Kleić, ale czym?

Uzyskanie wytrzymałego połączenia powierzchni dwóch ciał stałych bez użycia kleju jest w zwykłych warunkach niemożliwe. Stąd człowiek tysiące lat temu wymyślił różnego rodzaju lepiszcza pozwalające mu na złączenie materiałów i wytworzenie broni czy narzędzi codziennego użytku.

Trochę historii
Historia kleju rozpoczyna się wraz z rozwojem ludzkości. Ocenia się, że pierwsze kleje były wytwarzane i stosowane
4000 lat p.n.e. Już Neandertalczycy spajali swoje narzędzia za pomocą lepiszcza wytwarzanego ze smoły brzozowej
lub żywicy.
Starożytni Egipcjanie, Chińczycy, czy Grecy kleili drewno, skóry, papirusy, dzięki klejom wytwarzali i zdobili meble.
Używano w tym celu klejów żelatynowych wytwarzanych ze skór zwierząt, klejów kazeinowych uzyskiwanych z mleka

oraz klejów kostnych i rybich. Oprócz tego rodzaju klejów, znano i stosowano kleje z białka kurzych jaj.
W starożytnym Rzymie kleje wyrabiano ze zwierzęcych skór poprzez ich długotrwałe gotowanie. Stosowano także woski oraz smoły, głównie do sklejania i uszczelniania łodzi i statków.
Od końca XV wielu powszechnie używano klejów, głównie skórnych i kostnych, do produkcji mebli, przedmiotów codziennego użytku, narzędzi i broni, czy wytwarzania instrumentów muzycznych.
Przemysłowo zaczęto produkować kleje na początku XVIII wieku. Pierwsza fabryka kleju powstała w 1700 roku w Holandii
i zajmowała się produkcją kleju skórnego. Niedługo później Wielka Brytania opatentowała klej rybi. Coraz częściej do wyrobu klejów używano kauczuku naturalnego i krochmalu.
Koniec XIX wieku przyniósł nowy rodzaj kleju – produkowany z celulozy.
Wiek XX zapoczątkował produkcję klejów na bazie substancji chemicznych. Od tego czasu przemysł klejarski rozwija się bardzo prężnie znajdując coraz bardziej skomplikowane receptury i coraz lepsze rozwiązania klejenia materiałów.

Rozwój klejów do parkietu
Do końca XIX wilku posadzki drewniane były montowane za pomocą gwoździ. Po I wojnie światowej rozpoczęto klejenie parkietów. Pierwszym klejem parkieciarskim był gorący pak smołowy, którą w dużych ilościach otrzymywano podczas przeróbki węgla. Pak smołowy w owych latach był gotowany w dużych kadziach na budowie, a następnie rozlewany na podkładzie. W tak przygotowany lepik wciskano deszczułki parkietu. Był to jednak bardzo niebezpieczny sposób klejenia (oparzenia) i wyjątkowo niezdrowy (opary węglowodorów aromatycznych). Podczas II wojny światowej i krótko po niej zaczęto stosować lepiki bitumiczne, które można było rozprowadzać po podłożu na zimno. Bitumy otrzymywano jako produkt uboczny przy przeróbce ropy naftowej. Rozprowadzalność klejów uzyskiwano poprzez rozpuszczanie żywic
w rozpuszczalnikach, co było wówczas czymś nowym.
Obok wymienionych lepików, w latach 50-tych zaczęły pojawiać się kleje z żywic syntetycznych.

Co to jest klej
Kleje są wielocząsteczkowymi substancjami chemicznymi zdolnymi do trwałego łączenia dwóch powierzchni w wyniku działania sił przyczepności (adhezji) do powierzchni materiałów jednorodnych lub różnych i sił spójności wewnętrznej
w spoinie klejowej (kohezji).
Kleje z wodą lub z rozpuszczalnikami tworzą roztwory koloidalne. Klejenie zachodzi wskutek wyparowania wody
lub rozpuszczalnika (reakcja fizyczna), połączonego z reakcjami chemicznymi lub wskutek krzepnięcia poprzez schłodzenie stopionej masy.

Pod względem chemicznym kleje dzieli się na naturalne (nieorganiczne i organiczne) oraz syntetyczne.
Do klejów naturalnych nieorganicznych zalicza się siarkę, borany, krzemian sodowy, tlenochlorek magnezu.
W skład klejów naturalnych organicznych wchodzą kleje roślinne wytwarzane ze: skrobi, pektyny, dekstryny, naturalnego kauczuku i naturalnych żywic; oraz kleje zwierzęce: kostny, skórny, rybi, kazeinowy, mizdrowy i albuminowy. Klejami organicznymi są także asfalty i szelak. Kleje organiczne nazywane są również klejami glutenowymi lub popularnie – stolarskimi.

Kleje stolarskie występują w handlu w postaci płatków, tabliczek perełek lub proszków. Aby przyrządzić klej stolarski należy perełki lub tabliczki moczyć w zimnej wodzie co najmniej parę godzin. Po napęcznieniu kleju, podgrzewamy go w wodnej kąpieli, tak długo aż granulki ulegną rozpuszczeniu. Nie wolno dopuścić do zagotowania lub przypalenia kleju. Każdorazowe następne podgrzanie zastygłego kleju zmniejsza jego siłę wiążącą, stąd należy przygotować jedynie niezbędna do pracy ilość kleju.

Kleje syntetyczne dzielą się na kleje termo utwardzalne, chemoutwardzalne, termoplastyczne i kauczukowe.
Są one produkowane ze sztucznych żywic, eterów, estrów, celulozy, kauczuków syntetycznych i wosków. Do klejów syntetycznych stosuje się różne dodatki podwyższające własności i wytrzymałości spoiny klejowej.
Do klejów syntetycznych zaliczamy: kauczukowe, fenolowo-, mocznikowo- i melaminowo-formaldehydowe, polioctano-
i polieterowinylowe, polimetakrylowe, epoksydowe, silikonowe, akrylowe i inne.
Klej melaminowo- formaldehydowy jest klejem syntetycznym odpornym na wodę nawet w podwyższonej temperaturze. Proces klejenia odbywa się podczas dalszej polikondensacji pod wpływem ogrzania lub środków utwardzających, prowadzącycej do wytworzenia wielkocząsteczkowej żywicy o strukturze usieciwionej, nierozpuszczalny w wodzie. Stosowany do klejenia drewna np. trójwarstwowego parkietu gotowego, sklejki.
Klej mocznikowo – formaldehydowy jest klejem syntetycznym odpornym na działanie wilgoci. Zawiera żywicę mocznikowo – formaldehydową rozpuszczalną w wodzie.
Proces klejenia polega na wywołaniu dalszej kondensacji, prowadzącej do wytworzenia żywicy nierozpuszczalnej w wodzie, przez dodanie do kleju środków utwardzających. W celu zagęszczenia kleju i zmiekczenia żywicy w gotowej spoinie wprowadza się do niego skrobię ziemniaczaną, metylocelulozę, itp. Dla łatwiejszego wydalania wody i formaldehydu w trakcie twardnienia spoiny klejowej stosuje się substancje wypełniające ( gips, mączkę drzewną, żywice fenolowe i inne). Klej jest stosowany do sklejania płyt wiórowych, pilśniowych, parkietu wielowarstwowego, sklejki itp. Jest klejem jakościowo gorszym od melaminowo – formaldehydowego.

Proces klejenia
Zazwyczaj proces klejenia przebiega w następujący sposób: elementy, które chce się połączyć ze sobą, pokrywa się warstwą kleju, dociska do siebie i czeka aż klej je zwiąże.

Na wytrzymałość spoiny klejowej mają wpływ następujące czynniki:
– rodzaj i siła chemicznego oddziaływania kleju z klejonymi powierzchniami
– głębokość penetracji kleju
– wytrzymałość mechaniczna samej warstwy kleju.

Podstawowymi, badanymi i wymaganymi w procesie klejenia parametrami klejów są:
– lepkość
– 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.

Michał Zenkteler w „Kleje i klejenie drewna” charakteryzuje proces wiązania kleju:
„(…) Dobry klej powinien charakteryzować się nie tylko dużą adhezją do powierzchni łączonych ciał stałych, lecz także możliwie największą kohezją pomiędzy własnymi cząsteczkami. We wzajemnym oddziaływaniu na siebie elementów budowy materii mogą brać udział zarówno siły natury chemicznej, jak i fizycznej. (…) Wiążącą podstawą klejów musi być zawsze substancja o dużej masie cząsteczkowej (żywica syntetyczna, białko, kauczuk). Substancja ta stanowi podstawowy składnik każdego kleju. Do zaistnienia adhezji cząsteczek kleju do powierzchni ciał stałych nieodzowna jest płynna postać kleju w procesie klejenia. Najczęściej płynny klej uzyskuje się, rozpuszczając związek wielkocząsteczkowy w odpowiednim rozpuszczalniku lub, w razie jego nierozpuszczalności, przeprowadzając go w stan koloidalny przez rozproszenie w odpowiednim ciekłym ośrodku dyspersyjnym. Aby zatem w wymienionych przypadkach podstawowy składnik kleju uzyskał właściwości wiążące, konieczne jest dodanie doń rozpuszczalnika lub ciekłego ośrodka dyspersyjnego. Ciecze te stanowią więc dla omawianych klejów nieodzowny dodatek. Tworzenie się nieodwracalnych żelów jest w niektórych klejach (np. kazeinowych, rezorcynowych, poliuretanowych czy epoksydowych) następstwem reakcji chemicznej pomiędzy odpowiednim związkiem chemicznym i podstawowym składnikiem kleju.
A zatem i ten związek stanowi dla danego kleju dodatek nieodzowny. Dysponując wspomnianymi zasadniczymi składnikami, można przyrządzić klej, który będzie spełniał wszystkie elementarne warunki, a więc: zwilżał powierzchnię ciała stałego, a następnie zestalał się w wytrzymałe ciało stałe.
Wymagania praktyczne idą jednak znacznie dalej, stawiając klejom, oprócz warunków elementarnych, warunki szczególne, które decydują o przydatności danego kleju do tych czy innych celów. Warunki te można podzielić na trzy grupy:
1) warunki technologiczne: długa żywotność, łatwość nanoszenia, odpowiedni i dający się regulować czas zestalania się, brak składników szkodliwych dla zdrowia, brak składników barwiących lub uszkadzających sklejane materiały, małe zmiany objętości zestalonego kleju w stosunku do objętości kleju płynnego, nie powodujące powstawania naprężeń;
2) warunki ekonomiczne: niska cena, szybkie zestalanie się w nie podwyższonej temperaturze (a co za tym idzie — duża wydajność procesu technologicznego, mały nakład energii i niski koszt urządzeń), małe zużycie narzędzi przy obróbce sklejonych elementów;
3) warunki stawiane spoinom klejowym: wytrzymałość równa wytrzymałości sklejonego materiału, odpowiednia sprężystość pozwalająca na znoszenie przez klej zmian objętości drewna przy zmianach jego wilgotności, odporność
na działanie warunków użytkowania połączeń, brak znaczniejszego płynięcia pod wpływem długotrwałych obciążeń statycznych.
Liczba i różnorodność warunków stawianych klejom jest więc duża, stąd nie ma kleju, który by w pełni odpowiadał wszystkim tym wymaganiom.
Celem procesu klejenia jest wytworzenie pomiędzy łączonymi elementami tzw. spoiny klejowej, czyli ściśle związanej
z nimi warstwy zestalonego kleju o odpowiednich właściwościach mechanicznych. Im mniejsza jest grubość tej warstwy, tym na ogół wytrzymałość połączenia jest większa. W bardzo cienkich warstwach mniejszy jest bowiem ujemny wpływ strukturalnych wad zestalonego polimeru, jak również wewnętrznych naprężeń powstających wskutek kurczenia się wysychających klejów, gdy są one stosowane w postaci roztworów lub emulsji. Wytrzymałość połączenia byłaby niewątpliwie największa, gdyby pomiędzy elementami wytworzyła się jedynie adhezyjna warstwa kleju, a więc o grubości odpowiadającej wymiarom pojedynczych cząsteczek (poniżej l mikrometra) przy braku warstwy kohezyjnej, której dotyczą wspomniane wady strukturalne i naprężenia. Uzyskanie tak cienkiej warstwy kleju jest jednak niezwykle trudne nawet w warunkach laboratoryjnych. W odniesieniu do drewna przyjmuje się zatem, jako granicę dzielącą spoiny cienkie od grubych wartość około 0,1 mm.
Wytworzenie cienkiej, wytrzymałej spoiny jest możliwe tylko po spełnieniu kilku podstawowych warunków, z których najważniejsze to: odpowiednie pokrycie klejem przeznaczonych do sklejenia powierzchni, spowodowanie jak największego zbliżenia tych powierzchni ku sobie i zapewnienie prawidłowego przebiegu zestalania się kleju przez właściwy dobór czasu klejenia.(…) ”

Rodzaje klejów
Kiedyś nagminnie stosowane w produkcji parkietów (tafli parkietowych warstwowych) kleje stolarskie przeszły do lamusa. Obecnie rzadko kiedy sięgamy po kleje naturalne, w tym kleje organiczne. W zapomnienie, i słusznie, odeszły kleje bitumiczne, czyli kleje o nazwie Subit, popularnie używane do klejenia posadzek drewnianych.
Współcześnie do klejenia parkietów używa się klejów syntetycznych: klejów poliuretanowych i poliuretanowo-epoksydowych, klejów rozpuszczalnikowych, polimerowych, kauczukowych i opartych na dyspersji wodnej.

Normy na kleje do parkietów
Jeszcze do niedawna w Polsce brak było norm na kleje do posadzek drewnianych. W związku z tym część firm produkowała kleje w oparciu o niemiecką normę DIN 281, natomiast inni nie stosowali żadnych produkcyjnych normatywów. Parkieciarzom trudno się było zorientować, który z klejów zagwarantuje im prawidłowe wykonanie pracy
i z tego powodu najczęściej sięgali po produkty zachodnich firm.
30 czerwca 2006 r. w Unii Europejskiej zaczęła obowiązywać nowa norma na kleje do parkietów EN 14293:2006, która wyparła dawna normę DIN 281. Polska wprowadziła nową normę we wrześniu 2006 r. Norma EN 14293:2006 opisuje metody badań klejów do posadzek drewnianych oraz przedstawia minimalne wymagania, jakie muszą spełnić kleje
do parkietów.
W parkieciarstwie, w pierwszej kolejności najważniejsze są wymagania na ścinanie, w drugiej zaś – wymagania
na zrywanie kleju. Dobry klej do posadzek drewnianych, w normalnych warunkach użytkowania, ma nam zagwarantować bardzo dobrą wytrzymałość na ścinanie – pozwolić deszczułkom na śródroczną pracę drewna bez ich odrywania
od podkładu oraz bez zerwania spoiny klejowej. A dopiero, gdy warunki użytkowania staną się nienormatywne lub nastąpi nienormatywny napływ wilgoci do posadzki drewnianej, zaczną działać siły odrywające.

Nowa norma PN-EN 14293 określa minimalne parametry wytrzymałościowe klejów:
– na ścinanie:  3,5 N/mm2
– na zrywanie: 1,0 N/mm2

Są to podobne wartości techniczne, jakie wymagała dotychczas norma DIN 281. A czego dokładnie wymagała norma i co opisywała?
1. Rozprowadzalność na podłożu
– kleje muszą się dobrze rozprowadzać na podłożu. Struktura (ślady po zębie szpachelki) rozprowadzonego kleju nie mogą się rozlewać.
2. Zwilżalność kleju
– badanie wykonywało się poprzez przyklejenie na 3 minuty do wyszlifowanej płyty wiórowej całkowicie zwilżonej klejem deszczułki dębowej, a następnie jej oderwanie ruchem obrotowym od podłoża.
3. Wytrzymałość na ścinanie
– klej po 28 dniach musi wytrzymać mieć wytrzymałość 3,5 N/mm2, a po 3 dniach – 3,0 N/mm2. Jednocześnie bada się drogę przesunięcia deszczułek. Musi ona wynosić minimum 0,5 mm.
4. Wytrzymałość na odkształcanie
– po 28 dniach od sklejenia, przy działaniu siły 3 N/mm2, klej powinien zachować swoje plastyczne i elastyczne właściwości aż do momentu zerwania
5. Odporność na substancje alkaliczne
– klej po 28 dniach schnięcia nie powinien się rozpuścić w ciągu 8 godzin moczenia w CA(OH)2 w temperaturze 20 C.
6. Zapach
– po 24 godzinach od przyklejenia, w temperaturze 23 C i 50 % wilgotności powietrza, klej może wydzielać zapach własny, tzn. substancji podstawowych i słaby zapach środków rozpuszczalnikowych.

Niezależnie od normy, na podstawie której wyprodukowany był klej, parkieciarz powinien sam dobrać odpowiedni materiał montażowy. Powinien wziąć pod uwagę gatunek drewna, z którego zrobiony jest parkiet, wymiary deszczułek i wytrzymałość podkładu, na którym montowana będzie posadzka drewniana. To parkieciarz jest profesjonalistą i wyłącznie na nim ciąży obowiązek doboru prawidłowej technologii montażu parkietu. Nie powinien więc ugiąć się przed argumentacją klienta, żeby użyć produktu nieznanej firmy, ale o wiele tańszego niż materiały profesjonalne.

Posadzki drewniane ulegają statycznym i dynamicznym obciążeniom. Statyczne obciążenia występują przy zmianach klimatycznych powodujących pęcznienie lub kurczenie się drewna. Siły te są nie do wyeliminowania, w związku z czym często stają się przyczyną szkód posadzki drewnianej, szczególnie przy klejach sztywnych. Również siły dynamiczne działające na posadzkę podczas chodzenia czy toczenia po niej ciężkich przedmiotów są częstym powodem wystąpienia szkód w postaci miejscowej degradacji spoiny klejowej.
Punktem wyjściowym i miarą wszystkich parametrów jest tutaj wytrzymałość jastrychu, na którym ma być przyklejony parkiet. Jak wiadomo, wynosi ona dla jastrychu pod posadzki drewniane 1,2 N/mm2, a dla bruku drewnianego 1,5 N/mm2.
Kleje sztywne mają wartość już po trzech dniach minimum 3,0 N/mm2, a po 28 dniach minimum 3,5N/mm2. Podczas „pracy” parkietu jastrych nie wytrzymuje tych obciążeń i pęka.

Podczas nieprawidłowych warunków klimatycznych podczas montażu lub użytkowania posadzek drewnianych nasypuje pobieranie lub oddawanie wilgoci przez drewno, co prowadzi do zmian gabarytowych parkietu. Zmiany te muszą zostać przejęte przez spoinę klejową. Podczas trwania tych zmian powstają duże siły, które w niekorzystnych przypadkach prowadzą do „łódkowania” (menisk wklęsły), „kocich grzbietów” (menisk wypukły), a nawet do unoszenia się parkietu.
W tym ostatnim przypadku najczęściej mamy do czynienia ze zniszczeniami pod parkietem – następuje zerwanie spoiny klejowej wraz z wierzchnią warstwą podkładu. Ma to miejsce szczególnie przy klejach sztywnych.
W przypadku klejów miękkich, w wyniku ich elastyczności, siły ścinające przejmuje wyłącznie spoina klejowa, po czym następuje rozdział tych sił na całą powierzchnię, co prowadzi do odciążenia podkładu.
Obecnie wchodzi w życie ustawa o zakazie używania przez rzemiosło wyrobów syntetycznych (rozpuszczalnikowych) – dotyczy to zarówno klejów, jak i lakierów do parkietów. W związku z tym produkty rozpuszczalnikowe będą sukcesywnie wycofywane z rynku, a ich miejsce zajmą kleje poliuretanowe, polimerowe lub na bazie dyspersji wodnej.

Tekst: Małgorzata Kuczyńska-Cichocka, Jarosław Kurnikowski
Artykuł ukazał się w czasopiśmie „Profesjonalny Parkiet” w 2008 r.