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Industriekleber für Kunststoff, Metall und andere Materialien

Das Prinzip des Klebens ist seit Jahrtausenden bekannt und wurde zur Herstellung von Waffen und Werkzeugen schon von den Neandertalern angewandt. Diese verwendeten Birkenharz als Kleber von Klingen an ihre Speere. Mit einem großen Sprung in die Gegenwart haben Klebstoffe eine weitaus vielfältigere Anwendung, wie etwa bei Handys, Büchern, Schuhen, Etiketten, Zahnkronen, Fliesen, Rotorblättern von Windkraftanlagen und Windeln.

Mit einem Pro-Kopf-Verbrauch von 9,2 kg im Jahr 2012 ist Deutschland der Klebe-Europameister. Da die Klebstoffindustrie vor großen Herausforderungen steht, befasste sich das Deutsche Institut für Normung (DIN) mit der Normung und Standardisierung von Begriffen und Verfahren rund um den Klebstoff. In der Norm DIN EN 923 wurden alle Anforderungen, die für die Klebstoffindustrie entscheidend sind und letztendlich auch die Marktfähigkeit eines Klebers bestimmen, zusammengefasst.

Hierin festgehalten ist auch die Definition des Klebstoffs. Danach sind Klebstoffe nichtmetallische Werkstoffe, die Fügeteile durch Adhäsion und Kohäsion verbinden können. Als Adhäsion bezeichnet man die Flächenhaftung, die molekulare Anziehungskraft an Berührungsflächen zweier Gegenstände, und als Kohäsion die innere Festigkeit, die Anziehungskraft der Moleküle untereinander, welche sich auch in der Oberflächenspannung widerspiegelt.

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Beruhend auf diesen Prinzipien ergibt sich eine große Anzahl an verschiedenen Industrieklebern, die mit ihren Eigenschaften perfekt an die Fügetechnik angepasst sind. Obwohl es auch Klebstoffe auf Basis anorganischer Verbindungen gibt, wie beispielsweise Wasserglas (Silikate) oder Produkte auf Basis von Zement, ist die überwiegende Mehrzahl der heute eingesetzten Klebstoffe den organischen Verbindungen zuzuordnen. Diese können sowohl natürlicher als auch synthetischer Herkunft sein. Die Funktionsweise der verwendeten Industriekleber beruht entweder auf dem physikalisch-abbindenden Prinzip, zu denen Schmelzklebstoffe, lösemittelhaltige Nassklebstoffe, Dispersionsklebstoffe und Plastisole gehören, oder dem chemisch-härtenden Prinzip, das den Polymerisationsklebstoffen, Polykondensationsklebstoffen und Polyadditionsklebstoffen zugrunde liegt.

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Die Physik des Klebens

Schmelzklebstoffe

Bei physikalisch-abbindenden Industrieklebern wird das fertige Polymer auf die zu verklebende Fläche aufgetragen und verhärtet sich dort vorwiegend zu Kunstoffen der Klasse Thermoplasten, lineare oder verzweigte Polymerketten, die miteinander verschlauft sind. Dazu gehören zum Beispiel die Schmelzklebstoffe, die als heiße Schmelze auf die zu verklebenden Teile aufgetragen werden und direkt nach dem Abkühlen ausgehärtet zur Weiterverarbeitung vorliegen. Die Verwendung der Schmelzklebstoffe ist auf hitzebeständige Werkstoffe beschränkt und eignet sich ausschließlich für Fügeteile, die bei Raumtemperatur oder kühler verwendet werden.

Nassklebstoffe

Die Nassklebstoffe hingegen bedienen sich einer anderen Wirkweise. Das Klebe-Polymer liegt in einem organischen Lösemittel gelöst vor, welches nach dem Auftragen dieses Klebstoffes verdampft und sodann das Polymer aushärtet. Die auftretenden physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten, die Kohäsion, stellen die Grundlage der Klebkraft dieser Klebstoffe dar.

Eine Methode, die sich die Verwendung von organischen Lösemitteln zunutze macht, ist das Kaltschweißen von Kunststoffen.

Hierbei werden Klebstoff-Lösemittel verwendet, die die Kunststoff-Oberflächen der Fügeteile anlösen. Wenn das Lösemittel vollständig verdampft und das Klebe-Polymer ausgehärtet ist, entsteht ein Zusammenhalt der Fügeteile, der einer Schweißnaht ähnlich ist.

Dispersionsklebstoffe

Dispersionsklebstoffe wirken ähnlich wie die Nassklebstoffe, jedoch handelt es sich bei dem mobilen Medium um Wasser. Dieses macht die Klebstoffe weniger gesundheitsschädlich und ungefährlicher in der Handhabung. Das Klebe-Polymer liegt nicht gelöst, sondern in einem heterogenen Gemenge, als Dispersion in Wasser, vor. Auch bei dieser Fügetechnik ist das vollständige Verdampfen Voraussetzung für das erfolgreiche Kleben. Daher empfiehlt es sich, dass mindestens eines der Fügeteile wasserdurchlässig ist.

Nitrocellulose-Klebstoff

Plastisole

Besondere Bedeutung in der Automobilbranche zum Beispiel als Unterbodenschutz, aber auch bei der Textilbeschichtung, Folien und Schläuchen haben die Plastisole. Ein Plastisol ist ein thermoplastisches Polymer, welches mit Pigmenten, Weichmachern oder anderen Additiven angereichert sein kann. Bei Raumtemperatur liegt dieses Polymer in der Regel als flüssige Paste vor und ist somit streich-, gieß- und spritzfähig. Wird ein Plastisol höheren Temperaturen ausgesetzt, diffundieren die Weichmacher in das Polymer, sodass es beim Abkühlen irreversibel zu gelieren beginnt und schließlich seine Festigkeit erhält.

Die Chemie des Klebens

Als Reaktionsklebstoffe oder auch chemisch-härtende Kleber werden diejenigen Industrieklebstoffe bezeichnet, deren Verfestigung durch Ablaufen einer chemischen Reaktion, wie einer Polykondensation, Polymerisation oder Polyaddition, erfolgt. Die entstehenden Reaktionsprodukte dieser Industriekleber können zu Thermoplasten, Duromeren (engmaschiges dreidimensionales Netzwerk) oder Elastomeren (weitmaschiges dreidimensionales Netzwerk mit zum Teil aufgeknäulten Polymerabschnitten) aushärten. Dabei ist unter den Reaktionsklebstoffen grundsätzlich zwischen 1- und 2-Komponenten-Klebstoffen zu unterscheiden.

1-Komponenten-Kleber

1-Komponenten Kleber, sogenannte 1K-Klebstoffe, bestehen aus einem fertigen Gemisch reaktiver Substanzen, welche durch Auftragen auf die Fügefläche und somit durch Änderung der äußeren Bedingungen, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Zutritt von Sauerstoff, eine chemische Reaktion durchlaufen.

Die 1K-Polyurethane sind zähflüssige Klebstoffe, deren Aushärtung durch Luftfeuchtigkeit ausgelöst wird.

Diese findet von außen nach innen statt, sodass es zu einer charakteristischen Hautbildezeit kommt, vor Ablauf derer ein Zusammenfügen der Teile noch möglich ist. Polyurethane werden vor allem beim Kleben von Teilen mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungsverhalten, wie Kunststoffe auf Metall, verwendet.

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Zu der Kategorie der 1K-Klebstoffe gehören auch die lösemittelfreien, strahlenhärtenden UV-Klebstoffe, bei denen gezielt unter Verwendung hochenergetischen Lichts die Polymerisationsreaktion ausgelöst wird. Verwendet werden diese Klebstoffe für Kunststoff-Zahnfüllungen und zum Verkleben künstlicher Fingernägel.

Zu den Klebstoffen, die ebenfalls eine Polymerisationsreaktion durchlaufen, gehört der Cyanacrylat Kleber, auch als Sekundenkleber bekannt. Dieser 1K-Klebstoff härtet durch Feuchtigkeit in der Luft sowie auf den Fügeteilen aus und eignet sich für eine Vielzahl an Werkstoff Kombinationsverklebungen. So können mit Sekundenkleber beispielsweise Werkstücke aus Gummi, Kunststoff, Metall und Holz zusammengefügt werden.

2-Komponenten-Kleber

Die 2-Komponenten Kleber, sogenannte 2K-Klebstoffe, bestehen aus den voneinander getrennt gehaltenen Substanzen Harz und Härter, die durch das Mischen eine chemische Reaktion und somit das Aushärten auslösen. Die Verarbeitungszeit, die Topfzeit, eines 2-Komponenten Klebers beschreibt die Zeitspanne vom Zusammenmischen der Komponenten bis zum Gelpunkt, bei dem ein Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu fest stattfindet. Anschließend erreicht der Klebstoff einen Bereich der Handfestigkeit, in dem der Industrieklebstoff zwar noch nicht vollständig ausgehärtet, aber fest genug zur weiteren Verarbeitung ist. Die Zeit der Aushärtung kann sich von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden ziehen.

Unter dem Reaktionstyp der Polyaddition härten 2K-Epoxidharzkleber zu einem Kunststoff der Klasse Duroplast aus. Typisch für diesen Reaktionstyp ist die abwechselnde Anordnung von Harz- und Härtermolekül im entstehenden Polymer. Der Epoxidharzkleber gehört zu den am häufigsten verwendeten Konstruktionsklebstoffen und wird vorzugsweise im Fahrzeug- und Flugzeugbau, aber auch im Haushalt verwendet. Die besondere Fähigkeit, sogar als elektrisch leitfähiger Klebstoff zu fungieren, erreicht der Epoxidharzkleber durch Zusätze von Graphit oder feindispersen Metallpulvern.

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Die Silikone sind die Alleskönner unter den Klebstoffen. In einem Temperaturspektrum von -100 bis +300 °C bleiben sie hochelastisch und auch UV-Strahlung kann ihnen kaum Schaden zufügen. Silikone sind sowohl in 1K- als auch 2K-Klebstoff Varianten erhältlich und reagieren durch Polykondensation, meist unter Abspaltung von Essigsäure oder Alkohol, zu einem Elastomer.

Moebelstueck mit Epoxidharz
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Richtiges Kleben ist keine Kunst

Die Vorteile des Klebens gegenüber anderen Fügetechniken, wie Schrauben oder Nieten, sind vielfältig. Das Kleben hinterlässt kaum Spuren; daran liegt es wohl auch, dass viele Anwendungen von Industrieklebern dem Betrachter oft verborgen bleiben. Zwei Werkstoffe können ohne große Bindefläche und ohne wesentliches Wachstum im Querschnitt zusammengefügt werden. Dabei bedarf es keiner Veränderung, wie Bohrlöcher, an den Werkstücken. Zusätzlich ist das Gewicht des Klebstoffs oft vernachlässigbar niedrig, dies macht Kleben zu einer sehr effizienten Fügetechnik, gerade im Flug- und Fahrzeugbau. Allerdings ist beim richtigen Verkleben immer auch auf die spezifischen Reaktionsbedingungen des Industrieklebers, wie Luftfeuchtigkeit, Umgebungstemperatur, Aushärtezeit oder Vorbehandlung der Werkstücke, zu achten.

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Jedoch unterliegt das Kleben auch einigen Nachteilen. Die Reversibilität ist oft nicht gegeben, sodass falsch zusammengefügte Werkstoffe nicht mehr korrigierbar sind. Da es sich bei Industrieklebstoffen um Chemikalien handelt, ist eine gewisse Vorsicht im Umgang immer angezeigt. Lösemitteldämpfe, Weichmacher und Zusätze können Atembeschwerden und Allergien auslösen oder sogar krebserregend sein. Das Kleben bedarf somit stets einer gründlichen Vorbereitung, damit es zu einem vollen Erfolg wird.