Gerd Habenicht Kleben erfolgreich und fehlerfrei
Aus dem Programm Fertigungstechnik Fertigungsmesstechnik von W. Dutschke und C. P. Keferstein Praxiswissen Schweißtechnik von H. J. Fahrenwaldt und V. Schuler Laser in der Fertigung von H. Hügel und T. Graf Spanlose Fertigung: Stanzen von W. Hellwig Coil Coating von B. Meuthen und A.-S. Jandel Zerspantechnik von E. Paucksch, S. Holsten, M. Linß und F. Tikal Praxis der Zerspantechnik von H. Tschätsch Einführung in die Fertigungstechnik von E. Westkämper und H.-J. Warnecke Aufgabensammlung Fertigungstechnik von U. Wojahn www.viewegteubner.de
Gerd Habenicht Kleben erfolgreich und fehlerfrei Handwerk, Praktiker, Ausbildung, Industrie 6., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 85 Abbildungen STUDIUM
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. 1. Auflage 1995 2. Auflage 2001 3. Auflage 2003 4. Auflage 2006 5. Auflage 2008 6., überarbeitete und ergänzte Auflage 2012 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2012 Lektorat: Thomas Zipsner Imke Zander Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN 978-3-8348-1585-9
V Vorwort Die im Jahr 2008 herausgegebene 5. Auflage hat, wie bereits bei den vorherigen Auflagen, eine stets zunehmende Verbreitung gefunden, so dass Verlag und Autor sich entschlossen haben, dieses Fachbuch in erneut überarbeiteter und ergänzter Fassung heraus zu geben. In den zahlreich eingegangenen Buchbesprechungen wurde u. a. das Kapitel Ausgewählte Fachbegriffe der Klebtechnik sehr positiv bewertet. Da Aufbau und Umfang des Buches nicht in allen beschriebenen Themenbereichen auf spezielle Definitionen, ergänzende fachliche Zusammenhänge sowie Informationen aus angrenzenden Fachgebieten einzugehen vermag, wurde dieses Kapitel umfangreich erweitert. Neu aufgenommen wurden weiterhin die Themenbereiche Klebstoffzusätze und haftvermittelnde Substanzen, Thermomechanische Eigenschaften von Klebschichten und Polymeren, Qualitätsmanagement, Kleben in der Papierverarbeitung. Die Kapitel Dichtstoffe und Klebstoffe auf Basis natürlicher Rohstoffe wurden überarbeitet und entsprechend dem erwarteten Informationsangebot ergänzt. Inzwischen konnte auch dem insbesondere von der Klebstoff herstellenden Industrie vorgebrachten Wunsch entsprochen werden, das vorliegende Fachbuch in englischer Übersetzung anzubieten. Die zunehmende Globalisierung der Branche führt in gleicher Weise zu der Notwendigkeit, im Ausland ausbildungsrelevante Informationen in englischer Sprache zur Verfügung zu stellen. Unter dem Titel Applied Adhesive Bonding A Practical Guide for Flawless Results ist dieses Fachbuch im Wiley-VCH Verlag 2009 erschienen (ISBN: 978-3-527-32014-1). Wie in der Vergangenheit wurde bei der vorliegenden Ausgabe die Arbeit des Autors durch das Lektorat von Herrn Thomas Zipsner sehr hilfreich unterstützt, dafür gebührt ein herzlicher Dank. Möge auch diese Auflage wieder einen interessierten und informationshungrigen Leserkreis finden, um in Zukunft weiterhin erfolgreich und fehlerfrei kleben zu können. Wörthsee/Steinebach 2011 Gerd Habenicht
VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung... 1 1.1 Kleben als Fügeverfahren... 1 1.2 Vorteile und Nachteile des Klebens... 2 1.3 Begriffe und Definitionen... 3 2 Aufbau und Einteilung der Klebstoffe... 5 2.1 Aufbau der Klebstoffe... 5 2.1.1 Kohlenstoff als zentrales Element... 5 2.1.2 Monomer Polymer... 6 2.1.3 Polymerbildung... 7 2.2 Einteilung der Klebstoffe... 7 2.2.1 Klebstoffe, die durch eine chemische Reaktion aushärten (Reaktionsklebstoffe)... 7 2.2.2 Klebstoffe, die ohne eine chemische Reaktion aushärten (physikalisch abbindende Klebstoffe)... 8 2.2.3 Lösungsmittelhaltige und lösungsmittelfreie Klebstoffe... 9 2.2.4 Klebstoffe auf natürlicher und künstlicher Basis... 9 2.2.5 Klebstoffe auf organischer und anorganischer Basis... 9 2.2.6 Anwendungsbezogene Klebstoffbezeichnungen... 10 2.3 Klebstoffzusätze und haftvermittelnde Substanzen... 11 2.3.1 Härter... 11 2.3.2 Vernetzer... 12 2.3.3 Beschleuniger, Katalysatoren... 12 2.3.4 Haftvermittler... 12 2.3.5 Füllstoffe... 12 3 Vom Klebstoff zur Klebschicht... 13 3.1 Reaktionsklebstoffe Grundlagen... 13 3.1.1 Topfzeit... 13 3.1.2 Mischungsverhältnis der Komponenten... 14 3.1.3 Einfluss der Zeit auf die Klebstoffaushärtung... 15 3.1.4 Einfluss der Temperatur auf die Klebstoffaushärtung... 16 3.2 Zweikomponentige (2K-) und einkomponentige (1K-) Reaktionsklebstoffe... 17 3.2.1 2K-Reaktionsklebstoffe... 18 3.2.2 1K-Reaktionsklebstoffe... 18 3.3 Eigenschaften der Klebschichten... 19 3.3.1 Thermoplaste... 19 3.3.2 Duromere... 20 3.3.3 Elastomere... 21 3.3.4 Thermomechanische Eigenschaften... 21 3.3.4.1 Glaszustand... 21 3.3.4.2 Glasübergangstemperatur T g... 22 3.3.5 Kriechen... 22
VIII Inhaltsverzeichnis 4 Wichtige Reaktionsklebstoffe... 23 4.1 Epoxidharzklebstoffe... 23 4.1.1 Epoxidharzklebstoffe, zweikomponentig... 23 4.1.2 Epoxidharzklebstoffe, einkomponentig... 25 4.1.3 Reaktive Epoxidharz-Schmelzklebstoffe... 25 4.1.4 Eigenschaften und Verarbeitung der Epoxidharzklebstoffe... 25 4.2 Polyurethan-(PUR-)Klebstoffe... 26 4.2.1 Polyurethanklebstoffe, zweikomponentig (lösungsmittelfrei)... 26 4.2.2 Polyurethanklebstoffe, einkomponentig (lösungsmittelfrei)... 27 4.2.3 Reaktive Polyurethan-Schmelzklebstoffe (lösungsmittelfrei)... 28 4.2.4 Polyurethan-Lösungsmittelklebstoffe, einkomponentig... 29 4.2.5 Polyurethan-Lösungsmittelklebstoffe, zweikomponentig... 29 4.2.6 Polyurethan-Dispersionsklebstoffe... 29 4.3 Acrylatklebstoffe... 31 4.3.1 Cyanacrylatklebstoffe... 32 4.3.2 Strahlungshärtende Klebstoffe... 33 4.3.3 Methacrylatklebstoffe... 34 4.3.4 Anaerobe Klebstoffe... 36 4.4 Ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze)... 37 4.5 Phenolharzklebstoffe... 38 4.6 Silicone... 39 4.7 Zusammenfassung Reaktionsklebstoffe... 