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Klebstoff



Klebstoff ist ein Prozesswerkstoff, der zum Kleben verwendet wird.

Nach DIN EN 923 wird ein Klebstoff als „nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (siehe Adhäsion) und innere Festigkeit (siehe Kohäsion) verbinden kann“ definiert.

Obwohl es auch Klebstoffe auf Basis anorganischer Verbindungen gibt, wie beispielsweise Wasserglas (Natrium- beziehungsweise Kaliumsilikat) oder die Produkte auf Basis von Zement, ist die überwiegende Mehrzahl der heute eingesetzten Klebstoffe den organischen Verbindungen zuzuordnen.

Weiteres empfehlenswertes Fachwissen

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Schon vor mindestens ca. 45.000 Jahren, vielleicht aber auch wesentlich früher, verwandten Neandertaler den Klebstoff Birkenpech, um Stein und Holz ihrer Waffen und Werkzeuge miteinander zu verbinden.

Das „Kleben“ ist somit sowohl eine der ältesten Techniken, als auch eines der modernsten Fügeverfahren.

Vor 6.500 Jahren verwendeten die Mesopotamier Asphalt zu Bauzwecken. 3000 v.Chr. kannten die Sumerer das Herstellen von Leim aus tierischen Häuten und etwa 1500 v.Chr. verwendeten die Ägypter tierische Leime für Furnierarbeiten.

Einteilung der Klebstoffe

In der Bio- und Technosphäre wird eine große Anzahl unterschiedlicher Klebstoffarten verwendet. Die verschiedenen Klebstoffarten lassen sich zum einen nach der chemischen Basis und zum anderen nach dem Verfestigungsmechanismus einteilen.

Nach der chemischen Basis

Einteilung der Klebstoffe nach der chemischen Basis
Klebstoffe
organische Verbindungen Silicone anorganische Verbindungen
natürliche Basis synthetische Basis
Proteine (Leim) (Kasein)

Kohlenhydrate (Stärke)
Harze

Kohlenwasserstoff-
Verbindungen
+ Sauerstoff,
Stickstoff,
Chlor, Schwefel

keramische Bestandteile,

Metalloxide,
Silikate,
Phosphate,
Borate

Nach dem Verfestigungsmechanismus

Die Einteilung in Duroplaste, Thermoplaste und Elastomere, wie sie bei Kunststoffen üblich ist, ist bei Klebstoffen wenig sinnvoll. Es gibt Klebstoffe (besonders bei den Polyurethanen), die als Duromere, Elastomere und Thermoplaste aushärten. Ein besseres Ordnungskriterium ist die Art und Weise wie sich der Klebstoff verfestigt - wie er also die notwendige Kohäsion aufbaut.

Einteilung der organischen Klebstoffe und Silicone nach dem Verfestigungsmechanismus
physikalisch abbindende Klebstoffe chemisch härtende Klebstoffe Klebstoffe ohne Verfestigungsmechanismus
Schmelzklebstoffe

Lösemittelhaltige Nassklebstoffe
Kontaktklebstoffe
Dispersionsklebstoffe
Wasserbasierte Klebstoffe
Plastisole

Polymerisationsklebstoffe

Cyanacrylatklebstoffe (Sekundenkleber)
Methylmethacrylat-Klebstoffe
Anaerob härtende Klebstoffe
Ungesättigte Polyester (UP-Harze)
Strahlenhärtende Klebstoffe

Polykondensationsklebstoffe

Phenolformaldehydklebstoffe
Siliconklebstoffe
Silanvernetzende Polymerklebstoffe
Polyimidklebstoffe

Polyadditionsklebstoffe

Epoxidharzklebstoffe
Polyurethan-Klebstoffe

Haftklebstoffe

Physikalisch abbindende Klebstoffe

Hierunter versteht man solche Klebstoffe, bei denen bereits der fertige Klebstoff, das heißt das Polymer an sich, in die Klebefuge eingebracht wird. Dazu wird ein physikalisches Verfahren angewendet, das den Klebstoff zunächst in eine verarbeitbare Form bringt, um ihn später im Klebespalt wieder verfestigen zu lassen.

Lösemittelhaltige Nassklebstoffe

Bei lösemittelhaltigen Nassklebstoffen liegt das Polymer in organischen Lösemitteln gelöst vor und wird so appliziert. Das Fügen findet zu einem Zeitpunkt statt, bei dem noch genügend Lösemittel in der Klebschicht vorhanden ist, um eine Benetzung der zweiten Fügeteiloberfläche zu gewährleisten. Durch Verdunsten der Lösemittel bindet der Klebstoff ab, das heißt er wird zunächst zäher und verfestigt sich schließlich durch die Ausbildung physikalischer Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten.

Lösemittelhaltige Nassklebstoffe können auch zum Diffusionskleben (Kaltschweißen) thermoplastischer Kunststoffe verwendet werden. Dabei werden beide Klebflächen mit dem Klebstoff bestrichen, der ein Lösemittel enthält, welches imstande ist, die Oberfläche der Fügeteile anzulösen. Nach kurzer Einwirkzeit werden die beiden Fügeteile unter Druck gefügt, wodurch sich die durch das Lösemittel freigelegten Polymerketten der angelösten Oberfläche - ähnlich wie die Borsten zweier Bürsten, die ineinander gedrückt werden - durchdringen und miteinander verschlaufen. Nach Entweichen des Lösemittels entsteht so nach einiger Zeit eine Verbindung, die rein auf Kohäsionskräften beruht.

Anwendungsrisiken

  • Lösemittelhaltige Nassklebstoffe können nicht auf spannungsrissempfindlichen Materialien wie zum Beispiel Polycarbonat eingesetzt werden, da durch die vorhandenen Lösemittel die Spannungsrisse indiziert werden.
  • Bei großflächigen Verklebungen sollte mindestens ein Substrat lösemitteldurchlässig sein, da sonst das vollständige Aushärten der Verklebung sehr lange dauern kann (bis zu einigen Tagen oder Wochen).

