Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Publikaci podpořili:

Petr Briš, Jiří Kuběna, Jan Štrkaň

Lepení v praxi

Vydala Grada Publishing, a.s.

U Průhonu 22, Praha 7

obchod@grada.cz, www.grada.cz

tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400

jako svou 6706. publikaci

Odpovědný redaktor Petr Somogyi

Grafická úprava a sazba Jakub Náprstek

Formát ePub Štěpán Böhm

Počet stran 144

První vydání, Praha 2017

Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a. s.

© Grada Publishing, a.s., 2017

Cover & Layout Design © Jakub Náprstek, 2017

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.

ISBN 978-80-271-9260-1 (ePub)

ISBN 978-80-271-9259-5 (pdf)

ISBN 978-80-271-0247-1 (print)

Úvod

Lepením rozumíme technologický postup pro vytvoření trvalého nebo pomocného spojení dvou stejných nebo rozdílných materiálů pomocí lepidel. Tato technika se využívá už od dávných dob. Lidé si všimli schopností některých přírodních látek (například pryskyřic, rozbobtnalého škrobu z mouky, albumínu z vaječných bílků, kaseinu z mléka, klihu z kostí nebo kůží, kaučukového latexu a podobně) a tyto látky používali ke slepování různých materiálů jako dřevo, keramika, usně a podobně. Technologie lepení se využívala i při výrobě šperků. Například pro vlepování drahých kamenů do kovového, většinou stříbrného nebo zlatého podkladu se používal (a dodnes používá) pružný klih získaný z rybích kožek. Pro „slepování“ stavebních materiálů se využívalo různých jílů nebo hlinitých směsí, později i malty a v antickém Římě i předchůdce cementu na bázi směsi vápna s mletým sopečným popelem, který po smíchání s vodou vytvořil „umělý kámen“, tedy předchůdce betonu.

Ovšem největší rozmach technologie lepení nastal v souvislosti s rozvojem chemie, který umožnil výrobu nových typů lepidel získaných jak modifikací přírodních látek, tak i výrobou syntetických lepidel. Lepení se pak stalo jednou ze základních technologií pro spojování kovů, plastů, usní, dřeva, textilu a dalších materiálů, a to téměř ve všech průmyslových odvětvích. Ovšem je nutné podotknout, že neexistuje univerzální lepidlo a pro každý typ lepeného spoje je nutné zvolit vhodný typ lepidla a použít vhodnou technologii lepení.

1Z historie lepicích procesů

1.1Lepidla dobývají svět: od sekery z kamene k vesmírnému raketoplánu

Lepení představuje jednu z nejstarších a nejdůležitějších kulturních technik lidstva. Dřívější lepidla, jako březová smůla, dovolovala našim předkům zhotovovat zbraně a nástroje, aby se prosadili v nepřátelském prostředí. Velké kultury starověku jako Sumerové, Řekové nebo Římane používaly vlastní techniky lepení. V průběhu času se lepení dále vyvíjelo. Dnes se lepidla využívají více než kdy dříve. Technické vymoženosti, jako jsou například vesmírné raketoplány, jsou možné jen s lepidly.

V polovině šedesátých let 20. století v těžební oblasti hnědého uhlí nedaleko Halle prováděli archeologové univerzity v Halle-Wittenbergu výzkumné práce. Narazili při tom na ostatky mamutů, sobů a jelenů evropských, jakož i na kamenné nástroje. Nejdůležitějším nálezem se ale staly dvě nenápadné černé smolnaté hroudy. Jednalo se o cca 40 000 let starou březovou smůlu. Toto dávné lepidlo se používáno k tomu, aby nástroje nebo zbraně z kamene a dřeva držely pohromadě. Smůla se nevyskytuje přirozeně, ale musí se cíleně vyrábět. Nalezené kusy jednoznačně ukazují, že lepidla hrála už během střední doby kamenné důležitou roli.

