ilus1V moderních průmyslových technologiích se v mnoha případech využívá lepení kovů místo mechanického spojování kovů nebo se často využívá kombinace lepení a mechanického spojování.


Velkým spotřebitelem lepidel je dřevozpracující průmysl, dále papírenský a polygrafický průmysl, průmysl textilní, obuvnický, gumárenský a plastikářský. V poslední době se projevil významný růst spotřeby lepidel ve stavebním, strojírenském a elektrotechnickém průmyslu, a to především s vývojem nových typů lepidel. V leteckém či automobilovém průmyslu je metoda spojování lepením již standardní technologií. Díky neustálému vývoji nových a nových lepidel je dnes již možné spojit několik různých materiálů jako sklo, kovy nebo plasty. Vzhledem k tomu, že většina produktů se vyrábí v co nejlehčí formě, je tato metoda mnohem více využívána a vyhledávána. Z technologie, která byla dříve jen „doplňková“ k obvyklým způsobům spojování technických materiálů se stala technologie, bez níž by se soudobá průmyslová výroba neobešla.

Spojení dvou různých ploch
Mezi hlavní výhody lepení kovů oproti mechanickému spojování patří: rovnoměrné a plynulé přenášení napětí, zvýšení pevnosti spoje v místě, kde nýtování a svařování způsobuje oslabení, možnost lepit i rozdílné materiály, které není možné díky jejich vlastnostem nýtovat nebo svářet, nižší hmotnost konstrukce lepeného spoje, lepený spoj tlumí vibrace nebo i rezonance konstrukce, lepený spoj je odolný proti tlaku či vakuu, spojované materiály nejsou vystavovány tepelným rozdílům jako při svařování, lepený spoj je odolný proti korozi, jedná se zpravidla o ekonomicky výhodnější proces, který je možné využívat i v kontinuální a automatické výrobě.
Pojem lepení znamená spojení dvou různých ploch prostřednictvím lepidla (adheziva). Látka, která umožňuje přilnutí k povrchu pevných předmětů (adherentům) a tím jejich pevné spojení, má dobrou přilnavost k oběma plochám (adheze). Pod pojmem adheze, se v obecném slova smyslu myslí „přilnavost“, tedy schopnost materiálu (zejména dvou odlišných materiálů) spolu přilnout, díky přenosu tečných sil na styku dvou povrchů bez zřetelného pohybu. Z fyzikálně chemického hlediska můžeme adhezi chápat jako termodynamickou práci podmíněnou silovým působením na rozhraní adherent – adhezivum. V technické praxi se pod pojmem adheze rozumí práce či síla potřebná k přerušení daného adhezivního spojení zpravidla za specifických podmínek. Kromě silového působení je tedy pevnost adhezivního spoje závislá také na geometrii spoje, topografii povrchů spojovaných adherentů, způsobu namáhání spoje a mechanických vlastnostech adherentů i adhezního filmu.

Chemické vazby
Lepidla se nanášejí často v tekutém stavu, a proto především záleží na jejich vzájemném působení s povrchem, tj. na smáčivosti povrchu tuhého tělesa a na přilnavosti kapaliny. Na rozhraní mezi podkladovým materiálem a filmem lepidla, mohou vzniknout následující vazby.

