Springer-V erlag Berlin Beideiberg GmbH

Habenicht Kleben

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Gerd Habenicht Kleben Grundlagen, Technologie, Anwendungen Dritte, völlig neubearbeitete und erweiterte Auflage mit 243 Abbildungenund 37 Tabellen ' Springer

Dr. rer. nat. Gerd Habenicht Universitätsprofessor, Inhaber des Lehrstuhls für Fügetechnik im Institut für Werkstoffe und Verarbeitung der Technischen Universität München Arcisstraße 21 80290 München ISBN 978-3-662-08088-7 Die Deutsche Bibliothek- Cip-Einheitsaufnahrne Habenicht, Gerd: Kleben: Grundlagen, Technologie, Anwendungen I Gerd Habenicht 3., völlig neubearb. und erw. Aufl.- ISBN 978-3-662-08088-7 ISBN 978-3-662-08087-0 (ebook) DOI 10.1007 I 978-3-662-08087-0 Dieses Werkist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vorn 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-VerlagBerlin Heidelberg 1986,1990 and 1997 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Y ork 1997 Softcover reprint of the bardeover 3rd edition 1997 Die Wiedergabe von Gebrauchsnarnen, Handelsnarnen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch 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. Sollte in diesem Werkdirekt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Herstellung: ProduServ GmbH Verlagsservice, Berlin Satz: Fotosatz Köhler ohg, Würzburg; Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg SPIN: 10566189 62/3020-5 4 3 2 1 o - Gedruckt auf säurefreiem Papier

Vorwort In den Vorworten zu der im Jahre 1986 erschienenen 1. und der im Jahre 1990 neubearbeiteten und erweiterten 2. Auflage dieses Buches wurde auf den besonderen interdisziplinären Charakter des Klebens aus Ingenieurwissenschaft, Chemie, Physik sowie Thermodynamik hingewiesen, der eine ausführliche Gesamtdarstellung des "Fertigungssystems Kleben" erfordert. Diesem Ziel soll ebenfalls die vorliegende 3. Auflage dienen. Vielfältige Innovationen bei der Klebstoffentwicklung, neue Anwendungen des Klebens, Fortschritte auf dem Gebiet der Rechneranwendung bei der Klebstoff- und Verfahrensauswahl sowie bei den Berechnungsmethoden haben dazu geführt, erneut eine vollständige Überarbeitung und Erweiterung des Inhalts vorzunehmen. Damit soll wiederum ein Beitrag geleistet werden, das große Entwicklungs- und Innovationspotential der Klebtechnik der Industrie, dem Handwerk und auch der Wissenschaft zugänglich zu machen. Wichtige Ergänzungen erfolgten auf den Gebieten der Strahlungshärtung, der elektrisch leitfähigen Klebstoffe sowie den Grundlagen des elastischen Klebens, dem Qualitätsmanagement bei der Herstellung von Klebungen und den analytischen Untersuchungsmethoden. Das Kapitel "Kleben der Kunststoffe" wurde neu gestaltet. Da der Umfang des Buches nicht in gleicher Weise wie das zugenommene Wissen gesteigert werden konnte, wurde besonderer Wert auf eine ausführliche und den entsprechenden Themenbereichen systematisch zugeordnete Auswahl der begleitenden Literatur gelegt. Dabei wurde in vermehrtem Umfang ebenfalls die Patentliteratur als Informationsquelle herangezogen. Somit sind in dem ergänzenden Literaturverzeichnis nunmehr insgesamt 2879 Veröffentlichungen, davon 1058 aus dem angelsächsischem Sprachraum sowie 127 Patent- und Offenlegungsschriften, zusammengestellt. Da die nationalen und internationalen Normen in besonderer Weise den aktuellen Wissensstand eines Fachgebietes wiederspiegeln, wird auf das im Anhang zitierte - und soweit wie möglich in Themenschwerpunkte gegliederte- Normenverzeichnis für das Gebiet des Klebens ergänzend hingewiesen. Einen besonderen Dank möchte ich den Damen und Herren aus Industrie und Wissenschaft sagen, die mich mit wertvollen Informationen unterstützt haben. Die sorgfältige Bearbeitung des Textes sowie die Gestaltung der Bilder, Tabellen und Formeln durch die Mitarbeiter meines Lehrstuhls sind ebenfalls

VI Vorwort mit großem Dank zu erwähnen. Dem Springer-Verlag bin ich erneut für die stets hilfreiche und konstruktive Zusammenarbeit sowie für die sorgfaltige Ausstattung sehr verbunden. Der Autor hofft, daß auch diese Neubearbeitung von der Fachwelt wohlwollend aufgenommen wird und zu weiteren konstruktiven Vorschlägen und- wo erforderlich - sachlicher Kritik als Grundlage für zukünftige Verbesserungen und Ergänzungen führt. München, im Herbst 1997 Gerd Habenicht

Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Formelzeichen Einleitung... XXI 1 1 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 2 2.1 2.1.1 2.1.1.1 2.1.1.2 2.1.1.3 2.1.1.3.1 2.1.1.3.2 2.1.1.3.3 2.1.1.3.4 2.1.1.3.5 2.1.1.3.6 2.1.1.3.7 2.1.1.3.8 2.1.1.3.9 2.1.1.3.10 2.1.1.3.11 2.1.1.3.12 2.1.1.3.13 2.1.1.3.14 Einteilung und Autbau der Klebstoffe Begriffe und Definitionen Einteilung der Klebstoffe Einteilung nach der chemischen Basis Einteilung nach dem Abbindemechanismus Aufbau der Klebstoffe Chemischer Aufbau der Monomere Aufbau der Polymere.. Reaktionsmechanismen zur Polymerbildung Struktur der Polymere Klebstoffgrundstoffe Polymerisationsklebstoffe Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffe Cyanacrylatklebstoffe.. Anaerobe Klebstoffe (Diacrylsäureester) Strahlungshärtende Klebstoffe Allgemeine Betrachtungen.... Aufbau strahlungshärtender Klebstoffsysteme Reaktionsmechanismen UV-Strahlung.... Energetische Betrachtungen UV-Strahler Photoinitiatoren Photosensibilisatoren Kationische Strahlungshärtung Lichthärtung.. Kombinationshärtung Elektronenstrahlhärtung Laserstrahlhärtung Anwendungen 5 5 6 6 7 9 10 12 12 13 17 17 19 19 24 31 31 31 33 34 35 36 39 41 41 42 43 43 46 46