Dispersionsklebstoffe

Dispersionsklebstoffe nutzen in der Regel Wasser als mobile Phase (Dispersionsmittel), in der die Klebstoffbestandteile als Dispersion vorliegen. Nach Aufbringen auf die zu verklebende Fläche bricht die Dispersion durch Entweichen des Dispersionsmittels in die Fügeteile oder durch dessen Verdunstung in die Umgebung bzw. durch Veränderung des pH-Wertes. Die Klebstoffbestandteile nähern sich dabei an und bilden einen Film, der die beiden Fügeteile verbinden kann.

Wässrige Dispersionsklebstoffe werden heute vielfältig als Ersatz der Lösemittelklebstoffe verwendet, da sie nicht wie diese brand- und explosionsgefährlich sind und auch keine gesundheitsbeeinträchtigenden Lösemittel freisetzen. Nachteil ist allerdings, dass wasserbasierte Klebstoffe zum Abbinden längere Zeit oder mehr Energie benötigen. Außerdem sind Dispersionsklebstoffe frostempfindlich. Ebenfalls ist die Lagerung ein Problem, da Dispersionsklebstoffe meist mit normalen Leitungswasser hergestellt werden. Somit kann es bei längerer Lagerung unter bestimmten Konditionen (hohe Luftfeuchte und Raumtemperatur) zu Schimmelbefall kommen und der Klebstoff ist nicht mehr zu verwenden.

Anwendungsrisiken

  • Mindestens ein Substrat muss wasserdurchlässig sein (analog den Lösemittelklebstoffen), da sonst die Aushärtung des Klebstoffes sehr lange dauern kann.
  • Bei Substraten welche unter Wassereinwirkung zur Korrosion neigen, sollten Dispersionsklebstoffe nicht eingesetzt werden.
  • Verklebungen mit Dispersionsklebstoffen sind empfindlich gegen hohe Feuchtigkeit/Wasser, es kommt unter Umständen zu einem vollständigen Versagen der Verklebung.

Schmelzklebstoffe

Schmelzklebstoffe - oft auch als „Hotmelts“ bezeichnet - sind bei Raumtemperatur fest und werden durch Aufschmelzen verarbeitbar. Die heiße Klebstoffschmelze wird auf das zu verklebende Teil aufgebracht und sofort mit dem zweiten Teil innerhalb der Offenzeit gefügt. Unmittelbar nach dem Abkühlen und Erstarren des Klebstoffs ist die Verbindung fest und funktionsfähig. Dies ermöglicht in Produktionsprozessen sehr schnelle Taktzeiten und unmittelbares Weiterverarbeiten.

Für den Hobby- und Kleinanwender kommen Schmelzklebstoffe in Form von Klebekerzen (Klebesticks) in den Handel, die mit Schmelzklebepistolen verarbeitet werden können. Bei technischen Anwendungen werden sie auch in Form von Folien, Granulaten oder Blöcken mit Hilfe von Schmelzgeräten und nachgeschalteten Auftragsköpfen verarbeitet.

Schmelzklebstoffe sind lösemittelfrei, jedoch ist ihr Einsatz wegen der hohen Verarbeitungstemperaturen auf temperaturresistente Werkstoffe beschränkt. Andererseits verhält sich der Klebstoff reversibel, das heißt bei Temperaturerhöhung wird er wieder weich und besitzt daher nur eine eingeschränkte Wärmebeständigkeit (siehe auch reaktive Schmelzklebstoffe).

Kontaktklebstoffe

Kontaktklebstoffe können sowohl Lösemittelklebstoffe als auch Dispersionsklebstoffe sein, die im Kontaktklebeverfahren verarbeitet werden.

Dazu werden zunächst beide Klebeflächen gleichmäßig mit Klebstoff bestrichen. Dann lässt man den Klebstoff so lange ablüften, bis der Klebefilm sich trocken anfühlt, das heißt bei der Fingerprobe keine Fäden mehr zieht und nur noch eine geringe Soforthaftung aufweist. Im nächsten Schritt müssen die Klebeflächen innerhalb der offenen Verarbeitungszeit exakt zusammengefügt werden. Eine Korrektur ist nicht möglich. Um eine gute Verklebung zu erzielen, ist es nötig, die Klebeflächen kurz unter möglichst hohem Druck zusammenzupressen. Ist ein Substrat flexibel, bedient man sich am besten einer Rolle, mit der ein hoher Liniendruck erzielt werden kann. Die Klebung ist sofort nach dem Fügen belastbar. Die Endfestigkeit wird nach einigen Tagen erreicht, wenn die Restlösemittel aus der Klebefuge entwichen sind.

Anwendungsrisiken

  • Wie bei den Lösemittelklebstoffen muss auch hier mindestens ein Substrat lösemitteldurchlässig sein, da sonst die Aushärtung des Klebstoffes bis zum Erreichen der Endfestigkeit sehr lange dauern kann.
  • Verklebungen mit Kontaktklebstoffen sind nicht wärmestabil. Besonders unter Schälbelastung bei gleichzeitig erhöhter Temperatur führt zu einem Versagen der Verklebung

Plastisole

Bei Plastisolen sind in der Verarbeitungsform kleine feste Polymerkügelchen in einer flüssigen Phase verteilt. Nach dem Applizieren wird das Plastisol durch Wärmezufuhr geliert. Bei diesem Vorgang nehmen die Polymerkügelchen die Flüssigkeit - meist ein Weichmacher - auf, quellen und verwachsen so zu einer homogenen Schicht. Das PVC-Plastiol bekommt eine Handlingsfestigkeit für nachfolgende Prozesse. Zur vollständigen Aushärtung nach dem Gelieren muss eine nochmalige höhere Wärmezufuhr erfolgen. Häufig verwendet werden beispielsweise PVC-Plastisole im Automobilbau als Nahtabdichtung oder Unterbodenschutz.

