Klebstoff

Klebstoff ist ein Prozesswerkstoff, der zum Kleben verwendet wird.

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

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

Geschichte

Birken lieferten den ersten Klebstoff der Menschheitsgeschichte, das aus Birkenrinde durch Trockendestillation gewonnene Birkenpech,^[1] das sowohl den Neandertalern als auch den modernen Menschen (Homo sapiens der Cro-Magnon-Epoche) bei der Herstellung von Werkzeugen diente.

Die Neandertaler verwendeten schon vor mindestens ca. 45.000 Jahren, vielleicht aber auch wesentlich früher, das Birkenpech, um Stein und Holz ihrer Waffen und Werkzeuge miteinander zu verbinden.

„Ötzi“, der steinzeitliche Mann, der 3340 v. Chr. in der Nähe des Similauns starb und in der Neuzeit als Gletschermumie aufgefunden wurde, befestigte die Schäfte seiner Pfeile aus dem Holz des Wolligen Schneeballs mit den Spitzen aus Feuerstein mittels Pflanzenfasern und Birkenpech.

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

Vor 6500 Jahren verwendeten die Mesopotamier Asphalt zu Bauzwecken. 3000 v. Chr. kannten die Sumerer das Herstellen von Warmleim aus tierischen Häuten, und etwa 1500 v. Chr. verwendeten die Ägypter tierische Leime für Furnierarbeiten.

Wirtschaftliche Bedeutung

Klebstoffe haben im Verlauf ihrer Entwicklungsgeschichte in immer mehr Produktionsabläufen Einzug gehalten. Fast keine moderne Fertigung kommt ohne Klebstoffe aus - egal ob es sich um Etiketten auf Getränkeflaschen, geklebte Windschutzscheiben im Automobilbau oder Displays von Mobiltelefonen handelt. Von einer weiteren Zunahme der Klebstoffnachfrage wird ausgegangen. So wird prognostiziert, dass der globale Klebstoff-Markt bis zum Jahr 2019 einem Umsatz von fast 50 Mrd. US$ erreicht. Großen Anteil am Zuwachs werden vor allem Schwellenländern mit überdurchschnittlichem Wirtschaftswachstum wie China, Indien, Russland oder Brasilien haben.^[2]

Einteilung der Klebstoffe

In der Bio- und Technosphäre werden 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
organische Verbindungen		Silicone	anorganische Verbindungen
natürliche Basis	synthetische Basis
Proteine (Kasein, Glutin) Kohlenhydrate (Stärke oder Cellulose) Harze, Tannine, Lignin, etc.	Kohlenwasserstoff- Verbindungen + Sauerstoff, Stickstoff, Chlor, Schwefel		keramische Bestandteile, Metalloxide, Silikate, Phosphate, Borate

Handelsübliche Klebstoffe auf der Basis nachwachsender Rohstoffe sind in erster Linie Kleister, Celluloseether und Celluloseester. Zwar sind Baumharze oder Öle in Dispersions-Klebstoffen, Lösemittel-Klebstoffen und Polyurethan-Klebstoffen ebenfalls möglich, sie kommen jedoch bisher in handelsüblichen Produkten eher selten vor. Eine Vielzahl von nachwachsenden Rohstoffen eignet sich für den Einsatz in Klebstoffen (z. B. Tannine, Dextrine, Casein, Stärke, Naturkautschuk). Sie sind aktuell Gegenstand intensiver Forschungen, u. a. bei den Holzwerkstoffen.

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 Cyanacrylat-Klebstoffe (Sekundenkleber) Methylmethacrylat-Klebstoffe Anaerob härtende Klebstoffe Ungesättigte Polyester (UP-Harze) Strahlenhärtende Klebstoffe
	Polykondensationsklebstoffe Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe Silicone Silanvernetzende Polymerklebstoffe Polyimidklebstoffe Polysulfidklebstoffe
	Polyadditionsklebstoffe Epoxidharz-Klebstoffe Polyurethan-Klebstoffe Silikone	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. Als Lösemittel kommen unter anderem Ester (z. B. Ethylacetat), Ketone (z. B. 2-Butanon) oder auch Tetrahydrofuran zum Einsatz.

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

• Die Eignung lösemittelhaltiger Nassklebstoffe zur Verklebung spannungsrissempfindlicher Materialien wie Polycarbonat sollte vor Anwendung getestet werden, da die enthaltenen Lösemittel Spannungsrisse auslösen können.
• 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 (z. B. Kasein, thermoplastische oder elastomere Polymerpartikel) als Dispersion vorliegen. Der Wasseranteil liegt in der Regel zwischen 40 und 70 Gewichtsprozent. 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-Werts. Die Klebstoffbestandteile nähern sich dabei an und bilden einen Film, der die beiden Fügeteile verbinden kann. Durch Zusatz eines Vernetzers (Isocyanat) kann die Adhäsion und Kohäsion deutlich verbessert werden.

Wässerige 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 normalem Leitungswasser hergestellt werden. Somit kann es bei längerer Lagerung unter bestimmten Bedingungen (hohe Luftfeuchte und Raumtemperatur) zu Schimmelbefall kommen, und der Klebstoff ist dann nicht mehr zu verwenden.

Anwendungsrisiken

• Mindestens ein Substrat muss wasserdurchlässig sein (analog den Lösemittelklebstoffen), da sonst die Aushärtung des Klebstoffs sehr lange dauern kann.
• Bei Substraten, welche unter Wassereinwirkung zur Korrosion neigen, sollten Dispersionsklebstoffe nicht eingesetzt werden.
• Die wässrige Dispersion ist in der Regel nicht frostfest. Lagerung und Verarbeitung ist bei Frost nicht möglich und zerstört den Klebstoff und die nicht ausgehärtete Klebeverbindung.
• 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 Auftragköpfen 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 „Reaktiver Schmelzklebstoff“).

Kontaktklebstoffe

Kontaktklebstoffe (auch als „Kraftkleber“ bekannt) können sowohl Lösemittelklebstoffe als auch Dispersionsklebstoffe sein, die im Kontaktklebeverfahren verarbeitet werden. Als Bindemittel für diesen Klebstofftyp werden Polymere (vor allem Polychloropren und Polyurethane) verwendet, die nach Verdunsten des Lösemittels nach einer gewissen Zeit vom amorphen in den kristallinen Zustand übergehen, wobei sich ihre Festigkeit stark erhöht.

Dazu werden zunächst beide Klebeflächen gleichmäßig mit Klebstoff bestrichen. Dann lässt man das Lösemittel/Wasser 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. Durch das Zusammenpressen fließen die beiden noch nicht kristallisierten Klebstoffschichten ineinander, um sich anschließend zu verfestigen. Die Klebung ist sofort nach dem Fügen belastbar. So lassen sich beispielsweise auch zwei Metallplatten großflächig mit lösemittelhaltigen Klebstoffen kleben. Bei Verwendung lösemitteldurchlässiger Fügeteile kann sich die Festigkeit auch noch etwas weiter erhöhen, nachdem der Rest des Lösemittels aus der Klebefuge entwichen ist.

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-Plastisol 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 auf den beölten Oberflächen sollte bei maximal 3 g/m² liegen. Größere Ölmengen verschlechtern die Anfangshaftung und Endfestigkeit sowie den Korrosionsschutz. Die zugesetzten Epoxid-Klebstoffe sind in der Lage, die Öle bei der Aushärtereaktion chemisch mit einzubinden. Das PVC-Plastisol an sich ist chemisch nicht reaktiv, so dass eine Einbindung der Öle nicht erfolgen kann.

Für die nachfolgenden Prozesse bei der Lackierung müssen die beölten Bauteiloberflächen entfettet werden, da eine Lackhaftung sonst nicht möglich ist. Dies geschieht mittels wässriger Reiniger im Tauch- bzw. Sprühverfahren. Bei diesen Reinigungsverfahren würden die aufgetragenen PVC-Plastisole ohne weitere Prozessschritte mit entfernt werden. Um dies zu verhindern müssen die Plastisole auswaschbeständig sein, was durch eine Wärmezufuhr erreicht wird. In einem sogenannten "Rohbauofen“ werden bei ca. 120 °C und 20 Minuten Ofendurchlaufzeit die Plastisole 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 Härtung des Plastisols tritt während des Einbrennens der kathodischen Tauchlackierung bei ca. 180 °C und ca. 30 Minuten Ofendurchlaufzeit ein.

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 wird durch chemische Reaktion der Bausteine miteinander erreicht.

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

Bei 2-Komponenten-Klebstoffen (kurz: 2K-Klebstoffe) werden zwei räumlich getrennte Zubereitungen eingesetzt, die manchmal mit „A“ und „B“ bezeichnet sind. In diesen befinden sich die Monomere, Grundbausteine des bei der Reaktion entstehenden Polymers. Eine der beiden Zubereitungen enthält Harzmonomere (oder auch Binder), während die andere Härter enthält. Als weitere Inhaltsstoffe der Zubereitungen können Stabilisatoren, Thixotropiermittel, Beschleuniger, weitere Additive sowie Farb- oder Füllstoffe zum Einsatz kommen. In den meisten Fällen müssen die beiden Komponenten vor der Applikation im korrekten Verhältnis intensiv vermischt werden. Mit dem Kontakt von Harz und Härter startet die chemische Reaktion zum Klebstoffpolymer. Dies bedingt, dass 2K-Klebstoffe nur innerhalb der sog. Topfzeit verarbeitbar sind. Durch die fortschreitende Reaktion nimmt die Viskosität der Mischung stetig zu und kann schließlich nach Überschreiten der Topfzeit die zu verbindenden Oberflächen nicht mehr benetzen. Nach dem Einbringen des Klebstoffs in die Fuge folgt die Aushärtezeit, in der sich die Endfestigkeit der Verklebung aufbaut. Diese Aushärtezeit wird stark von äußeren Einflüssen, besonders der Temperatur, beeinflusst. Temperaturerhöhung führt zu einer beschleunigten Aushärtung und oft auch zu einer höheren Festigkeit, während niedrigere Temperaturen die Aushärtezeit verlängern. Für besondere Anwendungsfälle werden auch Drei- oder Mehrkomponentenklebstoffe hergestellt.

Bei 1-Komponenten-Klebstoffen (1K-Klebstoffen) wird der gebrauchsfertig verkaufte Klebstoff direkt in die Klebfuge 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. Auch bei den chemisch härtenden 1-Komponentenklebstoffen sind chemische Reaktionen zwischen Harzmonomeren und Härter für den Aufbau des Polymers verantwortlich. Im Unterschied zu den 2-Komponenten-Klebstoffen können sie aber bei den vom Hersteller empfohlenen Lagerungsbedingungen nicht bzw. nur extrem langsam miteinander reagieren.

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

Anwendungsrisiken

• Bei 2-komponentig verarbeiteten Polyadditions- und Polykondensationsklebstoffen können schon relativ geringe Abweichungen vom vorgeschriebenen Mischungsverhältnis bzw. eine ungleichmäßige Durchmischung der Komponenten vor der Applikation zu starken Einbußen der Festigkeit des ausreagierten Klebstoffs führen. Bei 2-komponentigen Polymerisationsklebstoffe sind dagegen sogar Produkte auf dem Markt, die ohne Durchmischung der Komponenten verarbeitet werden können (sog. No-Mix-Klebstoffe).
• Aufgrund der während der Aushärtereaktion freigesetzten Reaktionswärme sollten beim Anmischen von 2-Komponenten-Klebstoffen die vom Hersteller im technischen Datenblatt angegebenen Klebstoffmengen unter keinen Umständen überschritten werden. Zu große Mengen können sonst zu einer Kettenreaktion (Temperaturerhöhung → Reaktionsbeschleunigung → Beschleunigte Freisetzung von Reaktionswärme → Temperaturerhöhung) und letztendlich zur Selbstentzündung führen.
• Bei Polykondensationsklebstoffen werden als Nebenprodukte der Aushärtereaktion Kondensate (Flüssigkeits- oder Gasmoleküle) freigesetzt, die unter Umständen die Fügeteiloberflächen angreifen bzw. zum Aufschäumen der Klebstoffschicht führen können.

Cyanacrylat-Klebstoffe

Cyanacrylat-Klebstoffe sind im Allgemeinen besser bekannt unter dem Begriff „Sekundenkleber“ bzw. „Superkleber“. 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 Polymerisation, die zur Aushärtung führt, ist das Vorhandensein polarer Gruppen oder Teilchen, beispielsweise die OH-Ionen in der Feuchtigkeitsschicht an der Fügeteiloberfläche. Es handelt sich dabei um eine anionische Polymerisation, d. h. Nukleophile wie organische Stickstoffverbindungen, Schwefelverbindungen oder Alkohole und Wasser greifen die durch die beiden stark elektronenziehenden Substituenten polarisierte Doppelbindung am Kohlenstoffatom an. Dabei entsteht ein mesomeriestabilisiertes Anion, das im weiteren Reaktionsverlauf das nächste Monomermolekül angreift. Die Polymerisation läuft 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 Thixotropiermittel 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. Nachdem es zu diesem Zweck nicht geeignet war, 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 entsprechenden Bedingungen das Polymer wieder gespalten wird. Außerdem lassen sich nur kleine Flächen richtig verkleben. Verbindungen lassen sich mit Hilfe von Aceton (enthalten in vielen handelsüblichen Nagellackentfernern) 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 Klebstoffs wartete.
• 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.
• Haut und Augenlider können durch die hohe Feuchtigkeit der Haut sehr schnell verklebt werden. Dies kann unter Umständen so schnell geschehen, dass man keine Zeit mehr zum sinnvollen Reagieren hat. Als Erste Hilfe bei Hautverklebungen wird empfohlen, mit warmem Seifenwasser und wenn möglich vorsichtig mit stumpfen Gegenständen die Verklebung zu lösen. Der Klebstoff löst sich mit der Zeit langsam von alleine, gegebenenfalls kann man warten, bis die oberste Hautschicht von selbst abfällt und somit die Klebstoffreste. Bei verklebten Augenlidern muss man sofort einen Arzt konsultieren, wobei anzumerken ist, dass Cyanacrylatklebstoffe bei unmittelbarem Kontakt mit einem Auge schwere Schäden an der Hornhaut des Auges anrichten können. Kontakt mit den Augen muss daher unter allen Umständen vermieden werden. Ein verklebtes Auge darf auf keinen Fall mit Gewalt geöffnet werden, da dadurch schwere Augenschäden entstehen können. 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 mit einer Dexpanthenol-haltigen Salbe 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 (z. B. Epoxidharze) oder elastisch, aber mit geringer Festigkeit (z. B. Polyurethan) sind. Dabei sind MMAs absolut außenbereichgeeignet (UV-, chemikalien- und wasserbeständig) und für Einsatztemperaturen von −40 bis +120 °C geeignet. Typische Anwendungen finden sich in der Automobilindustrie, beim Bootsbau oder für hochfeste Metall-Glas-Verbindungen.

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 bzw. muss mindestens ein Fügepartner in der Lage sein, freie Metallionen abzugeben. Bei solchen Verklebungen Metall/Nichtmetall empfiehlt sich der Einsatz eines Aktivators. Besonders bei Metallen mit hohen passiven Eigenschaften wie 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 Anzugdrehmoments und dichten gleichzeitig die Verbindungsstelle gegen korrosive Medien ab.

Strahlenhärtende Klebstoffe

Ebenfalls durch radikalische Polymerisation härten diese 1K-Klebstoffe zu festen Polymeren aus, wobei die Bildung der Startradikale durch Bestrahlung mit UV-Licht (oder anderen Strahlenquellen wie Elektronen) hervorgerufen wird. Die Wellenlängen des durch den Strahler emittierten UV-Lichtes müssen dabei mit den Absorptionswellenlängen des eingesetzten Initiators übereinstimmen. Bekannte Beispiele sind etwa das Ankleben künstlicher Fingernägel oder das Einkleben von Kunststoff-Zahnfüllungen.

Die wesentlichen Vorteile von UV-Klebstoffen sind: Einkomponentig, lösungsmittelfrei, gezieltes Aushärten unter UV-Licht (Curing on Demand), 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 niederviskosen Zustand lässt sich der Klebstoff leicht dosieren. Durch die Einwirkung von UV-Strahlung werden die Photoinitiatoren in freie Radikale gespalten (homolytische Spaltung) oder abstrahieren Wasserstoffatome aus Kohlenwasserstoffen und erzeugen so Radikale (Norrish-Reaktion Typ II). Diese Radikale leiten die Bildung von Polymerketten ein. Im ausgehärteten Zustand besteht der UV-Klebstoff, je nach Funktionalität der eingesetzten Monomere, aus vernetzten oder thermoplastischen Polymerketten. Acrylate reagieren über radikalische Polymerisation, welche empfindlich gegenüber Sauerstoff ist. Die Reaktion muss daher entweder durch Verwendung transparente Susbstrate unter Sauerstoffabschluss oder durch Verwendung einer inerten Atmosphäre erfolgen.

Kationische Epoxid-Klebstoffe 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 auch im Dunklen weiterhärten. Sie sind überdies nicht durch Sauerstoff inhibiert. Kationisch vernetzende Epoxide können daher für Anwendungen mit einem UV-durchlässigen Bauteil ebenso eingesetzt werden wie für Anwendungen bei nicht UV-durchlässigen Werkstoffen. Bei Letztgenannten 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. Nachteile bei Verwendung der kationischen Polymerisation zur Vernetzung von Klebstoffen sind in einer Empfindlichkeit gegenüber Nucleophilen, auch Wasser, sowie im Vergleich zu Acrylaten deutlich höheren Preisen zu sehen.

Dual härtende Produkte mit mehr als einem Härtungsmechanismus sind geeignet für Anwendungen in echten Schattenbereichen, die keiner Strahlungsquelle zugänglich sind. Die Aushärtung im Schattenbereich kann entweder unter Luftabschluss in Gegenwart von Metallen, durch Luftfeuchtigkeit oder durch Wärmezufuhr eintreten.^[3]

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“ (Bakelit) 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.

Silikone

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

Für die Kleb- und Dichtsysteme werden sogenannte 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 Silikonen) oder nach Zugabe eines Härters (2K-Systeme) zu einem hochmolekularen Polymer vernetzen.

Anwendungsgebiete sind heutzutage weniger Klebstoffe als vielmehr Dichtstoffsysteme, wie man sie als Sanitärsilikone kennt.

Silanvernetzende Polymerklebstoffe

Hierbei handelt es sich um eine relativ neue Klebstoffart. Die Vernetzung entsteht wie bei Silikonen 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 ausbilden und sich so dreidimensional 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 sogenannte 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. Eine Besonderheit sind einkomponentige Epoxidharzklebstoffe, bei denen schon in der Herstellung Harz- und Härterkomponente im korrekten Verhältnis miteinander vermischt wurden. Bei diesen Klebstoffen werden Härter eingesetzt, die bei Raumtemperatur nur sehr langsam reagieren (wie z. B. Dicyandiamid), so dass diese Klebstoffe heiß gehärtet werden müssen. Um die begrenzte Lagerfähigkeit zu erhöhen, können einige dieser Klebstoffe auch tiefgefroren werden.

Anwendungsrisiken

• Epoxi-Klebstoffe sind nach dem Aushärten nur noch mechanisch entfernbar.
• Verschiedene Epoxide sind als karzinogen eingestuft oder werden als Karzinogene verdächtigt. Weiterhin wirken sie häufig sensibilisierend.
• Die Amine im Klebstoff (flüssig oder ausgehärtet) können Allergien auslösen sowie reizend oder ätzend sein.
• Das Mischungsverhältnis beider Komponenten muss eingehalten werden, was in der Praxis insbesondere bei manueller Verarbeitung nicht immer gelingt.

Epoxidharz-Klebstoffe im Automobilbau

Verklebungen mit Epoxid-Klebstoffen haben wesentliche Vorteile gegenüber den im Automobilbau häufig verwendeten Punktschweißungen. Bei Schweißpunkten werden Kräfte nur punktuell eingeleitet, während dies bei einer Verklebung großflächig geschieht. Die Steifigkeit und Ermüdungsfestigkeit (Dauerschwingfestigkeit) einer geklebten Struktur ist dadurch deutlich höher als die einer vergleichbaren punktgeschweißten Struktur. Auch Stahlsorten, die aufgrund ihres Gefügeaufbaus nicht geschweißt werden können, werden häufig verklebt.

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 die Klebstoffe oft in Bördelfalzen eingesetzt. Zugaben von kleinen Glaskugeln im Durchmesserbereich von 0,3 bis 0,5 mm verhindern die Unterschreitung der optimalen Klebschichtdicke. Um den Korrosionsschutz der Klebstoffe im Falzbereich zu verbessern, können die Klebstoffe mit einem Blähzusatz in geringen Prozentanteilen versehen werden. Beim Aushärten der Klebstoffe unter Wärmezufuhr blähen diese Klebstoffe auf und können evtl. vorhandene Lücken/Bläschen auffüllen. Diese Klebstoffe erfordern jedoch eine stabile und genaue Prozessführung bei der Herstellung/Applikation und Aushärtung, da es sonst zu unkontrollierten Klebstoffaustritten aus dem Falz kommen kann, welche nachfolgende Lackierprozesse stören und nur noch mechanisch entfernt werden können.

Generell sind die Epoxidharz-Klebstoffe im Automobilbau punktschweißfähig, die Durchschweißfähigkeit beim Punktschweißen nimmt bei der Zugabe von Glaskugeln jedoch ab. Das Schweißen mittels MAG/WIG etc., also mit hohem Wärmeeintrag, ist in der Nähe von Klebenähten nicht zulässig, da der Klebstoff durch den großen Hitzeeintrag verbrennen kann.

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

Die Klebeverbindungen härten üblicherweise durch die Wärmezufuhr beim Einbrennen der Karosserielackierung bei Temperaturen von ca. 140–180 °C aus.

Polyurethan-Klebstoffe (PUR)

Polyurethan-Klebstoffe sind als 1- oder 2-Komponenten-Klebstoffe erhältlich, welche durch Polykondensation oder Polyaddition aushärten können. Die Einkomponenten-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 eintritt. In den Verkehrsmitteln für Straße/Schiene/Luft/Wasser spielen sie eine Rolle, ebenso in Schuhindustrie, Glasverarbeitung, Buchbinderei etc.

PUR-Klebstoffe

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 geringen Teil aber als ungebundene Monomere enthalten. Der gebundene Teil kann allerdings beim Verschwelen oder Verbrennen frei werden. 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 hat PUR sehr viele Vorteile. 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. Sie sind bei Temperaturen von −40 °C bis +100 °C 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 Aushärtemechanismen Feuchtigkeit, Wärme und Mehrkomponetensystem auch kombiniert vorkommen können.

Verklebt und abgedichtet werden zum Beispiel:

• Glasscheiben z. B. bestehend aus VSG (Verbund-Sicherheits-Glas), ESG (Einscheiben-Sicherheits-Glas), Polycarbonat etc.
• 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 auf gewachstem Transferpapier),
• als Beschichtung von Klebebändern, Selbstklebeetiketten
• als Haftkitt (z. B. Blu-Tack)
• als Klebstoffstreifen an rückstandsfrei abziehbaren Klebezetteln
• usw.

Vorbehandlung

Um Oberflächen auf 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 Reinigungsschritte zum Beispiel mit Lösungsmitteln oder eine Vortrocknung im Ofen üblich. Für Hochleistungsverklebungen gibt es weitere Methoden wie 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 Klebeergebnis stark beeinflussen. Gereinigte Oberflächen sind hochaktiv und sollten deshalb sofort verklebt 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

Wässerige Reiniger

Bei den wässerigen Reinigern handelt es sich meist um leicht alkalische Reiniger. Auch saure Reiniger (gute Kalklösekraft) und Neutralreiniger werden eingesetzt. Die Reinigung kann im Wisch-, Tauch- oder Sprühverfahren erfolgen. Emulgatoren in der Reinigungslösung nehmen die gelösten Schmutzpartikel auf und erleichtern die Lösbarkeit unpolarer Verunreinigungen (Fette, Öle). Die Reinigungsmittel müssen regelmäßig gewechselt oder aufbereitet werden, wenn sie stark verunreinigt sind oder ihr Schmutzlösepotential erschöpft ist. Im Tauchverfahren werden wässerige Reiniger oft bei erhöhten Temperaturen (40 bis 90 °C) eingesetzt, um die Löslichkeit zu erhöhen. Zusätzliche mechanische Einwirkung durch Bürsten oder Ultraschall (Kavitation) erleichtern die Reinigung außerdem.

