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Informationsserie des Fondsder Chemischen Industrie

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Die CD-ROM enthält die vollständige Informationsserie 27"Kleben/Klebstoffe" des Fonds der Chemischen Industrie bestehend ausTextheft, Versuchsanordnungen, Formeln (Microsoft PowerPoint- und ChemWin-Dateien) und Overheadfolien.

Sie erhalten unter anderem Informationen zu folgendenThemengebieten:- Textheft

Wer ist der Fonds der Chemischen Industrie?Mensch – Natur – Technologie des KlebensWas ist Kleben?Beispiele fortschrittlicher KlebtechnikArbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz

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Wer ist der Fond…

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1

Vorwort

Kapitel 3

Kapitel 2

Kapitel 4

Informationsseriedes Fondsder ChemischenIndustrie

27 Kleben/KlebstoffeTextheft

Fonds der Chemischen IndustriePostfach 11 19 4360054 Frankfurt/M.

IndustrieverbandKlebstoffe e.V.

3

Kleben ist heute in allen Bereichen des täglichen Lebens und der Industrie ein unverzichtbares Füge-verfahren, um zwei oder mehrere Substrate miteinander zu verbinden. Durch dieses Verfahren könnenVerbundwerkstoffe geschaffen werden, die Mobilität und Kommunikation ermöglichen, den Umgang mitNahrungsmitteln erleichtern, Gesundheit und Hygiene sichern, die Wohnqualität verbessern und dieHerstellung innovativer Produkte in vielen Fällen erst möglich machen. Die vorliegende Informationsserie„Kleben/Klebstoffe“ enthält hierfür zahlreiche Beispiele.

Jährlich werden alleine in Deutschland mehr als 500.000 Tonnen Klebstoff produziert und verbraucht –Tendenz steigend. Für die unterschiedlichsten Anwendungen bieten die Klebstoffhersteller über 25.000 ver-schiedene Produkte an – maßgeschneidert für (fast) jeden Zweck. Denn Klebstoff ist nicht gleich Klebstoff.Je nach Anwendung muss er extreme Minusgrade oder mehrere hundert Grad Hitze aushalten können,hochelastisch oder extrem stabil sein. Die Informationsserie „Kleben/Klebstoffe“ wird, wie die weiterenInformationsserien des Fonds der Chemischen Industrie, Schulen und Bildstellen im Inland kostenlos zurVerfügung gestellt. Das Begleitheft kann separat ohne Folien angefordert werden. Diese Serie ist auch aufCD-ROM und im Internet unter www.vci.de/fonds erhältlich.

Der Fonds der Chemischen Industrie verfolgt mit seinen Informationsserien das Ziel, sachlich fundierteInformationen zu praxisrelevanten chemischen Themen zur Verfügung zu stellen. Wir wollen zeigen, wie dieEntdeckung chemischer Vorgänge durch die industrielle Entwicklung und Fertigung zu Produkten des täg-lichen Lebens führt. Häufig steht zu Beginn einer Erfindung der Zufall oder die Natur Pate, während sich imLaufe des industriellen Innovationsprozesses und der konsequenten Weiterentwicklung nur die Produkte aufdem Markt halten, die unseren heutigen und immer weiter steigenden Anforderungen genügen.

In unseren Gremien arbeiten Vertreter der chemischen Industrie gemeinsam mit Hochschullehrern undLehrern der Chemie. Wir hoffen, mit der vorliegenden Informationsserie, ausgehend von den Alltags-erfahrungen mit dem Klebprozess bzw. dem Alltagsprodukt Klebstoffe, Neugierde am industriellenHochleistungskleben und insbesondere auch Interesse und Begeisterung für die chemischen und physikali-schen Grundlagen zu wecken.

Frankfurt am Main/Düsseldorf, September 2001

Die Herausgeber

Vorwort

4

Zur Geschichte

Der Fonds der Chemischen Industrie wurde 1950mit dem Ziel gegründet, den Aufbau der chemi-schen Grundlagenforschung an den deutschenHochschulen zu fördern. Im Laufe der Zeit sindFragen der Forschungs-, Wissenschafts- undBildungspolitik hinzugekommen. 1965 wurde die„Stiftung Stipendien-Fonds“ für die Nachwuchs-förderung gegründet.

Zielsetzung

Sicherung der Grundlagenforschung, des wissen-schaftlichen Nachwuchses sowie von Verständnisund Akzeptanz der Chemie durch leistungsbezoge-ne Förderung von Lehrenden und Lernenden anHochschulen und Schulen.

Tätigkeitsschwerpunkte

Förderung von Forschung, Nachwuchs, Schulenund Information im Chemiebereich. Vorschläge zurForschungs-, Wissenschafts- und Bildungspolitik.

Entscheidungsgremium

Kuratorium: zwölf Forschungsvorstände der chemi-schen Industrie, sechs Hochschullehrer der Chemiesowie ex officio die Präsidenten des Verbandes derChemischen Industrie (VCI) und der GesellschaftDeutscher Chemiker (GDCh). Vorsitzender ist einVertreter der chemischen Industrie. Die Mitgliederdes Kuratoriums bilden zugleich den wissenschaft-lichen Beirat der Stiftung Stipendien-Fonds undden Ausschuss für Forschung, Wissenschaft undBildung des VCI. Unterstützend ist ein Forschungs-beirat mit Vertretern der einzelnen chemischenFachgebiete (anorganische, organische, physikali-sche, technische/makromolekulare, biologischeChemie sowie Chemiedidaktik) tätig.

Beitragsaufkommen

0,12 Promille des Umsatzes aus deutscher Che-mieproduktion der Mitglieder des Verbandes derChemischen Industrie. Im Rahmen einer Koope-ration gewährt das BMBF zusätzlich Zuschüsse aufausgewählten Forschungsfeldern (zzt. „Bioinforma-tion“ sowie „Neue Materialien“).

Förderbereiche des Fonds

• Leistungsorientierte, personenbezogene Förde-rung von Wissenschaftlern an Hochschulen undaußeruniversitären Forschungseinrichtungen imChemiebereich ohne Projektbindung.

• Infrastrukturhilfeprogramme für Wissenschaftler inden Kooperationsbereichen mit dem BMBF „Bio-information“ und „Neue Materialien“.

• Durchführung von wissenschaftlichen Veranstal-tungen zur Vermittlung aktueller Forschungs-ergebnisse.

• Nachwuchsförderung (Dozenten-, Habilitations-,Promotions- und Lehramtsstipendien) im BereichChemie.

• Initiierung von Modellversuchen zur Aus- undFortbildung, insbesondere von Diplom-Che-mikern.

• Stipendien für Studienanfänger in Chemie, Bio-chemie, Wirtschaftschemie und Chemie Lehramt.

• Stipendium für Chemiker mit dem BerufszielWissenschaftsjournalismus.

• Unterrichtsförderung für Schulen mit Aktivitätenim Chemiebereich.

• Erstellung von Informationsmaterialien im Che-miebereich für Lehrer an Schulen und Hoch-schulen sowie Ausbilder in Mitgliedsunternehmen(Informationsserien auf Folien, CD-ROM oder imInternet, Informationen zum Chemiestudium unterwww.chemie-im-fokus.de u. a.).

• Förderung von Schule-Hochschule-Wirtschaft-Partnerschaften, Mentoringprogrammen undSchülerlaboren an außerschulischen Lernorten.

• Förderung von öffentlichkeitswirksamen For-schungsprojekten der Chemiedidaktik.

• Stiftung des „Friedrich-Wöhler-Preises“ der MNUfür praktizierende Chemielehrer für besondereVerdienste um den Chemieunterricht.

• Unterstützung von „Jugend forscht“, des europä-ischen Unterrichtswettbewerbs „CEFIC ScienceEducation Award“, des Fördervereins Chemie-Olympiade e.V. und weiterer Schülerwettbewerbe.

• Durchführung von Lehrerfortbildungsveranstal-tungen sowie Unterstützung der GDCh-Lehrer-fortbildung.

Wer ist der Fonds der Chemischen Industrie?

5

Seite

Vorwort 3

Wer ist der Fonds der Chemischen Industrie? 4

1 Mensch – Natur – Technologie des Klebens 61.1 Werkstoffe und Klebtechnik 61.2 Kleben – alte Kunst und junge Wissenschaft 101.3 Kleben – die Natur macht es vor! 11

2 Was ist Kleben? 142.1 Wirkmechanismen zwischen Klebstoff und Fügeteil sowie im Klebstoff 142.1.1 Grundvoraussetzung einer Klebung: Benetzung 162.1.2 Benetzbarkeit und Rheologie 162.1.3 Verfahren zur Verbesserung der Klebfähigkeit von Fügeteilen: Oberflächenbehandlung 172.2 Was sind Klebstoffe? 192.2.1 Physikalisch abbindende Klebstoffe 202.2.2 Chemisch härtende Klebstoffe 272.3 Basis von klebgerechtem Konstruieren 442.4 Prüfung von Klebverbindungen 45

3 Beispiele fortschrittlicher Klebtechnik 483.1 Holzklebung 483.2 Blechklebung im Karosseriebau 483.3 Glasscheiben-Einklebung im Karosseriebau, Direct Glazing 503.4 Leichtbauweise im Flugzeug-, Schienenfahrzeug- und Containerbau 503.5 Elektronik/Elektrotechnik 523.6 Verpackungsklebstoffe 543.7 Klebstoffe in der Medizin 55

4 Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz beim Einsatz der Klebtechnik 574.1 Gesundheitsschutz 574.1.1 Arbeitsschutz 574.1.2 Verbraucherschutz 574.1.3 Stoffinduzierte Gesundheitsauswirkungen – Risiko 584.1.4 Gesundheitsschutz in der Klebtechnik – Beispiele toxikologischer Bewertungen 59

4.1.4.1 Physikalisch abbindende Klebstoffe 594.1.4.2 Chemisch härtende Klebstoffe 59

4.1.5 Klebstoffauswahl 604.2 Umweltschutz in der Klebtechnik 604.2.1 Luft 604.2.2 Wasser 604.2.3 Boden 614.2.4 Beispiele zur Bewertung des Umweltverhaltens von Klebstoffen 61

4.2.4.1 Klebstoffe bei der Produktion bzw. im industriellen Einsatz 614.2.4.2 Klebstoffe im Haushalt beim Endverbraucher 61

4.2.5 Ausblick 62

5 Versuchsanordnungen 63Glossar 73Verzeichnis der Abbildungen, Folien & Tabellen 80Literaturnachweis 82Stichwortverzeichnis 83Impressum 86

Inhaltsverzeichnis

Abbildung 1Folie 1

Werkstoffe und technische Entwicklung: das Rad

1.1 Werkstoffe und Klebtechnik

Die Welt um uns herum und mit ihr unsere Lebens-und Arbeitsgewohnheiten ändern sich in einematemberaubenden Tempo. Wer hätte noch vor 15 Jahren geglaubt, dass z. B. Computer undHandys Allerweltsartikel des täglichen Gebrauchswerden könnten? Dass es ein 3-Liter-Auto gebenkönnte oder ablösbare Klebestreifen, die beimAbnehmen eines Posters nicht auch die Tapete mitherunterreißen? Die ständig steigenden Anforde-rungen an neue gegenständliche Produkte wirkenals Motor des technischen Fortschritts: JedeNeuentwicklung muss heutzutage nicht nur – wiedies schon früher der Fall gewesen ist – besser undpreiswerter sein als ihr Vorgängerprodukt, sondernsich heute auch dem Anspruch der Nachhaltigkeitstellen. Die Berücksichtigung ökologischer Aspekteträgt dazu bei, dass die Entwicklung neuerProdukte zunehmend anspruchsvoller wird undsich die Hersteller komplexeren Anforderungen anihre Neuentwicklungen gegenübersehen. Stei-gende Anforderungen an Produkte haben von jeherganz entscheidend dazu beigetragen, dass Werk-stoffe weiter- bzw. neu entwickelt wurden.

Außer den klassischen Metallen sind dies spe-zifische Legierungen, Kunststoffe, aber auchKeramiken und Gläser. Eine besondere Rolle indieser Entwicklung spielen so genannte Ver-bundwerkstoffe, die durch das Zusammenfügenverschiedener Materialien entstehen.

Ein schon lange bekannter Verbundwerkstoff ist derStahlbeton. Neueren Ursprungs sind die durchGlas- oder Kohlenstofffasern verstärkten Kunst-stoffe, wie sie z. B. für den Bau von Sportbooten,zunehmend aber auch im Automobil-, Schienen-fahrzeug- und Flugzeugbau verwendet werden.

Ein anderes gutes Beispiel für die Entwicklung undden Einsatz neuer Werkstoffe ist die Entwicklungdes Rades bzw. des Reifens (Abb. 1). Speichen-räder aus Holz genügten den Anforderungen der

. Für die Fertigung heutiger Reifen fürunsere modernen Fortbewegungsmittel reichtselbst die Verwendung von Naturkautschuk alleinnicht mehr aus. Hohe Geschwindigkeiten, wie wirsie von Autos erwarten, können nur durchVerbundkörper verschiedener Werkstoffe – nichtsanderes ist ein Autoreifen – erreicht werden.

6

1 Mensch – Natur – Technologie des Klebens

HolzPrunkwagen(Tutanchamun)14. Jahrhundertv. Chr.

HolzScheibenrad

3. Jahrtausendv. Chr.

Lauffläche:Gummi

Abdeckungen:Synthesefaser

Gürtellagen:Stahlcord

Karkasse:Fasergewebe

Felge:Aluminium

Rad fürKraftfahrzeug heute

Holz und Eisenrömisches Speichenrad2. Jahrhundert n. Chr.

Äalten gypter

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Fügeverfahren

Die Entwicklung neuer Werkstoffe mit ihren viel-fältigen Einsatzmöglichkeiten schafft weitereHerausforderungen an die Verarbeitungstechnik,insbesondere wenn verschiedene Werkstoffe zuBauteilen gefügt werden, um ihre unterschiedlichenvorteilhaften Eigenschaften auch im Verbund zunutzen. Das wirft die Frage auf: Welches Füge-verfahren (Abb. 2) ist in der Lage, diese Vielfalt vonWerkstoffen artgerecht, d. h. unter Beibehaltung

ihrer spezifischen Eigenschaften, zusammenzufüh-ren? Die traditionellen Verbindungstechniken habenwohl bekannte Nachteile. Bei thermischen Verfahrenwie dem Schweißen verändert der Werkstoff inner-halb einer Wärmeeinflusszone seine spezifischenEigenschaften. Mechanische Verfahren wie Nietenoder Schrauben wiederum ermöglichen nur einepunktförmige Kraftübertragung; außerdem mussman in die zu verbindenden Werkstücke auch nochLöcher bohren, den Werkstoff also „verletzen“ unddamit u. U. schwächen. Die Klebtechnik dagegennimmt aus vier wesentlichen Gründen zukünftig inIndustrie und Handwerk eine Schlüsselstellung ein(Abb. 3), denn:

1. Bei fachgerechtem Einsatz können klebtech-nisch nahezu alle Werkstoffe in beliebigenKombinationen langzeitbeständig miteinanderverbunden werden.

2. Durch den Fertigungsprozess „Kleben“ werdendie Werkstoffeigenschaften der Fügeteile in derRegel erhalten: Der Klebprozess ist im Vergleichzum Schweißen oder Löten relativ wärmearm,eine Verletzung der Fügeteile wie beim Nietenoder Schrauben findet nicht statt.

3. Diese beiden Gründe führen in der Produkt-herstellung zu der Möglichkeit, die spezifischenWerkstoffeigenschaften für ein Bauteil optimalzu nutzen. Dies ermöglicht neue Bauweisen.

4. Im Weiteren ist es möglich, durch die Kleb-technik gezielt zusätzliche, über das eigentlicheVerbinden hinausgehende Eigenschaften in dasBauteil zu integrieren.

Der Einsatz der Klebtechnik in der industriellenFertigung kann darüber hinaus zu Zeiteinsparungenin der Produktion führen, den Produktionsprozessbeschleunigen und somit konkret ökonomischeVorteile mit sich bringen. Im Schiffbau beispiels-weise können mittlerweile die Innendecks in diePrimärstruktur eingeklebt werden. Hierdurch entfal-len aufwendige Richtarbeiten, die ein Befestigender Innendecks durch Schweißen notwendigmachen würde. Das Kleben zeichnet sich darüberhinaus durch weitere Vorteile aus:

• Ü bertragung hoher Zugscherkräfte durch ent-sprechend große Klebflächen. Beispiele: heiß-härtende Epoxidharzklebstoffe – ca. 40 MPa aufAluminium; 1-K-Polyurethanklebstoffe, feuchtig-keitsvernetzend – ca. 5 MPa (Werte bezogennach DIN EN 1465, vgl. S. 49).

• Ausfüllen von Unebenheiten bei den Material-flächen, größere Toleranzen können durch spalt-füllende Klebstoffe überbrückt werden.

• Vermeidung von Kontaktkorrosion bei Metall-klebungen im Vergleich zum Nieten oderSchrauben (Klebstoff als Isolator).

Verbindungssystematik

KraftschlüssigeVerbindungen

Feldschluss ReibschlussElastischer Schluss

Schraubverbindungen Nietverbindungen Pressverbindungen

SchwerkraftMagnetismus

z. B. Kleben undPunktschweißen

MischformenFormschlüssigeVerbindungen

Schnapp-verbindungen

Bolzen-verbindungen

StoffschlüssigeVerbindungen

Schweiß-verbindungen

Löt- verbindungen

Kleb-verbindungen

Abbildung 2Folie 2

8

Klebstoff

Flaschenetikettierung

Abbildung 4Folie 4

Beispiele für Klebungen aus Alltag und Technik

Was im Alltag hilft, kleine Missgeschicke zu behe-ben, ist schon seit langem ein wesentlicher Be-standteil industrieller Produktion. Allerdings bleibtdies dem Blick zum großen Teil verborgen, denn inder Regel verstecken sich die Klebstoffe für denVerbraucher unsichtbar zwischen zwei oder mehre-ren Substraten.

Beispiel NahrungsmittelindustrieDie moderne Form von Vertrieb und Selbstbe-dienung mit ihren Fertiggerichten, Tiefkühl- oderInstant-Nahrungsmitteln wäre ohne Klebstoffe zurHerstellung von undurchlässigen Verpackungs-

materialien wie Verbundfolien oder zum hermeti-schen Verschluss von Packungen undenkbar. DasBeispiel der Flaschenetikettierung (Abb. 4) magverdeutlichen, inwieweit man schon bei scheinbareinfachen, „alltäglichen“ klebtechnischen Anwen-dungen von „Hightech“-Lösungen sprechen kann:Papierkleben gilt als kinderleicht, ob mit demKlebestift oder einem flüssigen Papierklebstoff. DieAnsprüche an die Festigkeiten werden von derReißfestigkeit der Papieroberfläche bestimmt undsind daher begrenzt. Mit dem Flaschenetikett hates aber eine besondere Bewandnis: Wegen derschnell laufenden Abfüllautomaten muss der Kleb-stoff einen hohen Anfangstack (Klebrigkeit) aufwei-sen und das Etikett bei der Anwendung sauber aus

Fügen:gezielte Integrationvon zusätzlichen

Funktionen

Werkstoff:Kombinationen

von verschiedenenWerkstoffen

Zukunftstechnologie Kleben

Verarbeitung:Erhalt derWerkstoff-

eigenschaften

Konstruktion:verbesserte

Eigenschaftender Bauteile

Zukunftstechnologiefür Industrie

und Handwerk:

Kleben

Abbildung 3Folie 3

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einem Magazin abheben. Nach dem Abrollen andem meist feuchten Flaschenkörper darf das Etikettdann weder verrutschen noch wellen. Und wenndie Flaschen einmal im Regen stehen oder sichKondenswasser gebildet hat, sollen die Etikettentrotzdem halten. Kommt das Leergut schließlichzurück, sollen sich dann die Etiketten beimWaschen vor dem Wiederbefüllen wieder leichtablösen. All dies macht ein speziell eingestellterCaseinleim möglich: Er klebt schnell, wasser-beständig und löslich in der alkalischen Wasch-flüssigkeit.

Beispiel MedizinVom Pflaster bis hin zur hoch entwickelten Medizin-technik erstreckt sich das Einsatzgebiet vonKlebstoffen. Sie ermöglichen die Produktion vonPapiertaschentüchern und Windeln, machen esmöglich, Tabletten vor Feuchtigkeitseinflüssen zuschützen und kleben Wunden.

Beispiel HaushaltWer hat sich noch nicht über den Handtuchhaltergeärgert, der nach dem Saugerprinzip befestigtwird. Irgendwann liegt er mit dem Handtuch aufdem Boden. Auch Kunststoffhaken mit einem haft-klebrigen Schaumstoffbelag enttäuschen bisweilen.Versuchen Sie es mit einem Kontaktklebstoff (s. Kapitel 2.2.1): Man bestreicht damit die Füge-fläche des Hakens, drückt den Haken kurz an dieFliese und zieht ihn zunächst wieder ab. Dabei wirdKlebstoff auf die Fliese übertragen. Man lässt nundie Klebstofffilme etwa 15 Minuten ablüften, bissich der Klebstoff trocken anfühlt, und vereinigtdann die Klebstofffilme, indem man den Haken festan die Fliese drückt. Die Klebung ist kurz danachbelastbar. Normalerweise eignen sich Klebstoffe,die durch Verdunsten eines flüchtigen Lösungs-mittels abbinden, nicht besonders gut für dieKlebung zweier nicht saugfähiger Werkstoffe, da essehr lange dauern kann, bis das Lösungsmittel ausder Klebfuge entwichen ist und der Klebstoff abge-bunden hat. Dieses Problem wird hier umgangendurch den Kontaktklebeffekt, der die feste Vereini-gung zweier Klebstofffilme nach dem Verdunstendes Lösungsmittels ermöglicht.

Das scheinbar triviale Ankleben eines abgebro-chenen Kaffeetassenhenkels gibt einen erstenEinblick in die Komplexität der Anforderungen,denen sich klebtechnische Problemlösungengegenübersehen: Greift man bei dieser Reparaturzum „Alleskleber“, der in vielen Alltagsfällen beieiner Anzahl von Werkstoffen durchaus zu befriedi-genden Ergebnissen führt, wird das Klebergebnisenttäuschen. Nach wenigen Waschgängen in derSpülmaschine wird sich diese Klebung wieder auflösen, da der „Alleskleber“ den besonderenBedingungen der Spülmaschine (detergentienhalti-ges, alkalisches Spülmittel bei bis zu 70 º C) nichtgewachsen ist. Für derartige Anwendungen empfiehlt sich ein 2-K-Epoxidharzklebstoff (s. Kapitel 2.2.2): Harz und Härter des Reaktions-klebstoffs auf Epoxidharzbasis mischen, Bruch-

flächen dünn bestreichen, Henkel andrücken unddie Klebung bis zur Endhärtung mit Klebebandfixieren. Ein Trick für schwierige Fälle, z. B. bei meh-reren Bruchstücken: Vor dem Zusammenfügenwarten, bis der Klebstoff zähflüssig zu werdenbeginnt; die Teile lassen sich dann besser fixieren.

Beispiel HandwerkOder schauen Sie einmal dem Schuster in einerSchnellreparaturwerkstatt zu, wenn er einen neuenGummiabsatz anklebt. Er zieht den alten Absatz miteiner Zange vom Schuh, raut die Fügefläche an undentfernt dabei alte Klebstoffreste. Dann bestreichter den Rand der Fügefläche des neuen Absatzesetwa einen halben Zentimeter breit mit einemmittelviskosen Klebstoff, drückt den Absatz an dieGegenfläche des Schuhs und presst ihn in derPresse noch kurz an. Danach ist die Klebung fest,und der Rand kann versäubert werden. DerReaktionsklebstoff, der es ihm gestattet, so schnellzu arbeiten, basiert auf einem Cyanacrylsäureester,auch häufig Sekundenkleber (s. Kapitel 2.2.2)genannt. In dünner Schicht härtet dieser Klebstoffim Kontakt mit Feuchtigkeit oder Spuren alkalischerStoffe sehr rasch aus. Im konkreten Fall ist es nichterforderlich, den Klebstoff auf die ganze Fügeflächeaufzutragen, dies wäre sogar bei der nächstenReparatur störend, denn die außerordentlich festeKlebung ließe sich dann nur noch unter Material-beschädigung mechanisch lösen. Zum Anklebenvon Schuhsohlen dagegen aus Leder oder Gummiverwendet man üblicherweise einen Kontaktkleb-stoff (s. Kapitel 2.2.1) auf Polychlorbutadienbasis,denn er bildet im Gegensatz zu Cyanacrylateneinen flexibel-elastischen Film. Beide Fügeflächenwerden mit dem Kontaktklebstoff bestrichen, nacheiner Ablüftzeit von etwa 15 Minuten presst man dieSohle an den Schuh. Auch hier ist die hoheAnfangsfestigkeit der Klebung unmittelbar nachdem Zusammenfügen der Teile hilfreich.

Bei den bisher dargestellten Beispielen beruhte dieKlebwirkung auf den Mechanismen der Adhäsionund der Kohäsion (s. Kapitel 2.1). Bei dem imFolgenden dargestellten Klebstoff steht eine ande-re Erscheinung im Vordergrund: die Fähigkeit desKlebstoffs, das zu klebende Material anzulösen.

Beispiel ModellbauDer gängige Modellbauklebstoff für Polystyrolteile,z. B. von Häusermodellen des Modelleisenbahn-baus, besteht im Wesentlichen aus einer Lösungvon Polystyrol in einem organischen Lösungsmittel.Nach dem Auftragen wird der Werkstoff an derOberfläche angelöst und quillt auf. Drückt man nundas Gegenstück an, beobachtet man denselbenEffekt. Dabei verschwindet durch Materialver-mischung oder Diffusion praktisch die Grenzezwischen den beiden Teilen. Nachdem dasLösungsmittel verdunstet ist, haften die Teile festzusammen. Man nennt diese „Diffusionsklebung“auch Kaltverschweißung. (Ü brigens: Nach demgleichen Prinzip klebt man auch Versorgungs-leitungen aus Kunststoff/PVC).

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Beispiel industrielle FertigungDer Flugzeugbau brachte der modernen Kleb-technik erst den entscheidenden Technologie-schub. Hier inspirierte die grundlegende Forderungnach Gewichtseinsparung zu neuen Bauweisenund Konstruktionswegen. Bei ganzen Flugzeug-generationen wie der Airbusfamilie sind etwa 30 %aller Teile per Klebtechnik verbunden.

Im Automobilbau werden heute klassische Füge-techniken mit dem Kleben kombiniert bzw. z. T.sogar durch diese ersetzt. Gestiegene Ansprüchean Motordichtungen haben dazu geführt, dass inmodernen Motoren viel geklebt wird, z. B. dieZylinderkopfdichtung, die verschiedenen Teile für

häufiger setzt man Klebstoff auch als Struktur-werkstoff ein. Neuere Automobile enthalten bis zu100 m Klebnähte in der Karosserie-Konstruktion.Darüber hinaus erhöhen direkt eingeklebte Front-und Heckscheiben die Steifigkeit von Karosserienund führen zu einer Gewichtsreduzierung. Eine indi-viduell ausgerichtete Dickschichtklebung dämpftgleichzeitig Vibrationen und verbessert die Wärme-dämmung ohne zusätzlich eingesetzte Werkstoffe,wie dies bei herkömmlichen Konstruktionen erforderlich ist. Optimierte Konstruktionen mit ver-besserten Fahreigenschaften, geringerem Gewichtund reduzierter Korrosionsanfälligkeit führen zu niedrigen Cw-Werten (s. Glossar) und tragen zueiner nicht unerheblichen Energieeinsparung bei.

Beim funktionsintegrierenden Leichtbau kommt derKlebtechnik eine besondere Rolle zu: Bei dieserBauweise wird versucht, Produkte mit zusätzlichenFunktionen auszustatten, ohne sie um weitereKomponenten zu ergänzen. So können z. B. ent-sprechend ausgelegte Klebfugen zwischen zweiMetallen, Glasscheiben oder Holzplatten dieFunktion eines Scharniers übernehmen.

In der Elektronik ergänzt man das dort klassischeFügeverfahren, das Löten, gleichfalls zunehmenddurch die Klebtechnik, um beispielsweise höchst-integrierte Bauelemente spannungsfrei und ohneübermäßige Wärmeentwicklung miteinander zu ver-binden.

Einschränkungen beim Einsatz der Klebtechnik

Das Kleben erfordert, wie andere Hochleistungs-technologien auch, dass bei seinem Einsatz in derFertigung spezielle Prozessführungen eingehaltenwerden. Ein umfassender Qualitätsnachweis derKlebung durch zerstörungsfreies Prüfen ist in derRegel nicht möglich. Kleben gilt daher – wie dasSchweißen und Löten – als so genannter speziellerProzess. Daher ist für den Einsatz im Betrieb eineentsprechend hohe Fertigungsqualität notwendig,d. h., Produktqualität wird hergestellt und nichterprüft. Bei der Langzeitbeständigkeit von Klebver-bindungen sind Abbaumechanismen zu beachten.Diese können die Festigkeit der Klebung schwä-chen, sind jedoch, da bekannt, in der Regel

handhabbar. Eine von der Natur gesetzte Grenzedarf jedoch beim Einsatz der Klebtechnik nicht ausden Augen verloren werden: Ein eindeutigerNachteil von Klebungen im Vergleich zu anderenFügetechniken besteht darin, dass sie nur begrenztthermisch belastbar sind, da Klebstoffe aus organi-schen Verbindungen bestehen.

1.2 Kleben – alte Kunst und junge Wissenschaft

Schon in der jüngeren Steinzeit, also ca. 8000 v. Chr. (s. Tab. 1), bedienten sich die Menscheneines Birkenharzes zum Befestigen von Speer- undBeilspitzen (Abb. 5). Bei der Entdeckung des

den Ausrüstungs- undKleidungsstücke gefunden, so ein aus einemEibenstämmchen gefertigtes Beil, dessen Klingemit dem Klebstoff Birkenpech sowie Lederstreifenbefestigt ist. Um 5000 v. Chr. benutzte man inBabylon tierisches Blut, Eiweiß, verschiedenePflanzenharze oder Asphalt als Klebstoffe beim Bau

ca. 3500 Jahren) wurde das Kleben sogar „profes-sionalisiert“: Der Beruf des Leimkochers (Kellop-sos) entstand (Abb. 5). Die Kunst des Leimsiedens,

de spä-ter von den Griechen und Römern übernommen.Ein Indiz dafür, dass die Kunst des Klebens zur Zeitder Römer schon recht weit entwickelt war, mag einEichenholzkästchen aus der Römerzeit sein, dasum 1886 in Breslau gefunden wurde: Auf demDeckel dieses Eichenholzkästchens waren fünfmetallische Münzen aufgeklebt. Der vermutlich aufeiner Eiweiß-Kalk-Verbindung basierende Klebstoffmuss eine für damalige Verhältnisse extremeHaftkraft besessen haben, da vier der fünf aufge-klebten Münzen noch nach fast zwei Jahr-tausenden auf der Holzunterlage haften. Mitte des14. Jahrhunderts bedienten sich die Azteken beimBauen der Klebwirkung des Blutes, die auf dasBlutalbumin zurückzuführen ist. Sie mischten Tier-blut unter den Zement. Noch heute sind dieseWerke der aztekischen Baukunst recht gut erhaltenund zeugen von der Qualität des Bindemittels (Abb. 5).

Um 1830 wurde Naturkautschuk als Klebrohstoffeingesetzt. Mit der Erfindung der Vulkanisierbarkeitvon Kautschuk 1841 durch Goodyear setzt die Ge-schichte der synthetisch hergestellten Kunststoffeund somit der synthetischen Klebstoffe ein. Damitwurde erstmals in der Geschichte der Menschheitein Naturstoff chemisch verändert und so ein halb-synthetischer Werkstoff mit neuen mechanischenbzw. technologischen Eigenschaften hergestellt(Kunststoff). 1864 gelang es W. Parks, das halb-synthetische Celluloid herzustellen. Die ersten„echten“ Kunststoffe, die aus den Laboratorien derChemiker stammten und zu denen es in der Naturkeine Parallelen mehr gab, waren die Phenolharze.Ihre technische Nutzung begann 1902 und ist engmit dem Namen Baekeland verbunden, der 1905das erste Phenolharz unter dem Produktnamen

die Kühlwasserversorgung und die Ö lwanne. Immer Gletschermannes „Ö tzi“ wur

von Häusern und Tempeln. Im alten Ä gypten (vor

das die alten Ä gypter entwickelt hatten, wur

11

Bakelite vertrieb. Mit der Herstellung dieser Werk-stoffe war der entscheidende Schritt in der Kunst-stoffentwicklung getan: von der Nutzung vonNaturstoffen über die chemische Modifizierung hinzu den vollsynthetischen Kunststoffen. In denfolgenden Jahrzehnten nahm die Entwicklung dersynthetischen Kunststoffe und Klebstoffe einenrasanten Aufschwung. Kunstkautschuke wie Poly-chloropren, Buna (Polybutadien) und Silicon-kautschuk wurden synthetisiert. Es folgten dieEpoxidharze und die Polyurethane, nach dem zweiten Weltkrieg die Methacrylat- und Cyan-acrylat-Klebstoffe (Sekundenklebstoffe). EtwasEtymologie zum Abschluss: Der Begriff „kleben“stammt aus dem althochdeutschen „kliban“ (norddeutsch „Klei“ = toniger Schlick) und „leimen“aus dem indogermanischen „leimo“ = Lehm.

1.3 Kleben – die Natur macht es vor!

Die Geschichte der Menschheit bietet so vieleBeispiele klebtechnischer Anwendungen in denunterschiedlichsten Entwicklungsstadien, dassman das Kleben für eine Erfindung des Homosapiens halten könnte, wobei die Natur immer wie-der Ausgangspunkt und Vorbild für die Anwendungder Fügetechnik Kleben durch den Menschen war.Die folgenden Beispiele einiger klebtechnischerLösungen aus dem Tier- und Pflanzenreich zeigen,wie der Mensch von der Natur lernen und so dieTechnologie des Klebens weiterentwickeln konnteund kann.

Beispiel FeldwespeStreift man mit „klebtechnischem Blick“ durch dasReich der Insekten, stößt man auf die in Mittel-europa heimische Feldwespe: Mit ihren Kau-werkzeugen zerkleinert sie Holz, wobei sie die langen Fasern der Cellulose des Holzes durch

Schabbewegungen mechanisch grob zerkleinert.Anschließend frisst sie diese Späne, fügt wässrigesVerdauungssekret hinzu und verkürzt damit che-misch nochmals die Faserlänge der Cellulose. DerNestbauklebstoff ist jetzt fertig zur Weiterver-arbeitung. Beim Trocknen verdunstet das Wasseraus der Masse, die Cellulosefasern verfilzen undder Klebstoff wird fest. Mit dieser Klebtechnik kanndie Feldwespe recht beständige Nester konstruie-ren. Diese Technik hat sich der Mensch bei derVerschönerung seiner Wohnungen zu Nutze ge-macht: Die Klebfähigkeit von Tapetenkleister beruhtauf demselben Prinzip.

Beispiel GummibaumBeim Lösungs- bzw. Dispersionsmittel Wasserkann die Langzeitbeständigkeit der Klebungen einProblem werden. Auch hier bietet die Natur wiedereine Lösung an, diesmal aus dem Pflanzenreich:Die Gummimilch der Gummibaum-Gewächse isteine Dispersion von Polymeren (Naturlatex) in Was-ser. Die Dispersion ist also eine Möglichkeit, dasumweltfreundliche Lösungsmittel Wasser zu benut-zen und trotzdem eine langzeitbeständige Klebungzu erreichen. In der Holz verarbeitenden Industriewird dieser „Trick“ der Natur schon lange genutzt.

Beispiel HonigbieneWährend die Feldwespe sich also eines Klebstoffsbedient, dessen Wirkprinzip auf dem LösungsmittelWasser beruht, verwendet die Honigbiene dagegeneinen Nestklebstoff, der völlig ohne Lösungsmittelauskommt: Wachs, das bei Körpertemperatur derBiene flüssig ist. Erst nach Abkühlung erstarrt derKlebstoff in seiner beständigen Form. So erfüllt derBienenklebstoff die Idealforderung an moderneKlebstoffe (Schmelzklebstoffe): lösungsmittelfreiund trotzdem zum Auftrag flüssig.

Beil aus der jüngeren Steinzeit

AztekischeBauwerke

Kleben im alten Ägypten

Abbildung 5

12

Tabelle 1

vor3 Mrd.Jahren

vor80000

Jahren

vor35000Jahre

8000 v. Chr.