Plastisole im Automobilbau

Im Gegensatz zu den normalen Nahtabdichtungen auf PVC-Basis sind PVC-Plastisole nicht sehr dehnfähig. Besonders bei Relativbewegungen zwischen zwei Bauteilen kann ein PVC-Plastisol Risse bekommen. Die Haftung der PVC-Plastisole auch auf beölten Blechen ist sehr gut und kann durch den Zusatz von Einkomponenten-Epoxidharzklebstoffen verbessert werden. Die Ölmenge sollte bei max. 3g/m2 liegen. Höhere Ölmengen verschlechtern die Anfangshaftung und Endfestigkeit sowie den Korrosionsschutz. Die Epoxi-Klebstoffe sind in der Lage, die Öle bei der Aushärtereaktion mit einzubinden. Das PVC-Plastisol an sich ist chemisch nicht reaktiv, so dass eine Einbindung der Öle nicht erfolgen kann. Für die nachfolgenden Prozesse der Lackierung müssen die beölten Bauteiloberflächen entfettet werden. Dies geschieht mittels wässrigen Reinigern im Tauch- bzw. Sprühverfahren. Um die noch nicht ausgehärteten Plastisole nicht auch abzuwaschen, werden diese in einem sogenannten „Rohbauofen“ bei ca. 120°C angeliert. Im angelierten Zustand wird zwischen PVC-Plastisol und Substrat keine chemische Haftung aufgebaut, das Plastisol haftet in vielen Fällen nur durch das direkte Anliegen am Substrat. Die vollständige Endhärtung des Plastisols erfolgt während des Einbrennens der kathodischen Tauchlackierung bei ca. 180 °C.

Chemisch härtende Klebstoffe

Bei chemisch härtenden Klebstoffen, oft auch Reaktionsklebstoffe genannt, werden die einzelnen chemischen Bausteine für den Klebstoff im richtigen Verhältnis in die Klebefuge eingebracht. Die Verfestigung erfolgt danach durch chemische Reaktion der Bausteine miteinander.

Grundsätzlich unterscheidet man bei den Reaktionsklebstoffen zwischen zwei- (oder mehr-) komponentigen und ein-komponentigen Systemem. (Siehe auch Kunstharz)

Bei 2-Komponenten-Klebstoffen (kurz: 2K-Klebstoffe) hat der Verarbeiter einen Klebstoff bestehend aus getrennten Bestandteilen, A- und B-Teil oder Binder (auch Harz genannt) und Härter genannt, die vor der Applikation im korrekten Verhältnis intensiv vermischt werden müssen. Durch das Mischen startet die chemische Reaktion zwischen den zuvor separat vorliegenden Bausteinen zum Klebstoffpolymer. Dies bedingt, dass 2K-Klebstoffe nur innerhalb der sog. Topfzeit verarbeitbar sind. Durch die fortschreitende Reaktion wird die angemischte Masse immer zäher und fester und kann schließlich nach Überschreiten der Topfzeit (= max. mögliche Verarbeitungszeit) die zu verbindenen Oberflächen nicht mehr benetzen. Nach dem Einbringen des Klebstoffs in die Fuge folgt die Abbindezeit, in der sich die Endfestigkeit der Verklebung aufbaut. Diese Aushärtezeit wird stark von äußeren Einflüssen, besonders der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit, beeinflusst. Temperaturerhöhung führt zu einer schnelleren Reaktion und meist auch einer höheren Festigkeit, während kühlere Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit herabsetzen. Für besondere Anwendungsfälle werden auch Drei- oder Mehrkomponentenklebstoffe hergestellt.

Bei 1-Komponenten-Klebstoffen (1K-Klebstoffen) wird eine schon gebrauchsfertig verkaufte Klebemasse in den Klebespalt gebracht. Der Klebstoff härtet dann durch Veränderung der Umgebungsbedingungen aus; dies kann beispielsweise durch Temperaturerhöhung, Zutritt von Luftfeuchtigkeit, Ausschluss von Luftsauerstoff oder Kontakt mit der Substratoberfläche geschehen. Aus chemischer Sicht handelt es sich auch dabei um einen 2-Komponenten Klebstoff, da für die Aushärtung immer eine zweite Komponente benötigt wird.

Die Unterscheidung nach der Art der chemischen Reaktion - Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition - ist für den Anwender meist von geringerer Bedeutung.

Anwendungsrisiken

  • Bei der Polykondensation als Aushärtereaktion ist zu beachten, dass es sich bei der Polykondensation um die Abspaltung von niedermolekularen Molekülen, meist Wasser oder CO2 handelt. Es kann dadurch zu Korrosion der Bauteile oder zu einem Aufschäumen des Klebstoffes kommen.

Cyanacrylat-Klebstoffe

Cyanacrylat-Klebstoffe sind im Allgemeinen besser bekannt unter dem Begriff „Sekundenkleber“. Es handelt sich dabei um dünnflüssige oder bewusst eingedickte Ester der Cyanoacrylsäure, die in 1K-Form als Monomere in den Handel kommen und durch Polymerisationsreaktion im Fügespalt zum eigentlichen Klebstoffpolymer reagieren. Voraussetzung für den Start der Aushärtung ist das Vorhandensein polarer Gruppen, beispielsweise die OH-Ionen in der Feuchtigkeitsschicht an der Fügeteiloberfläche. Es handelt sich dabei um anionische Polymerisation, d.h. Nukleophile, wie z. B. organische Stickstoffverbindungen, Schwefelverbindungen, oder Alkohole und Wasser attackieren die Doppelbindung im Monomermolekül. Die Polymerisation läuft dann sehr schnell ab, so dass in Sekunden eine feste Verbindung hergestellt ist. Bevorzugte Substrate sind Metalle, Glas oder Keramik, die einen extrem dünnen Klebespalt ermöglichen. Um etwas breitere Spalten zu füllen, wird durch Zusatzmittel die Viskosität angehoben oder durch Thixothropiermittel ein Gelzustand erzeugt. Solche Typen werden bevorzugt zum Verkleben von EPDM-Gummidichtungen eingesetzt.

Cyanacrylat wurde ursprünglich 1942 von der Firma Kodak für das US-Militär als transparente, unzerbrechliche Zieloptik für Panzer entwickelt. Da es jedoch zu diesem Zweck nicht taugte, kam 1958 der erste Sekundenkleber mit dem Namen Eastman 910 auf Basis der damals entwickelten Substanz heraus.

Verklebungen mit Cyanacrylat-Klebstoffen sind nicht feuchtigkeits- oder temperaturstabil, da unter diesen Bedingungen das Polymer wieder gespalten wird. Außerdem lassen sich nur kleine Flächen richtig verkleben. Verbindungen lassen sich mit Hilfe von Aceton (syst. Name: Propanon; enthalten in handelsüblichem Nagellackentferner) wieder lösen.