Lösemittelhaltige Reiniger

Lösemittelhaltige Reiniger werden im Wisch-, Tauch- und Sprühverfahren bzw. zur Dampfentfettung eingesetzt. Dabei werden die zu reinigenden Bauteile in die Dampfzone einer Kammer mit siedendem Lösemittelsumpf gebracht. Der Lösemitteldampf kondensiert an den kälteren Bauteilen, löst dort Verunreinigungen und fließt mit ihnen zurück in den Siedesumpf. Aufgrund des höheren Siedepunkts der Verunreinigungen verbleiben diese im Sumpf, während fortwährend reines Reinigungsmittel verdampft bzw. kondensiert.

Strahlen

Beim Strahlen, z. B. Druckluftstrahlen, wird die Bauteiloberfläche durch die kinetische Energie des Strahlmittels (z. B. Korund, Glaskugeln) gereinigt. Das Strahlmittel wird mit Druckluft oder im Schleuderradverfahen auf das Strahlgut „geschossen“ und führt dort zu einem Abtrag festsitzender Verschmutzungen oder undefinierter Reaktionsschichten. Die abgetragenen Partikel verbleiben im Strahlmittel, welches regelmäßig ausgetauscht und aufbereitet bzw. entsorgt werden muss. Durch tribochemische Vorgänge (Reibungshitze) gehen beim Strahlen auch einzelne Bestandteile des Strahlmittels in die Bauteiloberfläche über, was negative Auswirkungen auf die Verklebung haben kann. Wenn man dem Strahlmittel 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 (Niederdruckplasma/Atmosphärendruckplasma/Corona-Verfahren)
• Beflammen
• Laser-Vorbehandlung
• Ionenätzen/Sputtern

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; in diesem Fall spricht man von Flammenbeschichtung.

Anwendungsrisiken

• Beflammen ist kein Reinigungsverfahren. Schmutzpartikel, Fette/Öle müssen vorher entfernt werden.
• Ein zu hoher Energieeintrag in die Bauteiloberfläche 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 Klebstoffs 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.

Beimengungen

Um den Einsatzbereich eines Klebstoffs zu erweitern, werden ihm je nach Verwendungszweck ggf. weitere Stoffe zugesetzt.

Beispielsweise wird Gold- oder Silberpulver im Kleber suspendiert verwendet, um ihn elektrisch (sowie thermisch) leitfähig zu machen und damit Bauteile nicht nur mechanisch, sondern gleichzeitig auch elektrisch zu verbinden.

Physikalisch-technologische Prüfungen von Klebstoffen/Klebeverbindungen

Alle Klebstoffe zeichnen sich durch unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften aus. Um eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Klebstoffen zu ermöglichen, werden standardisierte Prüfverfahren und Prüfkörper entwickelt und in Normen beschrieben. Da die Eigenschaften einer Klebung aber nicht nur vom Klebstoff selbst, sondern unter anderem auch stark von den Fügeteilen, deren Werkstoff, Oberflächenzustand und Geometrie abhängig ist, sollten die Prüfkörper im Idealfall aus den Materialien gefertigt werden, welche auch in der Fertigung Verwendung finden.

Fazit: Alle Verklebungen müssen in Eigenversuchen auf ihre physikalisch-technologischen Eigenschaften hin überprüft werden. Eine „Alleskleber-Allesanwendung-Allesprüfkörper“-Aussage gibt es nicht. Da auch die Einsatzbedingungen der Klebstoffe von Anwendung zu Anwendung variieren, sind auch die Bedingungen gesondert zu überprüfen. Die einzelnen Prüfungen erfolgen dann unter den definierten Bedingungen oder der Prüfkörper wird vor der Prüfung in einem definierten Klima konditioniert.

Zeit-Temperatur-Versuche/Klimalagerungen

Dieser Oberbegriff beinhaltet alle möglichen Kombinationen von Zeit- und Temperatureinflüssen auf eine Verklebung. Wird bei diesen Prüfungen auch die relative Luftfeuchtigkeit fest definiert, so spricht man von Klimalagerungen.

Wärmealterung

Damit bezeichnet man alle Alterungslagerungen, bei denen der Prüfkörper über einen definierten Zeitraum einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, z. B. 100 °C bei sieben Tagen Lagerungsdauer.

UV-Alterung

Insbesondere transparente Werkstoffe schützen die Klebeschicht nicht vor Verspröden bei UV-Bestrahlung. Entsprechende Tests werden als Langzeittest im Freien angelegt.

Kältelagerungen

Alle Alterungslagerungen, bei denen der Prüfkörper über einen definierten Zeitraum einer niedrigen Temperatur ausgesetzt wird, z. B. −25 °C bei 24 Stunden Lagerungsdauer.

Mediale Alterungen

Um die Beanspruchbarkeit der Klebungen bei der Einwirkung von Medien (Flüssigkeiten, Gase) zu testen, werden geklebte Probenkörper über einen definierten Zeitraum bei definierten Temperaturen in den Medien gelagert oder damit besprüht. Erhöhte Temperaturen können dabei den simulierten Alterungsverlauf noch beschleunigen.

Beispiele für häufig verwendete Medien:

• Wasser und Wasserdampf
• Salzlösungen
• Reinigungsmittel
• Mineralöle
• Ammoniak

Physikalische Prüfungen

Unter physikalischen Prüfungen versteht man alle Prüfungen, die messbare, reproduzierbare und vergleichbare Kennwerte mit festen Einheiten, z. B. N; N/mm; N/mm², erzeugen. Diese Prüfungen können auch direkt während der Alterungslagerungen durchgeführt werden, unter Temperatur- und Medieneinfluss oder im Anschluss an diese Lagerungen.

Zug-Scherversuche

Häufig wird nach der Norm DIN EN 1465 geprüft. Dazu werden zwei Bleche (100 mm * 25 mm) einschnittig überlappt verklebt. Die Überlappungslänge beträgt 12,5 mm. Diese Probekörper werden in einer Universalprüfmaschine so schnell auf Zug belastet, dass die Prüfung mit Versagen der Klebung innerhalb von ca. 60 Sekunden beendet ist. Typische Traversengeschwindigkeiten liegen daher, abhängig von Klebstoff und Substrat, im Bereich zwischen 1 und 10 mm/min. Aus der Belastung resultiert in der Klebfläche eine Scherspannung, welche mit steigender Last aufgrund der Fügeteilverformung eine stärker werdende Zugkomponente entwickelt. Für Verklebungen handelt es sich insbesondere bei steifen Substraten um einen annähernd idealen Belastungsfall, welcher häufig zur Auslegung von Klebeflächen herangezogen wird.

Typische Ergebnisse von Zugscherfestigkeiten verschiedener Klebstoffarten

• Haftklebstoffe: bis ca. 1 N/mm²
• Schmelzklebstoffe: bis ca. 10 N/mm²
• Strukturelle Klebstoffe: bis ca. 90 N/mm²

Rollenschälversuche

Beim Rollenschälversuch wird der Schälwiderstand eines Klebstoffs in N/cm oder N/mm bestimmt. Bei Klebebändern wird dabei normalerweise der 90°-Rollenschälversuch durchgeführt, bei Klebstoffen der 180°-Rollenschälversuch.

180°-Rollenschälversuch

Zwei Bauteile mit einer Länge von ca. 250–300 mm werden plan aufeinander verklebt, die Klebelänge liegt bei ca. 200 mm. Die Enden ohne Klebstoffauftrag werden jeweils um 90° umgebogen, so dass die Probe anschließend wie ein T-Stück aussieht. Die freien Enden werden in einer Universalprüfmaschine eingespannt und auseinander gezogen. Damit die Probe definiert gezogen wird, läuft die Probe mit dem verklebten Ende durch einen Rollenhalter, daher der Name „Rollenschälversuch“, der die Probe ohne große Reibwiderstände führt.

90°-Rollenschälversuch

Ein Klebeband wird auf einen dicken Probekörper (Dicke min. zwei mm) geklebt. Das freie Ende des Klebebandes wird mit der Universalprüfmaschine in einem Winkel von 90° zum Substrat gezogen. Der Probekörper wird durch einen Rollenhalter geführt, dadurch kann gleichzeitig das Klebeband geschält und der Probekörper im Rollenhalter weitergleiten.

Impact/Fallversuche

Unter Impact- oder Fallversuchen versteht man hochdynamische Prüfungen von Klebeverbindungen. Im Vergleich zu den „normalen“ Zugversuchen, die mit max. 200 mm/min Zuggeschwindigkeit auch noch als quasi-statisch beschrieben werden, werden hochdynamische Prüfungen in Geschwindigkeitsbereichen von m/s durchgeführt. Es gibt Versuchsanlagen, die Prüfgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/s erzeugen. Dies sind Prüfgeschwindigkeiten, wie sie auch unter realen Crashbedingungen z. B. im Straßenverkehr vorkommen können. Es wird hier immer die Klebeverbindung überprüft, andere Substrate und auch Substratdicken führen zu anderen Ergebnissen. Als Ergebnis diese Prüfungen erhält man eine Energieaufnahme der Klebeverbindung in Joule.

Es gibt zwei Versuchsaufbauten:

1. Der Pendelversuch: Dabei wird ein Schlagkeil in den Klebespalt eingeführt und durch ein Pendelgewicht durch den Klebespalt geschlagen (analog der Kerbschlagprüfungen bei metallischen Werkstoffen).

2. Der Fallversuch: Dabei wird die Klebeverbindung im Klebespalt auf einen Keil aufgesteckt und mit einem Fallgewicht über den Keil getrieben.

Die Ergebnisse sind aufgrund der unterschiedlichen Versuchsaufbauten nicht direkt vergleichbar.

Je nach Versuchsaufbau mit Temperier- oder Klimakammer können die Prüfkörper auch unter besonderen klimatischen Bedingungen geprüft werden.

Zeit-Stand-Versuche

Bei Zeit-Stand-Versuchen wird eine Probe rein statisch belastet, z. B. durch das Anhängen eines Gewichts oder die Ausübung eines Drucks. Gewicht oder Druck werden über die Versuchsdauer nicht verändert. Der Probekörper wird sich unter deren Einwirkung verformen (elastisch oder plastisch), so dass entweder die Verformung des Probekörpers oder der Abbau der Zug- oder Druckbelastung gemessen werden kann. Diese Versuche können auch mit Alterungslagerungen einhergehen. Vielfach wird der Versuch, besonders bei Zugbelastung, bis zum Bruch des Probekörpers durchgeführt. Solche Versuche können zeitlich Jahre bzw. Jahrzehnte dauern.

Zeit-Walk-Versuche

Bei Zeit-Walk-Versuchen wird eine Probe rein dynamisch belastet, z. B. durch das Hin- und Herdrehen oder Hin- und Her-Biegen des Werkstücks gemeinsam mit der Klebeverbindung. Solche Versuche werden über eine repräsentative Zahl von Zyklen ausgeführt. Die Prüfung ist typisch für Verbundaufbauten von Schuhwerk.

Biegeradius, Temperaturerhöhung durch elastische partielle Dehnung, Stauchung, Verformung und partielle Scherung zwischen den Fügeteilen werden über die Versuchsdauer nicht verändert. Der Probekörper wird sich unter der eingeprägten Bewegung verformen (überwiegend elastisch), wobei entweder die Verformung des Probekörpers oder der Wechsel der Zug- oder Druckbelastung eingestellt werden kann. Diese Versuche können auch mit Temperaturlagerungen einhergehen.

Verwendung als Droge

Klebstoffe können auch als Droge konsumiert werden. Hierbei werden die flüchtigen Bestandteile lösemittelhaltiger Klebstoffe inhaliert (geschnüffelt). Die organischen Lösemittel haben eine psychoaktive Wirkung. Es besteht die Gefahr von körperlichen Langzeitschäden bis hin zum Tod. Klebstoffe werden als billiger und leicht zugänglicher Ersatz für illegale Drogen vor allem von Kindern und Jugendlichen missbraucht.^[4]

Mehrzweckklebetechniken

• Silberleitkleber
• Wärmeleitkleber

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, ISBN 3-00-020649-3 (deutsch), ISBN 3-00-020650-7 (englisch).
• 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.
• Klebstoffe. Theorien und Experimente. In: Praxis der Naturwissenschaften – Chemie. 7/38/1989, Aulis-Verlag, Köln, ISSN 0177-9516.
• Eckehardt Wistuba: Kleben und Klebstoffe. In: Chemie in unserer Zeit. 14. Jahrg. 1980, Nr. 4, ISSN 0009-2851, S. 124–133.
• 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, ISBN 3-927235-01-6. (Strukturelles Kleben und Dichten, Band 1)
• Irving Skeist (Hrsg.): Handbook of Adhesives. 3. Auflage. Van Nostrand Reinhold, New York 1990, ISBN 0-442-28013-0.
• Hermann Onusseit: Klebstoffe der Natur. Anwendung und Perspektiven für die Technik. In: Biologie in unserer Zeit. 5/34/2004, ISSN 0045-205X, S. 307–314.
• Autorenkollektiv: Klebstoffe und Dichtungsmassen. In: Ullmanns-Encyklopädie der technischen Chemie. 4. Auflage. Bd. 14 1977, ISBN 3-527-20014-2, S. 227–268.
• Bodo Müller, Walter Rath: Formulierung von Kleb- und Dichtstoffen. 2. Auflage. Hannover 2009, ISBN 978-3-86630-862-6.
• Bodo Müller, Walter Rath: Formulating Adhesives and Sealants - Chemistry, Physics and Applications. Hannover 2010, ISBN 978-3-86630-858-9.

Einzelnachweise

Weblinks

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• Ausbildung, Beratung, Forschung und Entwicklung in der Klebtechnik auf den Seiten des Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung - „Klebtechnik und Oberflächen“
• Ausbildung, Beratung, Forschung und Entwicklung in der Klebtechnik auf den Seiten des ofi Österreichisches Forschungsinstitut für Chemie und Technik - Abteilung für Fügetechnik und Werkstoffoberflächen
• Lehre, Beratung, Forschung und Entwicklung im Fachgebiet der Klebtechnik durch das Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig