|
|
"Świat Druku" - miesięcznik
Archiwum
Rok 2006
Grudzień
Kleje. Część IV. Kleje topliwe w introligatorstwie przemysłowym
|
|
W pierwszej części artykułu (opublikowanej w numerze 12/2005 „Świata DRUKU”) omówione zostały podstawowe pojęcia dotyczące klejów, ich klasyfikacja i mechanizm tworzenia spoiny klejowej. W części II (nr 2/2006 „ŚD”) autor scharakteryzował kleje glutynowe i dyspersyjne stosowane w introligatorstwie przemysłowym. W III części (nr 10/2006 „ŚD”) został opisany wpływ właściwości papieru na wytrzymałość złącza klejowego i metody badania wytrzymałości opraw klejonych bezszyciowo.
|
Kleje topliwe są powszechnie stosowane w technologii łączenia bezszyciowego. Połączenia bezszyciowe uzyskane przy użyciu klejów topliwych są na ogół słabsze od połączeń uzyskanych przy zastosowaniu klejów dyspersyjnych.
Zastosowanie nowych technologii i urządzeń do oprawy bezszyciowej, opracowanie nowych klejów i przestrzeganie reżimu klejenia pozwala uzyskiwać oprawy nie odbiegające wytrzymałością od klejonych klejami dyspersyjnymi.
Kleje topliwe są to substancje stałe, które po stopieniu i ogrzaniu do właściwej (dla każdego kleju) temperatury dobrze zwilżają materiał klejony i tylko w tej postaci wykazują właściwości klejące. Krótki czas tężenia kleju i brak rozpuszczalników pozwala na natychmiastową obróbkę sklejonych materiałów, bez czasochłonnego procesu suszenia.
W skład klejów topliwych wchodzą wielkocząsteczkowe polimery termoplastyczne, żywice naturalne i syntetyczne, woski naturalne i syntetyczne oraz dodatki zapobiegające utlenianiu i degradacji w temperaturze pracy kleju. Do produkcji klejów introligatorskich powszechnie używa się termoplastycznych kopolimerów etylenu z octanem winylu (kopolimery EVA).
Polimery plastyczne w stanie stopionym posiadają wysoką lepkość i nie mają właściwości zwilżających. Brak zwilżalności powoduje, że adhezja tych polimerów do papieru, kartonu czy innych materiałów jest niewielka. Aby poprawić właściwości adhezyjne i zwilżające, do kleju dodaje się następujące żywice naturalne lub syntetyczne:
• kalafonię oraz modyfikaty kalafonii
• żywice terpenowe i syntetyczne
• żywice poliestrowe modyfikowane adduktami kalafonii z kwasem maleinowym
• żywice fenolowo-formaldehydowe
• niskocząsteczkowe żywice styrenowe
• kopolimery metylostyrenu z bezwodnikiem maleinowym.
Żywice te charakteryzują się temperaturą mięknienia w granicach 30–130oC.
Właściwości takie jak czas chwytania, temperatura pracy, adhezja zależą od rodzaju żywicy lub mieszaniny zastosowanych żywic. W klejach introligatorskich jako żywice stosuje się modyfikaty kalafonii (zwłaszcza w formie uwodornionej), kopolimery metylo-styrenu z bezwodnikiem maleinowym lub winylotoluenem oraz żywice kumaronowo-indenowo-styrenowe.
Dodatek wosków powoduje obniżenie temperatury topnienia kleju, obniżenie lepkości oraz poprawę zwilżalności klejonych powierzchni. Ze względu na trudne warunki pracy kleju (wysoka temperatura) stosuje się dodatki zapobiegające utlenianiu i degradacji poszczególnych składników kleju.
Proces rozkładu związków wchodzących w skład kleju zaczyna się w momencie jego stopienia. W wyniku zachodzących procesów utleniania, degradacji i destrukcji termicznej następuje zmiana zabarwienia i wzrost lepkości kleju.
