Dlaczego klej klei?

Autor: Marek Bernaciak.

• Jak klei przyroda?
• Dlaczego nie wystarczy docisnąć?
• Dlaczego rakiety się klei?
• Ile kleju jest w samochodzie?
• Czym klei się zęby?

Jeden z gatunków os, żyjących nad Amazonką, buduje swoje gniazda na drzewach. Wyglądają jak wielkie, szare kosze. Ich ścianki zrobione są z masy papierowej, czyli rozdrobnionych cząsteczek drewna sklejonych wydzieliną owadów. Osiągają nieraz rozmiary dorosłego człowieka, a ciężar wielu kilogramów. Najciekawsze zaś jest to, że gniazdo jest przyklejone do drzewa bardzo mocnym klejem, przy czym powierzchnia sklejenia jest stosunkowo niewielka. O wytrzymałości kleju, wydzielanego przez osy, świadczy próba oderwania gniazda. Odrywa się kora, a nie klej. …

Przykładów klejenia w przyrodzie jest wiele. Jaskółki budują gniazda z grudek gliny zlepionych klejącą śliną. Techniką klejenia posługują się w ulach pszczoły. Ryby przyklejają swoją ikrę do wodorostów. Nawet kora na żywym drzewie jest w istocie przyklejona. Niezłe właściwości klejące ma wydzielina na świeżych pączkach topoli. Zachowuje ona lepkość przez ok. 10 dni, podczas gdy rozmaite taśmy pokryte „niewysychającym” klejem wysychają jednak po kilku dniach.

Ekspertami od klejenia są pająki. Wytwarzają nici pajęczyny, która ma wytrzymałość lepszą od stalowych lin. Wprawdzie kokony pajęcze są bardzo lekkie, ważą ok. 0,1 grama, alei nici, na których wiszą, są niezwykle cienkie. Z obliczeń wynika, że wytrzymałość spoiny klejowej pajęczyny osiąga 200 kg na cm²! A przy tym pająk tak precyzyjnie umieszcza poszczególne nici, że są one równo obciążone.

Australijskie i afrykańskie termity budują swoje wielkie, nieraz 6metrowej wysokości gniazda z dokładnie rozdrobnionych cząstek gliny i ziemi zlepionych śliną i wydzielinami. Zewnętrzna warstwa po wyschnięciu na słońcu jest tak twarda i jednolita, że z trudem daje się naruszyć stalowym ostrzem. Wewnętrzne komórki gniazd także są klejone, ale tworzą je roz­drobnione śliną i sokami trawiennymi cząsteczki drewna przypominające karton.

W Chinach cenionym przysmakiem są jadalne gniazda pewnego gatunku jerzyków, zwanych salanganami. Niektóre salangany budują gniazda całkowicie ze śliny. Przyklejają je do pionowych ścian skalnych lub do sklepień jaskiń. Jadalne gniazdo uchodzi także za cenny lek, choć nauka twierdzi, że. nie wykazuje żadnych właściwości leczniczych, a na dodatek jest trudne do strawienia i nie ma większej wartości odżywczej. Nasze jerzyki natomiast budują gniazda ze źdźbeł trawy, włosów, liści i piór powleczonych stwardniałą śliną.

Przyroda dostarczyła też człowiekowi pierwszych środków klejących. Nie wiadomo dokładnie, kto i kiedy wpadł na pomysł sklejenia pierwszego złamanego oszczepu, nie wiadomo, kiedy jednemu z naszych praprzodków lepkie palce od trzymanej w nich obgryzanej kości nasunęły myśl o użyciu tej klejącej się substancji w nowatorski sposób. Ze źródeł pisanych wiemy, że już egipscy faraonowie używali drewnianych szafek oklejanych ozdobnymi gatunkami drewna. Najstarsze, kilkusetletnie meble, jakie dotrwały do naszych czasów, także były klejone.

Technika klejenia nie zmieniała się przez setki lat. Kleju pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego używali właściwie tylko stolarze i introligatorzy. Klejenie, klajstrowanie, lepienie — te słowa do dziś kojarzą się nam raczej z lichą naprawą uszkodzonego mebla, dziurawej dętki, pękniętej wazy — niż z pro­dukcją wielkoprzemysłową, gdzie tworzywem jest metal.

Tymczasem współczesna technika nie może już się obejść bez klejenia. Bez użycia kleju niemożliwe byłoby wytwarzanie butów, samochodów, telewizorów, komputerów i rakiet kosmicznych. Właściwie nie ma dziś wśród otaczających nas przedmiotów takiego, który w trakcie produkcji lub choćby tylko w czasie pakowania nie stykałby się z klejem.

Do czego potrzebny jest klej? Teoretycznie do połączenia np. dwóch kawałków metalu powinno wystarczyć samo ich zetknięcie. Bo jeśli metal w kawałku się nie rozpada, dlaczego właściwie nie „łapie” siłami przyciągania swoich własnych atomów przyłożonego kawałka? Odpowiedź jest prosta — nie potrafimy tak dokładnie oszlifować dwóch kawałków metalu, by miały one rzeczywiście — z perspektywy atomów — gładką powierzchnię. Najlepiej wypolerowane płaszczyzny wyglądają pod mikroskopem elektronowym jak Himalaje z lotu ptaka.

Tu niezbędna jest dygresja o innych niż klejenie technikach łączenia metali. Otóż dwa kawałki metalu rzeczywiście wystarczy mocno docisnąć, miejsce zetknięcia podgrzać tak, by metal stał się miękki, aby nastąpiło trwałe i mocne połączenie. Taka operacja nazywa się zgrzewaniem i jest powszechnie używana przy łączeniu cienkich blach, między innymi w przemyśle samochodowym. Tam natomiast, gdzie elementy są grubsze — stosuje się zazwyczaj spawanie lub lutowanie. W obu tych technikach jako spoiwa używa się stopionego metalu, który wypełnia szczelinę między łączonymi częściami. W elektronice do lutowania używa się jako spoiwa łatwo topliwego, miękkiego stopu cyny i ołowiu. Chodzi tu bowiem nie tyle o mocowanie elementów układu elektronicznego, ile o zapewnienie trwałego i dobrego kontaktu elektrycznego. W trakcie łączenia na gorąco metali istnieje zawsze obawa, że w wysokiej temperaturze na ich powierzchni powstaną tlenki osłabiające spoinę lub uniemożliwiające wręcz połączenie. Aby tego uniknąć, np. bardzo ważne spawanie wykonuje się w atmosferze beztlenowej, w procesie lutowania zaś używa się topników (pasty lutowniczej, boraksu lub kalafonii), które nie dopuszczają do utleniania się lutowanych elementów.

Wróćmy teraz do klejenia.
Do czego służy klej? Klej ma być pośrednikiem, który z jednej i z drugiej strony „dopasuje się” do wszystkich nierówności powierzchni i to z taką dokładnością, że trwale przylega do obydwu klejonych części. Fachowcy rozróżniają dwa rodzaje tego przylegania, zwanego naukowo adhezją: mechaniczne i specyficzne. Mechaniczne ma miejsce wtedy, gdy klejone powierzchnie są porowate jak papier czy drewno, a rola kleju polega na wniknięciu w szczeliny i zakotwiczeniu się w nich.

Adhezja specyficzna zaś, o …to już poważna sprawa i dlatego istnieją trzy teorie naukowe wyjaśniające to zjawisko.

        Teoria polaryzacyjna objaśnia przyczepność kleju siłami przyciągania elektrostatycznego. Cząsteczki kleju są spolaryzowane i na jednym końcu niosą ładunek elektryczny dodatni, a na drugim ujemny. Ładunki te wytwarzają (indukują) w materiale klejonym ładunki o znaku przeciwnym, z którymi wzajemnie się przyciągają.

        Teoria dyfuzyjna zakłada, że między klejem i substancją klejoną dochodzi do wzajemnego przenikania cząsteczek na skutek dyfuzji (czyli przemieszczania się cząsteczek powodowanego drganiami cieplnymi atomów).

Wreszcie trzecia teoria wyjaśnia zależność przyczepności kleju od jego zdolności zwilżania powierzchni klejonej. Im lepsze bowiem jest zwilżanie, tym bliższy kontakt kleju z elementami klejonymi, tym mocniej trzymają sklejone powierzchnie.

Motorem postępu w technologii klejenia było bez wątpienia lotnictwo. Ono właśnie wymaga połączeń lekkich i wytrzymałych. Na potrzeby lotnictwa, w czasie I wojny światowej wynaleziono wodoodporne kleje kazeinowe (uzyskiwane z mleka) i albuminowe (wytwarzane z krwi zwierzęcej). Klejono nimi cienkie jednomilimetrowej grubości arkusze drewna (forniry), aby otrzymać bardzo lekką i wytrzymałą lotniczą sklejkę. Gdy płótno i sklejka przestały wystarczać do budowy samolotów, a zaczęto używać blachy aluminiowej, kleje straciły na znaczeniu. Ale oto w 1940 r. niemiecki koncern chemiczny I.G. Farbenindustrie AG. wyprodukował tak doskonały klej do aluminium, że zastosowano go przy produkcji samolotów dla Luftwaffe. Był to pierwszy syntetyczny klej poliuretanowy.

Ale nim zaczęły znikać z poszycia samolotów długie szeregi nitów, znaczące połączenia blach, trzeba było wielu lat badań. Trzeba było wytworzyć kleje odporne na wysokie i niskie temperatury. Powierzchnia typowego samolotu odrzutowego przekraczającego prędkość dźwięku nagrzewa się wskutek tarcia o powietrze do temperatury ok. 70°C. Tę temperaturę wytrzymuje wiele klejów. Ale superszybkie samoloty myśliwskie i pasażerskie („Concord”, TU144) osiągające prędkość ponad 2,5 rażą większą od prędkości dźwięku rozgrzewają się już do temperatury 235—260°C. Dopiero w latach siedemdziesiątych wynaleziono w USA kleje termoodporne oparte na tworzywach, zwanych poliamidami, które z powodzeniem takie temperatury znoszą.

Bez nowoczesnych klejów nie byłoby również tak gwałtownego rozwoju techniki kosmicznej. W czasie, gdy odbywała się seria amerykańskich lotów załogowych na Księżyc, specjaliści obliczyli, że obniżenie masy statku kosmicznego o jeden kilogram oznacza oszczędność 20 do 40 tyś. dolarów. Nic więc dziwnego, że w technice kosmicznej zastosowano najbardziej wyrafinowane sposoby „odchudzania” konstrukcji. Na przykład wynaleziony w 1947 r. tzw. plaster miodu. Precyzyjniej należałoby powiedzieć, nie wynaleziony, lecz „ściągnięty” z ula, bo istotnie okazało się, że pszczeli patent — sześciokątne komórki, klejone nawet z bardzo cienkiej folii aluminiowej (od 0,04 do 0,1 mm), oklejone z wierzchu cienką blachą aluminiową są niebywale wytrzymałe, a przy tym bardzo lekkie. Idealny materiał na wielometrowe anteny i skrzydła baterii słonecznych aparatów kosmicznych.

W kosmicznych fabrykach klei się prawie wszystko: anteny, zasobniki, osłony cieplne, silniki rakietowe, dysze, elementy optyczne, baterie słoneczne, konstrukcje nośne. W kabinie „Apollo” — wyjąwszy tylko jedną, wewnętrzną warstwę spawanych liniowo blach aluminiowych, wszystko poza tym było klejone. W wielkim, 10metrowej średnicy walcu, jakim jest II stopień rakiety nośnej „Saturn” zastosowano przy budowie 52 gatunki klejów. Szczytowym osiągnięciem kosmicznej techniki klejenia była powierzchnia promu „Columbia” pokryta płytkami żaroodpornymi; 30761 płytek krzemowych stanowiących osłonę termiczną promu musiało być tak silnie i tak precyzyjnie przytwierdzonych do podłoża, żeby uchroniły prom przed spaleniem podczas przechodzenia przez atmosferę, gdy temperatura na powierzchni płytek sięgała 1500°C. Musiały one tak ściśle przylegać do siebie, aby szczeliny między nimi nie były większe niż tysięczne części milimetra. A trzeba jeszcze dodać, że prom schodząc z orbity wpada w atmosferę z prędkością ponad 20 tyś. km/godz. — to jest dziesięć razy większą niż naddźwiękowy „Concord”. I klej to wytrzymuje.

Także przemysł motoryzacyjny ma klejowi wiele do zawdzięczenia. Po raz pierwszy klejenie tak ważnych części jak okładziny hamulcowe zastosowano w 1949 r. w samochodach firmy Chrysler. I takie mocowanie okazało się lepsze od tradycyjnego nitowania. Hamulce z klejonymi okładzinami były trwalsze, bardziej skuteczne i dłużej dawały się eksploatować. Dziś tę metodę stosuje się powszechnie. Kleju w samochodach jest coraz więcej. Do wyprodukowania przeciętnego samochodu amerykańskiego zużywa się ok. 30 kg różnego rodzaju klejów, past i kitów klejących. Klei się nie tylko wykładziny, ale nawet duże fragmenty nadwozia, np. cały dach. W samochodach europejskich używa się trochę mniej kleju, ale nawet polskiego „Malucha” trudno byłoby wyprodukować zupełnie bez kleju.

Godne omówienia są jeszcze co najmniej dwie dziedziny zastosowań technologii klejenia: budownictwo i dentystyka.
Budowanie w gruncie rzeczy jest w ogóle technologią klejenia, bo zarówno zaprawa murarska, jak i cementy są formą kleju łączącego elementy budowlane (cegły, kamienie, prefabrykaty). Na współczesnych placach budowy pojawiają się jednak coraz częściej kleje nowoczesne. Przytwierdza się nimi wszystkie wykładziny, klepki, tapety, płyty izolacyjne, glazurę itp. Także wówczas, gdy tradycyjne spoiwa budowlane nie wykazują dostatecznej przyczepności lub elastyczności, z pomocą przychodzi chemia. Klejami z żywic epoksydowych ratuje się dziś pękające stare mury. Zastrzyk z płynnej żywicy wypełnia dokładnie szczeliny w murze, a po utwardzeniu spaja lepiej niż cement. Klejem epoksydowym sklejona jest także betonowa konstrukcja słynnej opery w Sydney, w Australii. Można przypuszczać, że to dopiero początek technologii klejenia w budownictwie.

Dentyści, podobnie jak murarze, od przeszło stu lat używają cementu do przytwierdzania mostków, koronek i plomb w zębach. Celowo użyłem tu słowa przytwierdzanie, a nie klejenie, bo w gruncie rzeczy cementy dentystyczne nie wykazują chęci przylepiania się do tkanki kostnej i dlatego tak często plomby wypadają lub nie są dostatecznie szczelne. Znając wszystkie mankamenty swojej profesji dentyści od dawna z nadzieją patrzyli na chemików mieszających kleje, ale przyklejenie czegokolwiek do żywej tkanki okazało się zadaniem najtrudniejszym. Chirurdzy na przykład próbowali kleić złamane kości.

Mimo początkowych sukcesów, trzeba było pozostawić ten proces powolnej, za to niezawodnej naturze, bo od czasu do czasu zdarzało się, że organizm nie tolerował kleju i pojawiały się komplikacje. Podobnie było z klejeniem ran pooperacyjnych. Chirurdzy wolą tradycyjne zszywanie, które też przecież udoskonalono. Wracając zaś do zębów, to dopiero ostatnie lata przyniosły rozwiązanie. Na początku lat siedemdziesiątych dentyści uzyskali specjalne kompozycje żywic, które łącznie z trawieniem kwasami powierzchni zęba zapewniają prawdziwe przyklejenie się plomby czy korony.

Chemicy wraz z inżynierami wymyślili już tysiące klejów o najróżniejszych zastosowaniach. Właściwie kleić dziś można wszystko. Gumę z metalem, metal ze szkłem, szkło z betonem — trzeba tylko dobrać odpowiedni klej. Na koniec więc jeszcze kilka ciekawostek, które mogą zainteresować majsterkowiczów.

Są w sprzedaży kleje (cyjanoakrylowe, w Polsce produkowane pod nazwą Cyjanopan), które dają trwałą spoinę po kilkudziesięciu sekundach. Wystarczy mocno docisnąć klejone części, dla efektu chuchnąć na nie, i gotowe. Chuchnięcie ma tu zresztą całkiem fizyczne znaczenie, a nie magiczne, bo do samoutwardzenia kleju cyjanoakrylowego potrzebna jest odrobina wilgoci w powietrzu. Tego rodzaju klej do niedawna mógł być stosowany tylko do klejenia gładkich powierzchni np. metalu z metalem, metalu ze szkłem, gumy itp. Im cieńszą warstwę kleju się nałożyło, tym szybciej się utwardzał. Ostatnio produkuje się już gęste kleje cyjanoakrylowe, którymi można sklejać drewno.

Większość tradycyjnych klejów kurczy się w trakcie wysychania. Tego mankamentu nie mają nowoczesne kleje epoksydowe. Taki klej to żywica epoksydowa w stanie płynnym, którą sprzedaje się razem z tzw. utwardzaczem. Oba składniki trzeba przed użyciem dobrze wymieszać, wówczas rozpoczyna się proces polimeryzacji, który przekształca płynną żywicę w twardą, nierozpuszczalną spoinę.

Najnowsze kleje dwuskładnikowe, np. akrylowe, nie wymagają nawet mieszania. Po prostu jedną z klejonych powierzchni smaruje się jednym składnikiem, drugą drugim. Ten klej jest rewelacyjny także pod innym względem — nie trzeba oczyszczać z tłuszczu klejonych powierzchni, klej sam je usuwa.

Modne są również rozmaite kleje silikonowe służące do uzupełniania ubytków, uszczelniania itp. Niezwykłe właściwości ma jeden z tych klejów. Można go nakładać pędzlem, ale przed użyciem trzeba nim potrząsnąć, wtedy na chwilę staje się płynny, potem znów nabiera konsystencji galarety i wolno utwardza się pod wpływem powietrza.

Z tuby można sobie wycisnąć również „płynną uszczelkę” silikonową — zamiast gumowej. Tworzywo to utwardza się pod wpływem powietrza, ale zachowuje elastyczność gumy. A przy tym może być przezroczyste. Do klejenia, między innymi gumy, stosować można kleje „kontaktowe”. Są to tzw. kleje neoprenowe. Smaruje się obie klejone powierzchnie i pozostawia do wyschnięcia. Klej zmienia w trakcie wysychania kolor np. z niebieskiego na zielony. Kiedy już klejone części uzyskają właściwą barwę świadczącą o wyschnięciu, należy złożyć obie posmarowane powierzchnie. Sklejanie następuje w chwili kontaktu — stąd nazwa. Oczywiście nie można raz zetkniętych powierzchni poprawić ani korygować.

Sztuka klejenia polega dziś przede wszystkim na dobraniu właściwego kleju. Nie ma bowiem na razie superkleju, który był natchnieniem reżyserów niemych filmów. Chociaż spodnie do krzesła dałoby się dzisiaj skutecznie przykleić…