Obr. 1.1:  Stará březová smůla

1.2Ötzi měl šípy z březové smůly

Březová smůla se jako lepidlo používala po tisíciletí. Také ledovcová mumie označovaná jako Ötzi z doby okolo 3400 před Kristem měla v zavazadle šípy vyrobené z březové smůly. O 600 let dříve byla objevena alternativa k březové smůle: Sumerové používali segin, glutinové lepidlo, vařené ze zvířecích kůží. K utěsnění lodí a ve stavebnictví se kromě toho používal přírodní asfalt, který se v Mezopotámii, v regionu okolo dnešního Iráku, bohatě vyskytoval. Nejpozději od roku 1500 před Kristem začali používat zvířecí lepidlo i Egypťané. Lepidlo získávané z kostí sloužilo především k uměleckým dýhovaným pracím. Jeho obrovský kulturní význam dokazuje nástěnný obraz z hrobu Rekhmary, prefekta (správního úředníka) z Théb. Nákladný obraz ukazuje detailně různé aspekty dýhované práce, mimo jiné také použití želatinového lepidla.

Obr. 1.2:  Ledový muž Ötzi

1.3Řekové používali rybí klih

Umění vaření lepidla, obzvlášť efektivního rybího klihu, bylo dále rozvíjeno starými Řeky. „U tesařských prací drží pohromadě nejlépe smrk, díky jeho uvolněnému a rovně probíhajícímu dřevu. Spíše se roztrhne dřevo než slepená spára,“ konstatuje filosof Theofrastos (371–286 před Kristem) ve svém příběhu rostlin. V Řecku vzniklo také samostatné profesní odvětví, kuchař lepidel. Jméno „Kellopsos“ označovalo v antice experta na lepidla.

Obr. 1.3:  Lepení knih

Po tomto předběžném vrcholu nebyly několik století žádné pozoruhodné novinky v oblasti lepidel známé. Pouze Aztékové používali ve 14. století nejdříve zvířecí krev, aby zvýšili lepicí sílu cementu. Ještě dnes dokazují mnohé dobře zachované chrámové komplexy zjevnou kvalitu tohoto pojiva.

Teprve v pozdním středověku přesídlil vývoj lepidel opět do Evropy. Poté, co Gutenberg v Mohuči vynalezl knihtisk s živými písmeny, začala být najednou poptávka po lepidlech na spolehlivé vázání knih.

I truhlářská profese potřebovala na základě většího používání dýhovací techniky efektivní dřevařská lepidla. V průběhu tohoto vývoje vznikla v roce 1690 ve Spojených provinciích nizozemských první továrna na lepidla na světě. Neměla zůstat jediná. Končící 17. století vidělo zakládání kliháren v celé Evropě. Jejich výrobky se pak používaly až do 20. století. Při restaurování starožitného nábytku se používají dokonce ještě i dnes. První patent pro lepidlo – rybí klih – byl udělen v roce 1754 v Anglii.

1.4Inovativní století

Ve 20. století přišly inovace rychle po sobě. V roce 1909 bylo zahájeno patentové řízení k tvrdnutí fenolové pryskyřice. Jen o tři roky později byl Adolfu Rollettovi a Fritzi Klattemu udělen patent na polyvinylacetát. Plasty jsou i dnes jednou z nejčastějších komponent lepidla na dřevo i ostatních lepidel.

V roce 1930 vyvinul v USA Richard Gurley Drew transparentní lepicí pásku. V roce 1932 se podařilo lékárníkovi Augustu Fischerovi v Bühlu namíchat první použitelné lepidlo na bázi syntetické pryskyřice. Americký vysokoškolský profesor Vernon Krieble vynalezl v roce 1953 syntetickou pryskyřici, která pod vlivem kyslíku vytvrdne. V roce 1969 slavila v Düsseldorfu světovou premiéru lepicí tyčinka.

Obr. 1.4:  Lepené spoje

Lepidla mají neocenitelný význam i v high-tech sektoru. V mobilních telefonech nahrazují lepené spoje stále více klasické šrouby a sváry. V automobilovém průmyslu se díky nejmodernější technice lepení používají lehčí pojiva, která byla ještě před několika lety nemyslitelná.

V posledních letech neztratilo lepení nic na svém obrovském významu pro všechny oblasti lidského života. Naopak – je dnes důležitější než kdy předtím a představuje zcela klíčovou technologii.

2Výhody a nevýhody technologie lepení

Technologie lepení má oproti jiným technologiím spojování dvou subjektů (jako je šití, nýtování a podobně, případně u kovů i pájení nebo svařování) řadu výhod. K nim patří:

•rovnoměrné rozložení pnutí,

•žádný tepelný vliv na strukturu,

•žádná deformace konstrukčního dílu,

•možnost spojování velmi tenkých dílů například fólií,

•možnost kombinování různých materiálů,

•možnost kombinace s jinými metodami spojování,

•dobrá dynamická pevnost, případně dobré tlumení chvění.

Mezi další výhody lze zařadit i vytvoření difuzní bariéry proti pronikání:

•prachu,

•vody,

•chemikálií,

•světla,

•větru,

•tepla a podobně.

Lepený spoj může mít i další doplňkové funkce, a to:

•elektrickou vodivost,

•tepelnou vodivost,

•zvukovou izolaci,

•optické vlastnosti jako průhlednost apod. a další.

K nevýhodám může patřit:

•často malá počáteční pevnost,

•omezená tvarová stálost při tepelném namáhání,

•špatně odhadnutelná závislost na stárnutí,

•náchylnost k plastickému tečení při statické zátěži,

•omezená rozpojitelnost,

•nákladné nedestruktivní zkoušení,

•nutnost předem upravit spojené dílce a další.

Ovšem v mnoha případech lze výběrem vhodného typu lepidla a vhodné technologie lepení uvedené nevýhody částečně nebo úplně eliminovat.

3Lepidla a jejich rozdělení

Za lepidlo lze podle normy ČSN EN 923 + A1 považovat „nekovovou látku schopnou spojovat materiály slepením povrchů (adhezí) s tím, že lepený spoj disponuje potřebnou vnitřní pevností (kohezí)“.

Podle této definice lze do kategorie lepidel zařadit širokou škálu látek: od malt a cementů přes přírodní pryskyřice po látky na syntetické bázi. Pro technickou praxi je proto vhodné různé typy lepidel dále specifikovat.

3.1Specifikace podle chemické struktury

Podle základní chemické struktury lze lepidla rozdělit na:

•lepidla na anorganické bázi,

•lepidla na bázi silikonů,

•lepidla na organické bázi.

Lepidla na anorganické bázi

Patří sem cementy, malty, rozpustné silikáty, například vodní sklo a podobně. Do této skupiny jsou zahrnovány i taveniny na bázi anorganických kysličníků a silikátů sloužících pro svařování skla.

Lepidla na bázi silikonů

Jedná se o polymerní látky s centrálním atomem na bázi křemíků, které tvoří jistý přechod mezi organickými a anorganickými sloučeninami. Polymerní řetězec se většinou skládá z atomů křemíku, ovšem většinou obsahuje substituenty nebo koncové skupiny organického charakteru. Dále může obsahovat reaktivní skupiny, které jsou schopné prodloužit polymerní řetězec nebo vytvořit prostorovou strukturu polymeru.

K silikonům jsou zařazovány i tzv. MS polymery, kdy je polymer na organické bázi modifikován sloučeninami na bázi křemíku.

Lepidla na organické bázi

Jedná se o polymerní látky s centrálním atomem na bázi uhlíku. Tyto materiály lze dále rozdělit na lepidla:

•přírodní,

•semisyntetická,

•syntetická.

Přírodní lepidla

Základem je látka získaná z rostlin nebo živočichů, respektive z jejich produktů (vajec, mléka apod.). Lze mezi ně zařadit například škrob získaný z mouky, klovatinu získanou z rostlinných pryskyřičných výpotků (například arabská guma, denárová pryskyřice apod.), v podstatě sem lze zařadit i latex z přírodního kaučuku, klih získaný z kostí nebo kůže zvířat, albumin z vajec, kasein z mléka apod.

Přírodní materiál použitý k lepení může být různě upraven. Například přírodní latex je stabilizován proti koagulaci (vysrážení) v důsledku bakteriálního rozpadu ochranné koloidní vrstvy většinou pomocí čpavku, pro lepení se používá v koncentrovanější formě, než jak byl získán z přírody. Arabská guma získaná z výpotků různých typů akácií se zase většinou v praxi používá jako vodný roztok s přídavkem glycerinu nebo jiných polyalkoholů a podobně.

Semisyntetická lepidla

U této kategorie je základem polymerní řetězec získaný z přírodního materiálu, který je následně chemicky modifikován tak, aby byl schopen vytvořit lepený spoj požadovaných vlastností. V praxi se jedná především o materiály, jejichž základní strukturu tvoří řetězec na bázi celulózy. Volné karboxylové skupiny základního celulózového řetězce mohou být různě modifikovány. Jde především o estery celulózy, tzn. nitrocelulózu, acetát nebo acetobutyrát celulózy, nebo o étery celulózy, jako vodorozpustná metylcelulóza, karboxylmetylcelulóza, hydroxylmetylcelulóza, případně i étery celulózy rozpustné v organických rozpouštědlech, například etylcelulóza.

K semisyntetickým látkám patří i chemicky upravený přírodní kaučuk, tzn. cyklokaučuk, chlorkaučuk nebo hydrochlorkaučuk. Lze mezi ně zařadit i chemicky modifikovaný škrob, například karboxymetylškrob nebo kasein, případně želatinu, které jsou modifikovány akryláty, případně další chemicky modifikované přírodní materiály.

Chemicky upravené přírodní materiály nacházejí v poslední době uplatnění jako lepidla ve zdravotnictví. Jedná se například o kolageny upravené jak chemicky (například reakcí kolagenu s kyselinou antrachinondisulfonovou a glutaraldehydem), tak i enzymaticky (například selektivním štěpením kolagenu pomocí enzymů).

Syntetická lepidla

Do této skupiny patří lepidla, u nichž je spoj zajištěn polymerem vytvořeným pomocí chemické reakce z nízkomolekulárních látek (monomolekulárních látek). K tvorbě polymeru se zde využívá:

•Polymerační reakce, kdy polymer vzniká spojováním dvojných vazeb nízkomolekulární složky (viz obrázek 3.1). Výsledkem reakce je makromolekulární polymerizát (PVC, PVAc apod.).

Obr. 3.1:  Polymerace

•Polykondenzační reakce, kdy polymer vzniká v důsledku odštěpení reaktivních koncových skupin za vzniku polymerů a nízkomolekulárního štěpného produktu (většinou vody). Obě reakční koncové skupiny mohou být součástí jedné nízkomolekulární složky (schéma A, viz obrázek 3.2).

Obr. 3.2:  Schéma A

Polymer také může vznikat ze dvou typů molekul, z nichž každá obsahuje jinou reakční koncovou skupinu (schéma B, viz obrázek 3.3). Polymery na této bázi se nazývají polykondenzáty (polyamid, polyester).

Obr. 3.3:  Schéma B

•Polyadiční reakce, které mají obdobný reakční mechanismus jako polykondenzace (většinou typu B), ovšem nedochází zde k odštěpení reakčního produktu. Typickou polyadiční reakcí je reakce NCO skupiny s OH skupinou (viz obrázek 3.4). Polymery na této bázi se nazývají polyadukty (polyuretan, epoxidy apod.).

Obr. 3.4:  Polyadice

Podle výše uvedených chemických reakcí (respektive jejich popisu) lze získat strukturu lineárních polymerních řetězců, které jsou tvořeny jedním typem monomerních jednotek, takzvané homopolymery. Homopolymer často není schopen zajistit požadované vlastnosti polymerního materiálu. V případě technologie tvorby lepeného spoje to může být například nízká adhezní nebo kohezní pevnost, nutnost použít speciální technologie lepení. Pro lepidla používaná v roztoku to může být i špatná rozpustnost polymeru v klasických rozpouštědlech, pro tavná lepidla například vysoký bod měknutí, případně další nevýhody pro použití homopolymerů. Proto se v technické praxi využívají polymery tvořené z více typů monomerních jednotek. Může se jednat o kopolymery, kdy je polymer tvořen dvěma typy polymerních jednotek, které jsou schematicky znázorněny jako A a B. Ve výsledném polymerním řetězci pak mohou být polymerní jednotky zastoupeny náhodně, tedy statisticky (viz obrázek 3.5).