Reakcje degradacji i destrukcji termicznej zachodzą wolniej od reakcji utleniania i na ogół są pochodną reakcji utleniania, dlatego też niezbędne jest stosowanie wydajnych antyutleniaczy. Często w celu obniżenia ceny kleju stosuje się napełniacze mineralne, jak dwutlenek tytanu, dwutlenek cynku, krzemionka i kaolin. Dodatki te zmieniają zabarwienie kleju, zmniejszają skurcz termiczny, pojemność cieplną oraz czas chwytania.
Nieraz w skład klejów topliwych wchodzą plastyfikatory ciekłe, np. estry kwasu ftalowego czy estry kwasu trójmelitowego. Ich zadaniem jest poprawa elastyczności spoiny i zwilżalności klejonych powierzchni.
Ze względu na obniżenie kohezji (spójności wewnętrznej) kleju, osłabienie siły wiązania kleju i migracji plastyfikatora po zestaleniu kleju do powierzchni spoiny, dodatek plastyfikatorów nie zawsze jest korzystny.
Jakość finalnego produktu (książki, broszury) jest uzależniona od przestrzegania reżimów technologicznych i zaleceń producenta kleju.
Podstawowe parametry określane przez producenta kleju to:
• temperatura pracy kleju
• lepkość kleju w temperaturze pracy
• czas otwarty kleju
• rodzaj urządzenia, na którym dany klej można stosować.
Dla większości introligatorskich klejów topliwych temperatura pracy zawiera się w granicach 150–180oC. Zakres temperatury pracy powinien być bezwzględnie przestrzegany przez użytkownika. Zbyt niska temperatura kleju powoduje, że klej posiada wysoką lepkość i źle się nanosi na klejony materiał, co daje niską wytrzymałość połączenia. W niskiej temperaturze może zachodzić również niepożądane zjawisko „sieciowania” kleju.
Zbyt wysoka temperatura powoduje zachodzenie niekorzystnych reakcji (utlenianie, destrukcja, sieciowanie), co przy dłuższym przegrzaniu sprawia, że klej nie nadaje się do użytku z powodu wzrostu lepkości aż do całkowitego zżelowania.
Przy wstępnym podgrzewaniu kleju należy zwracać uwagę, aby temperatura pracy w podgrzewaczu była o 20–30oC niższa niż temperatura kleju w kałamarzu roboczym. Temperatura pracy kleju jest równoznaczna z temperaturą kleju na wałkach nanoszących. Ważna jest również szybkość ogrzewania kleju w celu stopienia. Wysoka lepkość kleju powoduje, że ruchy dyfuzyjne występują w niewielkim stopniu i w pobliżu elementów grzejnych następuje znaczne przegrzanie kleju, które może wywołać niekorzystne reakcje (omówione wyżej).
Dla większości klejów introligatorskich temperatura pracy nie może przekraczać 180oC. Lepkość kleju w tej temperaturze waha się w granicach 3000–7000 mPas, w zależności od rodzaju kleju.
Kolejna wartość charakteryzująca klej to czas otwarty. Wielkość ta determinuje rodzaj urządzenia, na którym można pracować z danym klejem. Ogólnie przyjmuje się, że kleje o długim czasie otwartym stosuje się do urządzeń pracujących wolno, natomiast kleje o krótkim czasie otwartym – do urządzeń szybkich.
W większości opracowań zaleca się, aby warstwa kleju naniesionego na grzbiet wkładek wynosiła 0,5–1 mm (500–1000 g/m2).
W urządzeniach klejących nanoszenie kleju odbywa się za pomocą wałków nanoszących. Powszechnie stosowane jest nanoszenie kleju systemem trój- lub dwuwałkowym. W systemie trójwałkowym pierwszy wałek dotyka grzbietu wkładu, a zbierak nastawia się tak, aby wałek nabierał warstwę kleju o grubości 0,5–1 mm. Drugi wałek ustawiony jest w odległości około 1 mm od grzbietu wkładu i nabiera warstwę 1–2,5 mm kleju. Trzeci wałek dozujący obraca się w kierunku przeciwnym do obrotu dwóch poprzednich i ogrzewany jest do temperatury wyższej od temperatury nanoszenia kleju. Ma on na celu przejęcie nadmiaru kleju, wyrównanie warstwy na żądaną grubość oraz usunięcie pęcherzy powietrza z warstwy kleju.
