|
|
"Świat Druku" - miesięcznik
Archiwum
Rok 2005
Listopad
Badanie rozkładu temperatury w aparatach klejowych do klejów topliwych. Część I
|
|
Kleje topliwe to w 100% nielotne materiały termoplastyczne, które w temperaturze pokojowej są ciałami stałymi. Zwykle topią się po podgrzaniu, a ich temperatura robocza wynosi 150–200oC; po ochłodzeniu ulegają zestaleniu – powstaje połączenie klejonych elementów. Występują w postaci granulatu, prostopadłościanów lub dużych brył.
|
Składniki kleju topliwego
Głównym składnikiem kleju topliwego jest polimer – na ogół kopolimer etylenu z octanem winylu. Polimery termoplastyczne mają wysoką odporność na degradację termiczną. Polimer określa lepkość, wytrzymałość i właściwości mechaniczne kleju. Zależą one od masy cząsteczkowej polimeru (im wyższa masa cząsteczkowa, tym większa lepkość, wytrzymałość, lepsze właściwości mechaniczne, wyższa odporność termiczna, niższa temperatura kruchości). Klej, który składałby się tylko z polimeru, miałby poważne wady, m.in. ograniczoną adhezję, brak kleistości i zdolności zwilżania. Dlatego dodaje się rozcieńczalnik, który w przeciwieństwie do rozcieńczalników stosowanych w innych klejach, nie ulatnia się, nie jest wchłaniany przez podłoże (po ostygnięciu pozostaje w spoinie klejowej jako jeden z podstawowych składników). W skład rozcieńczalnika wchodzą: żywice, woski, antyutleniacze, wypełniacze, zmiękczacze.
Żywice, stanowiące 40–45% kleju, to: kalafonia, modyfikowana kalafonia, polimery kleiste, terpeny, modyfikowane terpeny, węglowodory i węglowodory chlorowane. Żywice przyczyniają się do zwiększenia siły klejenia i przyczepności do określonych materiałów. Podnoszą wytrzymałość na wysoką temperaturę i obniżają lepkość w wyższych temperaturach, w wyniku czego klej ma lepszą konsystencję podczas obróbki. Jednocześnie żywice określają odporność na starzenie się kleju w podwyższonych temperaturach (żywice węglowodorowe obniżają tę odporność).
Woski stanowią około 20% kleju. Są to: parafina, mikrokrystaliczne środki roślinne i syntetyczne. W kleju spełniają rolę rozcieńczalnika (regulują lepkość), zwiększają zwilżalność, regulują szybkość twardnienia kleju (czas otwarty).
Antyutleniacze (mniej niż 3% kleju) to pochodne fenoli z podstawnikami o dużej objętości. Ich działanie objawia się w wyższych temperaturach, w których chronią klej przed niepożądanymi zmianami właściwości fizycznych (lepkość, barwa, zapach stopu). Jednak przy przekroczeniu pewnych temperatur, a także czasu ich oddziaływania, zmian tych nie da się uniknąć.
Zmiękczacze zwiększają elastyczność i zwilżalność. Jako zmiękczacze stosuje się: ftalany, glikolany, polibutyleny, oleje mineralne.
Zadanie wypełniaczy (mniej niż 5% kleju), którymi są miał kwarcowy i kreda, to głównie obniżenie kosztów (niska ich cena), nadanie barwy w stanie stałym i regulacja płynności stopu.
Przewodzenie ciepła
Przewodzenie ciepła w kleju topliwym jest dość skomplikowanym zjawiskiem ze względu na stany skupienia, w jakich występuje. W kleju jako ciele stałym występują dwa zasadnicze mechanizmy przewodzenia ciepła:
• drgania atomów sieci krystalicznej wokół ich stanów równowagi
• ruch swobodny elektronów.
Klej jest dielektrykiem – ruch swobodnych elektronów odgrywa znacznie mniejszą rolę niż drgania atomów sieci krystalicznej. W stanie stałym klej nie jest zbyt dobrym przewodnikiem ciepła. W kleju, który zaczyna mięknąć pod wpływem temperatury, tuż przed przejściem w stan ciekły, w przewodzeniu cieplnym rolę zaczyna odgrywać również zjawisko konwekcji – ruch makroskopowy cząsteczek. Zjawisko to nasila się wraz ze wzrostem temperatury. Jednakże na skutek zwiększania się temperatury odległości międzycząsteczkowe wzrastają, co z kolei ma ujemny wpływ na przewodność cieplną. Ze względu na te czynniki i fakt, że klej ma wiele składników, określenie przewodnictwa cieplnego w funkcji temperatury jest zagadnieniem złożonym.
Lepkość kleju
Zależność lepkości kleju topliwego od temperatury jest asymptotą. Podniesienie temperatury powyżej temperatury roboczej nie zmienia lepkości w sposób istotny. Jedynym skutkiem wzrostu temperatury jest przyspieszona degradacja kleju, przy czym zaczyna się wydzielać dym. Degradacja termiczna ulega przyspieszeniu w obecności powietrza (tlenu). Lepkość klejów topliwych (w zależności od składu) zmienia się także podczas długotrwałego ogrzewania w temperaturze roboczej.
Czas otwarty
Czas otwarty to czas od momentu nałożenia kleju do momentu utraty przez niego właściwości klejących, zdolności zwilżania kolejnych powierzchni. Waha się w granicach od części sekundy do kilkudziesięciu sekund, w zależności od rodzaju kleju, grubości warstwy, temperatury w chwili nałożenia, temperatury i rodzaju klejonego podłoża (szybkości oddawania ciepła).