5000 v. Chr.

2000 v. Chr.

1000 v. Chr.

1500

1700

1841

1905

1921

1922

1928

1930

1931

1936

Klebähnliche Vorgänge bei Urzellen: Sie erwerbeneine klebrige Außenhülle, wodurch sie sich mit Nach-barzellen zu Klumpen und Kolonien verbinden.Muscheln stellen hochfeste Verbindungen zu unter-schiedlichsten Untergründen her; Sonnentau undSpinnen produzieren klebrige Sekrete; Bienen verar-beiten Wachsplättchen; Vögel stellen die ersten„geklebten“ Verbundwerkstoffe beim Nestbau her.

Ab dieser Zeit sind Klebanwendungen durch denMenschen bekannt: Kollagen wird von Höhlen-menschen am Toten Meer benutzt. Bei Ausgrabun-gen wird es als Zierrat auf Schädeln, als Dichtmassefür Behälter und als Klebstoff identifiziert.

Tierblut und Eiweiß als Bindemittel zum Untergrundbei Höhlenmalereien; Hüttenbauten aus Holz, Reisigund Schilf, die mit Lehm verstärkt werden.

Waffen bei fortgeschrittenen Jägerkulturen: Baum-harze dienen der verstärkenden Klebwirkung beimBefestigen von Feuerstein- oder Knochenspitzen inHolzschäften; „Kleister“ durch Verkochen pflanzlicherBestandteile; „Leime“ durch Verkochen tierischerBestandteile.

(natürliche Vorkommen) als Klebstoff (Mosaike) undin Verbindung mit Harzen als Dichtstoff zur Boots-abdichtung.

Vorderasien: Gelatineleim zur Möbelherstellung.

China: Hautleime bei Lackarbeiten: Saft des Lack-baums verbindet bei Verdunstung bis zu 30 verschie-dene Schichten.

Kautschuk wird von den Spaniern aus Mittelamerika,wo es Azteken und Mayas schon lange verwenden,nach Europa gebracht; Casein, schon bei denRömern bekannt, wird als erster „Kunststoff“ bei derPapierbeschichtung und Buchbinderei verwendet.

Leimsiedereien.

Vulkanisierbarkeit des Kautschuks wird entdeckt(Goodyear).

Baekeland bringt unter dem Namen „Bakelite“ daserste Phenolharz auf den Markt.

Grundlagen der makromolekularen Chemie durchMax Staudinger.

BASF erhält Patent zur Herstellung von in organi-schen Lösungsmitteln löslichen Harnstoff-Form-aldehyd-Harzen.

In den USA erstmals Produktion von Polyvinyl-chlorid (PVC); Produktion von Polymethylmethacrylat(PMMA) als „Plexiglas“ bei Röhm & Haas.

Erste technische Herstellung von Polyvinylacetat(PVAC), Polystyrol (PS) und Polyacrylnitril (PAN).

Erste stabile Kunststoff-Dispersion auf Basis vonAcrylsäureestern (BASF, Röhm & Haas) undVinylacetat (Wacker, Hoechst); Produktionsaufnahmevon Polychloroprenen.

P. Castan (de Tre Frè res, Schweiz) benutzt diePolyaddition zum Aufbau von Kunststoffen und erfin-det Epoxidharze, die ihm 1939 patentiert werden. C. Ellis (Ellis-Foster Comp. USA) entdeckt die rascheHärtbarkeit ungesättigter Polyester mit Styrol durchPeroxide.

1937

1940

1941

1943

1946

1953

1958

1967

1968

1970

1980

1984

1988

ab 1990

1993

1995

2000

Auf den Forschungsarbeiten von O. Bayer, Lever-kusen, basieren die Polyaddition von Polyurethanen(PUR) aus Diisocyanaten und Polyolen.

IG Farben erhält Patent für Methacrylat-Klebstoffe(heute „Agomet“ der Degussa, Hanau).

Großtechnische Produktion gesättigter und ungesät-tigter Polyester-Harze

Herstellung temperaturbeständiger Siliconkaut-schuke; in den USA erste Verwendung von Phenol-harz-Polyvinylacetaten mit Formulierungen fürMetall-Holz-Verklebungen im englischen Flugzeug-bau; Epoxidharz-Formulierungen für Metall/Metall-Verbindungen im deutschen Flugzeugbau.

Industrielle Herstellung von Epoxidharzen.

V. Krieble (USA) führt anaerob härtende Klebstoffeauf Dimethylacrylat-Basis unter dem Namen„Loctite“ ein.

Erste Cyanacrylat-Klebstoffe „Eastman 910“ in denUSA und 1960 „Sicomet“ in Deutschland auf demMarkt.

Erste temperaturfeste Polyimid-Klebstoffe (bis 300 ° C) in den USA.

Beginn der feuchtigkeitshärtenden Polyurethan-Entwicklungen „Sikaflex“ und „Betaseal“ zumKlebdichten von Kfz-Front- und Heckscheiben.

Rasche Weiterentwicklung der Polyurethan-Chemiemit vielfältigen 1- und 2-K-Formulierungen; erste UV-lichthärtende Acrylat-Formulierungen; Entwicklungvon MS-Polymeren in Japan, Anwendung bei erdbe-bensicheren Bauweisen.

Reaktive Schmelzklebstoffe.

Entwicklung anisotrop leitfähiger Klebstoffe. DieLeitfähigkeit entsteht durch einen direkten Kontaktder Fügeteile über einzelne, sich in der Kleb-stoffmatrix nicht berührende Füllstoffpartikel (z.B.goldbeschichtete Polystyrolkugeln/Durchmesser 5 mm), die elektrisch leitfähig sind.

Entwicklung von hochfesten Klebstoffen zum Klebenbeölter Stahlbleche unter Großserienbedingungen(z.B. Automobilbau). Hierbei handelt es sich um spe-zielle heißhärtende 1-K-Epoxidharzklebstoffe.

Entwicklung von diversen Klebstoffen mit multiplenHärtungsmechanismen. Z.B. Cyanacrylate, die zu-nächst durch UV-Bestrahlung anund dann überLuftfeuchtigkeit aushärten.

Entwicklung aerob härtender Klebstoffe, derenHärtung durch Sauerstoffzutritt eingeleitet wird.Diesen Klebstoffen sind Hydroperoxidbildner wie z.B.Hydrazon beigefügt, die oxidativ Peroxide bilden unddie Polymerisation starten.

Entwicklung von silanvernetzenden Polyurethan-Prepolymeren (S-PUR), die die Palette der 1-K-feuchtigkeitshärtenden gummielastischen Klebstoffeergänzen. Sie zeigen eine verbesserte Balance zwi-schen Reaktivität und Lagerstabilität, ein Ausbleibender Blasenbildung und besitzen keinen isocyanatba-sierten Reaktionsmechanismus mehr.

Entwicklung wiederlösbarer Klebstoffsysteme fürReparatur und Recycling basierend auf denMethoden Temperatur-, Spannung-, Strom- und/oder

.

Geschichte des Klebens

In Mesopotamien und Ä gypten: Nutzung von Asphalt

pH-Wert-Ä nderung

13

Seepocke

Beispiel SeepockeDie Seepocke (Abb. 6), eine Krebsart, die inKüstengewässern heimisch ist, kann sich als freischwimmende Larve an praktisch alle marinenHartsubstanzen heften. Die Anheftung erfolgt dabeimit einem Sekret der so genannten „Zementdrü-sen“. Bei diesem Sekret handelt es sich um einen2-K-Reaktionsklebstoff mit hoher Resistenz gegenWasser und enormer Langzeitbeständigkeit. Beider Anheftung ist die Beschaffenheit desUntergrundes völlig unerheblich. Auch während desWachstums und bei den verschiedenen Häutungenbleibt der Krebs stets fest mit dem Untergrund ver-bunden, weil eine ständige Neusekretion vonKlebstoffen die Haftung garantiert.

Beispiel TermitenVor 150 Millionen Jahren verfügten die Soldaten pri-mitiver Termiten zur Abwehr von Feinden übersäbelartige Kiefer. 30 Millionen Jahre später ent-wickelte sich über den Zangen ein düsenartigesGebilde. 70 Millionen Jahre später ist die höchst-entwickelte Form erreicht: Die Kieferzangen sindverschwunden, übrig geblieben ist nur die Düse,aus der nun Klebstoff spritzt und so die Angreiferlahm legt. Ohne diese Art der Klebstoffapplikationwäre die moderne Autoproduktion nicht denkbar.

Abbildung 6

14

2 Was ist Kleben?

Querschnitt einer Klebung

Fügeteil

Klebstoff

Fügeteil

Oberfläche des Fügeteils/Adhäsionszone

Übergangszone

KohäsionszoneGrenzschichten

Kleben ist das Verbinden zweier Fügeteile mittelseines Klebstoffs. Nach DIN EN 923 wird ein Kleb-stoff definiert als

- ein Nichtmetall- ein Bindemittel, das über Adhäsion und

Kohäsion wirkt.

Adhäsion und Kohäsion

Als Adhäsion bezeichnet man das Haften gleich-oder verschiedenartiger Stoffe aneinander, mitKohäsion die innere Festigkeit eines Werkstoffeswie hier des Klebstoffs.

Die adhäsiven Wechselwirkungen zwischen Kleb-stoff und Fügeteil betreffen nicht nur die reine Be-rührungsfläche (Adhäsionszone) von Klebstoff undFügeteil, sondern beeinflussen auch den Zustanddes Klebstoffs in der Nähe der Oberfläche desFügeteils (Ü bergangszone) (Abb. 7).

- In der Kohäsionszone liegt der Klebstoff in sei-nem üblichen Zustand vor.

- In der Adhäsionszone weist der Klebstoff durchdie Haftung an der Oberfläche der Fügeteile einemodifizierte chemische Struktur und Zusam-mensetzung auf, die vom Zustand in der Kohä-sionszone abweicht. Folglich sind hier auch diemakroskopischen Eigenschaften des Klebstoffsverändert.

- In der Ü bergangszone zwischen Adhäsions- undKohäsionszone verändern sich Struktur, Zusam-mensetzung und makroskopische Eigenschaf-ten des Klebstoffs kontinuierlich. Der Einfluss derÜ bergangszone kann z. B. darin bestehen, dasseine Entmischung des Klebstoffs auftritt, indemkleine Klebstoffbestandteile in Poren der Ober-fläche diffundieren. So wird die optimale Zu-sammensetzung des Klebstoffs gestört.

2.1 Wirkmechanismen zwischen Klebstoff und Fügeteil sowie im Klebstoff

- Adhäsionszone ] Grenzschicht- Ü bergangszone- Kohäsionszone

Die Adhäsionszone

Wie oben beschrieben, liegt der Klebstoff in derAdhäsionszone in einer durch die Anbindung an dieFügeteiloberfläche modifizierten molekularen Struk-tur vor. Das Phänomen der Adhäsion findet seineErklärung in molekularen Wechselwirkungen zwi-schen der Fügeteiloberfläche und dem Klebstoff,die sich in die schwächeren zwischenmolekularenWechselwirkungen und in die starken chemischenBindungen unterscheiden lassen (Tab. 2). Allerdingstreten chemische Bindungen nur bei sehr wenigenKombinationen von Fügeteilen und Klebstoffen auf,z. B. zwischen Silicon und Glas, Polyurethan und

Abbildung 7Folie 5

15

Adhäsionskräfte

Tabelle 2

Art Bindungslängen Bindungsenergienin nm in kJ/mol

chemische Bindungen• kovalente 0,1–0,2 150–950• metallische 0,3–0,5 100–400• ionische 0,2–0,3 400–800

zwischenmolekulare Wechselwirkungen• van-der-Waals-Kräfte 0,4–0,5 2–15• Wasserstoffbrückenbindungen 0,2 20–30

Glas oder Epoxidharz und Aluminium. In einigendieser Klebverbindungen konnte nachgewiesenwerden, dass chemische Bindungen bis zu 50 %aller Wechselwirkungen ausmachen können. IhreLangzeitbeständigkeit hängt direkt von ihrer Feuch-tigkeitsbeständigkeit ab. Auf die Morphologie derOberfläche des Fügeteils hebt neben den zwi-schenmolekularen und chemischen Adhäsions-kräften der vereinzelt genannte Haftmechanismusder „mikromechanischen Verklammerung“ ab.Dieser Bezeichnung liegt die Vorstellung zu Grunde,dass ein Klebstoff sich mit einer aufgerautenFügeteiloberfläche gut „verzahnen“ kann. DemKonzept der „mikromechanischen Verklammerung“wird jedoch i. A. nur eine untergeordnete Be-deutung beigemessen. Liegen im Fügeteil jedochregelrechte – vielleicht sogar konstruktiv einge-brachte – Hinterschneidungen vor, die von Klebstoffumflossen werden, dann kann dies die Festigkeitdes Klebverbundes steigern.

Die Übergangszone

Die bergangszone, in der ein Klebstoff veränderteÜchemische, mechanische und optische Eigen-schaften besitzt, kann eine Dicke von wenigen nmbis fast in den mm-Bereich aufweisen. Dies hängtvon der Art der Oberfläche des Fügeteils, desKlebstoffs und den Härtungsbedingungen ab. Beidicken bergangszonen oder dünnen KlebfugenÜkann das Verhalten der gesamten Klebung von denEigenschaften der bergangszone bestimmt sein,da keine Kohäsionszone vorliegt.

Die Kohäsionszone

Im Bereich der Kohäsionszone weist der Klebstoffseine nominellen, in den Datenblättern angegebe-nen Kunststoffeigenschaften auf. Diese werden vonfolgenden molekularen Kräften verursacht (Abb. 8):

1. den chemischen Bindungen innerhalb derKlebstoff-Polymere,

2. den chemischen Bindungen, die zurVernetzung des Polymers führen,

3. den zwischenmolekularen Wechselwirkungenzwischen den Klebstoff-Molekülen und

4. den mechanischen Verklammerungen verschie-dener Klebstoff-Moleküle.

Die vier genannten Kohäsionskräfte beeinflussenbereits die Eigenschaften des unausgehärtetenKlebstoffs und bestimmen beispielsweise die Visko-sität. Bei der Aushärtung erfolgt hauptsächlich eineVerfestigung des Klebstoffs über Bindungen zwi-schen den Klebstoff-Molekülen. Diese Bindungenwerden neu erzeugt (z. B. bei der Vernetzung kurz-kettiger Moleküle zu langkettigen) oder vorhandeneBindungen werden verstärkt.

Für eine maximal erreichbare Klebfestigkeit tragensowohl die Adhäsion (inkl. bergangszone) alsÜauch die Kohäsion bei. Wie bei einer Kette gilt auchbei einer Klebung, dass das schwächste Glied dieBelastbarkeit bestimmt.

- Die kohäsiven Eigenschaften eines Klebstoffssind seitens des Herstellers bereits festgelegt.Diese muss der Anwender durch eine optimaleAushärtung zu erreichen versuchen.

- Weiterhin muss die Adhäsionsfestigkeit ausrei-chend hoch sein. Das ist der Fall, wenn nicht dieAdhäsion der limitierende Faktor bei der Festig-keitsprüfung ist, sondern die Eigenfestigkeit desKlebstoffs.

Die klebstoffspezifische maximale Belastbarkeiteiner Klebung ist also dann gegeben, wenn beieiner Festigkeitsprüfung (s. Glossar) der Bruch imKlebstoff erfolgt (Kohäsionsbruch) und nicht in derAdhäsionszone zwischen Material und Klebstoff.

Ü

16

12

3

4

Die Beiträge zur Kohäsionsfestigkeiteines Klebstoffs

Abbildung 8Folie 6

2.1.1 Grundvoraussetzung einerKlebung: Benetzung

Grundvoraussetzung zur Ausbildung der adhäsivenGrenzschicht ist eine gute Benetzung der Ober-fläche des Fügeteils durch den flüssigen Klebstoff.Der Grad der Benetzung, der u. a. von den Ober-flächenspannungen von Klebstoff und Fügeteilbestimmt wird, ist somit ein Kriterium für die Qualitätder Adhäsion. Die Annäherung in atomaren Dimen-sionen ist aber nur eine notwendige Voraussetzungfür die Ausbildung von Adhäsionskräften. Bestim-mend für die Adhäsion sind die Zugänglichkeit undder Anteil physikalisch oder chemisch aktiverStrukturen von Fügeteiloberfläche und Klebstoff.

Als Beispiel sei hier Edelstahl genannt: Er weistzwar eine hohe Oberflächenspannung auf, ist alsogut benetzbar, bietet aber auf Grund seines passi-ven Charakters (Bindungsträgheit) den Klebstoffennur relativ schlechte Adhäsionsmöglichkeiten aufder Oberfläche.

Ist die zu klebende Oberfläche inkompatibel miteinem Klebstoff – weil z. B. der flüssige Klebstoffschon beim Auftrag nicht genügend benetzt oderweil die adhäsiven Bindungen zu schwach sind – sokann die Oberfläche mit einem entsprechendenHaftvermittler beschichtet werden. Diese Haftver-mittler wirken über unterschiedliche bifunktionelle

chemische Gruppen. Ein Teil der Gruppen ist aufdie Chemie der Fügeteiloberfläche, der andere aufden Klebstoff abgestimmt. Die häufigsten Haftver-mittler gehen mit beiden Partnern eine chemischeBindung ein. Oberflächenbehandlungsverfahren (s. Glossar) stellen andere Möglichkeiten dar, dieBenetzung der Fügeteiloberfläche zu verbessernbzw. zu ermöglichen.

Zur Festigkeit eines Klebverbundes liefert die Ad-häsion einen wichtigen Beitrag. Die Adhäsion kannder Anwender weitgehend beeinflussen durch:

- die Sauberkeit und gegebenenfalls die Vorbehandlung der Fügeteiloberflächen,

- die Abstimmung des Klebstoffs undgegebenenfalls des Haftvermittlers/Primers auf die Chemie der Fügeteiloberfläche.

Allerdings lässt sich der direkte Schluss von der(mikroskopischen) Adhäsion zur makroskopischenVerbundfestigkeit (und umgekehrt) nicht ziehen. Diemakroskopischen kohäsiven Merkmale eines Kleb-stoffs (z. B. Kohäsionsfestigkeit, elastisches Ver-halten) sind weitgehend durch die Wahl der Kleb-stoffbasis und Klebstoffformulierung festgelegt undlassen sich vom Anwender kaum beeinflussen.

2.1.2 Benetzbarkeit und Rheologie

Die Rheologie ist ein Teilgebiet der Mechanik. Siebeschreibt, wie sich ein Körper (Festkörper oderFlüssigkeit oder Gas) bei Beanspruchung durchäußere Kräfte verformt. Ideale Fluide wie Flüssig-keiten oder Gase werden irreversibel verformt – sie

Das Benetzen der Fügeteiloberfläche durch denflüssigen Klebstoff ist für die Adhäsion zwareine notwendige, allein jedoch nicht hinreichen-de Voraussetzung. Eine gute Benetzung alleingarantiert nicht unbedingt die angestrebte gute,langzeitbeständige Haftung des Klebstoffs ander Oberfläche.

17

fließen. Auch Festkörper können unter Anwendunggenügend großer Kräfte irreversibel verformt werden– auch sie fließen dann. Neben den ausgeprägtenBeanspruchungen ist der Zeitfaktor zu beachten.Folgendes Beispiel soll diesen Zusammenhang ver-anschaulichen: Das Glas der berühmten Fenster derKathedrale von Chartres ist „geflossen“, seit dieseFenster vor mehr als 600 Jahren hergestellt wurden.Im Mittelalter waren die eingesetzten Glasstücke amoberen wie am unteren Rand gleich dick. Doch imLaufe der Zeit sind die Silicate unter dem Einflussder Schwerkraft so weit nach unten geflossen, dassdie Wandstärke der einzelnen Gläser oben hauch-dünn geworden ist, während sie sich unten fast ver-doppelte. Man kann somit sagen, dass festes Glaszur Gruppe der Fluide gehört – man muss nur langegenug warten!

Die Fähigkeit eines Klebstoffs, eine Fügeteilober-fläche zu benetzen, wird auch von seinen rheolo-gischen Eigenschaften bestimmt. Dabei sind diestofflichen Charakteristika Viskosität und Thixotro-pie (s. Seite 84/85) von Bedeutung, die unter demBegriff „rheologische Eigenschaften“ zusammen-gefasst werden. Für die Verarbeitung und dieVerarbeitbarkeit eines Klebstoffs bildet die Kenntnisdieser spezifischen Eigenschaften eine wichtigeVoraussetzung (typische Viskositätswerte sieheTabelle 3). Ausschlaggebend für die Viskosität (Tab. 3) eines Klebstoffs ist der Molekülaufbau,

insbesondere die Länge von Haupt- und evtl. vor-handenen Seitenketten sowie die vorhandenen po-laren Gruppen. Von Letzteren gehen maßgeblichdie Krafteinwirkungen aus, die die Beweglichkeitder Seitenglieder und Kettensegmente beein-flussen. Höhere Viskositäten sind vorteilhaft, umz. B. ein zu starkes Ablaufen an den Klebfugenrän-dern zu vermeiden. Je nach vorgesehenem Verar-beitungsverfahren sind entsprechende Viskositätenerforderlich: z. B. eine niedrigviskose Einstellungzum Spritzen, zum Auftragen durch Siebdruck einepastöse. Eine Erhöhung der Viskosität auf gegebe-ne Verarbeitungsverhältnisse kann über die Zugabevon Verdickungsmitteln, z. B. Kieselsäuregelen, er-folgen. Zu hohe Viskositäten werden bei lösungs-mittelhaltigen Klebstoffen über entsprechendeLösungsmittelzusätze verringert. Bei lösungsmittel-freien Reaktionsklebstoffen sind Ä nderungen der

Viskosität durch den Anwender nur sehr bedingtmöglich; allenfalls gelingt das bei Klebstoff-systemen, die in ihrer Rezeptur bereits Reaktiv-verdünner enthalten.

Die Angabe der Viskosität eines Klebstoffs erfolgtdurch den Wert der dynamischen Viskosität in Pa s; bei dünnflüssigen Klebstoffen in mPa s. Sie istdefiniert durch die Kraft in Newton, die notwendigist, um in einer Flüssigkeitsschicht von 1 m2

Flächengröße und 1 m Höhe die eine Grenzflächeparallel zur gegenüberliegenden anderen Grenz-fläche mit einer Geschwindigkeit von 1 ms-1 zu verschieben. Gemessen werden diese Eigen-schaften mit so genannten „Viskosimetern“ oder„Rheometern“ (s. Glossar), die je nach Art der zuuntersuchenden Fließvorgänge konstruiert werden.

Unter der Thixotropie versteht man die Eigenschaftflüssiger Stoffe, durch mechanische Einwirkung(z. B. Rühren, Schütteln, Kneten) vorübergehend ineinen Zustand niedrigerer Viskosität überzugehen.Thixotrope Klebstoffe werden gezielt formuliert,indem der Rezeptur Thixotropiermittel, z. B. Kiesel-säureprodukte, beigefügt werden. Auf diese Weisewerden folgende Vorteile erreicht:

- kein Ablaufen an vertikalen Klebflächen,

- kein oder nur geringes Aufsaugen des Klebstoffsbei porösen Fügeteilwerkstoffen,

- verbesserte Auftrag- bzw. Verstreichbarkeit desKlebstoffs,

- Erzielung höherer Klebschichtdicken.

2.1.3 Verfahren zur Verbesserung derKlebfähigkeit von Fügeteilen:Oberflächenbehandlung

Aus den Betrachtungen der grundlegenden Wirk-mechanismen des Klebens ergeben sich Forde-rungen an die Beschaffenheit des Fügeteils, die füreine qualitativ gute, beständige Klebung erfülltwerden müssen.

1. Die Fügeteiloberfläche muss gut benetzbar sein,d. h., der gewählte Klebstoff soll nicht von ihrabperlen, sondern sich flächig auf der Fügeteil-oberfläche ausbreiten (spreiten).

Typische Viskositätswerteh in mPa s bei 20 ° C

Petroleum 0,65 Kaffeesahne ~ 10Wasser 1,0 Honig ~ 104

Quecksilber 1,5 Polymerschmelzen ~ 103–106

Traubensaft 2–5 Bitumen ~ 108

Blut (bei 37 ° C) 4–25 Glas ~ 1023

Tabelle 3

18

Methoden der Oberflächenbehandlung

Oberflächen-vorbereitung

ReinigenEntfetten,

Passendmachender Oberflächen

Oberflächen-vorbehandlung

mechanische,chemische,

physikalischeVerfahren

Oberflächen-nachbehandlung

KlimatisierungPrimer

HaftvermittlerHaftreiniger

Abbildung 9

2. Die Fügeteiloberfläche muss gut klebbar sein,d. h. zwischenmolekulare und chemischeWechselwirkungen mit den Klebstoffmoleküleneingehen.

3. Die Oberflächenschicht des Fügeteils muss festmit dem Fügeteil verbunden sein. Man stellesich stark verrostete Träger aus Baustahl vor, diemiteinander verklebt werden sollen. Entferntman nicht die oberflächliche Rostschicht, ver-klebt man nur den Rost miteinander, der beieiner Beanspruchung der Fügeteile mitsamtdem Klebstoff abfällt. Die Oxidschicht des Alu-miniums dagegen ist im Gegensatz zum Rostsehr fest mit dem Grundwerkstoff verbundenund stellt einen guten Haftgrund dar.

4. Die Oberfläche darf sich nach dem Klebprozessnicht mehr unkontrolliert verändern. Geschlif-fener Stahl z. B. rostet – leider auch noch untereiner Klebstoffschicht, wenn die Klebung in einefeuchte Umgebung gebracht wird. Um eine lang-zeitbeständige Klebung zu erreichen, reicht beimStahl ein Anschleifen der Oberfläche allein nichtaus – es müssen darüber hinaus geeignete Maß-nahmen ergriffen werden, um bei der Verwen-dung dieses Fügeteils in feuchter Umgebung einRosten unter der Klebschicht zu verhindern.

Diese Zusammenhänge verdeutlichen die Notwen-digkeit einer Oberflächenbehandlung des Fügeteils,damit eine Oberfläche geschaffen werden kann, dieden oben genannten Anforderungen genügt.Hiermit ist allgemein die Behandlung von Werk-stoffoberflächen gemeint, mit dem Ziel:

1. in der Produktion Klebbedingungen zu schaffen,die eine gleich bleibende Qualität der Klebungengarantieren (Reproduzierbarkeit), ferner

2. die Benetzung und die Adhäsion sowie

3. die Langzeitbeständigkeit der Klebverbindungzu verbessern.

Allgemein unterscheidet man bei der „Oberflächen-behandlung“ drei Methodenklassen (Abb. 9): Ober-flächenvorbereitung, Oberflächenvorbehandlungund Oberflächennachbehandlung.

Zur Oberflächenvorbereitung gehören das Reinigen(Entfetten) und das Passendmachen (z. B. Ent-graten) der Fügeteiloberfläche.

Alle mechanischen (z. B. Schleifen, Strahlen), chemischen (Metalle: z. B. Beizen (s. Glossar);Kunststoffe: z. B. Gasphasenfluorierung) oderphysikalischen Verfahren (Kunststoffe: z. B. Nieder-druckplasma), die die Struktur und/oder die che-mische Zusammensetzung der Oberfläche im Vergleich zum Grundwerkstoff verändern, werdenals Oberflächenvorbehandlung bezeichnet. Exem-plarisch sei an dieser Stelle eine Oberflächenvorbe-handlung des sonst schwer klebbaren Polyethylensgenannt. Hier bedient man sich des so genanntenCoronaverfahrens: Hierbei lässt man zur Verbes-serung der Haftungseigenschaften beispielsweisebei der Herstellung von Verbundfolien elektrischeEntladungen in Anwesenheit von Luftsauerstoff beiSpannungen bis zu 60.000 Volt einwirken.

Mit Oberflächennachbehandlung sind all die Ver-fahren gemeint, die der Konservierung der behan-delten Oberfläche dienen, z. B. indem ein Primeraufgetragen wird.

19

2.2 Was sind Klebstoffe?

Die Schilderungen im Kapitel 1.3 haben deutlichgemacht, dass es eine große Anzahl unterschied-licher Klebstoffarten gibt, die in der Bio- undTechnosphäre verwendet werden. Die bekanntenKlebstoffarten lassen sich zum einen nach der che-mischen Basis (Abb. 10) und zum anderen nachdem Verfestigungsmechanismus klassifizieren(Abb. 11).

Die bei den Kunststoffen übliche Einteilung inDuromere, Thermoplasten und Elastomere ist beiKlebstoffen wenig hilfreich. So gibt es z. B. ver-

schiedene Polyurethanklebstoffe, die als Duromere,als Elastomere und Thermoplasten aushärten.Damit aber jede Klebstoffgruppe einen definiertenPlatz erhält, bedarf es also eines weiteren Ord-nungskriteriums, nämlich der Art und Weise, wiesich der Klebstoff verfestigt: also nach dem Ab-bindemechanismus, entweder auf physikalischemoder auf chemischem Wege.

Einteilung der organischen Klebstoffe und Siliconenach dem Verfestigungsmechanismus

chemisch härtendeKlebstoffe

physikalisch abbindendeKlebstoffe

Polymerisationsklebstoffe:SekundenklebstoffeMethylmethacrylate (MMA)ungesättigte Polyesteranaerob härtende Klebstoffestrahlenhärtbare Klebstoffe

Polykondensationsklebstoffe:PhenolharzeSiliconePolyimideBismaleinimideMS-Polymere

Polyadditionsklebstoffe:EpoxidharzePolyurethane

Schmelzklebstoffe

lösungsmittelhaltigeNassklebstoffe

Kontaktklebstoffe

Dispersionsklebstoffe

wasserbasierte Klebstoffe

Haftklebstoffe

Plastisole

Einteilung der Klebstoffe nach derchemischen Basis

Klebstoffe

organischeVerbindungen

Silicone

natürlicheBasis

Proteine,Kohlenhydrate,

Harze

synthetischeBasis

Kohlenwasserstoff-Verbindungen+ Sauerstoff,

Stickstoff,Chlor, Schwefel

anorganischeVerbindungen

keramische Bestandteile,Metalloxide,

Silicate,Phosphate,

Borate

Abbildung 10

Abbildung 11Folie 7

20

2.2.1 Physikalisch abbindende Klebstoffe

Hierbei handelt es sich um Klebstoffe, die bereitsbeim Auftragen chemisch im Endzustand vorliegen (Abb. 12). Daher können nur Polymere verwendetwerden, die sich verflüssigen lassen: schmelzbareund lösliche Thermoplaste. Obwohl stark aufquell-bare, gering vernetzte Elastomere streng genommenunlöslich sind, können sie doch in bestimmten Fällennoch eingesetzt werden. Dabei genügt es, wenn siestark aufquellen, damit so die Oberflächen benetztwerden.

Schmelzklebstoffe (Hotmelts)

Verschiedene Polymere können als Schmelzkleb-stoffe eingesetzt werden (Abb. 13). Der Klebstoff istin erwärmter Form flüssig und somit verarbeitbar,abgekühlt jedoch fest. Die industriell verwendetenSchmelzklebstoffe liegen bei Raumtemperatur inForm von Blöcken, Stangen, als Granulat, als Pul-ver oder auch als Folien vor. Das Aufbringen auf dieFügeteiloberfläche geschieht als Schmelze, wobeider Klebstoff durch Walzen oder Spritzen aufge-tragen wird und direkt nach dem Auftrag oder durcheine Wiedererwärmung der abgebundenen Schichtgefügt wird. Oder aber der feste Klebstoff wird alsFolie oder Netz aufgelegt und anschließend heißverpresst. Das Fügen geschieht im Allgemeinenunter Druckanwendung. Schmelzklebstoffe zeich-nen sich dadurch aus, dass sie beim Abkühlen sehrschnell ihre innere Festigkeit aufbauen können.

Das jedermann bekannte Beispiel eines natürlichenSchmelzklebstoffs ist das Bienenwachs, das derHonigbiene als Baumaterial dient (s. Kapitel 1.3).Klebfestigkeiten zwischen 15 und 35 MPa lassensich mit technischen Schmelzklebstoffen erreichen,allerdings neigen sie bei Dauerbelastung oder

erhöhter Temperatur zum Kriechen (s. Glossar).Andererseits sind mit dieser Kunststoffart aufgrundihrer thermoplastischen Struktur thermisch lösbareund auch wiederherstellbare Klebungen zu verwirk-lichen. Die Klebung darf allerdings nicht bis zumSchmelzbereich des Klebstoffs erhitzt werden, weilder Klebstoff schon bei wesentlich geringeren Tem-peraturen, im so genannten „Erweichungsbereich“,an Festigkeit verliert. Die Verarbeitungstemperaturkann innerhalb einer gewissen Bandbreite variiert

werden (Abb. 13) und hängt von der in der jeweili-gen Anwendung gewünschten Viskosität des Kleb-stoffs ab. Die Schmelzviskosität entscheidet überdas Applikationsverhalten eines Klebstoffs. Eineniedrige Viskosität erleichtert im Regelfall die Be-netzung.

Industriell finden Schmelzklebstoffe ein weitesAnwendungsfeld. Die Verpackungsindustrie (Her-stellung von Verpackungen aus Papier, Pappe undBlech) gehört zu den größten Verbrauchern. In derDruckindustrie werden Schmelzklebstoffe zumAufkleben von Buchrücken eingesetzt, die Textil-industrie verwendet sie zum Aufbringen vonApplikationen und die Schuhindustrie benutztSchmelzklebstoffe z. B. bei Sohlenklebungen. Inder Holz verarbeitenden Industrie werden Schmelz-klebstoffe bei Furnierummantelungen und Kanten-leimungen eingesetzt. Im Fahrzeugbau dienenSchmelzklebstoffe zum Kleben von Dämm- undPolstermaterialien, von Scheinwerferstreuscheibenin den Metallrahmen, von Radabdeckungen undvielem mehr. Auch in der Elektrotechnik benutztman diese Klebstoffart beispielsweise zum Klebenvon Spulenwicklungen und Spulenenden (Abb. 14).

Abbildung 12Folie 8

Art der Abbindung

Erstarren der Schmelze

Verdunsten von Lösungsmitteln

Verdunsten von Wasser

durch Oberflächenkontakt dauerklebrige Schichten

Sol-Gel-Prozess durchErwärmung

Bezeichnung

Schmelzklebstoffe

lösungsmittelhaltigeNassklebstoffe

Kontaktklebstoffe


weitere wasserbasierteKlebstoffe

Haftklebstoffe

Plastisole

Basisrohstoffe

Ethylen-Vinylacetat-Copolymere,Polyamide, Polyester u. a.

polymere Vinylverbindungen, Polymethylmethacrylat, Natur-und Synthesekautschuk u. a.

Polychloroprene, Butadien-Acrylnitril-Kautschuk u. a.

nicht wasserlösliche Polymeredes Vinylacetats, auch inVerbindung mit Comonomeren,Polyacrylsäureester u. a.

Glutin, Casein, Dextrin, Methyl-cellulose, Polyvinylalkohol u. a.

spezielle Polyacrylate, Polyvinyl-ether, Naturkautschuk u. a.

PVC und Weichmacher

Anwendungsgebiete

Verpackungsindustrie, Druck-, Textil-, Schuh-, Holz verarbeitende Industrie,Fahrzeugbau, Elektrotechnik

Druck- und Verpackungs-industrie, PVC-Rohrklebung,Haushaltsklebstoffe

Fußbodenverklebungen,Matratzen- undSchuhherstellung,Automobilindustrie

Verpackungsindustrie,Schuhherstellung,Lebensmittelindustrie, Holz verarbeitende Industrie

Papier, Tapeten

Klebebänder für handwerklicheund industrielle Zwecke, Wundpflaster, Etiketten

Karosseriebau

Physikalisch abbindende Klebstoffe

21

Möbelindustrie

Verpackungsindustrie

Elektronik-industrie

Auftrag durch Schmelzklebstoffpistolen

Grundstoffe von Schmelzklebstoffpolymeren

Grundstoff Erweichungs- Schmelzviskosität Verarbeitungs-bereich in °C in Pa s temperatur in °C

Polyamid (PA) 95–175 1–20 120–240Polyester 50–230 20–2000 150–240Ethylenvinylacetat-Copolymer (EVA) 90–200 20–10000 max. 200

Abbildung 14

Abbildung 13

HO C (CH2) C NH (CH2) NH HOO

nx y

Polyamid

HO C (CH2) C O (CH2) O HO O

Polyestern

x y

CH2 CH2 CH2 CH

OOCCH3

n

m

Ethylenvinylacetat-Copolymer (EVA)

Lösungsmittelhaltige Nassklebstoffe

Der „Verarbeitungstrick“ bei dieser Klebstoffklasseist der Einsatz von organischen Lösungsmitteln, in denen die thermoplastischen Polymere vorliegen(Abb. 15). Der Lösungsmittelgehalt dieser Kleb-stoffe beträgt in der Regel 75 bis 85 %. Nach derVerarbeitung verdunstet das Lösungsmittel, wo-durch die Makromoleküle die Kohäsion aufbauenkönnen und der Klebstoff abbindet. Die Ausbildungvon van-der-Waals-Wechselwirkungen und Ver-knäuelungen zwischen den Thermoplast-Kettensorgen dann für den Zusammenhalt der Polymer-

moleküle untereinander. Diese Klebstoffklasse zeigtgute Benetzungseigenschaften auf vielen Sub-straten, vor allem auf lösungsmitteldurchlässigenFügeteilen. Entsprechend der Bandbreite möglicherRohstoffe, aus denen Nassklebstoffe hergestelltwerden, haben sie unterschiedliche Leistungs-merkmale. Der Verarbeitungsablauf von Nass-klebstoffen wird durch Zeitangaben (Zeitspannen)bestimmt, in denen der Klebstoff noch bzw. nichtmehr zu bearbeiten ist. Diese Kennwerte geben dieKlebstoffhersteller auf den Datenblättern bekannt.Die für einen Nassklebstoff angegebene Mindest-trockenzeit beschreibt die Zeitspanne, die nach

22

Grundstoffe für lösungsmittelhaltige Nassklebstoffe

Abbildung 15

CH2 CH

OCH3

CO

n

CH2 CCH3

CO CH3

O

n

Polyvinylacetat Polymethylmethacrylat

CH2 CH CH CH2

CCHCH2

N

Nitrilkautschuk Polyvinylchlorid (PVC)

CH2 CHCln

nm

dem Klebstoffauftrag abgewartet werden muss, bisein Teil des Lösungsmittels verdunstet ist. Selbstbei lösungsmitteldurchlässigen Fügeteilen solltediese Mindesttrockenzeit vor dem Fügen einge-halten werden. Daran schließt sich die Nasskleb-zeit oder auch offene Zeit an, innerhalb derer deraufgetragene Nassklebstoff auf dem Fügeteil ruhenkann, ohne dass durch diese Wartezeit Einbußen inder Endfestigkeit der ausgeführten Klebung hinge-nommen werden müssen. Wird die Nassklebzeitüberschritten und das eigentliche Fügen erst nachAblauf der Nassklebzeit ausgeführt, hat dies eineSchwächung der Klebung zur Folge. Nasskleb-stoffe verfügen über eine geringe Anfangsfestigkeit,die langsam bis zur Handfestigkeit und anschlie-ßend bis zur Endfestigkeit ansteigt. Mit dieserKlebstoffart sind keine hohen Zugscherfestigkeiten(s. Glossar) erreichbar. Aufgrund ihrer thermoplasti-schen Natur verfügen Nassklebstoffe nur über eineeingeschränkte Formbeständigkeit unter Hitze-einfluss. Darüber hinaus reagieren sie naturgemäßempfindlich auf Lösungsmittel und zeigen unterBelastung eine Neigung zum Kriechen. Industriellwird diese Klebstoffklasse vor allem beim Klebenvon Papier und Pappen sowie beim Diffusions-kleben (Quell- bzw. Kaltschweißen) von löslichenThermoplasten (z. B PVC) eingesetzt. Der Trend inder Klebstoffentwicklung geht jedoch aus ökologi-schen Gründen weg von lösungsmittelhaltigenKlebstoffen hin zu lösungsmittelfreien Systemen.

Kontaktklebstoffe

Bei Kontaktklebstoffen handelt es sich um löslicheElastomere zusammen mit Harzen als Lösung ineinem organischen Lösungsmittel oder als Disper-sion in Wasser. Der „Verarbeitungstrick“ ist derselbewie bei Nassklebstoffen: Das Lösungsmittel ent-

weicht, der Klebstoff verfestigt sich. Die unter-schiedliche Bezeichnung dieser beiden Klassendeutet allerdings ihr Unterscheidungsmerkmalschon an: Während die „Nassklebstoffe“ einen„nassen“ Klebfilm verursachen und ihr Lösungs-mittel erst beim Abbindevorgang entweicht, klebenKontaktklebstoffe sozusagen „trocken“. Man trägtden Klebstoff auf beide Fügeteile auf und lässt das Lösungsmittel vor dem Zusammenfügen fastvollständig abdampfen. Die umweltfreundliche Al-ternative Wasser als Lösungsmittel bei dieser Kleb-stoffklasse stellt allerdings aufgrund der Feuch-tigkeitsempfindlichkeit der Klebung bisher nochnicht in allen Anwendungen einen gleichwertigenErsatz für die organischen Lösungsmittel dar.

Als Grundstoffe für Kontaktklebstoffe werden häu-fig Polychloroprene, Butadien-Styrol-Kautschuk,Butadien-Acrylnitril-Kautschuk in Lösungsmittelnoder wässrige Acrylat-Dispersionen eingesetzt. DieAblüftzeit beschreibt hier die Zeitspanne, nachderen Ablauf der aufgetragene Klebstoff beimBerühren scheinbar trocken ist, aber noch Rest-lösungsmittel enthält. Dann klebt man unter mög-lichst hohem Druck – erst jetzt wird der Kontaktzwischen den Fügepartnern hergestellt und dieKlebstoffpolymere diffundieren ineinander. DieDatenblätter geben Auskunft über die Kontakt-klebzeit, d. h. über den Zeitraum, der ohne Ein-bußen bei der Endfestigkeit der Klebung verstrei-chen kann, bevor gefügt werden muss. Begrenztwird diese Zeit durch die beginnende Kristallisationder Klebschicht, durch die die Polymere ihreFähigkeit verlieren, adhäsive Bindungen mit demFügepartner auszubilden. Beim eigentlichen Fügenmit Kontaktklebstoffen entscheidet nicht die An-pressdauer, sondern der Anpressdruck (minde-stens 0,5 MPa) über die Festigkeit der Klebung,

23

deren innere Festigkeit auf der Ausbildung von van-der-Waals-Kräften und Verknäuelungen der Mole-küle zwischen den Polymerschichten beruht. Kon-taktklebstoffe sind zwar in der Regel sofort hand-fest, mit ihnen können allerdings keine besondershohen Zugscherfestigkeiten erreicht werden. Sieverfügen über eine hohe Flexibilität, die in einemgewissen Rahmen einstellbar ist, sind jedoch nurbedingt warmformbeständig und reagieren emp-findlich auf Lösungsmittel bzw. bei Dispersionenauf Wasser. Ihre Neigung zum Kriechen bei erhöh-ten Temperaturen unter Belastung kann inbestimmten Grenzen unterdrückt werden. Ein wich-tiges Einsatzgebiet von Kontaktklebstoffen war frü-her das Kleben von PVC- und Parkettfußböden.Dort sind sie heute in weiten Teilen Europas vorwie-gend durch lösungsmittelfreie Systeme ersetzt.Aber nach wie vor werden Kontaktklebstoffe auf-grund ihrer hohen Flexibilität und ihrer günstigenEigenschaft, verhältnismäßig hohe Anfangsfestig-keiten zu erreichen, in der Automobilindustrie, beider Matratzen- und Schuhherstellung verwendet.


Bei Dispersionsklebstoffen (Tab. 4) handelt es sichum heterogene Systeme, die aus einer festen Poly-merphase und einer Wasserphase bestehen, wobeider Feststoffgehalt 40 bis 70 % beträgt. Im Kapitel1.3 wurde die Feldwespe vorgestellt, wie sie dieseKlebstoffart beim Nestbau verwendet und die Kleb-stoffpartikelchen durch später verdunstendes Ver-dauungssekret am vorzeitigen Abbinden hindert.

Bei industriell hergestellten Dispersionsklebstoffen(Abb. 16) werden die einzelnen Klebstoffpartikeldurch Hilfsstoffe und Emulgatoren im Wasser inSchwebe gehalten und liegen daher in flüssiger, ver-

arbeitbarer Form vor. Das Abbinden erfolgt beiDispersionsklebstoffen langsam durch das Entwei-chen des Wassers, das entweder verdunstet oder indie Fügeteile eindringt. Dadurch erhöht sich dieKonzentration der Polymerpartikel. Sie können sichimmer mehr annähern, bis sie ineinander fließen.Dieser Prozess wird als „Filmbildung“ bezeichnet(Abb. 17). Die offene Zeit, in der der Klebstoff nachdem Auftragen ohne Einbußen bei der Endfestigkeitauf dem Fügeteil „ruhen“ kann, wird bei Disper-sionsklebstoffen durch die Temperatur, die Kleb-schichtdicke sowie durch die Saugfähigkeit derFügeteile bestimmt. Danach werden die Fügeteileaufeinander gepresst, wobei die Presszeit in derRegel im Minutenbereich liegt (je nach Temperatur).Vor der Weiterverarbeitung ist die ebenfalls tempe-raturabhängige Nach-Abbindezeit einzuhalten.

Mit Dispersionsklebstoffen lassen sich keine hohenZugscherfestigkeiten (s. Glossar) erreichen. Gemäßihrer thermoplastischen Natur verfügen sie nur übereine eingeschränkte Formbeständigkeit bei thermi-scher Belastung. Außerdem sind sie aufgrund dereingelagerten Emulgatoren feuchtigkeitsempfindlichund zeigen unter Belastung eine Neigung zumKriechen. Allerdings können sie über hohe Flexibili-tät verfügen, die in einem gewissen Rahmen ein-stellbar ist. Besonders geeignet sind Dispersions-klebstoffe, wenn es darum geht, großflächige Ver-bundsysteme aus wasserdurchlässigen Materialienzu kleben. Demgemäß werden sie häufig in derPapierverarbeitung, der Verpackungsherstellungund in der Möbelindustrie eingesetzt. Die folgendeZusammenstellung soll einen Ü berblick über dieVielzahl der Anwendungsgebiete von Dispersions-klebstoffen und eingesetzten Polymeren geben(Tab. 4).

-OOC

COO-

COO-

-OOC

Stabilisierung der Klebstoffpartikel durchHilfsstoffe und Emulgatoren

SO3-

SO3-

SO3-

Na+

SO3-

SO3-

SO3-

Dispersions-partikel

SO3-

SO3-

SO3-

SO3-

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Emulgator

Abstoßungskräfte

HilfsmonomerCOO-

Abbildung 16Folie 9

24

Filmbildung einer Polyacrylatdispersion in der Klebfuge

1. Verdunstung undKonzentration

2. Überwindung derelektrostatischenAbstoßung

3. Deformation derDispersionsteilchen

4. Ausbildung von Polymer-Kontakten(Koaleszenz) aufgrund von Kapillarkräftenund Oberflächenspannungskräften

5. Verschmelzen der Teilchenund Interdiffusion

Abbildung 17Folie 10

Wasserbasierte Klebstoffe

Die Gruppe der wasserbasierten Klebstoffe umfasstvier Untergruppen (Tab. 5): Klebstoffe auf Basistierischer Bindegewebsproteine (Glutinleime), aufBasis pflanzlicher Naturprodukte, die Gruppe derCaseinleime sowie Klebstoffe mit dem GrundstoffPolyvinylalkohol (PVAL). Die Ausbildung der Kleb-schicht erfolgt bei wasserbasierten Klebstoffendurch Verdunstung oder Aufnahme des Wassersdurch die Fügeteile. Einige pflanzliche Leime unddie Caseinleime haben die Besonderheit, dass dieBasisrohstoffe in kaltem Wasser unlöslich sind undin alkalischem Medium (Natronlauge, Ammoniak)aufgeschlossen werden müssen. Die folgendeÜ bersicht zeigt eine Auswahl unterschiedlicherInhaltsstoffe wasserbasierter Klebstoffe und derenhäufigste Anwendungsgebiete.

Haftklebstoffe

Haftklebstoffe liegen als chemisch fertige Kleb-stoffe in hochviskoser Form vor, die in der Regel als Film auf ein flexibles Trägermaterial aufgebrachtwerden (Klebebänder oder Etiketten). Die Be-sonderheit dieser Klebstoffe ist nun, dass sie nichtzu einem Feststoff abbinden, sondern zähflüssigbleiben. Diesbezüglich nehmen sie in der Gruppeder physikalisch abbindenden Klebstoffe eineSonderstellung ein. Bei der Herstellung von Sys-temen mit Haftklebstoffen können die Klebstoffe inorganischen Lösungsmitteln gelöst sein (Bsp.:Kautschuke, Acrylate), in wässrigen Dispersionenvorliegen (Bsp.: Acrylatdispersionen) oder aus einerlösungsmittelfreien Schmelze (Haftschmelzkleb-stoffe) stammen. Die Formulierung der verschie-denen Haftklebstoffe ist ähnlich: das Basispolymer

Polyvinylacetat Gute Haftung auf cellulosehaltigen Substraten wie Holz undPapier, vor allem für Holzleime eingesetzt

Vinylacetat-Copolymere Gute Haftung auf vielen polaren Kunststoffen

Polyacrylate Gute Alterungs- und Medienbeständigkeit, vor allem fürHaftklebstoffe (Etiketten, Klebebänder), Permanentklebstoffe(z. B. für Fliesen, Boden- und Wandbeläge) undKaschierklebstoffe (z. B. für Glanzfolien)

Polyvinylidenchlorid Physiologisch unbedenklich, deshalb bevorzugt fürKaschierklebstoffe im Lebensmittelbereich

Styrol-Butadien-Copolymere Kaschierklebstoffe (z. B. Aluminiumfolie auf Papier)

Polyurethane Mit meist sehr guter Haftung auf vielen Substraten und hohenKohäsionsfestigkeiten. Anwendung im Bereich derSchuhindustrie und zur Folienkaschierung

Polychloropren Hohe Elastizität und Kohäsionsfestigkeit. Verwendung vor allemin der Schuhindustrie

Kautschuklatizes (z. B. Chloroprenlatex) Alternative zu lösungsmittelhaltigenKontaktklebstoffen


Tabelle 4

25

Tabelle 5

Weitere wasserbasierte KlebstoffeKlebstoffart

GlutinleimeHautleime

Fischleim

auf Basis pflanzlicherNaturprodukteStärkeleim

Methylcellulose

Caseinleim

PVAL-Klebstoffe

Herkunft des Basisrohstoffes

Rohhautabfälle und Bindegewebe

Fischhäute

Mais, Kartoffeln, Reis

Casein: Cellulose aus Holz

Eiweißbestandteil der Milch

Verseifungsprodukt desPolyvinylacetats oder andererPolyvinylester

Anwendungsgebiete

Papierkleben

gummierte Klebestreifen

Papierkleben

Tapetenkleister

Flaschenetikettierung

Kleben von Papier, Pappe, Holz;Grundstoff für feuchtigkeits-aktivierbare Gummierungen

als kohäsionsbestimmende Komponente, klebrigeHarze und Weichmacher als adhäsionsbestimmen-de Bestandteile sowie Zusatzstoffe für spezielleEigenschaften.

Als Basispolymere in Haftklebstoffen ist eine Viel-zahl von Klebgrundstoffen in Kombination mit ent-sprechenden Zusätzen (klebrig machende Harze,Weichmacher, Antioxidantien) im Einsatz (Abb. 18).Hierbei zeigt die Stereochemie keinen nennenswer-ten Einfluss auf die Festigkeiten der Klebungen. DerBegriff Haftklebstoff ist dahingehend zu verstehen,dass es bei dieser Klebstoffart – im Unterschied zuanderen Klebstoffen – zu einer sofortigen Aus-bildung von Adhäsion und Kohäsion beim Fügenkommt. Um die Benetzung zwischen Klebstoff undFügeteiloberfläche zu beschleunigen, ist einAnpressdruck von ca. 0,2 MPa erforderlich (vgl.

englisch für Haftklebstoffe „pressure sensitiveadhesives“, PSA). Bei nicht ausreichendemAnpressdruck oder zu geringen Verarbeitungs-temperaturen (Viskosität steigt an) kann es zuKlebfehlern wie Blasen oder Ablösungen kommen.Die eigentliche Adhäsion erfolgt bei Haftklebstoffenwie bei anderen Klebstoffen über zwischen-molekulare Wechselwirkungen. Bei Haftklebstoffenhandelt es sich aber auch in der fertigen Klebungnoch um eine viskose Flüssigkeit. Deshalb hat dieViskosität eine direkte Auswirkung auf dieKohäsionsfestigkeit des jeweiligen Haftklebstoffs.Man unterscheidet hier zwischen wiederablösbarenund permanent haftenden Typen. Beim Ablöseneines Haftklebstoffs (z. B. Klebeband) von einerOberfläche wird nicht die Adhäsion zwischenKlebstoff und Oberfläche zerstört, sondern eserfolgt ein Bruch in der oberflächennahen Kohä-

Abbildung 18

In Haftklebstoffen verwendete Kautschuke

Styrol-Isopren-Blockcopolymer (SIS)

Butylkautschuk (IIR, „Isobutylene-Isoprene-Rubber“)

Naturkautschuk

Styrol-Butadien-Blockcopolymer (SBS)

n

CH2 CCH3

CH3

CH2 CCH3

CH CH2 CH2 CCH3

CH3n n

CH2 CH CH CH2 CH2 CHCCH2

CH3

n m n

nmn

CH2 CH CH CH2 CH2 CHCHCH2

26

den verschiedenartigen Klebebändern für handwerk-liche und industrielle Zwecke (Abb. 19).

Plastisole

Plastisole sind 1-K-Klebstoffe, die pastös auf dieFügeteile aufgetragen werden. Die Paste wiederumbesteht aus zwei nebeneinander vorliegendenKomponenten: PVC-Partikel und Weichmacher (s.Glossar). Die festen PVC-Partikel werden in demhochviskosen Weichmacher in einem Mengen-verhältnis 1:1 bis 4:1 dispergiert. Zum Abbindenwird der aufgetragene Klebstoff erwärmt, so dassdas thermoplastische PVC aufquillt und denWeichmacher aufnehmen kann. Bei diesemVorgang handelt es sich um einen rein physikalischen Sol-Gel-Prozess (Abb. 20). Daszweiphasige System (Sol) wandelt sich durch Ein-lagerung des Weichmachers in das gequollenePolymer in ein einphasiges System (Gel) um. Erstbei einer Temperatur von 150 bis 180 ° C ist dieserProzess abgeschlossen, bei dem eine Klebschichtresultiert, die aus einem plastifizierten Polymerbesteht. Plastisole verfügen über hohe Flexibilitätund über gute Schälfestigkeit, haben allerdings den

Nachteil, empfindlich gegen Zugscherbelastungenzu sein sowie unter Belastung eine Neigung zumKriechen zu zeigen, was in ihren üblichen Anwen-dungen als Klebdichtstoff jedoch keine negativenAuswirkungen hat. Ferner sind sie als Thermo-plasten naturgemäß nur in geringem Maße tempe-raturbeständig; bei einer Ü berhitzung, wie sie z. B.beim Punktschweißen auftreten kann, bestehtaußerdem die Gefahr der Abspaltung von Salz-säure. Ein typisches Anwendungsgebiet der Plasti-sole ist der Karosserierohbau. Hier dienen Plasti-sole neben ihrer fügenden Funktion dazu, Fugengegen Feuchtigkeit abzudichten, Vibrationen zu

sionszone des Klebstoffs. So bleiben immer Rück-stände des Klebstoffs auf der Fügeteiloberfläche(z. B. Spuren von Etiketten auf Fenstern). Ist einKlebeband z. B. mit einem niederviskosen, alsoweniger zähflüssigen Haftklebstoff versehen, so ist dessen Kohäsionsfestigkeit gering, und es lässtsich wieder ablösen. Allerdings lässt sich auchkeine hohe Endfestigkeit erreichen. Charakteris-tisch ist jedoch das schnelle Erreichen einer relativhohen Anfangshaftung, da Benetzungsvorgängemit niederviskosen Systemen schnell ablaufen.

Bei höher viskosen Systemen kann man dagegenkeine schnelle Anfangshaftung erreichen, da dieseKlebstoffe wesentlich länger brauchen, um die Füge-teiloberfläche vollständig zu benetzen. Aufgrund derhohen Viskosität ergibt sich eine höhere Kohäsionmit höheren Endfestigkeiten. Aus diesem Grundewerden diese Systeme für eine permanente Haftungeingesetzt. Da raue Oberflächen besonders bei denhochviskosen Haftklebstoffen die Benetzung er-schweren und hinauszögern, sollten die zu verbin-denden Fügepartner idealerweise über eine glatteOberfläche verfügen. Da viele Haftklebstoffe (beson-ders die Kautschukklebstoffe und die Silicone) eine

sehr geringe Oberflächenspannung besitzen, bedarfes außer einer Reinigung der Fügeteiloberflächemeist keinerlei Vorbehandlungen – Verbindungen mitHaftklebstoffen sind auch auf den meisten Kunst-stoffoberflächen „selbstklebend“. Schälwiderstandund Scherfestigkeit von Haftklebstoffen sinken beiErhöhung der Temperatur, darüber hinaus zeigen sieunter Belastung eine Neigung zum Kriechen. Unterden verschiedenen Klebstoffarten finden Haftkleb-stoffe im Alltag die wohl vielseitigste Anwendung. IhrEinsatz richtet sich nach ihren chrakteristischenEigenschaften (s. Glossar, Haftklebstoffe, Tab. 7) undreicht von Wundpflastern über Etiketten bis hin zu

Aufbau von Haftklebebändern

Schutzpapier

Haftklebstoff

Trägermaterial

Haftklebstoff

Schutzpapier

Schutzpapier

Haftklebstoff

Schutzpapier

doppelseitiges Klebeband (Träger: Folie, Gewebe, Schaumstoff etc.)

Transferklebeband, trägerloses Klebeband

Abbildung 19

27

Abbindemechanismus der Plastisole

Paste aus hartem PVC-Korn in flüssigem Weichmacher (Plastisol)

Anquellung der Paste bei 40 º C

Sol-Gel-Prozess bei 160 bis 180 º C

Vorgelierung ab 100 bis 120 º C


dämpfen und die Steifigkeit der Karosserie zu erhö-hen. Darüber hinaus ermöglichen Plastisole dasKleben von nicht vorbehandelten Blechen, da siedie Fähigkeit besitzen, l aufnehmen zu können.ÖPVC-Plastisole bereiten bei der Wiederverwertungder geklebten Bauteile aus Umwelt-Gesichts-punkten Probleme (PVC-Problematik), so dassmehr und mehr Ersatzstoffe z. B. auf Basis vonEpoxidharzen verwendet werden.

2.2.2 Chemisch härtende Klebstoffe

Nachfolgend werden die unterschiedlichen Artenvon chemisch härtenden Klebstoffen (Reaktions-

klebstoffe) vorgestellt, wobei sie nach Art der zu-grunde liegenden Polyreaktionen in drei verschie-dene Klassen eingeteilt werden (Abb. 21). Damit derKlebstoff tatsächlich auch erst in der Klebfuge aus-härtet, mussten die Hersteller einen Verarbeitungs-modus entwickeln, der die chemische Reaktion zumfesten Klebstoff so lange blockiert oder unterbindet,bis der Klebstoff an seinem letztendlichen Bestim-mungsort, in der Klebfuge, angelangt ist. Die Artdieses Modus richtet sich nach dem Aushärtungs-mechanismus der unterschiedlichen Klebstoffe:Klebstoffe, die nach Mischung mit ihren Reaktions-partnern spontan, d. h. bereits bei Raumtemperatur,reagieren, werden als Zweikomponenten-Klebstoffe


Art der Härtung

Polymerisation

Polykondensation

Polyaddition

Bezeichnung

Cyanacrylate

Methylmethacrylate

Anaerob härtendeKlebstoffe

StrahlenhärtbareKlebstoffe

Phenolformaldehydharze

Silicone

Polyimide

Epoxidharzklebstoffe

Polyurethane

Basisrohstoffe

Cyanacrylsäureester

Methacrylsäuremethylester

Diacrylsäureester von Diolen

Epoxyacrylate, Polyesteracrylate

Phenole, Formaldehyd

Polyorganosiloxane

Aromatische Tetracarbonsäurean-hydride und aromatische Diamine

Oligomere Diepoxide und Polyamine oderPolyamidoamine

di- und ggfs. trifunktionelleIsocyanate, Polyole

Anwendungsgebiete

Kleben von Kleinteilen; Kleben von Gläsern allerArt, Gewebeklebstoff, Sprühverbände

Kunststoffkleben in Automobil- undSchienenfahrzeugbau

Motoren, Elektromotoren, Schrauben-sicherungen, Welle-Nabe-Verbindungen

Kleben von Glas und transparenten Kunststoffen,Dentaltechnik

Holzwerkstoffe, Kleben von Brems- undKupplungsbelägen, strukturelle Aluminium-klebungen im Flugzeugbau

Dichtungen; Automobilbau, Elektrotechnik; Spezialanwendungen in Luft- und Raumfahrt

Metallklebungen im Luft- und Raumfahrtbereich

Strukturklebstoff im Fahrzeug- und Flugzeugbau,Karosseriebau, Elektronik, Verkleben von FVK,Reparaturklebungen

Karosseriebau; Verbinden von Materialien mitstark unterschiedlichen Last- und Temperatur-dehnungsverhalten, Glasscheibenkleben inFahrzeugen

Chemisch härtende Klebstoffe

28

Verschiedene Ester der �-Cyanacrylsäure

�-Cyanacrylsäureester: Ladungsverteilung

CCCOR

OH2C

N Cyan-Gruppe

Ester-Gruppe

δ

δ

δ

+

_

_Abbildung 22Folie 13

Cyanacrylsäuremethoxyethylester

Cyanacrylsäureethylester Cyanacrylsäureallylester

H2C C C O CH2 CH3

O

CN

H2C C C O CH2 CH CH2

O

CN

H2C C C O CH2 CH2 O CH3

O

CN

(2-K) vertrieben, sie befinden sich als Grundstoff„Harz“ und „Härter“ in getrennten Behältern, siesind also mechanisch blockiert. Erst kurz vor demAuftrag werden sie zum eigentlichen Klebstoffgemischt.

Einkomponenten-Klebstoffe (1-K) wiederum liegenin ihrer endgültigen Mischung schon fertig vor, sie sind allerdings chemisch blockiert:Solange sie nicht die besonderen Bedingungenvorfinden, bei denen der Härter aktiviert wird,kleben sie nicht. Sie brauchen entweder hohe Tem-peraturen oder Substanzen oder Medien (Licht,Luftfeuchtigkeit) aus der Umgebung, die den Ver-festigungsmechanismus initiieren. Die Behältnisse,in denen sie transportiert und aufbewahrt werden,sind bei dieser Klebstoffklasse mit Bedacht undnach ihrer reaktionsblockierenden Fähigkeit zuwählen.

Polymerisationsklebstoffe

Cyanacrylate (Sekundenklebstoffe)

Cyanacrylate werden umgangssprachlich als„Sekundenklebstoffe“ bezeichnet. Tatsächlich ver-deutlicht diese Bezeichnung sehr anschaulich dasvorherrschende Merkmal dieser Klebstoffklasse.Innerhalb von Sekunden erreicht man mit diesemKlebstoff handfeste Klebungen, deren Endfestigkeitallerdings erst nach einigen Stunden erreicht wird.Chemisch gesehen sind Sekundenklebstoffe 1-K-Reaktionsklebstoffe auf Basis von Cyanacryl-säureestern. Die besondere Struktur von Cyan-acrylsäureestern erklärt auch die hohe Geschwin-digkeit, mit der die Aushärtungsreaktion einsetzt(Abb. 22). Die Cyan- und Ester-Gruppen üben einestark elektronenanziehende Wirkung aus, die denAngriff nucleophiler Agenzien, beispielsweise

Amine, begünstigt und das entstehende Carbanionstabilisiert. Aus der Wasserdissoziation stammendeHydroxid-Ionen oder Amine, die in entsprechendenPrimern enthalten sind, können so angreifen undeine anionische Polymerisation in Gang setzen(Abb. 23). So kann die Aushärtung bei dieserKlebstoffart entweder durch eine Luftfeuchtigkeitzwischen 50 und 70 %, durch vorhandene Feuch-tigkeit auf den Fügeteiloberflächen oder Kontaktmit basischen Untergründen ausgelöst werden.Sind allerdings saure Beimischungen oder sauerreagierende Untergründe vorhanden, ist die not-wendige Konzentration nucleophiler Hydroxid-Ionenso weit reduziert, dass die Härtung von Sekunden-klebstoffen verlangsamt wird. Starke Säuren führenzur Protonierung des Carbanions und zum soforti-gen Abbruch der Kettenreaktion. Zwar können auchschwache Säuren einen Kettenabbruch herbeifüh-ren, ihre nucleophilen, konjugierten Basen allerdingskönnen neue Polymerisationen initiieren. In einemneutralen oder basischen Umfeld läuft die Reaktionso lange, bis alle Monomere verbraucht sind. DasVerhalten von Cyanacrylaten gegenüber Wasser istjedoch ambivalent: Sie benötigen zwar Wasser zurAushärtung, eine zu hohe Feuchtigkeit kann aberzur Auflösung der Klebung führen. Als Reaktions-mechanismus hierfür wird die ebenfalls basischkatalysierte Hydrolyse des Cyanacrylatpolymerspostuliert (Abb. 24). Formaldehyd kann in der Tat alsReaktionsprodukt der Hydrolyse nachgewiesenwerden. Im Einklang mit dem postulierten Mecha-nismus ist auch der Anstieg der Reaktionsge-schwindigkeit um zwei Größenordnungen beiErhöhung des pH-Wertes von 7 auf 8, aus dem sichfolgern lässt, dass die Reaktion durch dasHydroxid-Ion gestartet wird. Zu den typischen Ver-bundeigenschaften der Sekundenklebstoffe zähltneben ihrer relativ hohen Festigkeit, dass sie sprödeund wenig flexibel sind sowie als Thermoplast nur

29

über eine begrenzte Wärmebeständigkeit verfügen.Darüber hinaus sind ungehärtete Sekundenkleb-stoffe meist sehr dünnflüssig, so dass nur einegeringe Spaltüberbrückung (s. Glossar) von ca. 0,1 mm mit dieser Klebstoffklasse erreicht werdenkann. Bei breiteren Spalten entsteht ein weiteresProblem, das mit dem Aushärtemechanismus der Cyanacrylate zusammenhängt. Die benötigteFeuchtigkeit gelangt bei größeren Klebschicht-dicken nicht weit genug in die Klebfuge hinein, diePolymerisation bricht ab, der Klebstoff kann nichtvollständig aushärten. Die Einsatzgebiete vonSekundenklebstoffen sind sehr vielfältig. Sie eignensich zum Kleben vieler Werkstoffkombinationen

und werden in der Regel zum Kleben von Klein-teilen eingesetzt. Beliebt sind Sekundenklebstoffebeim Einkleben von Gläsern aller Art. Bei stark alkalischen Gläsern besteht allerdings die Gefahrder Schockhärtung. Spannungen in der Kleb-schicht können zu einem Festigkeitsverlust derKlebung führen. Zum gleichen Effekt kann es beimVorhandensein hoher Luftfeuchtigkeiten (> 80 %)kommen. Neben vielen Anwendungen im Bereichder Optik, Mikroelektronik und Fahrzeugtechnikwird zukünftig ein expandierendes und äußerstvielfältiges Einsatzgebiet für spezielle Sekunden-klebstoffe in der Medizintechnik, z. B. als Gewebe-klebstoff oder für Sprühverbände, liegen.


+ +CH2 CCOOR

CNCH2 C

COOR

CNCH2 OH CH2 C

COOR

CNCH2 C

COOR

CNCH2HO

CH2 CCOOR

CN+ H2O CH2 C

COOR

CNH + OH

OH CH2 CCOOR

CNCH2HO+ H2O C

O

H H+ + C

COOR

CNCH2

Hydrolyse des Cyanacrylats

Abbildung 24

1. Startreaktion

2. Polymerisation

Aushärtung durch anionische Polymerisation

OH + CH

HCCOOR

CNCHOH

HCCOOR

CN

n

C CCN

COORH

HHO

H

HCC C

CN

COORH

HCCOOR

CN

C CCN

COORH

H

δ +δ −++C C

CN

COORH

HHO δ −δ +

C CCN

COORH

Hn

δ +δ −

α-Cyanacrylsäureester-Polymer

30

Methylmethacrylate (MMA)

Bei Methylmethacrylaten handelt es sich umReaktionsklebstoffe auf der Basis von Methyl-methacrylat (Methacrylsäuremethylester), dem Här-ter, Dibenzoylperoxid als typischem Radikalbildnerund N,N–Dimethyl-p-toluidin als typischem Be-schleuniger beigegeben sind. Die Aushärtung desreaktiven Systems aus MMA-Monomeren, Radikal-bildner (3 bis 5 %) und Beschleuniger läuft nachdem Mechanismus der Radikalkettenpolymeri-sation ab (Abb. 25). Bei einem Härteranteil von über5 % verringert sich die Festigkeit des Klebstoffs

geringfügig. Eine Absenkung der Härtermengeunter 3 % verlängert die Aushärtzeit erheblich,bringt aber eine nur geringfügige Erhöhung derFestigkeit mit sich. Mit MMA-Klebstoffen sind Zug-scherfestigkeiten vor Alterung bis über 30 MPaerzielbar, in manchen Fällen können schon nach 5Minuten Funktionsfestigkeiten von 5 MPa erreichtwerden. Die Endfestigkeit stellt sich bei Raum-temperatur nach ca. 12 bis 24 Stunden ein. EineErhöhung der Temperatur bei der Aushärtungbeschleunigt zwar den Prozess, allerdings müssendann auch Einbußen bei der Endfestigkeit hinge-nommen werden. MMA-Klebstoffe härten zuThermoplasten aus, die jedoch einer Tempe-raturbelastung zwischen ca. –50 C bis ca. 100 C,°°kurzzeitig sogar bis 180 ° C standhalten können. Siezeigen gute Haftungseigenschaften auf vielenKunststoffoberflächen und sind relativ unempfind-lich gegenüber etwas fetthaltigen Oberflächen. Mitdieser Klebstoffart können je nach Viskosität desKlebstoffs auch größere Spaltbreiten überbrücktwerden, wobei die Elastizität und die Flexibilität desausgehärteten Klebstoffs in einem gewissen Rah-men einstellbar sind. Interessant sind bei MMA-Klebstoffen die unterschiedlichen Verarbeitungs-

verfahren. Neben den bei 2-K-Klebstoffen üblichenVerfahren (Klebstoffauftrag mit Hilfe von Doppelkar-tuschen, Verarbeitung mit direktem Härterzusatz)können bei MMA-Klebstoffen die unterschiedlichenKomponenten getrennt auf jeweils ein Fügeteil auf-gebracht werden. Die eigentliche Aushärtereaktionfindet erst nach dem Fügen in der Klebfuge statt.So vermeidet man schwierig einstellbare Mi-schungsverhältnisse (etwa Harz : Härter 100 : 3) undumgeht eine lästige kurze Topfzeit (s. Glossar), dieim Ablauf der industriellen Fertigung genauestens

eingehalten werden muss und so zu Problemenführen kann. MMA-Klebstoffe werden zum Klebenvon Kunststoffen untereinander und zum Klebenvon Metallen mit Kunststoffen verwendet. Klas-sische Anwendungsgebiete für diese Klebstoffartfinden sich in der Automobilindustrie und imSchienenfahrzeugbau.

Anaerob härtende Klebstoffe

Dieser 1-K-Klebstoff auf Basis von Dimethacryl-säureestern härtet anaerob aus, d. h. unter Aus-schluss von Sauerstoff. Sauerstofffreie Verhältnisseliegen nach der Verarbeitung im Fügespalt vor,wenn die Geometrie der Fügeteile zu Sauerstoffab-schluss führt. Um dann die Aushärtungsreaktion inGang zu setzen, ist ein Metallkontakt (Kupfer oderEisen) und bei kupfer- und eisenfreien Fügeteilenein Beschleuniger notwendig. Um nicht vorzeitigauszuhärten, muss der Klebstoff bis zum Gebrauchin seinem Behälter Kontakt mit Sauerstoff haben.Hierzu bedient man sich luftdurchlässiger Kunst-stoffflaschen, die nur halb gefüllt und vor derFüllung mit Sauerstoff durchspült werden.

1. Radikalbildung

2. Polymerisation

Aushärtung durch radikalische Polymerisation des MMA


H 3C NCH3

CH3

+

CO2+

Dibenzoylperoxid

N,N-Dimethyl-p-toluidin (Beschleuniger)

C

O

O O C

O

C

O

O

C

O

O C

O

O

+ CH2 CCO CH3

O

CH3

Methylmethacrylat

n

n -1

CH2 C

CH3

C O

O CH3CH3O

OC

CH3

CCH2

31

Ein häufig eingesetzter Grundstoff für anaerobeKlebstoffe ist Tetraethylenglykoldimethacrylat, kurz:TEGMA. Die Kohäsionsbildung bei anaerob härten-den Klebstoffen läuft nach dem Mechanismus einerradikalischen Polymerisation ab (Abb. 26). DieseReaktion wird durch Sauerstoff inhibiert, indemTEGMA-Radikale durch Sauerstoff abgefangenwerden und so reaktionsträge TEGMA-Peroxid-Radikale gebildet werden. In diesem Zustand liegtder Klebstoff im Gebinde des Herstellers vor. Wirder dann verarbeitet und so eine Zufuhr von Sauer-stoff unterbunden, treten die Härterkomponenten inAktion, ein komplexes System aus Radikalbildner(z. B. Cumolhydroperoxid), Beschleuniger (z. B.

N,N–Dimethyl-p-toluidin) und Saccharin, das alsMetallkomplexbildner und Reduktionsmittel fürMetallionen dient. In einer Reaktion zwischenSaccharin und N,N-Dimethyl-p-toluidin (Abb. 27)wird der restliche im Klebstoff und in der Klebfugevorhandene Sauerstoff verbraucht. Dabei entstehtein Aminal. Dieses wiederum löst Metallionen vonder Fügeteiloberfläche, reduziert diese zu einerniedrigeren Oxidationsstufe, die ihrerseits denZerfall des Radikalbildners in aktive Radikalekatalysiert. Diese Reaktion ist eine Teilreaktion desgesamten Härtungsmechanismus anaerober Kleb-stoffe (Abb. 27), dessen Schlüsselreagenz dasAminal darstellt. Die aktivierten Radikale starten die


C

CH3

CH3

OOHPolymerMonomer

C

CH3

CH3

OCu(I)Cu(II)

SN

OO

O

H

(x)

H3C N

CH3

CH2H3C N

CH3

CH2

O

O OS

N

O2 H2OH3C NCH3

CH3

+

(x)S

NH

OO

O

Härtungssystem anaerob härtender Klebstoffe


Radikalische Polymerisation von TEGMA

Abfangen durch O2 und Bildung reaktionsträger TEGMA-Peroxid-Radikale

sehr langsamTEGMATEGMATEGMA+TEGMA

(TEGMA-Peroxid- Radikal)

TEGMAO2TEGMA + O O

O O O O

4R O

R O O

+

CH2 C C O CH2 CH2 OH3C CH3

CH2CCORO O

R O OHier Anlagerung weiterer Monomer-Moleküle

4

H3C OOC C CH2

CH3

OCH2CH2OCCH2C

Tetraethylenglykoldimethacrylat (TEGMA)

32

Voraussetzung für ihren Einsatz: Mindestens einsder beteiligten Fügeteile muss lichtdurchlässig sein.Es gibt strahlenhärtbare Reaktionsklebstoffe aufder Basis von Polyurethanen, Polyestern, Poly-ethern, Siliconen u. a. Klebstoffe dieses Typs härtendurch eine radikalische Polymerisation über dieAcrylatendgruppen aus. Das Kettenwachstum wirddurch eine UV/VIS-induzierte photochemischePrimärreaktion über Photoinitiatoren gestartet.Beim Aushärtungsprozess dieser Klebstoffklasseist nicht nur die erforderliche Wellenlänge desLichtes zu beachten. Ein entscheidender Wert zurErreichung einer optimalen Kohäsion ist dieStrahlungsdosis, die zur hinreichenden Vernetzungdes Klebstoffs notwendig ist.

Ausgehärtete strahlenhärtbare Klebstoffe sindmeistens Thermoplaste, gelegentlich aber auchDuromere. Der Grad der Vernetzung ist durch dieeingesetzten Rohstoffe im Klebstoff einstellbar. DieRohstoffauswahl bestimmt ebenfalls die Elastizitätund die Verformbarkeit des ausgehärteten Kleb-stoffs. Mit strahlenhärtbaren Klebstoffen lassensich Anfangszugscherfestigkeiten bis ca. 25 MPaerreichen, sie sind ausgelegt für eine Dauer-einsatztemperatur von –30 ° C bis max. 120° C,

kurzzeitig halten sie Temperaturen bis 180 ° C stand.Strahlenhärtbare Klebstoffe werden vor allem zum Kleben von Glas (Optik, Glasdesign) benutzt(Abb. 29). Aber auch beim Fügen transparenterKunststoffe sowie als flüssige Dichtung von Metall-/Kunststoffgehäusen werden diese Klebstoffeverwendet. Außerdem werden strahlenhärtbareKunststoffe vermehrt in der Dentaltechnik ein-gesetzt (s. Seite 61).

Polymerkettenreaktion. Da die Reaktion als Kreis-prozess abläuft, garantiert die stetige Regenerationdes Aminals über die o. g. Reaktionsschritte einehohe Zahl an aktiven Radikalen, wie sie für eineeffektive Aushärtung des Klebstoffs in der Klebfugenotwendig ist. Anaerob ausgehärtete Klebstoffesind Duromere und können demgemäß hohe undtemperaturbeständige Festigkeiten erreichen. Diemit besonders hochfesten anaerob härtendenKlebstoffen verbundenen Fügepartner lassen sicherst bei Temperaturen von 300 bis 400 ° C wiederauseinander bringen. Allerdings sind diese Kleb-verbindungen sehr spröde, so dass sie nicht fürflexible Fügeteile geeignet sind. Eine Aushärtungerfolgt ausschließlich im gefügten Bereich. Es wirdnur eine relativ geringe Spaltbreitenüberbrückung(maximaler Klebspalt: ca. 0,1 mm) erzielt. Anaerobhärtenden Klebstoffen kommen neben ihrer fügen-den Aufgabe oft gleichzeitig Dichtfunktionen zu, dasie sehr beständig gegen le, Lösungsmittel undÖFeuchtigkeit sind. Aufgrund all dieser Eigen-schaften wird diese Klebstoffart beim Einbau vonMotoren im Fahrzeugbau eingesetzt. Weiteretypische Anwendungsgebiete sind Schraubensiche-rungen und Kleben von rotationssymmetrischenFügeteilen z. B. in Elektromotoren (Abb. 28).

Strahlenhärtbare Klebstoffe

Bei diesen Klebstoffen handelt es sich um 1-K-Systeme, bei denen die Härtung durch Licht ausge-löst wird. Strahlenhärtbare Klebstoffe benötigenkeine hohen Temperaturen, kein Lösungsmittel undkeine besonders aufwendigen Apparaturen, umauszuhärten – bestimmte definierte Lichtwellengenügen. Die Härtungszeiten können im Bereichvon 1 Sekunde bis zu einigen Minuten liegen.

Schrauben sichern.Die Schrauben eines Motorgehäuses werdengegen selbsttätiges Lösen gesichert. Bei ber-Üschreiten eines bestimmten Losbrechmomenteskann die Schraube wieder gelöst werden.

Schrauben sichern mit anaeroben Klebstoffen

Abbildung 28

33

Glasdesign und Glasbau

Abbildung 29

Polykondensationsklebstoffe

Phenolformaldehydharze

Phenolformaldehyd-Klebstoffe (kurz meist Phenol-harze genannt) härten je nach Zusammensetzungbei Temperaturen im Bereich zwischen 100 und140 ° C aus. Die Basis dieses Reaktionsklebstoffsbildet ein unter alkalischen Bedingungen entste-hendes Additionsprodukt von Formaldehyd mitPhenol: das so genannte Resol (Abb. 30). In dem zuapplizierenden Klebstoff ist diese Reaktion schonabgelaufen.

Dieses Resol wird in der Klebfuge unter Abspaltungvon Wasser zum Duromer ausgehärtet (Konden-sationsreaktion) (Abb. 31). Da der HärtungsprozessTemperaturen auf jeden Fall über 100 ° C fordert, liegtdas abgespaltene Wasser gasförmig vor. Um nun einAufschäumen des Systems zu verhindern, werdenPhenolharzklebstoffe unter Anpressdruck von bis zu0,8 MPa ausgehärtet.


Vorkondensation von Phenol mit Formaldehyd

HOH

+ C OH

H COH

H

OH H

Phenol Formaldehyd o-Methylolphenol(2-Hydroxybenzylalkohol)

_+

H2O COHHO H H

OHH

OHC

H

H

OH

Phenolformaldehyd-Kondensat

34

OHCH2 OH

H

+H H

H

OH OHCH2HO CH2

OH

+

CH2 OH

CH2OHOH

CH2 OH

OHCH2 OH

+ +

CH2 CH2 CH2

CH2 CH2

CH2 OHCH2

OH OH OH

OHOH

OH

OH

- n H2O

Aushärtebedingungen:

100 - 140 ° CDruck zur Vermeidung vonWasserdampfblasen in derKlebschicht

Aushärtereaktion des Phenolformaldehydharzes


Phenolharze in reiner Form sind sehr spröde undempfindlich gegen Schälbelastungen (s. Glossar),weswegen sie in den allermeisten Fällen mit elastizi-tätserhöhenden Zusätzen, z. B. Kunstkautschuk, ver-sehen werden. Allgemein zeichnen sich modifiziertePhenolharzklebstoffe durch eine hohe Stabilität derKlebung und gute mechanische Eigenschaften aus.Auf oxidativ gebeizten Aluminiumoberflächen zeigenPhenolharze eine sehr gute Adhäsion und Langzeit-beständigkeit. Darüber hinaus weisen sie eine guteTemperaturbeständigkeit von bis ca. 250 ° C auf.Neben Phenol als Ausgangsmonomer für die Form-aldehydkondensation werden auch Phenolderivatewie z. B. Resorcin (m-Dihydroxybenzol) eingesetzt.

Resorcin-Formaldehydharze verfügen über einenhöheren Vernetzungsgrad als andere Phenolharz-klebstoffe und zeichnen sich aufgrund dessen durcheine größere Beständigkeit gegenüber Wasser undWitterungseinflüssen aus und werden vorwiegend fürHolzkonstruktionen verwendet, die wasser- undwitterungsbeständig sein müssen (Bootsleim).

Allgemein werden Phenolharze bevorzugt dort einge-setzt, wo es zu hohen Temperaturbelastungen in derKlebschicht kommt. Klassisches Beispiel ist dasKleben von Brems- und Kupplungsbelägen (Abb. 32).Typische Anwendungsgebiete dieser Klebstoffartfindet man außerdem im Flugzeugbau (s. Kapitel 3.4),

Bremsbeläge

Abbildung 32

35

bei strukturellen Aluminiumklebungen sowie in derMöbelindustrie, die mengenmäßig den größtenVerbrauch an Phenolharzen bei strukturellen Holz-klebungen zu verzeichnen hat.

Silicone

Innerhalb der „organischen“ Klebstoffe nehmen dieSilicone eine Sonderstellung ein, da ihr Molekülge-rüst aus Silicium- und Sauerstoff-Atomen besteht.Diese Tatsache beschert den Siliconen besondereEigenschaften. Wie kein anderer organischer Kleb-stoff bleiben Silicone auch bei tiefen Temperaturen(–70 bis –90 ° C ) hoch elastisch und veränderndabei auch ihre sonstigen Eigenschaften nichtwesentlich. Der Grund für diese hohe Elastizität istdie hohe Kettenbeweglichkeit der Siliconpolymere.Die stark unterschiedlichen Bindungswinkel von Si-O-Si (143 )- und O-Si-O (110 ° )-Bindungen ver- °hindern eine lineare Kettenstruktur und erschwerendie Ausbildung von van-der-Waals-Kräften zwi-schen den Ketten (Abb. 33). Dadurch lassen sich

die einzelnen Polymerketten gut gegeneinanderverschieben – der Klebstoff ist elastisch.

Silicone zeichnen sich auch durch eine hohe Tem-peraturbeständigkeit aus (–100 bis 200 ° C Dauerge-brauchstemperatur, kurzfristig bis 300 ° C). Ursachehierfür sind die höheren Bindungsenergien vonSilicium-Sauerstoff-Bindungen (etwa 370 kJ/mol)im Vergleich zu Kohlenstoffbindungen (etwa 350kJ/mol). Ein weiterer Vorteil der Silicium-Sauerstoff-Ketten gegenüber reinen Kohlenstoffbindungenzeigt sich in ihrer UV-Beständigkeit. Unter UV-Ein-fluss entsteht aus Luftsauerstoff partiell aktiverSauerstoff (Radikal, O3), der die Kohlenstoffketterein organischer Klebstoffe an Fehlstellen angreift,

den Kohlenstoff oxidiert und so die Kette zerstört.Dieser Angriff ist bei Silicium-Sauerstoff-Kettennicht möglich, da das Silicium bereits oxidiert vor-liegt. Auch andere chemisch aggressive Substan-zen können dieser Klebstoffart kaum schaden.Außerdem zeigen Silicone eine hervorragendeFeuchtigkeits- und Witterungsbeständigkeit. Kle-bungen mit Siliconen sind allerdings mechanischnur wenig belastbar (Anfangszugscherfestigkeitenmeist unter 1 MPa), so dass sie hauptsächlich alsDichtmittel Verwendung finden. Wegen ihrer gerin-gen Oberflächenspannung lassen sie sich in derRegel weder lackieren noch beschichten. Außer-dem sind Silicone anfällig gegen Schimmelbefall.Für Metallklebungen werden sie dann eingesetzt,wenn die niedrigen Festigkeiten zu Gunsten höhe-rer Flexibilität und Beständigkeit bei tiefen Tem-peraturen in Kauf genommen werden können.

Silicone werden als 1-K- und 2-K-Systeme angebo-ten. Beide Systeme härten durch Polykondensationaus, 1-K-Systeme mit Feuchtigkeit, 2-K-Systeme

durch Reaktion von Hydropolysiloxanen mit einemKieselsäureester. Die Basis dieses Reaktions-klebstoffs bilden Polyorganosiloxane. Die freige-setzten Kondensate werden durch die Art des ein-gesetzten Härters bestimmt. Bei sauren Härtern(Vernetzer) werden Säuren abgespalten, bei basi-schen Vernetzern Amine, bei neutralen HärternOxime oder Alkohol.

1-K-Siliconklebstoffe benötigen zum Aushärten jenach Spezifikation 5 bis 95 % relative Feuchtigkeit,um den chemischen Prozess der Vernetzung einzu-leiten und zu beschleunigen. Bei dem gebrauchs-fertigen Reaktionsklebstoff sind die endständigenHydroxyl-Gruppen der Polydimethylsiloxane durch

Abbildung 33

Si

O O

C

Si Si110˚

143˚

CC

C C109˚

Hohe Kettenbeweglichkeit der Silicone durch stark unterschiedliche Bindungswinkel

36

R SiX

XHOH

R SiX

X

HOH

- n HX

R SiOSiRX

X

O Si RX

X

O Si RX

X

O Si RX

RX

O SiO

= O SiR

R n

R = organischer Rest

Hydrolyse und Polykondensation vernetzender Siloxane

n

R SiX

XX

Vernetzer

+ Si O Si O Si OOR

R

R

R

R

RH H X Si

X

XR+

Siloxan Vernetzer

Si O Si O Si OOSi SiR RX

X

X

X

R

R

R

R

R

R

_ 2 HX

n

blockiertes Siloxan

Blockierung von Siloxanen mit Vernetzern



Vernetzer blockiert (Abb. 34). Zur Vernetzung des Klebstoffs sind neben der Luftfeuchtigkeit Temperaturen im Bereich zwischen 5 und 40 ° C not-wendig, wobei sich die Siloxane durch Hydrolyseund anschließende Polykondensationsreaktionenvernetzen (Abb. 35). Die vollständige Vernetzungund Durchhärtung hängt von der Schichtdicke abund kann mehrere Tage dauern, wobei sich dieAushärtung durch eine einsetzende Hautbildungzeigt. Bei einer Schichtdicke von wenigenMillimetern ist die Klebschicht in der Regel in 24Stunden durchgehärtet. Die Anwendungsgebietevon 1-K-Siliconen unterscheiden sich nach den in

ihnen eingesetzten Härtern. Sauer vernetzendeSysteme werden vor allem für feuchtigkeitsbestän-dige Klebungen von Glas und Keramik verwendet,z. B. bei Fugenabdichtungen im Sanitärbereich. Vorder Klebung von Metallen ist bei dieser Variante derSilicone die mögliche Gefahr einer Säurekorrosion,bei Kunststoffklebungen die Möglichkeit der Span-nungsrissbildung durch die entstehende Essigsäurezu prüfen. Für Klebungen und Dichtungen aufBeton, Putz, Mauerwerk und Metallen eignen sichvor allem alkalisch vernetzende Systeme, wobeiallerdings eine Vergilbung durch die abgespaltenenAmine möglich ist. Dieses Problem tritt bei neutral

= O SiR

R n

R = organischer Rest;X = Abgangsgruppe

z.B. -NR2 , -OCOCH3, -OR

R = organischer Rest

37

vernetzenden Systemen nicht auf, die sich auch gutbei Klebungen mit Glas, Beton, Putz und Kunst- undNatursteinen verwenden lassen. Unter Alkohol-abspaltung vernetzende Systeme sind besondersfür Metall-Kunststoffklebungen geeignet, wenn manSpannungsrisse vermeiden möchte. Allgemeinreicht das Anwendungsspektrum von 1-K-Silicon-klebstoffen vom Einsatz beim Fügen von Bügeleisenüber den Automobilbau und die Elektrotechnik bishin zu Spezialanwendungen in der Luft- undRaumfahrttechnik.

2-K-Siliconklebstoffe werden dagegen in derMassenproduktion z. B. in der Elektronik und derElektroindustrie sowie in der Produktion von Haus-geräten und in der Automobilindustrie eingesetzt,wenn Klebschichtdicken von über 6 mm oder größere Klebflächen benötigt werden. DieseVariante des Siliconklebstoffs findet überall dort Ver-wendung, wo die vorhandene Luftfeuchtigkeit nichtausreicht, um den Härtungsprozess vollständigablaufen zu lassen. Die Basis dieser Silicon-klebstoffvariante bilden Hydroxypolysiloxane, diemittels eines Kieselsäureesters und z. B. eines Zinn-Katalysators vernetzt werden (Abb. 36). Die Dauer

der Aushärtungsreaktion kann bis zu 24 Stunden inAnspruch nehmen, wobei dies vom pH-Wert, derKatalysatorkonzentration und den eingesetztenGrundstoffen abhängig ist. Während 1-K-Systememit gängigen Pumpen direkt aus dem Gebinde heraus verarbeitbar sind, müssen 2-K-Siliconezusammengegeben und gemischt werden. Bei diesem Vorgang muss mit großer Sorgfalt vorgegan-gen werden. Erstens darf keine Luft, die denHärtungsprozess behindern kann, in die Mischung„eingerührt“ und zweitens nicht zu schnell gerührtwerden, damit dem System nicht zu viel Wärme

zugeführt wird und der Klebstoff dadurch frühzeitigaushärtet (s. Glossar, Topfzeit).

Polyimide

Bei Polyimiden liegt eine Besonderheit vor. Obwohlsie eine linear unvernetzte Polymerstruktur besitzenund danach zu den Thermoplasten zu zählen sind,bilden sie einen schwer schmelzbaren und fastunlöslichen Stoff. Der Grund hierfür ist in der aro-matischen und heterozyklischen Ringstruktur derPolymerbausteine zu suchen. Dieser komplexeKettenaufbau schränkt die Beweglichkeit der Polymerketten selbst bei hohen Temperaturen starkein. Die Anziehungskräfte zwischen den einzelnenPolymerketten können nur schwer aufgebrochenwerden, und der Schmelzbereich verschiebt sichentscheidend nach oben. Tabelle 6 soll den Einflussder Molekülstruktur von Polymeren auf derenSchmelzbereich verdeutlichen.

Die Herstellung technischer Polyimide erfolgt durchUmsetzung der Anhydride 4-basischer Säuren, wiez. B. Pyromellithsäureanhydrid mit aromatischenDiaminen, wie z. B. Diaminodiphenyloxid (s. Abb.

37). Als Zwischenprodukt entsteht durch Additiondes aromatischen Amins an das Carbonsäurean-hydrid unter Aufspaltung des Anhydridringes einePolyamidocarbonsäure, die in polaren Lösungs-mitteln löslich bzw. in Wasser dispergierbar ist. Indieser Form wird der Klebstoff appliziert und nachdem Fügen bei Temperaturen zwischen 230 und350 C und einem Anpressdruck zwischen 0,8 und°1 MPa in einem Autoklaven ausgehärtet. SpeziellePolyimide werden noch bis zu 16 Stunden bei400 ° C nachgehärtet.

Abbildung 36

+

Kieselsäureester Hydroxypolysiloxan

Si ORn ROOR

ORSi OR

Rm O

Kat.

_ m ROH

Polysiloxan

H

Si RRO

Si OO SiSiO OR

R O

O R

R

RR SiO

R = organischer Rest RTV = Raum-Temperatur-Vernetzend

Kondensationsvernetzung von 2-K-RTV-Siliconen

38

C

CO

C

C

O

O

O

O

O

H2N O NH2n + (n + 1)

C

C

C

C

OO

OO

OO

NHOH2N NH O NH2

n

H H

n

_ n H2O

C

C

C

C

OO

O O

ONO NH2N NH2

Herstellung und Aushärtung der Polyimide


Tabelle 6

Molekülstruktur

lineares Kettenmolekül

Kettenmolekül mit kurzenSeitenketten

lineares Kettenmolekül mitHeteroatomen

lineares Kettenmolekül mitaromatischen Ringstrukturen

lineare aromatische Ringstruktur

lineare aromatische und hetero-cyclische Ringstruktur

Beispiel

Polyethylen

Polypropylen

Polyamid-6,6

Polyethylenterephthalat

Polysulfon

Polyimid

Schmelzbereich in °C

110 bis 130

160 bis 165

220 bis 240

250 bis 260

260 bis 320

380 bis 400

Einfluss der Molekülstruktur auf den Schmelzbereich

1-K-Polyimide gehören zu der Klasse der hochtem-peraturbeständigen Reaktionsklebstoffe. Sie halteneiner Dauereinsatztemperatur bis ca. 320 ° C stand,kurzzeitig kann die Temperatur sogar bis 500 ° Cansteigen. Polyimide werden daher vorzugsweisefür hochwertige und wärmebeständige Metallkle-bungen im Luft- und Raumfahrtbereich eingesetzt.Klebungen mit Polyimiden weisen eine hohe Kleb-festigkeit bei geringer Flexibilität auf, sind allerdingsfeuchtigkeitsempfindlich.

Polyadditionsklebstoffe

Epoxidharze

Die sehr verbreiteten Epoxidharze werden in unterschiedlichen Systemen angeboten: als heiß-härtende 1-K, kalthärtende 2-K und als reaktive Schmelzklebstoffe. Hier werden die kalthärtenden 2-K-Epoxidharzsysteme vorgestellt. Die beiden Komponenten sind zum einen das Harz (Prepoly-mer auf der Basis von Bisphenol A) sowie

39

zum anderen der Härter (Polyamine oder Poly-amidoamine). Diese Systeme härten über einigeStunden bis hin zu einigen Tagen bei Raum-temperatur aus (Abb. 38). Allerdings kann auch hierdie Aushärtzeit durch eine Erwärmung verkürzt wer-den, was übrigens auch zu einer Steigerung von Festigkeit und Beständigkeit der Klebung führt. Die Aushärtung setzt sofort nach demZusammengeben und dem Vermischen der

Komponenten ein, wobei 2-K-Systeme jedochrelativ empfindlich gegenüber Mischungsfehlernsind. Ein wichtiger Begriff in der Klasse der 2-K-Reaktionsklebstoffe ist die so genannte„Topfzeit“ oder Gebrauchsdauer: Diese beschreibtdie Zeitspanne, während der der Klebstoff nachdem Zusammengeben noch verarbeitet werdenkann. Sie hängt von der Geschwindigkeit ab, mitder die chemische Aushärtungsreaktion abläuft.

Die Topfzeit ist abgelaufen, wenn der Klebstoff zuzähflüssig geworden ist, um die Fügeteiloberflächegut zu benetzen. Nach Ablauf der Topfzeit kann derKlebstoff nicht mehr verwendet werden, da sichAdhäsionskräfte nicht mehr optimal ausbilden kön-nen. Je höher die Temperatur, desto schneller laufendie Aushärtungsreaktionen ab, desto kürzer wirdalso die Topfzeit. Als Faustregel gilt hierbei, dasseine Temperaturveränderung von ± 10 ° C die an-gegebene Aushärtezeit halbiert bzw. verdoppelt(Grundlage: Arrhenius-Gleichung). Bei jeder Aus-härtungsreaktion handelt es sich um einen exo-thermen Prozess. Bei großen Ansatzmengen kanndie entstehende Wärme nicht so schnell wie beikleineren Ansätzen an die Umgebung abgegebenwerden. Der Ansatz kann sich sehr stark erhitzen,und die Topfzeit verringert sich. Die Topfzeit istsomit abhängig von

1. der dem Klebstoff eigenen Aushärtungsgeschwindigkeit,

2. der Umgebungstemperatur,

3. der Ansatzmenge.

Den Reaktionsverlauf eines 2-K-Epoxidharz-Kleb-stoffs bei Raumtemperatur über die Zeit zeigtAbbildung 39.

Am „Gelpunkt“ des Klebstoffs (Abb. 39) liegt einWendepunkt vor: Hier wird der inzwischen viskoseKlebstoff endgültig zu einem Feststoff, der aller-dings erst geraume Zeit später seine Endfestigkeit,bei der das System voll belastbar ist, erreichen wird.Erhöht man nun die Temperatur, wird die Endfestig-keit eher erreicht und liegt auf einem etwas höherenNiveau. Letzteres liegt daran, dass aufgrund derhöheren Teilchenbeweglichkeit die Vernetzungsre-aktionen begünstigter ablaufen können und einehöhere Vernetzungsdichte erreicht wird. Die Effektesind bei tieferen Temperaturen umgekehrt. Dieskann so weit gehen, dass die Reaktionen für eineAushärtung zu langsam sind. Systeme auf Epoxid-harzbasis gehören zu den am meisten verbreitetenKonstruktionsklebstoffen. Ob im Fahrzeug- oderFlugzeugbau, auf dem Bausektor oder im Haushalt,überall trifft man auf die so genannten „Epoxy“-Klebstoffe. In der Mikroelektronik werden sie mitZusätzen (Ag-Pulver) als elektrisch leitfähiger Kleb-stoff verwendet. Sie dienen auch als Matrixharz zumKleben faserverstärkter Kunststoffe. Wird ihnen z. B.Aluminiumoxid-(Al2O3)-Pulver zugegeben, zeigen siewärmeleitende Eigenschaften. Der große Vorteil vonEpoxidharzen liegt darin, dass sie sich für Metall-klebung eignen und darüber hinaus auch auf vielenKunststoffen eine gute Haftung aufweisen. Allge-mein besitzen sie eine sehr gute Beständigkeitgegen physikalische und chemische Einflüsse.


Polyaddition von Diaminen (2) an Bisphenol-A-bis-Epoxid (1)

H2N NH2

(2) +

NH2H2N

+ (2)

CCH3

CH3

O OCH2 CH2CH CHH2C CH2

O O

RT

(1)

CCH3

CH3

O OCH2 CH2CH CHCH2 CH2 NHNHO OH H

NH NH

HH

H H

HH

N N

∆

NN CCH3

CH3

O OCH2 CH2CH CHCH2 CH2 NNO O

O

NCH2

CHCH2

O

H3C CH3C

O

OCH2

CHCH2

O

NCH2

CHCH2

O

H3C CH3C

O

OCH2

CHCH2

40

Aushärtungsverlauf eines 2-K-Epoxidharzklebstoffsbei Raumtemperatur

voll belastbar

Rea

ktio

nsfo

rtsc

hrit

t

Endfestigkeit

Gelpunkt

Harzverarbeitbar(flüssig)

nichtmehrzu ver-arbeiten

Topfzeit t

Zeit Abbildung 39Folie 24

Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine hoheLangzeitbeständigkeit aus, da sie nur eine geringeNeigung zum Kriechen zeigen. Je nach Typ haltensie einer Temperaturbelastung zwischen 100 ° C undmax. 200 ° C auf Dauer stand. Alle Epoxidharze här-ten als Duromere aus, was ihre vergleichsweisegeringe Flexibilität und hohen Festigkeiten erklärt.Mit speziellen heißhärtenden, hochfesten 1-K-Epoxidharzklebstoffen ist es sogar möglich, definiertbeölte, nicht vorbehandelte Bleche strukturell, d. h.selbsttragend, zu kleben (Rohkarosseriebau), eineEinsatzweise der Klebtechnik, die – mit Ausnahmeheißhärtender 1-K-Polyurethanklebstoffe – bis jetztdurch keinen anderen Klebstoff realisiert werdenkann.

Polyurethane

Wie bei den Epoxidharzen hat der Klebstoffan-wender auch bei reaktiven Polyurethanklebstoffendie Auswahl zwischen unterschiedlichen Klebstoff-systemen: Polyurethanklebstoffe (PUR) gibt es alskalthärtende 2-K-Systeme, als heißhärtende 1-K-Systeme, als feuchtigkeitshärtende 1-K-Systeme,bei denen in einem ersten Aushärteschritt einePolykondensationsreaktion abläuft und erst ineinem zweiten Schritt eine Addition stattfindet,sowie als reaktive 1-K-PUR-Schmelzklebstoffe, beidenen eine Nachvernetzung durch Feuchtigkeit,Wärmezufuhr oder eine Kombination von beidemabläuft. Diese Systeme können zu Elastomeren oderzu Duromeren aushärten, wobei der Grad derVernetzung und somit die Festigkeit durch dieunterschiedlichen Rohstoffe bestimmt werden, diedie Klebstoffsysteme enthalten.

Bei den 2-K-Systemen wird die Verfestigung durchdas Zusammengeben und das Vermischen derKomponenten Harz (Poly-Glykole oder PUR-Pre-

polymer mit endständigen Hydroxyl-Gruppen) undHärter (modifiziertes Isocyanat) in Gang gesetzt(Abb. 40, 41). Bei Raumtemperatur dauert die Aus-härtung einige Stunden bis zu Tagen. Dieser Prozesskann allerdings durch Erwärmen beschleunigt wer-den, was auch die Festigkeit der Klebung steigert. DieKlebschicht von 2-K-Systemen ist je nach Rohstoff-einsatz nach der Aushärtung zähhart bis gummielas-tisch-flexibel.

Die heißhärtenden 1-K-Systeme bestehen ausPUR-Prepolymeren mit endständigen Hydroxyl-Grup-pen und chemisch blockierten Isocyanat-Härtern. DieIsocyanat-Gruppen werden mit Phenol verkappt(Abb. 42). Es bilden sich Phenylcarbaminsäureester-Gruppen. Die zur Spaltung notwendige Temperaturkann durch Einsatz geeigneter Katalysatoren herab-gesetzt werden. So kann z. B. bei einem dimeren TDI-Prepolymer (Desmodur TT) die Verkappung bei120 ° C oder bei Zusatz eines Phosphinkatalysatorsschon bei Raumtemperatur aufgehoben werden.Heißhärtende 1-K-Systeme benötigen zum Verfes-tigen eine Temperatur von 100 bis 200 ° C, wobei dieZeitspanne je nach Höhe der eingesetzten Tem-peratur zwischen einigen Minuten und bis zu einigenStunden variiert. Die Klebschicht dieser PUR-Klebstoffe ist in der Regel zähhart und hochfest, aberdoch elastisch. Bei heißhärtenden 1-K-PUR-Kleb-stoffen entweichen in der Wärme partiell gesund-heitsgefährdende Isocyanatverbindungen aus demSystem. Dieser Gefährdung muss mit geeigneten lüf-tungstechnischen Maßnahmen begegnet werden.

Bei den feuchtigkeitshärtenden 1-K-Systemenhandelt es sich um zähflüssige (viskose) Klebstoffe,die aus nicht flüchtigen PUR-Prepolymeren mitIsocyanat-Endgruppen bestehen. Als Auslöser fürdie Verfestigung des Klebstoffs benötigen dieseSysteme Feuchtigkeit, wodurch das isocyanathalti-

41

Abbildung 41

1,4-Butylenglykol

Polyurethan

+ n

Hexamethylendiisocyanat

n

n O C N (CH2)6 N C O HO (CH2)4 OH

O (CH2)4 O C NO

N(CH2)6 CO

H H

Bildung von Polyurethanen


ge Prepolymer teilweise in Amine umgewandeltwird. Hierbei wird in geringen Mengen Kohlenstoff-dioxid abgespalten, was den Klebvorgang allerdingsnicht stört. Die Amin-Gruppen reagieren dann mitverbliebenen Isocyanat-Gruppen und härten so das Klebstoffsystem aus (Abb. 43). Diese Reaktionkann in einem Temperaturbereich von 5 bis 40 ° Cablaufen, wobei eine relative Luftfeuchtigkeit von 40 bis 70 % notwendig ist. Allerdings sind auch sogenannte „Booster-Systeme“ auf dem Markt, diemit einem feuchtigkeitshaltigen Gel arbeiten. Dieseermöglichen eine beschleunigte Aushärtung, dieunabhängig vom Grad der vorhandenen Luft-

feuchtigkeit ist. Bei 1-K-Systemen setzt sich diefeuchtigkeitsbedingte Durchhärtung der Kleb-schicht, die auf der Ausbildung von Harnstoffver-bindungen beruht, von außen nach innen mit einerGeschwindigkeit von einigen Millimetern pro Tagfort. Bei der Verarbeitung dieser Klebstoffe ist diesog. Hautbildungszeit zu beachten, also die Zeit, inder sich der Klebstoff an seiner Oberfläche bereitsverfestigt, d.h. eine „Haut“ gebildet hat und einBenetzen des zweiten Fügeteils nicht mehr möglichist. In solchen Fällen können keine adhäsivenWechselwirkungen mehr entstehen. Nach der Aus-härtung ist die Klebung gummielastisch-flexibel,

Isocyanate als Härter für 2-K-Systeme

CH3

N C

N C

O

O

2,4-Toluylendiisocyanat (2,4-TDI)

4,4´-Methylendiphenyldiisocyanat (4,4´-MDI)

O C N CH2 N C O

xx

mnxO C N NH C

O

O (CH2) O C

O

(CH2) C O (CH2)

O

NH

O

CO N C O

Polyester-Isocyanat

42

NR C OOH

HOR N C O +

mit Phenol "verkapptes" Isocyanat

Deblockierung eines Isocyanates in der Wärme

Abbildung 42

weshalb feuchtigkeitshärtende 1-K-PUR-Systemedort zum Einsatz kommen, wo Materialien mit starkunterschiedlichem Last- und Temperaturausdeh-nungsverhalten verbunden werden müssen, etwabeim Kleben von glasfaserverstärkten Kunststoffen(GFK) auf Stahl oder von Wand- und Bodenplattenaus Aluminium auf Stahlträger. Abbildung 44 zeigteine Hochgeschwindigkeitsfähre, deren Polycar-bonatscheiben in die Schiffstruktur aus Aluminiummit diesen Klebstoffen eingeklebt wurden.

Reaktive PUR-Schmelzklebstoffe verfestigen sich durch eine Kombination von physikalischen

und chemischen Vorgängen (Abb. 45). Die chemi-sche Nachvernetzung kann bei PUR-Schmelz-klebstoffen durch den Einfluss von Wärme,Luftfeuchtigkeit oder von beidem ausgelöst werden.Feuchtigkeitsnachvernetzende Systeme bestehenaus höhermolekularen, schmelzbaren Polyure-thanen mit endständigen Isocyanat-Gruppen, diedurch Feuchtigkeit aktiviert werden können.Wärmenachvernetzende Systeme werden dagegenmit blockierten Isocyanaten ausgestattet, die durch Wärmezufuhr freigesetzt werden. ReaktivePUR-Schmelzklebstoffe härten als Elastomere ausund haben dementsprechend gummielastisch-

R N C O + H OH R NH

CO

OH

Isocyanat Wasser substituierte Carbaminsäure

substituierter Harnstoff Amin

R N + CO2CO

N RH

NRH

H2R N C O+

Aktivierung des isocyanatgruppenhaltigen Prepolymersdurch Feuchtigkeit


43

Kohäsionszunahme eines mit Feuchtigkeit härtendenreaktiven Polyurethan-Schmelzklebstoffs

Kohäsion

Zeit

Anfangsfestigkeit

Endfestigkeit

Hochgeschwindigkeitsfähre

Abbildung 45

Abbildung 44

plastische Klebschichteigenschaften. Selbst aufbeölten Blechen (Karosseriebau), einer Oberflächealso, die den meisten anderen Klebstoffen eineAdhäsion unmöglich machen würde, haften diereaktiven PUR-Schmelzklebstoffe gut. ReaktivePUR-Schmelzklebstoffe haben den großen Vorteil,nur eine sehr niedrige Auftragstemperatur von 50 bis 100 ° C zu benötigen, wohingegen reguläreSchmelzklebstoffe erst in einem Temperaturbereichvon 120 bis 240 ° C verarbeitet werden können. Beider Verarbeitung ist dieser PUR-Klebstoff dem-gemäß thermoplastisch. Bei der Abkühlung bautsich schnell eine Anfangsfestigkeit auf, so dass die

Fügeteile zur Weiterverarbeitung rasch fixiert sind.Die Endfestigkeit wird erst später erreicht.

