Für jeden Kunststoff der richtige Kunststoffkleber

 Kleben ist heutzutage, neben dem Schweißen, Schrauben oder Löten eine der wichtigsten Fügetechniken, um metallische Werkstoffe miteinander zu verbinden. So werden in Konstruktion und Fertigung bereits 50 % der Bauteile miteinander verklebt. Vor allem in der Automobilindustrie, aber auch im Flugzeug- und Schienenfahrzeugbau sowie Schiffsbau werden Klebstoffe für die Verbindung von Bauteilen aus Metallen wie Reinaluminium, Aluminium-Magnesium-Legierungen oder Stählen eingesetzt. Hierfür haben sich schon seit langem Zwei-Komponentenkleber vor allem auf der Basis von Epoxidharzen (Epoxy-Kleber) bewährt, sogenannte Struktur- oder Konstruktionskleber.

 Während das industrielle Verkleben von Metallen letztendlich mit nur einigen wenigen Klebstofftypen auskommt, erfordert das Verbinden von Kunststoffen miteinander wie auch das Verkleben von Kunststoffen mit Metallen spezielle, hierfür geeignete Kleber. Kleber, deren Eignung für eine sichere Verbindung oft erst im Versuch unter realen Bedingungen ermittelt werden kann. Der Grund dafür ist die außerordentlich große chemische Vielfalt der Kunststoffe samt der daraus resultierenden, sehr unterschiedlichen physikalisch-chemischen Oberflächeneigenschaften.

   

Die Grundlagen des Klebens

Für die sichere und dauerhafte Verbindung von zwei Werkstoffen ist es notwendig, die Vorgänge bei einem Klebevorgang genauer zu betrachten.

Adhäsionskräfte spielen eine wichtige Rolle im Klebeprozess

Zunächst muss der Klebstoff die Oberfläche des Werkstoffs gut benetzen und auf ihr haften. Diese Haftkräfte, auch Adhäsionskräfte genannt, beruhen auf physikalischen Wechselwirkungen der Oberflächenschicht des Werkstoffs und des Klebers. Dabei kann es sich um polare Wechselwirkungen zwischen polaren Gruppen handeln, um Wasserstoffbrückenbindungen oder um unpolare Wechselwirkungen (van-der-Waals-Kräfte). Beide Komponenten, also sowohl der Klebstoff als auch der zu verklebende Kunststoff, müssen beide entweder polar oder unpolar sein, um eine belastbare und zuverlässige Verklebung zu erreichen. Eine gute Benetzung ist notwendig, da die Adhäsionskräfte mit weniger als einem Nanometer nur eine sehr geringe Reichweite aufweisen. Die Benetzungsfähigkeit wird bei Kunststoffen über die sogenannte Oberflächenenergie beschrieben. Kunststoffe mit hoher Oberflächenenergie, wie Polyvinylchlorid (PVC), sind grundsätzlich einfacher zu benetzen als Kunststoffe mit niederenergetischen Oberflächen, wie Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE).

Kohäsionskräfte halten das Innere zusammen

Neben der Verbindung zwischen den zwei Oberflächen ist der Zusammenhalt innerhalb des Klebstoffs durch sogenannte Kohäsionskräfte wichtig. Diese beschreiben die Kräfte, die zwischen Atomen oder Molekülen in einem Stoff wirken. Kohäsionskräfte sind für verschiedene Parameter während des Aushärtungsprozesses verantwortlich, wie Viskosität oder Fließverhalten des Klebers, sowie die Eigenschaften des ausgehärteten Klebstoffs, wozu seine Zugfestigkeit, Temperaturfestigkeit oder Shore-Härte zählen.

Wichtige Aspekte für einen sicheren Klebeprozess

Der Klebevorgang sollte von Anfang bis Ende gut geplant werden, denn oftmals ist eine schlechte Verklebung auf einen Anwendungsfehler zurückzuführen. Die folgenden Punkte sollten vor dem Kleben durchdacht werden:

Die Konstruktion der Werkstoffteile

Um Kunststoff zu kleben, sollten die Werkstoffteile „klebegerecht“ konstruiert sein. So ist beispielsweise darauf zu achten, dass eine vollständige Benetzung der Kontaktflächen möglich ist. Außerdem sollte die Kontaktfläche zwischen den zu verbindenden Teilen möglichst groß sein. Auf eine Klebefuge wirken normalerweise äußere Kräfte, wie Zug- oder Druckbelastungen, die zu Spannungen führen können. Ziel ist es, diese Spannungen möglichst gleichmäßig zu verteilen und punktuelle Belastungen zu vermeiden. Weiterhin darf der zu verklebende Kunststoff keine Weichmacher enthalten, die den Klebeprozess von vorn herein behindern oder über die Zeit ausdünsten und die Verklebung mit der Zeit lösen können.

   

Die Vorbehandlung der Oberfläche ist das A und O

Einer der wichtigsten Punkte ist die Oberflächenbehandlung vor dem eigentlichen Kleben. Denn Schmutzpartikel auf der Oberfläche können die Benetzung und damit den gesamten Klebeprozess beeinträchtigen. Ihre gründliche Reinigung von Staubanhaftungen ist damit der erste Schritt für eine feste Verklebung. Um Kunststoffe zu kleben, ist zudem die Entfernung von Ölen, Schmier- oder anderen Trennmitteln, die beispielsweise aus dem Herstellungsprozess des Kunststoffs stammen können, unerlässlich. Für das Entfetten eignen sich niedrigsiedende, organische Lösungsmittel, wie Aceton oder Alkohole, die leicht abgelüftet werden können. Andere Verfahren, wie Plasma- oder Corona-Verfahren sowie das Beflammen, gehören zu den effektivsten und daher am meisten verwendeten. Sie sind auch arbeitshygienisch weit unkritischer als der Umgang mit Lösungsmitteln und bereiten Oberflächen optimal auf die Klebung vor. Eine andere Form der Oberflächenbehandlung nutzt sogenannte Primer oder Haftvermittler. Diese werden unmittelbar vor der Verklebung aufgebracht und bilden eine Brücke zwischen der Oberfläche des Kunststoffs und dem Kunststoffkleber. Chemisch wirkende Primer verändern hingegen die Oberflächenstruktur so, dass sie von den Klebern vollständig benetzt werden können. Schließlich kann durch mechanisches Aufrauen die Oberfläche vergrößert werden, was zu einer besseren Anhaftung des Klebstoffes führt.

Anforderungen, die Kunststoffkleber erfüllen müssen

Die Art des Kunststoffs, seine Benetzbarkeit und Oberflächenenergie, bestimmen, welcher Kunststoffkleber eingesetzt werden kann. Die weiteren Anforderungen, die ein Kleber für Kunststoff erfüllen muss, beziehen sich auf sein Einsatzgebiet und die Frage nach der Beständigkeit der Klebestelle gegenüber äußeren Einflüssen wie Temperatur und Feuchtigkeit sowie gegenüber Lösungsmitteln und Chemikalien. Je nach Einsatzgebiet muss ein Kunststoffkleber bestimmten physikalischen Qualitätsparametern genügen, wie Härte, Beständigkeit bei mechanischer Belastung oder auch Elastizität.

Spezialkleber verfügen über besondere Eigenschaften – so etwa Kunststoffkleber, die durch Zusätze von Graphit oder Metallpulvern elektrisch leitfähig ausgerüstet worden sind.

Verschiedene Arten von Klebstoffen für jeden Kunststoff

Klebstoffe können nach dem Prinzip ihrer Aushärtung, nach physikalisch oder chemisch abbindenden, unterteilt werden.

Physikalische abbindende Klebstoffe

Physikalisch abbindende Klebstoffe liegen bereits als flüssiges Polymer vor. Sie erreichen eine gute Benetzung und verfestigen sich während des Klebevorgangs. Bei lösemittelhaltigen Nassklebstoffen dampft das Lösemittel während des Klebeprozesses ab, wobei sich der Kleber verfestigt. Zu den physikalisch bindenden Klebstoffen gehören ebenso Kontaktkleber und Haftkleber mit einer bereits vorhandenen, dauerklebrigen Schicht auf einer Unterlage, wie beispielsweise Klebebänder oder selbstklebende Briefmarken. Auch Schmelzklebstoffe, die sich nach dem Abkühlen wieder verfestigen, gehören zur Gruppe der Kontaktkleber. Sie sind lösungsmittelfrei und lassen höhere Klebstoffdicken zu als viele andere Klebstoffe.

Chemisch abbindende Klebstoffe

Bei chemisch abbindenden Klebstoffen erfolgt die Verklebung durch eine chemische Reaktion. Hier ist zwischen Ein- und Zweikomponentenkleber zu unterscheiden. Ein typischer Vertreter der Einkomponentenkleber ist Cyanacrylester-Kleber, der umgangssprachlich als Sekundenkleber bekannt ist. Der leichtflüssige Kleber wird oft mit Füllstoffen angedickt, um ihn besser handhabbar zu machen. Bei dieser Klebstoffart wird die Polymerisationsreaktion durch die äußeren Bedingungen gestartet, zum Beispiel durch Luftfeuchtigkeit oder UV-Licht. Auf dem gleichen Prinzip beruht die Vernetzung der Silikon-Kautschuk-Kleber, wobei hier eine flüssige oder pastöse Silikonformulierung bei Raumtemperatur vernetzt wird. Eingesetzt wird Silikon-Kautschuk-Kleber häufig als Dichtmaterial für Fugen im Bau.

    

Schwierige Fälle und die geeigneten Kunststoffkleber

Kleber für Kunststoff auf Acrylatbasis, wie Cyanacrylester, können für viele Kunststoffe, wie Acryl-Butyl-Styrol-Copolymer (ABS), Polymethylmethacrylat (Plexiglas®, PMMA) oder Polycarbonat (PC) eingesetzt werden. Für das Kleben von Polyvinylchlorid (PVC), vor allem Hart-PVC, ist ein modifizierter Cyanacrylester Kleber auf Basis von Methacrylsäuremethylester geeignet. Auch Kunststoffe aus der Gruppe der Polyolefine, wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), lassen sich damit verkleben, wenn die Klebeflächen vorher mechanisch aufgeraut oder mit einem Primer vorbehandelt wurden. Die Dauerhaftigkeit von Klebungen dieser Kunststoffe ist jedoch nicht immer zu gewährleisten.

 

Besonders heikel ist das Verkleben von Polytetrafluorethylen (PTFE) und anderen Fluorcarbon-Kunststoffen. Es erfordert die Vorbehandlung mit speziellen Primern, die die Klebeflächen des Kunststoffs chemisch verändern und dadurch benetzbar machen. Dafür werden stabilisierte, metallisches Natrium enthaltende Lösungen verwendet. Das freie Alkalimetall solcher Primerformulierungen reagiert mit dem chemisch gebundenen Fluor des Kunststoffs und hinterlässt eine aufgeraute Oberfläche mit einer festhaftenden Kohlenstoffschicht, die benetzbar und so für den Kleber zugänglich ist. PTFE-Kleber wird meist nur in erprobten Primer/Kleber-Sets angeboten, damit das Zusammenfügen am Ende auch funktioniert.