Spezielle Ester der Cyanacrylsäure finden auch in der Medizin zum Wundverschluss statt des Nähens Anwendung. Durch die feucht-warmen Umgebungsbedingungen lösen sich diese Verklebungen langsam wieder auf. Seit 1998 ist in den USA Cyanacrylat auch zur Wundbehandlung freigegeben, weil insbesondere Schnittwunden damit schnell verklebt werden können.

Anwendungsrisiken

  • Cyanacrylatklebstoffe können bei Anwesenheit von Wasser (z.B. auch bei zu hoher Luftfeuchtigkeit) schlagartig reagieren. Die dabei entstehende Verklebung hat hohe innere Spannungen und ist extrem spröde; sie kann keine oder nur geringe Kräfte übertragen. Man kann diesen an sich negativen Effekt aber auch nutzen, um versehentlich applizierten Sekundenkleber mit einigen Tropfen Wasser sofort auszuhärten. Die dabei entstehende opake Masse ist mechanisch wesentlich leichter zu entfernen, als wenn man bis zur regulären Aushärtung des Klebstoffes warten würde.
  • Bei Verklebungen auf Glasscheiben kann es durch die am Glas adsorbierten Hydroxid-Schichten ebenfalls zu schlagartigen Reaktionen kommen. Unter Umständen kann das Glas an der Verklebungsstelle brechen/ausmuscheln.
  • Auf jeder Packung wird davor gewarnt, dass Haut und Augenlider sehr schnell verklebt werden können. Dies kann unter Umständen so schnell geschehen, dass man keine Zeit mehr zum sinnvollen Reagieren hat. Als Erste Hilfe bei Hautverklebungen wird empfohlen, mit warmen Seifenwasser und stumpfen Gegenständen die Verklebung zu lösen. Der Klebstoff löst sich mit der Zeit langsam von alleine, ggf. kann man warten bis die oberste Hautschicht von selbst abfällt und damit die letzten Klebstoffreste. Bei verklebten Augenlidern muss man einen Arzt konsultieren, wobei anzumerken ist, dass Cyanacrylatklebstoffe bei unmittelbarem Kontakt mit einem Auge schwere Schäden anrichten können und es daher gar nicht dazu kommen sollte. Die Anwendung von Aceton ist nur dann weitgehend sicher, wenn dies fern vom Gesicht und offenen Wunden geschieht. Nach Anwendung von Aceton sollte wegen der stark entfettenden Wirkung die Haut eingecremt werden.

Methylmethacrylat-Klebstoffe

Methylmethacrylat-Klebstoffe sind zwei-komponentige Reaktionsklebstoffe, bei denen das eingesetzte Monomer - der Methylester der Methacrylsäure - durch radikalische Kettenreaktion polymerisiert wird. Zum Start der Polymerisationsreaktion wird ein reaktives Radikal benötigt, das meist aus einem Peroxid entsteht, wenn man diesem einen Beschleuniger zusetzt. Das heißt, letztendlich benötigt man nur für das Starten der Radikalreaktion das 2K-System, bei dem Peroxid und Beschleuniger zusammenkommen und die Startradikale bilden.

Man kann daher sowohl das Peroxid im Methylmethacrylat-Monomer als eine Komponente als auch den Beschleuniger gelöst im Basis-Monomer als zweite Komponente in den Handel bringen. Durch Mischen beider Komponenten wird die Radikalkettenreaktion initiiert und der Klebstoff härtet durch.

Eine andere Variante bringt das gesamte Monomer und das Peroxid in eine Komponente und verwendet als zweite Komponente nur noch den Beschleuniger. Hierdurch kann das vorangehende Mischen der beiden Komponenten (und die damit verbundene Topfzeit) entfallen, wenn auf ein Fügeteil die Hauptkomponente und auf das andere Fügeteil der Beschleuniger aufgetragen werden. Durch Zusammenfügen der Flächen kommen die beiden Komponenten in Kontakt und die Radikalreaktion startet.

Methylmethacrylat-Klebstoffe werden hauptsächlich zur strukturellen Verklebung von Metallen und Kunststoffen eingesetzt. Die wesentlichen Eigenschaften sind: hohe Festigkeiten (bis zu 25 N/mm²), bei 10:1-MMA-Klebstoffen zusätzlich auch hohe Elastizitäten (bis zu 120% Dehnung), schnelle Aushärtung (1 min. - 90 min. offene Zeit, handfest in 5 - 120 min.). Durch die Kombination aus hoher struktureller Festigkeit und Elastizität ergeben sich viele Vorteile im Vergleich zu anderen Klebstoffsystemen, die entweder hochfest, aber relativ spröde (zB. Epoxidharze) oder elastisch, aber mit geringer Festigkeit (zB. Polyurethan) sind. Dabei sind MMA´s absolut outdoor-geeignet (UV-, Chemikalien- und Wasserbeständig) und für Einsatztemperaturen von -40 bis +120 Grad C geeignet. Typische Anwendungen finden sich in der Automobilindustrie, beim Bootsbau oder in der Konstruktion bei Metallverbindungen. Mit Ausnahme von Glas, Holz, Buntmetallen und den bekannt schwer verklebbaren Kunststoffen (zB. PEEK, POM, PET, PTFE, PP) können sehr viele Materialien miteinander verklebt werden.

Anaerob härtende Klebstoffe

Diese Gruppe von Klebstoffen wird als 1K-System angewendet. Die eingesetzten Monomere von (modifizierten) Acrylsäure-Estern härten ebenfalls nach einem Radikalketten-Mechanismus ähnlich den Methylmethacrylaten aus. Das Besondere dabei ist, dass die Härtereaktion nur unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob) und in Anwesenheit von Metallionen startet, wenn der Klebstoff in einer engen metallischen Klebfuge von der Umgebungsluft abgeschlossen wird. Es können nur metallische Werkstoffe damit geklebt werden, da für die Aushärtung freie Metallionen als Reaktionspartner benötigt werden. Besonders bei Metallen mit hohen passiven Eigenschaften wie zum Beispiel Chrom- und Edelstählen kann es aufgrund des Ionenmangels zu Fehlklebungen kommen. Aus diesem Mechanismus ergibt sich das Hauptanwendungsgebiet dieser Klebstoffsorte als Schraubensicherung und zur Wellen- und Flanschverklebung praktisch von selbst. Verklebungen dieser Art sichern die Verbindung gegen ein Abfallen des Anzugdrehmomentes und dichten gleichzeitig die Verbindungsstelle gegen korrosive Medien ab.