Ilość kleju
Ilość kleju topliwego użytego w połączeniu klejowym musi oczywiście wystarczyć do pokrycia nim powierzchni oraz wypełnienia prześwitu między elementami klejonymi. Klej topliwy użyty w niewielkiej ilości może oddać swoje ciepło na rzecz przedmiotu klejonego, tracąc całą swą ruchliwość, na skutek czego może nie zwilżyć drugiej powierzchni. W tym przypadku spoina nie powstanie. Wynika z tego, że mniejsza ilość kleju oznacza mniej kalorii, które trzeba utracić, stąd szybsze zestalanie się i krótszy czas otwarty. Zwiększenie ilości kleju w temperaturze roboczej powoduje wzrost czasu otwartego. Ilość kleju jest więc jednym z czynników decydujących o optymalnym wykorzystaniu klejów topliwych – nie tylko dlatego, że określa czas otwarty, lecz także z punktu widzenia jakości złącza. W wypadku łączenia klejowego opraw, grubość warstwy kleju topliwego powinna wynosić od 0,5 do 1,5 mm, w zależności od formatu i grubości oprawy.
Nacisk
Klejenie za pomocą klejów topliwych wymaga zastosowania niewielkiego nacisku przez nadzwyczaj krótki czas w porównaniu z innymi rodzajami klejów. Potrzebny jest jedynie docisk kontaktowy, wystarczający do zetknięcia powierzchni, które mamy skleić, ze stopionym klejem. Nacisk trzeba utrzymywać przez krótki czas, dopóty, dopóki klej nie osiągnie stanu plastycznego, czy też póki lepkość i przylepność nie wzrosną na tyle, by konstrukcja trzymała się sama. Nacisk ma również wpływ na szybkość chłodzenia i w konsekwencji na szybkość wiązania. Zwiększenie nacisku powoduje zwiększenie szybkości stygnięcia. Zbyt duży nacisk może powodować płynięcie kleju, wyciskanie go na zewnątrz lub pomiędzy arkusze wkładu.
Zalety klejów topliwych
• bardzo duża szybkość klejenia
• możliwość łączenia nierównych i nieprzylegających do siebie powierzchni
• niewrażliwość na wodę
• brak sfalowania klejonej powierzchni.
Szybkość klejenia jest ściśle związana z czasem otwartym i w porównaniu z innymi typami klejów – bardzo duża. Pozwala to na stosowanie dużych prędkości maszyn introligatorskich.
Ze względu na takie zalety, jak duża lepkość i brak rozpuszczalników lotnych, klej topliwy można nakładać grubą warstwą, która nie traci objętości, co pozwala na łączenie elementów nieprzylegających ściśle do siebie.
Brak rozpuszczalników lotnych wpływa korzystnie na stabilność wymiarową klejonych elementów (klej nie wnika w pory, włókna nie pęcznieją od rozpuszczalników).
Wady klejów topliwych
• niewielka wytrzymałość
• złe właściwości zwilżające
• wrażliwość na zanieczyszczenia powierzchni i farby drukarskie
• niewielka wytrzymałość na starzenie
• niewielka wytrzymałość na niskie i wysokie temperatury
• konieczność precyzyjnej regulacji temperatury w aparatach klejowych
• niemożliwość klejenia ręcznego.
Złe właściwości zwilżające wynikają z braku rozpuszczalników lotnych, innymi słowy: klej zaraz po nałożeniu tężeje, przez co nie może wniknąć w kapilary podłoża i w zasadzie zastyga na powierzchni.
Wrażliwość na zanieczyszczenia związana jest ze słabym zwilżaniem: klej wiąże zanieczyszczenia na powierzchni i nie przenika do podłoża. Wymusza to konieczność starannego przygotowania powierzchni.
Wytrzymałość klejów topliwych na niskie temperatury jest niewielka. Spowodowane jest to nadmiernym spadkiem elastyczności w niskich temperaturach, co objawia się kruchością i pękaniem spoiny. Spadek elastyczności powiększa się również z biegiem czasu, czego skutki są bardzo podobne.
Wnioski
Z powyższych faktów i zależności wynika, że dla osiągnięcia satysfakcjonujących wyników w stosowaniu klejów topliwych, jest konieczne dobranie konkretnej (optymalnej) temperatury do stosowanego kleju, podłoża, prędkości klejenia, oraz konieczna jest precyzyjna regulacja temperatury. Temperatura optymalna to znaczy taka, w której klej ma już wystarczającą lepkość, zwilżalność (adhezję) do konkretnego zastosowania, a jeszcze nie została przekroczona temperatura maksymalna (nie występuje dymienie i degradacja – zmniejszenie wytrzymałości, zmiana lepkości i szybkości twardnienia stopu).
Aparaty klejowe do klejów topliwych
Przedmiotem badań były aparaty klejowe do klejów topliwych we współczesnych maszynach do łączenia klejowego broszur i książek. Spośród wielu rozwiązań konstrukcyjnych wybrano trzy konstrukcje aparatów klejowych, charakterystyczne dla współczesnych maszyn introligatorskich:
• aparaty z podgrzewaną wanną klejową
• aparaty z podgrzewaną wanną klejową i wałkiem klejowym
• aparaty z podgrzewanym wałkiem klejowym.
Wyniki badań zostaną przedstawione w następnej części artykułu.
dr inż. Henryk Godlewski
Instytut Poligrafii PW
|
|
|
|