Obr. 1 Typy chemické vazby
Obr. 1: Typy chemické vazby

Zkoumání elektronové hustoty atomu ukazují, že se tato hustota velice mění podle povahy meziatomové vazby zkoumané sloučeniny, přitom se mění tvar elektronového obalu (tj. rozdělení hustoty elektronů). Na obrázku 1 jsou schematicky znázorněny čtyři typy vazby. Vazba atomů v kovu (vazba kovová) poskytuje představu o stejnoměrném rozdělení elektronové hustoty mezi ionty. Atomy většiny filmotvorných látek lepidel jsou spolu v molekule vázány vazbou kovalentní. V takovém případě se mezi dvěma atomy utvoří vazby z elektronových dvojic, které náležejí k oběma atomům a vážou je.
Kromě „pravých“ kovalentních vazeb se mezi jednotlivými nasycenými molekulami vyskytují tzv. koordinační vazby, tj. vazby mezi sdruženými molekulami. Taková forma vazby nabývá významu pouze u silně polárních sloučenin, obsahujících na příklad hydroxylové skupiny. Molekuly filmotvorné látky jsou spolu spojeny van der Waalsovou vazbou. Jak je zřejmé z obrázku, jsou molekuly odděleny mezerou s nulovou elektronovou hustotou. Často se také vyskytuje iontová vazba, při níž elektrony přecházejí od kovového atomu, z něhož se stává kladně nabitý ion (kation), k atomu nekovu, který se stává záporně nabitým iontem (aniontem). Elektronová hustota mezi oběma ionty, jak je zřejmé z obrázku, klesá na nulu. Elektrostatická přitažlivost mezi nabitými částicemi se zmenšuje velmi rychle, zvětšuje-li se vzdálenost mezi molekulami, ale při malých vzdálenostech nabývá velkých hodnot. Van der Waalsovy síly působí na velkou vzdálenost, i když se projevují menší silou. Všechny druhy vazeb mají ve stejnorodé látce přímý vliv na její fyzikální vlastnosti, zvláště na pevnost, a obyčejně se nazývají „koheze“.

ilus2

Chemické složení
Většina používaných lepidel obsahuje jako hlavní složky pojiva, rozpouštědla, změkčovadla, katalyzátory vytvrzování, urychlovače, retardéry vytvrzování, popřípadě plniva a speciální funkční aditiva. Různé speciální přísady (aditiva) se přidávají k lepidlům pro zvýraznění některých vlastností nebo pro vytvoření nových.
Vzájemné působení filmotvorné složky lepidla a povrchu tuhého tělesa může mít povahu jak fyzikálně-chemickou nebo chemickou, tak i povahu mechanickou. Smáčení způsobuje, že na povrchu tuhého tělesa probíhají i četné jiné pochody, především se tam zvětšuje koncentrace nejpolárnějších molekul filmotvorných látek – nastává adsorpce. Polární molekuly, adsorbované na povrchu tuhého tělesa, se orientují v určitých směrech k povrchu. Přeměna tekuté filmotvorné látky v tuhé skupenství, nehledě na mechanizmus této přeměny, stabilizuje adsorbované a orientované molekuly, tvořící specifickou mezní vrstvu, která má u krycích filmů výjimečně důležitou úlohu. Adsorbované molekuly mezní vrstvy, jež jsou spojovacím článkem mezi povrchem tuhého tělesa a veškerou hmotou tuhého filmu, jsou svázány s molekulami tohoto filmu mezimolekulární soudržností – kohezí. Souvisí tedy smáčení, adheze kapaliny (zejména velikost okrajového úhlu), velmi těsně s adhezí pevného filmu. Přilnavost je způsobena silami různé povahy. U lepidla nastává přilnavost na ploše, která závisí na struktuře kovového povrchu a na přítomných nečistotách, které izolují povrch kovu před stykem s filmotvornou složkou a tedy před smáčením. Na příklad při plochém smáčení, když jsou v kovu hluboké póry a kapiláry, do nichž lepidlo nepronikne, bude se přilnavost vyskytovat jen na vyčnívajících místech povrchu.

