Klebefibel. Eine Übersicht zum Thema: Kleben.

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1 Eine Übersicht zum Thema: Kleben. Kleben ist eine einfache und vielseitige Fügetechnik, aber deshalb nicht anspruchslos. Bereits im Kindergarten wird dieses Fügeverfahren angewandt, für dauerhafte Verbindungen bedarf es jedoch einiger Kenntnisse, die es zu beachten gilt. Diese Übersicht soll wichtige Faktoren benennen und zusammenfassen, damit der geneigte e Leser zu einem befriedigenden Kle- berfolg gelangt.

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einleitung Von der Kunst der Natur zur modernen Wissenschaft und Technik Kleben ein Fügeverfahren Definitionen und Begriffe Vor- und Nachteile des Klebens Einteilung der Klebstoffe... 4 Haftungsmechanismen Adhäsion Kohäsion Oberflächenspannung/Benetzung Klebstoffchemie Ausgewählte Klebstoffsysteme Reaktionsklebstoffe Lösungsmittelklebstoffe Dispersionsklebstoffe Kontaktklebstoffe Haftklebstoffe, Klebebänder Schmelzklebstoffe Plastisolklebstoffe Anorganische Klebstoffe Oberflächenvorbehandlung Physikalische Oberflächenvorbehandlung Mechanische Verfahren Energetische Oberflächenvorbehandlung Chemische Oberflächenvorbehandlung Haftvermittler (Primer) Verarbeitung Verarbeitung von Haftklebstoffen/Klebestreifen Verarbeitung von wasserbasierenden Klebstoffen Produkte und Spezielles Klebstoffauswahl Kleben im passiven technischen Brandschutz Aufschäumende Baustoffe Energieverzehrenden Baustoffe/Brandschutzplatten Dichtstoffe Eigenschaften wichtiger Werkstoffe Metalle Seite I

3 Inhaltsverzeichnis 7.2 Kunststoffe Lacke und Beschichtungen Gläser Hölzer Kautschuk- und Gummiprodukte Poröse Materialien Prüfmethoden Prüfung der Klebfestigkeit Prüfung der Scherfestigkeit Prüfung des Schälwiderstandes Prüfverfahren für Kurz- und Langzeitbeanspruchungen Alterungsuntersuchungen Klebefehler Erste Hilfe Bruchbilder Klebgerechte Konstruktion Mögliche Fehlerquellen und Korrekturvorschläge Qualitätssicherung Gewährleistung Ausgewählte Fachbegriffe Ausgewählte Normen Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis Anhang Als Grundlage/Vorlage für diese Zusammenfassung dienten im Wesentlichen die Bücher von Gerd Habenicht (1) und Hermann Onusseit (2) sowie der Artikel von Eckehart Wistuba. (3) Alle Rechte sind vorbehalten, insbesondere das Recht auf Vervielfältigung und Verbreitung sowie Übersetzung. Kein Teil dieser Fibel darf in irgendeiner Form ohne schriftliche Genehmigung von der Rolf Kuhn GmbH reproduziert werden oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Seite II

4 Einleitung Einleitung Für den Menschen ist das Kleben eine uralte Methode, feste Stoffe miteinander zu verbinden und gehört zu den ältesten, angewandten Techniken. Bereits vor ca Jahren wurden Speer- und Beilspitzen mit Hilfe von Birkenharz befestigt. Später wurden zu Bauzwecken unterschiedliche Pflanzenharze, Eiweiß und Asphalt verwendet. In der Zeit um ca v. Chr. wurde in Ägypten das Kleben professionalisiert und Klebstoffe gezielt aus tierischen Häuten ausgekocht, woraus sich der Beruf des Leimkochers (Kellopsos) ergab. Diese Kunst hielt später Einzug bei den Griechen und Römern, die ihrerseits das Kleben weiterentwickelten. Als Beispiel für den Status quo der damaligen Klebqualität kann ein Eichenholzkästchen aus der Römerzeit herangezogen werden, das um 1886 in Breslau gefunden wurde und an dem nach fast 2000 Jahren immer noch vier der ur- sprünglich fünf aufgeklebten Metallmünzen fest haften. Die industrielle Entwicklung der Klebstoffe setzte 1690 ein, als in Holland die erste handwerkliche Leimfabrik entstand wurde Fischleim als Klebstoff in England patentiert. Die Ausgangsmaterialien für die Klebstoffe stammten jahrhun- dertelang aus der Natur (Harze, Wachse, Kautschuke usw.), die zum Teil bis heute benützt werden. Die Geschichte der synthetisch modifizierten Rohstoffe startet mit der Entdeckung der Vulkanisierbarkeit von Kautschuk durch Goodyear um Über die chemische Veränderung Der Schlüssel für den Vorsprung im Wettbewerb: Klebtechnik praktisch, schonend und flexibel. Schweißen, Pressen und Nieten sind Beispiele für Fügeverfahren,, die sich im industriellen Alltag bewähren. Kleben erweitert die Palette der Möglichkeiten und ist, obwohl sehr lange bekannt, vor allem durch die hohe Entwicklungsdynamik in der jüngeren Vergangenheit zu einer gleichwertigen Verbindungstechnik gereift. Da mit dieser flexiblen Methode praktisch alle festen Materialien schot realisierba- nend und ohne strukturelle Veränderung gefügt werden können, sind neue, bislang nicht re Materialkombinationen zugänglich, wobei die vorteilhaften Eigenschaften jeder Einzelkomponente unverändert und in Kombination erhalten bleiben (Verbundwerkstoffe). Nicht zuletzt aus diesem Grund wird Kleben insbesondere für den Hochtechnologiesektor zu einer Schlüsselanwendung, wo der Verbund höchsten Anforderungen standhalten muss. (4) In Kombination mit anderen Fügeverfahren können die Vorzüge des Klebens zusammen mit den Vorteilen der anderen Fügetechniken genutzt werden. Bei Kunststoffen ist das Kleben häufig eine verblüffend fend einfache, haltbare und wirtschaftliche Lösung. 1.1 Von der Kunst der Natur zur modernen Wissenschaft und Technik Wie in vielen Bereichen des Lebens steht die Natur bei der modernen Fügetechnik Kleben Pate und liefert neben Rohstoffen und Anwendungen auch Lösungsansätze. Einige Beispiele aus der Tier- und Pflanzenwelt zeigen, wie von der Natur gelernt und so die Technologie des Klebens weiterentwickelt werden kann. Die Feldwespe zerkaut, frisst und verdaut Holz, wobei die Cellulosefasern des Holzes sukzessive verkürzt und mit Wasser versetzt werden. Nach dem Ausscheiden ist der Nestbauklebstoff bereit. Beim Trocknen der Masse verfilzen die Cellulosefasern und der Klebstoff wird fest. Die Feldwespe vermag mit dieser Klebtechnik recht beständige Nester zu konstruieren und der Mensch verwendet endet dieses Klebprinzip bei der Anwendung von Tapetenkleister. Der Gummibaum produziert mit der Gummimilch einen Dispersionsklebstoff auf wässriger Basis. Mit der Dispersion von Polymeren (Naturlatex) in Wasser wird die Möglichkeit erschlossen, das umweltfreundliche Lösungsmittel Wasser zu verwenden und trotzdem eine beständige, wasserresistente Klebung zu erhalten. Die Honigbiene setzt die Idealform eines Schmelzklebstoffs als Nestbauklebstoff ein: Wachs, wel- ches bei der Körpertemperatur der Biene flüssig ist und sich nach dem Abkühlen zu einer beständiein, um sich dauerhaft an einen beliebigen Untergrund zu haften. Dabei zeichnet sich das Sekret aus der gen Form verfestigt. Zusätzlich kommt die Honigbiene völlig ohne Lösungsmittel aus. Die Seepocke, eine heimische Krebsart, setzt einen Zweikomponenten-Reaktionsklebstoff Zementdrüse des Krebses durch eine hohe Wasser- und enorme Langzeitbeständigkeit aus. (5) Vögel benutzen zum Nestbau geklebte Verbundwerkstoffe, Spinnen spinnen klebende Netze u.v.m.. Geklebtes Steinzeitbeil. Kleben im alten Ägypten. Seite 1

5 Einleitung eines Naturstoffs wurde ein halbsynthetischer Kunststoff mit neuen technologischen bzw. mechanischen Eigenschaften erhalten. Der nächste und entscheidende Schritt hin zu den vollsynthetischen Rohstoffen gelang Anfang des 20. Jahrhunderts. Unter dem Produktnamen Bakelite kam 1905 der erste echte Kunststoff, ein hitzegehärtetes Phenolharz, auf den Markt, deren technische Nutzung eng mit dem Namen Baekeland verknüpft ist. Die Entwicklung der synthetischen Kunst- und Klebstoffe, die fortan parallel verlief, war eingeleitet und nahm rasant Schwung auf. Polychloropren, Buna (Polybutadien) und Silikonkautschuk wurden synthetisiert und es folgten Epoxidharze, Polyurethane, Methacrylat- und Cyanacrylat-Klebstoffe. Heute kann bei der Entwicklung von Klebstoffen aus dem vollen Repertoire der zugänglichen Chemierohstoffe geschöpft werden, und die Leistungsfähigkeit dieser Produkte zeigt sich daran, dass im modernen Flug- und Fahrzeugbau tragende Konstruktionen in der Serienfertigung geklebt werden. 1.2 Kleben ein Fügeverfahren Die Herstellung von Verbindungen aus Werkstoffen gleicher Art oder aus Werkstoffkombinationen wird als Fügen bezeichnet. Es lassen sich drei Methoden nach Art der Verbindung unterscheiden: kraftschlüssig formschlüssig stoffschlüssig (z.b. Pressen, Klemmen, Schrauben, Nieten) (z.b. Falzen, Verzahnen) (z.b. Schweißen, Löten, Kleben) Die Bezeichnung stoffschlüssig resultiert aus der Tatsache, dass die Verbindung durch einen zusätzlichen Stoff, z.b. Schweißzusatzstoff, Lot oder den Klebstoff, aufgebaut wird Definitionen und Begriffe Kleben Klebung Klebschicht Klebstoff Grenzschicht Klebfuge Klebfläche Fügeteil Abbinden/Aushärten Das Fügen mittels Klebstoff. Die Verbindung von Fügeteilen mittels Klebstoff. Klebstoffschicht zwischen Fügeteilen. Nach DIN wird ein Klebstoff definiert als nichtmetallischer Werkstoff, der Körper durch Oberflächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann, ohne dass sich das Gefüge der Körper wesentlich ändert. Nach DIN EN 923 wird ein Klebstoff definiert als nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden kann. Klebstoffe können unter Raumbedingungen flüssig, pastös oder fest sein. Sie werden in einem fließfähigen Zustand appliziert, benetzen die Fügeteile und binden danach ab (Verfestigung). Bereich zwischen Klebschicht und Werkstoffoberfläche, in der die Adhäsionskräfte wirken. Spalt oder Zwischenraum zwischen zwei Klebflächen gefüllt mit einer Klebstoffschicht. Die zu klebende oder geklebte Fläche des Fügeteils. Zu verbindende Werkstücke. Verfestigung des Klebstoffs durch physikalische und/oder chemische Prozesse. Hinweis: Ein Kleber ist jemand, der mit einem Klebstoff klebt! (1) Definition eines Klebstoffs: Ein Klebstoff ist ein nichtmetallischer Stoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) verbinden kann. Seite 2

6 Einleitung Abbildung 1: Begriffe der Klebtechnik Vor- und Nachteile des Klebens Kleben hat gegenüber anderen Fügetechniken bemerkenswerte Vorteile: Flächige Kraftübertragung ohne Schwächung der Fügeteile. Zum Vergleich: Beim Nieten oder Schrauben schwächen Bohrungen die Fügeteile und Kräfte werden punktförmig übertragen. Keine extremen Bedingungen (z.b. hohe Temperaturen) während des Fügeprozesses. Schweißen und z.t. auch Löten beanspruchen die Fügeteile durch hohe Temperaturen und können thermische Veränderungen der Materialeigenschaften bewirken. Kleben vermeidet solche Bedingungen, so dass auch temperatursensible Werkstoffe gefügt werden können. Kombination von unterschiedlichsten Materialien. Durch Klebungen lassen sich verschiedenartige Werkstoffe unter Beibehaltung ihrer spezifischen Eigenschaften verbinden. Dadurch können sich innovative Verbundwerkstoffe ergeben. Das Kleben erlaubt die Verknüpfung von sehr dünnen (< 500 µm) Materialien. Ein Aspekt, der besonders für Leichtbaukonstruktionen von Bedeutung ist und die Grundlage für die vielfältigen Gestaltungen von Folienverbunden im Bereich der Verpackungen darstellt. Die Klebschicht kann zusätzliche Funktionen z.b. Isolator, Gassperre o.ä. übernehmen und schützt die Fügeteile, dadurch dass sie die Klebfuge vollständig ausfüllt, vor möglicher Korrosion. In Kombination mit form- und kraftschlüssigen Fügeverfahren können Steifigkeit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Dichtigkeit optimiert werden. Als Nachteile lassen sich folgende Punkte anführen: Die thermische Stabilität von Klebungen ist begrenzt. Je nach Klebstoffkomposition liegen die maximalen Temperaturen für eine Dauerbelastung im Bereich von C. Klebstoffe können altern, d.h. die Stabilität der Verbindung kann mit der Zeit nachlassen. Die Herstellung von Klebungen stellt hohe Ansprüche an die Sorgfalt und beinhaltet mindestens einen zusätzlichen Arbeitsschritt, die Oberflächenvorbehandlung (reinigen, aktivieren, modifizieren). Die Grenzschichten sowohl auf der Seite der Klebstoffe als auch auf der der Fügeteile sind bis zum Verkleben äußerst anfällig gegen schädigende Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit, Staub u.a.m.). Zerstörungsfreie Prüfmethoden zum Testen von Klebverbindungen (Bauteilprüfungen) existieren bis auf wenige Ausnahmen praktisch nicht. Eine exakte Prozessführung (Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Zeit) bis zum Erreichen der Endklebkraft ist für eine erfolgreiche Klebung, wie bei allen anderen Hochleistungstechnologien, obligatorisch. Das Fehlen von umfassenden, zerstörungsfreien Prüfungen stellt besonders im industriellen Bereich entsprechend hohe Ansprüche an die Fertigungsqualität. Zusatzfunktionen wie Korrosionsschutz, Vibrationsdämpfung, elektrische Leitfähigkeit und das Abdichten gegen Flüssigkeiten oder Gase lassen sich über den Klebstoff in die Verbindung integrieren. Seite 3

