Klebstoff ist ein Prozesswerkstoff, der zum Kleben verwendet wird.
Nach DIN EN 923 wird ein Klebstoff als "Nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (siehe Adhäsion) und innere Festigkeit (siehe Kohäsion) verbinden kann" definiert.
Obwohl es auch Klebstoffe auf Basis anorganischer Substanzen gibt, wie beispielsweise Wasserglas (Natrium- beziehungsweise Kaliumsilikat) oder die Produkte auf Basis von Zement, ist die überwiegende Mehrzahl der heute eingesetzten Klebstoffe den organischen Substanzen zuzuordnen.
Geschichte
Schon vor 6000 Jahren verwendeten die Mesopotamier Asphalt zu Bauzwecken. 3000 v.Chr. kannten die Sumerer das Herstellen von Leim aus tierischen Häuten und etwa 1500 v.Chr. verwendeten die Ägypter tierische Leime für Furnierarbeiten. Das "Kleben" ist somit eine der ältesten Techniken und auch eines der modernsten Fügeverfahren.
Einteilung der Klebstoffe
In der Bio- und Technosphäre wird eine große Anzahl unterschiedlicher Klebstoffarten verwendet. Die verschiedenen Klebstoffarten lassen sich zum einen nach der chemischen Basis und zum anderen nach dem Verfestigungsmechanismus einteilen.
nach der chemischen Basis
| Einteilung der Klebstoffe nach der chemischen Basis | ||||
| Klebstoffe | ||||
| organische Verbindungen | Silicone | anorganische Verbindungen | ||
| natürliche Basis | synthetische Basis | |||
|
Kohlenwasserstoff- |
keramische Bestandteile, | |||
nach dem Verfestigungsmechanismus
Die Einteilung in Duromere, Thermoplaste und Elastomere, wie sie bei Kunstoffen üblich ist, ist bei Klebstoffen wenig sinnvoll. Es gibt Klebstoffe (besonders bei den Polyurethanen), die als Duromere, Elastomere und Thermoplaste aushärten. Ein besseres Ordnungskriterium ist die Art und Weise wie sich der Klebstoff verfestigt - somit nach dem Abbindemechanismus, also physikalisch oder chemisch.
| Einteilung der organischen
Klebstoffe und Silicone nach dem Verfestigungsmechanismus | |
| physikalisch abbindende Klebstoffe | chemisch härtende Klebstoffe |
| Schmelzklebstoffe Lösemittelhaltige Nassklebstoffe |
Polymerisationsklebstoffe Cyanacrylatklebstoffe (Sekundenkleber) |
| Polykondensationsklebstoffe Phenolformaldehydklebstoffe | |
| Polyadditionsklebstoffe | |
Physikalisch abbindende Klebstoffe
Hierunter versteht man solche Klebstoffe, bei denen bereits der fertige Klebstoff, das heißt das Polymer an sich, in die Klebefuge eingebracht wird. Dazu wird ein physikalisches Verfahren angewendet, das den Klebstoff zunächst in eine verarbeitbare Form bringt, um ihn später im Klebespalt wieder verfestigen zu lassen.
Lösemittelhaltige Nassklebstoffe
Bei lösemittelhaltigen Nassklebstoffen liegt das Polymer in organischen Lösemitteln gelöst vor und wird so appliziert. Das Fügen findet zu einem Zeitpunkt statt, bei dem noch genügend Lösemittel in der Klebschicht vorhanden ist, um eine Benetzung der zweiten Fügeteiloberfläche zu gewährleisten. Durch Verdunsten der Lösemittel bindet der Klebstoff ab, das heißt er wird zunächst zäher und verfestigt sich schließlich durch die Ausbildung physikalischer Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten.
Lösemittelhaltige Nassklebstoffe können auch zum Diffusionskleben (Kaltschweißen) thermoplastischer Kunststoffe verwendet werden. Dabei werden beide Klebflächen mit dem Klebstoff bestrichen, der ein Lösemittel enthält, welches imstande ist, die Oberfläche der Fügeteile anzulösen. Nach kurzer Einwirkzeit werden die beiden Fügeteile unter Druck gefügt, wodurch sich die durch das Lösemittel freigelegten Polymerketten der angelösten Oberfläche - ähnlich wie die Borsten zweier Bürsten, die ineinander gedrückt werden - durchdringen und miteinander verschlaufen. Nach Entweichen des Lösemittels entsteht so nach einiger Zeit eine Verbindung, die rein auf Kohäsionskräften beruht.
Dispersionsklebstoffe
Dispersionsklebstoffe nutzen Wasser als mobile Phase, in der die Klebstoffbestandteile als Dispersion vorliegen. Nach Aufbringen auf die zu verklebende Fläche bricht die Dispersion durch Verdampfen des Wassers oder Veränderung des pH-Wertes, bildet einen Film und kann die beiden Fügeteile so verbinden.
Die wäßrigen Dispersionsklebstoffe werden heute vielfältig als Ersatz der Lösemittelklebstoffe verwendet, da sie nicht wie diese brand- und explosionsgefährlich sind und auch keine gesundheitsbeeinträchtigenden Lösemittel freisetzen. Nachteil ist allerdings, dass wasserbasierte Klebstoffe zum Abbinden längere Zeit oder mehr Energie benötigen. Außerdem sind Dispersionsklebstoffe frostempfindlich.
Schmelzklebstoffe
Schmelzklebstoffe - oft auch als "Hotmelt" bezeichnet - sind bei Raumtemperatur fest und werden durch Aufschmelzen verarbeitbar. Die heiße Klebstoffschmelze wird auf das zu verklebende Teil aufgebracht und sofort mit dem zweiten Teil innerhalb der Offenzeit gefügt. Unmittelbar nach dem Abkühlen und Erstarren des Klebstoffs ist die Verbindung fest und funktionsfähig. Dies ermöglicht in Produktionsprozessen sehr schnelle Taktzeiten und unmitttelbares Weiterverarbeiten.
Für den Hobby- und Kleinanwender kommen Schmelzklebstoffe in Form von Klebekerzen (Klebesticks) in den Handel, die mit Schmelzklebepistolen verarbeitet werden können. Bei technischen Anwendungen werden sie auch in Form von Granulaten oder Blöcken mit Hilfe von Schmelzgeräten und nachgeschalteten Auftragsköpfen verarbeitet.
Schmelzklebstoffe sind lösemittelfrei, jedoch ist ihr Einsatz wegen der hohen Verarbeitungstemperaturen auf temperaturresistente Werkstoffe beschränkt. Andererseits verhält sich der Klebstoff reversibel, das heißt bei Temperaturerhöhung wird er wieder weich und besitzt daher nur eine eingeschränkte Wärmebeständigkeit. (siehe auch reaktive Schmelzklebstoffe)
Kontaktklebstoffe
Kontaktklebstoffe können sowohl Lösemittelklebstoffe oder auch Dispersionsklebstoffe sein, die im Kontaktklebeverfahren verarbeitet werden.
Dazu werden zunächst beide Klebeflächen gleichmäßig mit Klebstoff bestrichen. Dann lässt man den Klebstoff so lange ablüften, bis der Klebefilm sich trocken anfühlt, das heißt bei der Fingerprobe keine Fäden mehr zieht und nur noch eine geringe Soforthaftung aufweist. Im nächsten Schritt müssen die Klebeflächen innerhalb der offenen Verarbeitungszeit exakt zusammengefügt werden. Eine Korrektur ist nicht möglich. Um eine gute Verklebung zu erzielen, ist es nötig, die Klebeflächen kurz unter möglichst hohem Druck zusammenzupressen. Ist ein Substrat flexibel, bedient man sich am besten einer Rolle, mit der ein hoher Liniendruck erzielt werden kann. Die Klebung ist sofort nach dem Fügen belastbar. Die Endfestigkeit wird nach einigen Tagen erreicht.
Haftklebstoffe
Auf eine Sonderform der Applikation abgestimmt sind die Haftklebstoffe, die nach dem Auftragen dauerklebrig bleiben und dann durch Druck auf ein Substrat aufgebracht werden können und dort haften bleiben. Anwendung finden sie als Beschichtung von Klebebändern, Selbstklebeetiketten usw.
Plastisole
Bei Plastisolen sind in der Verarbeitungsform kleine feste Polymerkügelchen in einer flüssigen Phase verteilt. Nach dem Applizieren wird das Plastisol durch Wärmezufuhr geliert. Bei diesem Vorgang nehmen die Polymerkügelchen die Flüssigkeit - meist ein Weichmacher - auf, quellen und verwachsen so zu einer homogenen Schicht. Häufig verwendet werden beispielsweise PVC-Plastisole im Automobil-Bau als Nahtabdichtung oder Unterbodenschutz. Nicht nur wegen dieser Anwendungsfälle, sondern auch auf Grund der geringen Festigkeit und gleichzeitig hohen Elastizität sind Plastisole schon mehr den Dichtstoffen zuzuordnen.
Chemisch härtende Klebstoffe
Bei chemisch härtenden Klebstoffen, oft auch Reaktionsklebstoffe genannt, werden die einzelnen chemischen Bausteine für den Klebstoff im richtigen Verhältnis in die Klebefuge eingebracht. Die Verfestigung erfolgt danach durch chemische Reaktion der Bausteine miteinander.
Grundsätzlich unterscheidet man bei den Reaktionsklebstoffen zwischen zwei- (oder mehr-) komponentigen und ein-komponentigen Systemem. (Siehe auch Kunstharz)
Bei 2-Komponenten-Klebstoffen (kurz: 2K-Klebstoffe) hat der Verarbeiter einen Klebstoff bestehend aus getrennten Bestandteilen, A- und B-Teil oder Harz und Härter genannt, die vor der Applikation im korrekten Verhältnis intensiv vermischt werden müssen. Durch das Mischen startet die chemische Reaktion zwischen den zuvor separat vorliegenden Bausteinen zum Klebstoffpolymer. Dies bedingt, dass 2K-Klebstoffe nur innerhalb der sog. Topfzeit verarbeitbar sind. Durch die fortschreitende Reaktion wird die angemischte Masse immer zäher und fester und kann schließlich nach Überschreiten der Topfzeit (= max. mögliche Verarbeitungszeit) die zuverbindenen Oberflächen nicht mehr benetzen. Nach dem Einbringen des Klebstoffs in die Fuge folgt die Abbindezeit, in der sich die Endfestigkeit der Verklebung aufbaut. Diese Aushärtezeit wird stark von äußeren Einflüssen, besonders der Temperatur, beeinflusst. Temperaturerhöhung führt zu einer schnelleren Reaktion und meist auch einer höheren Festigkeit, während kühlere Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit herabsetzen.
Bei 1-Komponenten-Klebstoffen (1K-Klebstoffen) wird eine schon gebrauchsfertig verkaufte Klebemasse in den Klebespalt gebracht. Der Klebstoff härtet dann durch Veränderung der Umgebungsbedingungen aus; dies kann beispielsweise durch Temperaturerhöhung, Zutritt von Luftfeuchtigkeit, Ausschluss von Luftsauerstoff oder Kontakt mit der Substratoberfläche geschehen.
Die Unterscheidung nach der Art der chemischen Reaktion - Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition - ist für den Anwender von geringerer Bedeutung.
Cyanacrylat-Klebstoffe
Cyanacrylat-Klebstoffe sind im allgemeinen besser bekannt unter dem Begriff "Sekundenkleber". Es handelt sich dabei um dünnflüssige oder bewusst eingedickte Ester der Cyanacrylsäure, die in 1K-Form als Monomere in den Handel kommen und durch Polymerisationsreaktion im Fügespalt zum eigentlichen Klebstoffpolymer reagieren. Voraussetzung für den Start der Aushärtung ist das Vorhandensein polarer Gruppen, beispielsweise die OH-Ionen in der Feuchtigkeitsschicht an der Fügeteiloberfläche. Die Polymerisation läuft dann sehr schnell ab, so dass in Sekunden eine feste Verbindung hergestellt ist. Bevorzugte Substrate sind Metalle, Glas oder Keramik, die einen extrem dünnen Klebespalt ermöglichen. Um etwas breitere Spalten zu füllen, wird durch Zusatzmittel die Viskosität angehoben. Solche Typen werden bevorzugt zum Verkleben von EPDM-Gummidichtungen eingesetzt.