Dvě skupiny filmotvorných látek
Filmotvorné látky lepidel, ale i nátěrových hmot či apretačních prostředků lze rozdělit do dvou skupin podle jejich molekulární struktury a schopnosti přeměnit se v trojrozměrné polymery. Fyzikální tvorbou filmu se nátěry získávají tehdy, jestliže se vypaří rozpouštědlo z nátěrových hmot, obsahujících filmotvorné látky, které nemají funkční skupiny způsobilé k reakcím a síťování. Jak vyplývá z definice, může být použito těchto filmotvorných látek:
a) vysokomolekulárních polymerů,
b) nízkomolekulárních kondenzačních produktů,
c) monomerů nezpůsobilých k síťujícím reakcím.
Dalšími jsou pojiva tvořící film chemickým mechanizmem, kde význam v technologii lepidel a lepení (nátěrových hmot) mají filmotvorné látky, které při zasychání přecházejí v trojrozměrné polymery. Tyto filmotvorné látky před zaschnutím, a tedy i před přeměnou mohou být: monomery, poměrně nízkomolekulární produkty, vysokomolekulární řetězové polymery, které se při zasychání přeměňují v trojrozměrný polymer. Přeměna monomerů nebo lineárních polymerů v trojrozměrný polymer nastává u nátěrů:
a) polymerací nebo kopolymerací v oblasti nenasycených vazeb jak přímo, tak i pomocí kyslíku; příkladem jsou vysychavé oleje, syntetické kondenzační pryskyřice modifikované oleji (alkydové, fenolové, močovinové aj.) a kaučuky;
b) polykondenzací, na příklad fenolformaldehydové resoly nebo močovinové a melaminové pryskyřice, tyto pochody probíhají obyčejně při sušení nátěrů za vyšší teploty;
c) polyadicí, na příklad u polyurethanů, kde dochází k reakci izokyanátové skupiny s hydroxylovou skupinou na řetězci polymeru, dále u epoxidů reakcí aminoskupiny s oxiránovou skupinou na lineární molekule epoxidu (obrázek 2).

Obr. 2 Vytvrzování epoxidů adiční reakcí aminového vodíku na epoxidový kruh
Obr. 2: Vytvrzování epoxidů adiční reakcí aminového vodíku na epoxidový kruh

Přechod ve vysokomolekulární sloučeniny je důležitý a je nejdůležitější pro odolnost nátěrů proti působení okolního prostředí. Při tomto přechodu film ztrácí rozpustnost.
Jako makromolekulární látky se označují zpravidla takové, jejichž molekulová hmotnost dosahuje hodnoty nad 10 000. Většina syntetických pryskyřic, připravených polykondenzací nedosahuje ve zpracovatelném stavu tak vysokých hodnot molekulové hmotnosti. Jejich průměrná molekulová hmotnost se pohybuje v mezích 300 – 5 000. Jsou však přesto zařazovány mezi látky vysokomolekulární, protože v konečném stavu vytvrzené filmotvorné látky představují většinou makromolekuly o vysoké molekulové hmotnosti. Podle svého chování při zahřívání se dělí pryskyřice obecně na:
1. termoplasty – působením tepla vždy měknou a chemicky se přitom nemění,
2. reaktoplasty – působením tepla tvrdnou a stávají se nerozpustnými a netavitelnými následkem chemického síťování.

Syntetické pryskyřice – náhrada přírodních
Dnes dokáže chemie nahradit všechny druhy přírodních pryskyřic syntetickými, přičemž mnohé syntetické pryskyřice mají velmi cenné fyzikální i chemické vlastnosti.
Z technického hlediska znamenalo zavedení syntetických pryskyřic zjednodušení a značné zrychlení výroby. Podle způsobu přípravy a jejich funkčních reaktivních skupin nebo míst se dělí lakařské pryskyřice na:
a) polykondenzační,
b) polymerační,
c) polyadiční (podle způsobu vytvrzování: epoxidy s polyaminy, polyurethany reakcí – OH skupin s – NCO skupinami).
Pokud přírodní pryskyřice vyhovovaly požadavkům průmyslu a pokud chemický průmysl nebyl schopen napodobit a zdokonalit tyto dlouho používané přírodní filmotvorné materiály, zpracovávaly se v lakařských firmách různé druhy přírodních produktů. Dříve bylo nutné přírodní pryskyřice vždy pečlivě zkoušet, než se měly ve varnách zpracovávat, neboť dodavatelé často expedovali i pod týmž jménem pryskyřice různého klimatického původu a pochopitelně i rozdílných vlastností. Po významném Beekelandově objevu fenolformaldehydových pryskyřic v roce 1910 a dalším vývojem chemického průmyslu, byly objevovány další syntetické pryskyřice – pojiva lepidel, nátěrových hmot č apretačních prostředků. Například to byly pryskyřice: modifikované fenolické (1910), močovinové (1929), vinylové kopolymery (1933), silikony (1944), epoxidové (1946), polyuretanové (1946), akrylátové (1931), nenasycené polyestery (1949), latexy (1950) a mnoho jiných.

ilus3

Dělení adheziv
Adheziva používaná v technické praxi je možné rozdělit dle různých hledisek. Podle chemické povahy materiálů, z nichž se adhezivum skládá, se dělí na anorganická a organická. Dále je lze dělit podle bází přírodních nebo syntetických polymerů, reaktoplastů, termoplastů, elastomerů. Zvláštní skupinou jsou zde tzv. dvousložková směsná adheziva. To jsou adheziva obsahující jak reaktoplastickou, tak i termoplastickou komponentu, jejichž vzájemným poměr lze dosáhnout řady variací adhezivních vlastností. Dále je můžeme dělit podle fyzikálního charakteru na pevná (prášky, fólie), polopevná (trvale lepivé hmoty) a tekutá. Adheziva je též možné dělit podle převládajícího typu reakce na polyadiční, polykondenzační, polymerační a vulkanizační, jež se souborně označují jako adheziva reaktivní. Mezi nereaktivní adheziva pak řadíme adheziva roztoková a disperzní. A toto není v žádném případě vyčerpávající způsob dělení adheziv.
Adheziva na bázi reaktoplastů jako výchozí látky používají trojrozměrné zesíťované struktury vzniklé polykondenzačními či polyadičními reakcemi. K vytvoření trojrozměrné struktury dochází při aplikaci adheziva za zvýšené teploty. Adhezivní účinek je na rozdíl od jiných skupin podmíněn průběhem chemické reakce. Velkou výhodou reaktoplastických adheziv je jejich možná aplikace jako bezrozpouštědlového systému. Jejich spoje vykazují vyšší odolnost proti zvýšeným teplotám, vysokou pevnost, filmy nevykazují studený tok (kríp) a jsou odolné proti stárnutí a působení většiny rozpouštědel. Využívají se především ke spojování adherentů, z nichž alespoň jeden je tuhý materiál – kov dřevo, keramika, některé polymery apod.
Termoplastické polymery jsou výborná adheziva, která se používají buď jako roztoky, vodné disperze nebo taveniny. U roztokových adheziv, kde je rozpouštědlem kapalný monomer, tak po přídavku iniciačního činidla polymeruje in situ, čímž odpadají problémy s evaporací rozpouštědla. Tavná adheziva se hodí zejména pro lepení neporézních adherentů, neboť při tuhnutí nevznikají těkavé produkty. U roztokových adheziv je velmi důležitá správná volba rozpouštědla. Rozpouštědlo musí umožňovat přípravu roztoku o poměrně vysoké koncentraci termoplastického polymeru, musí mít dostatečně nízkou viskozitu, aby s ním šlo dobře pracovat, a musí se rychle odpařovat. Přítomnost neodpařeného rozpouštědla v adhezním filmu může podstatně snížit pevnost spojení – především počáteční. Po stránce struktury tvoří adheziva na bázi termoplastů polymery s molekulami v podstatě lineárního typu. Většina termoplastických adheziv může spojovat porézní adherenty jako je např. papír, dřevo, kůže, některé z nich lepí i kaučuky, pryže, kovy a řadu plastů. Adhezní spoje mají zpravidla nižší odolnost vůči působení vyšších teplot, než adheziva na bázi reaktoplastů.
V případě kaučukových adheziv se jedná o přírodní i syntetické kaučuky, které jsou základem řady adheziv. Tato adheziva mají především vysokou počáteční lepivost, spojovací operace se tedy provádí v co nejkratším čase. Kaučukovitá adheziva dobře adherují k řadě polárních i nepolárních povrchů. Jsou vhodné jako lepivé tmely pro vyplňování různých trhlin a spár v dutých materiálech, jejichž funkcí je především bránit průniku vody, jako jsou například utěsnění palivových nádrží, silničních bloků či obvodových zdí. Tyto adheziva se obvykle neklasifikují podle převládajícího typu elastomeru. Dělí se na adheziva latexová a roztoková. Roztoková se dále dělí na vulkanizující a nevulkanizující.