7 Einleitung 1.3 Einteilung der Klebstoffe Der Begriff Klebstoff fasst hochmolekulare organische oder anorganische Werkstoffe zusammen, die im täglichen Sprachgebrauch als Leim, Kleister, Kleber usw. bezeichnet werden. Unabhängig vom speziellen Einsatz ist allen Klebstoffen gemein, dass sie zwischen die zu verbindenden Körper im fließfähigen Zustand appliziert werden, die Oberflächen der Materialien benetzen und chemisch und/oder physikalisch abbinden,, wobei die Klebschicht ausgebildet wird. Die große Bandbreite der möglichen Anwendung mit allen Varianten der Verarbeitung sowie der unüberschaubaren Zahl von Formulierungen und Rezepturen von Klebstoffsystemen legt eine Einteilung nahe. Eines der älteszur Unterscheidung ergibt sich aus der Entwicklungsgeschichte in natürliche und künst- liche Klebstoffe, basierend auf der Herkunft der verwendeten Rohstoffe. Aus Sicht der zugrunde ten Kriterien liegenden Chemie lassen sich die Klebstoffe außerdem sofort den Bereichen Organik (die Chemie des Kohlenstoffs,, mit wenigen Ausnahmen) bzw. Anorganik (die Chemie aller übrigen Elemente des PSE) zuordnen, wobei die Silikone mit ihrem anorganischen Polymerrückgrat und den organischen Seitenketten eine Zwischenposition einnehmen. Klebstoffe anorganische Verbindungen Silikone organische Verbindungen synthetische Rohstoffe natürliche Rohstoffe Abbildung 2: Einteilung der Klebstoffe nach ihrer chemischen Basis. Dass die erste Unterscheidung in natürliche und synthetische Klebstoffe unter die Kategorie der organischen Verbindungen fällt, ist der Tatsache geschuldet, dass die meisten natürlichen Rohstoffe (Baumharze, Pflanzensäfte, Wachse, Eiweiß, Gelatine, Casein, Stärke usw.) sowie die ersten synthetischen Ausgangsmaterialien der r Kohlenstoffchemie entstammen und dazu diese Differenzierung in der Anorganik weniger üblich ist. Außerdem ist die überwältigende Mehrheit aller Klebstoffe der Gruppe der Organika, den organischen Polymeren, zu zuordnen. Die natürlichen Klebstoffe verfügen z.t. über herausragende Vorteile bei Spezialanwendungen (Caseinklebstoffe zum Etiketgeht jedoch gegenüber den künstlich hergestellten Klebstoffen tieren als Beispiel), ihre Verwendung stark zurück. Der eigentliche Abbindemechanismus,, der Weg auf dem ein Klebstoff die Endfestigkeit erreicht, kann ebenfalls zur Klassifizierung der Klebstoffe herangezogen werden. Zu Unterscheiden sind chemisch und physikalisch abbindende Systeme. Bei den chemisch abbindenden Systemen, auch als Reaktionsklebstoffe bezeichnet, liegen zunächst reaktive Kleinstbausteine (Monomere, Prepolymere) vor, die durch z.b. eine zweite reaktive Komponente, Sauerstoff, Wasser oder einen äußeren Einfluss, z.b. Druck, Temperatur, Licht usw., eine Reaktion eingehen und eine feste Klebbezeichnet wird, ent- stehen wiederum Polymere. Bei den physikalisch abbindenden Klebstoffen liegen die Polymere schicht bilden. Bei diesem Prozess,, der als Härten, Aushärten oder Abbinden bereits vollständig ausgebildet vor und müssen, da diese hochmolekularen Verbindungen unter Normalbedingungen fest sind, zur Applikation in einen fließfähigen Zustand überführt werden. Dafür stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Unter Lösungsmittelklebstoffen werden Klebstoffe verstanden, die die Polymere in organischen Lösungsmitteln gelöst enthalten. Liegen die Polymere Zum Klassifizieren der Klebstoffe sind mehrere Systeme in Gebrauch. Je nach Klebstoffbasis bis hin zu verschiedenen Anwendungen und Lieferformen werden Klebstoffe eingeteilt. Seite 4

8 Einleitung schwimmend in Wasser als Medium vor, handelt es sich um Dispersionsklebstoffe (lateinisch: dispergere = feinverteilen). In beiden Fällen ist es notwendig, dass die flüssige Phase aus der Kleb- schicht entweichen kann. Das Verdampfen entspricht einem physikalischen Vorgang und nicht etwa einer chemischen Reaktion,, woraus die Unterscheidung als physikalisch abbindende Systeme re- sultiert. Eine lösungsmittelfreie Variante bildet die Gruppe der Schmelzklebstoffe, die durch Wärmezufuhr verflüssigt und als Schmelze aufgetragen werden. Nach dem Fügen und Abkühlen der Kleb- stoffschmelze ergibt sich die fertige Klebung. Bei Haftklebstoffen, die als Polymerschicht, aufgetra- vorliegen und durch Zusätze (z.b. Harze) über eine eige- gen auf entsprechende Trägermaterialien, ne Klebrigkeit verfügen, wird die Klebung durch Aufbringen eines ausreichenden hohen Anpresszu den physi- drucks erhalten. Druck und Temperatur sowie die Veränderung dieser Größen zählen kalischen Parametern. Der Gesamtmechanismus mechanismus wird im Vergleich zum Härten bei den chemisch reagierenden Klebstoffen Abbinden oder Verfestigen genannt. Klebstoffe chemisch abbindend (härtend) physikalisch abbindend (verfestigend) - Cyanacrylate - Methylmethacrylate - ungesättigte Polyester - anaerob härtende Systeme - strahlenhärtende Systeme - Phenolharze - Silikone - Polyimide - Silanmodifizierte (MS) Polymere - Epoxidharze - Polyurethane - Lösungsmittelklebstoffe - Dispersionsklebstoffe - Schmelzklebstoffe - Haftklebstoffe Abbildung 3: Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus. Die Grenzen bei den Einteilungskriterien sind fließend und Überscheidungen möglich: z.b. können Dispersionsklebstoffe ebenso Kontaktklebstoffe und Schmelzklebstoffe Haftklebstoffe sein. Dazu binden einige Klebstoffsysteme sowohl physikalisch als auch chemisch ab. Weitere Unterscheidungsmerkmale ergeben sich aus Anwendersicht: Verarbeitungstemperaturen teilen die Klebstoffe in kalt- und warmhärtend ein. Haft-, Kontakt-, Schmelz- oder 2K-Klebstoffe Klebstoffe weisen auf f das Verarbeitungsverfahren hin. Den Verwendungszweck tragen Tapetenkleister, Holzleim, Etikettierklebstoff oder Metallklebstoff bereits in der Bezeichnung. Lösungsmittelklebstoff, Klebstofffolie oder Leimpulver deuten die Lieferform an. Polyurethan-, Epoxidharz-,, Cyanacrylatoder Methylmethacrylatklebstoff enthalten die chemische Basis, den Klebstoffgrundstoff, bereits im Namen. Die Kategorie Alleskleber, die einen Universalklebstoff beschreiben soll, der für alle Materialien, alle Belastungen und Verwendungen geeignet ist und als solcher beworben wird, existiert bis heute nicht. Seite 5

9 Einleitung Hermann Onusseit schlägt in seinem Buch, Praxiswissen Klebtechnik, (2) eine Einteilung der Klebstoffsysteme nach der zeitlichen Abfolge der für die Herstellung einer Klebung notwendigen Schritte vor und unterscheidet Adhäsions/Kohäsions- bzw. Kohäsions/Adhäsions-Systeme. Bei der ersten Gruppe, der Adhäsions/Kohäsions-Systeme, handelt es sich um die klassischen Klebstoffsysteme, bei denen der Klebstoff flüssig auf einen oder beide Fügepartner aufgetragen wird. Nach der Benetzung wird die Adhäsion ausgebildet und anschließend gefügt. Die Kohäsion entsteht beim Abbinden des Klebstoffs in der Klebfuge. Für ein ungestörtes Abbinden des Klebstoffs ist ein fixieren der Fügeteile notwendig. Bei den Kohäsions/Adhäsions-Systemen wird ein fester Klebstoff in die Klebfuge gebracht. Der Klebstofffilm kann bereits auf einem der Fügepartner aufgebracht sein, z.b. beschichtete Etiketten, Bänder, Briefmarken oder Spiegelbeschichtungen, oder als separate Klebstofffolie, z.b. doppelseitige Haftklebebänder oder thermoplastische Filme, vorliegen. Im eigentlichen Fügeprozess muss durch Anwendung eines äußeren Einflusses (z.b. Temperatur, Druck oder Lösungsmittel) in erster Linie die Oberfläche des Klebstoffs soweit mobilisiert werden, dass eine ausreichende Benetzung der Fügeteile und Ausbildung von Adhäsion erreicht wird. Dabei geht die Filmkohäsion vor allem beim Einsatz von Temperatur und Lösungsmitteln zurück und muss sich nach dem Fügen erneut aufbauen. Die Haftklebstoffbeschichtungen behalten dagegen ihre Kohäsion, da es sich um quasi hochviskose, kohäsive Flüssigkeiten handelt, die eine hohe Mobilität der Klebstoffmoleküle erlauben. Seite 6

10 Haftungsmechanismen Haftungsmechanismen Bei der Definition von Klebstoffen wird bereits auf den nichtmetallischen Charakter der Werkstoffe hingewiesen, wodurch sich Klebstoffe von den Schweiß- und Lötzusatzwerkstoffen unterscheiden, die aus Metallen bzw. Metalllegierungen bestehen. Diese werden thermisch zu einer Schmelze verflüssigt und bauen unter Einbeziehung von Anteilen der Fügeteile eine Verbindung auf. Die Festigkeit der Verbindung, die mit diesen Fügeverfahren erreicht werden kann, beruht damit auf der Metallbindung. Klebungen erreichen ihre Stabilität im Verbund aus einer Überlagerung gleich mehrerer Kräfte, die sich gegenseitig beeinflussen. Die Adhäsion und die Kohäsion sind in der Klebtechnik in diesem Zusammenhang wichtige Begriffe, auf die im Folgenden etwas näher eingegangen werden soll. 2.1 Adhäsion Im Alltag kann die Adhäsion (lateinisch: adhaerere = anhaften) vielfältig beobachtet werden, z.b. Fingerabdrücke auf beliebigen Untergrund, Staub an Lacken, Kreide an einer Tafel oder Kondensat an Spiegeln und in manchen Fällen im größeren Maßstab, wenn z.b. Glasscheiben oder polierte Metallflächen zusammenhaften und sich kaum trennen lassen. Die Ursache für dieses Phänomen sind brachliegende, nicht kompensierte Kräfte geringer Reichweite, die an allen festen und flüssigen Stoffen (kondensierten Phasen) an den Oberflächen zu finden sind. Im Inneren der Stoffe sind diese Kräfte zwischen den einzelnen Atomen und/oder Molekülen gleichmäßig verteilt und tragen zu den makroskopischen Eigenschaften der Substanzen bei. Abbildung 4: Adhäsionskräfte an der Phasengrenze mit einer Reichweite von wenigen Å (Angström = m). Die Voraussetzung für die Ausbildung einer ausreichend großen Adhäsion ist damit, dass sich die Materialien bzw. genauer die Oberflächen der Materialien dicht genug und flächig, mit einer hohen Zahl von Kontaktpunkten zur Kompensation der Gewichtskräfte, annähern können. Auch zwischen zwei Holzklötzen wirkt Adhäsion, jedoch bedingt durch die in der Regel gröberen Oberflächen, mit stärker ausgebildeten Reliefstrukturen außerhalb atomarer Dimensionen, können sich die Atome bzw. Moleküle in Oberflächennähe nicht in der Art und Weise nahe kommen, dass die Holzklötze aneinander kleben bleiben. Durch Anpressdruck kann u.u. eine hinreichend große Adhäsion erreicht werden, wenn die Oberflächenatome/-moleküle eine gewisse Beweglichkeit aufweisen oder ihre Struktur fein und anpassungsfähig gegenüber dem zweiten Fügepartner ist. In der Praxis erfüllen benetzende Flüssigkeiten diese Aufgabe, weshalb die meisten Klebstoffe im fließfähigen Zustand eingesetzt werden. Bindungsabstände [nm] und Bindungsenergien [kj/mol] im Vergleich. Chemische Bindungen: kovalent nm kj/mol ionisch nm kj/mol metallisch nm kj/mol Abbildung 5: Adhäsionskräfte in der Grenzschicht zwischen zwei kondensierten Phasen. Zwischenmolekulare Wechselwirkungen: van-der-waals-kräfte nm 2 15 kj/mol Wasserstoffbrückenbindung ca. 0.2 nm kj/mol Selbst polierte Oberflächen weisen Unebenheiten von nm auf. Seite 7

