Nauka

Kleje

Numer 4/2020
Klej ­pochodzenia zwierzęcego w granulkach. Klej ­pochodzenia zwierzęcego w granulkach. Angela M. Benivegna / Shutterstock
Jak działa klej? W jaki sposób samodzielnie go zrobić? Który sprawdzi się w kosmosie, a który przy opatrywaniu ran?
Nor Gal/Shutterstock
Guma arabska.Elena Moiseeva/Shutterstock Guma arabska.
Produkcja drewna meblowego klejonego warstwowo.Anna Kali Orlova/Shutterstock Produkcja drewna meblowego klejonego warstwowo.
Siły adhezji i kohezji działające pomiędzy dwoma klejonymi elementami.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Siły adhezji i kohezji działające pomiędzy dwoma klejonymi elementami.
Elektroda EKG wymaga kleju przewodzącego prąd elektryczny.staras/Shutterstock Elektroda EKG wymaga kleju przewodzącego prąd elektryczny.
Specjalny klej ­dentystyczny do ­mocowania aparatu ortodontycznego.Lucamato/Shutterstock Specjalny klej ­dentystyczny do ­mocowania aparatu ortodontycznego.

Wszyscy znamy tragiczną historię Ikara, który użył wosku jako kleju do swoich skrzydeł. Coś, co w miarę dobrze spełniało swoją funkcję w umiarkowanej temperaturze, poddało się ciepłu słonecznemu i klej przestał działać. To oczywiście mit, ale w tym przypadku jak najbardziej pasujący do danych naukowych. Już wiele tysięcy lat temu człowiek potrzebował kleju. Na samym początku uzyskiwał go z takich materiałów jak kości i skóry zwierzęce. Metoda otrzymywania była prosta – gotowano odpadki zwierzęce. Dość dawno zaczęliśmy też korzystać z klejów roślinnych – głównie skrobiowych, robionych z mąki, ryżu czy kasztanów. Używamy ich zresztą do dziś. Mniej popularna, ale nadal stosowana jest guma arabska (żywica pewnych gatunków akacji). Co ciekawe, w starożytnym Egipcie większość wytwarzanego kleju służyła do wzmacniania zwojów papirusu używanego jako materiał piśmienniczy, ale także do produkcji mebli dla ważnych osób. Z kolei starożytni Grecy i Rzymianie używali go głównie przy tworzeniu mozaik.

Technologia produkcji klejów zaczęła się ponownie rozwijać dopiero w renesansie. Wynikało to z zapotrzebowania na rozmaite meble, ale też instrumenty muzyczne czy kadłuby statków. Do dziś zachwycamy się brzmieniem skrzypiec Stradivariusa – przy ich konstrukcji trzeba kleić pracowicie przygotowane elementy. Okazuje się, że nie da się do tego wykorzystać dowolnego kleju do drewna. Aby uzyskać czysty dźwięk, nawet współcześni lutnicy korzystają z ręcznie wyrabianego kleju zwierzęcego. Najlepszy jest ten ze skór i ścięgien końskich (ewentualnie króliczych, ale wtedy nie jest przezroczysty). Każdy lutnik ma własny ściśle strzeżony przepis. Taki klej nie może zmieniać struktury drewna, ale powinien minimalnie tolerować jego pracę. Niestety, nie udało się jeszcze stworzyć kleju syntetycznego, który miałby podobne właściwości. Z kolei kadłuby statków, budowane często z desek, trzeba było nie tylko kleić, ale też uszczelniać przed wodą. I tutaj przydawały się rozmaite kleje przygotowywane na bazie mieszanek smoły oraz żywic naturalnych.

W XIX w. ruszyła produkcja klejów na bazie gumy, a potem tworzyw sztucznych. Wtedy właśnie nadeszła epoka klejów syntetycznych.

Z czego składa się klej

Z chemicznego punktu widzenia kleje, zarówno naturalne, jak i syntetyczne, są niemal bez wyjątku polimerami. Specjaliści zajmujący się ich projektowaniem muszą znaleźć złoty środek pomiędzy takimi kluczowymi właściwościami jak adhezja (przyczepność) i kohezja (spójność wewnętrzna, patrz ramka). Większość klejów po pewnym czasie twardnieje, co wynika z parowania rozpuszczalnika – i ten efekt często wzmacnia spoinę. Ale np. podczas klejenia skóry z gumą, jak przy produkcji czy naprawie butów, ważne jest, aby połączenie pozostawało do pewnego stopnia elastyczne. Dlatego oderwanej podeszwy nie warto mocować z powrotem klejem cyjanoakrylowym, bo jego warstwa już po kilku minutach będzie twarda i chodzenie w takich butach skończy się źle, ponieważ spoiwo bardzo szybko się wykruszy i problem wróci. Do takich celów od bardzo dawna używa się klejów opartych na kauczuku rozpuszczonym w jakimś związku organicznym. Po odparowaniu rozpuszczalnika połączenie staje się trwałe, a do tego elastyczne. Trzeba też wziąć pod uwagę, na jakie warunki atmosferyczne będzie narażony klejony przedmiot. Jeśli na wodę, to nie można użyć kleju, który zostanie przez nią wypłukany, czyli np. skrobiowego.

Praktyka

Osoba próbująca skleić jakieś materiały niespecjalnie interesuje się adhezją, kohezją czy składem chemicznym. Dla niej istotne jest, po jaki rodzaj kleju powinna sięgnąć. Warto więc wiedzieć, że do klejenia metali, tworzyw sztucznych i skóry stosuje się kleje poliuretanowe, skórę z drewnem dobrze łączy klej poliwinylowy, metale i ceramikę – epoksydowy. Kleje silikonowe sprawdzą się przy łączeniu kauczuku i gumy silikonowej z metalem. Do papieru i drewna bardzo dobre są kleje ftalowe.

Z kolei kleje cyjanoakrylowe typu super glue czy kropelka nadają się do szybkich napraw, bo łączą elementy błyskawicznie. Ponieważ oparte są na rozpuszczalnikach niewodnych, nie powodują marszczenia klejonego papieru. Stosując ten klej, trzeba jednak bardzo uważać, ponieważ szybko zespoli też skórę palców, a do tego wydziela toksyczne opary. Dość uniwersalne są dwuskładnikowe kleje epoksydowe. Z chemicznego punktu widzenia proces mieszania składników epoksydów inicjuje dopiero proces polimeryzacji. W jego trakcie masa klejowa powoli zaczyna twardnieć, dlatego trzeba przygotować rozsądną ilość mieszaniny, którą wykorzystamy w ciągu kilku minut.

Musimy też pamiętać, że pewne materiały są bardzo trudne do klejenia. Należą do nich bardzo popularne w naszych domach polietylen, polipropylen czy teflon. Jeśli więc mamy pękniętą miskę, kanister albo pojemnik z oznaczeniem PE (polietylen) lub PP (polipropylen), to niestety szanse na porządną naprawę są nikłe.

Zdarza się, że w domu zabraknie nam kleju. Całkiem niezły można zrobić ze składników powszechnych w każdym gospodarstwie. Jeśli chcemy skleić papier czy bibułę, wystarczy przygotować miksturę z wody i mąki (najlepiej mieszanej – ziemniaczanej i pszennej). Klej ten jest bezpieczny dla dzieci i ekologiczny. Analogiczny klej roślinny da się zrobić jesienią ze zmielonych kasztanów. Dodanie do tego typu substancji szczypty soli zapobiegnie pleśnieniu. Można też zrobić klej ze styropianu, jeśli mamy pod ręką zmywacz do paznokci. Przy okazji popatrzmy, jak dużo kawałków styropianu rozpuści się w małej ilości takiego rozpuszczalnika. Uwaga – ten klej śmierdzi i raczej nie dajemy go do zabawy dzieciom. Sprawdza się przy naprawie plastikowych przedmiotów.

Kleje w medycynie

Jedną z dziedzin, w których wykorzystujemy bardzo różne kleje, jest medycyna. Mamy tutaj np. kleje podobne do stosowanych w karteczkach samoprzylepnych typu post-it. Używa się ich do produkcji bandaży. Istotą jest tutaj to, aby bandaż trzymał się wystarczająco mocno, ale jednocześnie dawało się go oderwać bez bólu. Innego typu klej stosuje się do przylepienia elektrod EKG – tu podstawową właściwością jest dobre przewodnictwo elektryczne. Uzyskuje się je poprzez dodanie do polimeru metalicznego srebra albo niklu. Oczywiście tego typu kleje muszą być hipoalergiczne.