40 4.8 Klebstofffolien... 41 4.9 Dichtstoffe... 41 4.10 Polymermörtel... 42 5 Physikalisch abbindende Klebstoffe... 43 5.1 Schmelzklebstoffe... 43 5.2 Lösungsmittelklebstoffe... 45 5.3 Kontaktklebstoffe... 48 5.4 Dispersionsklebstoffe... 49 5.5 Plastisole... 50 5.6 Haftklebstoffe, Klebebänder... 50 5.7 Klebestreifen... 52 5.8 Klebestifte... 52 5.9 Klebstoffe auf Basis natürlicher Rohstoffe... 53 5.9.1 Caseinleime... 53 5.9.2 Glutin(schmelz)leime... 54 5.9.3 Dextrinleime... 54 5.10 Klebstoffe auf anorganischer Basis... 54 6 Bindungskräfte in Klebungen... 55 6.1 Bindungskräfte zwischen Klebschicht und Fügeteil (Adhäsion)... 55 6.2 Benetzung... 57 6.3 Oberflächenspannung... 58 6.4 Bindungskräfte innerhalb einer Klebschicht (Kohäsion)... 59
Inhaltsverzeichnis IX 7 Herstellung von Klebungen... 61 7.1 Oberflächenbehandlung... 61 7.1.1 Oberflächenvorbereitung... 62 7.1.1.1 Säubern... 62 7.1.1.2 Passend machen... 62 7.1.1.3 Entfetten... 62 7.1.1.4 Entfettungsmittel... 63 7.1.2 Oberflächenvorbehandlung... 64 7.1.2.1 Mechanische Oberflächenvorbehandlung... 64 7.1.2.2 Physikalische und chemische Oberflächenvorbehandlung... 66 7.1.2.3 Beizen... 66 7.1.2.4 Oberflächenschichten und Unterwanderungskorrosion... 67 7.1.3 Oberflächennachbehandlung... 68 7.1.3.1 Primer... 68 7.1.3.2 Klimatisierung... 68 7.2 Klebstoffverarbeitung... 69 7.2.1 Vorbereitung der Klebstoffe... 69 7.2.1.1 Viskositätseinstellung... 69 7.2.1.2 Homogenisierung... 69 7.2.1.3 Klimatisierung... 69 7.2.2 Mischen der Klebstoffe... 70 7.2.2.1 Industrielle Verarbeitung... 70 7.2.2.2 Handwerkliche Verarbeitung... 70 7.2.2.3 Dynamische Mischer... 71 7.2.2.4 Statische Mischer... 72 7.2.3 Auftragen der Klebstoffe... 73 7.2.3.1 Auftragsverfahren... 74 7.2.3.2 Kaschieren Laminieren... 75 7.2.3.3 Auftragsmenge... 75 7.2.4 Fixieren der Fügeteile... 76 7.2.5 Aushärten der Klebstoffe... 78 7.2.5.1 Trocknen, Ablüften... 78 7.2.5.2 Härtung, Aushärtung... 78 7.3 Reparaturkleben... 79 7.3.1 Metallische Bauteile... 79 7.3.2 Kunststoffe... 81 7.3.2.1 Starre Werkstoffe... 81 7.3.2.2 PVC-Folien... 82 7.3.2.3 Gummierte Fasergewebe... 82 7.4 Fehlermöglichkeiten beim Kleben und Abhilfemaßnahmen... 83 7.5 Sicherheitsmaßnahmen bei der Verarbeitung von Klebstoffen... 86 7.5.1 Voraussetzungen bei der Klebstoffverarbeitung am Arbeitsplatz... 86 7.5.2 Verhaltensregeln bei der Verarbeitung von Klebstoffen... 87 7.6 Qualitätssicherung Qualitätsmanagement... 88 7.7 Klebtechnische Ausbildung... 90
X Inhaltsverzeichnis 8 Klebstoffauswahl... 91 8.1 Vorbemerkungen... 91 8.2 Einflussgrößen auf die Klebstoffauswahl... 92 8.2.1 Fügeteileigenschaften... 93 8.2.2 Anforderungen an die Klebung... 93 8.2.3 Voraussetzungen in der Fertigung... 94 8.2.4 Verarbeitungstechnische Einflussgrößen der Klebstoffe... 94 8.2.5 Eigenschaftsbezogene Einflussgrößen der Klebstoffe und Klebschichten... 95 8.2.5.1 Einkomponentige Reaktionsklebstoffe... 95 8.2.5.2 Zweikomponentige Reaktionsklebstoffe... 96 8.2.5.3 Physikalisch abbindende Klebstoffe... 97 8.3 Auswahlkriterien... 98 9 Klebtechnische Eigenschaften wichtiger Werkstoffe... 102 9.1 Metalle... 102 9.1.1 Allgemeine Grundlagen... 102 9.1.1.1 Festigkeit... 102 9.1.1.2 Undurchlässigkeit gegenüber Lösungsmitteln... 102 9.1.1.3 Unlöslichkeit in Lösungsmitteln... 103 9.1.1.4 Wärmeleitfähigkeit... 103 9.1.1.5 Temperaturbeständigkeit... 103 9.1.2 Oberflächenvorbehandlung... 103 9.1.3 Klebbarkeit wichtiger Metalle... 103 9.1.3.1 Aluminium und Al-Legierungen... 104 9.1.3.2 Edelmetalle... 104 9.1.3.3 Edelstähle... 104 9.1.3.4 Kupfer... 104 9.1.3.5 Messing... 104 9.1.3.6 Stähle, allgemeine Baustähle... 105 9.1.3.7 Verzinkte Stähle, Zink... 105 9.1.4 Klebstoffe für Metallklebungen... 105 9.2 Kunststoffe... 106 9.2.1 Allgemeine Grundlagen... 106 9.2.2 Klassifizierung der Kunststoffe... 106 9.2.3 Identifizierung von Kunststoffen... 108 9.2.4 Oberflächenvorbehandlung... 108 9.2.4.1 Corona-Verfahren... 109 9.2.4.2 Niederdruckplasma... 109 9.2.4.3 Atmosphärendruck-Plasma... 109 9.2.4.4 Beflammen (Kreidl-Verfahren)... 109 9.2.4.5 Mechanische Verfahren... 110 9.2.5 Kunststoffe, die in organischen Lösungsmitteln löslich oder quellbar sind... 110 9.2.6 Kunststoffe, die in organischen Lösungsmitteln nicht löslich oder quellbar sind... 112 9.2.7 Kunststoffschäume... 112 9.2.8 Kleben von Kunststoffen mit Metallen... 113
Inhaltsverzeichnis XI 9.2.9 Kleben weichmacherhaltiger Kunststoffe... 114 9.3 Glas... 114 9.3.1 Oberflächenvorbehandlung... 114 9.3.2 Glas Glas Klebungen... 114 9.3.3 Glasklebungen mit strahlungshärtenden Klebstoffen... 115 9.3.4 Glas Metall Klebungen... 116 9.4 Gummi und Kautschukprodukte... 116 9.5 Holz und Holzprodukte... 117 9.6 Poröse Werkstoffe... 118 10 Festigkeit, Berechnung und Prüfung von Klebungen... 119 10.1 Begriff der Festigkeit... 119 10.2 Prüfverfahren... 121 10.2.1 Prüfung der Klebfestigkeit... 121 10.2.2 Spannungen in einschnittig überlappten Klebungen... 123 10.2.3 Prüfung der Schubfestigkeit... 124 10.2.4 Prüfung des Schälwiderstandes... 124 10.2.5 Prüfverfahren für Kurz- und Langzeitbeanspruchungen... 127 10.3 Elastisches Kleben... 128 10.4 Welle-Nabe-Verbindungen... 130 11 Industrielle Anwendungen des Klebens... 131 11.1 Kleben in der Luft- und Raumfahrt... 131 11.2 Kleben im Fahrzeugbau... 132 11.3 Kleben in der Elektronik... 135 11.4 Kleben von optischen Bauteilen... 136 11.5 Kleben und Dichten in der Bauindustrie... 136 11.6 Kleben in der Papierverarbeitung... 138 12 Konstruktive Gestaltung von Klebungen... 139 13 Anhang... 147 13.1 Ausgewählte Umrechnungsfaktoren angelsächsischer Einheiten und SI-Einheiten für klebtechnische Berechnungen... 147 13.2 Ausgewählte deutsch-englische und englisch-deutsche Begriffe aus dem Gebiet des Klebens... 148 14 Literatur... 169 15 Ausgewählte Fachbegriffe der Klebtechnik... 171 Sachwortverzeichnis... 191