Klebstoffe – vielseitige Werkstoffe

Klebstoffe

In der Natur verwenden die Tiere die unterschiedlichsten Kleber auf vielfältige Weise. Sei es der Cellulosebrei beim Nestbau der Wespe (Analogie zum Tapetenkleister), der Latex beim Gummibaum oder das Wachs der Bienen. Menschen nutzten schon in der jüngeren Steinzeit die natürlich vorkommenden Baumharze als Klebstoff - etwa zur Befestigung von Speerspitzen. In Ägypten kannte man den Beruf des Leimsieders (Kellopsos), die Griechen und Römer entwickelten die Leimher-stellung weiter. Seit 1830 kennt man den Naturkautschuk als Klebstoff. Moderne Entwicklungen haben die Technik der Materialverbindung revolutioniert. Wir alle kennen den Klebstoffs aus der Tube oder das Befestigen eines Posters an der Wand mit einem sogenannten „Power Strip“. Weniger bewusst ist uns der Einsatz von Klebstoffen in Fahrzeugbau oder gar in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Was ist ein Klebstoff?
Kleben ist die Verbindung zweier Werkstoffteile (Fügeteile) mittels eines Klebstoffs.

Nach der DIN-Norm 16920 versteht man unter Klebstoff einen nicht metallischen Werkstoff, der Körper durch Oberflächen-haftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann, ohne dass sich das Gefüge der Körper wesentlich verändert.

Daraus ergibt sich das Anforderungsprofil an einen Klebstoff: Er muss an fremden Oberflächen haften bleiben (Adhäsion) und zudem auch in sich selbst kleben (Kohäsion).

Adhäsion und Kohäsion
Die Adhäsionskräfte wirken in der Grenzschicht zwischen Fügeteil und Klebstoff. Diese Schicht wird als Adhäsionszone bezeichnet. Hier weisen die Klebstoffe modifizierte chemische Strukturen und Zusammensetzungen auf, da die Adhäsionskräfte auf molekularen Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Fügeteil beruhen. Man unterscheidet die starken chemischen Bindungen und die schwächeren zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Chemische Bindungen treten nur selten auf, finden sich aber z. B. bei der Verbindung von Silicon und Glas; Polyurethan und Glas oder Epoxidharz und Aluminium.

Klebstoffe sind auch beim Basteln und Reparieren nicht mehr wegzudenken.

Klebstoffe sind auch beim Basteln und Reparieren nicht mehr wegzudenken.

Adhäsionskräfte
ArtBindungslänge
in nm
Bindungsenergie in kJ/mol
chem. Bindung
kovalent
metallisch
ionisch
0,1-0,2
0,3-0,5
0,2-0,3
150-950
100-400
400-800
zwischenmolekulare Wechselwirkungen
van-der-
Waals-Kräfte
Wasserstoff-brückenbindungen

0,4-0,5
0,2

2-15
20-90


In der Übergangsszone zwischen Adhäsions- und Kohäsionszone verändert sich die Struktur kontinuierlich, bis in der Klebeschicht selbst die Eigenschaften des Klebstoffs (Kunststoffs) voll zum Tragen kommen. Die Dicke dieser Zone beeinflusst die Haftung maßgeblich.

In der Kohäsionszone selbst unterscheidet man zwischen:

  1. chemischen Bindungen zwischen den Polymermolekülen.
  2. chemischen Bindungen, die zur Vernetzung des Polymers führen.
  3. zwischenmolekularen Wechselwirkungen zwischen den Klebstoffmolekülen.
  4. mechanischen Verklammerungen zwischen den Klebstoff-molekülen.

Die Kohäsionskräfte eines Klebstoffs beruhen dabei im Wesentlichen auf den zwischenmolekularen Wechselwirkungen zwischen den Polymermolekülen. Entscheidend für die Stärke dieser Kräfte sind die Art und Größe der Seitengruppen im Molekül insbesondere deren Polarität sowie die Größe des Polymermoleküle selbst.

Benetzung als Basis einer guten Klebung

Da sich Kohäsions- und Adhäsionskräfte erst während des Klebens ausbilden, ist es zwingend erforderlich, dass der flüssige Klebstoff die Oberfläche des Fügeteils vollständig benetzt. Daher muss der Klebstoff dünn und gleichmäßig aufgetragen werden. Zudem muss die Oberfläche des Fügeteils auch zwingend physikalisch oder chemisch aktive Strukturelemente aufweisen, mit denen der Klebstoff in Wechselwirkung treten kann. Daher muss der Klebstoff auf die Chemie der Fügeteiloberfläche abgestimmt werden. Zudem nutzt man heute verschiedene Verfahren der Oberflächenbehandlung um die Benetzung zu verbessern.

Arten von Klebstoffen

Es gibt verschiedene Typen von Klebstoffen:

Physikalisch abbindende KlebstoffeChemisch abbindende Klebstoffe
(Reaktionsklebstoffe)
Das Polymer liegt schon vor der Anwendung vorDas Polymer wird durch chemische Reaktion (Polymerisation, Polyaddition, Polykondensation oder Vulkanisation) erst bei der Anwendung gebildet.
NassklebstoffeEinkomponentenklebstoffe
KontaktklebstoffeZweikomponentenklebstoffe
Schmelzklebstoffe
Haftklebstoffe
Querschnitt einer Klebung

Querschnitt einer Klebung

Physikalisch abbindende Klebstoffe liegen beim Auftragen bereits im Endzustand vor, daher können nur solche Polymere als Kleber eingesetzt werden, die sich verflüssigen lassen. Gering vernetzte Elastomere, die stark aufquellen, kommen als Kontaktklebstoffe zur Anwendung.

KlebstoffArt der AbbindungBasisrohstoffeAnwendungs-beispiele

Nass-
klebstoff

schnell verdunstende LösungsmittelPolyvinylester,
Polymethyl-methacrylat,
Natur- und Synthese-kautschuk
Klebestifte, Alleskleber, Holzleim, PVC-Rohrklebung
Druck- u. Verpackungsindustrie
Kontakt-klebstoffDiffusion in die Oberfläche der Werkstoff-schichtButadiene-Acrylnitril-Kautschuk:
Polyurethane
Kraftkleber,
Fußbodenverklebung, Schuhe, Automobilindustrie
Schmelz-klebstoffErstarren der SchmelzeEthylen-Vinylacetat-Copolymere, Polyamide, Polyester u.a.Heißkleber, Verpackungs-, Druck-, Textil-, Schuh-, Holzverarbeitende Industrie, Fahrzeugbau, Elektrotechnik
Haft-klebstoffedauerklebrige Schichtspezielle Polyacrylate, Polyvinylether, NaturkautschukKlebebänder, Heftpflaster, Etiketten

Chemisch härtende Klebstoffe

Chemisch härtende Klebstoffe sind Klebstoffe, die in Verbindung mit einer weiteren Komponente ihre Klebkraft entwickeln.

Einkomponentenklebstoffe benötigen eine zweite Reaktionskomponente wie z. B. die Luftfeuchtigkeit (beim Sekundenkleber) oder das UV-Licht (wie in der Zahnmedizin), die das Abbinden des Klebstoffes einleitet.

Beispiele für Einkomponentenklebstoffe

KlebstoffArt der HärtungBasisrohstoffeAnwendungs-beispiele
Sekunden-kleberPolymerisationCyanacryl-säureesterKleben von Kleinteilen, Glas, Gewebe, Sprühverband
strahlen-härtbare KlebstoffePolymerisationEpoxyacrylate, Polyester-acrylateZahnmedizin, Kleben von Glas und transparenten Kunststoffen

Zweikomponentenklebstoffe härten nach dem Mischen der Komponenten (Reaktionspartner) bei Raumtemperatur spontan aus. Sie werden getrennt bevorratet (Harz und Härter) und erst unmittelbar vor dem Auftragen gemischt.

Beispiele für Zweikomponentenklebstoffe

KlebstoffArt der HärtungBasisrohstoffeAnwendungs-beispiele
Methylmeth-acrylatePolymeri-satrionMethacrylsäure-methylesterVerkleben von Kunststoffen (Automobile, Schienenfahrzeuge)
Phenol-formaldehyd-harzePolykonden-sationPhenol, Methanal (Formaldehyd)Holzwerkstoffe (Spanplatten), Brems- und Kupplungsbeläge
SiliconePolykonden-sationorganische PolysiloxaneDichtungen, Automobilbau, Elektrotechnik
PolyurethanePolyadditionDi- (bzw. tri-) funktionelle Isocyanate und PolyoleKarosseriebau, Glasscheibenkleben in Fahrzeugen, Materialien mit stark unterschiedlichem Temperatur-dehnungsverhalten
Epoxidharz-klebstoffePolyadditionOligomere Diepoxide und Polyamine oder PolyamidoamineFahrzeug- und Flugzeugbau, Karosseriebau, Reparaturklebung
Alleskleber zählt zu den physikalisch abbindenden Klebstoffen.

Alleskleber zählt zu den physikalisch abbindenden Klebstoffen.

Epoxidharze
Ähnlich wie mit Isocyanaten können Alkohole, Amine und Säuren auch mit Epoxiden Polyadditionsprodukte bilden. Man setzt dafür so genannte Bis-Epoxide ein, die z. B. durch eine Kondensationsreaktion aus dem auch für Polycarbonate eingesetzten 2.2-Di(4-hydroxy-phenyl)propan und Epichlorhydrin gebildet werden. Diese zähflüssigen oder schmelzbaren Produkte werden dann z. B. mit einem Diol, Polyol oder Polyamin gehärtet.
„Epoxy“Klebstoffe sind allgegenwärtig, ob im Fahrzeug- oder Flugzeugbau, im Haushalt oder auf dem Bausektor. Auch in den sogenannten Verbundwerkstoffen sind sie unverzichtbar. Dies beruht darauf, dass sie sich für Metallklebungen eignen und auch auf vielen Kunststoffen gute Haftung aufweisen. Zudem sind sie beständig gegenüber physikalischen und chemischen Einflüssen.

Härtung eines Bis-Epoxids mit einem Polyamin

Härtung eines Bis-Epoxids mit einem Polyamin

Beispiele fortschrittlicher Klebetechnik

Im Flugzeugbau gehört das Kleben schon lange zu den wichtigsten Techniken für die Materialverbindung. Erst dadurch wird die extreme Leichtbauweise möglich. Klebungen findet man im Innenraum aber auch bei der Herstellung hoch beanspruchter Außenbauteile wie etwa den Versteifungen der Außenbleche. Hier finden Epoxidharze ihre hauptsächliche Anwendung.
Auch im Bereich der Schienenfahrzeuge führt der Einsatz von glasfaserverstärkten Kunststoffen zu enormen Gewichtseinsparungen. Im Regio-Shuttle der Fa. Adtranz werden auf die fachwerkartige tragende metallische Struktur mithilfe eines Polyurethanklebstoffes die Außenbleche befestigt.
Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl weiterer technischer Anwendungen. Das Spektrum reicht von der Elektronik (z. B. Leiterplatten) über den Elektromotor oder der DVD, der Folienlaminierung bis hin zum eingeklebten Hüftgelenksimplantat.

Kleben im Flugzeugbau: bei der Herstellung hoch beanspruchter Außenbauteile (Tragfläche)

Kleben im Flugzeugbau: bei der Herstellung hoch beanspruchter Außenbauteile (Tragfläche)

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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