Strahlenhärtende Klebstoffe

Ebenfalls durch radikalische Polymerisation härten diese 1K-Klebstoffe zu festen Polymeren, wobei die Bildung der Startradikale durch Bestrahlung mit UV-Licht (oder anderen Strahlenquellen wie Elektronen) hervorgerufen wird. Die Wellenlänge des UV-Lichts muss dabei genau auf das eingesetzte Klebstoffsystem abgestimmt sein; außerdem muss mindestens eines der Fügeteile für die Strahlen transparent sein. Bekannte Beispiele sind etwa das Ankleben künstlicher Fingernägel oder das Einkleben von Kunststoff-Zahnfüllungen; die Aushärtung erfolgt jeweils durch Bestrahlen mit UV-Licht.

Die wesentlichen Vorteile von UV-Klebstoffen sind: Einkomponentig, Lösungsmittelfreiheit, gezieltes Aushärten unter UV-Licht,dabei sehr schnelle Aushärtung.

Es sind mehrere Varianten in Verwendung:

UV-Acrylate sind ideal zum Verkleben transparenter Substrate. Im flüssigen Zustand besteht ein radikalisch vernetzender UV-Klebstoff überwiegend aus Monomeren und Photoinitiatoren. In diesem Zustand lässt sich der Klebstoff leicht dosieren. Durch die Einwirkung von UV-Strahlung werden die Photoinitiatoren in freie Radikale gespalten. Diese Radikale leiten die Bildung von Polymerketten ein. Im ausgehärteten Zustand besteht der UV-Klebstoff aus vernetzten Polymerketten.

Kationische Epoxies können auch zum Kleben von nicht transparenten Substraten eingesetzt werden. Im Unterschied zu den radikalisch härtenden Acrylatklebstoffen können die kationisch härtenden Klebstoffsysteme nach einer ausreichenden Aktivierung mit UV-Strahlung im Dunklen weiterhärten. Kationische Epoxies können für Anwendungen mit einem UV-durchlässigen Bauteil ebenso eingesetzt werden, wie für Anwendungen bei nicht UV-durchlässigen Werkstoffen. Bei Letzteren muss der Klebstoff nach dem Dosieren, jedoch vor dem Fügen mit UV-Strahlung aktiviert werden. Nach der Aktivierung besitzt der Klebstoff eine begrenzte offene Zeit, in der die Bauteile zu fügen sind.

Dual härtende Produkte mit mehr als einem Härtungsmechanismus hingegen sind geeignet für Anwendungen mit echten Schattenbereichen, die keiner Strahlungsquelle zugänglich sind. Die Aushärtung im Schattenbereich erfolgt entweder unter Luftabschluss in Gegenwart von Metallen, durch Luftfeuchtigkeit oder durch Wärmezufuhr.

Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe

Wie schon der Name dieser Klebstoffgruppe sagt, sind die Basis-Bausteine Phenol (oder Phenol-Derivate) und Formaldehyd, die zu einem Polymer kondensiert werden. Dies war eine der ersten Reaktionen, die zu einem „Kunststoff“ (Bakelite) führte. In der Klebetechnik setzt man eine Mischung aus Phenol-Formaldehyd-Harz, das noch nicht hochmolekular polymerisiert ist, und einem Formaldehyd-Lieferanten ein. Dieses Gemisch bringt man als Lösung oder auch als Pulver in die Klebefuge ein und setzt die quasi unterbrochene Kondensationsreaktion durch Temperaturerhöhung auf ca. 160 bis 180 °C fort. Da hierbei als Abspaltprodukt Wasser entsteht und dadurch die Klebfuge schrumpft, müssen die Fügeteile gut zusammengepresst werden.

Der resultierende Klebstoff hat eine gute Temperaturbeständigkeit, weshalb man dieses System besonders für temperaturbelastete Metall-Verklebungen nutzt. Ein großes Einsatzgebiet ist beispielsweise die Verklebung von Reibbelägen, die als Bindemittel ebenfalls Phenol-Formaldehyd-Harze enthalten, auf die Metallträger bei der Fertigung von Kupplungen und Bremsbelägen.

Silicone

Silicon-Polymere unterscheiden sich grundsätzlich von den anderen hier behandelten Polymertypen, da das Rückgrat der Silicone nicht wie bei den üblichen organischen Polymeren aus Kohlenstoffketten ausgebaut ist. Vielmehr wechseln sich in der Hauptkette Silicium- und Sauerstoff-Atome ab. Nur in den Seitenkette tragen diese Polymere organische Strukturen.

Für die Kleb- und Dichtsysteme werden sog. Prepolymere (Polymere, die sich noch in einem Vorstadium zu einem richtigen Polymer befinden) eingesetzt, deren Kettenenden durch funktionelle Gruppen so gestaltet sind, dass sie unter Einwirkung von Luftfeuchtigkeit (bei 1-komponentigen Siliconen) oder nach Zugabe eines Härters (2K-Systeme) zu einem hochmolekularen Polymer vernetzen.

Anwendungsgebiete sind heutzutage weniger Klebstoffe als vielmehr Dichtstoffsysteme, wie man sie zum Beispiel als Sanitärsilicone kennt.

Silanvernetzende Polymerklebstoffe

Hierbei handelt es sich um eine relativ neue Klebstoffart. Die Vernetzung entsteht wie bei Siliconen durch die Reaktion mit Luftfeuchtigkeit. Silanvernetzende Polymerklebstoffe sind meistens zähelastisch mit einer hohen Klebkraft. Mitunter werden sie auch Hybridklebstoffe genannt, weil Polymere und Silane ein Hybrid ergeben. Die Silan-Bausteine können durch chemische Reaktion mit benachbarten Polymermolekülen Brücken schlagen und sich so 3-dimensional vernetzen. Bei der Vernetzung werden niedermolekulare Substanzen wie Methanol oder Ethanol freigesetzt.

Epoxidharz-Klebstoffe

Epoxidharz-Klebstoffe kurz Epoxi-Klebstoffe sind zweikomponentig aus Harz und Härter aufgebaut. Als Epoxidharz werden Polymerbausteine verwendet, die am Ende sog. Epoxidgruppen tragen. Meist werden dazu die Reaktionsprodukte aus Bisphenol-A und Epichlorhydrin eingesetzt, die nach dem Vermischen mit dem Härter, der Amino- oder Mercaptogruppen enthält, einen stabilen Duroplasten bilden. Die Aushärtereaktion kann sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höherer Temperatur vorgenommen werden. Im letzteren Fall werden üblicherweise höhere Festigkeiten der Klebung erzielt. Da der ausgehärtete Klebstoff eine sehr hohe Festigkeit besitzt, wendet man diese Klebstoff-Klasse häufig für strukturelle Verklebungen zum Beispiel im Fahrzeug- und Flugzeugbau an.

Epoxidharz-Klebstoffe im Automobilbau

Eine Besonderheit sind einkomponentige Epoxidharzklebstoffe, bei denen schon in der Herstellung Harz- und Härterkomponente im korrekten Verhältnis miteinander vermischt wurden. Bei diese Klebstoffen wird durch Inhibitoren die Aushärtung bei Raumtemperatur stark verlangsamt, aber nicht vollständig verhindert, so dass diese Klebstoffe nur begrenzt lagerfähig sind. Um die Lagerfähigkeit zu erhöhen, können einige dieser Klebstoffe auch tiefgefroren werden.

Diese Klebstoffe werden in der Automobilindustrie als so genannte Rohbauklebstoffe eingesetzt. Epoxidharz-Klebstoffe haben bei kleinen Spaltmaßen von 0,3 bis 0,5 mm die höchsten Festigkeiten. Um diese Spaltmaße in der Automobilindustrie zu gewährleisten, werden diese Klebstoffe oft in Bördelfalzen eingesetzt. Zusätzliche Zugaben von kleinen Glaskugeln im Durchmesserbereich von 0,3 bis 0,5 mm können die Spaltgenauigkeit erhöhen. Generell sind die Epoxidharz-Klebstoffe im Automobilbau punktschweißfähig, die Durchschweißfähigkeit beim Punktschweißen nimmt bei der Zugabe von Glaskugeln jedoch ab. Glaskugeln im Klebstoff führen evtl. zu einem erhöhten abrasiven Verschleiß der Applikationsanlagen, so dass dies schon bei der Anlagenauslegung berücksichtigt werden muss. Das Schweissen mittels MAG/WIG etc., also mit hoher Wärmeeintragung, ist in der Nähe von Klebenähten nicht zulässig (Verbrennungsgefahr des Klebstoffes).

Epoxidharz-Klebstoffe in crashrelevanten Bereichen wie Motorträgern, Türen und Schwellern müssen nicht nur eine hohe statische Festigkeit aufweisen, sondern auch unter hochdynamischer Last ihre Festigkeit beibehalten. Diese Eigenschaft wird als Schlagzähigkeit, Kerbschlagzähigkeit oder (engl.) Toughness bezeichnet. Die Schlagzähigkeit kann durch eine besondere Mikromorphologie des ausgehärteten Klebstoffs erreicht werden, die z.B. durch reaktive Thermoplaste in der Klebstoffformulierung dargestellt werden kann. Ohne diese Additive kommt es bei crashartiger Belastung zum spröden Versagen des Klebstoffs, das geklebte Bauteil kann dann die Crashenergie nicht mehr aufnehmen.

Verklebungen mit Epoxi-Klebstoffen haben im Automobilbau wesentliche Vorteile gegenüber Punktschweißnähten. Bei Schweißpunkten wird die Energie nur punktuell eingeleitet, während bei der Verklebung die Energie großflächig eingeleitet werden kann. Die Torsionssteifigkeit einer geklebten Struktur ist deutlich höher als die einer analogen punktgeschweißten Struktur. Auch die Ermüdungsfestigkeit (Dauerschwingfestigkeit) ist bei geklebten Strukturen wesentlich höher als bei punktgeschweißten Strukturen. Die Verwendung von Durchsetzfügeverfahren bei gleichzeitigem Klebstoffeinsatz verbessert nochmals die Ermüdungsfestigkeit.

Bei geschweißten hochfesten Stahlsorten versagen beim Crash die Schweißpunkte, die hochfesten Eigenschaften des Stahls können nicht genutzt werden. Bei geklebten hochfesten Stählen werden durch die flächige Krafteinleitung in den Stahl die hochfesten Eigenschaften vollständig ausgenutzt. Stahlsorten die aufgrund ihres Gefügeaufbaues nicht geschweißt werden können, werden häufig mit dem mechanischen Durchsetzfügeverfahren und zusätzlichem Klebstoffeintrag gefügt. Die Epoxi-Klebstoffe härten durch die Wärmezufuhr beim Einbrennen der kathodischen Tauchlackierung bei Temperaturen von ca. 140-180 °C aus.

Anwendungsrisiken

  • Epoxi-Klebstoffe sind nach dem Aushärten nur noch mechanisch entfernbar.
  • Epichlorhydrinharz als Klebstoffbestandteil ist als karzinogen eingestuft.
  • Die Amine im Klebstoff (flüssig oder ausgehärtet) können Allergien auslösen

Polyurethan-Klebstoffe (PUR)

Polyurethan-Klebstoffe sind aus der heutigen Klebstoffwelt nicht mehr wegzudenken. In den Verkehrsmitteln für Strasse/Schiene/Luft/Wasser spielen sie eine Hauptrolle, ebenso in Schuhindustrie, Glasverarbeitung, Buchbinderei etc. PUR-Klebstoffe sind als 1- oder 2-komponenten-Klebstoffe erhältlich, welche durch Polykondensation oder Polyaddition aushärten können. Die 1-komponenten PUR-Klebstoffe härten unter Zugabe von Luftfeuchtigkeit und/oder Wärme aus. Es besteht die Möglichkeit, beide Aushärtemechanismen zu verbinden, so dass eine erste Handlingsfestigkeit durch die Luftfeuchtigkeitshärtung, die Endfestigkeit der Verklebung aber erst unter Wärmeinwirkung erfolgt.

Anwendungsrisiken

In den PUR-Klebstoffen können folgende Grundbausteine enthalten sein:

  • Diphenylmethan -4,-4´,-diisocyanat (MDI)
  • Isophorondiisocyanat (IPDI)
  • Toluylendiisocyanat (TDI)
  • Hexamethylendiisocyanat (HDI)

Von den Isocyanaten können erhebliche Gesundheitsgefahren ausgehen. Freie, ungebundene Isocyanate sind akut giftig oder gesundheitsschädlich, wirken sensibilisierend und haben teils krebserregendes Potenzial (MDI).

Der größte Teil der Isocyanate ist in den Makromolekülen gebunden, zu einem geringem Teil aber als ungebundene Monomere enthalten. Der gebundene Teil kann allerdings beim Verschwelen oder Verbrennen freiwerden. Bei Raumtemperatur konnten keine Isocyanate nachgewiesen werden.

Polyurethan-Klebstoffe in der Buchbinder-Industrie

Auf der Suche nach neuen und besseren Klebstoffen für die Buchbinder wurde erstmals 1985 ein neues Klebstoffsystem vorgestellt. Die Grundlage für dieses System sind Polyether oder Polyester, wobei Polyurethan (PUR) als Präpolymer zur Anwendung kommt. Ihre besondere Eigenschaft ist das Festwerden bei Raumtemperatur und das Reagieren auf Feuchtigkeit.

1. Generation (1988 auf der drupa)
  • Geringe Anfangsfestigkeit
  • Hohe Viskosität
  • Trocknungszeit von mehr als 3 Tagen
2. Generation (1996 auf der drupa)
  • Geringe Anfangsfestigkeit
  • Hohe Viskosität
  • Trocknungszeit von weniger als 3 Tagen
3. Generation (2000 auf der drupa)
  • Gute Anfangsfestigkeit
  • Niedrige Viskosität
  • Trocknungszeit von 6 bis 16 Stunden
4. Generation (aktuell)
  • Gute Anfangsfestigkeit
  • Sehr niedrige Viskosität
  • Trocknungszeit durch zwei Komponenten in wenigen Sekunden erreicht.
Vorteile für die Buchbinder-Industrie

Gegenüber Hotmelt und Dispersionsleimen ist PUR ein wahres Wunder. Durch den fehlenden Feuchtigkeitsanteil können Papiere mit falscher Laufrichtung problemlos verarbeitet werden. Sogar bedruckte oder gar hoch satinierte Papiere lassen sich problemlos binden. Mit einem Strichauftrag von (theoretisch) 0,01 mm ist PUR der sparsamste Klebstoff. In der Praxis jedoch ist es nicht möglich, unter 0,03 mm aufzutragen.

Die PUR-Schmelzklebstoffe sind sehr witterungsbeständig. Bei Temperaturen von -40 °Celsius bis +100 °Celsius sind sie stabil.

Polyurethan-Klebstoffe in der Automobil-Industrie

PUR-Klebstoffe werden in der Automobil-Industrie für die Aufgaben Kleben und Dichten eingesetzt, wobei der Übergang der klebtechnischen Aufgaben zu den dichtenden Aufgaben fließend ist. Angewendet werden sowohl 1-k- als auch 2-k-Klebstoffe, bei denen die Aushärtemechanismes Feuchtigkeit, Wärme und Mehrkomponetensystem auch kombiniert vorkommen können.

Verklebt und abgedichtet werden zum Beispiel:

  • Glasscheiben bestehend aus ESG oder VSG
  • Kunststoffanbauteile
  • Front- und Heckmodule
  • Dächer
  • Türfalze
  • Unterbodenverkleidungen

Klebstoffe ohne Verfestigungsmechanismus

Haftklebstoffe

Auf eine Sonderform der Applikation abgestimmt sind die Haftklebstoffe, die nach dem Auftragen auf ein Trägermaterial hochviskos und dauerklebrig bleiben und dann durch Druck auf ein Substrat aufgebracht werden können und dort haften bleiben. Anwendung finden sie als Sprühklebstoff, als Transferklebstoff (Trägerfreies doppelseitiges Klebeband) oder als Beschichtung von Klebebändern, Selbstklebeetiketten usw.

Vorbehandlung

Um Oberflächen für Verklebungen vorzubereiten sind vielfältige Möglichkeiten der Vorbehandlung bekannt. Die Haftfestigkeit kann je nach Verfahren um Faktoren erhöht werden. Die allseits bekannte Formulierung: Trocken, Staub- und Fettfrei ist als Basis schon sehr effizient. Generell sollten die Bauteile erst fettfrei sein, bevor mit anderen Vorbehandlungsmethoden weiter gereinigt wird. Um dies sicherzustellen sind Reiningungschritte zum Beispiel mit Lösungsmitteln oder eine Vortrocknung im Ofen durchaus üblich. Für Hochleistungsverklebungen gibt es weitere Methoden wie beispielsweise Beflammen, Niederdruckplasma- oder Normaldruckplasma-Behandlung und die Koronaentladungstechnik. Weiterhin ist eine Vorbehandlung mit Haftvermittlern (Primer, Haftprimer) möglich. Gerade das Kleben von Kunststoffen erfordert Erfahrung und Tests, da hier viele Einflussfaktoren das Klebeergebniss stark beeinflussen. Gereinigte Oberflächen sind hochaktiv und sollten deshalb sofort verklebt werden oder mittels Haftvermittlern in diesem Zustand konserviert werden. Metallische Werkstoffe werden unter Umständen auch mit einem definierten Korrosionsschutzöl behandelt, welches auf den Klebstoff und das Anwendungsgebiet abgestimmt ist. Bei den meisten Verfahren sind umfangreiche Sicherheitsbestimmungen einzuhalten

Physikalische Verfahren

Wässrige Reiniger

Bei den wässrigen Reiniger handelt es sich meist um leicht alkalische Reiniger. Die Reinigung kann im Tauch- oder Sprühverfahren erfolgen. Emulgatoren in der Reinigungslösung nehmen die gelösten Schmutzpartikel auf. Die Reinigungsmittel müssen getauscht oder aufbereitet werden, wenn ihr Schmutzlösepotential erschöpft ist. Zur Verbesserung der Reinigungsleistung werden die Bäder mit leicht erhöhten Temperaturen ca. 40°C betrieben.

Lösemittelhaltige Reiniger

Lösemittelhaltige Reiniger werden meist im Sprühverfahren eingesetzt. Die Bauteile werden mit dem Lösemittel eingesprüht, die Schmutzpartikel werden abgewaschen und das Bauteil bleibt sauber zurück.

Strahlen

Beim Strahlen zum Beispiel Sandstrahlen, Glaskugelstrahlen wird die Bauteiloberfläche durch die kinetische Energie des Strahlgutes gereinigt. Das Strahlgut wird mit Druckluft oder im Schleuderradverfahen auf die Bauteiloberfläche „geschossen“ und führt dort zu einem Abplatzen der Verschmutzung. Die Schmutzpartikel verbleiben im Strahlgut zurück, so dass dieses aufbereitet oder entsorgt werden muss. Wenn man dem Strahlgut noch chemisch reaktive Substanzen zuführt, kann man die Bauteiloberfläche nicht nur reinigen sondern auch deren energetischen Zustand ändern, so dass die Verklebungseigenschaften verbessert werden.

Physikalisch/thermische Verfahren

  • Plasmabehandlung (Niederdruck/Hochdruck)
  • Corona-Entladung
  • Laser-Vorbehandlung
  • Ionenätzen/Sputtern
  • Beflammen

Beflammen

Beim Beflammen von Kunststoffen wird eine offene Flamme in einem definierten Abstand und definierter Geschwindigkeit über die Bauteiloberfläche geführt. Das Verhältnis Brenngas zu Sauerstoff muss exakt eingehalten werden, um immer die gleiche Flammenqualität zu haben. Die Flamme kann reduzierend oder oxidierend eingesetzt werden, je nach der zu beflammenden Kunststoffsorte. Die Bauteiloberfläche wird dadurch hochenergetischer und besser verklebbar. Durch die Zufuhr von chemisch reaktiven Substanzen kann man die Oberfläche noch weiter beeinflussen.

Anwendungsrisiken
  • Beflammen ist kein Reinigungsverfahren. Schmutzpartikel, Fette/Öle müssen vorher entfernt werden.
  • Ein zu hoher Energieeintrag in die Bauteiloberefläche führt zur mikroskopisch Zerstörungen der Oberfläche, es kann zu Delaminationen bei der Verklebung kommen

Physikalisch/chemische Verfahren

Haftvermittler (Primer/Aktivatoren)

Haftvermittler sind wie Klebstoffe chemisch reaktive Substanzen, so dass man die Anwendungshinweise wie Ablüftezeiten, Offenzeiten, Haltbarkeitsdatum etc. exakt beachten muss. Haftvermittler kommen dort zum Einsatz, wo eine Verklebung nur mit dem Klebstoff nicht die geforderten Ergebnisse gebracht hat. Haftvermittler und Aktivatoren verbessern demzufolge die Haftung des Klebstoffes zum Substrat und/oder verbessern die Alterungsbeständigkeit einer Verklebung. Dies geschieht z.B. durch eine Erhöhung der Anzahl der reaktiven Gruppen, durch das Konservieren von hochenergetischen Oberflächenzuständen hergestellt durch vorherige Vorbehandlungsmethoden, durch die Kombination von unterschiedlichen reaktiven Gruppen für Substrat und Klebstoff, durch die bessere Benetzung der Substratoberfläche.

Für das Auftragen ist ein zusätzlicher Arbeitsgang notwendig, der aus kosten- und arbeitsschutzsicht wann immer möglich nicht durchgeführt werden sollte. Jeder zusätzliche Arbeitsschritt erhöht die Gefahr einer Fehlanwendung, bzw. kann durch eine unsachgemässe Benutzung der Haftvermittler die Verklebung geschwächt werden und/oder vollständig versagen. Es kommt dann meist zu einem Versagen in der Grenzschicht Substrat/Haftvermittler bzw. Haftvermittler/Klebstoff

Literatur

  • Industrieverband Klebstoffe e.V.: Handbuch Klebstoffe 1998/2000. ISBN 3-528-26004-1
  • DELO Industrie Klebstoffe: 'BOND it - Nachschlagewerk zur Klebtechnik` 4., neu bearbeitete und erweiterte Auflage 2007, 190 S, deutsch und englisch. ISBN 3-00-020649-3 (deutsch), ISBN 3-00-020650-7 (englisch) 25 EURO zzgl. Versand
  • Wilhelm Endlich: Kleb- und Dichtstoffe in der modernen Technik. Ein Praxishandbuch der Kleb- und Dichtstoffanwendung. Vulkan-Verlag, Essen 1998, ISBN 3-8027-2183-7
  • Gerhard Gierenz, F. Röhmer: Arbeitsbuch Kleben und Klebstoffe. Cornelsen und Schwann, Düsseldorf 1989, ISBN 3-590-12939-5 (vergriffen)
  • Klebstoffe. Theorien und Experimente. In: Praxis der Naturwissenschaften – Chemie. 7/38/1989, Aulis Verlag, Köln, ISSN 0177-9516
  • Gerd Habenicht: Kleben. Leitfaden für die praktische Anwendung und Ausbildung. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1995, ISBN 3-528-04969-3
  • Gerd Habenicht: Kleben. Grundlagen, Technologie, Anwendungen. 3. Auflage. Springer Verlag, Heidelberg 1997, ISBN 3-540-62445-7
  • Gerhard Fauner, Wilhelm Endlich: Angewandte Klebtechnik. München/Wien 1979, ISBN 3-446-12767-4
  • Eduardo H. Schindel-Bidinelli: Grundlagen des strukturellen Klebens und Dichtens, Klebstoffarten, Kleb- und Dichttechnik. Hinterwaldner, München 1988 (Strukturelles Kleben und Dichten, Band 1), ISBN 3-927235-01-6
  • Irving Skeist (Hrsg.): Handbook of Adhesives. 3. Auflage. Van Nostrand Reinhold, New York 1990, ISBN 0-442-28013-0 (in Englisch)
  • Hermann Onusseit: Klebstoffe der Natur. Anwendung und Perspektiven für die Technik. In: Biologie in unserer Zeit. 5/34/2004, S. 307-314, ISSN 0045-205X
 
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