, czyli krótka rozprawa na temat zdolności kleju do klejenia innych ciał.

1. Dlaczego klej klei?- Przygotował Marcin Szczurski Uczeń kl. I „c” o kieruknu: matematyczno – fizyczno –informatycznym. Zespół Szkół Ogólnokształcących w Opocznie Liceum Ogólnokształcące im. S.Żeromskiego Ul. S.Żeromskiego 3 26-300 Opoczno , czyli krótka rozprawa na temat zdolności kleju do klejenia innych ciał.

2. Czym jest klej? Klej – substancja, która prowadzona między powierzchnie przylegające dwóch przedmiotów, wykonanych z takich samych lub różnych materiałów, umożliwia trwałe ich połączenie w procesie klejenia. Kleje są zaliczane do materiałów czynnych powierzchniowo (podobnie jak farby, lakiery i detergenty), których cechą charakterystyczną jest zwiększanie adhezji (łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz -stałych lub ciekłych. Adhezji nie należy mylić z kohezją, która jest zjawiskiem związanym z oddziaływaniami międzycząsteczkowymi występującymi "w głębi" a nie na powierzchni danego ciała. Miarą adhezji jest praca przypadająca na jednostkę powierzchni którą należy wykonać aby rozłączyć stykające się ciała). Przykład oddziaływania adhezyjnego cząsteczek wody na pajęczynie Klej pozwala na trwałe połączenie dwóch przedmiotów

3. W jakich okolicznościach powstał klej? Ludzie już od czasów prehistorycznych mieszali surowe jajka, wysuszoną krew i soki roślin, żeby otrzymać kleistą maź, służącą jako farba do malowideł w jaskiniach. W starożytności sporządzono klej z rozgotowanych kości, kopyt i rogów bydła. Nowa epoka dla kleju nastąpiła po wynalezienia tworzyw sztucznych. Starożytny klej wykorzystywano m.in. do mocowania srebrnych liści laurowych na hełmach rzymskich legionistów. Nie wiemy jednak, kiedy dokładnie zaczęto go stosować. Możemy spekulować na podstawie znalezisk, do wyrobu których stosowano substancję podobną do kleju, kiedy człowiek po raz pierwszy go użył. Przedmioty takie (znaleziska) można zobaczyć na wystawie w Rheinischen Landes Museum w Bonn.  Pracownicy muzeum znaleźli ślady super kleju podczas analiz hełmu odkrytego w 1986 r. w Nadrenii Północnej-Westfalii nieopodal niemieckiego miasta Xanten (dawniej Colonia Ulpia Trajana)Hełm może pochodzić z I w. p.n.e., a w muzeum znalazł się z powodu renowacji. Klej odkryto na nim przez przypadek, pobierając próbkę metalu z hełmu za pomocą maleńkiej piły. Piłowanie rozgrzało powierzchnię hełmu powodując, że umieszczone na nim srebrne liście laurowe zaczęły się odklejać, ciągnąc za sobą nitki kleju.Ekspert był zaskoczony widząc, że mimo tak długiego kontaktu z wilgocią i powietrzem klej nie stracił swoich właściwości.Na hełmie z Xanten zachowało się dość substancji, by można było próbować określić, z czego ją produkowano. Zdaniem naukowców, powstawała ona z bitumu, substancji żywicznych i tłuszczu zwierzęcego. Na razie Niemcom nie udało się w pełni odtworzyć składu rzymskiego kleju. Spekulują, że receptura zakładała dodanie do niego także substancji nieogranicznych, np. sadzy, piasku i kwarcu, dzięki czemu całość stawała się bardziej kleista Hełm w Rheinischen Landes Museum w Bonn z I w. p. n. e. . Pierwszy zachowany przedmiot, do wyrobu którego stosowano kleju.

4. Chemiczny punkt widzenia: z czego składa się klej? Klej jest to substancja chemiczna o specyficznych cechach umożliwiających względnie trwałe łączenie drewna. Składa się on z substancji klejowej i substancji dodatkowych, które podnoszą efekty techniczne klejenia lub usprawniają jego przebieg. Razem składniki te mogą tworzyć roztwór, emulsję lub układ koloidalny. Kleje znajdujące się w sprzedaży nie zawsze nadają się do bezpośredniego użycia bez ich specjalnego przygotowania. Dlatego rozróżnia się postać handlową kleju i jego postać użytkową. Utwardzony klej łączący elementy sklejane nazywa się spoiną klejową. Wytworzone spoiny klejowej wymaga szeregu zabiegów technologicznych. Podstawowym składnikiem niezbędnym do powstawania klejów jest syntetyczny lub naturalny polimer w postaci koloidalnej zawiesiny w określonym rozpuszczalniku lub tworzący taką zawiesinę po wymieszaniu z utwardzaczem, plastyfikatorem, substancjami modyfikującymi i innymi. Kleje występują najczęściej w postaci ciekłej, a niekiedy w postaci stałej - proszku, perełek, folii lub sztyftów, wkładów klejących, które po roztopieniu tworzą złącze. Naturalny polimer- faza wodna, krótki przebieg części procesu powstawania kleju

5. Jakie rodzaje klejów wyróżniamy? Ze względu na mechanizm klejenia, kleje można podzielić na: • kleje rozpuszczalnikowe - kleje te wnikają głęboko w materiał powodując ich napęcznienie i częściowe rozpuszczenie; po połączeniu klejonych elementów i dociśnięciu spoiny powierzchnie klejonych materiałów nawzajem się przenikają, po czym rozpuszczalnik paruje pozostawiając trwałą spoinę bez warstwy samego kleju; kleje rozpuszczalnikowe stosuje się do klejenia tworzyw sztucznych. • kleje oparte na polimerowych żywicach - kleje te nie wnikają zbyt głęboko w materiał, mają one jednak silne powinowactwo chemiczne do klejonego materiału a warstwa samego utwardzonego kleju jest bardzo odporna mechanicznie; kleje te stosuje się do "trudnych" do sklejenia materiałów - takich jak metale, szkło itp, których nie można skleić klejami penetrującymi materiał; przykłady takich klejów to np. kleje epoksydowe (Poxipol). • kleje mieszane - składają się one z żywicy wymieszanej z rozpuszczalnikiem, który może penetrować klejony materiał - żywica wraz z rozpuszczalnikiem wnika głęboko w klejony materiał, więc nie musi mieć ona tak silnego powinowactwa chemicznego z klejonym materiałem; kleje mieszane są najbardziej rozpowszechnione i są one stosowane do klejenia "łatwych do sklejenia" materiałów porowatych takich jak guma, papier, skóra itp.; przykładem takiego kleju jest np. butapren lub guma arabska. • Szczególnym rodzajem klejów mieszanych są kleje składające się z żywicy polimerowej rozpuszczonej w monomerze, który w pierwszym etapie zachowuje się jak rozpuszczalnik, potem jednak nie paruje lecz ulega kopolimeryzacji z żywicą tworząc jedną usieciowaną strukturę. Takie kleje działają szybko i są dość uniwersalne - przykładem takiego kleju jest cyjanoakryl (znany jako "superglue"). Ponadto kleje można podzielić, na co najmniej cztery inne sposoby:Podział ze względu na pochodzenie surowca:Kleje naturalneZwierzęceRoślinneKleje syntetycznePodział ze względu na temperaturę stosowania:Kleje stosowane na zimno (do 40 º C)Kleje stosowane na ciepło (40 º ÷ 100 º C)Kleje stosowane na gorąco ( powyżej 100 º C)Podział ze względu na sposób wiązania:Kleje wiążące na zasadzie procesów fizycznych (odparowanie rozpuszczalnika, stygnięcie kleju …)Kleje wiążące na procesów chemicznych (powstaje nowy związek chemiczny)Podział ze względu na postać występowania:CiekłePlastyczneStałe (proszek, granulki, płatki itp.)

