ili dvokomponentni sustavi. Jednokomponentna ljepila ne treba miješati. Ljepilo se nanosi na jednu površinu, aktivator na drugu, a proces stvrdnjavanja započinje tek kada se dvije površine spoje. Kod dvokomponentnih sustava, aktivator i ljepilo se miješaju korištenjem statičke miješalice za miješanje i zatim se smjesa nanosi na jednu površinu.
Silikoni
Suprotno od opisanih sustava ljepila, koji se svi temelje na organskim kemikalijama, silikonska ljepila imaju anorganski temelj. Za razliku od njihovih organskih pandana, silikoni ostaju iznimno elastični čak i pri temperaturama od -90 °C. Također mogu podnijeti kontinuirane radne temperature do 200 °C te su iznimno otporni na ultraljubičasto zračenje. Situacije u kojima se mogu koristiti kao ljepila su one gdje postoji potreba za velikom elastičnošću i sposobnošću djelovanja pri visokim temperaturama. Uz to, pokazuju dobru otpornost na agresivne kemijske tvari i izvrsnu otpornost na vlagu i vremenske uvjete.
Silikonska ljepila dostupna su kao jednokomponentni ili dvokomponentni sustavi. Uporaba jednokomponentnih silikona obuhvaća primjene od sastavljanja glačala za odjeću do proizvodnje vozila te elektrotehnike i posebnih primjena u zrakoplovnoj industriji. Dvokomponentni silikoni koriste se u električnoj industriji, proizvodnji kućanskih aparata i industriji vozila. Osobito su korisni u područjima gdje su razine atmosferske vlage preniske za dovršenje procesa stvrdnjavanja jednokomponentnih silikona ili gdje je poželjno ubrzanje procesa proizvodnje.
MS-polimeri
Silan-modificirana polimerna ljepila, često zvana i MS-polimerima, vrlo dobro lijepe mnoge različite površine. Lijepljeni spojevi imaju kontinuiranu toplinsku otpornost od otprilike 80 do 100 °C, veliku elastičnost (što rezultira dobrom otpornošću na deformacije čak i pri niskim temperaturama) te su vrlo otporni na UV zračenje i vremenske uvjete. Ljepila na osnovi MS-polimera koriste se za lijepljenje dijelova pri proizvodnji vlakova, automobila i kontejnera, sastavljanju opreme i aparata, obradi metala i lima, u solarnoj industriji, kod montaže fasada i prozora, u klimatizacijskim i ventilacijskim sustavima, za opremu za čiste sobe i u brojnim primjenama u građevinarstvu i građevinskoj industriji. Prednost te kategorije ljepila jest da ne sadrži silikonska ulja te stoga nema nekompatibilnosti pri bojanju lijepljenih dijelova.
Više informacija o svemu tome može se pronaći na stranici: www.360bonding.com.
