Nach DIN EN 923 wird ein Klebstoff als "Nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (sieheAdhäsion) und innere Festigkeit (sieheKohäsion) verbinden kann" definiert.
Obwohl es auch Klebstoffe auf Basis anorganischer Substanzen gibt, wie z.B. Wasserglas (Natrium- bzw. Kaliumsilikat) oder die Produkte auf Basis von Zement, ist die überwiegende Mehrzahl der heute eingesetzten Klebstoffe den organischen Substanzen zuzuordnen.
Schon vor 6000 Jahren verwendeten die Mesopotamier Asphalt zu Bauzwecken. 3000 v.Chr. kannten die Sumerer das Herstellen von Leim aus tierischen Häuten und ca. 1500 v.Chr. verwendeten die Ägypter tierische Leime für Furnierarbeiten.
Das "Kleben" ist somit eine der ältesten Techniken und auch eines der modernsten Fügeverfahren.
Fügeverfahren
Eine Klebverbindung besteht aus den beiden Fügeteilen und der dazwischen liegenden Klebschicht. An den Phasengrenzflächen kommt es nach der Benetzung, die eine bedeutende Rolle spielt, zu Wechselwirkungen (Physisorption, Chemisorption) und mechanischem Formschluss. Zusammengenommen sind diese drei Effekte für die Haftkraft (Adhäsion) verantwortlich. Für eine optimale Benetzung muss der Klebstoff während des Fügevorgangs flüssig sein. Seine innere Festigkeit (Kohäsion) gewinnt er schließlich durch physikalische Abbindevorgänge oder durch chemische Reaktion.
Vorteile des Klebens gegenüber herkömmlichen Verbindungsverfahren
Gleichmäßige Spannungsverteilung über die gesamte Klebefläche. Wirksam bei statischer und dynamischer Belastung. Beim Schrauben und Nieten entstehen Spannnungsspitzen an den Verbindungselementen, während der Raum dazwischen kaum zur Kraftübertragung beiträgt.
unveränderte Oberfläche und Gefügestruktur Durch die beim Schweißen auftretenden Temperaturen kann es zu Änderungen der Gefügestruktur und der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe kommen. Ebenso wird beim Nieten und Schrauben die sichtbare Oberfläche verändert. Beim Kleben bleibt die Oberfläche unverändert, was zu optimalen optischen und aerodynamischen Eigenschaften führt. Durch die Verbindung auf der ganzen Fläche und der Elastizität des Klebstoffs ist die Schwingungsdämpfung einer Klebefuge besser als bei geschweißten, geschraubten oder genieteten Verbindung.
Gewichtsersparnis Besonders im Leichtbau werden Klebstoffe gerne eingesetzt, da hier Teile von geringer Stärke (bis 0.5 mm) verbunden werden können. Dies ist durch thermische Fügeverfahren problematisch bis unmöglich.
Dichtende Verbindungen Klebstoffe können auch gleichzeitig als Dichtstoff für Gase und Flüssigkeiten dienen. Die Klebstoffschicht verhindert das Eindringen von Kondenswasser und eine damit verbundene Korrosion.
Verbinden unterschiedlicher Werkstoffe Durch Klebstoffe können Werkstoffe gefügt werden, die einem thermische Fügeverfahren nicht zugänglich sind (Glas-Metall, Holz-Metall, Aluminium-Stahl). Durch die (üblicherweise) elektrische und thermische Isolation durch den Klebstoff wird die Bildung von Lokalelementen und der damit verbundenen Kontakt-Korrosion bei Metallen verhindert.
Nachteile des Klebens
Klebetechnologie. Die Herstellung einer Klebeverbindung erfordert einen im Vergleich zu den anderen Verfahren höheren Aufwand, um eine gute Verklebung zu erzielen. Der Klebstoff und die Oberflächenvorbehandlung müssen auf die zu verbindendenen Werkstoffe abgestimmt werden, die zu erwartenden Beanspruchungen müssen bekannt sein. Desweiteren sind die vorgegebenen Verarbeitungsschritte exakt einzuhalten.
Alterung. Wie jedes organische Material unterliegt auch der Klebstoff einer Alterung, welche die Gebrauchsdauer einer Verklebung einschränken kann.
Kontrollverfahren. Für eine bestehende Verbindung gibt es kein Verfahren, ihre tatsächliche Festigkeit zu prüfen. Die Festigkeitskontrolle einer Verklebung ist nur durch eine zerstörende Prüfung an einer Referenzprobe möglich.
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.
Die Einteilung in Duromere, Thermoplaste und Elastomere, wie sie bei Kunstoffen 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 - somit nach dem Abbindemechanismus, also physikalisch oder chemisch.
Hierunter versteht man solche Klebstoffe, bei denen bereits der fertige Klebstoff, d.h. 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, d.h. 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.
Dispersionsklebstoffe
Dispersionsklebstoffe nutzen Wasser als mobile Phase, in der die Klebstoffbestandteile als Dispersion vorliegen. Nach Aufbringen auf die zu verklebende Fläche bricht die Dispersion durch Verdampfen des Wassers oder Veränderung des pH-Wertes, bildet einen Film und kann die beiden Fügeteile so verbinden.
Die wäßrigen 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.
Schmelzklebstoffe
Schmelzklebstoffe - oft auch als "Hotmelt" 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 unmitttelbares 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 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, d.h. bei Temperaturerhöhung wird er wieder weich und besitzt daher nur eine eingeschränkte Wärmebeständigkeit. (siehe auch reaktive Schmelzklebstoffe)
Kontaktklebstoffe
Kontaktklebstoffe können sowohl Lösemittelklebstoffe oder 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, d.h. 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.
Haftklebstoffe
Auf eine Sonderform der Applikation abgestimmt sind die Haftklebstoffe, die nach dem Auftragen dauerklebrig bleiben und dann durch Druck auf ein Substrat aufgebracht werden können und dort haften bleiben. Anwendung finden sie als Beschichtung von Klebebändern, Selbstklebeetiketten usw.
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. Häufig verwendet werden z.B. PVC-Plastisole im Automobil-Bau als Nahtabdichtung oder Unterbodenschutz. Nicht nur wegen dieser Anwendungsfälle, sondern auch auf Grund der geringen Festigkeit und gleichzeitig hohen Elastizität sind Plastisole schon mehr den Dichtstoffen zuzuordnen.
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.
Bei 2-Komponenten-Klebstoffen (kurz: 2K-Klebstoffe) hat der Verarbeiter einen Klebstoff bestehend aus getrennten Bestandteilen, A- und B-Teil oder Harz 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 zuverbindenen 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, beeinflusst. Temperaturerhöhung führt zu einer schnelleren Reaktion und meist auch einer höheren Festigkeit, während kühlere Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit herabsetzen.
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 z.B. durch Temperaturerhöhung, Zutritt von Luftfeuchtigkeit, Ausschluss von Luftsauerstoff oder Kontakt mit der Substratoberfläche geschehen.
Cyanacrylat-Klebstoffe sind im allgemeinen besser bekannt unter dem Begriff "Sekundenkleber". Es handelt sich dabei um dünnflüssige oder bewußt eingedickte Ester der Cyanacrylsäure, 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, z.B. die OH-Ionen in der Feuchtigkeitsschicht an der Fügeteiloberfläche. 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. Solche Typen werden bevorzugt zum Verkleben von EPDM-Gummidichtungen eingesetzt.
Verklebungen mit Cyanacrylat-Klebstoffen sind nicht feuchtigkeits- oder temperaturstabil, da unter diesen Bedingungen das Polymer wieder gespalten wird.
Spezielle Ester der Cyanacrylsäure finden auch in der Medizin zum Wundverschluss statt des Nähens Anwendung. Durch die feucht-warmen Umgebungsbedingungen lösen sich diese Verklebungen wieder langsam auf.
Den Effekt, dass Haut und Augenlider sehr schnell verklebt werden können, findet man als Warnung auf jeder Packung. 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 selbst.
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 eingesetzt.
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) startet, wenn der Klebstoff in einer engen metallischen Klebfuge von der Umgebungsluft abgeschlossen wird. Aus diesem Mechanismus ergibt sich das Hauptanwendungsgebiet dieser Klebstoffsorte als Schraubensicherung und zur Wellen- und Flanschverklebungen praktisch von selbst.
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.
Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe
Ich meine dazu mal was sinnvolles im Organikum gelesen zu haben
Silicone
Polyimid-Klebstoffe
Epoxidharz-Klebstoffe
Epoxidharze, oder Polyepoxide, sind Polymere aus Epoxid-Segmenten.
Für die Polymerisation wird ein Zweikomponentensystem verwendet. Dieses besteht aus Harz und Härter. Epoxidharz wurde 1939 von der I.G. Farbenindustrie AG in Deutschland entwickelt. Es findet u.a. Verwendung in der Beschichtung, als Klebstoff, in Komposit-Materialien und im Formenbau.
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