6. Fizyczny punkt widzenia: cechy charakterystyczne klejów. Dla scharakteryzowania kleju podaje się m.in. takie jego parametry jak: • Lepkość( właściwość plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów -cieczy i gazów) • czas otwarty czyli maksymalny czas od nałożenia kleju na powierzchnie sklejaną do momentu sklejenia • czas wiązania czyli czas, po którym spoina osiąga pełną wytrzymałość • baza kleju czyli zasadnicze składniki kleju, dzięki którym posiada on swe właściwości • ciała stałe - ilość suchej masy w jednostce objętości. Z punktu widzenia właściwości fizycznych kleje mogą być: sztywne, elastyczne, nieprzewodzące lub przewodzące prąd elektryczny, ciepło, pole elektryczne lub magnetyczne, wodoodporne, odporne lub nie na działanie agresywnych środowisk chemicznych itp. Mogą mieć kilka cech jednocześnie. Wychodząc z tego założenia dzieli się je na naturalne i syntetyczne: • Kleje Naturalne: Mogą być pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego. Największe znaczenie techniczne mają jednak kleje syntetyczne. • Kleje Syntetyczne: • epoksydowe - do metali, ceramiki • aminowe - do drewna • ftalowe - do drewna, papieru itp. • poliuretanowe - do metali, tworzyw sztucznych, skóry • poliwinylowe - do drewna, skóry itp. • poliakrylowe - do metali, ceramiki, tworzyw sztucznych • silikonowe - odporne na temperatury ~50°C, specjalne odporne do temperatury ~800°C - do łączenia metali z kauczukiem, lub tworzywem silikonowym

7. Elementy fizyki w klejeniu Połączenie następuje w wyniku obecności warstwy kleju. Odparowywanie rozpuszczalnika powoduje twardnienie warstwy kleju i połączenie. Trwałość połączenie zależy od dwóch czynników: Adhezji(siły łączącej) Przykładem występowania siły adhezji jest zetknięcie wilgotnej kartki papieru z szybą. Adhezja jest tym silniejsza, im dokładniejszy jest kontakt klejonych części i warstwy spoiwa ( w tym wypadku woda).Dlatego klejone powierzchnie muszą być czyste. Siła adhezji może być zwiększona poprzez przetarcie powierzchni papierem ściernym. Powoduje to dokładne oczyszczenie i zwiększenie powierzchni stykowej. Kohezji(łączącej siły kleju)) Kohezja to molekularna, łącząca siła kleju. Większa kohezja oznacza silniejszy klej. Zwykle cieńsza warstwa kleju powoduje pełniejsze wykorzystanie siły kohezji.

8. Jak właściwie przygotować się do klejenia? Wyczyść dokładnie klejone powierzchnie. Przetrzyj lekko papierem ściernym (zadrap). Przetrzyj acetonem, alkoholem lub spirytusem dokładnie odtłuszczając powierzchnie. Pozwól wyschnąć. Nie dotykaj przygotowanych powierzchni.. Nałóż cienką warstwę kleju (używając klejów kontaktowych stosuj się do wskazówek czasowych). Pracuj w dobrze wentylowanym, wolnym od kurzu i innych zanieczyszczeń pomieszczeniu w temperaturze pokojowej. Powstrzymaj się od szlifowania, wiercenia, piłowania etc., do czasu uzyskania pełnego połączenia.

9. Jak dobrze kleić? Klejenie zasadniczo przebiega następująco: dwa elementy, które chce się połączyć ze sobą, należy pokryć warstwą kleju, docisnąć do siebie i odczekać aż klej je zwiąże. Niektóre kleje wymagają dodatkowej obróbki termicznej. Inne z kolei wymagają swoistej obróbki chemicznej - np. dwie łączone powierzchnie trzeba pokryć dwiema różnymi substancjami, które tworzą razem klej, lub odczekać po pokryciu określony czas, w trakcie którego klej reaguje wstępnie z powietrzem. Ponadto, wiele klejów wymaga wstępnego przygotowania powierzchni - zwykle jej umycia i wysuszenia - a czasami nadania jej struktury chropowatej. Najczęściej stosowane w przemyśle metody czyszczenia powierzchni przed klejeniem: • obróka chemiczna - wytrawianie (stosowane przy metalach), powlekanie związkami nieorganicznymi • obróka ścierna - czyszczenie materiałami ściernymi (stosowane przy metalach, tworzywach sztucznych, gumie • odtłuszczenie - przemywanie rozpuszczalnikami, kwasami (stosowane przy większości materiałów klejonych) • aktywowanie powierzchni - (stosowane do tworzyw sztucznych) • lakierowanie - powlekanie lakierem podkładowym (stosowane do metali, tworzyw sztucznych, szkła, ceramiki) Przykład odpowiedniego sposobu klejenia- staranna obróbka i precyzja klejenia.

10. Na co należy uważać podczas klejenia? Kształt i rozmiary klejonych powierzchni Jednym z elementów mających wpływ na wytrzymałość spoiny jest rodzaj nacisku, który musi wytrzymać. Można łatwo wzmocnić słabe punkty i zwiększyć wytrzymałość spoiny. Sprawdź czy główne obciążenia spoiny będą występować w kierunku na wprost, diagonalnie czy rozrywając klejone powierzchnie.

11. Jak oddziaływują na siebie sklejone substancje?- fizyczne ujęcie problemu W różnego rodzaju klejach niektóre elementy spoiny mogą nie występować - np. może nie występować warstwa samego kleju (kleje rozpuszczalnikowe) lub klej może nie wnikać w głąb struktury materiału. Na wytrzymałość mechaniczną klejonej spoiny mają wpływ czynniki: rodzaj i siła chemicznego oddziaływania kleju z klejonymi powierzchniami ( jeśli klej reaguje chemicznie z podłożem tworząc z nim wiązania chemiczne, to taka spoina jest zazwyczaj bardziej wytrzymała niż w przypadku klejów, które tylko wnikają w klejoną powierzchnię , jednak większość klejów uniwersalnych nie reaguje bezpośrednio z podłożem, gdyż nie ma związków chemicznych które potrafią reagować ze wszystkim), głębokość penetracji klejonego materiału przez klej - oczywiście im większa tym lepiej, ale jeśli klej penetruje zbyt głęboko to może zniszczyć strukturę samego klejonego materiału; głębokość penetracji można też zwiększać zwiększając chropowatość powierzchni klejonego materiału. W wyniku procesu klejenia powstaje spoina o strukturze jak poniżej Warto nadmienić, że istnieją materiały bardzo gładkie (np. szkło), które zwykle bardzo trudno skleić i zmienić ich wytrzymałość mechaniczną samej warstwy kleju - ma to znaczenie tylko w przypadku tych klejów, które taką warstwę tworzą, zależy ona oczywiście od struktury chemicznej kleju oraz kształtu i rozmiaru całej spoiny - im większa powierzchnia spoiny i bardziej nieregularny jej kształt, tym staje się ona mocniejsza.

12. Klej- zastosowanie W produkcji meblarskiej spełnia klej doniosłą rolę. Pozwala uzyskiwać z materiałów tartych elementy o dużych grubościach i powierzchniach.Stwarza możliwość oklejenia materiałów gorszej jakości okleinami ze szlachetnych gatunków drzew oraz różnego rodzaju okładzinami, co znacznie podnosi wygląd estetyczny mebli. Klejenie usztywnia złącza stolarskie w wyniku, czego zwiększa się trwałość mebli. Klejenie połączone z gięciem umożliwia pozyskiwanie elementów krzywoliniowych, bez poddawania drewna obróbce hydrotermicznej. W produkcji tworzyw drewnopochodnych klejenie spełnia również doniosłą rolę, umożliwiając przeróbkę, odpadów drzewnych i gorszych sortymentów drewna na płyty wiórowe i paździerzowe, które są obecnie podstawowym surowcem konstrukcyjnym mebli skrzyniowych. Z powyższych rozważań wynika, że klejenie drewna nie tylko spełnia wiele zadań technicznych, lecz także ma duże znaczenie ekonomiczne wpływające na oszczędność drewna. Praktyczny przykład zastosowania kleju w produkcji meblarskiej

13. Przekrojowy opis wybranych klei a) Kleje glutynowe (klej naturalny pochodzenia zwierzęcego)Zalety:- wysoka wytrzymałość spoin na sucho- duża trwałość i odporność na starzenie się w suchych i chłodnych warunkach- elastyczność spoiny- nieszkodliwość dla organizmu ludzkiego- łatwość stosowaniaWady:- mała odporność na wilgoć- mała odporność na korozję biologicznąKleje glutynowe stosuje się w stolarstwie meblowym, występują one w postaci stałej.Substancją dodatkową w kleju glutenowym jest woda spełniająca rolę rozpuszczalnika. Oprócz tego mogą być dodawane jako wypełniacze kreda pławiona, kaolin lub mączka drzewna. Kleje w wypełniaczem znajdują zastosowanie do okleinowania drewna, lecz w produkcji meblarskiej są one używane coraz rzadziej. Wytwarza się również zmodyfikowane kleje glutynowe, w których specjalne dodatki chemiczne stwarzają możliwość utwardzania kleju w podwyższonej temperaturze, a więc klej staje się termoutwardzalny.b) Kleje kazeinowe (klej naturalny pochodzenia zwierzęcego)Zalety:- wytrzymałość- większa odporność na wilgoć niż klej glutynowyWady:- wysoka alkaliczność, ujemne działanie na organizm ludzkiKleje kazeinowe występują w postaci stałej lub płynnej.W skład kleju kazeinowego wchodzą: sproszkowana kazeina i wapno sucho gaszone oraz niewielkie ilości fluorku, chlorku lub siarczanu miedziowego. Klej ten jest przeznaczony do klejenia w temperaturze pokojowej, tj. „na zimno”. Nieodzownym składnikiem kleju jest woda. Z innych substancji dodatkowych należy wymienić kalafonię – obniżającą alkaliczność kleju, naftę – przedłużającą jego żywotność, oraz wypełniacze – kaolin lub kreda pławiona.c) Kleje mocznikowe (klej syntetyczny nieodwracalny, chemoutwardzalny)Zalety:- wysoka wytrzymałość spoin- odporność na działanie zimnej wody- łatwość stosowania- odporność na korozję biologicznąWady:- szkodliwość dla organizmu ludzkiego (zawiera formaldehyd)- twarda spoina krusząca się pod wpływem wilgociKleje mocznikowe są stosowane powszechnie w produkcji meblarskiej.Najczęściej są one używane do oklejania drewna i tworzyw drewnopochodnych okleinami i foliami. Substancja klejowa występuje w postaci lepkiego roztworu i jest żywicą mocznikowo-formaldehydową powstałą w wyniku polikondensacji mocznika z formaldehydem. Żywica może występować również w postaci proszku.Oprócz powyższych występują też syntetyczne kleje: albuminowe, fenolowe, rezorcynowe, Poliwinylowe.

14. Niezwykła kleistość kleju Czasem zdarzają się sytuacje kiedy potrzebujemy kleju, aby ukryć przestępstwo jakim jest zbicie ulubionej szklanki bądź wazy. Często sklejamy ze sobą rzeczy podczas remontów czy drobnych napraw domowych. Nie zastanawiamy się wtedy jak to się dzieje że klej tak błyskawicznie i trwale spaja różne powierzchnie. Jeszcze 100 lat temu kleje robiło się z żywicy roślin lub wygotowanych skór i kości zwierzęcych. Wysychanie takich klejów trwało wieczność, zaś spoiny które tworzyły nie były zbytnio wytrzymałe. Takim klejem spajano głównie drewno – ciekły klej wlewał się w pory drewna i po zaschnięciu udawało mu się skutecznie łączyć dwa kawałki ze sobą. Dzisiaj superkleje są produkcji syntetycznej. Schną bardzo szybko i tworzą bardzo mocne spoiwo. Poza nimi są także kleje dwuskładnikowe z żywic epoksydowych, których składniki należy połączyć ze sobą na 10 do 30 minut przed procesem sklejania. Superkleje zwane także popularnie superglue wytwarzane są z żywicy akrylowej, którą pozyskuje się z ropy naftowej. Zasada działania tego kleju polega na wykorzystaniu wilgoci zawartej we wszystkich istniejących powierzchniach do uaktywnienia procesu polimeryzacji tworzącego błyskawicznie trwałe spoiwo. Klej zawarty w tubce chroni przed polimeryzacją kwasowy stabilizator (regulator). Po wyciśnięciu odrobiny kleju najmniejsza ilość wilgoci powoduje wytrącenie stabilizatora i klej może już bez przeszkód tworzyć spoiny, gdyż jony wody powodują rozpoczęcie procesu polimeryzacji. Co ciekawe tych klejów używa się w chirurgii w postaci aerozolu, którym skleja się rany i tamuje krwawienia. Wszyscy którzy nieuważnie sklejali przedmioty superklejami wiedzą że należy szczególnie uważać na dłonie które w błyskawicznym tempie mogą stać się nierozerwalną częścią kawałka drewna lub kubka. Nie należy wpadać od razu w panikę i odcinać ręki bądź palca nożem. Wystarczy zwilżyć przyklejone miejsce ciepłą wodą i delikatnie oderwać przedmiot. Czasami prace nad udoskonaleniem kleju mogą stać się zalążkiem nowego patentu ułatwiającego życie w każdym biurze i domu na świecie. Każdy z Was zetknął się z żółtymi samoprzylepnymi karteczkami, które przyklejone do dowolnej powierzchni odlepiają się swobodnie nie pozostawiając żadnego śladu. Geneza odkrycia jest jak zwykle to bywa banalna. Był rok 1968. Nieudane badania nad superklejem w amerykańskiej firmie 3M zakończyły się powstaniem bardzo słabego spoiwa, które niezadowolona firma odrzuciła. Jeden z pracowników używał kartek nasączonych odkrytą substancją jako zakładek w śpiewniku. Zauroczony tym rozwiązaniem starał się przekonać 3M do masowej produkcji kartek wielokrotnego użytku, jednak dopiero w latach osiemdziesiątych wypuszczono pierwszą partię tzw. Post-It-Notesów. “Marny” klej pokrywający żółte karteczki jest w istocie tysiącem malutkich pęcherzyków żywicy mocznikowo-formaldehydowej zawierającej klej. Pęcherzyki pękają pod napięciem palca jednak nie wszystkie na raz więc można używać ich po wielokroć. 

15. Podsumowanie Przedstawiając najważniejsze zagadnienia, tj powstanie, zastosowanie, budowę itd. kleju, chciałem przybliżyć problem jego kleistości, łatwiejszego ukazania, dlaczego klej klei. Co do odpowiedzi na główne pytanie odnośnie zdolności do klejenia, to padło ono już wielokrotnie, więc ujmę to jeszcze raz, ale krótko. Lepkość, czy kleistość kleju to efekt adhezji i zwilżania powierzchni, czyli zjawisk fizycznych zachodzących na poziomie sił międzycząsteczkowych. Klej jest substancją łatwo zwilżającą niektóre materiały i przylegającą do ich powierzchni. Z kleju zawierającego rozcieńczalnik ten po pewnym czasie ulatnia się i pozostaje stała warstwa łącząca dwa sklejone materiały. W klejach chemicznych zachodzi reakcja chemiczna utwardzająca, a efekt końcowy jest podobny jak w cukierkach, bowiem cukier też się klei, choć siła tej kleistości nie jest aż tak silna, jak w typowym kleju.