11 Haftungsmechanismen Die Adhäsion bildet die Summe mechanischer, physikalischer und chemischer Kräfte, die generell zwischen zwei Körpern wirken und die nicht unabhängig voneinander sind. Die Reichweite dieser Kräfte beträgt nur wenige Bruchteile eines Nanometers (max m), womit den Oberflächen eine besondere Bedeutung zukommt. Formal wird gelegentlich die mechanische Adhäsion, unter der die Verklammerung oder Verankerung eines Klebstoffs in den Unebenheiten und Poren der Fügeteiloberfläche verstanden wird, von der spezifischen Adhäsion, die die übrigen Beiträge zusammenfasst, abgetrennt. Dieser Anteil, der bildlich gut darstellbar ist, spielt jedoch nur eine untergeordnete Rolle und kommt, wenn überhaupt, nur bei stark porösen Materialien wie Papier, Holz, Keramik oder Kunststoffschäumen zum Tragen. Dass dennoch die Haftung eines Klebstoffs auf mechanisch und/oder chemisch aufgerauten Oberflächen zunimmt, beruht auf der Ausdehnung der wirksamen Oberfläche sowie der Zunahme der aktiven Zentren, wie Fehlstellen, Ecken und Kanten, durch die die Wechselwirkungskräfte an der Grenzfläche (Fügeteil/Klebstoff) zunehmen. Die mechanische Adhäsion kann aber auch gezielt und konstruktiv in eine Verbindung eingebracht werden. Der Klebstoff umfließt dann z.b. Hinterschneidungen und steigert damit die Festigkeit der Klebung. Chemische Wechselwirkungen (WW) gehören zur spezifischen Adhäsion. Kovalente Bindungen zwischen Kleb- und Werkstoff können einen Beitrag zur Gesamtadhäsion leisten, wenn auf beiden Seiten reaktive funktionelle Gruppen oder Moleküle vorliegen und die Bedingungen beim Fügen so eingestellt sind, dass die chemische Reaktion ablaufen kann. Der Anteil durch kovalente Bindungen an der Gesamtadhäsion kann in einigen Spezialfällen bis zu 50% betragen. Insgesamt werden chemische Reaktionen zwischen Fügeteil und Klebstoff jedoch nur bei wenigen Kombinationen beobachtet, z.b. Polyurethan und Papier, Holz und Glas, Epoxidharz und Aluminium oder Silikon und Glas. Wichtig ist die Unterscheidung einer Reaktion zwischen Klebstoff und Fügeteil und einer Reaktion innerhalb der Klebschicht wie bei den Reaktionsklebstoffen, den chemisch abbindenden Klebstoffen, die nicht zwingend für eine Reaktion zwischen Klebstoff und Fügeteil sind. Interphasige Ionenbindungen können bei Gläsern oder Metallen auftreten. Der wesentliche Beitrag zur Adhäsion an der Grenzfläche heterogener Systeme stammt von vander-waals-kräften. Diese Kräfte sind relativ schwache, zwischenmolekulare Anziehungskräfte elektrischen Ursprungs, die sich in drei Kategorien einteilen lassen und zu den van-der-waals- Bindungen führen: Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen zwei Dipolen (Keeson-WW). Dipol-induzierter Dipol-Wechselwirkung zwischen einem Dipol und einem polarisierbaren Molekül (Debye-WW). Induzierter Dipol-induzierter Dipol-Wechselwirkung zwischen zwei polarisierbaren Molekülen (London-Kräfte, Londonsche Dispersionswechselwirkung). Die elektrische Anziehung zwischen Dipolmomenten (permanenten und/oder induzierten) ist maßgeblich für die Adhäsion von Klebstoffen an Fügeteiloberflächen verantwortlich, wobei die Bindungsenergie (E) mit der sechsten Potenz des Abstands abnimmt. Damit wird die Haftung eines Klebstoffs zur Fügeteiloberfläche in einer Grenzschicht von nur wenigen Nanometern (10-9 m) entschieden. Keeson-WW: = r = Abstand µ = Dipolmoment k = Boltzmann-Konstante Debye-WW: T = absolute Temperatur h = Plancksche Konstante α = Polarisierbarkeit = αµ London-WW: = ν α ν 0 = Frequenz der Nullpunktbewegung Zur Veranschaulichung der van-der-waals-kräfte wird an dieser Stelle gerne der Gecko als Beispiel erwähnt. Geckos können senkrechte Flächen erklettern, dabei übermittelt eine sehr hohe Zahl feinster Hafthärchen aus Keratin (Spatulae) an der Besohlung der Tiere die benötigte van-der-waals- Kraft und hält es, wenn nötig auch kopfüber, auf allen Oberflächen fest. Die Klebkraft eines Geckos kann theoretisch bis zu 400 N erreichen. (6) Im Vergleich zu Atom- und Ionenbindungen sind van-der- Waals-Bindungen schwache Bindungen, und in der Regel dominieren die London- Kräfte. Hierarchisch von Nano- zu Mikrostrukturen organisierte Fußsohlen eines Geckos (lediglich 200 Nanometer lange und genauso dünne Spatulae ordnen sich zu Setae, Streifen von 100 Mikrometer Länge und sechs Mikrometer Breite, woraus sich wiederum 400 bis 600 Mikrometer lange Lamellen an den Zehen bilden). (6) Seite 8

12 Haftungsmechanismen 2.2 Kohäsion Gegenüber der Adhäsion, die aus Bindungskräften zwischen zwei ungleichen Phasen hervorgeht, beruht die Kohäsion (lateinisch: cohaerere = zusammenhängen) auf Bindungskräften in einer einzigen Phase. Die Kohäsion bewirkt den inneren Zusammenhalt eines Stoffs und ist umso größer je formbeständiger ein Stoff ist. Schon daraus ergibt sich, dass ideale Gase keine und Flüssigkeiten nur sehr kleine Kohäsionswerte innehaben, während sich Feststoffe zum Teil durch sehr große Kohäsion auszeichnen. Die möglichen Beiträge zur Kohäsion sind vergleichbar zu denen der spezifischen Adhäsion, nur dass innerhalb einer Substanz kovalente, metallische und/oder ionische Bindungen wesentlich bedeutender sind. Aus diesen Bindungsanteilen resultiert, besonders wenn sie dreidimensional durch den gesamten Stoff orientiert sind, eine hohe Festigkeit (z.b. Diamant = dreidimensional ausgerichtete, kovalente C C-Einfachbindungen). An der Phasengrenze führt die Kohäsion zur Grenz- oder Oberflächenspannung und schließlich sogar anteilig zur Adhäsion. Für eine Klebschicht ist neben der Adhäsion die Kohäsion eine wichtige Größe. Z.B. reichen wenige Tropfen Wasser zwischen zwei Glasscheiben aus, um eine Scheibe mit der anderen anheben zu können. Sie haften durch die verbindenden Adhäsionskräfte des Wassers aneinander. Die Glasscheiben verrutschen jedoch bei einer geringen Schräglage gegeneinander, weil Wasser unter Normalbedingungen flüssig ist und damit eine geringe Kohäsion besitzt. Bei tieferen Temperaturen (< 0 C) kann die Haftung auch bei Schräglage ausreichend sein, wenn das Wasser vollständig gefroren (fest) ist. Klebstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie im fließfähigen Zustand aufgetragen werden, aber nach dem Abbinden als Feststoff zwischen zwei weiteren Feststoffen angesehen werden können und somit das Verschieben der Fügeteile gegeneinander unterbinden. Für Klebstoffe auf Basis organischer Polymere sind folgende Beiträge für die Kohäsion verantwortlich: Kovalente Bindungen zwischen den Atomen der Klebstoffpolymere. Kovalente Bindungen zwischen einzelnen Polymersträngen, die bis zur dreidimensionalen Vernetzung führen können (Duromere). Elektrische Anziehung über Dipolmomente (permanente und/oder induzierte, van-der-waals- Kräfte, Wasserstoffbrückenbindungen) zwischen den einzelnen Klebstoffkomponenten. Molekulare Verschlaufungen der Klebstoffpolymere. Die einzelnen Beiträge wirken sich bereits auf die Eigenschaften des nicht abgebundenen Klebstoffs aus und beeinflussen das Fließverhalten (Rheologie) und die Zähigkeit (Viskosität) bei der Verarbeitung. Die maximal erreichbare Festigkeit im abgebundenen Zustand wird durch die Komposition des Klebstoffs vorgegeben, kann allerdings über die Führung des Abbindeprozesses deutlich reduziert werden. Nur bei optimalem und störungsfreiem Abbinden kann die theoretisch mögliche Kohäsion erreicht werden. Die Qualität einer Klebung hängt von der Adhäsion, der Haftung zwischen Klebschicht und Werkstoffoberfläche, und der Kohäsion, der inneren Stabilität im Werkstoff und in der Klebschicht, ab. Adhäsion: Anziehungskräfte zwischen zwei Materialien. Abbildung 6: Zonen einer Klebschicht. Durch die Wechselwirkung auf Grund der Haftung an eine Oberfläche wird sowohl die chemische Zusammensetzung als auch die Struktur des Klebstoffs in der Adhäsionszone verändert, womit sich ebenfalls die makroskopischen Eigenschaften des Klebstoffs in diesem Bereich ändern. Auf die Kohäsion: Anziehungskräfte innerhalb eines Stoffs. Seite 9

13 Haftungsmechanismen Adhäsionszone folgt die Übergangszone, in der die Eigenschaften kontinuierlich zu denen in der Kohäsionszone übergehen. Die für Klebstoffe in Datenblättern angegebenen Werte gelten im engeren Sinne nur für den Klebstoff im Bereich der Kohäsionszone. Reißdehnung, E-Modul, Shore-Härte oder Temperaturfestigkeit sind Kennwerte für Klebstoffe und können über den molekularen Aufbau des Klebstoffs gesteuert werden. Die wichtigsten Einflussgrößen sind Anzahl und Größe der Seitengruppen, die Polarität sowie das Molekulargewicht bzw. die Molekulargewichtsverteilung im Klebstoffpolymer. Ferner wirken sich Zusatzstoffe wie Weichmacher, Verdicker, Härter, Füllstoffe, Lichtschutzmittel u.a.m. auf das Eigenschaftsbild der Komposition aus. Genauso wie der Werkstoff Einfluss auf die Eigenschaften der Klebschicht nimmt, kann auch der Klebstoff die Eigenschaften des Werkstoffs in Oberflächennähe variieren, so dass sich rund um die Phasengrenze eine klebstoffseitige und eine wertstoffseitige Grenzschichthälfte ausbildet. Abbildung 7: Schematischer Aufbau einer Klebverbindung. Mit Adhäsion ist die Haftung zwischen zwei Phasen und mit Kohäsion die Haftung innerhalb einer Phase gemeint. Die Grenzschicht ist als Wirkungsbereich der Adhäsionskräfte definiert. 2.3 Oberflächenspannung/Benetzung Die Oberflächenspannung leitet sich von der Beobachtung ab, dass Flüssigkeiten wie Wasser oder Quecksilber scheinbar spontan kugelförmige Tropfen mit möglichst geringer Oberfläche bilden ohne zu zerfallen, als ob sie von einer Haut umspannt wären. Eine Kugel stellt dabei die günstigste geometrische Form mit dem kleinsten Verhältnis von Volumen zu Oberfläche dar. Je höher die Oberflächenspannung einer Substanz ist, umso größer ist das Bestreben nach einer kleinen Oberfläche und damit zur Kugelform, auch wenn von außen Gegenkräfte wie z.b. die Schwerkraft wirken. Besonders auffällig ist dieses Verhalten bei Quecksilber trotz der vergleichsweise hohen Dichte dieses Elements. Die Oberflächenspannung ist eine direkte Folge der Kohäsionskräfte. Im inneren einer Phase werden die Kohäsionskräfte, die in alle Raumrichtungen wirken, durch die gleichartige Umgebung kompensiert. An der Phasengrenze eines Stoffs ändert sich die Umgebung und damit die wirkenden Kräfte. In der Regel resultiert eine in das Phaseninnere gerichtete Restkraft (), die von Natur aus minimiert wird, wodurch sich bei Flüssigkeiten mit ihren beweglichen Teilchen die angestrebte Kugelform erklären lässt. Abbildung 8: Oberflächenspannung am Beispiel einer flüssigen Phase. Die Oberflächenspannung (σ) ist als Quotient aus der notwendigen Arbeit (dw) zur Veränderung der Oberfläche (da) definiert und wird in SI- Einheiten mit J/m 2 = N/m angegeben. Oberflächenspannung [N/m]: = d d Seite 10

14 Haftungsmechanismen Die Kohäsionskräfte sind besonders für Feststoffe von Bedeutung. Daraus ergibt sich, dass neben Flüssigkeiten auch Feststoffe wie Metalle, Gläser oder Kunststoffe eine Oberflächenspannung aufweisen. Nur ist sie hier nicht so augenscheinlich, da die Teilchen in Feststoffen feste (Gitter-) Plätze einnehmen und sich innerhalb der Phase nicht frei bewegen können. Erst in der Schmelze wird dieses Phänomen deutlich. Die Oberflächenspannung eines Festkörpers kann auf verschiedenen Wegen bestimmt werden. Eine einfache und schnelle Lösung bieten sogenannte Testtinten, häufig gefärbte Ethanol-Wasser- Gemische oder Lösungen von unterschiedlichen Tensiden mit abgestuften Oberflächenspannungen (16 82 mn/m). Nacheinander aufgetragen auf die zu untersuchende Oberfläche gibt der Verlauf der Tinten einen Hinweis auf die Oberflächenspannung des Werkstoffs. Auf niederenergetischen Oberflächen zieht sich ein Tropfen zusammen und selbst nach gründlicher Reinigung entsteht kein konstanter Tintenfilm. Steht keine Tinte zur Verfügung kann ein Test mit einem Wassertropfen weiterhelfen. Genauere Messungen ordnen den Randwinkel (ϑ, s.u.), den unterschiedliche Testflüssigkeiten auf dem zu messenden Prüfkörper bilden, ein. Zur Apparatur gehört dann eine Lichtquelle und eine Optik, die mit einem Winkelmesser und einer Projektionsskala verbunden ist. Das Verhalten von Flüssigkeiten, sich auf festen Oberflächen mehr oder weniger selbstständig ohne Einwirkung äußerer Einflüsse (z.b. walzen, pinseln) auszubreiten, wird als Benetzung bezeichnet, und ist von der Differenz der beteiligten Oberflächenspannungen abhängig. Der Randwinkel (ϑ), auch Benetzungswinkel oder Kontaktwinkel genannt, der sich zwischen einer ebenen, glatten, festen Oberfläche und einem Flüssigkeitstropfen ausbildet, gilt als Maß für die Benetzbarkeit, wobei die Gleichung von Young den Zusammenhang zu den Grenzflächenspannungen (fest/gasförmig (σ S), flüssig/gasförmig (σ L) und flüssig/fest (σ LS)) herstellt. Youngsche-Gleichung: = Je kleiner der Randwinkel ist, umso größer ist die Benetzbarkeit. Für einen Flüssigkeitstropfen auf einer festen Oberfläche bedeutet dies, dass sich der Tropfen spontan und vollständig auf der Oberfläche verteilen wird, wenn die Adhäsionskräfte zwischen Flüssigkeit und Feststoff die nicht kompensierten Kohäsionsrestkräfte der Flüssigkeit in Oberflächennähe (Oberflächenspannung) deutlich überschreiten. Günstige Voraussetzungen dafür sind eine hohe Oberflächenspannung des Feststoffs und eine geringe Oberflächenspannung der Flüssigkeit oder allgemein, je größer die Differenz beider Oberflächenspannungen, umso besser ist die Benetzung. Die auf einer horizontalen Oberfläche aufgebrachte Flüssigkeitstropfen (Abbildung 9), illustrieren die Benetzung und ihre Unterteilung. Bei einer spontanen Spreitung der Flüssigkeit liegt eine sehr gute und bei Werten von ϑ 30 noch eine gute Benetzung vor. Quecksilbertropfen behalten häufig ihre Kugelform und benetzten eine Oberfläche nicht (ϑ 180 ). Der Randwinkel (ϑ) kann über die Gleichung von Young als Maß für die Benetzbarkeit herangezogen werden. Abbildung 9: Benetzung von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen. σ S = Oberflächenenergie des Feststoffs σ L = Oberflächenspannung der Flüssigkeit σ LS = Grenzflächenenergie flüssig/fest ϑ = Randwinkel Bei ϑ = 0 vollständige, ϑ = 180 keine Benetzung. Seite 11

15 Haftungsmechanismen Die Benetzung ist der Grund dafür, dass Klebstoffe normalerweise flüssig appliziert werden. Sie müssen sich auf Oberflächen ausbreiten, wofür eine gewisse Fließfähigkeit (niedrige Viskosität) gefordert ist. Mindestens müssen sie ausreichend bewegliche Oberflächenmoleküle aufweisen. Durch Druck wird eine bessere Benetzung erzielt, warum unter Druck gehärtete Klebungen eine höhere Festigkeit erreichen. Abbildung 10: Links: hochviskoser Klebstoff; Rechts: niedrigviskoser Klebstoff. Außerdem ist das Benetzungsverhalten der Fügeteile für die Güte der Klebung von entscheidender Bedeutung. Ohne eine ausreichende Benetzung wird das Ergebnis der Klebung nicht befriedigend ausfallen, da für eine Bindung zwischen Klebstoff und Fügeteil durch Adhäsion eine Annäherung in atomaren Größenordnungen Grundvoraussetzung ist, und dies wird über die Benetzung erlangt. Eine gute Benetzung während der Applikation garantiert allerdings keine gute Haftung nach dem Abbinden des Klebstoffs, denn neben dem Zugang ist auch eine gute Wechselwirkung der aktiven Strukturen von Klebstoff und Werkstoffoberfläche selbst erforderlich. Zur Orientierung fasst Tabelle 1 Werte für Oberflächenspannungen zusammen. Die Einheit ist mn/m = Milli (10-3 ) Newton pro Meter. Aus Sicht der klebtechnischen Praxis sollte der Klebstoff für eine gute Benetzung eine geringere Oberflächenspannung als die zu klebende Werkstoffoberfläche aufweisen, gegebenenfalls müssen die Klebstoffe den Oberflächen angepasst werden. In einigen Fällen existieren Möglichkeiten, um die Oberflächeneigenschaften der Werkstoffe für das Kleben zu modifizieren (Oberflächenvorbehandlung). Tabelle 1: Größenordnungen von Oberflächenspannungen. Material Oberflächenspannung Metalle mn/m Gläser mn/m Wasser mn/m Quecksilber 472 mn/m Kunststoffe mn/m Klebstoffe mn/m Große Oberflächenspannungsdifferenzen ergeben sich von Klebstoffen zu Metallen, warum sich Metalle nach entsprechender Vorbehandlung gut bis sehr gut (Ausnahme: Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin usw. wegen ihres edlen Charakters) kleben lassen. Auf der anderen Seite ist das Kleben von Kunststoffen nur unter speziellen Voraussetzungen möglich. Zum Test der Oberflächenspannung eines Werkstoffs mittels Wassertropfen: benetzt Wasser eine Oberfläche wird auch ein Klebstoff wegen der geringeren eigenen Oberflächenspannung gegenüber Wasser die Oberfläche benetzten. Oberflächenspannungen einzelner Werkstoffe [mn/m]: Polytetrafluorethylen = 18.5 Silikone = 24 Naturkautschuk = 24 Polypropylen = 29 Polyethylen = 31 Polystyrol = 33 Polyvinylchlorid = 40 Epoxidharz = 47 Zink = 1020 Aluminium = 1200 Gold = 1550 Kupfer = 1850 Nickel = 2450 Eisen = 2550 Seite 12

16 Klebstoffchemie Klebstoffchemie Die Mehrheit der verwendeten Klebstoffe gehört zur Gruppe der synthetischen, organischen Polymere und wird nach den üblichen Synthesemethoden der Polymerchemie wie Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition hergestellt. Als Polymerisation sind Reaktionen von Monomeren mit reaktiven Doppelbindungen zu verstehen, die nach Initialisierung durch Radikale, Kationen oder Anionen über Kettenwachstumsreaktionen in Makromoleküle übergehen. Polymerisation S R R R R S E E S = Initiator/Starter = R (Radikal), M + (Kation), X - (Anion); E = Endgruppe (Kettenabbruch); R = Rest Polykondensationen umfassen Reaktionen von polyfunktionellen Verbindungen, bei denen in den Stufenwachstumsreaktionen niedermolekulare Verbindungen wie z.b. Wasser abgespalten werden. Kondensation O HO O OH + HO OH - H 2 O O HO O O OH Terephthalsäure + 1,2-Ethandiol Vorstufe zu Polyethylenterephthalat (PET) Reaktionen von mindestens zwei verschiedenen, funktionalisierten Monomeren, die durch Addition zu Polymeren führen, werden als Polyaddition bezeichnet. Addition O O C N (CH 2 ) 6 N C O + HO (CH 2 ) 4 OH O C N (CH 2 ) 6 N H O (CH 2 ) 4 OH 1,6-Hexandiisocyanat + 1,4-Butandiol Vorstufe zu Polyurethan Die Reaktionsgleichungen zeigen lediglich das erste Glied der Kette und keine Polymere. Von Poly- Polymeren wird erst ab einer Anzahl von etwa 20 Kettengliedern gesprochen, darunter (bis etwa 3 Kettengliedern) ist die Rede von Oligomeren. Bei den ausgewählten Beispielen für die (Poly-) Kondensation und die (Poly-) Addition wechseln sich die Bausteine nach einer exakten Reaktionsgleichung in der Polymerkette ab, es resultieren ABABABAB-Polymere, daher ist auf ein genaues Mischungsverhältnis der einzelnen Komponenten zu achten. Ansonsten wird die Komponente im Überschuss in der Klebschicht zurückbleiben und diese schwächen. Beispiele für Substituenten an der Vinyl-Gruppe: R = Vinylgruppe Geradkettige, lineare Polymere werden durch Polymerisation von monofunktionellen bzw. durch Polykondensation oder Polyaddition von bifunktionellen Ausgangsverbindungen erhalten. Die Produkte sind zumeist löslich, ohne Abbaureaktionen schmelzbar und werden den Thermoplasten zugeordnet. Typische thermoplastische Standardpolymere sind PS (Polystyrol), PE (Polyethylen), PP (Polypropylen) oder PVC (Polyvinylchlorid). Etwas höherwertig und für anspruchsvollere Anwendungen geeignet sind beispielsweise PC (Polycarbonat), POM (Polyoxymethylen) oder PMMA (Polymethylmethacrylat). Als Klebstoff kommen Polymerisate der (Meth)acrylsäureesther oder Vinylester in Lösung bzw. als Dispersion oder des Isobutylens als Haftklebstoff in Frage. Hinzu kommen die Copolymerisate etwa von Ethylen und Vinylacetat (EVA), die Styrol-Butadien- R = R = R = R = R = H Cl O O O OH = Ethylen = Vinylchlorid = Vinylacetat = Acrylsäure = Styrol Seite 13

17 Klebstoffchemie Blockpolymerisate (SBR) oder die häufig als Basis für Schmelzklebstoffe dienenden Polyethylenterephthalate. Diese Systeme gehören zu den physikalisch abbindenden Klebstoffen. Höher funktionalisierte Ausgangsmaterialien führen zu engmaschigen, dreidimensionalen Netzwerken, den Duroplasten. Duroplaste (beispielsweise vernetzte Epoxidharze oder Polyurethane) können nicht unzersetzt geschmolzen werden und sind in der Regel schwer löslich. Diese Rohstoffe können jedoch die Basis für Reaktionsklebstoffe bilden. Ergänzend sei erwähnt, dass von Elastomeren oder Kautschuken gesprochen wird, falls die Maschenweite des Netzwerks sowie die Beweglichkeit der Polymerketten groß und die Glastemperatur kleiner als die Gebrauchstemperatur ist. Elastomere sind ebenfalls nicht schmelzbar, lassen sich jedoch mit geeigneten Lösungsmitteln (stark) quellen und haben mehr oder weniger elastische Eigenschaften. Ein möglichst großes Molekulargewicht der Klebstoffpolymere wirkt sich im Allgemeinen positiv sowohl auf die Kohäsion als auch auf die Adhäsion aus. Für die Löslichkeit, Schmelztemperatur und Viskosität werden größere Molekulargewichte bei gleichem Polymertyp jedoch ungünstiger, so dass für Klebstoffe, die als Lösung, Dispersion oder Schmelze eingesetzt werden, ein Kompromiss für die Verarbeitung gefunden werden muss. Bei den Reaktionsklebstoffen dagegen wird häufig bewusst ein möglichst großes Molekulargewicht inklusive Vernetzungsreaktionen angestrebt. 3.1 Ausgewählte Klebstoffsysteme Im Folgenden sollen einige Klebstoffsysteme vorgestellt werden ohne Anspruch auf Vollständigkeit Reaktionsklebstoffe Bei Reaktionsklebstoffen (chemisch abbindende Klebstoffe) wird der eigentliche Klebstoff erst in der Klebfuge durch eine chemische Reaktion gebildet. Zunächst liegen die Komponenten als reaktive Monomere bzw. Prepolymere vor. Je nach Art der Komponenten können die zuvor genannten Polymerreaktionen ablaufen. Nach einer Initialisierung (z.b. durch Mischen von 2 Komponenten) startet die Reaktion und der Klebstoff härtet innerhalb eines für das System typischen Zeitraums aus, was Stunden bis Tage dauern kann. Neben der Zeit ist die Temperatur eine wichtige Einflussgröße bis zum Erreichen der Endfestigkeit. Als Faustregel kann gelten, dass eine Temperaturerhöhung um 10 C die Reaktionszeit halbiert (Arrhenius Gleichung). Außerdem kann bei einer höheren Temperatur ein höherer Vernetzungsgrad und damit eine höhere Endfestigkeit erzielt werden. Die Reaktionsklebstoffe werden in Ein- und Mehrkomponenten-Systeme unterteilt. Bei den Einkomponenten-Systemen (1-K-Klebstoffe) ist eine effiziente physikalische oder chemische Blockade der Klebstoffe notwendig, damit diese nicht zu früh (Transport, Lagerung, Applikation) abreagieren. Daher sind Verpackungen und Auftragseinheiten für diese Produkte mit Sorgfalt auszuwählen. Erst in der Klebfuge soll der Klebstoff nach Aufhebung der Blockade durch einen äußeren Einfluss (erhöhte Temperatur, Strahlung, Feuchtigkeit, Ausschluss von Sauerstoff usw.) aushärten. Bei genauer Betrachtung können einige dieser Systeme auch den Zweikomponenten-Systemen zugeordnet werden, da sie einen Reaktionspartner (z.b. Wasser) aus der Umgebung benötigen. Diese Tatsache ist beim Einsatz solcher Klebstoffe zu beachten und es muss sichergestellt werden, dass der notwendige Reaktionspartner in ausreichender Menge vorhanden ist. Die Mehrkomponenten-Systeme bestehen aus mindestens zwei (die Überzahl dieser Klebstoffe sind Zweikomponenten-Systeme (2-K-Klebstoffe) bestehend aus Harz und Härter) getrennt hergestellten und angelieferten Reaktionspartnern, wodurch sie mechanisch blockiert sind. Durch Mischen der Komponenten im richtigen, vorgegebenen Verhältnis setzt die Reaktion gewöhnlich spontan, also bei Raumtemperatur (RT), ein, was auf eine Wärmetönung (exotherme Reaktion) hindeutet, die zu berücksichtigen ist. Die Temperaturabhängigkeit zeigt sich auch bei diesen Systemen, so dass besonders bei größeren Ansätzen die Topfzeit, die Zeitspanne, in der solche Systeme brauchbar verarbeitet werden können, verkürzt wird. Wichtige Reaktionsklebstoffe sind: Epoxid-, Polyurethan-, Phenol- und Aminoplast-Klebstoffe sowie Klebstoffe auf Silikonbasis, wobei in der Praxis auch Kombinationen zum Einsatz kommen. Arrhenius Gleichung: A = E a = R = T = ln! = ln # $% präexponentieller Faktor Aktivierungsenergie Gaskonstante absolute Temperatur Seite 14

18 Klebstoffchemie Epoxidharzklebstoffe Unter den Reaktionsklebstoffen nehmen die Epoxidharzklebstoffe eine sehr wichtige Stellung ein. Wegen der großen strukturellen Variabilität der organische Grundbausteine (R) lassen sich vielfältige Kompositionen realisieren und zugeschnitten auf unterschiedlichste Anwendungen umsetzten. Sie bestehen immer aus Harz und Härter und werden als heißhärtende 1-K-Klebstoffe, als kalthärtende 2-K-Klebstoffe und als reaktive 1-K-Schmelzklebstoffe angeboten. Bei den heißhärtenden 1- K-Systemen liegen Harz und Härter bereits im exakten Mischungsverhältnis vor, die Reaktion setzt jedoch erst bei erhöhter Temperatur ein. Das gleiche gilt für die reaktiven 1-K-Schmelzklebstoffe, die bei C appliziert werden. Der Klebstoff verfestigt durch Abkühlen und bindet zusätzlich chemisch ab, so dass duroplastische, nicht lösliche und nicht erneut schmelzbare (im Gegensatz zu thermoplastischen Schmelzklebstoffen) Klebschichten mit einer hohen Festigkeit erhalten werden. Die kalthärtenden 2-K-Klebstoffe werden als Lösungen eingesetzt, jedoch können die Fließeigenschaften von Harz und Härter durch chemische Modifikationen gezielt eingestellt werden, so dass im Allgemeinen relativ wenig Lösungsmittel erforderlich ist. Kennzeichnend für diese Gruppe von Klebstoffen ist die Epoxid-Gruppe, ein gespannter, reaktiver Dreiring gebildet aus zwei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom, die in den Molekülen der Harzkomponente enthalten ist. Als Härter werden nucleophile Verbindungen (z.b. Amine) verwendet, die unter Ringöffnung an die Epoxid-Gruppe addieren. O R 1 O + R 1 H 2 N R2 N NH 2 OH H Harz (mit zwei Epoxid-Gruppen) + Härter (ein Diamin) R 2 N H OH R 1 OH N H Additionsprodukt von Harz und Härter Über die Wahl der Komponenten und Verarbeitungsbedingungen werden die Eigenschaften der Klebschicht eingestellt. Im gewählten Beispiel könnte das primäre Amin (nur ein organischer Rest (R 2 ) am Stickstoffatom) an ein zweites Epoxid addieren, aber auch die gebildete Hydroxyfunktion (OH-Gruppe) könnte addieren (Reaktionsgeschwindigkeiten: NH 2 > NH > OH, OH reagiert erst bei höheren Temperaturen), so dass sich vernetzte Strukturen (Duromere) ergeben, was in der Regel angestrebt wird. Über den Aufbau von Harz und Härter mit jeweils mehr als zwei funktionellen Gruppen ließen sich weitere Vernetzungspunkte integrieren. Die Klebungen mit Epoxidharzsystemen zeichnen sich auf Grund der im Allgemeinen hohen Vernetzung durch eine hohe Festigkeit auch bei höheren Temperaturen ( C, Dauer-Wärmefestigkeit), eine gute Alterungsbeständigkeit und einer geringen Feuchtigkeitsempfindlichkeit aus. Außerdem zeigen sie kaum eine Neigung zum Kriechen und haften auf vielen Werkstoffen. Insbesondere sind sie für Metallklebungen geeignet und finden daher breite Anwendung im Fahr- und Flugzeugbau sowie im Bausektor. Durch die hohe Festigkeit der duromeren Klebschichten sind Epoxidharzklebstoffe für strukturelle Klebungen geeignet, allerdings kann diese Steifigkeit ihre Anwendung auch einschränken Polyurethanklebstoffe Für die Polyurethanklebstoffe (kurz PUR- oder PU-Klebstoffe) ist die Isocyanat-Gruppe ( N=C=O) die charakteristische Einheit in den Ausgangsverbindungen der Härterkomponenten. Wie bei den Epoxidharzklebstoffen können Nucleophile addieren. Als Harz werden Polyole (Verbindungen mit mehr als einer OH-Gruppe) verwendet, so dass nach der Addition die namensgebende Funktionalität, die Urethan-Gruppe ( NH CO O ), im Molekül enthalten ist. C O N R1 N C O + HO R2 OH Härter (mit zwei Isocyanat-Gruppen) + Harz (ein Diol) R 1 N H O O O O R2 O R 1 N N H H Additionsprodukt von Härter und Harz O R 2 R 2 Rohstoffe für Klebstoffe: natürlich pflanzlich Eiweiß; Stärke (Dextrin); Gummiarabikum; Traganth; Alginat; Pektine; Naturharze; Latex tierisch Glutin (Haut-, Leder-, Knochenleime); Casein; Blutalbumin künstlich physikalisch abbindend trocknende Systeme (Lösungen, Dispersionen): Celluloseester, -ether; synthetische Kautschuke, z.b. Polychlorbutadien, Copolymerisate von Butadien mit Acrylnitril bzw. Styrol; Polyvinylester, Polyvinylether, Polyacrylsäureester; Chlorkautschuk; Polyurethanelastomere abkühlende Systeme (Schmelzen): Ethylencopolymerisate; Polyalkylenterephthalate; Polyamide; Butadien- Blockpolymerisate chemisch abbindend Epoxide; Urethane; Kondensationsprodukte von Harnstoff, Melamin und Phenol; Silikone; (Meth)acrylate; Cyanacrylate (3) Seite 15

19 Klebstoffchemie Die Flexibilität bei der Gestaltung der organischen Grundbausteine (R) ermöglicht wie bei den Epoxidharzklebstoffen die Entwicklung von unterschiedlichsten Klebstoffsystemen für verschiedenste Anwendungen. Erhältlich sind sie als feuchtigkeitshärtende und als heißhärtende 1-K-Klebstoffe, als kalthärtende 2-K-Klebstoffe und als reaktive 1-K-Schmelzklebstoffe, ferner sind sie in Lösungsmittelklebstoffen und wässrigen Dispersionsklebstoffen im Gebrauch. In allen Fällen werden die Eigenschaften der Klebschicht durch die Wahl der Ausgangsverbindungen (z.b. Anzahl der funktionellen Gruppen in den Monomeren) bestimmt, so dass die Systeme zu Elastomeren (weichelastisch) oder zu Duromeren (hart) aushärten können. Die feuchtigkeitshärtenden 1-K-Klebstoffe bestehen aus nicht flüchtigen, viskosen Polyurethan- Prepolymeren mit endständigen Isocyanat-Gruppen, die zum Teil durch Wasser aus der Umgebung unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid (CO 2) zu Aminen ( NH 2) umgesetzt werden. Die gebildeten Amine addieren anschließend als Nucleophile an noch vorhandene Isocyanat-Gruppen, wodurch sich die Klebschicht von außen nach innen verfestigt. In der Regel werden gummielastisch, flexible Verbindungen erhalten, warum feuchtigkeitshärtenden 1-K-Polyurethanklebstoffe besonders für Klebungen von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten geeignet sind. Die heißhärtenden 1-K-Systeme enthalten chemisch geschützte Isocyanat-Komponenten sowie Polyurethan-Prepolymeren mit OH-Endgruppen. Die Schutzgruppen am Isocyanat können bei erhöhter Temperatur abgespalten werden, so dass nach der Freisetzung die gewohnte Reaktion ablaufen kann. Die erforderlichen Temperaturen zur Aushärtung dieser hochfesten Systeme liegen im Bereich von C und im Allgemeinen werden zähharte Klebschichten mit einer bestimmten Elastizität erhalten. Die 2-K-Polyurethanklebstoffe funktionieren nach der üblichen Art und Weise für 2-K-Systeme. Nach dem Mischen der Komponenten setzt die Reaktion ein und der Klebstoff härtet aus. Die Aushärtung kann durch Temperaturerhöhung sowie Zugabe von Katalysatoren beschleunigt werden, womit gleichzeitig die Festigkeit der Klebung vergrößert wird. Die Lösungsmittel- und Dispersionsklebstoffe auf Polyurethanbasis können als reaktive 2-K- Systeme mit für die Bedingungen speziell vorbereiteten Einzelkomponenten oder als physikalisch abbindende 1-K-Systeme vorliegen. Die große Vielfalt der Grundsysteme (feuchtigkeitshärtende 1-K-Klebstoffe bis physikalisch abbindende Dispersionsklebstoffe) sowie die hohe Variabilität der organischen Grundbausteine, mit der Möglichkeit die Klebschichten von weichelastisch bis hart einzustellen, haben zu einer breiten Anwendung von Polyurethanklebstoffen geführt. Sie werden z.b. in der Schuh-, Verpackungs- und Fahrzeugindustrie oder im Bausektor (u.a. als Schäume) eingesetzt. Anders als bei den Epoxidharzklebstoffen wird bei den Polyurethanklebstoffen ein mehr oder weniger ausgeprägtes elastisches Verhalten angestrebt, das bis hin zu tieferen Temperaturen erhalten bleibt (gute Kälteflexibilität), womit sie sich besonders zum Fügen von flexiblen Werkstoffen (z.b. Förderbänder) eignen. Daneben zeichnen sich Polyurethanklebstoffe durch eine außergewöhnlich gute Adhäsionsbandbreite, eine hohe mechanische Festigkeit, eine sehr gute Witterungs-, eine gute Chemikalienbeständigkeit und einer hohen Wärmestandfestigkeit aus. Die Gesundheitsgefährdung durch Isocyanatverbindungen ist bei der Verwendung von Polyurethanklebstoffen zu Bedenken Acrylatklebstoffe Den Acrylatklebstoffen ist die Acryl-Gruppe gemein. Die Carbonylfunktion polarisiert durch ihren elektronenziehenden Charakter (Elektronenakzeptor) die Doppelbindung, so dass an der endständigen Methylen-Einheit eine positive Partialladung erhalten wird, an die zum Start der Polymerisation ein Nucleophil als Initiator addieren kann. Zusätzlich stabilisiert die Carbonyl-Gruppe die carbanionische Zwischenstufe. O R n Zur Polymerisation der Acrylate wird ein Initiator benötigt. O R n Polymerisationsprodukt: Polyacrylat. Acryl-Gruppe O R Seite 16

20 Klebstoffchemie Die reaktiven Acrylatklebstoffe kommen als 1-K- und 2-K-Systeme in den Handel. Die 1-K-Systeme benötigen zum Start der Polymerisationsreaktion einen Starter aus der Umgebung, der die anionische Polymerisation einleitet, z.b. Hydroxid-Ionen (OH - ) aus der Luftfeuchtigkeit und deren Autoprotolyse. Die bekanntesten Vertreter der 1-K-Systeme sind die Cyanacrylatklebstoffe, die umgangssprachlich häufig Sekundenkleber genannt werden. Die Monomere bilden die Klebstoffbasis, daher sind diese Klebstoffe meist sehr dünnflüssig, und reagieren erst in der Klebfuge zum eigentlichen Klebstoffpolymer aus. OH δ O δ OR CN HO O OR CN δ O δ OR CN Hydroxid leitet die anionische Polymerisation ein, die dann selbstständig weiterläuft. Bereits nach kurzer Zeit werden durch die schnelle Polymerisationsreaktion, begünstigt durch die Anwesenheit von einer Cyano- und einer Ester-Gruppe (zwei Elektronenakzeptoren mit stabilisierendem Einfluss auf die Zwischenstufe), handfeste Klebungen erhalten. Die Endfestigkeit stellt sich jedoch erst nach mehreren Stunden ein. Die Klebschichten aus Cyanacrylatklebstoffen weisen eine hohe mechanische Festigkeit auf, sie sind jedoch wenig flexibel, spröde und außerdem feuchtigkeitsempfindlich. Das gebildete Klebstoffpolymer wird durch Wasser wieder aufgespalten. Als Thermoplasten ist die Wärmebeständigkeit limitiert und auf Grund der Dünnflüssigkeit der Klebstoffe sind die Klebstoffschichtdicken meist gering ( 100 µm). (Für größere Schichtdicken stehen speziell eingedickte Systeme zur Verfügung, bei denen aber sichergestellt werden muss, dass ausreichend Feuchtigkeit in die Klebfuge gelangt, sonst droht der Abbruch der Polymerisationsreaktion.) Stark alkalische Bedingungen oder eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit (> 80%) können zu zu schnellen Reaktionen führen (Schockhärtung), was Spannung in der Klebfuge und damit eine reduzierte Festigkeit der Klebung ergeben kann. Die hohe Adhäsionsbandbreite (Metalle, Gläser, Kunststoffe, Keramiken) hat jedoch zu einer vielfältigen Anwendung im Gebiet der Mikroelektronik, der Optik und der Fahrzeugtechnik geführt, wo Kleinteile gefügt werden und sehr geringe Klebspalte möglich sind. Außerdem finden sie Verwendung in der Medizin als Gewebeklebstoffe und Sprühverbände. Ein Beispiel für ein 2-K-System ist Methylmethacrylat (MMA, Plexiglas). Gegenüber den Cyanacrylaten ist in diesem System die elektronenziehende Cyano-Gruppe durch eine elektronenschiebende Methyl-Gruppe (Elektronendonator) in den Monomeren ausgetauscht, wodurch die Reaktivität der Doppelbindung der Art reduziert wird, dass die Hydroxid-Ionen aus der Luftfeuchtigkeit der Umgebung keine anionische Polymerisation mehr einleiten können. Die Polymerisation wird radikalisch geführt und setzt erst durch Zugabe eines Radikalstarters (z.b. Dibenzoylperoxid) sowie eines Beschleunigers (z.b. N,N-Dimethyl-p-toluidin) ein. Alle drei Bestandteile sind notwendig, um die Reaktion zu starten, wodurch die Gestaltung der 2-K-Systeme sehr flexibel wird. O O O O Peroxid N Beschleuniger O O + O O O Bildung des Radikalstarters. O + CO 2 Z.B. können die 2-K-Systeme aus einer Komponente mit dem im Methylmethacrylat-Monomer gelösten Beschleuniger und die zweite Komponente mit dem im Methylmethacrylat-Monomer gelösten Radikalbildner aufgebaut sein, oder eines der drei Bestandteile wird getrennt auf einem Fügeteil aufgebracht und die beiden übrigen Bestandteile auf dem zweiten, so dass erst beim Fügen die drei Eine weitere Möglichkeit zum Einleiten einer Polymerisationsreaktion ist die Aktivierung einer C=C-Doppelbindung durch UV-Licht. Strahlungshärtende Klebstoffe werden zum Fügen von Glas-Glasund Glas-Metall-Klebungen und bei UV durchlässigen Kunststoffen (z.b. Plexiglas) eingesetzt. Seite 17

21 Klebstoffchemie Bestandteile zusammenkommen und die Polymerisationsreaktion einsetzt. Natürlich sind auch Varianten erhältlich, bei denen alle drei Komponenten kurz vor dem Kleben vermischt werden, wobei dann, je nach Einstellung des Gesamtsystems, eine Topfzeit zu beachten ist. + n O O O n - 1 Radikalkettenpolymerisation. Anders als bei den zuvor beschriebenen Systemen (Harz zu Härter = 1 : 1) werden bei den Polymerisationen nur geringe Mengen (ca. 3 5%) der Härter-Komponenten zum Start der Reaktion benötigt. Geringere Mengen verlangsamen die Reaktion, größere Konzentrationen vermindern die Endfestigkeit. Ähnliches gilt für eine Temperatursteigerung während der Reaktion. Ausgehärtete Methylmethacrylatklebstoffe gehören zu den Thermoplasten, sind jedoch relativ temperaturbeständig (bis etwa 100 C, kurzzeitig bis 180 C). An vielen Kunststoffen weisen Methylmethacrylatklebstoffe gute Hafteigenschaften auf, weshalb sie zum Kleben von Kunststoffen miteinander sowie zum Kleben von Kunststoffen und Metallen verwendet werden. Außerdem können sie zum strukturellen Kleben von Metallen eingesetzt werden. Die Flexibilität und Elastizität lässt sich in einem bestimmten Rahmen variieren. Über die Viskositätseinstellung des Grundsystems können auch größere Spaltbreiten überbrückt werden. Typische Einsatzgebiete für diese Klebstoffgruppe sind im Fahrzeugbau angesiedelt Ungesättigte Polyesterklebstoffe (UP) Ester (R 1 COOR 2 ) sind Kondensationsprodukte von Carbonsäuren (R 1 COOH) mit Alkoholen (R 2 OH). Ungesättigte Polyesterklebstoffe sind Polymere aufgebaut aus Di- oder Polycarbonsäuren sowie Polyolen, die zusätzlich Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindungen (C=C, ungesättigt) im Polymer enthalten. n HO O O + OH n HO OH - H 2 O Fumarsäure und 1,2-Propandiol (1,2-Propylenglycol) bilden einen ungesättigten Polyester. HO O O O OH n Die Doppelbindungen können durch die Carbonsäure und/oder den Alkohol in den Klebstoff eingebracht werden. Damit sind ungesättigte Polyesterklebstoffe als reaktive Prepolymere zu betrachtet, da die enthaltenen Doppelbindungen für weitere Reaktionen zur Verfügung stehen. Zusätze zur Copolymerisation (z.b. Styrol), die nebenbei als Lösungsmittel für die Polyesterpolymere fungieren und die Viskosität des Gesamtsystems bei der Verarbeitung beeinflussen, oder auch die Polyesterketten untereinander können über eine Radikalkettenpolymerisation vernetzt werden. Dazu werden z.b. organische Peroxidhärter als Initiatoren bei erhöhter Temperatur eingesetzt. Je nach Wahl der Ausgangsverbindungen und Reaktionsbedingungen lassen sich die Eigenschaften der Klebschicht einstellen, die von gummielastisch bis spröde und hart reichen. Die Anwendungen von ungesättigten Polyestern sind vielfältig. Sie werden z.b. in der Möbel-, Bau-, Fahrzeug- und Apparateindustrie sowie im Bootsbau verwendet und dienen zur Herstellung von Formteilen und Spachtelmassen (z.b. Autoreparatur) Silikone In Silikonen wird das Rückgrat der Makromoleküle durch periodisch alternierende Silicium- und Sauerstoffatome gebildet. Organische Strukturen sind lediglich in Seitenketten enthalten, wodurch sie eine Sonderposition zwischen den organischen und anorganischen Verbindungen einnehmen Seite 18

22 Klebstoffchemie und Systeme mit speziellen Eigenschaften zulassen. R Si R O O Si R R R Si R Anorganisches Rückgrat von Silikonen mit alternierenden Silicium- und Sauerstoffatome sowie organischen Resten (R) in den Seitenketten. Die hohe Beweglichkeit in der Hauptkette der Silikonpolymere hat, neben vergleichsweise geringen zwischenmolekularen Kräften einzelner Makromoleküle untereinander, eine hohe Elastizität bis hin zu tiefen Temperaturen (-90 C) zur Folge, ohne dass sich andere Eigenschaften wesentlich ändern. Durch die hohe Bindungsenergie zwischen Silicium und Sauerstoff ergibt sich eine hohe Dauerwärmebeständigkeit bis über 200 C sowie eine gute UV- und herausragende Feuchtigkeits- und Witterungsbeständigkeit. Nachteilig wirkt sich die im Allgemeinen geringe mechanische Belastbarkeit der Klebungen aus, so dass sie hauptsächlich als Dichtstoffe in Form reaktiver Einkomponenten-Systeme (RTV-1-Systeme, Raum-Temperatur-Vulkanisation) eingesetzt werden. Die Kleb- und Dichtstoffe auf Silikonbasis bestehen aus Silikonprepolymeren mit geschützten Kettenenden, die durch Luftfeuchtigkeit (RTV-1-Systeme) oder nach Zusatz eines Härters (RTV-2- Systeme) nach dem Mechanismus der Polykondensation oder der Polyaddition aushärten. Es stehen bei den RTV-1-Systemen sauer vernetzende (Freisetzung von Essigsäure), alkalisch vernetzende (Freisetzung von Aminen) und neutral vernetzende (Freisetzung von z.b. Alkoholen) Systeme zur Verfügung, die auf die zu fügenden Werkstoffe abgestimmt werden. Voraussetzung für die vollständige Aushärtung der Systeme ist eine ausreichende Menge Feuchtigkeit. Ist dies nicht gegeben kommen RTV-2-Systeme zum Einsatz, z.b. wenn dicke Klebschichten (> 6 mm) oder großflächige Klebungen von wasserundurchlässigen Materialien angestrebt werden. Die besonderen Eigenschaften und die große Variabilität der Silikonklebstoffe haben zu einem breiten Anwendungsspektrum von der Elektrotechnik über die Produktion von Haushaltsgeräten und den Fahrzeugbau bis hin zur Luft- und Raumfahrtechnik geführt Lösungsmittelklebstoffe Lösungsmittelklebstoffe enthalten alle Komponenten eines Klebstoffs gelöst oder wenigstens angepastet in organischen Lösungsmitteln oder Lösungsmittelgemischen (Ester, Ketone, Alkohole), die lediglich für die Verarbeitung, zum Auftragen, von Bedeutung sind und aus der Klebschicht vollständig entweichen können müssen. Abbildung 11: Abhängigkeit des Lösungsmittelgehalts in der Klebschicht von der Zeit. Die Bezeichnung von Lösungsmittelklebstoffen als Nassklebstoffe dient zur Differenzierung zu Kontaktklebstoffen hinsichtlich der Verarbeitung. Nassklebstoff ist jedoch keine allgemein gültige Klebstoffkennzeichnung. Seite 19

23 Klebstoffchemie Beim Fügen von lösungsmittelundurchlässigen Materialien (Metalle, Gläser, Duroplaste) ist eine Mindesttrockenzeit einzuhalten, nach der der Hauptteil an Lösungsmitteln abgelüftet ist, aber noch ausreichend viel in der Klebschicht vorhanden ist, um eine gute Benetzung des zweiten Fügeteils sicherzustellen. Auch bei durchlässigen, saugfähigen Materialien (Papier, Holz, Leder) empfiehlt sich die Mindesttrockenzeit abzuwarten. Anschließend muss der eigentliche Fügeprozess innerhalb der offenen Zeit des Klebstoffsystems durchgeführt werden. Nach überschreiten der maximalen Trockenzeit ist die Klebschicht bereits so weit verfestigt, dass eine genügende Benetzung der zweiten Fügeteiloberfläche nicht mehr gegeben ist. Der Klebstoffanteil in Lösungsmittelklebstoffen beträgt etwa 15 25%. Typische Polymere in Lösungsmittelklebstoffen sind Natur- und künstliche Kautschuke, Polyvinylalkohol und Copolymere, Polyvinylacetat und Copolymere, Acrylate, Polyurethane und Nitrocellulose, die auch als Gemische und in Kombination mit klebrig machenden Harzen zum Einsatz kommen. Der thermoplastische Charakter der Klebstoffgrundstoffe inklusive ihrer Vor- und Nachteil (z.b. Kriechen) ist bei der Verwendung von Lösungsmittelklebstoffen zu Berücksichtigen. Außerdem geht der Trend aus ökologischen und ökonomischen Gründen (Arbeitsschutz) eher weg von Lösungsmittelklebstoffen. Trotzdem haben lösungsmittelbasierende Klebstoffsysteme ihre Berechtigung. Sie zeigen auf vielen Materialien gute Benetzungseigenschaften und können zum Diffusionskleben (Quell- oder Kaltschweißen) bei thermoplastischen Kunststoffen (z.b. PVC) eingesetzt werden Dispersionsklebstoffe Unter einer Dispersion ist eine feinste Verteilung einer festen Substanz in einer flüssigen Phase zu verstehen, ohne dass die feste Phase gelöst ist. Sie schwimmt sozusagen in der flüssigen Phase. Bei vergleichbaren flüssig-flüssig Systemen ist die Rede von Emulsionen (z.b. Milch). Es handelt sich damit um Mehrphasensysteme mit dem Dispersionsmittel als äußere, durchgehende (kohärente) Phase und der dispersen Phase als innere, verteilte (inkohärente) Phase. Bei Dispersionsklebstoffen, die quantitativ zu den wichtigsten Klebstoffsystemen gehören, dient Wasser in den meisten Fällen als flüssige Phase, in der die Klebstoffpolymere als feste Phase dispergiert vorliegen und sich auf Grund der Größe der Partikel (Teilchengröße 500 nm (feindispers), nm (mitteldispers), > 2000 nm (grobdispers)) sowie Zusätzen (Stabilisatoren, Emulgatoren) nicht abscheiden (sedimentieren). Typische Feststoffgehalte liegen im Bereich von 40 70%. Das Abbinden dieser Klebstoffgruppe wird durch das Entfernen der flüssigen Phase eingeleitet. Übrig bleiben die Klebstoffpolymere, die zur Klebschicht verschmelzen (Filmbildung), wobei eine Mindestfilmbildungstemperatur nicht unterschritten werden darf. Polyvinylacetat, Acrylate, Kautschuke, Polyurethane und Polychloropren sind wichtige Basen für Dispersionsklebstoffe. Beim Einsatz von Dispersionsklebstoffen ist zu beachten, dass die flüssige Phase entweichen können muss, daher sind undurchlässige Werkstoffe wie Metalle und Gläser mit ihnen nicht klebbar Kontaktklebstoffe Kontaktklebstoffe sind in der Regel einkomponentige Lösungsmittel- oder Dispersionsklebstoffe, die auf beiden Fügepartnern aufgetragen werden und aus denen das Lösungsmittel vor dem Fixieren soweit abgedampft sein muss, dass sich die Klebschichten berührtrocken anfühlen. Nach dieser Ablüftzeit (je nach Klebstoffmenge 5 20 Minuten) werden die Fügeteile mit einem möglichst großen Anpressdruck gefügt, wobei die Polymermoleküle ineinander diffundieren und verschlaufen. Zudem können kristalline Strukturen in der Klebschicht zur Festigkeit nach kurzer Zeit beitragen. Der Auftrag auf beide Fügeteile inklusive Ablüftens empfiehlt sich immer dann, wenn die zu klebenden Materialien lösungsmittelundurchlässig (Metalle, Gläser, Kunststoffe) sind. Einseitige Verklebungen, der Auftrag des Klebstoffs auf nur einem Fügepartner (Nasskleben), können dann angewendet werden, wenn mindestens ein Fügeteil lösungsmitteldurchlässig oder saugfähig ist (Leder, Textilien, Holz). Bei einseitiger Anwendung ist das vollständige Abtrocknen vor dem Fügen nicht erforderlich. Seite 20

24 Klebstoffchemie Haftklebstoffe, Klebebänder Haftklebstoffe sind hochviskose, dauerklebrige, nicht aushärtende Klebstoffe, die auf die Sonderform der Applikation abgestimmt sind. Unter Berücksichtigung der Mindestverarbeitungstemperatur, über die das Fließverhalten und damit die Benetzung beeinflusst wird, bilden sie durch Druck Adhäsion zum Substrat aus (engl.: pressure sensitive adhesives (PSA)). Zu niedriger Anpressdruck oder eine zu geringe Verarbeitungstemperatur (zu hohe Viskosität des Klebstofffilms) führen häufig zu Klebfehlern. Möglichst glatte Oberflächen der Fügeteile begünstigen die Benetzung, während raue Oberflächen die Benetzung verzögern oder gar hemmen. Nach dem Fügen fließen Haftklebstoffe noch zu einem energetisch günstigen Zustand, so dass sich die Endfestigkeit erst nach Stunden bis mehreren Tagen einstellt. Oberflächenklebrige, kohäsive Filme können viele Klebstoffsysteme bilden. Eine ausreichende Beweglichkeit der Klebstoffmoleküle ist Voraussetzung dafür und ist schon bei der Formulierung der Systeme zu berücksichtigen, ohne dass die Kohäsion der Klebschicht zu stark erniedrigt wird. Dabei bestimmt das Basispolymer die Kohäsion, Harze und Weichmacher die Adhäsion. Weitere Eigenschaften werden durch spezielle Zusätze gesteuert. In der Praxis haben sich Systeme auf Basis von natürlichen und synthetischen Kautschuken, Ethylenvinylacetat-Copolymeren, Acrylaten sowie Silikonen durchgesetzt. Zu unterscheiden sind drei Anwendungstypen: wieder verklebbar zerstörungsfrei ablösbar, lassen sich erneut verkleben (z.b. Verpackungen, Notizzettel); lösbar permanent klebend rückstandsfrei ablösbar, jedoch nicht erneut verklebbar, in der Regel haben diese Systeme eine höhere Haftung als wieder verklebbare Klebstoffe; sind für den Dauereinsatz gedacht und nicht ohne sichtbare Veränderung/Zerstörung ablösbar (z.b. TÜV-Plaketten). Wieder verbklebbare Systeme sind im Allgemeinen relativ niedrigviskose Haftklebstoffe mit geringer Kohäsionsfestigkeit, wodurch die Benetzung beschleunigt und schnell eine vergleichsweise hohe Anfangshaftung erreicht wird, allerdings auf Kosten der Endfestigkeit. Für dauerhafte Klebungen mit hoher Endfestigkeit finden Systeme Anwendung, die eine hohe Viskosität und eine größere Kohäsionsfestigkeit aufweisen, was eine geringere Anfangshaftung und eine längere Zeitspanne zur Benetzung und bis zum Erreichen der Endfestigkeit zur Folge hat. Die Anwendungsmöglichkeiten für Selbstklebeprodukte sind breit gefächert z.b. als Beschichtungen auf Wundpflastern und Notizzetteln bis hin zu unterschiedlichsten Klebebändern für Handwerk und Industrie. Abbildung 12 zeigt den schematischen Schichtaufbau eines doppelseitigen Klebebands. Zwischen Klebstoff und Träger können Primer (Haftvermittler) aufgetragen sein. Abbildung 12: Schematischer Schichtaufbau eines doppelseitigen Klebebandes. Von den Klebebändern klar abzutrennen sind Klebstofffolien, die überwiegend auf blockierten Zweikomponenten-Systemen (Reaktionsklebstoffen) basieren und unter Druck und Wärme oder in Spezialfällen durch Lösungsmittel abbinden. Seite 21

25 Klebstoffchemie Typische Klebstoffe für doppelseitige Klebebänder sind Synthese- und Naturkautschuk, Reinacrylat oder modifizierte Acrylate. Je nach Anwendung entscheidet sich, welcher Haftklebstofftyp zum Einsatz kommt. Durchführbar ist ein Klebstoffauftrag in Schichtdicken von 20 bis über 450 g/m 2. Trägermaterialien sind vergleichsweise dünne, flexible Materialien, die mit dem Klebstoff beschichtet werden. Beispiele sind Folien aus PP, PE, PET, PVC, Aluminium oder Kupfer, Spezialpapiere, Schaumstoffe, Gewebe und Gelege. Trägerlose Klebebänder, sogenannte Transferklebebänder, sind ebenfalls möglich. Liner (Trennfolien) trennen die einzelnen Klebschichten von einander und bestehen aus schlecht haftenden Materialien, wie silikonisierte Papiere (Flächengewichte von g/m 2 ) oder Folien (in Stärken von etwa µm). Wo silikonisierte Materialien nicht eingesetzt werden können, bieten sich geprägte Folien an. Haftklebstoffe basierend auf natürlichen oder synthetischen Kautschuken zeichnen sich durch sehr hohe Klebkräfte unter Normalbedingungen (RT) aus und eignen sich besonders zum Kleben von unpolaren Werkstoffen (z.b. Polyethylen, Polypropylen). Ihre Temperatur- und Alterungsbeständigkeit ist maximal durchschnittlich. Empfindlich reagieren sie auf tiefe (< 10 C) sowie erhöhte (> 50 C) Temperaturen und die UV-Beständigkeit ist gering. Demgegenüber zeichnen sich Acrylat- Haftklebstoffe besonders durch weitgehende Unempfindlichkeit im Hinblick auf Oxidation sowie UV- Strahlung und gute Alterungs- und Temperaturbeständigkeit aus. Durch die polaren Seitenketten zeigen sie eine gute Adhäsion auf polaren Werkstoffen (z.b. Glas, Metall). Haftklebstoffe auf Basis von Silikonen können sehr kleine (< 25 mn/m) Oberflächenspannungen aufweisen, wodurch sie sich für Klebungen auf sehr niederenergetischen Werkstoffen eignen. Dazu kommt eine hohe Temperatur- (etwa C) neben guter Licht- und Oxidationsbeständigkeit. Viele Einsätze im medizinischen Bereich sind durch die gute Hautverträglichkeit begründet. Beispiele für Kautschuktypen, oben Naturkautschuk (cis-1,4-polyisopren), unten ein synthetischer Kautschuk aus Styrol und Isopren. Haftklebstoffe oder viel mehr thermoplastische Klebstoffe, denen viele Haftklebstoffe zuzurechnen sind und dazu als quasi hochviskose Flüssigkeiten vorliegen, zeigen unter Belastung einen Hang zum Kriechen. Durch einen höheren Grad an Vernetzung im Klebstoff kann der Kriechneigung der Klebschicht entgegengewirkt werden Schmelzklebstoffe Die Schmelzklebstoffe (Hotmelts) sind den Thermoplasten zuzuordnen und werden vor dem Auftragen durch Schmelzen verflüssigt. Sie sind als Pulver, Granulat, Folien, Stangen und Blöcke erhältlich und werden zwischen 80 und 240 C verarbeitet, abhängig von der Basis des Klebstoffs (Polyurethane, Ethylenvinylacetat-Copolymere, Polyester, Polyolefine, Polyamide usw.). Die offene Zeit dieser Klebstoffsysteme wird durch den Abkühlvorgang der heißen Schmelze bestimmt und kann sehr kurz sein. Außerdem wird sie stark von der Wärmeleitfähigkeit der Fügeteile beeinflusst, die die thermische Energie aus dem Klebstoff ableiten. Daher ist besonders bei Metallklebungen ein Seite 22

26 Klebstoffchemie Vorheizen der Fügeteile von Vorteil. Merkmale dieser Einkomponenten-Systeme sind die Lösungsmittelfreiheit, die kurze Zeitspanne zur Verfestigung (hohe Produktionsgeschwindigkeit) und die Reversibilität der Klebung (Lösen durch Erwärmen), da die Klebstoffe durch Aufheizen und Abkühlen (chemisch) nicht verändert werden. Die vergleichsweise einfache Verarbeitung hat zu einem breiten Anwendungsspektrum geführt, z.b. in der Schuhindustrie, Textilindustrie, Holz- und Möbelindustrie, Verpackungsindustrie u.v.m.. Begrenzt wird ihr Einsatz durch die thermische Beständigkeit der Fügepartner (z.b. Verformungen bei thermoplastischen Kunststoffen) Plastisolklebstoffe Als Plastisole werden Dispersionen von festen Kunststoffpartikeln (vorrangig PVC) in hochviskosen Weichmachern bezeichnet. Das zweiphasige System (Sol) geht durch eine Erwärmung auf Temperaturen von C in ein einphasiges System (Gel) über, wobei der Weichmacher in den gequollenen Thermoplasten eingelagert (Sol-Gel-Prozess) und die Klebschicht ausgebildet wird Anorganische Klebstoffe Die Basis für anorganische Klebstoffe bilden z.b. Silikate, Metalloxide und Borate. Sie werden überüberwiegend dort eingesetzt, wo sehr hohe Dauerwärmebeständigkeiten (300 bis über 1000 C) gefordert sind (z.b. Glaskolben/Sockelklebungen bei Glüh- und Halogenlampen). Neben der thermischen Stabilität zeichnet sie außerdem eine deutlich größere Formstabilität im Vergleich zu organischen Klebstoffen aus, was in der Papierindustrie bei der Herstellung von Hülsen ausgenutzt wird. Besonders zu erwähnen sind Wassergläser. Wassergläser sind sirupartige, klare, wässrige Natrium- bzw. Kaliumsilikat Lösungen unterschiedlicher Zusammensetzung und Konzentration, die aus der Schmelze von Quarzsand und Soda (Na 2CO 3 10 H 2O) bzw. Pottasche (K 2CO 3) gewonnen werden. Wassergläser binden durch das Verdunsten des Wassers und Polykondensation zu amorpher Polykieselsäure ab. Abgebundene Klebstofffilme aus Natron- oder Kaliwasserglas sind nicht wasserfest, sie rehydratisieren und lösen sich allmählich in Wasser wieder auf. Wasserunlöslichkeit kann durch chemische Modifikation (z.b. Zugabe von mehrwertigen Metallionen, die unlösliche Silikate bilden) erreicht werden. Seite 23

27 Oberflächen Oberflächenvorbehandlung In Anbetracht der wirkenden Mechanismen zum Erreichen einer qualitativ guten und beständigen Klebung, ist die Forderung an die Beschaffenheit der Oberfläche des zu verklebenden Fügeteils von enormer Wichtigkeit. Auf praktisch allen der normalen Atmosphäre ausgesetzten Oberflächen findet man lose, durch Adsorption anhaftende Verunreinigungen. Um ein optimales Klebergebnis zu erzielen ist es nötig diese losen Anhaftungen wie Trennmittel, Öl, Fett, Staub und Dreck vorab zu entfernen. Dies gilt auch für Oxidschichten wie z.b. der typischen Rostschicht auf Stahl. Werden diese schwach haftenden Schichten nicht entfernt, so besteht die Gefahr, dass der Klebstoff eine vorrangige Verbindung zu dieser Schicht aus lose anhaftenden Partikeln aufbaut und es unter Belastung zu einer Ablösung dieser Partikelschicht inklusive Klebstoffs kommt. Eine weitere wichtige Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige Klebung ist eine ausreichende Benetzbarkeit der Fügeteiloberfläche, d.h. der gewählte Klebstoff soll nicht von innen abperlen, sondern sich flächig auf der Fügeteiloberfläche ausbreiten. Damit diese Ausbreitung passiert, bedarf es eines Gleichgewichts zwischen den vorliegenden Oberflächenspannungen (siehe Kapitel 2.3 Oberflächenspannung/Benetzung (Seite 10)). Bei unzureichender Benetzung muss die Oberfläche modifiziert oder mit einem geeigneten Haftvermittler (Primer) beschichtet werden. Da das Ergebnis einer Oberflächenvorbehandlung meist von kurzer Dauer ist, sollte die Durchführung der Klebung entweder direkt danach oder in einem möglichst kurzen Zeitabstand erfolgen. 4.1 Physikalische Oberflächenvorbehandlung Zu den physikalischen Oberflächenvorbehandlungsverfahren gehören alle mechanischen Verfahren wie das Abwischen, Abbürsten, Absaugen, sowie das Schleifen oder Strahlen. Ferner alle energetischen Verfahren wie das Beflammen, Corona-Entladungen oder Plasmavorbehandlung Mechanische Verfahren Im einfachsten Fall das Abwischen mit entsprechenden Reinigungsgeräten (z.b. ein sauberes Tuch), evtl. unter Zuhilfenahme von geeigneten Reinigungsmitteln wie Wasser oder organischen Lösungsmitteln wie Benzin, Alkohol, Ester oder Ketone (Aceton). Dabei ist darauf zu achten, im Vorfeld die Materialverträglichkeit des Lösungsmittels an einer weniger sichtbaren Stelle zu testen. Bei sehr schwacher Partikelanhaftung, kann eine vorab Reinigung durch Absaugen oder Abbürsten völlig ausreichend sein. Fester anhaftende Partikel oder Oberflächenschichten müssen evtl. durch Schleifen oder Strahlen entfernt werden. Wobei der Schleifstaub wieder mit einem geeigneten Reinigungsmittel zu entfernen ist. Positiver Zusatzeffekt, häufig wird dabei die wirksame Oberfläche vergrößert. Bei unpolaren Materialien (z.b. Produkte mit hohen Anteilen an Polyethylen, Polypropylen, Teflon) reicht diese Art der Vorbehandlung im Allgemeinen jedoch nicht aus, um optimale Fügeteiloberflächen zu erhalten Energetische Oberflächenvorbehandlung Zu den energetischen Oberflächenvorbehandlungen zählt das Beflammen, so wie die Plasma- und Corona-Vorbehandlung. All diese Verfahren haben zum Ziel, durch gezieltes energetisches Einwirken auf die Oberfläche, sei es in Form einer Flamme, eines Plasmastrahls oder eines Lichtbogens, polare Gruppen an der Oberfläche zu erzeugen, wodurch die Benetzungseigenschaften deutlich verbessert werden. Vorrangig werden diese Verfahren Inline bei der Produktion eingesetzt. Einzig mit relativ geringem apparativem Aufwand lässt sich das Beflammen, durch eine offene, sauberer Gasflamme durchführen. Plasma. Seite 24

28 Oberflächen 4.2 Chemische Oberflächenvorbehandlung Zu den chemischen Oberflächenvorbehandlungsmethoden gehören die nasschemischen Verfahrene wie das Beizen von Metallen und Kunststoffen wie auch die chemischen Verfahren des Chromierens, Phosphatierens, Ozonisierens, Fluorierens oder Hydrophobierens. Meist werden dabei verdünnte Säuren verwendet, die die metallischen Oberflächen von schlechthaftenden Schichten befreien, zu einem Aufrauen der Oberfläche führen oder bei Kunststoffen polarisierend wirken. Beim Chromieren und Phosphatieren werden mittels oxidischen Beizens festhaftende Schichten (Chromat-, Phosphat- oder Oxidschicht) aufgebracht, welche die Adhäsionseigenschaften deutlich verbessern. Beim den trockenchemischen Verfahren wird Ozon oder Fluor in der Gasphase mit der Kunststoffoberfläche in Kontakt gebracht. Die Reaktionen bewirkt eine Erhöhung der Oberflächenenergie. 4.3 Haftvermittler (Primer) Eine weitere Art der Oberflächenvorbehandlung ist der Einsatz von Haftvermittlern (Primer). Hierbei handelt es sich um chemische Systeme, die im Allgemeinen nach einer vorherigen physikalischen Vorbehandlung auf die Fügeteiloberfläche als dünne organische Schicht (1 g/m 2 ) aufgetragen werden. Dünne Schichten sind notwendig, da größere Schichtdicken zu einer Verringerung der Klebfestigkeit führen können. Der Auftrag erfolgt im einfachsten Fall mittels Pinsel oder Rolle oder im Produktionsprozess mit automatisierten Sprüh-, Tauch- oder Walzenauftragsgeräten. Haftvermittler wirken über unterschiedliche bifunktionelle chemische Gruppen. Das führt dazu, dass die meisten Haftvermittler chemische Bindungen zu den beiden Partnern (Fügeteil und Klebstoff) eingehen und somit eine hoch qualitative Verklebung gewährleisten. Die entscheidende Aufgabe bei der Durchführung der Oberflächenbehandlung ist zusammenfassend die Schaffung definierter Oberflächeneigenschaften für reproduzierbare Klebergebnisse. (1) Seite 25

29 Applikation und Montage Verarbeitung Es gibt eine Vielzahl von Applikationsmöglichkeiten. Während im Haushalts- und Handwerksbereich viele Klebstoffe direkt aus der Verpackung, beispielsweise aus Kartuschen (z.b. Silikone) oder durch einfache Geräte wie Pinsel, Bürsten und Rakel oder in Form von Klebebändern aufgetragen werden, werden im Industriebereich im Allgemeinen automatische Auftragssysteme eingesetzt. Hier reicht die Palette von einfachen Walzen oder Scheiben, die den Klebstoff aus Klebstoffbecken schöpfen über unterschiedlichste Düsensysteme bis hin zu vollautomatischen, computergesteuerten Roboterapplikationen. Ganz gleich wie der Klebstoff appliziert wird, sollte immer versucht werden, dass man einen möglichst gleichmäßigen, geschlossenen Klebstofffilm erreicht. Im Allgemeinen reicht ein dünner geschlossener Film zum Erlangen der gewünschten Festigkeit. Ausnahmen können vorliegen, wenn der Klebstoff beispielsweise Fertigungstoleranzen ausgleichen soll oder auf Grund nicht ausreichender Vorbehandlungsmöglichkeiten eine raue Oberfläche zu benetzen ist. Auch wenn bei Belastungen Kräfte elastisch aufgenommen werden sollen, z.b. wenn die unterschiedliche Ausdehnung von verschiedenen Fügeteilen ausgeglichen werden muss oder zusätzliche Dämpfungseigenschaften gewünscht werden. In all diesen Fällen muss die Klebstofffilmdicke den Anforderungen speziell angepasst werden. 5.1 Verarbeitung von Haftklebstoffen/Klebestreifen Zur Erstellung der eigentlichen Klebung wird das Haftklebstoff beschichtete Fügeteil nach Abziehen der Schutzfolie, auf das zweite Fügeteil aufgelegt. Um die Benetzung zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche zu beschleunigen und eine gute Adhäsion zu erzielen, wird im Allgemeinen mit einem bestimmten Anpressdruck gearbeitet. Wichtig ist auch, dass die vorgeschriebene Verarbeitungstemperatur eingehalten wird, da die Haftklebstoffe im Prinzip hochviskose Flüssigkeiten darstellen. Bei nicht ausreichendem Anpressdruck oder zu geringen Verarbeitungstemperaturen (Viskosität zu hoch), kann es zu Klebefehlern wie Blasen oder Ablösungen kommen. Die eigentliche Adhäsion erfolgt bei Haftklebstoffen wie bei anderen Klebstoffen über zwischenmolekulare Wechselwirkungen. Da es sich bei Haftklebstoffen aber auch in der fertigen Klebung noch um eine viskose Flüssigkeit handelt, fließen die Klebstoffe so lange bis sie einen energetisch optimalen Zustand erreicht haben. Daher nimmt in der Regel die Festigkeit einer mit vorbeschichteten Haftklebstoffen hergestellten Fügung, nach dem Fügen noch eine Zeit lang zu. Die Endfestigkeit der Klebung wird erst nach Stunden oder Tagen erreicht. Haftklebstoffe auf Basis von Acrylaten zeichnen sich durch gute Alterungs- und UV- Lichtbeständigkeit aus. Da sie von Natur aus polar sind, zeigen sie eine gute Adhäsion auf polaren Substraten wie Glas oder Metallen. Betrifft: Aufschäumende Platten-/ Rollen-/ Streifenmaterialien mit Selbstklebefolie. 5.2 Verarbeitung von wasserbasierenden Klebstoffen Wasserbasierende Systeme werden schon seit Jahrtausenden als Klebstoffe eingesetzt. Sie lassen sich einfach und ohne großen apparativen Aufwand verarbeiten. Im Haushalt und im Handwerk werden sie oft direkt aus der Verpackung, wie Kunststoffflaschen oder Kartuschen, appliziert. Da diese Klebstoffe relativ lange offene Zeiten aufweisen, ist auch ein flächiges Auftragen mit Pinsel und Rakel möglich. Im industriellen Bereich werden solche Systeme sowohl mit offenen Systemen, wie Walzen und Segmenten, als auch mit geschlossenen Düsensystemen aufgetragen. Da das Abbinden dieser Systeme durch das Verdunsten bzw. Wegschlagen des Wassers in die Substrate erfolgt, muss bei der Verarbeitung auf die unter Umständen längeren Abbindezeiten ge- Kartuschenpistole zum Auftrag aus Kartuschen. Seite 26

30 Applikation und Montage achtet werden. Bei feuchtigkeitsempfindlichen Substraten ist ferner darauf zu achten, dass durch das Wasser keine Probleme entstehen können (z.b. Wellenbildung bei Papier, Rostbildung bei Metallen). Da wasserbasierende Klebstoffe von Mikroorganismen angegriffen werden können, ist darauf zu achten, dass die Verarbeitung immer mit sauberen Geräten erfolgt, so dass keine mikrobielle Kontamination erfolgen kann. Wie bei allen wasserbasierenden Systemen ist darauf zu achten, dass diese Klebstoffe frostfrei gelagert und verarbeitet werden. Betrifft: ROKU PUR Kleber 1-K-1013 ROKU Kleber T-NV, T-MV, T-HV ROKU Brandschutzkitt 1000 Kerafix Firestop Putty (Der Inhalt der Kapitel 4 und 5 ist sinngemäß und teilweise wörtlich dem Buch Präxiswissen Klebetechnik, Band 1: Grundlagen, von Hermann Onusseit, Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm GmbH, ISBN: , entnommen.) Auftragssystem für flüssige Klebstoffe. Seite 27

31 Produkte und Spezielles Produkte und Spezielles Bei der Verarbeitung von Klebstoffen sind wie bei anderen Fertigungsverfahren Maßnahmen zum sicheren Umgang zu beachten, die dem Schutz von Menschen, Wertgegenständen und der Umwelt gelten. Auf Grund der hohen Anzahl verschiedener Rezepturbestandteile und unterschiedlicher Verarbeitungsverfahren besteht kaum eine Möglichkeit pauschal gültige Sicherheitsmaßnahmen anzugeben. Hinweise können den jeweiligen Sicherheitsdatenblätter, die die sicherheitsrelevanten chemischen, physikalischen, toxikologischen und ökologischen Daten zum sicheren Umgang mit chemischen Stoffen und Zubereitungen sowie Angaben zur sicheren Lagerung, Handhabung und zum Transport enthalten, entnommen werden. Weitere wichtige Informationen sind in technischen Merkblättern/Produktdatenblättern, die in der Regel von den Klebstoffherstellern zur Verfügung gestellt werden, enthalten. Der Industrieverband Klebstoffe e.v., dem mehr als 100 Klebstoff-, Klebeband- und Klebrohstoffhersteller angehören, vertritt die deutsche Klebstoffindustrie. Über diesen Verband können Informationen zu Gesetzen, Richtlinien, Umweltthemen u.v.m. bezogen werden (http://www.klebstoffe.com). Voraussetzungen für die Verarbeitung von Klebstoffen an Arbeitsplätzen sollten folgende sein: Ausreichende Belüftung bzw. Absaugung. Bereitstehende Feuerlöscher (Pulverlöscher). Nur wirklich erforderliche Mengen Klebstoff am Arbeitsplatz aufbewahren. Bereitstellen von gut gekennzeichneten und verschließbaren Abfallbehältern für Putzmittel, Lösungsmittel, Klebstoffreste usw. (unausgehärtete Klebstoffreste gelten als Sondermüll!). Bereitstellen von Arbeitskitteln, Schutzbrillen, Einmalhandschuhen, Atemschutzmasken, Hautcreme, Augendusche, Körperdusche und saugfähigen Materialien zum Binden ausgelaufener, flüssiger Produkte (z.b. Kieselgur, Blähglimmer, Sand). Telefonnummern von Ärzten und Feuerwehr. Kennzeichnung gefährlicher Stoffe. Zu Verhaltensregeln bei der Verarbeitung von Klebstoffen am Arbeitsplatz zählen folgende Punkte: Am Arbeitsplatz nicht Essen, Trinken oder Rauchen. Arbeitsschutzkleidung tragen. Arbeitsplatz sauber halten. Lösungsmittel und Chemikalien nicht in den Ausguss gießen. Stoffe nicht in unbeschriftete Behälter füllen, insbesondere nicht in Lebensmittelbehälter (leere Getränkeflaschen,, Marmeladengläser usw.). Beim verdünnen von Säuren und Basen immer Wasser vorlegen und die Säure/Base wegen der exothermen Reaktion hinzugeben (Merkspruch: Erst das Wasser dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure. ). Mit Chemikalien kontaminierte Kleidung sofort entfernen. Bei Hautkontakt mit Chemikalien betroffene Partien sofort mit viel Wasser abwaschen. Bei Augenkontakt mit Chemikalien Auge bei geöffnetem Lid mit viel Wasser (Augendusche, Augenspülflasche) spülen und sofort Arzt aufsuchen. Korrekte Entsorgung aller anfallenden Abfälle, bei Klebstoffen ist zu unterscheiden: a. Flüssige oder pastöse Klebstoffreste gelten grundsätzlich als Sondermüll. b. Reste von Lösungsmittelklebstoffen in gekennzeichneten und gut verschlossenen Be- hältern der Sondermüllentsorgung zuführen. c. Verunreinigte einigte Verpackungen sind wie der Stoff selbst zu behandeln. d. Ausgehärtete Klebstoffreste können mit dem Hausmüll entsorgt werden. Beispielhaft: Gefahrensymbole, die im Zusammenhang mit Klebstoffen auftreten können. Die unteren nach GHS. Seite 28

32 Produkte und Spezielles Sicherheitsdatenblätter können weitergehende Informationen bereithalten. 6.1 Klebstoffauswahl Folgende schematische Aufstellung gibt zu berücksichtigende Faktoren zur Klebstoffauswahl an, um zum angestrebten Klebergebnis zu gelangen. Anforderungen an die Klebung - mechanisch - physikalisch - chemisch - Temperatur - Feuchtigkeit - Zeit Klebstoffauswahl Fügeteileigenschaften - mechanisch - physikalisch - chemisch - Oberfläche - Abmessungen - Form Abbildung 13: Faktoren zur Klebstoffauswahl. Prozessparameter - Auftragssystem - Aushärtung - Anpresssystem - Temperatur - Gesetzliche Regelungen - Ökologische Forderungen Noch ein Wort zur Oberfläche: Wie bereits mehrfach erwähnt hängt die Qualität einer Klebung nicht allein vom Klebstoff ab, sondern gleichsam vom chemischen Aufbau und speziell von der Oberflächenbeschaffenheit der zu fügenden Werkstoffe. In dem Zusammenhang ist folgendes unterscheidbar. Viele der genannten Faktoren sind im industriellen Maßstab durch das eigentliche Produkt, vorhanfestgelegt. Trotzdem stehen aus dem schier unendlichen Angebot an Klebstoffen fast immer Lösungen zum dene Anlagen, Wünsche der Kunden und gesetzliche Vorgaben (z.b. Arbeitsschutz) jeweiligen Anforderungsprofil parat. Die Einbeziehung eines Klebstoffherstellers in die Entwicklung eines neuen Produkts oder Prozesses ist dabei zu empfehlen. Die aufzutragende Klebstoffmenge wird hauptsächlich durch die Rauheit der Fügeteile bestimmt. Der Klebstoff muss die Unebenheiten in der Oberfläche ausgleichen können und gleichzeitig eine geschlossene Klebschicht zur Übertragung der auftretenden Kräfte bilden. Die geometrische Oberfläche ergibt sich aus den Abmessungen der Klebfläche und geht z.b. in die Berechnung der Klebfestigkeit ein. Die wahre Oberfläche berücksichtigt die Rauheit der Oberfläche und ist um ein vielfaches größer als die geometrische Oberfläche (selbst auf polierten Oberflächen werden noch Unebenheiten von nm gemessen, bestimmbar nach der BET-Methode). Abbildung 14: Klebschichtdicke und Rauheit der Oberfläche. Zur Orientierung kann angegeben werden, dass die Klebschichtdicke (d) mindestens dem Wert der maximalen Rauheit (R max) gleichkommen sollte. Allgemein liegen die Werte für die Rauheit häufig zwischen 50 und 200 µm, daher sind auch Klebschichten in diesen Dicken gebräuchlich. Die wirksame Oberfläche stellt die tatsächliche Grenzfläche zwischen Klebstoff und Fügeteil dar. Sie bildet sich während der Benetzung aus und ist kleiner als die wahre Oberfläche, da der Klebstoff nicht in alle Poren fließen wird. Gestützt wird diese Annahme durch die Tatsache, dass unter Druck durchgeführte Klebungen höhere Klebfestigkeiten erreichen. Seite 29

33 Produkte und Spezielles 6.2 Kleben im passiven technischen Brandschutz Im Bereich der aufschäumenden und energieverzehrenden Baustoffe sowie Brandschutzplatten für den passiven technischen Brandschutz spielt Kleben eine wichtige Rolle vor allem dann, wenn auf mechanische Befestigungen verzichtet werden soll und beim Aufbau von Sandwichelementen. Das Kleben bietet den Vorteil einer schnellen, sauberen und wirtschaftlichen Lösung und ist stellenweise ohne echte Alternative. Eine optimale Klebung ist dabei Voraussetzung sowohl für die Funktion im Brandfall als auch für die Dauerhaftigkeit der Verbindung Aufschäumende Baustoffe Die aufschäumenden Baustoffe der Rolf Kuhn GmbH werden im Wesentlichen mit fünf verschiedenen Selbstklebeeinrichtungen ausgerüstet. Auf Grund der angestrebten Langlebigkeit der Verbindungen basieren die im Einsatz befindlichen Klebstoffe auf Acrylat. Kundenspezifische Entwicklungen sind möglich. Über die unterschiedlichen Trägermaterialien werden Eigenschaften der doppelseitigen Klebebänder wie z.b. die Reißfestigkeit (Reißkraft), Schlagfestigkeit, Abriebfestigkeit und Durchlässigkeit gegenüber mobilen Stoffen beeinflusst. Der Klebstoff bestimmt Eigenschaften wie z.b. die Klebkraft (Adhäsion), Anfangsklebkraft (Tack), Scherfestigkeit und die Kohäsion, wobei die eigentliche Klebstoffmasse (Dicke) noch Auswirkungen auf die überbrückbare maximale Rauheit der Fügepartner sowie das Kriechverhalten hat. In der Regel wird nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen eine möglichst dünne Klebschicht angestrebt, um der Kriechneigung der Haftklebstoffe entgegenzuwirken SK-Band 4965 SK-Band 4965 ist ein doppelseitig klebendes, transparentes Klebeband auf Acrylatbasis (modifiziertes Acrylat) mit einer Polyesterfolie als Träger. Es ist mit einer roten Folie abgedeckt, zeichnet sich durch eine gute Haftung auf verschiedenen Kunststoffen wie ABS und sogar EPDM aus und ist sehr beständig gegen Weichmacher. Zusätzlich ist die Alterungs- sowie die Feuchtigkeitsbeständigkeit sehr gut. Temperaturbeständigkeit: kurzfristig 200 C, langfristig 100 C. SK-Band 4965 ist ein Klebeband mit einer sehr langen Tradition (über 30 Jahre) und findet Anwendungen in verschiedensten Bereichen z.b. in der Automobilindustrie. Es hat sein Potential in dauerhaften Klebungen durch die enormen Erfahrungswerte nachgewiesen und ist u.a. durch Untersuchungen der Technischen Universität Kaiserslautern positiv bewertet worden. Die durchgängige PET-Folie als Trägermaterial erhöht die Reißfestigkeit der Klebschicht und bietet den Vorteil einer echten, mechanischen Trennung der beiden Fügepartner, falls unerwünschte Wechselwirkungen (z.b. Weichmacherwanderung) zu erwarten wären. Bei Klebungen mit SK-Band 4965 ist jedoch zu berücksichtigen, dass trotz einer Gesamtdicke von 205 µm nur vergleichsweise geringe Rauheit überbrückt werden können, da von beiden Seiten die PET-Folie als erster Fügepartner angesehen werden muss und sich die Klebstoffschichten auf den beiden Seiten nicht helfen können. Wichtige Utensilien zur Verarbeitung von Selbstklebeprodukten SK-Band 4970 SK-Band 4970 ist ein doppelseitiges Klebeband auf Acrylatbasis (modifiziertes Acrylat) mit einer PVC-Folie als Träger. Es zeichnet sich durch hohe Klebkräfte aus, bietet eine sichere Verklebung selbst auf rauen Haftgründen und ist sehr beständig gegen Weichmacher. Zusätzlich ist die Alterungs- sowie die Feuchtigkeitsbeständigkeit sehr gut. Temperaturbeständigkeit: kurzfristig 70 C, langfristig 60 C. Für SK-Band 4970 gilt ähnliches wie für SK-Band Die geschlossene PVC-Folie erhöht die Reißfestigkeit der Klebschicht und trennt die Fügepartner voneinander, so dass unerwünschte Wechselwirkungen unterbunden werden. 1. Fusselfreie Einweg-Tücher (Papier/Stoff), 2. Geeignete Reinigungsmittel, 3. Scharfes Messer, 4. Andruckrolle. Seite 30

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