ilus4

Závěr
Požadavků na vlastnosti ideálního lepidla existuje samozřejmě mnoho (tzv. „lepidlo by mělo“). Jako důležité požadavky leze jmenovat: „lepidlo by mělo zajišťovat dostatečnou pevnost spoje, mělo by mít dostatečnou lepivost v tuhém stavu, mělo by vytvořit spoj odolný vůči vnějším vlivům (vodě, povětrnostním podmínkám), vlastnosti spoje by se neměly měnit v dostatečném teplotním rozmezí, při tvrdnutí se minimálně smršťovat a neuvolňovat látky narušující podklad, mít dobrou skladovatelnost, umožňovat jednoduché nanášení, vyžadovat minimální úpravy před lepením, být bez zápachu a zdravotně nezávadné, být cenově dostupné, atd.“ Lepený spoj je tedy složitý systém, jehož kvalita závisí na mnoha faktorech.
Abychom se vyhnuli špatným výsledkům, je třeba analyzovat chyby a jejich hlavní příčiny. Mezi nejčastější z nich patří: nízká pevnost spoje, která je většinou způsobena nesprávným výběrem materiálu lepidla a nesprávnou technologií lepení, nízkou odolností složek spoje proti prostředí, nízkou životností atd. Často se tedy opakuje materiál lepidla.

A jaká jsou tedy rizika při volbě chemického složení lepidel pro různé materiály?
I. Nesprávná volba typu lepidla pro zvolenou technologii lepení (tzn. chemické složení lepidla jako MML pro daný systém spojovaných materiálů, včetně druhu rozpouštědel, způsobu vytvrzování, atd.).
II. Nestandardní vlastnosti lepidel z výroby (nedodržené podmínky výroby).
III. Nedostatečná chemická odolnost zvolených lepidel – pro specifická prostředí (kyseliny, zásady, organika/anorganika, mikrobiální osídlení).
IV. Nízká tepelná odolnost lepidel (střídání teplot), nízká odolnost vůči vyšší vlhkosti.
V. Negativní vliv materiálu substrátu na vytvrzené lepidlo (a naopak).
VI. Nebezpečí vzniku koroze lepených materiálů a spojů (týká se i samotných lepidel).

Jde často o neznalost korozní a chemické odolnosti i dobře vytvrzených lepidel.
Je třeba vzít v potaz i korozní atmosférické podmínky exponovavaných spojů, a další, např.:
- Nevhodná příprava povrchu, chyby v technologii předúpravy (neměly by se běžně vyskytovat).
- Nesprávně vedený způsob vytvrzování a nanášení daného lepidla (neměly by běžně vyskytovat).
- Podmínky skladování lepidel před aplikací (neměly by běžně vyskytovat).

Literatura:
1. Technologie a technika lepení – základní informace. Lepidla.cz [online]. Broumov: Z – TRADE s. r. o., 2016 [cit. 2021-6-20]. Dostupné z:
https://www.lepidla.cz/cs/a/technologie-a-technika-lepeni--zakladni-informace.html
2. MLEZIVA, Josef. Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. Praha: Sobotáles, 1993. ISBN 80-901-5704-1.
3. BOUBLÍK, Vlastimil. Lepidla a jejich příprava. 2., nezměn. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1966. Polytechnická knižnice (SNTL).
4. LANGMEIER, Ferdinand, MLÁDEK, Milan a RADIL, Michael, 1985. Pomocné přípravky kožedělného průmyslu. Bratislava: SNTL – Nakladatelství technické literatury.
5. DOUBEK, Pavel a Michaela KOLNEROVÁ, 2014. Základy technologie lepení karosářských výlisků. Liberec: Technická univerzita. ISBN 978-80-7494-170-2.
6. KALENDOVÁ A., KALENDA P.: Technologie nátěrových hmot I.
Pojiva, rozpouštědla a aditiva pro výrobu nátěrových hmot, 2004, skriptum, Univerzita Pardubice.

text/foto Andrea Kalendová, Miroslav Kohl, Univerzita Pardubice, Fakulta chemicko technologická, Pardubice; Viktor Kreibich, Jiří Kuchař, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie