Adhezja vs kohezja — anatomia połączenia

„Taśma nie klei sama — klei cały system. Dobry system potrafi zastąpić śruby i spawy. ”
Tomasz Gorzawski, CVGS

Połączenie klejowe nie ma jednej „siły trzymania”. Ma warstwy, granice, wewnętrzne naprężenia i co najmniej trzy różne mechanizmy, przez które może puścić. Zrozumienie, czym jest adhezja, czym kohezja i jak wygląda uszkodzenie każdego z tych parametrów osobno — to warunek, żeby zamiast gasić pożary, zacząć świadomie projektować trwałe połączenia.

Anatomia połączenia klejowego

Każde połączenie taśmą klejącą to w rzeczywistości pięciowarstwowy układ : podłoże A, klej, nośnik (w taśmach dwustronnych — rdzeń pomiędzy dwoma klejami), znów klej i podłoże B. W taśmach transferowych nośnika nie ma — jest tylko jedna warstwa kleju między podłożami. Niezależnie od wariantu, trwałość całości zależy od tego, jak zachowuje się każda warstwa i każda granica.

Rys. 1. Każde połączenie taśmą dwustronną to pięciowarstwowy układ z dwoma krytycznymi interfejsami. Uszkodzenie może nastąpić na interfejsie (adhezyjne) lub wewnątrz warstwy kleju (kohezyjne).

Adhezja

Adhezja to siła trzymająca klej przyczepiony do powierzchni. Jej wartość zależy od kilku rzeczy: energii powierzchniowej podłoża, zdolności kleju do zwilżania (wet-out) i czystości powierzchni.

Adhezja jest mierzalna — typowe metody to testy Peel 90° i 180°, o których będziemy pisać w osobnym artykule serii. Adhezja nie powstaje wyłącznie w momencie aplikacji. W przypadku klejów samoprzylepnych może wzrastać w czasie wraz z postępującym wet-outem. Dlatego o jej finalnym poziomie decydują zarówno warunki aplikacji, jak i czas potrzebny na rozwinięcie połączenia.

To, czy będzie silna czy słaba, decyduje odpowiednia aplikacja.

Wet-out — dlaczego jest tak ważny

Wet-out to zdolność kleju do „rozlania się” po powierzchni i wniknięcia w jej mikrochropowatość. Bez wet-outu klej styka się z podłożem tylko na wierzchołkach nierówności — efektywna powierzchnia kontaktu to ułamek powierzchni nominalnej. Z wet-outem klej wypełnia doliny między wierzchołkami i znacząco zwiększa rzeczywistą powierzchnię kontaktu kleju z podłożem. Pojęcie to opisuje zachowanie kleju, więc dotyczy zarówno klejów płynnych, jak i klejów samoprzylepnych w taśmach — z tą różnicą, że klej taśmy potrzebuje docisku i czasu, żeby popłynąć w mikrochropowatość podłoża.

Rys. 2. Wet-out na poziomie mikroskopowym. Bez wet-outu kontakt zachodzi tylko na wierzchołkach chropowatości — między nimi zostają pęcherze powietrza, które działają jak defekty osłabiające połączenie.

Co wpływa na wet-out? Na wet-out szczególnie wpływają: czas kontaktu, docisk aplikacyjny oraz właściwości reologiczne kleju w temperaturze aplikacji.

Kohezja — wewnętrzna spójność materiału

Kohezja opisuje zdolność materiału do zachowania swojej wewnętrznej spójności pod obciążeniem. W połączeniach klejowych najczęściej odnosimy ją do warstwy kleju, ale w taśmach z nośnikiem — np. piankowym — uszkodzenie może również nastąpić wewnątrz samego nośnika.

W praktyce przemysłowej kohezja determinuje, jak klej zachowa się pod długotrwałym obciążeniem (tzw. shear, czyli ścinanie). Taśma o wysokiej adhezji, ale niskiej kohezji, „pływa” — przyklei się mocno, ale pod stałym obciążeniem zacznie powoli pracować, aż połączenie zawiedzie.

Jeżeli po rozłączeniu materiał zostaje po obu stronach połączenia, warto przestać pytać tylko, czy klej dobrze trzymał. Być może najsłabszym ogniwem okazała się wewnętrzna spójność samego kleju albo nośnika.

Rys. 3. Shear (ścinanie) to obciążenie działające równolegle do spoiny — w odróżnieniu od odrywania, gdzie siła koncentruje się na krawędzi. W teście static shear próbkę obciąża się stałą masą i mierzy przesunięcie w czasie.

Różnicę między jednym a drugim parametrem najlepiej widać po rozłączeniu. Taśma jednostronna ściągana z płytki schodzi w całości i nie zostawia śladu — to uszkodzenie adhezyjne: coś się trzymało, ale dało się rozkleić. Inaczej zachowa się taśma AFT sklejająca płytkę stalową z aluminiową: gdy pociągniemy za aluminium, klej akrylowy rozerwie się w sobie i jego resztki zostaną na obu płytkach — to uszkodzenie kohezyjne.

Rys. 4. Uszkodzenie adhezyjne (klej odchodzi od podłoża) i kohezyjne (klej rozrywa się w swojej warstwie).

Adhezja nie jest więc parametrem, który im wyższy, tym lepszy — musi być dobrany do aplikacji. Taśma malarska o zbyt słabej adhezji odchodzi od ściany, a farba podchodzi pod krawędź. Ta o zbyt mocnej odrywa się razem z farbą, a czasem i z tynkiem: adhezja taśmy okazuje się mocniejsza od kohezji powłoki malarskiej i kolor zostaje na taśmie, nie na ścianie.

Rys. 5. Dwa błędy doboru adhezji taśmy jednostronnej: za słaba (taśma odchodzi sama) i za mocna (taśma zabiera farbę i tynk).

Drugi przykład to listwy w samochodzie klejone taśmą AFT. Gdy listwa odpada w trakcie jazdy razem z taśmą, adhezja do lakieru była nieprawidłowa. Gdy taśma zostaje na pojeździe, a listwa odpadła — nie dobraliśmy adhezji do tworzywa, z którego zrobiona jest listwa. Gdy podczas demontażu serwisowego taśma zostaje jednocześnie na lakierze i na listwie, zadziałała kohezja materiału: jest niższa niż adhezja obu warstw zewnętrznych.

Rys. 6. Trzy scenariusze rozłączenia listwy klejonej taśmą AFT — obraz po demontażu wskazuje, który parametr był najsłabszym ogniwem.

Dlatego dobór taśmy i sposób aplikacji są jedną decyzją, nie dwiema. Czystość i odtłuszczenie powierzchni, temperatura w oknie zalecanym przez producenta, docisk i czas na wet-out decydują o tym, czy adhezja i kohezja, które widzimy w karcie technicznej, w ogóle ujawnią się w gotowym połączeniu.