VIII Inhaltsverzeichnis 2.1.1.4 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.3 2.1.3.1 2.1.3.2 2.1.3.3 2.1.3.4 2.1.3.5 2.1.3.6 2.1.3.7 2.1.3.8 2.1.3.9 2.1.4 2.1.4.1 2.1.4.2 2.1.4.3 2.1.4.4 2.1.4.5 2.1.4.6 2.1.5 2.1.5.1 2.1.5.2 2.1.5.3 2.2 2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.1.5 2.2.1.6 2.2.1.7 2.2.1.8 2.2.1.9 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.2.3.1 2.2.2.3.2 2.2.2.4 2.2.2.5 2.2.2.6 2.2.2.7 Aerobe Klebstoffe............. Zweikomponenten-Polymerisationsklebstoffe Methacrylatklebstoffe........... Verarbeitungssysteme der Methylmethacrylatklebstoffe Polymere Grundstoffe Polyvinylacetat (PVAC).. Polyvinylalkohol (PVAL) Polyvinylether...... Ethylen-Vinylacetat (EVA) Ethylen-Acrylsäure-Copolymere Polyvinylacetale Polystyrol (PS)....... Polyvinylchlorid (PVC)... Polyvinylidenchlorid (PVDC) Kautschukpolymere Styrol-Butadien-Kautschuk ( SBR) Styrol-Blockpolymere Chloroprenkautschuk ( CR) Nitrilkautschuk (NBR) Butylkautschuk (IIR) Polybutene...... Sonstige Thermoplaste Polyethylen (PE) Polypropylen {PP) Fluorierte Kohlenwasserstoffe ( Fluorthermoplaste) Polyadditionsklebstoffe Epoxidharzklebstoffe (EP)....... Aufbau der Epoxidharze....... Vernetzungsreaktionen der Epoxidharze Kalthärtende Epoxidharzklebstoffe... Warmhärtende Epoxidharzklebstoffe.. Zweikomponenten-Epoxidharzklebstoffe Lösungsmittelhaltige Epoxidharzklebstoffe Zähharte ("toughened") Epoxidharzklebstoffe Reaktive Epoxidharzschmelzklebstoffe Pulverförmige Epoxidharzklebstoffe Polyurethanklebstoffe (PUR)...... Einkomponenten-Polyurethanklebstoffe Zweikomponenten-Polyurethanklebstoffe Polyurethandispersionen........ Emulgatorhaltige Dispersionen..... Emulgatorfreie Dispersionen...... Lösungsmittelhaltige Polyurethanklebstoffe Reaktive Polyurethan-Schmelzklebstoffe Thermisch aktivierbare Polyurethanklebstoffe Radikalisch vernetzende Polyurethanklebstoffe 47 48 48 50 53 54 55 55 56 57 57 58 59 59 60 60 61 64 65 66 66 67 67 68 69 71 71 71 74 80 81 81 82 82 87 89 89 93 94 94 95 95 97 98 99 100

Inhaltsverzeichnis IX 2.2.3 Polycyanurate 102 2.3 Polykondensationsklebstoffe 102 2.3.1 Formaldehydkondensate 103 2.3.1.1 Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe (PF) 103 2.3.1.2 Kresol-/Resorzin-Formaldehydharz-Klebstoffe 106 2.3.1.3 Harnstoff-Formaldehydharz-Klebstoffe (UF) 106 2.3.1.4 Melamin-Formaldehydharz-Klebstoffe 108 2.3.1.5 Formaldehydemissionen 109 2.3.2 Polyamide (PA) 109 2.3.3 Polyester 112 2.3.3.1 Gesättigte Polyester und Copolyester 112 2.3.3.2 Ungesättigte Polyester 115 2.3.4 Silicone 116 2.3.4.1 Einkomponenten-RTV-Systeme 117 2.3.4.2 Zweikomponenten-RTV-Systeme 119 2.3.4.3 Silicon-Trennmittel 121 2.3.4.4 Silanmodifizierte Polymere (SMP) 123 2.3.5 Polyimide (PI) 124 2.3.6 Polybenzimidazole 126 2.3.7 Polysulfone 127 2.3.8 Polysulfide 128 2.4 Zusammenfassende Darstellung der Polyreaktionen 129 2.5 Klebstoffe auf natürliche Basis 133 2.5.1 Klebstoffe auf Basis tierischer Naturprodukte 134 2.5.1.1 Klebstoffe auf Glutinbasis 134 2.5.1.2 Klebstoffe auf Caseinbasis 135 2.5.1.3 Kleben in der Natur 135 2.5.2 Klebstoffe auf Basis pflanzlicher Naturprodukte 136 2.6 Klebstoffe auf anorganischer Basis 137 2.7 Klebstoffzusätze und haftvermittelnde Substanzen 141 2.7.1 Härter 141 2.7.2 Vernetzer 142 2.7.3 Beschleuniger und Katalysatoren 143 2.7.4 Weichmacher 143 2.7.5 Harze 144 2.7.6 Wachse 146 2.7.7 Füllstoffe 146 2.7.8 Stabilisatoren 149 2.7.9 Haftvermittler 149 2.7.10 Prim er 153 2.7.11 Lösungsmittel 154 3 Klebstoffarten 157 3.1 Reaktionsklebstoffe 157 3.1.1 Reaktionskinetische und physikalische Grundlagen 158 3.1.1.1 Einfluß der Zeit 158

X 3.1.1.2 3.1.1.3 3.1.1.4 3.1.1.5 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.1.3.1 3.1.3.2 3.1.4 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.1.1 3.4.1.2 3.4.2 3.5 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.11.1 3.11.1.1 3.11.1.2 3.11.2 3.11.3 3.12 3.13 3.14 3.14.1 3.14.2 3.15 3.16 3.17 3.17.1 3.17.2 Inhaltsverzeichnis Einfluß der Temperatur............ 160 Einfluß des Drucks.............. 162 Abhängigkeit der Klebschichtdicke vom Anpreßdruck 165 Topfzeit................ 166 Blockierte Reaktionsklebstoffe...... 169 Chemisch blockierte Reaktionsklebstoffe 169 Mechanisch blockierte Reaktionsklebstoffe 170 Kalt- und warmhärtende Reaktionsklebstoffe 170 Kalthärtende Reaktionsklebstoffe.... 170 Warmhärtende Reaktionsklebstoffe... 171 Lösungsmittelhaltige Reaktionsklebstoffe 172 Lösungsmittelklebstoffe 172 Kontaktklebstoffe..... 176 Haftklebstoffe....... 178 Grundlagen der Haftklebung 181 Klebschichtfestigkeit als Folge des strömungsmechanischen Verhaltens von Flüssigkeiten............... 181 Klebschichtfestigkeit als Folge des Oberflächenspannungsverhaltens von Flüssigkeiten 183 Klebrigkeit (Tack) 184 Dispersionsklebstoffe 185 Schmelzklebstoffe 189 Aufbau der Schmelzklebstoffe 189 Charakteristische Merkmale der Schmelzklebstoffe 191 Verarbeitung der Schmelzklebstoffe 194 Eigenschaften der Schmelzklebstoffe 196 Heißsiegelklebstoffe 198 Kaschier-, Laminierklebstoffe 199 Wärmebeständige Klebstoffe 200 Klebstoffe für Anwendungen bei tiefen Temperaturen 205 Leitfähige Klebstoffe 205 Elektrisch leitende Klebstoffe 206 Isotrop leitende Klebstoffe 206 Anisotrop leitende Klebstoffe 211 Wärmeleitende Klebstoffe 213 Volumeneffekt bei Klebschichten mit Füllstoffen 214 Mikroverkapselte Klebstoffe 215 Plastisole.............. 217 Klebstoffolien........... 218 Chemisch reagierende Klebstoffolien 218 Physikalisch abbindende Klebstoffolien 219 Klebebänder 220 Klebestreifen............ 225 Dichtstoffe............. 225 Einteilung und Aufbau der Dichtstoffe 226 Eigenschaften der Dichtstoffe.... 228

Inhaltsverzeichnis XI 3.18 3.19 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.4.1 6.1.4.2 6.1.4.3 6.1.4.4 Gießharze 230 Polymermörtel 231 Eigenschaften der Klebschichten 233 Allgemeine Betrachtungen 233 Schubmodul.......... 234 Das Schubspannungs-Gleitungs-Verhalten 236 Die thermomechanischen Eigenschaften 241 Zustandsbereiche............ 241 Abhängigkeit des Schubmoduls und des mechanischen Verlustfaktors von der Temperatur........ 246 Abhängigkeit der Klebfestigkeit von der Temperatur 248 Elastizitätsmodul 250 Kriechen.......... 2521 Kristallinität........ 260 Klebschichtinhomogenitäten 261 Klebschichtmorphologie und strukturabhängiges mechanisches Verhalten............ 262 Klebtechnische Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe 265 Oberflächeneigenschaften........... 265 Oberflächenschichten............. 265 Molekularer Aufbau und Polarität der Grenz- und Reaktionsschichten............... 266 Oberflächenanalytische Untersuchungsmethoden 269 Geometrische Struktur............. 272 Oberflächenspannung und Benetzungsvermögen 277 Diffusions- und Lösungsverhalten 277 Werkstoffeigenschaften 277 Festigkeit 277 Chemischer Aufbau 279 Wärmeleitfähigkeit 281 Wärmeausdehnungskoeffizient 281 Bindungskräfte in Klebungen 283 Die Natur der Bindungskräfte 284 Homöopolare Bindung (Atombindung, unpolare Bindung, kovalente Bindung).................. 285 Heteropolare Bindung (Ionenbindung, polare Bindung, elektrostatische Bindung) 285 Metallische Bindung...... 285 Zwischenmolekulare Bindungen 285 Dipolkräfte 286 Induktionskräfte...... 288 Dispersionskräfte..... 288 Wasserstoffbrückenbindung 288

XII 6.1.5 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.2.1 6.4.2.2 6.4.2.3 6.4.2.4 6.4.2.5 6.4.2.6 6.4.2.7 6.4.2.8 6.4.2.9 6.4.3 6.4.4 6.4.4.1 6.4.4.2 7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4 7.4.1 7.4.2 Inhaltsverzeichnis Sorption...... 290 Adhäsion..... 292 Spezifische Adhäsion 293 Mechanische Adhäsion 300 Kohäsion....... 301 Benetzung von Oberflächen durch Klebstoffe 303 Allgemeine Betrachtungen... 303 Thermodynamische Grundlagen 304 Benetzungwinkel... 304 Oberflächenspannung 305 Oberflächenenergie 306 Kritische Oberflächenspannung 306 Grenzflächenspannung 307 Adhäsionsarbeit 307 Kohäsionsarbeit 308 Benetzungsgleichgewicht 308 Benetzung als Folge unpolarer und polarer Kraftwirkungen 310 Zusammenhang zwischen Benetzung und Adhäsionsarbeit 312 Experimentelle Bestimmung des Benetzungsverhaltens von Oberflächen........ 315 Randwinkelmessung...... 316 Messung mittels Testflüssigkeiten 317 Eigenschaften von Klebungen 319 Vorteile und Nachteile von Klebungen 319 Vorteile von Klebungen 321 Nachteile von Klebungen...... 325 Eigenspannungen in Klebungen 327 Eigenspannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Fügeteilwerkstoff und Klebschicht.................. 327 Eigenspannungen durch Schwindung der Klebschicht 331 Eigenspannungen durch unterschiedliche Temperaturverteilungen.......... 335 Eigenspannungen durch Temperaturwechselbeanspruchung.............. 335 Eigenspannungen durch Alterungsvorgänge der Klebschicht......... 336 Bruchverhalten von Klebungen 336 Adhäsionsbruch....... 337 Kohäsionsbruch....... 339 Bruchmechanische Betrachtungsweise 340 Verhalten von Klebungen bei Beanspruchungen durch mechanische Belastungen und Umgebungseinflüsse 342 Allgemeine Betrachtungen............. 342 Alterung von Klebungen durch Feuchtigkeitseinflüsse 344

Inhaltsverzeichnis XIII 7.4.3 7.4.4 Beanspruchungseinflüsse als Grundlage für die Berechnung von Metallklebungen...... Wirkung energiereicher Strahlen aufklebschichten 351 364 8 8.1 8.2 8.3 8.3.1 8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.1.3 8.3.2 8.3.3 8.3.3.1 8.3.3.2 8.3.3.3 8.3.3.4 8.3.3.5 8.3.3.6 8.3.3.7 8.3.4 8.4 8.4.1 8.4.1.1 8.4.1.2 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.4.6 8.4.7 Festigkeiten von Metallklebungen........ 365 Allgemeine Betrachtungen............ 365 Einflußgrößen auf die Festigkeit von Metallklebungen 366 Spannungen in Metallklebungen mit dünnen, verformungsarmen Klebschichten....... 368 Zugspannungen - Zugfestigkeit........ 369 Zugspannungen bei senkrechter und zentrischer (momentenfreier) Belastung.......... 369 Spannungen beim Auftreten eines Biegemoments 371 Zugspannungen bei exzentrischer Belastung 372 Schubspannungen- Schubfestigkeit...... 374 Zugseherspannungen - Klebfestigkeit..... 375 Spannungsverteilung bei unendlich starren Fügeteilen mit elastischer Klebschichtverformung ohne Auftreten eines Biegemoments.................. 376 Spannungsverteilung bei elastischen Fügeteilen mit elastischer Klebschichtverformung ohne Auftreten eines Biegemoments............... 376 Spannungsverteilung bei elastischen Fügeteilen mit elastisch-plastischer Klebschichtverformung und Auftreten eines Biegemoments............ 379 Klebfestigkeit............... 379 Zusammenhang zwischen Klebfestigkeit und Klebschichtverformung.......... 383 Abhängigkeit der Spannungsverteilung von der Temperatur................. 385 Experimentelle Bestimmung der Spannungsverteilung durch Schubspannungs-Gleitungs-Diagramme... 386 Schälspannungen - Schälwiderstand........... 390 Einfluß der geometrischen Gestaltung der Klebfuge auf die Klebfestigkeit einschnittig überlappter Klebungen 392 Überlappungslänge............ 393 Abhängigkeit der übertragbaren Last von der Überlappungslänge............ 396 Abhängigkeit der übertragbaren Last von der Überlappungslänge und der Temperatur 398 Fügeteildicke...... 400 Gestaltfaktor...... 401 Überlappungsverhältnis 402 Überlappungsbreite 403 Klebfläche 403 Klebschichtdicke. 404

XIV Inhaltsverzeichnis 8.4.8 Einfluß der Überlappungslänge, Fügeteildicke und Klebschichtdicke auf das Biegemoment 408 8.4.9 Schäftung.. 409 8.5 Berechnung der Spannungsverteilung in einschnittig überlappten Klebungen.. 411 8.5.1 Spannungsverteilung bei Annahme eines linearen Spannungs-Verformungs-Verhaltens der Klebschicht 412 8.5.1.1 Spannungsverteilung nach Volkersen 412 8.5.1.2 Spannungsverteilung nach Goland und Reissner 413 8.5.1.3 Vergleich der Berechnungsansätze nach Volkersen sowie Goland und Reissner mit experimentellen Ergebnissen 414 8.5.1.4 Spannungsverteilung nach Hart-Smith 416 8.5.2 Spannungsverteilung bei Annahme eines nichtlinearen Spannungs-Verformungs-Verhaltens der Klebschicht 416 8.5.3 Spannungsverteilung auf der Grundlage theoretischer und experimenteller Ergebnisse 418 8.5.3.1 Verfahren nach Frey 418 8.5.3.2 Verfahren nach Winter und Meckelburg 419 8.5.3.3 Verfahren nach Müller 419 8.5.3.4 Verfahren nach Tombach 419 8.5.3.5 Verfahren nach Eichhorn und Braig 420 8.5.3.6 Verfahren nach Schlegel 420 8.5.3.7 Verfahren nach Cornelius und Stier 420 8.5.4 Berechnung der Spannungsverteilung mittels der Methode Finiter-Elemente 421 8.6 Festigkeit bei statischer Langzeitbeanspruchung 422 8.7 Festigkeit bei dynamischer Langzeitbeanspruchung 425 8.7.1 Zugschwellfestigkeit.. 426 8.7.2 Dauerschwingfestigkeit.. 426 8.8 Festigkeit bei schlagartiger Beanspruchung 430 8.9 Erhöhung der Festigkeit durch Kombinationsklebungen 432 8.10 Spannungen in Metallklebungen mit dicken, elastischen Klebschichten.. 434 8.11 Abschließende Bemerkungen zum Festigkeitsverhalten von Metallklebungen 439 9 Berechnung von Metallklebungen 441 9.1 Allgemeine Betrachtungen 441 9.2 Berechnungsansätze 442 9.2.1 Einfluß der unterschiedlichen Festigkeiten von Fügeteilwerkstoff und Klebschicht 442 9.2.2 Einflußparameter für die Berechnung von Metallklebungen.. 444 9.2.3 Berechnung auf Grundlage der Klebfestigkeit 445 9.2.4 Berechnung auf Grundlage der Volkersen-Gleichung nach Schliekelmann.. 446

Inhaltsverzeichnis XV 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8 9.2.9 10 10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.2.1 10.2.2.2 10.2.2.3 10.2.2.4 10.2.3 10.3 10.3.1 10.3.2 11 11.1 11.2 12 12.1 12.2 12.2.1 12.2.1.1 12.2.1.2 12.2.2 12.2.2.1 12.2.2.2 12.2.2.3 12.2.2.4 12.2.2.5 Abhängigkeit der übertragbaren Last von der überlappungslänge nach der Volkersen-Gleichung 452 Berechnungsbeispiele....... 453 Berechnung unter Einbeziehung von Abminderungsfaktoren...... 456 Klebnutzungsgrad......... 458 Ergänzende Betrachtungen zu der Berechnung von MetalUdebungen.......... 461 Kleben runder Klebfugengeometrien..... 463 Kleben rohrförmiger Fügeteile........ 464 Einfluß der Klebschichtdicke auf die Festigkeit 464 Einfluß der Fügeteildicke und der überlappungslänge auf die Festigkeit.................. 465 Berechnung der in axialer Richtung übertragbaren Last bei überlappten Rohrklebungen............. 466 Berechnung der in tangentialer Richtung übertragbaren Last bei überlappten Rohrklebungen 467 Kleben von Welle-Nabe-Verbindungen 467 Allgemeine Betrachtungen...... 467 Berechnung von Welle-Nabe-Verbindungen 468 Einfluß der Nabenbreite......... 469 Einfluß der Klebschichtdicke und der Rauhtiefe 470 übertragbares Torsionsmoment 472 Berechnungsbeispiel......... 474 Festlegung von Abminderungsfaktoren 475 Klebschrumpfen...... 478 Querpreßklebverbindungen..... 479 Längspreßklebverbindungen..... 483 Konstruktive Gestaltung von Metallklebungen 485 Vorhandensein ausreichender Klebflächen 486 Vermeidung von Spannungsspitzen 489 Technologie des Klebens...... 495 Allgemeine Betrachtungen..... 495 Oberflächenbehandlung der Fügeteile 498 Oberflächenvorbereitung 499 Säubern, Passendmachen 499 Entfetten......... 500 Oberflächenvorbehandlung 503 Mechanische Oberflächenvorbehandlung 503 Kombinierte mechanische-chemisch/thermische Oberflächenvorbehandlung (SACO-, Silicoater-Verfahren) 506 Physikalische Oberflächenvorbehandlung 507 Chemische Oberflächenvorbehandlung.... 507 Elektrochemische Oberflächenvorbehandlung 508

XVI 12.2.3 12.2.4 12.3 12.3.1 12.3.1.1 12.3.1.2 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.4 12.4.1 12.4.1.1 12.4.1.2 12.4.2 12.4.2.1 12.4.2.2 12.4.2.3 12.4.3 12.5 12.6 12.7 12.7.1 12.7.1.1 12.7.1.2 12.7.1.3 12.7.1.4 12.7.1.5 12.7.2 12.7.3 12.7.4 12.7.5 12.8 12.9 12.10 13 13.1 13.2 13.2.1 13.2.2 13.2.3 Inhaltsverzeichnis Oberflächennachbehandlung......... 509 Zusammensetzung der wichtigsten Beizlösungen 510 Klebstoffverarbeitung 512 Vorbereitung der Klebstoffe 512 Viskosität der Klebstoffe 514 Thixotropie der Klebstoffe 515 Mischen der Klebstoffe.. 516 Dosieren und Auftragen der Klebstoffe 520 Abbinden der Klebstoffe....... 528 Verfahren zum Abbinden der Klebstoffe 532 Herstellung von Klebungen 536 Kleben als Fertigungssystem 536 Allgemeine Betrachtungen 536 Klebtechnische Ausbildung 536 Auswahl von Klebstoffen.. 537 Auswahl von Klebstoffen unter anwendungsspezifischen Gesichtspunkten......... 537 Rechnergestützte Klebstoffauswahl........... 540 Kenndaten des Klebvorgangs.............. 542 Fehlermöglichkeiten beim Kleben und Abhilfemaßnahmen 542 Sicherheits- und Umweltschutzmaßnahmen bei der Verarbeitung von Klebstoffen............... 545 Klassifizierung wichtiger Klebstoffarten nach arbeitsphysiologischen und verarbeitungstechnologischen Gesichtspunkten..... 550 Kombinierte Fügeverfahren............. 550 Punktschweißkleben................ 552 Vorteile gegenüber reinen Punktschweißverbindungen 552 Vorteile gegenüber reinen Klebungen 552 Verfahrensdurchführung.............. 552 Einfluß der Fügeteilwerkstoffe........... 553 Mechanisches Verhalten von Punktschweißklebungen 554 Nieten - Kleben und Schrauben - Kleben 556 Falzen - Kleben 557 Durchsetzfügen-Kleben 557 Schrumpfen - Kleben 558 Kleben beölter Bleche 559 Kleben in feuchter Atmosphäre (Unterwasserkleben) 560 Demontage von Klebungen ("Entkleben") 561 Kleben metallischer Werkstoffe 565 Allgemeine Betrachtungen.. 565 Klebbarkeit wichtiger Metalle 566 Aluminium und Aluminiumlegierungen 566 Beryllium 569 Blei.................. 569

Inhaltsverzeichnis XVII 13.2.4 13.2.5 13.2.6 13.2.7 13.2.8 13.2.9 13.2.10 13.2.11 13.2.12 13.2.13 13.3 13.4 14 14.1 14.1.1 14.1.2 14.1.2.1 14.1.2.2 14.1.3 14.1.4 14.1.4.1 14.1.4.2 14.1.4.3 14.1.4.4 14.1.4.5 14.1.5 14.1.5.1 14.1.5.2 14.1.5.3 14.1.5.4 14.1.6 14.1.6.1 14.1.6.1.1 14.1.6.1.2 14.1.6.1.3 14.1.6.1.4 14.1.6.1.5 14.1.6.1.6 14.1.6.2 14.1.6.2.1 14.1.6.2.2 Chrom, verchromte Werkstoffe 570 Edelmetalle 570 Kupfer............ 570 Magnesium......... 571 Messing........... 571 Nichtrostende Stähle, Edelstähle 572 Nickel, vernickelte Werkstoffe 573 Stähle, allgemeine Baustähle 573 Titan............ 574 Verzinkte Stähle, Zink 576 Kleben von Metallkombinationen 578 Kleben von Blechen mit organischen und anorganischen Beschichtungen................... 580 Kleben der Kunststoffe und weiterer nichtmetallischer Werkstoffe...... 583 Kleben der Kunststoffe......... 583 Grundlagen.............. 583 Mechanische Oberflächenvorbehandlung 589 Reinigen der Oberfläche....... 589 Aufrauhen der Oberfläche....... 590 Chemische Oberflächenvorbehandlung 591 Physikalische Oberflächenvorbehandlung 593 Niederdruckplasma-Vorbehandlung 594 Vorbehandlung mittels Corona-Entladung 598 Thermische Vorbehandlung 603 Laser-Vorbehandlung 604 Ionenätzen, Sputtern.. 605 Klebstoffe für Kunststoffe 605 Lösungsmittelklebstoffe 606 Diffusionsklebung... 606 Reaktionsklebstoffe 608 Schmelzklebstoffe 609 Klebbarkeit ausgewählter Kunststoffe............. 609 Thermoplastische Kunststoffe, in organischen Lösungsmitteln löslich bzw. quellbar 610 Polyvinylchlorid (PVC).......... 611 Polystyrol (PS).............. 611 Polymethylmethacrylat, Acrylglas (PMMA) 611 Polycarbonat (PC)............ 612 Celluloseacetat, Acetylcellulose (CA) 613 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) 613 Thermoplastische Kunststoffe, in organischen Lösungsmitteln unlöslich 613 Polyethylen (PE) 613 Polypropylen (PP) 614

XVIII 14.1.6.2.3 14.1.6.2.4 14.1.6.2.5 14.1.6.2.6 14.1.6.2.7 14.1.6.2.8 14.1.6.2.9 14.1.6.2.10 14.1.6.2.11 14.1.6.2.12 14.1.6.2.13 14.1.6.3 14.1.6.3.1 14.1.6.3.2 14.1.6.3.3 14.1.6.3.4 14.1.6.4 14.1.6.4.1 14.1.6.4.2 14.1.7 14.1.8 14.1.8.1 14.1.8.2 14.1.8.3 14.1.8.4 14.2 14.2.1 14.2.2 14.2.3 14.2.4 14.3 14.4 14.4.1 14.4.1.1 14.4.1.2 14.4.1.3 14.4.1.4 14.4.2 14.4.2.1 14.4.2.2 14.5 14.5.1 14.5.2 14.6 Polytetrafluorethylen, Teflon (PTFE) Polyamide (PA).......... Polyethylenterephthalat, Polyester (PET, SP) Polyimide (PI)........... Polyoxymethylen, Polyacetate (POM) Polyetherketone (PEK) Polyetherimide (PEI)........ Polysulfone (PSU)......... Polyphenylenether, Polyoxyphenylene (PEE) Polyphenylensulfide, Polyarylensulfide (PPS) Polyvinylidenfluoride (PVDF, PVF 2 ) Duromere Kunststoffe, in organischen Lösungsmitteln unlöslich.... Epoxidharz-Kunststoffe (EP) Formaldehydkondensate Polyurethanschaum Silicon-Kautschuk Faserverstärkte Kunststoffe Oberflächenvorbehandlung SM C/BMC-Formmassen Inhaltsverzeichnis Festigkeit und konstruktive Gestaltung von Kunststoftklebungen........... Kleben von Kunststoffen mit Metallen Spannungen in Kunststoff-Metall-Klebungen Konstruktive Gestaltung von Kunststoff-Metall-Klebungen Klebstoffe für Kunststoff-Metall-Klebungen.... Prüfung von Kunststoff- und Kunststoff-Metall-Klebungen Kleben von Glas Grundlagen...... Oberflächenbehandlung Klebstoffe....... Kleben von Glas mit Metallen Kleben von Keramik Kleben von Gummi... Gummi/Gummi-Klebung Klebstoffe....... Oberflächenvorbehandlung vulkanisierter Kautschuktypen Bindung unvulkanisierter Kautschuktypen... Ethylen/Propylen-Dien-Terpolymerisate (EPDM) Gummi/Metall-Bindung.... Vernetzung mittels Resorzin-Formaldehyd Vernetzung durch Polyisocyanate Kleben von Holz..... Allgemeine Betrachtungen Klebstoffe........ Kleben poröser Werkstoffe 614 615 615 616 616 616 617 617 617 617 617 617 618 618 618 618 619 620 621 622 624 625 629 630 631 631 631 634 634 636 637 637 638 638 639 640 640 641 642 642 643 643 645 647

Inhaltsverzeichnis XIX 15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 16 16.1 16.1.1 16.1.2 16.2 16.2.1 16.2.1.1 16.2.1.2 16.2.1.3 16.2.1.4 16.2.1.5 16.2.1.6 16.2.1.7 16.2.2 16.2.2.1 16.2.2.2 16.2.3 16.2.4 16.2.4.1 16.2.4.2 16.2.5 16.3 16.3.1 16.3.1.1 16.3.1.2 16.3.1.3 16.3.2 Industrielle Anwendungen des Klebens 649 Allgemeine Betrachtungen 649 Kleben in der Luft- und Raumfahrt 649 Kleben im Fahrzeugbau 653 Kleben im Maschinenbau.... 656 Kleben in der Elektronik 658 Kleben in der Papierverarbeitung 660 Kleben in der Medizin..... 661 Anwendungen des Klebens bei Reparaturen 662 Literatur zu weiteren industriellen Anwendungen 665 Prüfung und Qualitätssicherung von Klebstoffen und Klebungen............... 667 Allgemeine Betrachtungen............. 667 Qualitätsmanagement in der Klebtechnik...... 668 Einzelmaßnahmen für ein Qualitätssicherungskonzept "Fertigungssystem Kleben"............ 669 Zerstörende Prüfverfahren............. 670 Prüfverfahren für statische Kurzzeitbeanspruchungen 672 Beanspruchung auf Zugscherung.......... 672 Beanspruchung auf Schub (Schubspannungs-Gleitungs- Verhalten, Verdrehscherfestigkeit).......... 673 Beanspruchung auf Zug (Zugfestigkeit)........ 675 Beanspruchung auf Druckscherung (Druckscherfestigkeit) 675 Beanspruchung auf Torsion (Torsionsscherfestigkeit, Losbrechmoment)................. 675 Beanspruchung auf Schälung (Winkelschälversuch, Naß-Schäl-Test, Rollenschälversuch, Klettertrommelschälversuch, Folienschälversuch)......... 676 Beanspruchung auf Spaltung (Biegeschälversuch, Keiltest) 679 Prüfverfahren für statische und dynamische Langzeitbeanspruchungen..... 684 Prüfung der Zeitstandfestigkeit..... 684 Prüfung der Dauerschwingfestigkeit 684 Prüfung bei schlagartiger Beanspruchung 685 Prüfverfahren für Langzeitbeanspruchung unter Alterungseinflüssen.............. 686 Allgemeine Betrachtungen........... 686 Abkürzungsverfahren für Langzeitbeanspruchungen 686 Prüfung mittels Schallemissionsanalyse.. 690 Zerstörungsfreie Prüfverfahren...... 691 Akustische Verfahren auf Basis Ultraschall 692 Resonanzverfahren.... 692 Impuls-Echo-Verfahren 693 Durchschallungsverfahren 693 Elektrische Verfahren 694

XX 16.3.3 16.3.4 16.3.5 16.4 16.4.1 16.4.2 16.4.3 16.4.4 16.4.5 16.4.6 16.4.7 17 17.1 17.1.1 17.1.2 17.1.3 17.1.4 17.1.5 17.1.6 17.1.7 17.1.8 17.1.9 17.1.10 17.1.11 17.1.12 17.1.13 17.1.14 17.2 17.3 17.4 17.5 18 Inhaltsverzeichnis Thermische Verfahren 694 Strahlungsverfahren 695 Holographische Verfahren 695 Prüfung des Härtungsverlaufs von Klebstoffen und der resultierenden Klebschichteigenschaften..... 695 Dynamisch-Mechanische-Thermoanalyse (DMTA) 696 Differential-Thermo-Analyse (DTA) 700 Dielektrische-Thermoanalyse (DETA) 700 Thermogravimetrische Analyse (TGA) 700 Infrarot-(IR)-Spektroskopie..... 701 Chromatographie.......... 701 Weitere in der Literatur beschriebene Methoden 703 Anhang................... 705 Verzeichnis von Normen, Richtlinien und Merkblättern zum Kleben und zu verwandten Gebieten.. 705 Allgemeine Normen................ 705 Definitionen und Prüfungen von Klebstoffen.... 705 Prüfung von Metallklebstoffen und Metallklebungen 706 Alterungs- und Klimaprüfungen......... 707 Oberflächenbehandlung und -prüfung...... 707 Kurzbezeichnungen und Prüfung von Kunststoffen 708 Haftklebstoffe..... 709 Schmelzklebstoffe 709 Kleben von Kunststoffen 709 Kleben von Holz 709 Kleben von Leder und Schuhwerkstoffen 710 Dichtstoffe............... 710 Prüfung von Materialeigenschaften metallischer Werkstoffe 711 Definitionen und Messungen mechanischer, physikalischer und thermodynamischer Größen......... 711 Verzeichnis ausgewählter ASTM-Methoden für die Prüfung von Klebstoffen und Klebungen..... 712 Kurzzeichen für Klebstoffgrundstoffe und wichtige Kunststoffe (nach DIN 7728 Teill)........ 714 Ausgewählte Umrechnungsfaktoren angelsächsischer Einheiten und SI-Einheiten für klebtechnische Berechnungen 716 Ausgewählte deutsch-englische und englisch-deutsche Begriffe aus dem Gebiet des Klebens......... 717 Literatur....................... 737 Veröffentlichungen aus nationalen und internationalen Fachzeitschriften............... 737 Bücher aus dem deutschen Sprachraum.... 847 Bücher aus dem angelsächsischen Sprachraum 848 Stichwortverzeichnis............. 851

Verzeichnis der Formelzeichen Größe Einheit Bedeutung a mm,cm Probenlänge as cmncm-2 spezifische Schlagarbeit b mm,cm Probenbreite, Überlappungsbreite d mm Klebschichtdicke d mechanischer Verlustfaktor f mm-o,s Gestaltfaktor f Abminderungsfaktor!k Ka pillaritätskennzahl k Reaktionsgeschwindigkeitskonstante lü mm,cm Überlappungslänge n Spannungsspitzenfaktor p Pa, bar Druck PA Ncm-1 absoluter Schälwiderstand Pb Ncm-1 Biegeschälwiderstand Ps Ncm-1 relativer Schälwiderstand r mm,cm Radius s mm Fügeteildicke t s, min, h Zeit ü Überlappungsverhältnis V mm Verschiebung, Kriechverformung V cm3g-1 spezifisches Volumen Vs ms-1 Schlaggeschwindigkeit X mm Koordinate in Belastungsrichtung y mm Koordinate senkrecht zur Belastungsrichtung in der Fügeebene z mm Koordinate senkrecht zur Klebfläche A mm 2,cm 2 Klebfläche AB Nm Bruch-Schlagarbeit B mm,cm Nabenbreite D mm,cm Durchmesser Da mm,cm äußerer Durchmesser Di mm,cm innerer Durchmesser

XXII Verzeichnis der Formelzeichen Größe Einheit Bedeutung E Nmm-2 Elastizitätsmodul EF Nmm-2 Elastizitätsmodul des Fügeteilwerkstoffs EK Nmm-2 Elastizitätsmodul der Klebschicht Es Nmm-2 Elastizitätsmodul der reinen Polymersubstanz F N Prüfkraft, Last F N mittlere Trennkraft FB N Bruchlast FB Ncm-1 Einheitsbruchlast Fmax N Höchstkraft G Nmm-2 Schubmodul GK Nmm-2 Schubmodul der Klebschicht Gs Nmm-2 Schubmodul der reinen Polymersubstanz G (t) Nmm-2 Kriechmodul J(t) mm2 N-1 Kriechnachgiebigkeit Mb Nmm Biegemoment Mt Nmm,Nm Torsionsmoment, Drehmoment MLB Nmm,Nm Losbrechmoment N Schwingspielzahl Re Nmm-2 Streckgrenze des Fügeteilwerkstoffs Rm Nmm-2 Zugfestigkeit des Fügeteilwerkstoffs Rpo,2 Nmm-2 0,2-Dehngrenze des Fügeteilwerkstoffs Rmax )lm maximale Raubtiefe Rz )lm Raubtiefe (mittlere) T oc,k Temperatur Tg oc Glasübergangstemperatur Ts oc Schmelztemperatur Tz oc Zersetzungstemperatur wr cm 3 polares Widerstandsmoment a 0 Benetzungswinkel bzw. Fügeteilbiegung bzw. Schäftungswinkel a 10-6. K-1 Wärmeausdehnungskoeffizient ß mm2 N-1 Schubzahl y 0 Verschiebungswinkel tany Gleitung, elastische Winkelverformung der Klebschicht tan y 8 Bruchgleitung YKF mnm-1, mjm-2 Grenzflächenspannung, Grenzflächenenergie Klebstoff-Fügeteil 8 Klebnutzungsgrad, Ausnutzungsgrad E -, o/o Dehnung EB -,% Bruchdehnung TJ mpas, Pas Viskosität

Verzeichnis der Formelzeichen XXIII Größe Einheit Bedeutung lt W cm-1 K-1 Wärmeleitfähigkeit lt nm, IQ-9 m Wellenlänge A logarithmisches Dekrement f1f Querkontraktionszahl (Poisson-Zahl) des Fügeteilwerkstoffes J1K Querkontraktionszahl (Poisson-Zahl) der Klebschicht V s-1 Frequenz e Qcm spezifischer Widerstand e gcm-3 Dichte (J' Nmm-2 Zugspannung (J'b Nmm-2 Biegespannung (J'B Nmm-2 Bruchspannung, Zugfestigkeit der Polymersub stanz (J'FG mnm-', mjm-2 Oberflächenspannung, Oberflächenenergie Fügeteil (J'KG mnm-1, mjm-2 Oberflächenspannung, Oberflächenenergie flüssiger Klebstoff (J'max Nmm-2 maximale Spannung (J'z Nmm-2 Normalspannung in der Klebschicht rs Nmm- 2 * Klebfestigkeit rsm(= rs) Nmm-2 mittlere Zugscherspannung beim Bruch der Klebung rsmax Nmm-2 maximale Zugscherspannung beim Bruch der Klebung rm Nmm-2 mittlere Zugscherspannung innerhalb des Festigkeitsbereichs rmax Nmm-2 maximale Zugscherspannung innerhalb des Festigkeitsbereichs rv Nmm-2 Druckscherfestigkeit hb Nmm-2 Losbrechfestigkeit rr Nmm-2 Torsionsscherfestigkeit rv Nmm-2 Verdrehscherfestigkeit rmt Nmm-2 Schubspannung infolge Torsionsbelastung rs/r Nmm-2 Zeitstand-Klebfestigkeit ( Zeitstandfestigkeit) ro Nmm-2 Dauerfestigkeit rschw Nmm-2 Schwellfestigkeit r= Nmm-2 Dauerstand-Klebfestigkeit (Dauerstandfestigkeit) r' Nmm-2 Schubspannung in der Klebschicht * Aufgrund entsprechender Festlegungen in den Normen (Abschn. 17.1) wird die Klebfestigkeit in der Einheit MPa (Mega-Pascal) angegeben. Da 1 Pa= 1 N/1 m2, ergibt sich 1 MPa = 1 Nmm-2

XXIV Verzeichnis der Formelzeichen Größe r~ r' r' r' m E V Einheit Nmm-2 Nmm-2 Nmm-2 Nmm-2 Bedeutung Bruchschubspannung mittlere Schubspannung in der Klebschicht Schubspannung infolge Fügeteildehnung Schubspannung infolge Fügeteilverschiebung