W systemie dwuwałkowym wałki nanoszące klej obracają się przeciwbieżnie. Sposób ten pozwala na równomierne naniesienie kleju i zbyteczne jest stosowanie ogrzewanego wałka dozującego.
Bardzo ważnym czynnikiem decydującym o jakości oprawy bezszyciowej jest sposób obróbki grzbietu wkładów oraz jego dokładne oczyszczenie po obróbce. Najczęściej stosowaną metodą obróbki grzbietu jest obróbka poprzez frezowanie i nacinanie. Po frezowaniu i nacinaniu grzbiet oczyszcza się z resztek skrawków papieru oraz pyłu przez szczotkowanie i odsysanie. Nieraz grzbiet poddawany jest dodatkowo szorstkowaniu. Przy frezowaniu z nacięciem grzbiet powinien mieć nacięcia głębokie na 0,5–0,9 mm, co 8–10 mm. Przy niektórych gatunkach papieru występują trudności z dokładnym oczyszczeniem grzbietu. Na skutek oddziaływań elektrostatycznych cząstki pyłu dokładnie przylegają do powierzchni i warstwa kleju naniesiona na tę powierzchnię nie jest związana z grzbietem.
Na jakość obróbki rzutuje ostrość frezu. Przy tępym frezie może wystąpić naderwanie papieru na grzbiecie wkładu i podobnie jak w przypadku pyłów warstwa kleju jest luźno związana z podłożem.
Obecnie coraz częściej stosuje się technikę dwukrotnego (two-shot) lub trzykrotnego (three-shot) powlekania grzbietu kleju. Często jako pierwszą warstwę stosuje się klej dyspersyjny o małej lepkości i wysokiej zawartości suchej pozostałości. Klej jest suszony, a następnie na warstwę kleju nakłada się klej topliwy. Badania wykazały, że większą wytrzymałość uzyskuje się jednak stosując do klejenia wstępnego klej topliwy. Klej użyty do wstępnego powleczenia grzbietu powinien mieć niską lepkość, tak aby dobrze zwilżyć powierzchnię i dokładnie wypełniać nacięcia i nierówności.
Topliwe kleje poliuretanowe
W połowie lat 80-tych opracowano i zaczęto stosować w introligatorstwie przemysłowym topliwe kleje poliuretanowe. Klej poliuretanowy jest klejem reaktywnym. Głównym składnikiem kleju jest prepolimer zawierający wolne grupy izocyjanianowe, które pod wpływem pary wodnej zawartej w powietrzu ulegają sieciowaniu.
W czasie ogrzewania kleju zachodzi również powolny proces sieciowania wskutek reakcji między grupami izocyjanianowymi. Reakcja ta przebiega wolno. Stwierdzono, że 5-, 6-godzinne ogrzewanie kleju nie wpływa w sposób istotny na jego właściwości.
Temperatura pracy klejów poliuretanowych wynosi 120–130oC, jest więc zdecydowanie niższa od temperatury pracy konwencjonalnych klejów topliwych. W temperaturze 100oC wytrzymałość połączenia jest taka, jaką kleje topliwe (klasyczne) osiągają po schłodzeniu do temperatury pokojowej.
Elastyczność spoiny klejowej jest zależna od zawartości wolnych grup izocyjanianowych w kleju. Większa zawartość grup izocyjanianowych powoduje powstanie większej liczby wiązań poprzecznych i w efekcie tego spoina jest mniej elastyczna. Tak więc wymaganą elastyczność i wytrzymałość spoiny można uzyskać stosując klej o odpowiednim składzie.
Proces tworzenia wytrzymałej spoiny klejowej przebiega w dwóch etapach. Po naniesieniu na klejoną powierzchnię klej szybko krzepnie (tak jak zwykły klej topliwy), a następnie w czasie kilkudziesięciu godzin zachodzi proces sieciowania kleju pod wpływem pary wodnej z powietrza.
Szybki początkowy czas wiązania kleju pozwala już po dwóch minutach na operację okrawania wyrobu na trójnożu. Proces sieciowania w wyniku reakcji z parą wodną zachodzi już w gotowym wyrobie. Pełną wytrzymałość spoiny uzyskuje się po około siedemdziesięciu dwóch godzinach.