Od lat kleje służą też do łączenia brzegów ran. W tym przypadku okazało się, że doskonale taką funkcję pełnią specjalne kleje cyjanoakrylowe (tak, podobne do znanego super glue). Zbliżony skład mają też zresztą kleje stosowane w chirurgii. Dzięki temu unikamy zakładania szwów na rany. Jeszcze inne preparaty używane są do łączenia złamanych lub pękniętych kości. Biokompatybilna warstwa doskonale spaja fragmenty. Inicjatorem reakcji polimeryzacji jest w tym przypadku światło. Kleje tego typu doskonale sprawdzają się w przypadku złamań spowodowanych osteoporozą.

Kleje w kosmosie

Astronauci pracujący na stacji kosmicznej czy (niebawem) na powierzchni Księżyca i Marsa też będą czasem musieli coś skleić. I tutaj nie ma szans, aby mogły być użyte zwykłe ziemskie kleje. Z powodu panujących w przestrzeni kosmicznej temperatury, braku wilgoci i niemal zerowego ciśnienia są w zasadzie bezużyteczne. Dlatego od dawna poszukuje się substancji nadających się do warunków ekstremalnych. Taką funkcję mogą pełnić łańcuchy aminokwasów. Badacze zajmujący się technologią klejenia zauważyli, że niektóre łańcuchy tych biopolimerów stają się kleiste, jeśli ich wartość pH osiągnie 9 (czyli gdy są lekko zasadowe). W takiej sytuacji łańcuchy te tworzą długie włókna, które dodatkowo się splątują. Klej z aminokwasów nie trzyma tak mocno jak konwencjonalne substancje, ale do zastosowania w kosmosie wydaje się idealny.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Adhezja i kohezja

Zjawisko adhezji (przyczepności) polega na przyleganiu różnych substancji czy ciał fizycznych do siebie. W kohezji (spójność wewnętrzna) najistotniejszą rolę odgrywają siły wewnątrzcząsteczkowe. Mechanizm adhezji jest dość złożony. Wchodzą tu w grę m.in. słabe oddziaływania van der Waalsa, wiązania wodorowe, a czasami także oddziaływania elektrostatyczne, ale też typowe reakcje chemiczne wiążące klej z elementem klejonym.

Działanie obu zjawisk możemy zaobserwować np. na pędzlu, który moczymy w kleju/farbie, a następnie wyjmujemy z naczynia. Widać, że ciecz idealnie wnika w przestrzenie między włosiem i całkiem nieźle się tam trzyma. Oznacza to, że występuje tam silna adhezja kleju do włosia. Nadmiar kleju zaczyna jednak ściekać w formie kropli. To właśnie kohezja, czyli spójność wewnętrzna, powoduje formowanie się kropli i decyduje o ich kształcie.

Z kolei kropla rtęci w naczyniu szklanym to dobry przykład układu, w którym kohezja wewnątrz rtęci ma zdecydowaną przewagę nad niewielką adhezją na styku rtęć–szkło. Podobne zjawisko zaobserwujemy, gdy na powierzchni niektórych liści gromadzą się krople wody.

W przypadku klejów istotne jest to, aby występowały jednocześnie oba te zjawiska. Niekiedy pożądana jest przewaga adhezji nad kohezją, ale np. w kartkach samoprzylepnych musi przeważać kohezja, aby dało się je oderwać bez uszkodzenia podłoża i nie zostawić śladów.

***

Karteczki samoprzylepne

To klasyczny przykład tego, jak klęskę można zmienić w sukces. Pod koniec lat 60. XX w. badacze w firmie 3M pracowali nad supermocnym klejem. Zamiast tego otrzymali produkt, który działał bardzo słabo. Jeden z naukowców w wolnej chwili zainteresował się tym marnym klejem i zauważył, że – co prawda – nie łączy on trwale powierzchni, ale karteczka nim posmarowana po oderwaniu nie pozostawia śladów na podłożu i można ją przykleić w innym miejscu. Tak w skrócie wygląda historia znanych dziś na całym świecie kartek samoprzylepnych Post-it. Pierwotnie były one tylko żółte, ponieważ akurat taki kolor miał papier użyty do pierwszych eksperymentów. Klej stosowany w tego typu wyrobach składa się z syntetycznego poliakrylanu, gumy (zwykłej lub silikonowej) oraz substancji zwiększającej lepkość, zwykle jakiejś żywicy.

Warto wiedzieć, że efekt samoprzylepności to nie jest dzieło człowieka. Wystarczy spojrzeć na zwierzęta swobodnie biegające po ścianach, np. gekony. W ich przypadku mechanizm działania jest jeszcze bardziej złożony – ciągle nie umiemy go skopiować.

01.04.2020 Numer 4/2020
Reklama

Czytaj także

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną