Hoe sterkteopgaven op lijmverpakkingen gelezen moeten worden

Wat N/mm2 uitdrukt

De gangbare eenheid voor lijmsterkte is newton per vierkante millimeter, geschreven als N/mm2 en gelijk aan de megapascal (MPa). Het getal geeft aan hoeveel kracht een vierkante millimeter gelijmd oppervlak opneemt voordat de verbinding bezwijkt. Een opgave van 20 N/mm2 op een vlak van 10 bij 10 millimeter komt overeen met circa 2000 newton, ruwweg het gewicht van 200 kilogram.

Die omrekening geldt alleen zolang de belasting gelijkmatig over het vlak wordt verdeeld en in dezelfde richting werkt als bij de test. In werkelijke constructies is dat zelden het geval, en daar ontstaat het verschil tussen opgave en praktijk.

Vier belastingsvormen met vier getallen

Een lijmvoeg reageert op elke belastingsrichting anders. Vier vormen worden onderscheiden, waarvan alleen de eerste twee zich zinvol in N/mm2 laten uitdrukken.

Afschuiving belast de voeg evenwijdig aan het lijmvlak, zoals bij twee over elkaar geschoven stroken. Dit is de meest gerapporteerde waarde, omdat de test eenvoudig te standaardiseren is en de hoogste cijfers oplevert. Trek belast de voeg loodrecht op het vlak, gelijkmatig over het oppervlak. Pellen belast de voeg langs een lijn: een van de delen is buigzaam en wordt teruggeslagen, zodat alle kracht zich concentreert op de smalle zone waar de verbinding openscheurt. Klieven lijkt daarop, maar daarbij zijn beide delen stijf en wordt de voeg aan één zijde opengewrikt, waardoor de spanning aan die rand piekt.

• Afschuifsterkte in N/mm2, veelal gemeten op een enkele overlapverbinding
• Treksterkte in N/mm2, gemeten op stompe verbindingen van cilindrische proefstukken
• Pelsterkte in newton per millimeter breedte, dus niet per oppervlak
• Kliefsterkte in newton of newton per millimeter, sterk afhankelijk van de stijfheid van de delen

Een getal hoort bij een materiaal en een methode

Elke opgave veronderstelt een proefstuk. Bij constructielijmen is dat gewoonlijk gestraald en ontvet aluminium, met een overlap van ongeveer 12,5 millimeter op een strookbreedte van 25 millimeter en een vastgelegde treksnelheid. Zo'n proefstuk is bewust gunstig: schoon, vlak, stijf en met een sterke oppervlaktelaag.

Bij een ander materiaal verschuift de uitkomst. Bij kunststoffen met lage oppervlaktespanning, zoals polyetheen en polypropeen, bepaalt de hechting aan het oppervlak de sterkte en niet de lijm zelf. Bij hout en beton bezwijkt vaak het materiaal naast de voeg, zodat de meting de sterkte van het substraat weergeeft. Boven de glasovergangstemperatuur van de uitgeharde lijm kan de afschuifsterkte bovendien met een factor twee of meer teruglopen.

Een opgave zonder materiaal, voorbehandeling, laagdikte, testtemperatuur en norm is daarom een indicatie van de orde van grootte, geen rekenwaarde.

Pellen als zwakke plek van een sterke verbinding

Bij afschuiving en trek verdeelt de kracht zich over het volledige lijmvlak. Bij pellen niet: de kracht grijpt aan op een smalle strook aan de scheurrand, die vervolgens verder loopt. Het beschikbare oppervlak doet daar nauwelijks toe, want de scheur ziet steeds alleen de eerstvolgende millimeters.

Het verschil in ordegrootte is groot. Een verbinding die in afschuiving tienduizenden newton opneemt, bezwijkt bij pellen onder een kracht in de orde van tientallen newton per millimeter breedte. Harde, brosse lijmen presteren daarbij het slechtst, terwijl elastische systemen de belasting over een langere zone spreiden en hogere pelwaarden halen ondanks een lagere afschuifsterkte.

Constructief betekent dit dat pel- en kliefbelasting worden vermeden of omgeleid, met een verdikking of afronding aan de voeguiteinden, een mechanische borging aan de rand, of een opzet waarbij de kracht in het vlak van de voeg blijft.

Oppervlak weegt zwaarder dan lijmdikte

Een dikkere lijmlaag draagt niet meer. Bij stijve constructielijmen daalt de afschuifsterkte juist bij toenemende dikte, doordat de kans op insluitsels groeit en de spanningen aan de voeguiteinden ongunstiger verlopen. Het gunstige gebied ligt daar doorgaans tussen ongeveer 0,05 en 0,2 millimeter. Elastische lijmen en kitten vormen de uitzondering: die hebben juist een zekere dikte nodig, vaak 2 tot 3 millimeter, om beweging op te nemen.

Sterkte wint men dus met oppervlak, niet met volume. Verdubbeling van de overlaplengte verdubbelt de bezwijkkracht overigens niet, omdat de spanning zich bij lange overlappen concentreert aan de uiteinden en het middendeel weinig bijdraagt. Breder maken werkt effectiever dan langer maken, en een schuine of getrapte overlap verdeelt de spanning beter dan een rechte.

Van opgave naar ontwerp

Wie een verbinding dimensioneert, leest de opgegeven afschuifsterkte als bovengrens onder ideale omstandigheden en rekent met marge. Een veiligheidsfactor in de orde van 2 tot 5 is gebruikelijk, hoger naarmate de belasting wisselt, de temperatuur oploopt of vocht en chemicaliën meespelen. Doorslaggevend blijft in welke richting de kracht werkt en welk materiaal het eerst bezwijkt.