Cyanacrylat wurde ursprünglich 1942 von der Firma Kodak für das US-Militär als transparente, unzerbrechliche Zieloptik für Panzer entwickelt. Da es jedoch zu diesem Zweck nicht taugte, kam 1958 der erste Sekundenkleber mit dem Namen Eastman #910 auf Basis der damals entwickelten Substanz heraus.
Verklebungen mit Cyanacrylat-Klebstoffen sind nicht feuchtigkeits- oder temperaturstabil, da unter diesen Bedingungen das Polymer wieder gespalten wird. Die Haltbarkeit der Verklebung ist eingeschränkt: nach zwei bis drei Tagen wird sie spröde und kann leicht brechen. Ausserdem lassen sich nur kleine Flächen richtig verkleben.
Spezielle Ester der Cyanacrylsäure finden auch in der Medizin zum Wundverschluss statt des Nähens Anwendung. Durch die feucht-warmen Umgebungsbedingungen lösen sich diese Verklebungen wieder langsam auf. Seit 1998 ist in den USA Cyanacrylat auch zur Wundbehandlung freigegeben, da gerade Schnittwunden so schnell verklebt werden können.
Den Effekt, dass Haut und Augenlider sehr schnell verklebt werden können, findet man als Warnung auf jeder Packung. Als Erste Hilfe bei Hautverklebungen wird empfohlen, mit warmen Seifenwasser und 'stumpfen' Gegenständen die Verklebung zu lösen. Der Klebstoff löst sich mit der Zeit langsam von selbst.
Methylmethacrylat-Klebstoffe
Methylmethacrylat-Klebstoffe sind zwei-komponentige Reaktionskelbstoffe, bei denen das eingesetzte Monomer - der Methylester der Methacrylsäure - durch radikalische Kettenreaktion polymerisiert wird. Zum Start der Polymerisationsreaktion wird ein reaktives Radikal benötigt, das meist aus einem Peroxid entsteht, wenn man diesem einen Beschleuniger zusetzt. Das heißt, letztendlich benötigt man nur für das Starten der Radikalreaktion das 2K-System, bei dem Peroxid und Beschleuniger zusammenkommen und die Startradikale bilden.
Man kann daher sowohl das Peroxid im Methylmethacrylat-Monomer als eine Komponente als auch den Beschleuniger gelöst im Basis-Monomer als zweite Komponente in den Handel bringen. Durch Mischen beider Komponenten wird die Radikalkettenreaktion initiiert und der Klebstoff härtet durch.
Eine andere Variante bringt das gesamte Monomer und das Peroxid in eine Komponente und verwendet als zweite Komponente nur noch den Beschleuniger. Hierdurch kann das vorangehende Mischen der beiden Komponenten (und die damit verbundene Topfzeit) entfallen, wenn auf ein Fügeteil die Hauptkomponente und auf das andere Fügeteil der Beschleuniger aufgetragen werden. Durch Zusammenfügen der Flächen kommen die beiden Komponenten in Kontakt und die Radikalreaktion startet.
Methylmethacrylat-Klebstoffe werden hauptsächlich zur strukturellen Verklebung von Metallen eingesetzt.
Anaerob härtende Klebstoffe
Diese Gruppe von Klebstoffen wird als 1K-System angewendet. Die eingesetzten Monomere von (modifizierten) Acrylsäure-Estern härten ebenfalls nach einem Radikalketten-Mechanismus ähnlich den Methylmethacrylaten aus. Das Besondere dabei ist, dass die Härtereaktion nur unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob) startet, wenn der Klebstoff in einer engen metallischen Klebfuge von der Umgebungsluft abgeschlossen wird. Aus diesem Mechanismus ergibt sich das Hauptanwendungsgebiet dieser Klebstoffsorte als Schraubensicherung und zur Wellen- und Flanschverklebungen praktisch von selbst.
Strahlenhärtende Klebstoffe
Ebenfalls durch radikalische Polymerisation härten diese 1K-Klebstoffe zu festen Polymeren, wobei die Bildung der Startradikale durch Bestrahlung mit UV-Licht (oder anderen Strahlenquellen wie Elektronen) hervorgerufen wird. Die Wellenlänge des UV-Lichts muss dabei genau auf das eingesetzte Klebstoffsystem abgestimmt sein; außerdem muss mindestens eines der Fügeteile für die Strahlen transparent sein.
Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe
Wie schon der Name dieser Klebstoffgruppe sagt, sind die Basis-Bausteine Phenol (oder Phenol-Derivate) und Formaldehyd, die zu einem Polymer kondensiert werden. Dies war eine der ersten Reaktionen, die zu einem "Kunststoff" (Bakelite) führte. In der Klebetechnik setzt man eine Mischung aus Phenol-Formaldehyd-Harz, das noch nicht hochmolekular polymerisert ist, und einen Formaldehyd-Lieferanten ein. Dieses Gemisch bringt man als Lösung oder auch als Pulver in die Klebefuge ein und setzt die quasi unterbrochene Kondensationsreaktion durch Temperaturerhöhung auf ca. 160 bis 180°C fort. Da hierbei als Abspaltprodukt Wasser entsteht, müssen die Fügeteile gut zusammengepreßt werden.
Der resultierende Klebstoff hat eine gute Temperaturbeständigkeit, weshalb man dieses System besonders für temperaturbelastete Metall-Verklebungen nutzt. Ein großes Einsatzgebiet ist beispielsweise die Verklebung von Reibbelägen, die als Bindemittel ebenfalls Phenol-Formaldehyd-Harze enthalten, auf die Metallträger bei der Fertigung von Kupplungen und Bremsbelägen.
Silicone
Silicon-Polymere unterscheiden sich grundsätzlich von den anderen hier behandelten Polymertypen, da das Rückgrat der Silicone nicht wie bei den üblichen organischen Polymeren aus Kohlenstoffketten ausgebaut ist. Vielmehr wechseln sich in der Hauptkette Silicium- und Sauerstoff-Atome ab. Nur in den Seitenkette tragen diese Polymere organische Strukturen.
Für die Kleb- und Dichtsysteme werden sog. Prä-Polymere (also Polymere, die sich noch in einem Vorstadium zu einem richtigen Polymer befinden) eingesetzt, deren Kettenenden durch funktionelle Gruppen so gestaltet sind, daß sie unter Einwirkung von Luftfeuchtigkeit (bei 1-komponentigen Siliconen) oder nach Zugabe eines Härters (2K-Systeme) zu einem hochmolekularem Polymer vernetzen.
Anwendungsgebiete sind heutzutage weniger Klebstoffe als vielmehr Dichtstoffsysteme, wie man sie z.B. als Sanitärsilicone kennt.
Polyimid-Klebstoffe
Epoxidharz-Klebstoffe
Epoxidharz-Klebstoffe sind zweikomponentig aus Harz und Härter aufgebaut. Als Epoxidharz werden Polymerbausteine verwendet, die am Ende sog. Epoxidgruppen tragen. Meist werden dazu die Reaktionsprodukte aus Bisphenol-A und Epichlorhydrin eingesetzt, die nach dem Vermischen mit dem Härter, der Amino- oder Mercaptogruppen enthält, einen stabilen Duroplasten bilden. Die Aushärtereaktion kann sowohl bei Raumtemperatur als auch bei höherer Temperatur vorgenommen werden. Im letzteren Fall werden üblicherweise höhere Festigkeiten der Klebung erzielt. Da der ausgehärtete Klebstoff eine sehr hohe Kohäsion besitzt, wendet man diese Klebstoff-Klasse häufig für strukturelle Verklebungen z.B. im Fahrzeug- und Flugzeugbau an.
Eine Besonderheit sind einkomponentige Epoxidharzklebstoffe, bei denen schon in der Herstellung Harz- und Härterkomponente im korrekten Verhältnis miteinander vermischt wurden und die erst nach Temperaturerhöhung reagieren. Diese finden insbesondere in der Automobilindustrie als sogenannte Rohbauklebstoffe Anwendung, wo man sie vor dem Lackiervorgang in die Klebefugen appliziert und sie durch den anschließenden Lackierprozeß bei Temperaturen von 140 bis 180°C zum Aushärten bringt.
Polyurethan-Klebstoffe
Geschichte
Auf der Suche nach neuen und besseren Klebstoffen für die Buchbinder wurde erstmals 1985 ein neues Klebstoffsystem vorgestellt. Die Grundlage für dieses System sind Polyether oder Polyester, wobei Polyurethan als Präpolymer zur Anwendung kommt. Ihre besondere Eigenschaft ist das Festwerden bei Raumtemperatur und das Reagieren auf Feuchtigkeit.
1.Generation (1988 auf der DRUPA)
2.Generation (1996 auf der DRUPA)
3.Generation (2000 auf der DRUPA)
4.Generation (aktuell)
Vorteile
Gegenüber Hotmelt und Dispersionleimen ist PUR ein wahres wunder. Durch den fehlenden Feuchtigkeitsanteil können Papiere mit falscher Laufrichtung problemlos verarbeitet werden. Sogar bedruckte oder gar hoch satinierte Papiere lassen sich problemlos binden. Mit einem Strichauftrag von (theoretisch) 0,01mm ist PUR der sparsamte Klebstoff. In der Praxis jedoch ist es nicht möglich unter 0,03mm aufzutragen.
Die PUR-Schmelzklebstoffe sind sehr witterungsbeständig. Bei Temperaturen von -40° Celsius bis +100° Celsius sind sie stabil.
Nachteile
In den PUR-Klebstoffen könne folgende Grundbausteine enthalten sein :
Verwendung
Im Haushalt wird meist Alleskleber verwendet.
In der Bauchemie werden neuerdings auch Metall-Metall-Verbindungen oder Glasscheiben geklebt.
Natürliche Klebstoffe sondern beispielsweise Saugwürmer und die Miesmuschel ab. Ebenso sind die Fangfäden im Spinnennetz mit Leimtropfen besetzt.
Literatur
- Industrieverband Klebstoffe e.V. Handbuch Klebstoffe 1998/2000, ISBN 3-528-26004-1
- Wilhelm Endlich Kleb- und Dichtstoffe in der modernen Technik – ein Praxishandbuch der Kleb- und Dichtstoffanwendung, Vulkan-Verlag, Essen 1998, ISBN 3-8027-2183-7, 279 Seiten
- G. Gierenz und F. Röhmer: Arbeitsbuch Kleben und Klebstoffe, Cornelsen/Henkel 1989, ISBN 3-590-12939-5 (vergriffen)
- Klebstoffe – Theorien und Experimente (Themenheft Praxis der Naturwissenschaften – Chemie, 7/38), Aulis Verlag 1989, Restexemplare (zu bestellen: Tel.: 0221/95 14 54-22)
- Gerd Habenicht Kleben. Leitfaden für die praktische Anwendung und Ausbildung, Vieweg Verlag Wiesbaden, 1995, 148 S., ISBN 3-528-04969-3
- Gerd Habenicht Kleben. Grundlagen, Technologie, Anwendungen, 3. Auflage 1997, 893 S.,Springer Verlag Heidelberg, ISBN 3-540-62445-7
- Gerhard Fauner / Wilhelm Endlich Angewandte Klebstechnik, München, Wien, 1979 ISBN 3-446-12767-4
- E. Schindel-Bidinelli, Strukturelles Kleben und Dichten, München, 1988
- Irving Skeist, Handbook of Adhesives. 3rd. edition, 1990 (in Englisch)
- Hermann Onusseit: Klebstoffe der Natur: Anwendung und Perspektiven für die Technik. Biologie in unserer Zeit 34(5), S. 307 - 314 (2004), ISSN 0045-205X