Stwierdzono, że warstwa kleju o grubości ok. 0,2 mm zapewnia wystarczającą wytrzymałość sklejonego wkładu. W praktyce nanosi się jednak warstwę o grubości 0,3–0,4 mm, a więc zdecydowanie cieńszą niż przy klasycznych klejach topliwych.
Kleje poliuretanowe charakteryzują się dobrą zwilżalnością i adhezją nawet do materiałów, które uznaje się za trudne do klejenia. Spoina klejowa jest trwała i elastyczna. Właściwości tych nie traci nawet w temperaturze –30oC.
Wkłady klejone klejami poliuretanowymi charakteryzują się dobrą płaskością (efekt płaskiego leżenia), tzn. że powierzchnie okładek są do siebie równoległe.
Spoina klejowa jest ponadto odporna na starzenie.
Kleje poliuretanowe posiadają jednak wady. Podstawową wadą jest ich reaktywność, która wpływa na małą stabilność w czasie pracy. Kleju raz stopionego i schłodzonego nie można użyć powtórnie.
Kleje pakowane są hermetycznie w atmosferze pozbawionej pary wodnej i dlatego po otwarciu opakowania klej powinien być zużyty natychmiast.
Kleje poliuretanowe są cztero-, pięciokrotnie droższe od konwencjonalnych klejów topliwych. Wysokie są również koszty zakupu urządzeń do pracy z tymi klejami. Wadą tych klejów jest również emisja szkodliwych gazów w czasie ogrzewania i pracy.
Kleje opracowane przez COBRPP
W Centralnym Ośrodku Badawczo-Rozwojowym Przemysłu Poligraficznego od lat prowadzone są prace badawcze nad opracowywaniem receptur klejów introligatorskich. Opracowane kleje są produkowane w Ośrodku lub w Oddziale w Łodzi i znajdują się w ciągłej sprzedaży.
Kleje introligatorskie produkowane w COBRPP nie są sklasyfikowane jako preparaty niebezpieczne, nie zawierają żadnych niebezpiecznych substancji chemicznych. Niektóre kleje posiadają atesty PZH na wykonywanie opakowań mających bezpośredni kontakt z żywnością.
Dzięki wieloletnim doświadczeniom w opracowywaniu klejów możliwe jest opracowanie receptur klejów do klejenia różnego rodzaju materiałów trudno klejących się, klejów do specjalnych zastosowań, a także klejów przystosowanych do konkretnych urządzeń. Między innymi produkowane są następujące rodzaje klejów:
• klej T-2 – przeznaczony do procesów ręcznego i maszynowego klejenia opakowań kartonowych, folii na okienka w kopertach, etykiet na opakowania z tworzyw sztucznych, kalendarzy
• klej Introwil 2 – przeznaczony do procesów maszynowego i ręcznego klejenia papieru, kartonu i tektury z materiałami laminowanymi, foliami z polipropylenu, poliestrów, pochodnych celulozy oraz materiałów lakierowanych lakierami UV; nadaje się również m.in. do zawieszania wkładu w oprawie twardej (zwłaszcza gdy oklejka wykonana jest z materiałów trudnoklejących), do wklejania okienek z polietylenu, wykonywania opakowań itp.
• kleje samoprzylepne S-1 i S-3 – o właściwościach samoprzylepnych, na bazie związków akrylowych, przeznaczone do przyklejania gadżetów reklamowych do gazet i czasopism; klej S-1 najlepiej nadaje się do przyklejania lekkich obiektów, np. saszetek z kosmetykami, klej S-3 ma konsystencję gęstej pasty i bardziej nadaje się do przyklejania cięższych obiektów, takich jak np. płyty CD
• kleje dyspersyjne A i B – przeznaczone do klejenia papieru, kartonu i tektury w procesach ręcznych i maszynowych (oprócz powierzchni polakierowanych lakierami UV)
• kleje do laminowania KLS, KLSL i KLSF – przeznaczone do laminowania druków folią poliestrową lub aktywowaną folią poli-propylenową na maszynach do laminowania.
dr Waldemar Busz
Centralny Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Przemysłu Poligraficznego
|
|
|
|