Die Verbundeigenschaften der Polyurethane unter-scheiden sich entsprechend ihrem Vernetzungsgradim ausgehärteten Zustand. Mit gummielastisch-flexiblen Systemen ist eine sehr hohe elastischeVerformbarkeit erzielbar, die mit einer maximalenBruchdehnung von über 600 % nur noch von denSiliconen (s. Seite 38, Silicone) übertroffen wird.Diese Klebstoffe erlauben dicke Klebschichten undsind beschichtbar. Ihre geringen Zugscherfestigkei-ten von unter 6 MPa werden konstruktiv über große

44

Klebflächen ausgeglichen. Gegen Feuchtigkeitsein-flüsse und UV-Strahlen werden sie geschützt.Dauergebrauchstemperaturen in einer Bandbreitevon ca. – 40 bis 100 ° C sind kein Problem.

AusblickDie dargestellte Vielfalt der Klebstoffe wird nochdadurch erhöht, dass die Eigenschaften der unter-schiedlichen Klebstoffarten durch Modifikationen in jeder Substanzklasse variiert werden können.Sogar Klebstoffe mit verschiedenen Härtungs-mechanismen werden kombiniert, wie etwa reaktiveSchmelzklebstoffe, die in einem ersten Schritt wiegewöhnliche thermoplastische Schmelzklebstoffeaufgebracht und anschließend über chemischeReaktionen zu Elastomeren oder Duromeren ver-netzt werden. Gleiches gilt für reaktive Disper-sionsklebstoffe, reaktive Haftklebebänder und UV-härtende Cyanacrylate, die im ersten Schrittüber Feuchtigkeit zu Thermoplasten aushärten, imzweiten Schritt mit UV-Strahlen zu Duromeren ver-netzen. Diese Entwicklungen deuten an, dass dieGrenzen zwischen den einzelnen Klebstoffklassenzu fließen beginnen. Die Entwicklung wird geprägtvon neuen Anforderungen, etwa an die Temperatur-beständigkeit oder an zusätzliche Funktionen (elek-trische Leitfähigkeit, Elastizität etc.), die neue Applikationen eröffnen. Bei all diesen steigendenAnforderungen geht die Entwicklung in der Kleb-stofftechnologie heute immer mehr weg von denLösungsmittelklebstoffen hin zu lösungsmittelfreienSystemen. Wie auch bei allen anderen Kunststoffenwird die Emission von Gefahrstoffen kontinuierlichreduziert.

2.3 Basis von klebgerechtemKonstruieren

Bei der Klebtechnik handelt es sich um ein systemi-sches Fügeverfahren, das auf einer Vielzahl ineinander greifender Prozesse beruht. Grund-legende Voraussetzung für die Funktionsfähigkeiteiner Klebung ist neben den Eigenschaften derKlebschicht, des Fügeteilwerkstoffs und der Bean-spruchung auch die geometrische Gestaltung.Fehler in geklebten Konstruktionen treten häufig auf,weil wesentliche Grundregeln einer klebgerechtenKonstruktion vernachlässigt werden. Bereits in derKonstruktionsphase eines Bauteils sind die speziel-len Zusammenhänge zu berücksichtigen. Dieprinzipielle Anforderung an eine Klebung bestehtdarin, Kräfte zu übertragen und die durch dieseBelastungen auftretenden Spannungen dauerhaftauszuhalten. Für die konstruktive Gestaltung vonKlebungen sind dazu auf der Basis einer langzeit-beständigen, d.h. insbesondere feuchtigkeits-resistenten Haftung zwei wichtige Voraussetzungenzu erfüllen: zum einen das Vorhandensein ausrei-chender Klebflächen, zum anderen Maßnahmen zurVermeidung von Spannungsspitzen in der Klebungbei mechanischer Beanspruchung.

Klebungen können im Wesentlichen

(a) Schälbeanspruchungen,(b) Schub-Scherbeanspruchungen,(c) Zug-Scherbeanspruchungen,(d) Zugbeanspruchungen,(e) Druckbeanspruchungen sowie( f ) Torsionsbeanspruchungen

ausgesetzt sein (Abb. 46).

Beanspruchungsarten einer Klebung

c) Zug-Scherbeanspruchunga) Schälbeanspruchung b) Schub-Scherbeanspruchung

e) Druckbeanspruchung f) Torsionsbeanspruchungd) ZugbeanspruchungAbbildung 46Folie 27

45

Schälbeanspruchungen führen zu einer nahezulinienförmigen, hohen Beanspruchung des Kleb-stoffs in der Klebfuge, die häufig die Endfestigkeitder meisten Klebstoffe um ein Vielfaches übersteigt.

Als flächiges Fügeverfahren muss die Klebtechnikihre Verbindungen auf Scher- bzw. Schubbean-spruchungen auslegen. Die Fügeteile werdenparallel zur Klebfläche auseinander gezogen, sodass hier die gesamte Klebfläche beansprucht wird.In der Regel lassen sich Klebverbindungen durcheine entsprechende Vergrößerung der Klebfläche sodimensionieren, dass die Beanspruchungen flächigverteilt werden können und somit die punktuellenBruchlasten nicht übersteigen.

Zugbeanspruchungen wirken senkrecht zur Füge-ebene. Sie werden konstruktiv nur in Ausnahme-fällen berücksichtigt, da Klebflächenvergrößerungenzur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit, wiesie bei schubbeanspruchten Klebungen vergleichs-weise einfach möglich sind, häufig nicht realisiertwerden können.

Gegenüber Druckbeanspruchungen sind Klebver-bindungen unempfindlich.

Das Verhalten von Klebverbindungen auf Torsions-beanspruchungen ist vergleichbar mit dem auf eineScher- bzw. Schubbeanspruchung.

2.4 Prüfung von Klebverbindungen

Die Wahl des Prüfverfahrens richtet sich nach denEigenschaften der zu prüfenden Klebverbindung.Klebfestigkeiten werden mit dem Zugscherversuch,Schälwiderstände mit dem Rollen- bzw. Winkel-schälversuch und das Adhäsionsverhalten z. B. mit dem Keiltest ermittelt. Um Aussagen über dieLangzeitbeständigkeit von Klebungen zu erhalten,werden die Klebproben in mögliche Umgebungs-bedingungen ausgelagert (feuchtwarme Klima-auslagerung, Schwitzwassertest, Salzsprühtest,Kataplasma, Klimawechseltest) und einer anschlie-ßenden mechanischen Prüfung unterzogen.

Bei den mechanischen Prüfungen werden dieKlebverbindungen bis zum Bruch belastet. Die Artdes auftretenden Bruches wie Adhäsionsbruch,Kohäsionsbruch, Fügeteilbruch oder eine Kombi-nation der Brucharten gibt Aufschluss über dieQualität der Klebung oder liefert Hinweise hinsicht-lich potenzieller Fertigungsfehler. Bei ausgelagertenProben liefert der Kohäsionsbruch die Aussage,dass trotz der auf die Klebung einwirkenden Ein-flüsse (etwa Feuchtigkeit) die Adhäsion stabil geblie-ben ist. Adhäsionsbrüche dagegen zeigen, dass dieKlebung an ihrer sensibelsten Stelle versagt hat. Siekönnen auf prinzipielle Inkompatibilitäten zwischenWerkstoff und Klebstoff, Oberflächenbehandlungs-und/oder Verarbeitungsfehler hindeuten. Verarbei-tungsfehler können sein

- Topfzeit/Hautbildezeit überschritten- Oberfläche zu kalt- Klebstoff zu kalt- Klebstoff überlagert- Mischungsfehler

Zugscherversuch nach DIN EN 1465Der Zugscherversuch ist der am weitesten ver-breitete Standardprüfversuch zur Festigkeitsermitt-lung mittelfester und hochfester Klebungen. DieKlebfestigkeit einschnittig überlappter Klebver-bindungen bei Beanspruchung der Fügeteile wirddurch Zugscherkräfte in Richtung der Klebflächeermittelt. Die normentsprechende Ü berlappung ent-spricht einer Breite von 25 mm und einer Länge von12,5 mm. Jede Probe ist einzeln auszumessen undwird so in die sich selbst ausrichtenden Ein-spannklemmen der Zugprüfmaschine eingespannt,dass eine mittlere Krafteinleitung in die Klebschichtsichergestellt ist (Abb. 47).

Der Normversuch wird mit einer gleich bleibendenGeschwindigkeit der ziehenden Einspannklemmenso durchgeführt, dass bis zum Trennen der Fügeteileeine Zeitspanne von 65 ± 20 s eingehalten wird. Die auftretende Höchstkraft Fmax ist dann am Kraft-anzeiger abzulesen und zu protokollieren. Die Kleb-festigkeit in N/mm2 = MPa wird nach folgenderGleichung berechnet:

Fmax Fmax

=------- = -------A LÜ ·b

Fmax = Höchstkraft in NLÜ = berlappungslänge in mmÜb = mittlere Probenbreite in mmA = Klebfläche in mm

Keiltest nach DIN 65448Der Keiltest ist eines der ganz wenigen Prüf-verfahren, das es erlaubt, die Qualität einer Klebungunter gleichzeitiger Einwirkung von mechanischer,medialer und chemischer Beanspruchung zutesten. Zur Durchführung des Keiltests werden zwei unter Fertigungsbedingungen vorbehandelteBleche vorgeschriebener Dicke miteinander ver-klebt. In die Klebung wird ein Keil getrieben. Dernach dem Eintreiben des Keils in der Klebschichtauftretende Riss wird an seinem Ende markiert.Anschließend wird der so vorbereitete Proben-körper in einem feuchtwarmen Prüfklima (z. B. 75min bei 50 ° C und 95% rel. Feuchte) oder inWasser ausgelagert. Die durch das Aufkeilen unterSpannung stehende Klebung reißt ggf. unter derKeilbelastung weiter. Nach der Auslagerung wirdder Rissfortschritt markiert und gemessen, dieKlebfläche getrennt und die Bruchfläche beurteilt.Der Vorteil dieser Versuchsdurchführung gegenüberdem Zugscherversuch liegt in der Möglichkeit einerrelativ schnellen Ergebnisfindung sowie einer direk-ten Einwirkung der Alterungsmedien auf die untermechanischer Belastung stehende Klebschicht(Abb. 48).

46

SchälversuchSchälversuche ermitteln den Widerstand vonKlebverbindungen gegen abschälende Kräfte. Siewerden vorwiegend zur vergleichenden Beurteilungvon Klebstoffen und Oberflächenbehandlungs-methoden genutzt, da sie Unterschiede im Adhä-sions- und Kohäsionsverhalten der Klebschichtenmit großer Empfindlichkeit anzuzeigen vermögen.Für diese Versuche werden Proben an ihren nichtgeklebten Schenkeln durch Zugkräfte so lange

beansprucht, bis die Klebschicht reißt und beideProbenhälften voneinander getrennt sind. Die dazuerforderliche Kraft wird bei gleichzeitiger Messungder Längenänderung zwischen den Einspann-köpfen registriert. Als Ergebnis des Schälversuchserhält man ein Schäldiagramm. Das Bruchbild lie-fert Aussagen über die Stabilität der Adhäsion(Abb. 49).

F

F

Zugscherversuch

F

Keiltest

Abbildung 48


47

FF

Schälversuch

Abbildung 49

48

3.2 Blechklebung im Karosseriebau

Autokarosserien werden überwiegend aus Stahl-blechen der Dicke 0,6 bis 0,8 mm zusammengefügt.Die Weiterentwicklung der Karosserien ist gekenn-zeichnet durch den nicht nur modischen Trend nachflacherer Gestaltung mit einem möglichst geringenWindwiderstand, niedrigem Gewicht und dahersparsamem Treibstoffverbrauch. Flächige Bauteile,

wie z. B. Motor- und Kofferraumhauben, aber auchTür- und Dachbleche werden mit stegartigenBlechverstrebungen fest verbunden und dadurchversteift. Das gebräuchlichste Verfahren des Zu-sammenfügens derartiger Karosseriebauteile, dasPunktschweißen, kann man unter den flächigenSichtseiten nicht anwenden, weil dies zu störenden

3 Beispiele fortschrittlicher Klebtechnik

3.1 Holzklebung

In der Holzverarbeitung und speziell im Möbelbauhaben Polyvinylacetat-Dispersionsleime den Tisch-lerleim auf der Basis tierischer Eiweiße schon vor mehreren Jahrzehnten abgelöst, und Konden-sationsharze (Harnstoff-, Melamin-, Phenol- undResorcin-Formaldehydharze) haben die Entwick-lung neuer Holzwerkstoffe von der Sperrholzplatteüber die Spanplatte bis zu Holzlaminatträgern(Resorcin/Phenol-Formaldehydharze) für den Ge-bäudebau ermöglicht (Abb. 50). Melamin-Form-aldehydharze werden in Verbindung mit Spezial-papieren insbesondere eingesetzt zur Herstellungvon dekorativen Schichtpressstoffplatten für dieLaminierung von Holz im Möbelbau. Polyure-thanklebstoffe, aushärtend durch die Einwirkungvon Feuchtigkeit, sind heute für die Herstellung von Spanplatten von wachsender Bedeutung alsformaldehydfreie Alternative zu den o. g. Polykon-densationsharzen; darüber hinaus nutzt man sie in

zunehmendem Maße für die Klebung von Holzbau-teilen. Wie in vielen Bereichen der Technik bestehtauch bei den Klebstoffen für Holz die Tendenz zu100-%-Systemen; sie verbinden einfache Anwen-dung mit rascher Aushärtung. Heißschmelzkleb-stoffe haben sich hier insbesondere bewährt alsMontageklebstoffe und zum Kleben dekorativerKantenabdeckungen. PUR-Schmelzklebstoffe, diedurch die Einwirkung von Feuchtigkeit härten, wer-den stark zunehmend für konstruktive Holzkle-bungen und Kombinationsklebungen von Holz mitverschiedenartigen Werkstoffen eingesetzt. DieserKlebstoff-Typ vereinigt zwei unterschiedlicheMechanismen der Verfestigung: Durch die Erstar-rung des Schmelzklebstoffs bei der Abkühlung wer-den die Teile rasch fixiert, anschließend führt diechemische Aushärtung, verbunden mit einerMolekülvernetzung, zu einer hohen Belastbarkeitder Klebungen (s. Seite 46).

Dachkonstruktion aus Holzlaminatträgern

Abbildung 50

49

Einzügen führen und aufwendige Nacharbeit(Spachteln) erfordern würde. Daher begann man voretwa 40 Jahren damit, die Teile zusammenzuklebenund den Anteil der Schweißpunkte auf wenige Fi-xierungen im Randbereich zu reduzieren. DasKleben musste in den vom Fließband vorgegebenenFertigungsablauf eingefügt werden (Abb. 51). DieForderungen des Automobilkarosseriebaus an diestrukturelle Klebtechnik sind extrem: SpezielleOberflächenvorbehandlungen der Bleche, die als

unabdingbar für eine hohe Festigkeit und Bestän-digkeit der Klebungen gelten, sind im Rahmen vonGroßserien nicht möglich. Mehr noch: Die Fügeteilesind darüber hinaus während des Fertigungs-prozesses auch noch mit Korrosionsschutzölenüberzogen. Diese können erst vor der Endverede-lung entfernt werden.

Wesentliche Punkte eines Anforderungsprofils anKlebstoffe, die im Karosserierohbau eingesetzt wer-den sollen, sind:

- strukturelle Klebungen mit definierten Eigen-schaften über die Lebensdauer des Bauteilsunter Betriebsbeanspruchung,

- Stabilität bei 170 bis 230 º C über ca. 30Minuten während der Lackierprozesse,

- Ablauffestigkeit und Auswaschbeständigkeit im ungehärteten Zustand,

- automatische Verarbeitbarkeit,- Durchschweißbarkeit für Punktschweißungen

als Rissstopper.

Nur von heißhärtbaren Klebstoffen sind die obenerwähnten Anforderungen zu erfüllen. Die für dieseAnwendungen speziell entwickelten Klebstoffe (bei

180 bis 230 º C härtend) sind so formuliert, dass sieim ungehärteten Zustand bis zu 20 Gewichts-prozent des Ö ls durch Lösen in sich aufnehmenkönnen. Zwar wird in der Praxis beim Auftragen desKlebstoffs so viel Ö l verdrängt, dass eine sofortigeerste Haftung des Klebstoffs weitgehend sicherge-stellt ist, die verbleibende Ö lmenge wird jedochvom Klebstoff aufgenommen und in denKlebstofffilm eingebaut.

Die hohen Temperaturen beschleunigen die Lö-sungsvorgänge im Klebstoff. Das Ö l ist schließlichim ausgehärteten Klebstofffilm nahezu gleichmäßigverteilt und diffundiert nicht wieder an dieOberfläche.

Crashversuche verdeutlichen, dass durch dasKleben die Schwingfestigkeit und die Energieab-sorption, auch nach Alterungseinflüssen, im Ver-gleich zu ausschließlich punktgeschweißten Kon-struktionen deutlich verbessert werden konnte.Stand der Technik ist heutzutage die Kombinationdes Klebens mit dem Punktschweißen, das sogenannte Punktschweißkleben, welches im Karos-seriebau in großem Maße angewandt wird.

Für die Blechklebung im Karosserierohbau werdeneingesetzt: Plastisolklebstoffe, im Wesentlichen füll-stoffhaltige Pasten aus pulverförmigem PVC, Weich-machern und Haftvermittlern, für Spezialan-wendungen aber auch einkomponentige heißhärt-bare Epoxidharzklebstoffe.

Anwendungsbeispiele: Versteifungen und Bördel-nähte an Motor- und Kofferraumhauben, Türen,Dachkonstruktionen.


Klebstoffanwendungen im Karosseriebau

50

3.4 Leichtbauweise im Flugzeug-,Schienenfahrzeug- und Containerbau

FlugzeugbauSeit mehreren Jahrzehnten gehört das Kleben zuden wichtigsten Fügeverfahren im Flugzeugbau. Esist durch besondere Merkmale gekennzeichnet wiez. B. Betriebszeiten von bis zu 30 Jahren, hohedynamische und mediale Belastungen, extreme,teilweise sehr kurzzeitige Temperaturwechsel-Beanspruchungen von Tieftemperaturen im Strato-sphärenbereich bis zu Wüstenklimata.

Der Einsatz der Klebtechnik im Flugzeugbau er-möglicht eine extreme Leichtbauweise durch denkonsequenten Einsatz von Leichtmetalllegierungen,faserverstärkten Kunststoffen und sog. Sand-wichbauteilen. Geklebt wird sowohl im Innen-bereich bei der Herstellung von Strukturen mitLeichtbau-Wabenplatten (Abb. 53) als auch bei derHerstellung hoch beanspruchter Fügeverbindun-gen, sog. „primary structures“, wie z. B. bei Außen-

blechversteifungen verschiedener geometrischerAbmessungen, bei Sandwichstrukturen aus Alu-minium- oder Kunststoffwaben mit aufgeklebtenBeplankungen oder Blechpaketklebungen. Als Bei-spiel hierfür mag das Airbus-Seitenleitwerk dienen.Es besteht aus einem Aluminium-Fachwerkrahmenund einer Beplankung aus carbonfaserverstärktemEpoxidharz-Kunststoff (CFK). Die Einzelteile derBeplankung werden vorgehärtet und das ganzeBauteil dann in einer Vorrichtung in einem Auto-klaven geklebt.

Zum Kleben der Blech- und Sandwichbauteile wer-den im Flugzeugbau hauptsächlich Epoxidharz-klebstoffe, insbesondere als vorgefertigte Filme mit einer Aushärtungstemperatur von mindestens120 º C eingesetzt. Die erzielbaren Zugscherfestig-keiten liegen bei etwa 20 MPa (statisch) und 1 MPa

3.3 Glasscheiben-Einklebung imKarosseriebau, Direct Glazing

Die Glasscheiben werden im Automobilbau nachder Lackierung der Karosserie eingebaut. Front-und Heckscheiben wurden früher über ein Profil aufElastomerbasis, das die Scheibe umgab, in dieKarosserie eingesetzt, wobei eine schnurförmige,klebrige Elastomer-Dichtmasse zur Verstärkung derDichtwirkung eingebracht wurde.

Seit dem Beginn der 70er Jahre hat sich das sogenannte Direct Glazing immer mehr durchgesetzt(Abb. 52). Dazu verwendet man mit Feuchtigkeit

härtende 1-K-Polyurethanklebstoffe und – alterna-tiv dazu – MS-Polymere (modifizierte Siloxane).Vorteile dieser Technik sind, neben einer exzellen-ten Abdichtung: die Verwendung größererScheiben und die Senkung des Gewichts derKarosserie, da die Glasscheibe über den zu einemElastomeren aushärtenden Klebstoff zum Kon-struktionswerkstoff wird, die Steifigkeit der Kon-struktion verstärkt und so die Verwendung dün-nerer Bleche gestattet.

Direct Glazing

Abbildung 52

51


Kleben im Flugzeugbau

(dynamisch). Ein Angriff von Schälkräften wirddurch die Wahl der Konstruktionen vermieden, zurSicherheit wird jedoch ein Schälwiderstand vonetwa 4 N/mm angestrebt.

SchienenfahrzeugbauIm Schienenfahrzeugbau haben neue Bauele-mente, z. B. auf der Basis von glasfaserverstärktemKunststoff (GFK), zu einer enormen Gewichts-einsparung, aber auch zu einer Rationalisierung desFertigungsverfahrens geführt. Im Regio Shuttle derFa. ADtranz (Abb. 54) wird eine Fachwerkbauweisebenutzt, die aus Zug- und Druckstreben in Drei-

ecksanordnung besteht und damit die leichtesteBauweise für tragende Strukturen darstellt.Aufgrund der Fachwerkbauweise müssen keineBleche aufgeschweißt werden, die Schubspan-nungen aufnehmen. In den Streben entstehen nurZug- und Druckkräfte. Um das Fachwerk zu schlie-ßen, werden großflächige Außenhautelemente aufdie tragende metallische Struktur mit feuchtigkeits-vernetzenden 1-K-Polyurethanklebstoffen aufge-klebt. Somit entfallen in der Fertigung die aufwän-digen Richt- und Spachtelarbeiten, wie sie bei auf-geschweißten metallischen Außenhautelementenauftreten. Die verwendeten GFK-Außenhautele-

Nahverkehrszug in Leichtbauweise

Abbildung 54

52

3.5 Elektronik/Elektrotechnik

Elektronische SchaltungenDie rasche Entwicklung der Elektronik ist von An-fang an gekennzeichnet durch eine fortschreitendeVerkleinerung der Bauteile und eine immer größerwerdende Komplexität der Schaltungen. Die fort-schreitende Miniaturisierung führte nicht nur zu im-mer kleineren, sondern auch zu hitzeempfindliche-ren Bauteilen. Zudem wurde es aus Kostengründennotwendig, die Bestückung der Leiterplatten zurationalisieren. Bei der Lösung der dadurch entstan-

denen Aufgaben war eine fortschrittliche Kleb-technik gefordert. Klebstoffe übernahmen vielfältigeAufgaben bei der Montage elektronischer Schal-tungen, neben der mechanischen Befestigung auchFunktionen als elektrische Leiter und Isolierungen.In großem Umfang werden heute elektronischeBauteile in ihrer vorgesehenen Position vor demLöten mit Klebstoffen fixiert (Abb. 56).

Klebstoffanwendung im Containerbau


mente ermöglichen als Sandwichplatten eine gutethermische Isolation und weisen sehr gute akusti-sche Eigenschaften auf. Da kein Hitzeverzug wiebeim Schweißen auftritt, geben die Außenbeklei-dungsteile dem Fahrzeug eine fertig lackierte,plane, glatte und bündige Außenfläche ohne zu-sätzlichen Aufwand.

Diese Kombination von metallischer Struktur undFaserverbundkunststoff-Bauteilen ist nur durchKleben wirtschaftlich und sicher realisierbar. Um dieunterschiedlichen thermischen Längenänderungenvon Struktur und Bekleidung auszugleichen, wirdeine hoch elastische Dickschichtklebung einge-setzt. Die Klebungen zeichnen sich durch zufriedenstellend hohe Festigkeiten auch bei Dauerschwin-gungen im Bereich von –40 ° C bis 80 ° C und schlagartiger Beanspruchung aus. Darüber hinausbesitzen sie eine sehr gute Beständigkeit gegenAlterung, auch in feuchter Umgebung. Die Dickeder Klebfugen bewegt sich zwischen 4 und 18 mm.Sie hängt von der Größe der Teile ab, die bis zu 8,5Meter lang sein können und dann den Klebspaltdurch sehr hohe Schubverformungen belasten.Vorteilhaft an der Konstruktion ist darüber hinaus

der hohe Dämpfungsbeitrag für die dynamischenLaufeigenschaften und den Fahrkomfort.

Im Ergebnis ist der Regio Shuttle etwa 25 % leich-ter als das leichteste vergleichbare herkömmlicheFahrzeug, und das mit besserer Fahrkultur, geringe-ren Fertigungskosten und reduziertem Energie-verbrauch im Betrieb.

ContainerbauIm Container- und Kühlcontainerbau werden in großem Umfang Sandwich-Paneele verwendet.Man verbindet dabei Kernmaterialien, z. B.Kunststoffschäume, Mineral- oder Wabenplattenmit Deckplatten aus Aluminium oder GFK. Hierfürwerden nieder- bis mittelviskose Epoxidharz-klebstoffe eingesetzt, womit man auch die konfek-tionierten Paneele klebt. In steigendem Maße ver-wendet man neuerdings auch hier die bereitserwähnten MS-Polymere. Sie weisen eine guteHaftung ohne vorherige Anwendung eines Primersauch an lackierten Oberflächen auf und sind wegenihrer guten elastischen Eigenschaften und ihrerhohen UV-Stabilität universell anwendbar (Abb. 55).

53

Verwendet werden einkomponentige pastöse Epo-xidharzklebstoffe, die anschließend in 3 Minuten bei120 º C abbinden, in geringerem Umfang aber auchAcrylatklebstoffe, die durch UV-Licht vorgehärtetwerden, um ein rasches Fixieren zu bewirken; ihreEndfestigkeit erreichen sie anschließend durchWärmeeinwirkung.

Elektrisch leitfähige Klebstoffe sind üblicherweiseEpoxidharzklebstoffe mit einem besonders geringenGehalt an ionischen Verunreinigungen, in kleineremUmfang werden aber auch spezielle Polyimid-klebstoffe eingesetzt. In beiden Fällen enthalten

diese Klebstoffe 70 bis 80 Gewichtsprozent hochfei-nen Silberpulvers. Sie werden eingesetzt, wenn dieTeile wegen ihrer Hitzeempfindlichkeit, insbesonde-re bei Reparaturen, nicht gelötet werden können.Ferner erlangen bei steigenden Anforderungen andas Wärmemanagement der Schaltungen wärmelei-tende Klebstoffe, z. B. mit einem hohen Gehalt anAluminiumoxid, zunehmende Bedeutung.

Digital Versatile Disc (DVD) – HerstellungIm Unterschied zur Compact Disc (CD) ist die DVDeine Sandwich-Konstruktion, das heißt, jede DVD istein gebundener Körper, dabei sind verschiedene

Punktförmiger Klebstoffauftrag auf einer Leiterplatte


Abbildung 57

Kleben von Digital Versatile Discs (DVD)

54

Ausführungen mit Informationen auf einer oder aufbeiden Seiten möglich. Für das Zusammenfügender DVD-Konstruktionen verwendet man UV-här-tende Acrylatklebstoffe, die unter UV-Licht in weni-gen Sekunden abbinden und neben hoher optischerReinheit eine sehr gute Langzeitbeständigkeit infeuchtwarmer Umgebung aufweisen. Daneben ge-winnen spezielle Heißschmelzklebstoffe auf derBasis thermoplastischer Elastomere zunehmend anBedeutung (Abb. 57).

ElektromotorenEine Vielzahl elektrischer Geräte, von der Küchen-maschine über den CD-Player bis zur Videokamera,wird mit Elektromotoren ausgerüstet. Man verlangtvon diesen in großen Serien hergestellten Motorenpräzisen Gleichlauf und lange Lebensdauer. BeimZusammenbau sind Klebstoffe heute unverzichtbarz. B. zur Verbindung von Läufer und Welle, vonKollektor und Welle, zur Kugellagerbefestigung undauch als Schraubensicherung. Eingesetzt werdenbevorzugt anaerob, d.h. unter Ausschluss von Luft-sauerstoff härtende Acrylatklebstoffe (anaerob här-tende Klebstoffe) (Abb. 58).


3.6 Verpackungsklebstoffe

Ein außerordentlich hoher Anteil aller industriell her-gestellten Produkte kommt, sei es wegen dergeforderten Stabilität gegen die Bedingungen beiLagerung und Transport, aber auch aus optischenGründen, nur verpackt in den Handel. Das verwen-dete Verpackungsmaterial besteht heute nur nochselten wie bei normalen Briefumschlägen oderPapiertüten lediglich aus einer einzigen Material-lage, sondern wird meistens aus verschiedenenmiteinander verbundenen Materialien hergestellt(Abb. 59).

Durch Laminieren mit Papier, insbesondere Hoch-glanzpapier, ist es möglich, den Werkstoff Karton inansprechender Weise mit Produktinformationen zuversehen und ihm ein werbewirksames Aussehenzu verleihen. Klebstoffe hierfür basieren auf Stärke,Dextrin und Glutin, aber auch auf Polyvinylacetat-Dispersionen.

Wichtige Anforderungen an überdruckte Verpa-ckungen, speziell an die vielfältigen Verpackungenfür Lebensmittel, sind Festigkeitsverhalten, Tempe-

raturbeständigkeit, Undurchlässigkeit für Feuchtig-keit, Sauerstoff und Aromen. Diese wie auch dieBrillanz des Aussehens lassen sich meist nur durchdie Kombination verschiedener Materialien erfüllen.Laminiert werden Filme und Folien aus Polyester(PETP, PBTP), Polyamiden, Polyethylen, Polypro-pylen, Cellophan, Papier, Polyvinylchlorid, Poly-vinylidenfluorid, Polyimiden, Aluminium und einigenanderen Werkstoffen. Häufig werden auch metalli-sierte Folien eingesetzt. Für die Folienlaminierungverwendet man lösungsmittelhaltige Klebstoffe aufPolyurethanbasis; die neuere Entwicklung führtallerdings hin zu lösungsmittelfreien Systemen, ent-weder so genannten High-solid-Produkten oder zuKlebstoffen auf der Grundlage wässriger Polyure-thandispersionen. An die Gleichmäßigkeit der Kleb-stoff-Eigenschaften, speziell an die Viskositäts-stabilität, werden hohe Anforderungen beim Einsatzin Verpackungsautomaten gestellt. Zum Verschlie-ßen von Verpackungen (z. B. Faltschachteln, Pa-keten) verwendet man Dispersionsleime und Heiß-schmelzklebstoffe.

Wuchten

Kabelstabilisierung Magnet Läufer-Welle-Verbindung

Kugellager-befestigung

Gehäuse-dichtung

Typen-schild

Schrauben-sicherung

Kollektor-Welle-Verbindung

Bürsten-halterung

Klebungen im Elektromotorbau

55

Folienlaminierung: Fertigprodukte

Abbildung 59

Beispiele selbstklebender Verbandmaterialien

3.7 Klebstoffe in der Medizin

Der Einsatz von Klebstoffen in der Medizinbeschränkte sich lange Zeit auf die Herstellungselbstklebend ausgerüsteter Verbandsmaterialien(Wundpflaster, selbstklebende Textilstreifen etc.)(Abb. 60). Die ersten hierfür eingesetzten Haft-klebstoffe basierten auf Naturkautschuk. Dieserwurde später teilweise abgelöst durch synthetischeKautschuke (z. B. Polyisopren, Polyisobutylen). Inder Mitte des 20. Jahrhunderts erhielten Haftkleb-stoffe auf der Grundlage von Polyacrylsäureestern

eine stark wachsende Bedeutung, sowohl generellals auch auf dem Gebiet der Verbandsmaterialien.

Heute werden Klebstoffe in der Medizin auf ver-schiedenen Gebieten eingesetzt mit dem Ziel, tradi-tionelle Techniken durch schonendere Verfahren zu ersetzen. So können in manchen Fällen, statt zu nähen, spezielle Cyanacrylatklebstoffe zumraschen Verschließen von Hautverletzungen ver-wendet werden. Vorteilhaft ist hier die Abdeckung

Abbildung 60

56

der gesamten Verletzung, wodurch Nachbluten undInfektionsgefahr weitgehend unterdrückt werdenkönnen. Normalerweise wird hierzu der Cyanacryl-säurebutylester dem Methyl- und dem Ethylestervorgezogen wegen seiner langsameren Aushärtungin Verbindung mit geringerer Wärmeentwicklung beider Polymerisation; daneben verursacht er einegeringere Gewebereizung. Grundsätzlich kommtder Einsatz dieses Klebstoffs aber nur bei verhält-nismäßig kleinen Wunden und gelegentlich in derGefäßchirurgie in Betracht. Für die Herzgefäßchi-rurgie ist Fibrin, hergestellt aus Fibrinogen, einemlöslichen aus Blut gewonnenen Protein, ein wichti-ges Dichtungsmittel mit hämostatischer Wirkung.Im Vergleich zu Cyanacrylaten ist Fibrin gewebever-träglicher, muss allerdings vor der Anwendung einerbesonderen Behandlung unterzogen werden, umeine Ü bertragung von Keimen zu verhindern. Vonbesonderem Erfolg und derzeit ohne Konkurrenz istder Einsatz von Klebstoffen auf Methacrylatbasis inder Orthopädie zur Verankerung von Gelenkprothe-

sen im Knochen. Die verwendeten Produkte beste-hen a) aus einer pulverförmigen Komponente: einerMischung aus Polymethylmethacrylat und einemPolymerisationsauslöser sowie b) einer flüssigenKomponente, die als wesentlichen BestandteilMethylmethacrylat und einen Polymerisationsbe-schleuniger enthält. Obwohl dieser Klebstofftyp beider Anwendung wegen seiner starken Wärme-entwicklung eine nicht unerhebliche Belastung fürKnochen und Gewebe darstellt, sind hiermit veran-kerte Hüft- und Knie-Implantate inzwischen in 90Prozent der Fälle etwa 15 Jahre funktionsfähig(Abb. 61).

In der Zahnmedizin haben Füllzemente auf derBasis UV-härtender Acrylate inzwischen ältere Füll-materialien, insbesondere Amalgam, weitgehendersetzt. Die Produkte erlauben eine lange Verarbei-tungszeit, verbunden mit minutenschneller Abbin-dung unter UV-Licht.

Eingeklebtes Hüftgelenks-Implantat

Gelenkprothese

Knochen

Klebstoff aufMethacrylatbasis

Abbildung 61

57

Abbildung 62

Die drei Dimensionen einer nachhaltigen zukunftsverträglichen Entwicklung

Die nachhaltige zukunftsverträgliche Entwicklung (Sustainable Development) ist ein Leitbild, nach dem die Menschheit ihre Zukunft verantwortungsvoll gestalten muss.Das Leitbild hat eine ökologische,eine ökonomische und eine soziale/gesellschaftliche Dimension.

Heute verpflichten wir unsgegenüber künftigen Generationen, ihnen einelebenswerte Welt zu hinterlassen.

4.1 Gesundheitsschutz

Der Gesundheitsschutz hat die Aufgabe, den Men-schen vor Gefahren und Belästigungen zu schüt-zen. Bezüglich des gewerblichen und industriellenArbeitsumfeldes spricht man von „Arbeitsschutz“.Bezüglich des privaten Verwenders bzw. Benutzersgeklebter Produkte von „Verbraucherschutz“.

4.1.1 Arbeitsschutz

Industrielle oder gewerbliche Nutzer der Klebtech-nik bedürfen eines besonderen Schutzes, da dieBeschäftigten täglich, oftmals über viele Stunden,intensiven Umgang mit Klebstoffen haben. Nebenphysikalischen Einwirkungen wie Brennbarkeit bishin zur Explosionsfähigkeit und Verbrennungen beider Verarbeitung von Heißschmelzklebstoffen sindbesonders chemische Einwirkungen wie Toxizität,Hautreizungen, Verätzungen sowie Allergien auszu-schließen. Dieses wird erreicht durch die Gestal-

tung des Arbeitsplatzes (Arbeitsstättenrichtlinien)mit Luftwechseln und örtlichen Absaugungen, per-sönliche Schutzeinrichtung des Mitarbeiters wieArbeitskleidung, Handschuhe, Schutzbrille sowieEinhaltung der Arbeitshygiene wie gründlicher Kör-perreinigung in Pausen und nach Arbeitsende undUnterlassung von Essen, Trinken und Rauchen amArbeitsplatz. Ü ber die Einhaltung der auf Grund desGefährdungspotenzials notwendigen Maßnahmenwachen Sicherheitsfachkräfte. Die Verarbeiter vonKlebstoffen werden regelmäßig in Fragen der Ar-beitssicherheit und des Umweltschutzes geschultund bei einem besonderen Gefährdungspotenzialarbeitsmedizinisch überwacht.

4.1.2 Verbraucherschutz

Während bei professionellen Anwendungen mögli-che Gefahren durch geeignete Schutzmaßnahmenauch in der Langzeitanwendung sicher beherrschtwerden können, sind an die Klebstoffe, die von pri-

Der verantwortliche Umgang mit Rohstoffen undProdukten von deren Herstellung über die Nutzungbis hin zum Recycling bzw. zur Entsorgung ist heuteein allgemein anerkanntes Prinzip. So gelten bei derEntwicklung und der Herstellung von Klebstoffen seitgeraumer Zeit die Leitlinien des VCI (Verband der Chemischen Industrie) „Responsible Care“ (ver-antwortliches Handeln) und „Sustainable Develop-ment“ (nachhaltige zukunftsverträgliche Entwick-

lung) (Abb. 62). Das bedeutet konkret, dass bei derEntwicklung neuer Klebstoffe Aspekte des Gesund-heitsschutzes und der Umweltverträglichkeit berück-sichtigt werden. Das hat Auswirkungen auf dieZusammensetzung der Klebstoffe, die Produktge-staltung, Empfehlungen in Bezug auf Applikationund Einsatzzweck sowie die Verwertung nach derVerwendung.

4 Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz beim Einsatz der Klebtechnik

58

vaten Verwendern im häuslichen Bereich ohne be-sondere Schutzmaßnahmen benutzt werden, ande-re Ansprüche zu stellen. Dies auch besonders des-halb, weil der private Konsument anders als dergewerbliche in der Regel keine Kenntnisse über dieProdukteigenschaften und Gefährdungspotenzialebesitzt. So sind aus der großen Anzahl der für un-terschiedlichste Anwendungen angebotenen Kleb-stofftypen nur relativ wenige, und dann nur in Klein-verpackungen wie Tuben, Kartuschen oder Dosen,für den Privatanwender erhältlich. Andererseits be-nutzt der Privatanwender Klebstoffe üblicherweisenicht täglich, sondern eher gelegentlich, und diesesauch nur zeit- und mengenmäßig begrenzt. Insofernsind die beschriebenen Maßnahmen des Arbeits-schutzes in der Regel weder möglich noch nötig.Dennoch ist es unabdingbar, dass die auch aufKleingebinden angebrachten Sicherheitshinweisebeachtet werden und Grundprinzipien der Arbeits-hygiene Beachtung finden.

4.1.3 Stoffinduzierte Gesundheits-auswirkungen – Risiko

Die Toxikologie (s. Glossar) bearbeitet Fragestel-lungen zu möglichen stoffinduzierten Wirkungenchemischer Verbindungen sowie Stoffmischungen.Die Bewertung des Gesundheitsrisikos ist einProzess, der in mehreren Schritten abläuft. Dererste ist eine gut begründete Beurteilung von mög-lichen unerwünschten Eigenschaften von Stoffen(Gefä hrdungspotenzial, s. Glossar) auf Grund ermit-telter Daten. Im zweiten Schritt werden die Stoff-mengen, die Art sowie das Ausmaß eines mög-lichen Kontakts ermittelt (Exposition, s. Glossar).

Abschließend wird überprüft, ob eine unerwünsch-te Eigenschaft eines Stoffes durch den vorherseh-baren Kontakt zum Tragen kommen kann. OhneKontakt mit dem unerwünschten Stoff besteht fürden Menschen kein gesundheitliches Risiko. In derRisikobewertung wird ermittelt, ob und in welchemUmfang ein Gesundheitsrisiko vorhanden ist, wel-ches sich aus dem Zusammenwirken des jeweili-gen Gefährdungspotenzials mit der Art und derHöhe der Exposition ergibt (Abb. 63). Während mandie Exposition beispielsweise durch automatisierteVerarbeitung (z. B. Roboter) oder geeignete Schutz-maßnahmen (wie Handschuhe, Absaugung, Schutz-brille etc.) verringern kann, ist das Gefährdungs-potenzial eine grundsätzliche Eigenschaft einesStoffes oder einer Zubereitung (Stoffmischung).Dieses bestimmt die Kennzeichnung. Das Gefähr-dungspotenzial erniedrigt sich im Regelfall, wennder Anteil des gefährlichen Stoffes geringer wird.Häufig können kleine Mengen eines gefährlichenStoffes enthalten sein, ohne dass das Produkt ge-kennzeichnet werden muss (Einstufung, s. Glossar).Physiko-chemische Eigenschaften, die Art undHöhe der Exposition und die Möglichkeit derStoffaufnahme bestimmen die jeweilige Menge unddie daraus resultierende Dosis, die aufgenommenwerden kann. Unterhalb einer bestimmten Dosiswird in der Regel keine unerwünschte Wirkung aus-gelöst. Die Höhe der Dosis ist entscheidend, obund in welchem Ausmaß durch einen Stoff einGesundheitsschaden ausgelöst werden kann. DasMaß des Risikos einer gesundheitlichen Aus-wirkung ermittelt sich demnach aus der Höhe desGefährdungspotenzials des Stoffes und der Höheder Exposition (Kontaktmöglichkeit).


Risikobewertung

ExpositionKontakt mit dem Stoff

ToxischeStoffeigenschaft

Xi

Höhe des Risikos

Höhe desGefährdungspotenzials

Höhe derExposition

59

4.1.4 Gesundheitsschutz in der Kleb-technik – Beispiele toxikologischerBewertungen

Aus der Vielzahl unterschiedlicher Klebstofftypenwerden im Folgenden diejenigen beschrieben, wel-che auch im häuslichen Bereich Anwendung finden.

4.1.4.1 Physikalisch abbindende KlebstoffeDie wirksame Klebsubstanz besteht überwiegendaus festen Polymeren und Harzen, die für dieAnwendung in eine flüssige Form gebracht werdenmüssen. Das kann entweder beim Verarbeiter durchErhitzen (Schmelzklebstoffe) oder beim Klebstoff-hersteller durch Lösen in organischen Lösungs-mitteln bzw. Dispergieren in Wasser geschehen. Dertrockene, vollständig abgelüftete Klebstoff ist imAllgemeinen reaktionsträge und biologisch weitge-hend inert. Eine gesundheitliche Gefährdung ist des-halb in der Regel auszuschließen. Dagegen resultiertein Gefährdungspotenzial aus den teilweise erforder-lichen Hilfsmitteln wie organischen Lösungsmitteln,die bis zu 80 % im Klebstoff enthalten sein können.

Schmelzklebstoffe Diese Klebstoffe enthalten überwiegend Polymereund Harze und nur sehr wenige Hilfsstoffe in kleinenMengen. Ein gesundheitliches Gefährdungspotenzialliegt praktisch nicht vor. Bei der manuellenHeißverarbeitung, dem Aufschmelzen, besteht dieGefahr von Verbrennungen, vor denen sich derVerarbeiter schützen muss. Beim Erhitzen könnenkleine Mengen von Hilfsstoffen, Verunreinigungenoder Rückspaltungsprodukten freigesetzt werden,die aber bei der Verarbeitung kleiner Klebstoff-mengen ohne Belang sind. Im gewerblichen Bereichwird aufgrund der Mengen und langen Zeiträumeeine Absaugung empfohlen.

Lösungsmittelklebstoffe (z. B. Kontaktklebstoffe)In diesen Klebstofftypen sind die Polymere undHarze in organischen Lösungsmitteln gelöst. DasGefährdungspotenzial bestimmt sich durch die Artder verwendeten Lösungsmittel (z. B. Brennbarkeit,Reizpotenzial). Aufgrund ihrer hohen Flüchtigkeit istvor allem die Exposition durch Einatmen der Dämpfezu beachten. Für die meisten Lösungsmittel sindmaximale Konzentrationen am Arbeitsplatz sowieÜ berschreitungsfaktoren festgelegt (Arbeitsplatz-grenzwert, s. Glossar). Diese Grenzwerte werdenaufgrund der kleinen Mengen im Konsumenten-bereich in der Regel nicht erreicht oder nur kurzzeitigüberschritten.

Dispersionsklebstoffe (z. B. Weißleim/Holzklebstoff)Bei diesen Klebstoffen sind die organischenLösungsmittel durch Wasser ersetzt, in denen geeig-nete Polymere dispergiert sind. Das Gefährdungs-potenzial durch die Lösungsmittel entfällt hier.Allerdings sind wasserbasierte Klebstoffe demAngriff von Mikroorganismen ausgesetzt (z. B.Schimmelbildung). Deshalb müssen Dispersions-

klebstoffe mit kleinen Mengen von Konservierungs-mitteln geschützt werden. Das Gefährdungs-potenzial liegt dabei in der Auslösung allergischerHautreaktionen, wie sie auch durch natürlichePolymere, wie Naturlatex und nicht modifizierteKolophoniumharze ausgelöst werden können. DasRisiko einer Sensibilisierung von Nichtallergikern istin der Regel durch die extrem niedrigen Anteile anKonservierungsmitteln in den Klebstoffen äußerstgering. Der Hautkontakt ist dabei die relevanteExposition. Je nach Verwendungszweck kann einHautkontakt unvermeidlich sein, wie beispielsweisebei angerührten Tapetenkleistern. Jedoch ist bei die-sen die Konzentration der Konservierungsmitteldurch das Anrühren mit Wasser reduziert. Da auchallein das längere Tragen von Schutzhandschuhen,unter anderem wegen der ständigen Feucht-belastung (Schwitzen), zu Hautreaktionen führenkann, ist zu überlegen, ob das verbleibende sehrgeringe Risiko bei einem direkten Hautkontakt dasTragen geeigneter Schutzhandschuhe rechtfertigt.

HaftklebstoffeDer private Konsument kommt mit diesen Kleb-stoffen nur in Form von selbstklebend ausgerüstetenArtikeln wie Etiketten, Klebebändern etc. in Berüh-rung. Insofern ist ein Gefährdungspotenzial des pri-vaten Konsumenten in der Praxis nicht vorhanden.Industriell werden derartige Artikel mit Klebstoffenaus Lösung, vor allem aber aus Dispersion und auchSchmelze hergestellt.

4.1.4.2 Chemisch härtende KlebstoffeDie chemisch reaktiven Monomere/Oligomere bzw.Härter/Vernetzungskomponenten bestimmen beidiesen Produkten das Gefährdungspotenzial. Dienach vollständiger Aushärtung vorliegenden Kleb-stoffpolymere haben in der Regel kein Gefährdungs-potenzial. Für die Expositions- und Risikobetrach-tungen ist deshalb der Zeitraum der Verarbeitung biszur vollzogenen Aushärtung relevant.

Sekundenkleber (Cyanacrylatklebstoffe)Diese Klebstoffgruppe reagiert mit Wasser aus derUmgebung oder vom zu klebenden Teil. Da beim pri-vaten Verbraucher im Normalfall nur Tröpfchen zurAnwendung gelangen, liegt das Gefährdungs-potenzial hier in der Problematik, dass bei Haut-kontakt oder Spritzern ins Auge ungewollte Verkle-bungen stattfinden (können mit Seifenlauge allmäh-lich gelöst werden). Bei gewerblicher Anwendung istdie Reizwirkung des Cyanacrylat-Monomers sowiedie thermische Belastung und schnelle Polymeri-sationsreaktion zu beachten. Eine Erhöhung derLuftfeuchtigkeit vermeidet Atemwegsreizungen.Cyanacrylate sind gemäß der Gefahrstoffverordnungspezifisch zu kennzeichnen. Bei umfangreichenArbeiten ist neben einer Einstellung der Luftfeuch-tigkeit das Tragen von Schutzbrille und Hand-schuhen zu empfehlen.

Siliconklebdichtstoffe Silicone reagieren mit Wasser je nach Typ unterAbspaltung von Essigsäure oder Alkoholen, wobei

60

erstere bereits geruchlich deutlich wahrnehmbar ist,bevor eine Reizwirkung eintritt. Im Ü brigen sind dielangsam abgespaltenen Mengen so klein, dass ins-besondere im privaten Bereich kein Risiko besteht.Alte Rezepturen neutraler Silicone, die Butanonoximabspalten, müssen gekennzeichnet werden, sindjedoch nur noch in Spezialbereichen im Einsatz.

EpoxidharzklebstoffeWegen ihrer guten Eigenschaften beispielsweisebeim Kleben von Glas, Keramik oder Metallen wer-den Epoxidharze auch von Heimwerkern gerne ver-arbeitet, zumal durch die Abpackung in derDoppelspritze auch kleinste Mengen gut dosiert undanschließend gemischt werden können. FlüssigeEpoxidharze wie auch Vernetzer sind reizend fürHaut und Augen und können hautsensibilisierendwirken. Insofern sollte auch der Heimwerker Haut-kontakt vermeiden. Bei der industriellen Verarbeitungsind Schutzbrille und geeignete Handschuhe zu tra-gen. Epoxidharze mit einem Molekulargewicht bis700 sind mit Xi-R36/38-43 zu kennzeichnen.Monomere und oligomere Epoxidharze bis zu einerKettenlänge von 3 n sind reizend für Haut und Augenund hautsensibilisierend.

4.1.5 Klebstoffauswahl

Im privaten Bereich gibt es seitens des Gesetz-gebers keine Regelung, sie wird sich insbesonderean den Erfahrungen des Benutzers und denEmpfehlungen des Klebstoffherstellers orientieren.Im gewerblichen und besonders im industriellenBereich hat sich die Auswahl des geeignetenKlebstoffsystems für den jeweiligen Anwendungs-zweck nach den technischen Erfordernissen unddem Gefährdungspotenzial zu richten. Bei gleicherEignung ist das Produkt mit dem niedrigerenGefährdungspotenzial vorzuziehen. Ist aus techni-schen Gründen ein Klebstoff mit Gefährdungs-potenzial unverzichtbar, ist die Exposition durchgeeignete Maßnahmen bis hin zur Automatisierungder Verarbeitung so zu begrenzen, dass ein gesund-heitliches Risiko vermieden wird. Unter Berück-sichtigung dieser und der weiteren in diesem Kapitelbeschriebenen Regeln ist ein sicherer Umgang mitKlebstoffen gewährleistet. Die Klebstoffherstellerleisten dazu Hilfestellung mit Informationen in ihrenTechnischen Merkblättern und Sicherheitsdaten-blättern. Im Bedarfsfall sollte sich der Anwenderdirekt an den Hersteller wenden. Wie aus denAusführungen dieses Kapitels ersichtlich, unterneh-men die Hersteller von Klebstoffen erheblicheAnstrengungen für den Gesundheitsschutz privaterVerbraucher wie auch professioneller Anwender. Andieser Stelle muss festgehalten werden, dass men-genmäßig nur ein kleiner Teil der Klebstoffe alsgefährliche Zubereitung einzustufen ist.

Die Beachtung der Sicherheitshinweise auf denGebinden für die Privatkonsumenten sowie dieEinhaltung der geltenden Vorschriften in denBetrieben dienen dem Schutz der Menschen gemäßdem Motto: „Vorbeugen ist besser als Heilen“.

4.2 Umweltschutz in der Klebtechnik

Umweltaspekte haben in den letzten Jahrzehntenzunehmend an Bedeutung gewonnen. Einen positi-ven Beitrag zeigt folgendes Beispiel: In der Auto-mobilfertigung werden pro Fahrzeug bis zu 40 kgKlebdichtstoffe eingesetzt. Ziel ist vor allem dieEinsparung an Energie in Form von Treibstoff durchso genannten „Leichtbau“, da über die Lebensdauerdes Autos weniger Gewicht bewegt werden mussund so Ressourcen geschont werden (Bsp. 3-Liter-Auto). Auf der anderen Seite kann Klebstoff im glei-chen Beispiel auch zur Umweltbelastung werden,wenn Reste aus Verarbeitung und evtl. Reinigunganfallen. Nach Ende des Lebenszyklus des Fahr-zeugs darf die eingesetzte Klebstoffmenge das Re-cycling nicht behindern und muss ordnungsgemäßentsorgt werden. Zur Bestimmung der Auswirkungenauf die Umwelt wird im Vorfeld eine Expositions-analyse durchgeführt. Hierzu wird die zu erwartendeKonzentration in der Umwelt rechnerisch ermittelt.Gleichzeitig wird die Konzentration bestimmt, bei derkeine Schädigung der Umweltorganismen zu erwar-ten ist. Die Berechnungsmodelle und Bestimmungs-methoden sind international standardisiert. EineBeeinträchtigung oder Gefährdung der Umwelt kannmit Sicherheit ausgeschlossen werden, wenn dieerrechnete Konzentration in der Umwelt (PEC) nie-driger ist als die vorhergesagte Konzentration, beider unter Berücksichtigung von Sicherheitsfaktorenkeine Schädigung von Umweltorganismen verur-sacht wird (PNEC).

4.2.1 Luft

Eine Beeinträchtigung der Luft stellen die Immissi-onen von organischen Lösungsmitteln dar. Insofernwerden seit vielen Jahren seitens der Klebstoff-industrie erhebliche Anstrengungen unternommen,auf lösungsmittelreduzierte oder möglichst -freieKlebstoffe umzustellen. Hier konnten schon guteErfolge erzielt werden, was auch in Hinblick auf denGesundheitsschutz vorteilhaft ist. Das Kleben hat an der Gesamtlösungsmittelemission in Europa nurnoch einen Anteil von 5 %. Die wenigen großenAnwendungen im Industriebereich arbeiten mitLösungsmittelrückgewinnungsanlagen. Ein typi-sches Beispiel zeigt der Baubereich. Lag der Anteilder Lösungsmittelklebstoffe 1985 noch bei rund 50 %, waren es 1997 weniger als 10 % mit weitersinkender Tendenz. Die Substitution erfolgte vorallem durch Dispersionsklebstoffe (Abb. 64).

4.2.2 Wasser

Speziell bei Dispersionsklebstoffen besteht die Ge-fahr von Gewässerbelastungen. Organische Poly-mere und Prepolymere sind zwar biologisch schwerabbaubar, können aber in biologischen Kläranlagenmit dem Ü berschussschlamm eliminiert werden. Beider Verwendung im Handwerk, Haushalt und Do-it-yourself-Bereich gelangen üblicherweise relativgeringe Mengen Klebstoff in große Mengen Ab-wasser (kommunale Kläranlage). Aufgrund der übli-

61

Abbildung 64

Substitution von lösungsmittelhaltigen Klebstoffenin der Bauklebstoffindustrie 1985–1997

100

80

60

40

20

0

1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997

Dispersionsklebstoffe LM-Klebstoffe

in %

cherweise geringen Toxizität von Polymeren gegenWasserorganismen und der sehr niedrigen Konzen-tration von Klebstoffen im Abwasser ist in diesemFall eine Schädigung der Kläranlage und des ange-schlossenen Oberflächengewässers (Vorfluter) nichtzu erwarten. Im industriellen Bereich anfallendeRestmengen sowie Spülwässer müssen gemäß derAbfallgesetze entsorgt werden.

4.2.3 Boden

Im Privatbereich werden flüssige Klebstoffreste inden Schadstoffmobilen gesammelt, häufig aber auchmit dem Hausmüll entsorgt, wobei die Mengen kleinsind. Im gewerblichen Bereich richtet sich dieEntsorgung nach so genannten Abfallschlüssel-nummern (entnimmt der Verarbeiter den Sicher-heitsdatenblättern), welche die Entsorgung regeln.Ü blicherweise werden Klebstoffreste deponiert oderverbrannt, wobei in den entsprechenden Verbren-nungsanlagen spezifische Luftbelastungen nicht zuerwarten sind. Die bei der Herstellung der Klebstoffeaufgewandte Energie kann hierbei zum Teil wiederzurückgewonnen werden.

4.2.4 Beispiele zur Bewertung desUmweltverhaltens von Klebstoffen

4.2.4.1 Klebstoffe bei der Produktion bzw. imindustriellen Einsatz

Im industriellen Bereich fallen sowohl ausgehärteteKlebstoffreste als auch unvernetzte und flüssigeKlebstoffe an. Erstere werden ebenso wie dieFeststoffe als Abfälle direkt der Entsorgung, oderbesser der Weiterverwendung, zugeführt. Im ökolo-gisch ungünstigsten Fall werden sie deponiert, übli-cherweise jedoch weiter verwendet, sei es über

Kompostierung oder zur Energiegewinnung durchVerbrennung. Flüssige Klebstoffe werden behand-lungsbedingt mit dem Abwasser entsorgt und direktoder – ggf. nach einer spezifischen Vorbehand-lungsmaßnahme – in eine Kläranlage eingeleitet unddort biologisch abgebaut oder eliminiert.

4.2.4.2 Klebstoffe im Haushalt beimEndverbraucher

Klebstoffe beim Endverbraucher gehören zu unter-schiedlich zu betrachtenden Gruppen:

• Feste Klebstoffabfälle im Haus wie ausgehärteterPapier- oder Holzleim werden überwiegend mitdem Müll entsorgt.

• Zur Entfernung wasserlöslicher, ausgehärteterKlebstoffe im Haus wird in der Regel – wie beimTapetenkleister – Wasser verwendet. Dieses kleb-stoffhaltige Wasser wird mit dem Abwasser überdie Kläranlage entsorgt. Die mehr oder wenigergelösten Klebstoffanteile, z. B. Cellulose-Derivate,sind unter realen Umweltbedingungen gut elimi-nierbar, so dass nur relativ geringe Mengen in denVorfluter (Fluss) gelangen. Bei der Verrottung(Kompostierung) wird Cellulose – wie von pflanz-lichem Material bekannt – langsam, aber gründlich zersetzt.

• Klebstoffe am Haus, wie z. B. Dachrinnen-klebstoffe, oder im Umfeld, wie z. B. am Auto,sind Auswaschungsprozessen durch Regen undähnlichen Prozessen ausgesetzt, so dass mitdem Wasser eine kleine Menge an Klebstoff-bestandteilen über den Regenwasserkanal direktin den Fluss gelangt.

62

Unter Berücksichtigung aller verwendeten Klebstoffewird die zu erwartende Umweltkonzentration (PEC)ermittelt. Dabei wird die ungünstigste Situation vo-rausgesetzt, um zu gewährleisten, dass alle denkba-ren Möglichkeiten erfasst sind (Abb. 65).

4.2.5 Ausblick

Klebstoffe insgesamt stellen zwar kein brisantesUmweltproblem dar, ausgehärtete und nicht mehrverwertbare Restmengen sowie Applikationsüber-schüsse sind jedoch Abfälle. Diese müssen nicht nurentsorgt werden, sondern stellen auch einen unnöti-gen Verbrauch an Material und Ressourcen dar. Die

wiederverwertbare Konstruktion aufgrund lösbarerKlebverbindungen wird in der Zukunft eine wichtigeFrage sein. Neben Technologien zur Trennung ver-klebter Materialien wird eine weitere Herausforde-rung der Klebtechnik die ressourcenschonendeOptimierung der Produktions- und Applikations-prozesse sein. Auf der anderen Seite wird es erfor-derlich sein, nicht entfernbare Klebstoffe in den spä-teren Recyclingprozess einzubinden. Dies bedeutet,dass der entsprechende Klebstoff schon bei derHerstellung eines Fügeteils auf den nach derLebensdauer einsetzenden Wiedergewinnungspro-zess abgestimmt sein muss.


keine Umwelt-gefährdung,da: PNEC > PEC

festerKlebstoff

wasserlöslicherKlebstoff

Regen

Klebstoff am Haus

Kleben im HausKlebstoff im Umfeld

RestmengeKlebstoff

eliminierter KlebstoffEntsorgung

PNEC (Konzentration,die keine Umweltschädenverursacht)

PEC (zu erwartendeUmweltkonzentration)

ausgewaschener Klebstoff

Klebstoffe beim Endverbraucher

63

5 Versuchsanordnungen

Geräte Schutzbrille, Reagenzgläser,Reagenzglasklammer, Spatel, Brenner,Messer

Chemikalien/Materialien Klebstoffproben: z. B.Holzleim: Ponal® oder Uhucoll® oderTapetenkleister, z. B. Metylan® oder Glutolin® oderSchmelzklebstoff, z. B. Pattex® Patronen oderUhu® Klebepatronen

Warnhinweise Keine lösungsmittelhaltigen Kleb-stoffe mit der Kennzeichnung „F“ „(leicht) ent-zündlich“ verwenden! Raum gut lüften! Dämpfenicht einatmen! Entstehende Dämpfe können sichentzünden! Schutzbrille tragen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)von den Verpackungen der verwendeten Klebstoffeauf die Arbeitsblätter übertragen!

Einzelne Klebstoffproben werden etwa 1/2 cm hochin ein Reagenzglas gegeben. Anschließend wirdkräftig in der Brennerflamme erhitzt.

Erweiterung: Feste Klebstoffe (z. B. Schmelzkleb-stoff oder Tapetenkleister) mit Kupfer(II)-oxidmischen und in ein Reagenzglas (Supremax® )geben. Kräftig erhitzen. Die entweichenden Dämpfein Kalkwasser (Lösung von Ca(OH)2 in Wasser) lei-ten. Achtung! Das Kalkwasser darf beim Abkühlennicht in das heiße Reagenzglas aufsteigen! Kalk-wasser erst entfernen, dann das Erhitzen beenden!

Versuch 1: Die meisten Klebstoffe sind aus organischen Grundstoffen aufgebaut(Kohlenstoffnachweis)

Geräte 2 Bechergläser (250 ml, hohe Form),2 Glasrührstäbe, Taschenlampe, Karton (DIN A5,schwarz), Schere, Spatel

Chemikalien/Materialien Vielzweckklebstoff, z. B.Uhu® flinke Flasche, Pritt® Alleskleber,Tesa® Vielzweckkleber,Tapetenkleister, z. B. Metylan® oder Glutolin®,

Wasser


Ein Becherglas wird bis etwa 1 cm unter den Randmit Wasser gefüllt. Dann fügt man 5 SpatelspitzenTapetenkleister hinzu und rührt gut um. EinigeMinuten quellen lassen. Den Karton rollt man trich-terförmig zusammen und klebt ihn mit Vielzweck-klebstoff so, dass eine ffnung von ca. 1 cm Ø ent-Östeht. Man verdunkelt den Raum und leitet dasLicht der Taschenlampe durch die Trichteröffnung.Das Becherglas mit dem Tapetenkleister wird in den Strahlengang der Lampe gestellt.

Zur Kontrolle wiederholt man den Versuch miteinem Becherglas voll Wasser.

Versuch 2: Klebstoffe bestehen aus Makromolekülen (Tyndalleffekt)

Geräte 2 plan geschliffene Glasplatten (Abdeck-scheiben, Dicke ca. 1,0 cm, Ø ca. 12 cm), jeweilsmit Griff auf der Mitte der nicht geschliffenen Seite 2 Glasplatten mit rauer Oberfläche (Kathedralglas), sonst Ausführung wie oben, Becherglas (250 ml),Pipette

Chemikalien/Materialien Wasser (hier: Klebstoff-ersatz), Ö l (Speiseöl oder Ä hnliches)

Hinweis Achtung! Die Oberflächen der Platten dür-fen nicht mit den Fingern oder Händen berührt wer-den, damit sie nicht verschmutzen!

Durchführung Das Becherglas wird mit Wassergefüllt. Die gesamte Oberfläche einer plan geschlif-fenen Platte wird mit Hilfe der Pipette mit Wasserbenetzt, dann wird vorsichtig eine zweite Platte da-rauf gelegt. Versuche, die beiden Platten durch Zugsenkrecht voneinander zu trennen.

Versuch 3a Eine der beiden plan geschliffenenPlatten wird dünn mit Ö l bestrichen, dann die ande-re Platte mit Wasser benetzt. Man fügt die Plattenvorsichtig zusammen und versucht, sie durch Zugsenkrecht voneinander zu trennen.

Versuch 3b Versuch 3 mit Kathedralglas wiederholen.

Versuch 3: Wirkungsweise der Klebstoffe (Prinzip der Adhäsion)

64

Geräte 2 Bechergläser (250 ml, weite Form),Glasrührstab, Brenner, Dreifuß, Wärmeschutznetz, Messzylinder, Waage, Spatel, Pinsel

Chemikalien/Materialien Maisstärke o. Ä .,Wasser, Salicylsäure, Schreibpapier

Durchführung Aus 10 g Stärke und 10 ml Wasserwird ein Brei hergestellt. Man erhitzt ca. 120 mlWasser bis zum Sieden und löst den Brei unterUmrühren darin auf. Anschließend wird eineSpatelspitze Salicylsäure zugesetzt. Nun kann manmit Papier diverse Klebversuche durchführen.

Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe,Becherglas (250 ml), Glasrührstab, Messzylinder,Waage, Pinsel

Chemikalien/Materialien Natronlauge (ca. 7%ig)Salzsäure (10%ig), Stärkepulver, Wasser,Universal-Indikatorpapier, Schreibpapier,Papierklebstoff, z. B. Pritt® Stift, Uhu® Stic oderTesa® Klebstift

Warnhinweise Säuren und Laugen verursachenVerätzungen! Schutzbrille und Schutzhandschuhetragen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)der verwendeten Chemikalien von der Gefahrstoff-verordnung, der verwendeten Klebstoffe von denVerpackungen auf die Arbeitsblätter übertragen!

Zunächst stellt man eine 20%ige Stärkesuspension(etwa 50 ml) her, zu der nach und nach unterRühren verd. Natronlauge zugesetzt wird, bis eine viskose Lösung entsteht. Anschließend wird mitSalzsäure neutralisiert. Mit dem Stärkekleister führtman Klebversuche an Papier durch. Diese Versuchewerden mit industriell gefertigten Klebstoffen (z. B.den genannten Klebstiften) wiederholt. An-schließend vergleicht man die Ergebnisse.

Geräte 3 Bechergläser (100 ml), 3 Glasrührstäbe,Spatel

Chemikalien/Materialien Methylcellulose, z. B.Metylan® oder Glutolin® , Wasser, Aceton,Ethylacetat

Warnhinweise Aceton und Ethylacetat sind leichtentzündlich! Alle Flammen löschen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)der verwendeten Lösungsmittel von der Gefahr-stoffverordnung auf die Arbeitsblätter übertragen!

Ein Becherglas wird zu 1/3 mit Wasser gefüllt. Dannfügt man 5 Spatel voll Methylcellulose hinzu undrührt gut um. 15 bis 20 Minuten warten. Man wieder-holt den Versuch mit den anderen Lösungsmitteln.

Geräte Becherglas (250 ml), Pipette, Aluminium-blech (Oberfläche nicht entfettet), Aluminiumblech(Oberfläche entfettet und angeraut), PVC-Platte,PE-Platte

Chemikalien Wasser

Hinweis Oberflächen nicht mit den Fingern o. Ä .berühren.

Durchführung Das Becherglas wird mit Wassergefüllt. Mit Hilfe der Pipette tropft man vorsichtigWasser auf die Oberflächen der verschiedenenWerkstoffe.

Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe,Becherglas (250 ml), Glasrührstab, Waage,Messzylinder, Wäscheklammern, Pinsel

Chemikalien/Materialien Casein (Säurecasein),verd. Natronlauge (ca. 4%ig), Sperrholzbrettcheno. Ä . (ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,5 cm)

Warnhinweise Natronlauge verursacht Verät-zungen! Schutzbrille und Schutzhandschuhetragen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)von Natronlauge von der Gefahrstoffverordnung aufdie Arbeitsblätter übertragen! Man gibt 25 ml verd.Natronlauge in ein Becherglas und löst unterRühren 10 g Casein darin auf. Einige Minuten quel-len lassen! Der Klebstoff wird vor dem Verarbeitenevtl. mit etwas Wasser streichfähig gemacht. Dannwerden Klebversuche durchgeführt, dabei kannman Klebstellen mit Hilfe der Wäscheklammern solange fixieren, bis der Klebstoff abgebunden ist.

Versuch 4: Benetzen von Werkstoffoberflächen – Oberflächenspannung

Versuch 5: Herstellen von Caseinleim

Versuch 6: Herstellen von Stärkekleister (I)

Versuch 7: Herstellen von Stärkekleister (II)

Versuch 8: Herstellen einer Methylcellulose-Lösung

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Geräte Klebepistole, z. B. Pattex® Supermatik,Uhu® Pistole oder Klebepistolen von Bosch® , Black & Decker® oder Steinel® , Thermometer

Materialien Dünne Aluminiumfolie,Holzbrettchen (ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,5 cm),Schmelzklebstoff-Patronen, z. B. Pattex® Patronenoder Uhu® Klebepatronen

Warnhinweise Flüssigen Klebstoff nicht mit denFingern berühren! Verbrennungsgefahr!

Durchführung Die Eintauchspitze des Thermo-meters wird vorsichtig mit dünner Aluminiumfolieumwickelt (Thermometerschutz). Man bringt Schmelzklebstoff-Patronen in der Klebepistole zumSchmelzen. Achtung! Verarbeitungshinweisebeachten!

Die Temperatur des Klebstoffs wird nach Austrittaus der Düse gemessen. Dann trägt man den flüs-sigen Klebstoff auf ein Holzbrettchen auf und klebtes mit einem anderen Holzbrettchen zusammen.Nacheinander trägt man verschieden großeKlebstoffmengen auf die Holzbrettchen auf undprüft die Abkühlung der Schmelze mit Hilfe desThermometers. Bei Bedarf muss man den Klebstoffwieder kurz erwärmen, damit das Thermometer ausder Schmelze herausgezogen werden kann. Die Festigkeiten der Klebungen prüft man von Hand(Trennversuch).

Versuch 9a Flüssigen Schmelzklebstoff trägt manauf Holzbrettchen auf und wartet 1, 1,5 und 2Minuten bis zum Zusammenfügen mit einem ande-ren Holzbrettchen. Nach etwa 30 Minuten wird dieFestigkeit der Klebungen von Hand geprüft.

Geräte Magnesiarinne, Reagenzglas, Reagenz-glasklammer, Reagenzglashalter, Brenner

Chemikalien/Materialien LösungsmittelhaltigerKlebstoff, z. B. Pattex® oder Uhu® greenit

Warnhinweise Raum gut lüften! Unter dem Abzugarbeiten!


a) Man tropft etwas lösungsmittelhaltigen Klebstoff(ca. 3 g) auf eine Magnesiarinne und hält sie mitHilfe der Klammer in die Brennerflamme, so dasssich der Klebstoff entzündet.

b) Man gibt etwas Klebstoff (ca. 3 g) in dasReagenzglas, hält es in die Brennerflamme underhitzt vorsichtig. Dabei versucht man, die ent-weichenden Dämpfe zu entzünden.

Versuch 10: Klebstoffe können organische Lösungsmittel enthalten

Versuch 9: Schmelzklebstoffe – Eigenschaften und Verwendung

Geräte 4 Reagenzgläser, Reagenzglasgestell, 4 kleine Etiketten, Bleistift o. Ä ., 4 Korkstopfen, 2 Glasplatten, Messer oder Zange, Pinsel

Chemikalien/Materialien Polystyrol (PS),Polymethylmethacrylat (PMMA), Aceton oderButylacetat

Warnhinweise Aceton und Butylacetat sind leichtentzündlich! Alle Flammen löschen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)der verwendeten Lösungsmittel von der Gefahr-stoffverordnung auf die Arbeitsblätter übertragen!

1. Herstellung des KlebstoffsDie vier Reagenzgläser werden etwa 2 cm hoch miteinem der Lösungsmittel gefüllt. Dann gibt man 3etwa erbsengroße Stücke des jeweiligen Kunst-stoffs hinein und beschriftet die Gläser entspre-chend. Man verschließt sie mit den Korkstopfenund lässt sie bis zum nächsten Tag stehen. Manschüttelt etwas und verdünnt evtl. noch mit dementsprechenden Lösungsmittel. Jetzt gießt man diebeiden Klebstoffe aus zwei der Reagenzgläser aufGlasplatten und lässt das Lösungsmittel unter demAbzug verdunsten.

2. KlebenDie jeweils zurückbleibenden Kunststoffe werdenvon den Glasplatten abgetrennt, in Stücke ge-schnitten und mit dem entsprechenden in Reservegehaltenen Klebstoff geklebt. Nicht mehr benötig-ten Klebstoff gießt man ebenfalls auf Glasplattenund lässt das Lösungsmittel unter dem Abzug ver-dunsten.

Versuch 11: Gelöste Kunststoffe als Klebstoff

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Geräte Becherglas (100 ml), Glasrührstab, Dreifuß, Wärmeschutznetz, Brenner, Thermometer (bis 100 ° C), MesszylinderWaage, Pinsel

Chemikalien/Materialien Polyvinylalkohol (PVA),Papierstreifen, Wasser

Durchführung In das Becherglas füllt man 50 mlWasser und erwärmt auf ca. 85 ° C. Anschließendwerden etwa 3 g Polyvinylalkohol dazugegebenund unter Umrühren aufgelöst. Den entstandenenKlebstoff trägt man dünn auf Papier auf und führtentsprechende Klebversuche durch.

Geräte Becherglas (100 ml), Glasrührstab, Waage, Messzylinder

Chemikalien/Materialien Polyvinylacetat (PVAc),Ethylacetat, Papier, Pappe, StoffresteKunststoffplättchen, ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,08 cm,Holzbrettchen, ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,08 cm,Metallplättchen, ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,08 cm

Warnhinweise Ethylacetat ist leicht brennbar! Alle Flammen löschen! Versuch unter dem Abzugdurchführen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)von Ethylacetat von der Gefahrstoffverordnung aufdie Arbeitsblätter übertragen!

In das Becherglas füllt man 30 ml Ethylacetat undlöst unter Umrühren 8 g Polyvinylacetat darin auf.Evtl. muss man zunächst etwas quellen lassen. Mit verschiedenen Materialien werden Klebver-suche durchgeführt.

Geräte Schutzbrille, 3 Reagenzgläser,Reagenzglasklammer, Reagenzglasständer,Brenner, Spatel, Siedesteinchen

Chemikalien/Materialien Holzleim, z. B. Ponal®

oder Uhucoll® , Polyvinylacetat (PVAc)-Pulver, verd. Natronlauge (etwa 1%ig), Eisen(III)-chlorid,destilliertes Wasser

Warnhinweise Natronlauge verursacht Verät-zungen! Schutzbrille tragen! Gefahr des Siedever-zuges! Siedesteinchen verwenden!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)von den Verpackungen der Klebstoffe, für die ver-wendeten Chemikalien von der Gefahrstoff-verordnung auf die Arbeitsblätter übertragen!

Das erste Reagenzglas wird etwa zu 1/3 mit dest.Wasser gefüllt, in das man eine SpatelspitzeHolzleim fügt und durch leichtes Schütteln auflöst,anschließend gibt man eine Spatelspitze Eisen(III)-chlorid dazu und schüttelt kurz.

Das zweite Reagenzglas wird etwa zu 1/3 mit verd.Natronlauge gefüllt, zu der man ebenfalls eineSpatelspitze Holzleim und Siedesteinchen hinzu-fügt. Vorsichtig schüttelt man und erhitzt kurz in derBrennerflamme. Nach dem Abkühlen wird mit einerSpatelspitze Eisen(III)-chlorid vermischt.

Dieser Versuch wird mit Polyvinylacetat wiederholt.

Versuch 12: Ein einfacher Vielzweckklebstoff

Versuch 13: Nachweis von Polyvinylacetat in Holzleim

Versuch 14: Herstellen und Prüfen einer Polyvinylalkohol-Lösung

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Geräte Messer

Chemikalien/Materialien Sekundenklebstoffe(Cyanacrylsäureester), z. B. Pattex® Blitz-Kleber,Uhu® Sekundenkleber oder Loctite® UniversalKleber, Kunststoffplättchen (PVC*, PMMA* oderABS*), ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,08 cmGummistücke, z. B. aus einer Gummischnurzurechtschneiden, Metallplättchen (Al, Fe) nichtentfettet, ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,08 cm Metallplättchen (Al, Fe) entfettet, Maße: sieheoben, Aceton

Warnhinweise Vorsicht beim Umgang mitSekundenkleber! Sekundenkleber können Hautver-klebungen verursachen! Hinweise auf der Klebstoff-verpackung beachten! Aceton bereithalten! Raumgut lüften! Achtung! In der S I den Versuch nichtals Schülerversuch durchführen lassen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)des verwendeten Lösungsmittels aus der Gefahr-stoffverordnung und der eingesetzten Klebstoffevon den Verpackungen auf die Arbeitsblätter über-tragen!

Auf ein Kunststoffplättchen trägt man 1 TropfenSekundenklebstoff auf, legt ein anderes Kunst-stoffplättchen darüber und drückt kurz fest. Ebensoverfährt man mit den Gummistücken und mit denMetallplättchen.

Man prüft die Klebstellen insbesondere bei den ent-fetteten und nicht entfetteten Metalloberflächen.Festigkeiten werden nach 1, 3, 10 und 30 Minutenund 24 Stunden geprüft.

Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe,Mischwanne, Pappe oder dicke Polyethylenfolie,Rührstab, Wäscheklammern

Chemikalien/Materialien Epoxidharz, z. B.Pattex® Kraft-Mix, Harz oder Uhu® plus, Harz,Kalthärter, z. B. Pattex® Kraft-Mix, Härter oderUhu® plus, Härter, Kunststoffplättchen (keinPolyethylen oder Polypropylen!),ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,08 cm,Metallplättchen, ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,08 cm,Schleifpapier, Waschbenzin (zum Entfetten)

Warnhinweise Hinweise des Herstellers beachten!Hautkontakt vermeiden! Raum gut lüften! Dämpfenicht einatmen! Waschbenzin ist leicht entzündlich!Alle Flammen löschen! Achtung! In der S I den Ver-such nicht als Schülerversuch durchführen lassen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)von den Verpackungen der verwendeten Klebstoffeund für Benzin von der Gefahrstoffverordnung aufdie Arbeitsblätter übertragen!

Zuerst werden die Werkstoffe angeraut und entfet-tet. Dann mischt man das Epoxidharz mit demHärter in der Mischwanne, auf Pappe oder dickerPolyethylenfolie im jeweils angegebenen Verhältnisgut durch, trägt den Klebstoff dünn auf dieWerkstoffe auf und fügt die Teile zusammen, Ü ber-lappungslänge: 1,2 cm. Die Klebstellen werden z. B.mit Wäscheklammern fixiert. Aushärtungszeitbeachten! Nach dem Aushärten prüft man dieKlebungen von Hand auf Festigkeit. Vorsicht!Hände durch Stofflappen schützen.

Versuch 15: Wirkungsweise und Eigenschaften der Sekundenklebstoffe

Versuch 16: Wirkungsweise und Verwendung von Epoxidharzklebstoffen

* PVC = PolyvinylchloridPMMA = Polymethylmethacrylat (Acrylglas)ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer

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Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe,Reagenzglas, Reagenzglasklammer,Reagenzglasständer, Brenner, Minipresse oderBügeleisen, Trockenschrank, Messzylinder, Waage,Glasrührstab

Chemikalien/Materialien Melamin (2,4,6-Triamino-1,3,5-triazin), Formaldehyd-Lösung, 35%ig,verd. Natronlauge (ca. 4%ig),verd. Schwefelsäure (ca. 2%ig),Indikatorpapier, Furnierholzstreifen

Warnhinweise Beim Arbeiten mit Natronlauge,Schwefelsäure und Formaldehyd-Lösung Schutz-brille und Schutzhandschuhe tragen! Formaldehydsteht im Verdacht, krebserregend zu sein! Unterdem Abzug arbeiten! Achtung! In der S I nicht alsSchülerversuch durchführen lassen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)der genannten Chemikalien von der Gefahrstoff-verordnung auf die Arbeitsblätter übertragen!

In einem Reagenzglas setzt man 5 ml einerschwach alkalischen Formaldehyd-Lösung an (pH-Wert etwa 7-8) und fügt 2,5 g Melamin hinzu. Dannwird vorsichtig mit kleiner Flamme erwärmt, bis sichdas Melamin gelöst hat und die Masse etwas zäh-flüssig geworden ist. Nach dem Abkühlen säuertman mit verd. Schwefelsäure (pH-Wert etwa 6) anund erhitzt erneut kurz, bis die Masse zähflüssigwird. Furnierholzstreifen werden mit der Massebestrichen und in der Presse aufeinander geschich-tet. Dann wird gut zusammengepresst. Im Trocken-schrank lässt man den Klebstoff bei etwa 130 ° Caushärten. Zusammenpressen und Aushärten kön-nen auch mit einem heißen Bügeleisen (EinstellungLeinen) vorgenommen werden.

Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe,Pappbecher, Glasrührstab, Alufolie oderPolyethylenfolie, Waage, Stoppuhr

Chemikalien/Materialien Diisocyanat, z. B.Pattex® Montage Füllkleber, Härter, Polyalkohol,z. B. Pattex® Montage Füllkleber, Harz,Kunststoffplättchen mit angerauter Oberfläche(kein Polyethylen oder Polypropylen), ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,5 cm, Schleifpapier

Warnhinweise Pattex® Montage Füllkleber enthältDiisocyanate. Hinweise des Herstellers beachten!Kontakt mit Augen, Schleimhaut und Haut vermei-den.Von Kindern fern halten. Bei Berührung mit denAugen gründlich mit Wasser abspülen und Arztkonsultieren. Bei Berührung mit der Haut sofort mitviel Wasser abwaschen. Alufolie oder Polyethylen-folie als Arbeitsunterlage verwenden. Achtung! Inder S I den Versuch nicht als Schülerversuchdurchführen lassen!


Harz und Härter werden im angegebenenMischungsverhältnis (2:1) auf der genanntenUnterlage gemischt und gut umgerührt. Dann trägtman den Klebstoff dünn auf die Fügeflächen zweierKunststoffplättchen auf, legt die Fügeteile mit denKlebflächen übereinander (Ü berlappungslänge: 1,2cm) und drückt kurz fest, gegebenenfalls fixieren.Dann lässt man den Klebstoff aushärten. DieTopfzeit der Harz/Härter-Mischung beträgt 8 bis 10Minuten. Die Aushärtezeit beträgt ca. 5 Stunden.Nach dem Aushärten kann man Trennversuche vonHand durchführen. Vorsicht! Hände durch Stoff-lappen schützen!

Versuch 17: Herstellen und Prüfen von Polyurethan-Klebstoffen

Versuch 18: Melaminharz-Klebstoff

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Geräte Schutzbrille, Messzylinder,Schutzhandschuhe, Waage, Reagenzglas,Glasrührstab, Reagenzglasklammer, Pinsel,Reagenzglasständer, Pipette, Brenner,Siedesteinchen, Minipresse oder Bügeleisen,Becherglas (400 oder 500 ml), Trockenschrank

Chemikalien/Materialien Harnstoff,Formaldehyd-Lösung, ca. 35%ig,verd. Natronlauge, ca. 4%ig,Ammoniumchlorid-Lösung (gesättigt),Furnierholzstreifen, Holzbrettchen

Warnhinweise Beim Arbeiten mit Natronlauge undFormaldehyd-Lösung Schutzbrille und Schutz-handschuhe tragen! Formaldehyd steht imVerdacht, krebserregend zu sein. Unter dem Abzugarbeiten! Vorsicht beim Erhitzen! Siedeverzug mög-lich! Siedesteinchen verwenden! Achtung! In der S I nicht als Schülerversuch durchführen lassen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)der genannten Chemikalien von der Gefahrstoff-verordnung auf die Arbeitsblätter übertragen!

In ein Reagenzglas gibt man 3 g Harnstoff und fügt3 ml Formaldehyd-Lösung hinzu. Durch Erwärmenwird der Harnstoff aufgelöst. Dann fügt man 1 bis 2Siedesteinchen und ca. 15 bis 20 Tropfen verd.Natronlauge hinzu. Unter vorsichtigem Schüttelnwird leicht erhitzt, bis die Flüssigkeit zähflüssig wird.Einen Furnierholzstreifen bestreicht man dünn mitdem entstandenen Klebstoff. Ein Holzbrettchentränkt man mit Ammoniumchlorid-Lösung. Die bei-den Teile werden in der Presse mit den Klebflächenübereinander gelegt und fest zusammengepresst.Den Klebstoff lässt man im Trockenschrank bei 120bis 130 ° C aushärten. Pressen und Aushärten kön-nen auch mit einem heißen Bügeleisen (EinstellungLeinen) vorgenommen werden.

Geräte Ziehspachtel, Schere, Lineal, Bleistift, Uhr,Massestück (m = 1 kg)

Materialien Kontaktklebstoff, z. B. Pattex® , Kraft-kleber oder Uhu® greenit, Zeichenkarton (DIN A5),Gummiplättchen

Warnhinweis Alle Flammen löschen! Raum gut lüften!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)des verwendeten Klebstoffs von der Verpackungauf die Arbeitsblätter übertragen!

Den Zeichenkarton unterteilt man mit Hilfe vonBleistift und Lineal in 5 mm breite Streifen. Mit demZiehspachtel trägt man einen dünnen Klebstofffilm(Dicke etwa 300 µm) auf. Nach dem Abdunsten desLösungsmittels (nach 10 bis 15 Minuten) schneidetman in Abständen von 15 Minuten jeweils einenStreifen ab und halbiert ihn. Die Streifenstücke wer-den mit den Klebstoffschichten über Kreuz aufein-ander gelegt. Ü ber die Klebfläche legt man einGummiplättchen und belastet es mit dem Masse-stück 10 Sekunden. Danach wird versucht, die zu-sammengefügten Hälften zu trennen. Sobald diesohne Materialriss möglich ist, ist die offene Zeit desKontaktklebstoffs beendet.

Geräte Zahnspachtel (z. B. aus dem Baumarkt),Tapetenwalze o. ., Stecheisen, SchraubstockÄ

MaterialienSchichtpressstoffplatte, ca.12 cm x 12 cm, Spanholzplatte, ca.12 cm x 12 cm, Oberflächensollten staub- und fettfrei sein.Kontaktklebstoff, z. B. Pattex® Kraftkleber, Pattex® transparent oder Uhu® greenit,Vielzweckklebstoff

Warnhinweise Alle Flammen löschen! Raum gutlüften! Vorsicht beim Umgang mit dem Stecheisen!Achtung! In der S I nicht als Schülerversuch durch-führen lassen!


Den Kontaktklebstoff trägt man mit einem Zahn-spachtel auf die Rückseite der Schichtpress-stoffplatte und auf die Spanholzplatte auf. Nacheiner Ablüftzeit von etwa 15 Minuten werden dieKlebteile zusammengefügt und miteinander ver-presst, indem man die Walze unter möglichsthohem Druck über die aufgeklebte Schichtpress-stoffplatte rollt. Die geklebten Platten werden ineinem Schraubstock befestigt. Dann versucht man,die zusammengefügten Teile mit dem Stecheisenwieder zu trennen. Der Versuch wird mit einemVielzweckklebstoff wiederholt.

Versuch 19: Harnstoffharz-Klebstoff

Versuch 20: Bestimmen der offenen Zeit von Kontaktklebstoffen

Versuch 21: Prüfen der Anfangsfestigkeit von Kontaktklebstoffen

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Geräte Thermometer (bis 250 ° C), Glasrührstab,Uhr, Mischwanne mit Löffel

Materialien Pattex® Stabilit express, Uhu® plus schnellfest, Alufolie, Papiertuch

Warnhinweise Hinweise des Herstellers undGefahrensymbole auf den Packungen beachten!Alle Flammen löschen! Raum gut lüften! Wegen derstarken Reaktionsbeschleunigung bei erhöhtenTemperaturen sollte dieser Versuch nur mit kleinenKlebstoffmengen durchgeführt werden. Achtung! In der S I den Versuch nicht als Schülerversuchdurchführen lassen!


Die Eintauchspitze des Thermometers wird gut mitAlufolie umwickelt. Zwei Messlöffel Härterpulvervon Pattex® Stabilit express gibt man in die entspre-chende Mischwanne, füllt mit dem Harz (ca. 3 g) bis zum Rand auf und rührt gut durch, bis eingleichmäßiges Gemisch entstanden ist. DasThermometer wird in das Gemisch eingetaucht,nach ca. 3 Minuten wird die Temperatur abgelesenund notiert. Um herauszufinden, wie lange dasGemisch nach dem Anrühren verarbeitbar ist, wirdein Glasrührstab in Abständen von jeweils 1 Minutein die Mischung getaucht und wieder herausgezo-gen. Zwischendurch säubert man den Glasstab mitdem Papiertuch. Kurz bevor das Gemisch hart wird,wird die Temperatur erneut gemessen. Der Versuchwird mit Uhu® plus schnellfest wiederholt.

Geräte Pinsel, Wäscheklammern, Lineal, Uhr

Materialien Holzleim, z. B. Ponal® expreß oderUhucoll® , Vielzweckklebstoff, z. B. Uhu® flinkeFlasche oder Tesa® Vielzweckkleber,Weichholzbrettchen, ca. 10 cm x 2,5 cm x 0,5 cm


Drei Weichholzbrettchen werden an den vorgesehe-nen Klebflächen (Ü berlappungslänge 1,2 cm) dünnmit Holzleim bestrichen und mit anderen Holz-brettchen verklebt. Nach dem Zusammenfügenwerden die Klebkörper mit Wäscheklammern fixiert.Die Festigkeiten der Klebungen werden nach 10,20, 60 Minuten, 3 Stunden, 1 Tag von Hand geprüftoder in einer Zerreißvorrichtung gemessen. DerVersuch wird mit einem Vielzweckklebstoff wieder-holt. Man vergleicht die Ergebnisse miteinander.

Versuch 22: Festigkeiten wasserbasierter Dispersions-Holzleime in Abhängigkeit von der Abbindezeit

Versuch 23: Reaktionsklebstoffe (Topfzeit, Reaktionswärme)

Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe

Chemikalien/Materialien anaerob härtenderKlebstoff (mittelfest), z. B. Loctite 542, DELO ML 5327, anaerob härtender Klebstoff (niedrigfest), z. B. Loctite 5331, DELO ML 5198Stahlschrauben/-muttern unterschiedlicher GrößeEdelstahlschrauben/-muttern unterschiedlicherGröße, Schraubenschlüssel, Butylacetat (zumEntfetten)

Warnhinweise Hinweise des Herstellers beachten!Hautkontakt vermeiden! Raum gut lüften! Dämpfeentzündlich! Alle Flammen löschen! Achtung! In derS I nicht als Schülerversuch durchführen lassen!

Durchführung Gefahrensymbole sowie Gefahren-sätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze)von den Verpackungen der verwendeten Klebstoffeauf die Arbeitsblätter übertragen.

Zunächst werden die Schrauben und Muttern mitButylacetat entfettet. Auf jede Schraube werdenam Gewindeende 2 bis 3 Tropfen Klebstoff auf-getragen und die dazugehörende Schraubenmuttermit einigen Drehungen aufgeschraubt. Nach 5Minuten wird in regelmäßigen Abständen vorsichtigmanuell geprüft, ob und wie der Klebstoff schon„angezogen“ hat. Je Werkstoff/Klebstoff-Kom-bination wird mindestens eine Verschraubungmindestens 24 Stunden härten gelassen und dannmit einem passenden Schraubenschlüssel geprüft.

Versuch 24: Schrauben sichern mit anaerob härtendem Klebstoff

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Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe,Kunststoffunterlagen

Chemikalien/Materialien feuchtigkeitsvernet-zender 1-K-Polyurethan-Klebstoff, z. B. Sikaflex255, Kartuschen 500 ml (Klebstoff),Kartuschenpistole (manuell), Kunststoffunterlage(z. B. 50 x 50 cm)

Warnhinweise Hinweise des Herstellers beachten!Hautkontakt vermeiden! Raum gut lüften! Achtung!In der S I nicht als Schülerversuch durchführen lassen!


Auf die Unterlage werden 4 Klebstoffraupen (Höhe:ca. 1 cm/Breite: ca. 2 cm) von jeweils etwa 20 cmLänge aufgebracht. Die aushärtenden Klebstoff-raupen werden, um die Hautbildungszeit zu bestim-men und den Aushärtungsfortschritt zu untersu-chen, täglich mit einem Messer durchgeschnitten.Parallel dazu wird die Raumtemperatur und dierelative Luftfeuchtigkeit dokumentiert.

Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe,Stahlbleche, Edelstahlbleche, Platten aus Glasoder durchsichtigem Kunststoff,Kunststoffunterlage

Chemikalien/Materialien 1-K-Silicon (essigsäure-abspaltend), 1-K-Silicon (neutralvernetzend),Stahlbleche (ca. 20 x 100 mm),Edelstahlbleche (ca. 20 x 100 mm),Platten aus Glas oder durchsichtigem Kunststoff(ca. 200 x 100 mm), Butylacetat (zum Entfetten/Reinigen), Testtinten

Warnhinweise Hinweise des Herstellers beachten!Hautkontakt vermeiden! Raum gut lüften! Achtung!In der SI nicht als Schülerversuch durchführen lassen!


Auf je ein Stahl- bzw. Edelstahlblech wird essigsäu-reabspaltendes Silicon als dünne Raupe aufgetra-gen und mit einer durchsichtigen Platte gefügt. Aufweitere Edelstahlbleche wird jeweils eines der bei-den Silicone aufgetragen und offen ausgehärtet.Mit Testtinten wir die Beschichtbarkeit der ausge-härteten Silicone untersucht und dokumentiert.

Versuch 25: Aushärtung von feuchtigkeitsvernetzenden 1-K-Polyurethan-Klebstoffen

Versuch 26: Aushärtung von feuchtigkeitsvernetzenden 1-K-Siliconen

Hinweise und Erläuterungen zu den Versuchen

Zu Versuch 1 Der in den meisten Klebstoffen ent-haltene Kohlenstoff lässt sich als Kohlendioxiddurch Trübung des Kalkwassers (Bildung vonschwer löslichem Calciumcarbonat) nachweisen.Damit ist auch gleichzeitig gezeigt, dass Klebstoffeauf organischen Verbindungen basieren.

Zu Versuch 2 Löst man Klebstoffe in entsprechen-den Lösungsmitteln (hier: Wasser), so lassen sichdie Makromoleküle durch Lichtstreuung nachwei-sen. Diese Erscheinung, auch Tyndalleffektgenannt, tritt nur bei Makromolekülen auf, derenMolekularmasse >104 ist.

Zu Versuch 3 Die plan geschliffenen Platten lassensich kaum bzw. nur mit erheblichem Kraftaufwandvoneinander trennen. Sie sind „zusammengeklebt“,und zwar mit dem „Klebstoff“ Wasser, der abernicht aus Makromolekülen aufgebaut ist. Zwischenden Wassermolekülen wirken allerdings erheblicheAnziehungskräfte (vgl. auch Versuch 4: Ober-flächenspannung), die aber nur eine sehr geringeReichweite aufweisen. Die freie Beweglichkeit derkleinen Wassermoleküle bewirkt andererseits, dass

die beiden Platten parallel zur Berührungsebeneverhältnismäßig leicht verschoben und schließlichgetrennt werden können.

Zu Versuch 4 Polyethylen weist in der Reihe dergenannten Werkstoffe die geringste Oberflächen-energie auf und ist unvorbehandelt schlecht kleb-bar.

Zu Versuch 5 Casein quillt unter Laugeneinwirkungschnell auf. Es bildet eine viskose Masse: Leim.Durch Zugabe von Aluminiumsulfat o. Ä . kann dieWasserbeständigkeit erhöht werden.

Zu Versuch 6 Stärke quillt in heißem Wasser. Esentsteht ein Kleister, der beim Erkalten nachdicktund evtl. mit Wasser weiter verdünnt werden muss. Die Salicylsäure dient als Konservierungsmittel.

Zu Versuch 7 Es zeigt sich etwa der gleiche Effektwie in Versuch 6. Da die überschüssige Laugeschädigend auf Substrate wirken kann, muss neu-tralisiert werden.

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Zu Versuch 8 Methylcellulose ist ein Ether, derdurch teilweise Methylierung der Hydroxyl-Gruppender Cellulose hergestellt wird. Methylcellulose löstsich in Wasser, in den weiteren angegebenen orga-nischen Lösungsmitteln jedoch nicht.

Zu Versuch 9 Schmelzklebstoffe basieren auf ther-moplastischen Polymeren, beim Erwärmen werdensie flüssig, beim Abkühlen wieder fest, ohne sichdabei chemisch zu verändern.

Zu Versuch 10 Zunächst brennt das flüchtigeLösungsmittel (bläulich-gelbe Flamme), dann derGrundstoff (gelbe, rußende Flamme).

Zu Versuch 11 Durch das Verdunsten desLösungsmittels entsteht wieder das Gefüge desjeweiligen Kunststoffs, der Klebstoff bindet ab.

Zu Versuch 12 Polyvinylacetat ist ein Basisrohstoffindustriell gefertigter Vielzweckklebstoffe. ZumLösen verwendet man häufig Gemische aus Ethyl-acetat, Aceton und ggf. Anteilen von Ethanol.

Zu Versuch 13 Im Reagenzglas zeigt sich diebraun-beige Farbe von PVAc-Holzleim und demHexaaqua-Eisen(III)-Komplex. Dieser Versuch dientals Kontrollversuch. Mit Hilfe von Natronlauge wirddas Polyvinylacetat verseift. So ergibt sich imReagenzglas 2 und 3 eine kräftige Rotbraun-färbung, die durch den Eisen(III)-Acetat-Komplexhervorgerufen wird.

Zu Versuch 14 Polyvinylalkohol ist ein Thermo-plast, der durch alkalische Verseifung von Poly-vinylacetat hergestellt wird. Da Polyvinylalkoholhäufig noch Anteile von Acetyl-Gruppen aufweist,ist er in kaltem Wasser in der Regel nur schlechtlöslich.

Zu Versuch 15 Die Aushärtung des Cyanacrylat-Klebstoffs wird durch Polymerisation bewirkt,ausgelöst durch Hydroxid-Ionen oder basischeStoffe. An dieser Stelle sollte unbedingt auf denrichtigen Umgang mit Sekundenklebern eingegan-gen werden: Hautkontakt vermeiden. Klebstoff vonder Haut, unmittelbar nach der Benetzung, mitAceton abtupfen, später mit warmem Seifenwasserablösen. Dämpfe nicht einatmen. (Vgl. auch Info-Blatt „Information zur ersten Hilfe und Unfall-behandlung bei Verklebungen mit Cyanacrylat-Klebstoffen (Sekundenkleber)“, IndustrieverbandKlebstoffe e.V., Düsseldorf)

Zu Versuch 16 Epoxidharze entstehen durch Um-setzung von aromatischen Dihydroxy-Verbin-dungen mit Epichlorhydrin. Durch Polyaddition bil-den sich zunächst linear aufgebaute zähflüssigeHarze. Durch Zugabe von Aminen oder Poly-amidoaminen werden die Harze in weiterenPolyadditionsreaktionen vernetzt und härten aus.

Zu Versuch 17 Dieser Klebstoff härtet ebenfallsdurch eine Polyadditionsreaktion aus.

Zu Versuch 18 Die Reaktion läuft stufenweise ab:Als Zwischenprodukt bildet sich u. a. Hexamethy-lolmelamin, das durch Druck und Wärme unterWasserabspaltung und Bildung von Etherbrückenzum vernetzten Melaminharz kondensiert undsomit aushärtet.

Zu Versuch 19 Die Reaktion läuft ebenfalls stufen-weise ab: Zunächst entsteht Methylolharnstoff.Daraus bilden sich unter Abspaltung von Wasserzunächst lineare und schließlich vernetzteHarnstoffharzmoleküle. Ammoniumchlorid be-schleunigt die Reaktion: Ammoniumchlorid reagiertin wässriger Lösung sauer. Die vorhandenenWasserstoff-Ionen beschleunigen katalytisch denAushärtungsvorgang.

Zu Versuch 23 Das Aushärten ist mit einemTemperaturanstieg verbunden, d. h., es handelt sichum eine exotherme Reaktion.

Zu Versuch 24 Anaerob härtende Klebstoffe härtenunter Metallionenkontakt und Sauerstoffaus-schluss. Die Verschraubung ermöglicht die Poly-merisation in idealer Form. Die Aushärtung derEdelstahlverschraubung erfolgt aufgrund dergeschlossenen Chromoxid-Oberflächenschicht(Passivierungsschicht) langsamer und/oder unvoll-ständig. Der notwendige Metallionenkontakt(Fe2+/Fe3+) kommt nicht bzw. zu selten zustande.Ggf. erwärmen (30 Minuten/120 ° C). Lässt eineSchraubensicherung sich bei Raumtemperaturauch mit einem Schraubenschlüssel nicht lösen, soist die Verschraubung auf ca. 150 ° C zu erwärmenund dann zu lösen (Erweichung des Klebstoffs).

Zu Versuch 25 Durch die Luftfeuchtigkeit werdenendständige Isocyanat-Gruppen in Amino-Gruppenumgewandelt, die dann mit verbliebenen Iso-cyanat-Gruppen reagieren und den Klebstoff zumElastomeren aushärten. Die Aushärtung erfolgtanisotrop, d. h. von außen nach innen, was durchdas Durchschneiden der Klebstoffraupe nachvoll-zogen werden kann. Durch Variation von Tem-peratur und Luftfeuchtigkeit kann die Aushärtungund deren Geschwindigkeit beeinflusst werden.

Zu Versuch 26 Das Essigsäure abspaltende Siliconerzeugt Korrosion auf dem Stahlblech. Aufgrundihrer geringen Oberflächenspannung sind Siliconeschwer lackierbar bzw. beschichtbar.

73

1-K-KlebstoffEinkomponenten-Klebstoff. Hierbei handelt es sichum einen Klebstoff, der unter der Einwirkung vonTemperatur, Licht, Feuchtigkeit oder dem Aus-schluss von Luft hart wird und hierzu keine zweiteSubstanz als Zusatz benötigt. Deshalb brauchen 1-K-Klebstoffe vor der Verarbeitung nicht ange-mischt zu werden. Die 1-K-Klebstoffe werden daherin nur einem Behältnis (Gebinde) angeliefert.

2-K-KlebstoffBezeichnung für Zweikomponenten-Klebstoffe.Dies sind Klebstoffe, die zur Entfaltung ihrer Kleb-wirkung mit anderen Stoffen zusammengebrachtwerden müssen. Hierzu werden sie in mindestens 2 Behältnissen (Gebinden) angeliefert und müssenin der Regel vor der Verarbeitung gemischt werden.

AdhäsionBindungskräfte zwischen der Oberfläche desFügeteils und der Klebstoffschicht. Diese Ober-flächenhaftungskräfte sind für die Festigkeit derKlebung im Zusammenspiel mit den innerenKräften der Klebung (Kohäsionskräften) entschei-dend. Beispiel: Ein an einer Fensterscheibe an-haftender Wassertropfen wird durch eine Kraft(Anhaftkraft) am Herunterfließen gehindert.

ApplikationAuftrag oder Einsatz des Klebstoffs während desKlebvorganges.

ArbeitsplatzgrenzwertFür eine Reihe von Stoffen, insbesondere vonGasen, flüchtigen Verbindungen, die als Dämpfe inder Umgebungsluft vorliegen, und für Aerosole und Stäube sind durch ein unabhängiges Experten-gremium Obergrenzen für die Exposition am Arbeitsplatz festgelegt (maximale Arbeitsplatzkon-zentration, MAK-Wert). Diese Konzentrationsbe-grenzungen werden danach festgelegt, dass beiEinhaltung der Grenzwerte gesundheitliche Risikenals ausgeschlossen angesehen werden können. DieMAK-Werte werden durch Technische Regeln fürGefahrstoffe (TRGS) als Luftgrenzwerte in geltendesRecht überführt.

BeizenOberflächenvorbehandlungsverfahren bei Metallen:Hierzu werden die Fügeteile mit nicht oxidierendenSäuren (Salzsäure, verdünnte Schwefelsäure) behan-delt, wodurch eine vorhandene Oberflächenschicht,nach längeren Einwirkungszeiten auch der Grund-werkstoff, abgetragen wird. Auf diese Art wird dieOberfläche der Fügeteile aufgeraut und aktiviert.

CoronaverfahrenMethode zur Oberflächenvorbehandlung von Kunst-stoffen: Aus Elektroden austretende Elektronen, diedurch einen Lichtbogen „sichtbar“ werden, ionisierenLuftmoleküle (O2 und N2). Auf der Kunststoffober-fläche entstehen durch Einbau von derart aktiviertenSauerstoff-Atomen polare Strukturen, die die Be-netzungs- und Haftungseigenschaften verbessern.

Glossar

Elektroden

Freistrahl-Corona Sprüh-Corona

Luftstrom

Abbildung 66

Schematischer Aufbau einer Freistrahl- undSprüh-Corona-Behandlung

74

rensymbolen zu versehen (Abb. 67). Zusätzlichdazu sind die entsprechenden Gefahrensätze (R-Sätze) und Sicherheitsratschläge (S-Sätze) auf-zuführen (Abb. 68). Für gefährliche Stoffe und Zu-bereitungen müssen Sicherheitsdatenblätter erstelltund gewerblichen, industriellen Verarbeitern bzw.dem Handel zur Verfügung gestellt werden.

Exposition Ein Stoff kann über verschiedene Aufnahmewege inden Körper gelangen. Die Kontaktmöglichkeiten

(Aufnahmeweg, Exposition) von Stoffen sind dasVerschlucken, der Kontakt mit der Haut (dermal)oder über die Schleimhäute (z. B. Auge) und durchEinatmen (Abb. 69). Die Kontaktmöglichkeiten sindvon den physiko-chemischen Eigenschaften desStoffes bzw. der Zubereitung sowie von denVerwendungs- und Verarbeitungsbedingungenabhängig.

Die verbreitetste Kontaktmöglichkeit besteht durchExposition der Haut. Auch Gase, Dämpfe (in Luftgelöste Flüssigkeiten) und Aerosole (flüssige undfeste Partikel in der Luft) können über die Umge-bungsluft mit der Haut in Kontakt kommen. DurchEinatmen können Gase, Dämpfe, Flüssigpartikelund feste Partikel (Stäube) aus der Umgebungsluftaufgenommen werden.

FügeteileFeste Körper, die mit anderen verbunden sind oderverbunden werden sollen.

GasphasenfluorierungOberflächenvorbehandlungsverfahren von Kunst-stoffen, das die Benetzbarkeit von Kunststoffen

Cw-WertDer dimensionslose Widerstandsbeiwert Cw be-schreibt die aerodynamische Güte (Luftwiderstand)eines Körpers, die durch dessen Form bestimmtwird.

DauerbelastbarkeitDie Dauerbelastbarkeit einer Klebung beschreibtdie Spannung, mit der eine Klebung ohne Unter-brechung belastet werden kann, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung des Verbundes kommt.

Sie liegt deutlich unter der maximalen (Zug-) Scher-/ Schubfestigkeit. So legt man zur Auslegung von Klebungen mit feuchtigkeitsvernetzenden 1-K-Polyurethanen 3 %, bei kalthärtenden 2-K-Epoxidharzklebstoffen 5 % und bei heißhärtenden1-K-Epoxidharzklebstoffen 30 % der Anfangszug-scherfestigkeit zugrunde.

Einstufung/KennzeichnungDie vorgeschriebenen Untersuchungsmethoden,die Art der Ausführung, die Bewertung der Datenund die daraus resultierende Einstufung undKennzeichnung von Gefährdungspotenzialen sindim Chemikalienrecht festgelegt. In der Europä-ischen Union werden Einstufung und Kenn-zeichnung, die Informationspflichten gegenüberdem Anwender sowie die Maßnahmen zumUmgang durch Richtlinien geregelt. Eine Vielzahlvon Stoffen ist durch die EU rechtsverbindlich ein-gestuft und entsprechend zu kennzeichnen. InDeutschland sind die Richtlinien weitgehend in derGefahrstoffverordnung (GefStoffV) in nationalesRecht umgesetzt. Stoffe oder Zubereitungen miteinem Gefährdungspotenzial sind je nach demGrad und der Art der Gefährdung mit Gefah-

Abbildung 67

Sehr giftig

Xn Gesundheitsschädlich

Xi Reizend

Giftig Gesundheitsschädlich

Ätzend Reizend

T+ T Xn

C Xi

Toxikologisch begründete Gefahrensymbole und Gefahrenzeichen

75

verbessert und ihre Oberfläche aktiviert. Die Füge-teile werden einer Fluorgas-Stickstoff-Mischung(ca. 0,1 bis 5 % Fluor in Stickstoff) ausgesetzt, sodass Fluor-Atome in die Kunststoffoberfläche ein-gebaut werden, ohne dass hierbei die makromole-kularen Strukturen zerstört werden.

Gefährdungspotenzial Mögliche unerwünschte Eigenschaften von Sub-stanzen (Gefährdungspotenzial) werden auf derBasis von toxikologischen Untersuchungen be-schrieben:

• akute Giftwirkungen, tödliche Dosis (LD50)• Vergiftungserscheinungen durch wiederholte

Aufnahme• krebserzeugende Wirkung• Auslösung von Erbschäden• Verminderung der Fruchtbarkeit, Entwicklungs-

störungen in der Schwangerschaft• Hautreizungen/Verätzungen • Reizungen der Schleimhäute, z. B. der Augen

oder der Atemwege• Verursachung von Allergien (Sensibilisierung)

bzw. Auslösung allergischer Reaktionen

Abbildung 68

Xi = reizend

Enthält Epoxidharz (MG: Ø ≤ 700). Hinweise des Herstellers beachten.

Gefahrenhinweise:• Reizt die Augen und die Haut. Sensibilisierung durch Hautkontakt möglich.

Sicherheitsratschläge:• Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen.• Berührung mit der Haut vermeiden.• Bei Berührung mit der Haut sofort mit viel Wasser und Seife abwaschen.• Geeignete Schutzhandschuhe tragen.• Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett vorzeigen.

Postalisch ausreichende Hersteller-Adresse und Telefon-Nr.


Das Verschluckeneines Stoffes (oral)

Die Aufnahme überdie Haut oder über dieSchleimhäute (dermal)

Das Einatmen(inhalativ)

Expoxidharzzubereitung XYZ

Exposition

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MS-PolymereModifizierte Siloxane, sie entstehen bei der Aus-härtung alkoxysilanmodifizierter Polypropylenglykoledurch Einwirkung von Feuchtigkeit unter Abspaltungvon Alkohol.

Niederdruckplasmas. Plasmaverfahren

PlasmaverfahrenUnter einem Plasma versteht man einen ionisiertenZustand eines Gases, in den es bei kontinuierlicherZugabe von Energie gelangen kann. In diesem Zu-stand wird ein Teil der Gasmoleküle in positiv undnegativ geladene Teilchen aufgespalten. Die Zahl derpositiv und negativ geladenen Teilchen ist in einemPlasma gleich hoch, es ist elektrisch neutral. Dieangelegte Wechselfrequenz beschleunigt die Teil-chen. Bei genügender Beschleunigung werden beimAufprall auf Kunststoffoberflächen chemische Bin-dungen aufgebrochen und die Oberfläche chemisch

verändert. Je nach Auslegung des Plasmaverfahrens(Arbeitsgas, Druck, Energie) ergibt sich die Mög-lichkeit, Oberflächen zu reinigen (Plasmareinigung),zu aktivieren (Plasmaaktivierung) oder zu beschich-ten (Plasmapolymerisation). Eine Plasmavorbe-handlung wird schwerpunktmäßig bei polymerenWerkstoffen durchgeführt, ist aber zur Plasma-reinigung und zur plasmapolymeren Beschichtungauch bei Metallen einsetzbar. Bei Plasmen werden imAllgemeinen die nicht thermischen (Niederdruck-bzw. Niedertemperaturplasmen) und die thermi-schen (Hochtemperaturplasmen) Verfahren unter-schieden. Im Rahmen der Oberflächen-Vorbe-handlungen kommen vorwiegend die Niederdruck-Plasmaverfahren zum Einsatz. Ihre typischenAnwendungstemperaturen liegen zwischen ca. 30bis 100 ° C. Die Wirkung der Plasmabehandlungbeschränkt sich dabei auf die oberflächennahenBereiche in einer Tiefe von wenigen nm.

HolzlaminatträgerVerschiedene Schichten aus Holz werden mitein-ander verklebt (laminiert). Aufgrund der geringenDichte der Einzelschichten können sie gebogen undin dieser Form laminiert werden. Dadurch sind neueDesigns möglich.

KataplasmaBei dieser Prüfmethode befindet sich die Probe in einer geschlossenen Atmosphäre, so dass diegebildeten Korrosionsprodukte nicht abgeführt werden können. Die verklebte Probe wird mit einemwassergetränkten Wattebausch in eine Aluminium-folie gewickelt und in eine Polyethylenfolie luftdichteingeschweißt. Dann wird sie folgendem Prüfzyklusunterzogen: 21 Tage Lagerung bei 70 ° C,16 Tage Lagerung bei –30 ° C.Zwei Stunden nach Testende erfolgt die Ermittlungder Klebfestigkeit.

KohäsionDie Kräfte, die den Klebstoff innerlich zusammenhal-ten. Die Kohäsion beschreibt den Zusammenhalt vonMolekülen (Klebstoffpolymeren). Grundlage dieserKräfte sind Anziehungskräfte und Verklammerungen(Verknäuelungen) von Molekülen bzw. der Ketten vonKunststoff-Großmolekülen (Polymerketten).

KriechbeständigkeitDie Fähigkeit eines Klebstoffs, über einen längerenZeitraum gegenüber äußeren mechanischen Kräftenzu bestehen und sich nicht oder kaum zu verformen.

LaminierenSchichtweises Verbinden von – meistens – großflä-chigen, flexiblen Fügeteilen (z. B. Folien, Gewebe-matten) mittels Klebstoff zu einem Verbundwerkstoff.

Tabelle 7

Haftklebstoffe

Tack (Klebrigkeit)SchälfestigkeitScherfestigkeit RTScherfestigkeit bei erhöhter TemperaturStanzverhaltenKlebstoffaustrittUV-BeständigkeitWärmebeständigkeitWeichmacherverhaltenFarbe/TransparenzKälteverhaltenFeuchtigkeitsbeständigkeitWasserbeständigkeit

Kautschuk-lösungen

+++O

OO–O–O+++

Acrylat-dispersionen

OO++

++++O+OO–

Schmelzkleb-stoffe

O++–

OO–O–OO++

Acrylat-lösungen

OO++

++++++O++

+ = herausragendes Eigenschaftsmerkmal O = erfüllt übliche Erwartungen– = ungeeignet, wenn Einzeleigenschaft im vorgesehenen Anwendungsfall wichtig ist

77

Plastifizierung(Weichmachung) bedeutet die Verschiebung desthermoplastischen Bereiches zu niederen Tempe-raturen – entweder durch eine Copolymerisation(innere Weichmachung) oder (was in der Praxis überwiegend angewandt wird) durch Zusatz vonWeichmachern (äußere Weichmachung). Bei deräußeren Weichmachung treten die polaren Gruppendes kleinen, beweglichen Weichmachers mit denpolaren Gruppen des Polymeren (Ausnahmen:Polyolefine, Kautschuk) in Wechselwirkung. DiePolymerketten werden dadurch aufgelockert undbeweglicher; gleichzeitig nehmen Weichheit undDehnung des weich gemachten Kunststoffs zu. Manspricht dabei auch von Scharnier- u. Abschirm-weichmachern. Polar, d. h. dipolbildend, wirken vorallem die Sauerstoff-Atome der COOR-Gruppen;daher sind z. B. Dicarbonsäureester als Weich-macher besonders geeignet. In einigen Fällen kom-men noch Phosphor- u. Schwefel-Atome dazu.(Kurzzeichen der Weichmacher vgl. auch DIN 7723)

PlastisoleKlebstoff, bei dem PVC-Bestandteile in einem flüssi-gen Weichmacher dispergiert sind. Zum Härten desKlebstoffs wird nun die Temperatur auf ca.150–160 ° C erhöht. Nun nimmt der Weichmacherdas PVC-Pulver in sich auf – der Klebstoff wird fest.

PrimerSpezielle Zubereitungen (etwa stark verdünnte 10- bis 20%ige Lösungen des später verwendetenKlebstoffs), die auf frisch behandelte Oberflächenaufgebracht werden. Ziel: Verbesserung der Benet-zung der Fügeteile und zusätzlich Schutz vor Ver-unreinigungen. Hierdurch werden ebenfalls die Haf-tungseigenschaften des Klebstoffs verbessert undAlterungsvorgänge der Klebung durch Konser-vierung verringert.

PrüfverfahrenDie Wahl der Art des Prüfverfahrens richtet sich nachden Eigenschaften der zu prüfenden Klebverbin-dung: Anfangsfestigkeiten können mit rein mechani-schen Prüftests ermittelt werden (z. B. Zugscher-versuch, Schälversuch, Keiltest). Will man dagegendie Langzeitbeständigkeit einer Klebverbindungüberprüfen, muss eine Kombination aus Auslage-rungen, die mögliche Umgebungseinflüsse simulie-ren, und einer anschließenden mechanischen Prü-fung gewählt werden.

PunktschweißenElektrisches Widerstandsschweißverfahren. BeimWiderstandsschweißen wird die Wärme ausgenutzt,die der elektrische Strom beim Ü bergang einesWiderstandes erzeugt, z. B. beim Stromübergangzwischen zwei Blechen. Beim Punktschweißen wer-den einzelne Punkte, nicht wie beim herkömmlichenSchweißen ganze Nähte, geschweißt.

PunktschweißklebenDas Punktschweißkleben ist die im KFZ-Roh-karosseriebau eingesetzte Standardfügetechnik.Zunächst wird der 1-K-Epoxidharzklebstoff aufgetra-gen, die Bauteile dann punktgeschweißt und derKlebstoff zusammen mit dem Lack am Ende derFertigung ausgehärtet.

PURAbkürzung für Polyurethan

RheometerGerät zur Bestimmung von Viskositäten (besondereArt eines „Viskosimeters“), Beispiele für unterschied-liche Rheometertypen siehe Abb. 70.

Rheometertypen

Fd)

G

F

e) f) g)

Probe

stationäroszillierend

stationäroszillierend

a) b) c)

Abbildung 70

a) bis c) Rotationsrheometera) koaxiale Zylinder (Couette-System),

mittlere Viskositätenb) Platte/Platte, alle Viskositätenc) Kegel/Platte, alle Viskositäten

d) Hochdruckkapillarrheometer, Schmelzen

e) Ubbelohde-Viskosimeter,niedrigviskose Flüssigkeiten

f) Dehnrheometer nach Meißner, Schmelzen

g) Kugelfallviskosimeter, niedrige undmittlere Viskositäten

78

SchälbelastungLinienförmige Belastungen, die nur auf einer Liniewirksam werden (Bsp.: Abziehen/Abschälen einerFolie). Der Widerstand von Klebverbindungen gegenabschälende Kräfte wird im Rollenschälversuch oderim Winkelschälversuch nach DIN EN 1464 ermittelt.Beim Rollenschälversuch werden ein starres und einflexibles Fügeteil, beim Winkelschälversuch werdenzwei flexible Fügeteile benötigt. Die Versuche wer-den vorwiegend zum vergleichenden Beurteilen vonKlebstoffen und Klebungen sowie zum Ü berwachenvon Oberflächenvorbehandlungsverfahren einge-setzt (Bruchbildanalyse).

Scherfestigkeit/SchubfestigkeitDiese Klebfestigkeit gibt die maximale Schub-spannung, d. h. Schubkraft pro Fläche, an, die eineKlebung aushält. Dabei wird die Höchstkraft (Bruch-last) in N durch die Klebfläche in mm2 dividiert. Siewird nach DIN EN 1465 ermittelt (vgl. mit Zug-scherfestigkeit; vgl. auch Dauerbelastbarkeit).

SiliconeVon dem amerikanischen Chemiker F. S. Kippingeingeführte Bezeichnung für Polymere, in denenSiliciumatome über Sauerstoffatome ketten- odernetzartig verknüpft und die restlichen Valenzen desSiliciums durch Kohlenwasserstoffreste abgesättigtsind. Je nach dem Vernetzungsgrad unterscheidetman Siliconöle (linear), -kautschuke (wenig ver-netzt) und -harze (stark vernetzt).

SiloxaneSystematische Bezeichnung für Sauerstoffver-bindungen des Siliciums. Polyorganosiloxane wer-den in der Technik meist als Silicone bezeichnet.

SpaltüberbrückungDie Fähigkeit eines Klebstoffs, einen größeren (> 0,2 mm) Fügespalt zu überbrücken. Der Klebstoffmuss den Spalt im ausgehärteten Zustand voll aus-füllen.

Tack(engl.) Eigenklebrigkeit.

ThixotropieBezeichnung für die Erscheinung, dass Gele sichbei Einwirkung mechanischer Kräfte – z. B. beimRühren, Schütteln, unter Ultraschalleinwirkung –verflüssigen, nach Aufhören der mechanischen Be-anspruchung aber wieder verfestigen. Zum Beispielsind moderne, nicht tropfende Lacke thixotrop: Sielassen sich leicht streichen und sind während desStreichens leichtflüssig. Im Ruhezustand ist ihreZähigkeit jedoch bedeutend größer, so dass es zukeiner Tropfen- oder Tränenbildung kommen kann.Dies wird durch Zugabe so genannter Thixotro-piermittel (z. B. Bentoniten, Kaolinen, Alginsäure,bes. aber SiO2-Qualitäten) erreicht.

TopfzeitZeitspanne, während der ein Reaktionsklebstoffnach dem Mischen sinnvoll verarbeitet werden

kann (Verarbeitungszeitraum). Sie hängt von derAushärtungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vonäußeren Rahmenbedingungen (Temperatur undAnsatzmenge) ab und ist für ein erfolgreichesKleben genauestens zu beachten. Ist die Topfzeitüberschritten, ist der Klebstoff für eine optimaleBenetzung bereits zu viskos.

ToxikologieWährend die physikalischen Stoffeigenschaften(z. B. Brennbarkeit, Explosionsfähigkeit, Selbst-entzündlichkeit) zu spezifischen Gefahren (Brand,Verpuffung, Explosion) führen können, ist es dieAufgabe der Toxikologie, mögliche stoffinduzierteSchadwirkungen chemischer Stoffe bzw. chemi-scher Stoffmischungen auf Lebewesen zu unter-suchen, zu erkennen und zu bewerten. Am Anfang steht die gut begründete Beurteilung vonmöglichen unerwünschten Wirkungen. Erst einegenügend hohe Dosis eines Stoffes löst im KörperWirkungen aus. Die niedrigste Dosis, die nochWirkungen auszulösen vermag, wird Schwellenwertgenannt. Die meisten Wirkungen sind schwellen-wertabhängig. Für die wenigen nicht von einemSchwellenwert abhängigen Wirkungen werdengesonderte Betrachtungen zur Risikominimierungvorgenommen. In einem zweiten Schritt wird über-legt, welche Kontaktmöglichkeiten mit Produktenbestehen. Dazu werden die Bedingungen des vor-hersehbaren Gebrauchs, aber auch des möglichenMissbrauchs einbezogen. Zur Erstellung von Sicher-heitsbewertungen werden nun die gewonnenenErkenntnisse zusammengeführt. Bei einem ausrei-chenden Sicherheitsabstand zwischen Schwellen-wert und Ausmaß des Kontaktes wird ein Produktals sicher bewertet.

VerarbeitungstemperaturTemperatur des Klebstoffs bzw. Temperatur derUmgebung während der Verarbeitung.

ViskositätFließeigenschaften bzw. innere Spannungen vonSubstanzen. Dickflüssige oder dünnflüssige Stoffewerden demnach als „hochviskos“ oder „niedrig-viskos“ bezeichnet. Die Maßeinheit hierfür ist mPa s. Ein kleiner Zahlenwert beschreibt eine dünn-flüssige, niedrigviskose Flüssigkeit, z. B. Wasser: 1 mPa s; ein hoher Zahlenwert eine hochviskosedickflüssige Substanz wie z. B. dickflüssiges Ö l mitca. 2000 mPa s.

WeichmacherWeichmachungs-, Plastifikations-, Plastifizierungs-,Elastifizierungsmittel. Bezeichnung für flüssige oderfeste, indifferente organische Substanzen mit gerin-gem Dampfdruck, überwiegend solche esterartigerNatur. Sie treten ohne chemische Reaktion, vor-zugsweise durch ihr Löse- u. Quellvermögen, mitPolymeren in physikalische Wechselwirkung.Weichmacher verleihen den Polymeren bestimmteangestrebte physikalische Eigenschaften, wie z. B.erniedrigte Einfriertemperatur, erhöhtes Formver-änderungsvermögen, erhöhte elastische Eigen-

79

schaften, verringerte Härte (vgl. auch DIN 55945).Ein idealer Weichmacher sollte geruchlos, farblos,licht-, kälte- und wärmebeständig, möglichst wenigflüchtig, nicht gesundheitsschädlich, wasserbe-ständig, schwer brennbar und mit Polymeren u.Hilfsstoffen mischbar sein sowie ein gutes Gelier-verhalten aufweisen. Eine weitere Eigenschaft derWeichmacher ist ihre Fähigkeit zur Migration. DasMigrationsverhalten ist insbesondere für die physi-ologische Unbedenklichkeit von Lebensmittel-verpackungen von großer Bedeutung.

ZugfestigkeitDie Zugfestigkeit gibt die maximale Zugspannung,d. h. Zugkraft pro Fläche, an, der ein Werkstoff bzw.eine Klebung standhält. Die kritische Zugspannungführt zum Bruch. Die Bruchfestigkeit wird in MPaangegeben.

ZugscherfestigkeitDie Zugscherfestigkeit von Ü berlappungsklebungenwird mit Hilfe einer Scherbelastung einer einschnitti-gen Ü berlappungsverbindung zwischen Fügeteilendurch Einwirkung einer Zugkraft bestimmt, die pa-rallel zur Klebfläche und zur Hauptachse der Probewirkt (DIN EN 1465). Als Ergebnis wird die ge-messene Kraft oder die Bruchspannung festge-halten. Dabei wird die Höchstkraft in N durch dieKlebfläche in mm2 dividiert (identisch mit Scher-festigkeit; vgl. auch Dauerbelastbarkeit).

Klebfestigkeiten aus der Praxis(Zugscherfestigkeiten):• Luft- und Raumfahrt 30 bis 40 MPa• industriell, konstruktiv 15 bis 25 MPa• industriell, nicht konstruktiv 5 bis 10 MPa• Dichtmassen < 5 MPa

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Abbildungen und Folien

Seite

Abb. 1, Folie 1 Werkstoffe und technische Entwicklung: das Rad 6Abb. 2, Folie 2 Verbindungssystematik 7Abb. 3, Folie 3 Zukunftstechnologie Kleben 8Abb. 4, Folie 4 Flaschenetikettierung 8Abb. 5 Beil aus der jüngeren Steinzeit, Kleben im alten gypten, Ä

Aztekische Bauwerke 11Abb. 6 Seepocke 13Abb. 7, Folie 5 Querschnitt einer Klebung 14Abb. 8, Folie 6 Die Beiträge zur Kohäsionsfestigkeit eines Klebstoffs 16Abb. 9 Methoden der Oberflächenbehandlung 18Abb. 10 Einteilung der Klebstoffe nach der chemischen Basis 19Abb. 11, Folie 7 Einteilung der organischen Klebstoffe und Silicone nach dem

Verfestigungsmechanismus 19Abb. 12, Folie 8 Physikalisch abbindende Klebstoffe 20Abb. 13 Grundstoffe von Schmelzklebstoffpolymeren 21Abb. 14 Auftrag durch Schmelzklebstoffpistolen 21Abb. 15 Grundstoffe für lösungsmittelhaltige Nassklebstoffe 22Abb. 16, Folie 9 Stabilisierung der Klebstoffpartikel durch Hilfsstoffe und Emulgatoren 23Abb. 17, Folie 10 Filmbildung einer Polyacrylatdispersion in der Klebfuge 24Abb. 18 In Haftklebstoffen verwendete Kautschuke 25Abb. 19 Aufbau von Haftklebebändern 26Abb. 20, Folie 11 Abbindemechanismus der Plastisole 27Abb. 21, Folie 12 Chemisch härtende Klebstoffe 27Abb. 22, Folie 13 Verschiedene Ester der �-Cyanacrylsäure/

�-Cyanacrylsäureester: Ladungsverteilung 28Abb. 23, Folie 14 Aushärtung durch anionische Polymerisation 29Abb. 24 Hydrolyse des Cyanacrylats 29Abb. 25, Folie 15 Aushärtung durch radikalische Polymerisation des MMA 30Abb. 26, Folie 16 Radikalische Polymerisation von TEGMA/

Abfangen durch O2 und Bildung reaktionsträger TEGMA-Peroxid-Radikale 31Abb. 27, Folie 17 Härtungssystem anaerob härtender Klebstoffe 31Abb. 28 Schrauben sichern mit anaeroben Klebstoffen 32Abb. 29 Glasdesign und Glasbau 33Abb. 30, Folie 18 Vorkondensation von Phenol mit Formaldehyd 33Abb. 31, Folie 19 Aushärtereaktion des Phenolformaldehydharzes 34Abb. 32 Bremsbeläge 34Abb. 33 Hohe Kettenbeweglichkeit der Silicone durch stark unterschiedliche

Bindungswinkel 35Abb. 34, Folie 20 Blockierung von Siloxanen mit Vernetzern 36Abb. 35, Folie 21 Hydrolyse und Polykondensation vernetzender Siloxane 36Abb. 36 Kondensationsvernetzung von 2-K-RTV-Siliconen 37Abb. 37, Folie 22 Herstellung und Aushärtung der Polyimide 38Abb. 38, Folie 23 Polyaddition von Diaminen (2) an Bisphenol-A-bis-Epoxid (1) 39Abb. 39, Folie 24 Aushärtungsverlauf eines 2-K-Epoxidharzklebstoffs bei Raumtemperatur 40Abb. 40, Folie 25 Bildung von Polyurethanen 41Abb. 41 Isocyanate als Härter für 2-K-Systeme 41Abb. 42 Deblockierung eines Isocyanates in der Wärme 42Abb. 43, Folie 26 Aktivierung des isocyanatgruppenhaltigen Prepolymers durch Feuchtigkeit 42Abb. 44 Hochgeschwindigkeitsfähre 43Abb. 45 Kohäsionszunahme eines mit Feuchtigkeit härtenden reaktiven

Polyurethan-Schmelzklebstoffs 43Abb. 46, Folie 27 Beanspruchungsarten einer Klebung 44Abb. 47, Folie 28 Zugscherversuch 46Abb. 48 Keiltest 46Abb. 49 Schälversuch 47

Verzeichnis der Abbildungen, Folien & Tabellen

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Seite

Abb. 50 Dachkonstruktion aus Holzlaminatträgern 48Abb. 51, Folie 29 Klebstoffanwendungen im Karosseriebau 49Abb. 52 Direct Glazing 50Abb. 53, Folie 30 Kleben im Flugzeugbau 51Abb. 54 Nahverkehrszug in Leichtbauweise 51Abb. 55, Folie 31 Klebstoffanwendung im Containerbau 52Abb. 56, Folie 32 Punktförmiger Klebstoffauftrag auf einer Leiterplatte 53Abb. 57 Kleben von Digital Versatile Discs (DVD) 53Abb. 58, Folie 33 Klebungen im Elektromotorbau 54Abb. 59 Folienlaminierung: Fertigprodukte 55Abb. 60 Beispiele selbstklebender Verbandmaterialien 55Abb. 61 Eingeklebtes Hüftgelenks-Implantat 56Abb. 62 Die drei Dimensionen einer nachhaltigen zukunftsverträglichen Entwicklung 57Abb. 63, Folie 34 Risikobewertung 58Abb. 64 Substitution von lösungsmittelhaltigen Klebstoffen

in der Bauklebstoffindustrie 1985 –1997 61Abb. 65, Folie 35 Klebstoffe beim Endverbraucher 62Abb. 66 Schematischer Aufbau einer Freistrahl- und Sprüh-Corona-Behandlung 73Abb. 67 Toxikologisch begründete Gefahrensymbole und Gefahrenbezeichnungen 74Abb. 68 Epoxidharzzubereitung XYZ 75Abb. 69, Folie 36 Exposition 75Abb. 70 Rheometertypen 77

Tabellen

Seite

Tabelle 1 Geschichte des Klebens 12Tabelle 2 Adhäsionskräfte 15Tabelle 3 Typische Viskositätswerte 17Tabelle 4 Dispersionsklebstoffe 24Tabelle 5 Weitere wasserbasierte Klebstoffe 25Tabelle 6 Einfluss der Molekülstruktur auf den Schmelzbereich 38Tabelle 7 Haftklebstoffe 76

82

Gerd Habenicht,Kleben – Grundlagen, Technologie, Anwendungen, Springer Verlag, Berlin 3/1997

Stefanie Wellmann,Anaerobe Klebstoffe – Härtungsmechanismen und Eigenschaften, Dissertation, Universität Bielefeld 1993

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Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e.V., Folienserie Nr. 25, Neue Werkstoffe, Frankfurt am Main 1992

Literaturnachweis

83

AAblüftzeit 9, 22Acrylatdispersion 24Acrylsäureester 12Adhäsion 14ffAdhäsionsbruch 45Adhäsionskräfte 15Adhäsionszone 14Alkoholabspaltung 37Aminal 31Amine 36Anfangsfestigkeit 22, 43Anpressdauer 22Anpressdruck 22Arbeitshygiene 57Aushärtungsmechanismus 27Aushärtzeit 30

BBeanspruchung, mechanisch 44Benetzbarkeit 16Benetzung 16Beschleuniger 30Bindemittel 14Bisphenol A 38fblockiert, chemisch 28, 40blockiert, mechanisch 28Bruchfläche 45

CCasein 25Caseinleim 9, 25Cumolhydroperoxid 31Cyanacrylat, Hydrolyse 28fCyanacrylatpolymer 28fCyanacrylsäureester 28

DDauereinsatztemperatur (Dauergebrauchstemperatur) 35, 38, 40, 44Diamine 39Diamine, aromatisch 37Dibenzoylperoxid 30Dichtmittel 35fDickschichtklebung 36Diffusionsklebung 9Diisocyanat 41Dimethacrylsäureester 30Dispersionsklebstoff 23fDispersionsmittel 11Doppelkartusche 30Druckbeanspruchung 44f

EEigenschaften, rheologisch 17Einkomponenten-Klebstoffe (1-K-Klebstoffe) 281-K-Epoxidharze, heißhärtend 381-K-Polyimide 381-K-Polyurethanklebstoffe, heißhärtend 401-K-Polyurethanklebstoffe, feuchtigkeitsvernetzend 40, 511-K-Polyurethanschmelzklebstoffe, reaktiv 421-K-Siliconklebstoffe 35Emulgator 23Endfestigkeit 28, 40, 43Epoxidharzklebstoff 40, 49f, 53Essigsäureabspaltung 36Exposition 58Expositionsanalyse 60

FFeuchtigkeit 28, 35, 42fFeuchtigkeitsbeständigkeit 28, 45Fibrin 56Filmbildung 23, 24Fischleim 25Folienlaminierung 54Formaldehyd 33Fügeteil 45Fügeteilbruch 45Fügeteiloberfläche 16Fügeverfahren 7, 44f

GGefährdungspotenzial 58Gelpunkt 40Glutinleime 25Grenzschicht, adhäsiv 14

HHaftklebstoffe 24f, 55Haftvermittler 16Handfestigkeit 22, 28Harnstoff-Formaldehyd-Harz 48Härter 28, 30, 39, 40fHarz 28, 30, 38, 40Hautbildung 36Hautbildungszeit 41Hautleime 25Holzlaminatträger 48, 76Hotmelts 20Hydroxypolysiloxan 37

IIsocyanat 40fIsocyanat, chemisch blockiert 40Isocyanat-Endgruppen 40

Stichwortverzeichnis

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KKaltverschweißung 9Kataplasma 45, 76Kautschuke 24Kautschukklebstoffe 22Keilbelastung 45Keiltest 45Kieselsäureester 37Klebfuge 27Klebstoff, anaerob härtend 30f, 54Klebstoff, chemisch härtend 27Klebstoff, elektrisch leitfähig 39, 53Klebstoff, physikalisch abbindend 20Klebstoff, strahlenhärtbar 32Klebstoff, wasserbasiert 24Klebstofffilm 6, 9, 49Klimaauslagerung, feuchtwarm 45Klimawechseltest 45Kohäsion 14fKohäsionsbruch 45Kohäsionskräfte 15Kohäsionszone 15Kondensationsreaktion 33, 37Kondensationsvernetzung 32, 34ffKonstruktion, klebgerecht 44fKonstruktionsklebstoff 39Kontaktklebstoff 9, 22Kontaktklebzeit 22Kraftübertragung 7Kriechen 23, 26, 40

LLangzeitbeständigkeit 40, 45Leimsieden 10Lösungsmittel 21Luftfeuchtigkeit 28, 35f, 41f

MMetallklebung 38, 39, 42Metallkontakt 30Methacrylatklebstoff (MMA-Klebstoff) 30, 56Methylmethacrylat (MMA) 30Mindesttrockenzeit 21Mischungsfehler 39Mischungsverhältnis 30MS-Polymere 50, 52, 76Melamin-Formaldehyd-Harze 48

NNassklebstoffe, lösungsmittelhaltig 21Nassklebzeit 22N, N-Dimethyl-p-toluidin 30

OOberfläche 16Oberflächenbehandlung 17fOberflächenschicht 18Oberflächenspannung 16

PPeroxid 30fPhenol 33Phenolformaldehydharze 33, 48Phenolharzklebstoffe 33Photoinitiatoren 32Plastisole, Plastisolklebstoffe 26, 49Polyacrylate 24Polyadditionsklebstoffe 38Polyester, ungesättigte 12Polyimide 37fPolykondensation 33fPolykondensationsklebstoffe 33ffPolymethylmethacrylat (PMMA) 22Polyamine 39Polyamidoamine 39Poly-Glykole, Polyole 40Polyorganosiloxane (s. Silicone) 35Polystyrol 9Polyurethanklebstoffe (PUR) 40ffPolyurethanschmelzklebstoffe, reaktiv 42fPolyurethanprepolymer mitHydroxyl-Endgruppen 40Polyurethanprepolymer mitIsocyanat-Endgruppen 40Polyvinylacetat (PVAc) 22, 24, 48, 54Polyvinylchlorid (PVC) 9, 22Polyvinylidenchlorid 24Pressure sensitive adhesives 25Presszeit 23Primärreaktion, photochemisch 32Primer 16, 18Prüfung von Klebverbindungen 45Prüfverfahren 45Punktschweißkleben 49, 77PVAL-Klebstoffe 24fPyromellithsäureanhydrid 37

QQuellschweißen 22

RRadikalbildner 30fRadikale, aktive 31Radikalkettenpolymerisation 30Reaktionsklebstoffe 27Reaktionsklebstoffe, hochtemperaturbeständig 38Resol 33Resorcin (m-Dihydroxybenzol) 34Resorcin-Formaldehydharze 34, 48Rheologie 16Risikobewertung 58Rollenschälversuch 45, 78

SSalzsprühtest 45Sauerstoffabschluss 30Schälbeanspruchung 44Schälversuch 46Schälwiderstand 46, 78Scherbeanspruchung 44Scherfestigkeit 78Schmelzbereich (Erweichungsbereich) 20f

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Schmelzklebstoffe 20f, 48, 54Schmelzklebstoffe, reaktiv 42Schubbeanspruchung 44Schutzmaßnahmen 58Schwitzwassertest 45Sekundenklebstoffe 28Sicherheitsdatenblätter 60Silicone 35, 78Siliconpolymere 35Siloxane 78Siloxane, vernetzend 36Sol-Gel-Prozess 27Spaltüberbrückung 78Spreiten 17Stärkeleim 25

TTapetenkleister 11TDI-Prepolymer 40Technische Merkblätter 60TEGMA-Peroxidradikale 31TEGMA-Radikale 31Temperaturbeständigkeit 26, 35, 38, 39fTetraethylenglykoldimethacrylat (TEGMA) 30fThixotropie 17, 78Topfzeit 39, 78Torsionsbeanspruchung 44Toxikologie 58, 78

UÜ bergangszone 14Umweltaspekte 60UV-Beständigkeit 35

Vvan-der-Waals-Kräfte 15Verdickungsmittel 17Verklammerung, mikromechanisch 15Verknäuelungen (Polymermoleküle) 21Verpackungsklebstoffe 54Vinylacetat-Copolymere 24Viskosität 17Vulkanisierbarkeit 10

WWeichmacher 26, 49, 78Winkelschälversuch 78

ZZeit, offene 21Zugbeanspruchung 44fZugscherfestigkeit 79Zugscherversuch 25Zweikomponenten-Klebstoffe:2-K-Epoxidharze, kalthärtend 38f2-K-Polyurethanklebstoffe, kalthärtend 402-K-Reaktionsklebstoffe 272-K-Siliconklebstoffe 37

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Herausgeber

Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e.V.,Karlstraße 21, 60329 Frankfurt

In Kooperation mit

Industrieverband Klebstoffe e.V.,Ivo-Beucker-Straße 43, 40237 Düsseldorf

Erstauflage: November 2001

Alle Rechte vorbehalten

Das vorliegende Textheft zur Informationsserie „Kleben/Klebstoffe“ ist zusammen mit einer interaktiven CD-ROM erschienen. Auf der CD-ROM befinden sich neben dem Textheft als PDF-Datei alle 70 Abbildungen als Microsoft PowerPoint-Dateien und alle Formelumsetzungenals ChemWindow-Dateien.Eine Auswahl von 36 Abbildungen/Formeln kann zusätzlich als Overheadfolien-Set beim Fonds der Chemischen Industrie angefordert werden.Die gesamte Informationsserie ist außerdem über das Internet abrufbar (www.vci.de/fonds).

Autoren und BeratungDr. Norbert Banduhn, Henkel KGaA, DüsseldorfBeate Brede, Fraunhofer IFAM Klebtechnisches Zentrum, BremenDr. Gerhard Gierenz, SolingenProf. Dr. Andreas Groß, Fraunhofer IFAM Klebtechnisches Zentrum, BremenDr. Axel Heßland, Industrieverband Klebstoffe e.V., Düsseldorf Dr. Irene Janssen, TU Dresden, DresdenProf. Dr. Heinz Wambach, Bezirksregierung Köln, KölnDr. Wolfgang Weber, FCI, Frankfurt

BildquellennachweisDie für die Gestaltung der Abbildungen/Folien verwendeten Bildmaterialien wurden freundlicherweise von folgenden Unternehmen und Instituten zur Verfügung gestellt:3 M Deutschland GmbH (Abb.: 14) Ciba Speciality Chemicals PLC (Abb.: 55, 57)DELO Industrieklebstoffe GmbH & Co. KG (Abb.: 28, 29)Fauner/Endlich, Angewandte Klebtechnik (Abb.: 5)Fraunhofer IFAM (Abb.: 4, 6, 8, 32, 47, 48, 49, 50, 53, 60)Henkel KGaA (Abb.: 4, 51, 52, 54, 56, 59)Lürssen Werft Bremen (Abb.: 44)Südtiroler Archäologiemuseum (Abb.: 5)VANTICO Ltd. (Abb.: 53, 54)

Konzeption & Design

BARMWATER GmbH & Co. Werbeagentur KG · T el.: 02 11/51 58 04-0 · Fax: 02 11/51 58 04-20Gneisenaustraße 39 · D-40477 Düsseldorf · e-mail: info@barmwater .de · www .barmwater.de

Druckvorstufe/Druck und Verarbeitung, CD-Produktion

MedienPark Moers AG · Heinrich-Hertz-Straße 11 · D-47445 MoersTel.: 0 28 41/5 40 41 · Fax: 0 28 41/5 35 18 · www .medienpark-moers.de

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Impressum

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www.vci.de/fonds

Auf den Internetseiten des Fonds der ChemischenIndustrie (FCI) finden Sie alle zur Zeit zur Verfügungstehenden Informationsserien aufgelistet. Selbstver-ständlich können Sie sich dort auch über Fördermaß-nahmen sowie forschungs- und bildungspolitischePositionen informieren.

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Inhaltsverzeichnis

Kapitel 1

Vorwort

Kapitel 3

Kapitel 2

Kapitel 4

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