Obr. 3.5:  Statistický kopolymer

Polymerní jednotky také mohou vytvářet úseky tvořené z prepolymerních jednotek A spojených s prepolymerními jednotkami typu B, tzv. blokový kopolymer (viz obrázek 3.6).

Obr. 3.6:  Blokový kopolymer

Případně mohou být navázány na základní polymerní řetězec tvořený jednotkami typu A, tzv. roubovaný kopolymer (viz obrázek 3.7).

Obr. 3.7:  Roubovaný kopolymer

V technické praxi se vyskytují polymery, jejichž strukturu tvoří tři a více polymerních jednotek. Jedná se o takzvané terpolymery. Jejich struktura může být analogická strukturám znázorněným na obrázcích 3.5, 3.6 a 3.7. To znamená, může se jednat o statistický, blokový i roubovaný terpolymer. V některých případech může být na polymerní řetězec navázána nízkomolekulární látka N. Tato látka může tvořit jeho koncové skupiny (viz obrázky 3.8 a 3.9). Látky mohou být navázány i na vlastní řetězec. V daném případě hovoříme o modifikovaných polymerech.

Obr. 3.8:  Modifikovaný polymer

Obr. 3.9:  Modifikovaný polymer

Chemických reakcí uvedených na obrázcích 3.5 až 3.7 nemusí být využíváno pouze k tvorbě lineárního polymeru, ale i k prostorovému provázání jednotlivých makromolekul, tzn. k tvorbě síťovaného polymeru (viz obrázek 3.10).

Obr. 3.10:  Síťovaný polymer

V případě modifikovaných polymerů se často na tvorbě vysokomolekulární sítě podílejí i reaktivní skupiny nízkomolekulárních složek, které byly zabudovány na makromolekulární řetězec.

Rozdělení na anorganické látky, organické látky a silikony není stoprocentní. Mezi jednotlivými kategoriemi existují i mezistupně. Například anorganické lepidlo na bázi fluorokřemičitanů může být síťováno polymery na bázi kyseliny akrylové, nebo naopak kaučuky s obsahem karboxyskupin lze síťovat kysličníky zinku nebo hliníku ve formě prášku. Koncové skupiny polymerních lepidel na bázi silikonu bývají často modifikovány sloučeninami s obsahem izokyanátových, vinylových nebo epoxidových skupin, které jsou schopny vytvořit polymerní síť. Naopak organické polymery na bázi polyuretanů nebo polyesterů mohou mít koncové skupiny tvořené silanem apod.

3.2Specifikace podle fyzikální podstaty

Lepidla kapalná

Do této skupiny patří:

•reaktivní monomery,

•reaktivní prepolymery,

•roztoková lepidla,

•disperzní lepidla.

Plastická lepidla

Tvoří přechod mezi kapalnou a tuhou látkou. Patří sem:

•tmely,

•kaučukové patche,

•některé typy cementů,

•pasty apod.

Tuhá lepidla

Jedná se o látky v tuhém stavu, které jsou účinkem tepla (ať už přímým ohřátím, pomocí vysoké frekvence, nebo jiným způsobem) převedeny do plastického stavu a následně jsou schopny adheze k povrchům lepených subjektů. Jedná se o:

•termolepidla,

•lepicí fólie apod.

3.3Specifikace podle počtu složek

Jednosložková lepidla

Za jednosložková lepidla jsou považována:

•jednokomponentní lepidla,

•vícekomponentní lepicí směsi.

Jednokomponentní lepidla

Do této skupiny patří:

•Lepidla na bázi taveniny nebo fólie z termoplastického polymeru.

•Lepidla na bázi reaktivních monomerů nebo prepolymerů, kdy k vytvrzování dochází účinkem vlhkosti. Jedná se hlavně o prepolymerní lepidla na bázi silikonu nebo polyuretanu s volnými NCO skupinami, u nichž účinkem vlhkosti dochází k síťovací reakci. Mezi jednokomponentní lepidla patří také monomerní kyanoakryláty, kde je ke spuštění polymerní reakce potřebný vlhký, mírně alkalický povrch.

Vícekomponentní lepicí směsi

Do této skupiny řadíme:

•Anaerobní lepidla na bázi směsi monomerů (většinou modifikovaného akrylátu) a peroxidu, která jsou v přítomnosti kyslíku inaktivní. Je-li zabráněno přístupu kyslíku, dochází – zvláště v případě přítomnosti iontů kovů (CuFe) – k polymerační reakci.

•Lepidla vytvrzovaná UV zářením, která obsahují monomery nebo prepolymery (například na bázi silikonu) a fotoaktivátory, jež jsou schopné se při jisté intenzitě a vlnové délce záření rozštěpit na radikály a vyvolat polymerační nebo síťující reakci.

•Lepidla vyžadující pro nastartování polymerační nebo síťující reakce zvýšenou teplotu. Tyto typy lepidel (ať ve formě viskózních kapalin, nebo prášku nebo fólie) jsou za normální teploty stabilní. K vyvolání reaktivity některé ze složek je nutné systém vystavit působení zvýšené teploty. Může se jednat například o směs epoxy pryskyřice s ftalanhydridem, lepidla s maskovanými izokyanátovými skupinami a podobně. Doba vytvrzování obvykle souvisí s teplotou – čím vyšší teplota vytvrzování, tím kratší doba polymerace. Obvykle existuje minimální teplota potřebná pro aktivaci tvrdidla a start polymerace. Průběh vytvrzování jednosložkového lepidla na bázi polyuretanu lze znázornit podobně jako na obrázku 3.11.

Konec ukázky

Table of Contents

Tiráž

Úvod

1 Z historie lepicích procesů

1.1 Lepidla dobývají svět: od sekery z kamene k vesmírnému raketoplánu

1.2Ötzi měl šípy z březové smůly

1.3 Řekové používali rybí klih

1.4 Inovativní století

2 Výhody a nevýhody technologie lepení

3 Lepidla a jejich rozdělení

3.1 Specifikace podle chemické struktury

Lepidla na anorganické bázi

Lepidla na bázi silikonů

Lepidla na organické bázi

Přírodní lepidla

Semisyntetická lepidla

Syntetická lepidla

3.2 Specifikace podle fyzikální podstaty

Lepidla kapalná

Plastická lepidla

Tuhá lepidla

3.3 Specifikace podle počtu složek

Jednosložková lepidla

Jednokomponentní lepidla

Vícekomponentní lepicí směsi

4 Lepený spoj

4.2 Vytvoření mezifázového spojení mezi povrchem lepicí vrstvy a povrchem lepeného adherendu

Lepené povrchy a jejich úprava

4.2 Tuhé fáze lepeného spoje

4.4 Zkoušení pevnosti lepeného spoje

Mechanické zkoušky

5 Lepení podle typu adherendů

5.1 Lepení plastů

Termoplasty rozpustné v organických rozpouštědlech

Termoplasty nerozpustné v běžných organických rozpouštědlech

Polyamidy (PA)

6 Technologie lepicího procesu

6.1 Nanášení lepidel

7 Lepení v praxi

7.2 Diskontinuální lepení

Technologie lepení usňových míčů

8 Vybrané příklady lepení – opravy a úpravy v domácnosti

9 Alternativy konstrukčního lepení plastů

9.2 Dostupné technologie konstrukčního lepení

9.4 Úpravy povrchů plastů

Ověření významu úpravy povrchů plastů

10 Nové technologie spojování materiálů lepením

10.1 Konstrukční lepení v porovnání s jinými spojovacími metodami

10.2 Porovnání konstrukčních spojů

Náklady na spojování dílů

11 Sekundová (vteřinová) lepidla

12 Tavná lepidla

13 Tmely a tmelení – akrylátové tmely

13.3 Nanášení tmelu

14 Tmely a tmelení – silikonové tmely

14.1 Tmelení dynamicky namáhaných spár

14.2 Stavební a průmyslové aplikace tmelu

15 Použití běžných typů lepidel – přehled

Literatura