KT ZF - FSMB

Zusammenfassung EF Klebtechnik (Stand: WS 2010)
(VL2 – Grundlagen)
- Hauptaufgabe der Verbindung von Einzelteilen: Abdichten, Kraftübertragung, Lage fixieren
- Zusatzaufgaben des Fügens: Schwingungsdämpfung, elektr./therm. Leitung, elektr./therm.
Isolierung, Energieaufnahme, optische Eigenschaften, Recyclingmöglichkeit, Schallabsorption…
- Fertigungsprozess: Materialwirtschaft → Urformen (z.B. Gießen, Blasen, Rollen) → Bearbeiten (z.B.
Trennen, Umformen, Spanen) → Montieren (z.B. Fügen, Füllen) → Veredeln ( z.B. Beschichten,
Konservieren)
- Fertigungsverfahren nach DIN 8580 und 8593:
- Einteilungsmöglichkeiten d. Fügeverfahren:
a. Wirkprinzip
* Stoffschluss: Verbindung aufgrund von Haftung
durch chem. und physikal. Kräfte auf molek.
Ebene (z.B. Schweißen, Löten, Kleben, Filmgelenk
(= elast. Verbindung zw. 2 Teilen aus therm. KS))
* Formschluss: Ineinandergreifen der Geometrien
der Einzelteile durch Hinterschneidungen
(z.B. Nieten, Schnappverb.)
* Kraftschluss: Verbindung unter Nutzung von Reibungskräften (z.B. Pressverb., Klemmen)
* Kombinationen: z.B. Kraft- u. Formschluss: Schrauben, Bördeln
b. Lösbarkeit
* lösbar: Verbindung ist durch einfache Hilfsmittel trennbar, ohne Fügepartner oder –hilfsmittel zu
zerstören (Schrauben, Schnappverbdg….)
*bedingt lösbar: durch Hilfsmittel trennbar, ohne Fügepartner zu zerstören (Nieten, Pressverbdg….)
* unlösbar: nur unter Zerstörung min. eines Fügepartners zu trennen (Schweißen, Kleben,
Filmgelenk…)
c. Beweglichkeit
* Fest in allen FHG: vollkommene Kraftübertragung, eine relative Bewegung ist behindert
(Schweißen, Kleben, Löten…)
* Beweglich in allen FHG: in versch. Richtungen Relativbewegungen möglich (Nieten, Schrauben,
Bolzen…)
- Kriterien zur Auswahl des Fügeverfahrens:
* Funktion: Wirkprinzip, Lösbarkeit, Beweglichkeit, Kraftübertragg., Dichtung, Isolation…
* Anwendungsgebiet: Einsatzbedingungen, Belastungen, Sicherheit, Lebensdauer
* Werkstoffeigenschaften: Verarbeitung, Kennwerte, Recycling
* Konstruktion/Design: Dimension, Gestalt der Fügung, Ästhetik
* Wirtschaftlichkeit:_ Stückzahl, return on invest, break even point (= Gewinnschwelle)
* Fertigungsprozess: Stückzahl, Automatisierungsgrad, Qualitätskontrolle
- Hybrides Fügen manchmal sinnvoll
* Kleben und Punktschweißen: Kleben: Festigkeit, Dauerschwingfestigkeit, Dichtung;
Punktschweißen: Festigkeit, Anfangsfestigkeit= Fixieren (z.B. tragende Karosserie)
* Kleben und Durchsetzfügen (Clinchen): z.B. Blechkonstruktionen
* Kleben und Stanznieten: z.B. Flugzeugbeplankung
* Kleben und Bördeln: z.B. Klappen und Türen bei Automobil
* Kleben und Schrauben: z.B. Schraubensicherungen
* Kleben und Pressen: z.B. Welle-Nabe-Verbindungen
- Geschichte des Klebstoffes:
* 35000 v. Chr.: Tierblut als Bindemittel bei Farben für Höhlenmalerei
* 20000 v. Chr.: Lehm zur Abdichtung von Hüttenbauten
* 10000 v. Chr.: Baumharz als Fixierungshilfe bei Waffen und Werkzeug
* 3000 v. Chr.: Tone und Erden als Klebstoff bei Töpferwaren
* 1500 v. Chr.: Gummi Arabicum zum Dichten und Verbinden bei Möbeln
* 1300 v. Chr.: Wandbild zeigt Aufkleben von Furnier auf Holzmöbel (Theben/Ägypten)
1850 Vulkanisation
1905 Phenolharz- Patente von Leo Baekeland (u.a. „Bakelite“)
1920 Chem. GL der natürl. Polymere durch H. Staudinger
1922 Harnstoff- Formaldehyd-Harz durch Patente von BASF
1932 A. Fischer bringt ersten glasklaren Kunstharzklebstoff auf den Markt (UHU)
1936 Beiersdorf: Kautschuk-Klebeband tesa; Epoxidharz
1937 Polyurethan
1940 Methacrylat- Klebstoff
1943 Silikone, Polysulfide
1953 anaerobe Klebstoffe („Loctite")
1958 Cyanacrylate
1960 tesa-Film bekommt Acrylatbasis
1968 elast. PU für Kfz-Scheiben
1970 Lichthärtende Acrylate
1974 Art Fry: Haftnotiz Post-it
- Kleben in der Natur
* Miesmuscheln: Mittels eines Beschleunigers werden Proteine abgesondert, deren feine
Klebstofffäden bereits nach rund einer Minute erstarrt sind; für 1 gr. Klebstoff 10.000 Miesmuscheln
nötig
* Spinnwebe: Mittels Protein, mit dem die Spinnseide direkt beim Austritt aus der Spinndrüse
benetzt wird, wird ein dauerhaft klebriger Faden erzeugt
* Tierbau/Insekten (Wespe etc.): Mittels Speichel wird zerkleinertes Pflanzenmaterial zu einer
formbaren Masse homogenisiert, die dann abbindet
*Sonnentau: Klebstofftropfen aus Enzymen lassen Insekten am Sonnentau kleben; die Enzyme
zersetzen die Insekten innerhalb von ca.3 Tagen
* Efeu: reine Adhäsion, also Haftung ohne Klebstoffzusatz lassen den Efeu an den meisten
Oberflächen ranken
- Zukunftstechnologie Kleben:
* Werkstoff: unterschiedliche Materialien
* Fertigung: ohne unzulässige Beeinträchtigung der Fügeteile
* Konstruktion: Verbesserte Bauteileigenschaften
- Definition Klebstoff (DIN 16 920)
* Material: Nichtmetall
* Wirkung: wirkt über Adhäsion (Oberflächenhaftung) und Kohäsion (innere Festigkeit) als
Bindemittel
* Fügeteile: Klebstoffeinsatz beeinflusst Eigenschaften der Fügeteil nicht unzulässig
- weitere Begriffe des Klebens:
* Dichtstoff: Material, das eine Diffusion verhindert
* Kitt: Elastischer Dichtstoff
* Leim: Klebstoff in wässriger Dispersion (zur Verarbeitung)
* Kleber: Person, die klebt
* Flüssigmetall: Klebstoff, mit Metallpulver gefüllt
* Kleister: Klebstoff, der durch Wasser quillt (zur Verarbeitung)
* Klebstoff: Fügehilfsmittel, das durch Adhäsion und Kohäsion fügt
- Definitionen zum Vorgang des Klebens
* Klebfläche: die zu klebende oder geklebte Fläche eines Fügeteils/einer Klebung
* Klebfuge: Zwischenraum zw. 2 Klebflächen, der durch eine Klebschicht ausgefüllt wird
* Klebschicht: abgebundene oder noch nicht abgeb. Klebstoffschicht zwischen den Fügeteilen
* Klebung: Verbindung von Fügeteilen, hergestellt mit einem Klebstoff (früher Klebverbindung)
* Fügeteil/-partner/Substrat: Körper, der an einen anderen Körper geklebt ist oder werden soll
- Vorteile von Klebungen:
* gleichmäßige Spannungsverteilung senkrecht zur Belastungsrichtung
* keine thermische Gefügebeeinflussung, kein thermisch bedingter Bauteilverzug → Fügeverfahren
für wärmeempfindliche Materialien
* Verbindungsmöglichkeit für untersch. Materialkombinationen
* Verbindungsmöglichkeit für sehr dünne Fügeteile (z.B. Folien) → Gewichtsersparnis, Leichtbau
* Kombinationsmöglichkeit mit anderen Fügeverfahren
* Hohe dynamische Festigkeit, hohe Schwingdämpfung
* Fügemöglichkeit für Metalle unterschiedlicher elektrochemischer Eigenschaften
- Nachteile von Klebungen:
* oft keine hohe Anfangsfestigkeit
* aufwendige Oberflächenvorbehandlung der Fügeteile
* begrenzte thermische Formbeständigkeit
* schlecht abzuschätzende Alterungsabhängigkeit
* geringe Schälfestigkeit
* Kriechneigung bei statischer Last
* begrenzte Lösbarkeit
* aufwendige Festigkeitsberechnung
- Einteilungsmöglichkeiten der Klebstoffe:
a. nach chemischer Basis des Klebstoffes
b. nach Polymerart des verfestigten Klebstoffs
c. nach Verfestigungs-Mechanismus
d. nach Komponentenzahl
zu a.: → organische Verbindungen: natürliche Basis (Eiweiße, KH, Harze); künstliche Basis (C-HVerbindungen + O2, N, Cl, Si, S)
→ Silikone
→ anorganische Verbindungen: keramische Bestandteile (Metalloxide, Silikate, Phosphate, Borate)
zu b.: → Thermoplaste (Makromoleküle linear oder verzweigt); → Duromere (räumlich eng vernetzt);
→ Elastomere (weitmaschig vernetzt)
zu c.: → chemisch härtend: Polymerisations-, Polyadditions-, Polykondensationsklebstoffe
→ dauerhaft klebrig: Haftklebstoffe
→ phys. abbindend: Schmelz-, Dispersions-, Lösungsmittelklebstoffe, Plastisole
Grundlagen der Polymere
- Monomer: Ausgangsprodukt, dessen Moleküle einzeln vorliegen und die infolge Vorhandenseins
von mind. zwei funktionellen (reaktionsfähigen) Gruppen in der Lage sind, durch eine chem. Reaktion
ein Polymer zu bilden (z.B. Ethen
)
- Polymer: organ. Stoff, dessen hohes Molekulargewicht auf der vielfachen Wiederkehr eines
Grundmoleküls (Monomer, Struktureinheit) beruht (z.B. Polyethylen)
- Prepolymer: Polymer, das nur aus einer begrenzten Anzahl von Monomeren besteht, aber noch
reaktive Gruppen aufweist
-Oligomer: Polymer mit nur wenigen Monomereinheiten
- Homopolymer: Polymer, das nur aus einer Art von Monomereinheiten bei gleichartiger
Verknüpfungsweise der Monomere aufgebaut ist
- Copolymer/Mischpolymer: Polymer, das sich aus verschiedenartigen Monomereinheiten aufbaut
- Polymerarten und deren Eigenschaften:
* Thermoplast (amorph/teilkristallin): unvernetzbar, schmelzbar, schweißbar, quellbar, löslich
* Duromer (amorph): temperaturstandfest, unschmelzbar, unlöslich, schwach quellbar
* Elastomer (amorph): unschmelzbar, unlöslich, quellbar, gummielastisch (reversibel verformbar)
(VL 3 Chemie der Klebstoffe)
- Polymerisationsmechanismen: a. Polymerisation; b. Polyaddition; c. Polykondensation
zu a. Initiator + Monomere  löst Kettenreaktion aus (IMMMMMMM…)
zu b. Monomer A + Monomer B  reagieren miteinander (ABABAB…)
zu c. Monomer A (mit Spaltprodukt)+ Monomer B (mit Spaltprodukt)  reagieren unter Abgabe des
Spaltprodukts (ABABAB…)
zu a.: * Ausgangssubstanzen: Reaktionspartner gleicher oder gleichartiger Struktur, reaktionsfähige
C=C Doppelbindungen; *Aufbau der Makromoleküle: Reine C-C-Bindungen, Ausnahme sind acrylierte
Systeme (Heteroatome in der Molekülkette); * Reaktionsmechanismus: Zusammenschluss der
Monomere nach Spaltung der C=C Doppelbindung
zu b.: *AS: Reakt.partner gleicher oder verschiedenartiger Struktur mit reaktionsfähigen Endgruppen
oder Molekülgruppierungen; *Aufbau der MM: Neben C-C-Bindungen auch über O2- und N-Atome in
der Hauptkette; *RM: Addition der Monomere unter Wanderung eines H-Atoms innerhalb der reag.
Endgruppen
zu c.: *AS: wie b., i.d. R. mind. 1 Partner mit einer OH-Anordnung; *Aufbau der MM: wie b.; *RM:
Verknüpfung der Reakt.partner bei gleichzeitiger Abspaltung von niedermolekularen Spaltprodukten
Physikalisch abbindende Klebstoffe
- liegen schon als fertige Polymere vor
- Benetzungszustand (flüssig) durch: Schmelzen, Lösen, Dispergieren
- Abbindeprozess durch: Abkühlen, Entweichen des Löse- oder Dispergiermittels
*Schmelzklebstoffe, *Lösungsmittelklebstoffe (Naß-, Kontaktklebst.), *Dispersionsklebst., *Plastisole,
*Haftklebst.
- Verarbeitung von Schmelzklebstoffen:
* Klebstoff liegt als fertiges Polymer im festen Zustand vor (Pulver, Granulat, Block, Strang, Folie, …)
* Aufschmelzen des festen Polymers
* Auftrag auf einen Fügepartner
* zügiges Fügen
* nach Erkalten: Erstarrung des Polymers
- chemische Basis von Schmelzklebstoffen:
*Polyvinylacetat (PVAC), *Ethylenvinylacetat (EVA), *Polyamid (PA), *Polyester,
*Polyethylenterephthalat (PET), *Polytetrafluorethylen, *Ethylen-Acrylsäure-Copolymer,
*Polyurethan (PUR), Polyvinylbutyral (PVB), Polyolefin (Polyethylen PE; Polypropylen PP)
- Eigenschaften von Schmelzklebstoffen:
*Schnelles Abbinden; *unbegrenzte Haltbarkeit; *lösungsmittelfrei; *kein Gefahrstoff; *lösbar
aber: *thermoplastisch (Erweichung bei höheren Temp.); *energieaufwendiges Schmelzen;
*schnelles Fügen
- Anwendungen von Schmelzklebstoffen: Möbelindustrie (Kantenumleimungen, Folienkaschierung),
Schuhindustrie (Sohlenkleben, Innenklebungen), Verpackungsindustrie, Textilindustrie (Aufbügler),
Automobilbau (Radabdeckungen, Sitzpolster, Innenkaschierungen, Karosserieversteifungen)
- Lösungsmittel-Klebstoffe:
* Basispolymere: PVAC, Polychlorbutadien, Nitrilkautschuk NBR, Styrol-Butadien-Kautschuk SBR,
Nitrocellulose, Polyisobutylen, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyacrylsäureester, …
* Lösungsmittel: Ester, Ketone (z.B. MEK Methylethylketon, THF Tetrahydrofuran, Aceton)
- Verarbeitung von Lösungsmittelklebstoffen:
*Klebstoff liegt als Polymer in einem Lösungsmittel vor (flüssig)
*Verarbeitung Nassklebstoff: Auftrag auf ein Fügeteil → evtl. teilweises Abdampfen → Fügen →
Resttrocknen
* Verarbeitung Kontaktklebstoff: Auftrag auf beide Fügeteile → fast vollständiges Abdampfen →
Fügen → Pressen
- Eigenschaften von LM-KS:
*einfache Applikation (Raupe, Spritzen, Gießen, Spachteln…); *hohe Anfangsfestigkeit bei
Kontaktklebstoff; *gute Haftung auf allen Materialien
aber: *geringe Temperaturbeständigkeit; *geringe Medienresistenz; *Gefahrstoff Lösemittel
(Arbeitsplatzhygiene); *niedrige Anfangsfestigkeit bei Nassklebstoff
- Anwendungen von LM-KS: Möbelindustrie (Schaumstoffkleben, Folienkaschierung), Schuhindustrie
(Sohlenkleben, Reparatur), Heimbereich („Alleskleber“)
- Dispersionsklebstoffe: *Klebstoff liegt als Festpartikel/Polymer in einem wässrigen
Dispersionsmittel vor
* Basispolymere: PVAC, Acrylat, Butadien-Styrol, PUR, Polychloropren, Kautschuk
- Eigenschaften von Dispersionsklebstoffen:
* einfache Applikation, *lösemittelfrei, *gut geeignet für Flächenklebungen
aber: *thermoplastisch (Erweichung bei T++), *Gefahrstoff Isocyanat (bei PUR), *niedrige
Anfangsfestigkeit, *geringe Feuchtebeständigkeit
- Verarbeitung Dispersionsklebstoff: Auftrag auf ein Fügeteil → evtl. teilweises Abdampfen
(Entweichen des Dispergiermittels) → Fügen → Resttrocknen
- Anwendungen Dispersionsklebstoffe: Bauwesen (Holzklebungen), Verpackungsindustrie (AlVerbundfolien, Kunststofffolien), Möbelindustrie (Kaschierungen, Holzklebungen), Schuhherstellung
(alternativ zum Lösemittelklebstoff)
- Plastisole: *Klebstoff liegt als Dispersion in Weichmacher vor (pastös)
* Basispolymere: PVC, Acrylate, PUR
*Weichmacher: Trikresylphosphat, verschiedene Phthalate
- Verarbeitung Plastisole: Auftrag des Plastisols (Sol) per Raupe → Fügen → Abbinden bei 150-180°C
(durch Quellen des Basispolymers und Aufnahme der Weichmachermoleküle (Phasenumwandeln,
Gelieren))
* der Gelierungsprozess wird als Sol-Gel-Prozess bezeichnet
- Eigenschaften der Plastisole:
*einfache Verarbeitung, *kostengünstig, *lösemittelfrei, *hohe Vibrationsdämpfung, *gut
automatisierbar, *gute Haftung auf beölten Blechen
aber: *PVC-Problematik bei PVC-Plastisolen, *evtl. Säureabspaltung
- Anwendungen der Plastisole: Automobilbau (Klappenunterfütterung, Korrosionsschutz,
Bördelfalzklebung (Klappen, Türen))
- Haftklebstoffe: *Basispolymere: verschiedene Kautschukpolymere, z.B. CR Chloropren-Kautschuk,
NBR, SBR, Acrylate
* Herstellung: Lösungsmittelklebstoffe, Schmelzklebstoffe, Strahlungsvernetzung (Elektronenstrahl-,
UV-Vernetzung), bei Klebebändern und Folien auf einen Träger
* weitere Bezeichnung: PSA = Pressure Sensitive Adhesives
- Verarbeitung H-KS: Vereinigen der Fügeteile nach Ablauf der max. Trocknungszeit; oder: fertiges
Produkt: Folie, Band
- Eigenschaften H-KS: *Anfangsfestigkeit ca. 95 % der Endfestigkeit, *wiederlösbar;
aber: *Abgleiten bei zu hoher statischer Last (Kriechen, dynamische Adhäsion)
- Anwendungsformen: einseitige Klebebänder, doppelseitige Klebebänder (Klebfilm mit Träger, mit
Schaumstoffkern (*Polyethylen, PUR, Weich-PVC, Neopren, *geschlossen-/offenzelliger Schaum), mit
Klebstoffkern (Transferklebebänder))
o. Aufbau eines Schaumklebebandes (von unten nach oben): Klebstoff – Schaumstoffträger –
Klebstoff – Schutzabdeckung
o. Aufbau eines Transferklebebandes (v.u.n.o.): Acrylat-Klebstoffkern (visko-elastisch) –
Schutzabdeckung
- Anpassungsverhalten an rauhe und strukturierte Oberflächen sehr gut bei Klebebändern mit
elastischem Schaumkern
- Träger: Glasgewebe (Gelege, Vlies), Folie (PP, PVC), Papier (Vlies, Teepapier), Schaumstoff (PE, PUR),
ohne
- Release-Liner: Silikonisiertes Papier, Silikonisierte Folien (PET, PP, LDPE, HDPE)
- Konfektionierung: Rollen, Bögen, Stanzware
- Anwendungen von H-KS: Klebebänder (Medizin, Containerbau, Fixierungshilfen, Automobilbau,
Flugzeugbau), Papierindustrie (Etiketten, Verpackungen), Haushalt, Büro, Klebfolien,
Neuentwicklung: chemisch nachvernetzende Haftklebstoffe
Überblick über physikalisch abbindende Klebstoffe:
Chemisch härtende Klebstoffe
a. Polymerisationsklebstoffe: Cyanacrylate, Methacrylate, Anaerobe Systeme, Strahlungssysteme,
Polyester
b. Polykondensationsklebstoffe: Phenolharze, Polyimide, Silikone, MS-Polymere, Polysulfide
c. Polyadditionsklebstoffe: Epoxidharze, PUR, (Silikone)
zu a.
Cyanacrylate:
* Verarbeitung: Aushärtung initiiert durch (Luft-)Feuchtigkeit, sehr schnelles System
* Eigenschaften: einkomponentig, schnell härtend, hohe Festigkeit, für viele Werkstoffe geeignet,
duromerisch und thermoplastisch nach Wahl;
aber: geringe Spaltüberbrückung (relativ neu: in Form eines Gels erhältlich), relativ spröde
* Anwendungen: Kleben von Kunststoffen, Gummi, elektron. Bauteilen, Geweben, bei elektrisch
leitfähigen Klebverbindungen, Sprühverbände, Fixierungen
* Reaktionsmechanismus: Ionenkettenpolymerisation
Methacrylate (= Methylmethacrylate MMA)
* Verarbeitung:
o. Klebstoff + Härterpaste/-flüssigkeit/-pulver und A/B-Verfahren, vorheriges Mischen: Die 2
Komponenten werden vermischt, innerhalb der Topfzeit aufgetragen und anschließend gefügt
o. A/B-Verfahren, separater Auftrag und Härter/Lack-Verfahren (NoMix): Die 2 Komponenten
werden separat auf die Fügeteile aufgetragen und anschließend werden diese gefügt
o. Beim A/B-Verfahren handelt es sich im Grunde um ein 3-Komponenten-System:
Komponente A: Monomer und Härter; Komponente B: Monomer und Beschleuniger
* Eigenschaften: einfache Handhabung (vielfältige Verarbeitungsmöglichkeiten), relativ schnelle
Aushärtung, hohe Festigkeit, gute Haftung, Spaltüberbrückbarkeit, unempfindlich bei öligen
Oberflächen
aber: strenger Geruch, spröde
* Anwendungen: Reparaturspachtel, Metallklebungen, Glasklebungen, speziell PMMA-Kleben
* Reaktionsmechanismus: Radialkettenpolymerisation
Anaerobe Klebstoffe
*Verarbeitung: Aushärtung durch Sauerstoff- (Luft-)Abschluss und Metallkontakt (Metallionen)
* Eigenschaften: einkomponentig, bleibt außerhalb der Fügezone flüssig, hohe Scherfestigkeit, hohe
Dauerfestigkeit, Duromer (gute Medien- und Temperaturfestigkeit)
aber: geringe Spaltüberbrückung, sehr spröde
* Anwendungen: Schraubensicherung (Losbrechmoment einstellbar, relative Neuentwicklung:
vorkonfektionierte Schrauben mit mikroverkapseltem Klebstoff), Welle-Nabe-Verbindung (z.B. KlebSchrumpfen als hybrides Verfahren), Flächendichtungen (sog. Flüssigdichtungen)
* Reaktionsmechanismus: Radialkettenpolymerisation
Strahlungshärtende Systeme
*Verarbeitung: Auftrag des Klebstoffs → Fügen → Aktivierung durch Strahlung (Licht, Laser, UV,
Elektronen)
* Eigenschaften: einkomponentig, einfache Applikation, kurze Aushärtezeit, Aushärten auf Befehl
(„curing on demand“), kurze Taktzeiten, genügt hohen optischen Ansprüchen
aber: mind. ein Fügeteil muss strahlungsdurchlässig sein
* Reaktionsmechanismus: Radialkettenpolymerisation (Durch Strahlung werden stabilisierte
Photoinitiatoren radikal, die die Polymerisation starten; Basis: Acrylate, Epoxidharze, Silikone, PUR)
* Anwendungen: Kleben von Glas (Möbelbau, Medizintechnik, Feinwerktechnik, Haushaltswaren),
Kleben von PMMA, Vergussmassen in der Elektronik
Polyesterharz
* Verarbeitung: Mischen des z.B. in Styrol gelösten ungesättigten Polyesters mit einer Härterpaste
* Eigenschaften: höhere Festigkeit, kostengünstig; aber: spröde, unangenehmer Geruch
* Anwendungen: Matrixharz für GFK, Reparaturspachtelmasse
* Reaktionsmechanismus: ungesättigte Polyesterharze werden durch Polykondensationsreaktionen
aus ungesättigten Di- bzw. Polycarbonsäuren und Di- bzw. Polyalkoholen gebildet; die
Vernetzungsreaktion des ungesättigten Polyesters zum Harz ist aber eine Polymerisationsreaktion
zu b.
Phenolharze
* Verarbeitung: Mischen der 2 Komponenten oder vorgemischt in Lösemittel oder Pulverform →
Aushärtung unter Druck
* Eigenschaften: hohe Festigkeit, hohe Schälbeanspruchbarkeit, hohe Wärmebeständigkeit (bis
120°C, kurzfristig bis 180°C); aber: aufwendige Verarbeitung, spröde
* Anwendungen: Flugzeugbau, Werkstoffverbunde, Möbelindustrie, Bremsbeläge
* Reaktionsmechanismus: Die Verknüpfung der beiden Phenolmoleküle erfolgt nach Abspaltung
eines H2O-Moleküls über eine Methanbrücke (-CH2-)
Polyimide
* Verarbeitung: Verdunsten des Lösungsmittels Wasser bei ca. 100°C → Aushärten bei ca. 250°C
unter hohem Druck → Nachhärten bei 300-400°C
* Anwendungen: Raumfahrt, Schallschutz für Turbinengehäuse, Mikrowellensender, Radargehäuse,
Wehrtechnik
* Eigenschaften: höchste Festigkeiten, hohe Temperaturbeständigkeit (250°C Dauertemp., 500°C
Kurzzeitbelastung), gute Chemikalienbeständigkeit; aber: aufwendige Verarbeitung, relativ teuer,
sehr spröde, Lagerung bei -20°C
Silikone
- Kondensations-, additions- oder radikalisch vernetzende Systeme
- Einkomponenten-System: Aushärtung mittels Luftfeuchtigkeit:
o. sauer vernetzend: Spaltprodukt Essigsäure
o. neutral vernetzend: Spaltprodukt Alkohol, Oxim
o. basisch vernetzend: Spaltprodukt Amin
- Zweikomponenten- System: 2-K-Polykondensationsreaktion oder 2-K-Polyadditionsreaktion
* Eigenschaften: sehr elastisch, geringe Änderung der Eigenschaften in einem weiten
Temperaturbereich (ab -70°C bis über 100°C), Temperaturbeständigkeit bis 250°C, extrem gute
Witterungsbeständigkeit, gute Medienbeständigkeit, guter Isolator, gute Dichtwirkung,
aber: geringe mechanische Beanspruchbarkeit, schlechte Haftung nach Vernetzung (Überklebbarkeit,
Lackierbarkeit), bei 1-K-Systemen: Aushärtegeschwindigkeiten von 1-2 mm/Tag
* Anwendungen: Flugzeugbau, Medizintechnik (Haftklebstoffe), Lebensmittelindustrie/-technik
(Gleitmittel, Dichtungen), Silikonschäume, Elektronik (Isolatoren, leitfähige Klebstoffe,
Vergussmassen), Dichtungen, Bad
* Reaktionsmechanismus: 1-K-Silikone (Raum-Temperatur-Vernetzung RTV)
Abbindevorgang: Durch Feuchtigkeit kommt es
zu einer Hydrolyse des Vernetzers. Unter Freisetzung
des Spaltproduktes erfolgt eine Vernetzung der
Siloxanketten
* Reaktionsmechanismus: 2-K-Silikone
(kondensationsvernetzend)
o. aus A) Kieselsäureester, B) Hydroxypolysiloxan
o. schnellere und gleichmäßigere Aushärtung
o. meist für Vergussmassen
o. auch hier treten Spaltprodukte auf
aber: relativ schlechte Haftung
* Reaktionsmechanismus: additionsvernetzend
o. auch platinkatalysiert/ platinvernetzend genannt
o. meist 2- komponentig
o. Neuentwicklung: blockierte 1-komponentige Silikone
o. keine Spaltprodukte
o. kaum Schrumpf
o. Katalyse wird negativ beeinflusst durch: Schwefel (Gummi), Weichmacher
aus A) Siloxan mit Vinylgruppe
und Katalysator
und B) Siloxan mit Si-H-Bindungen
MS-Polymere
* Verarbeitung: a. einkomponentig: wie bei Silikonen, Vernetzung mittels (Luft-)Feuchtigkeit, b.
zweikomponentig: zweite Komponente ist ein Beschleuniger, der zuvor eingemischt wird
* Eigenschaften: (von den Eigenschaften her eine Mischung aus Silikonen und 1-K-PUR) sehr
elastisch, sehr witterungsbeständig, höhere Festigkeit als Silikon, überlackierbar, gute Haftung auf
beölten Oberflächen; aber: niedrigere Festigkeit als PUR
* Reaktionsmechanismus: s.re.
* Anwendungen: Bauwesen,
Automobilbau, Dichtungen,
Möbelbau
Polysulfide
* Verarbeitung: a. 1-komponentig: über Luftfeuchtigkeit, b. 2-komponentig: über Mischen der 2
Komponenten
* Eigenschaften: sehr gute Witterungsbeständigkeit, höchste Dichtigkeit (diffusionsdicht), gute
Lösemittelresistenz; aber: geringe Festigkeit
* Anwendungen: Abdichtung von Kraftstofftanks, Isolierverglasung, Dichtungen im
Unterwasserbereich, Vernetzung mit Epoxidharzen ist möglich
zu c.
Epoxidharze
* Verarbeitung: a. 1-K: die beiden Komponenten sind schon gemischt. Die Reaktion ist blockiert und
wird erst bei erhöhter Temperatur gestartet: A) raumtemperaturgelagerte EP härten bei hoher
Temperatur aus, B) tiefgefrorene EP härten schneller und bei niedrigerer Temperatur aus
b. 2-K: beide Komponenten werden gemischt → Reaktion startet
* Anwendungen: universell einsetzbar
* Eigenschaften: hohe Festigkeit, einstellbare Viskosität, geringer Härtungsschwund, gute
Alterungsresistenz, gute Haftung auf den meisten Werkstoffen, geringe Wasseraufnahme;
aber: Restmonomere
a. 1-K: höchste Festigkeiten, gute Wärmebeständigkeit; aber: Temperaturaushärtung, spröde
b. 2-K: Raumtemperaturaushärtung, einstellbares Spannungs-Dehnungsverhalten; aber: Mischfehler,
Topfzeit
* Reaktionsmechanismus: Bei der Herstellung wird das Bisphenol A über geeignete Vernetzer (Amin,
Säureanhydrid, Thioverbindungen) mit Epichlorhydrin durch Kondensation vernetzt. Später wird
dann per Addition das entstandene Epoxidharz vernetzt
Polyurethane PUR
* Verarbeitung: a. physikalisch abbindende Systeme: Schmelzklebstoff, Dispersion; b. chemisch
härtende Systeme: 1-K-PUR (heißhärtend), 2-K-PUR (raumtemperaturhärtend), 1-K-PUR, elastisch
(feuchtigkeitsvernetzend), 2-K-PUR, elastisch (2. Komponente ist Beschleuniger); c. Kombiniertes
Verfahren: nachvernetzendes Schmelzklebstoff, nachvernetzende Dispersion
* Eigenschaften: universell einsetzbar, breites Festigkeitsspektrum, breites Applikationsspektrum,
preisgünstiges System, Topfzeit einstellbar; aber: Gefahr des Schäumens, Isocyanate sind toxisch
* Anwendungen: Isoliertechnik, Kaschierungen, Tür- und Fenstertechnik, Automobilbau,
Maschinenbau
* Reaktionsmechanismus:
Klebstoffe, zunächst physikalisch abbindend, dann chemisch nachhärtend:
a. Lösemittelhaltige Systeme: Einmischen der zweiten Komponente → Auftragen → Verdunsten des
Lösungsmittels → danach chemische Weiterreaktion (Endhärtung)
b. Reaktive Dispersionsklebstoffe: evtl. Einmischen der 2. Komponente→ Auftragen → Abdampfen
des Wassers → danach chemische Aktivierung durch Wärmezufuhr oder durch 2. Komponente
c. Reaktive Schmelzklebstoffe: Aufschmelzen → Auftragen → zunächst physikalische Abbindung
durch Erkalten → danach chem. Reaktion, z.B. durch Feuchtigkeit oder zusätzliche Wärmezufuhr
Natürliche Klebstoffe:
a. Tierische Produkte: Hautleim (Chromleim), Knochenleim, Lederleim, Blutalbuminleim, Fischleim,
Kaseinleim, Glutinschmelzleim
b. Pflanzliche Produkte: Stärkeleim, Dextrinleim, Celluloseleim, Carboxymethylcellulose,
Cellulosenitrat, Gummi arabicum
Anorganische Klebstoffe:
a. Wasserglas: Natron- oder Kaliwasserglas bindet durch Verdunsten des Lösemittels Wasser ab
b. Glaslote: Aufschmelzen von Glasloten, Fügen und anschließendes Abbinden durch Abkühlen
c. Chem. reagierend: Kondensationsvernetzung bei ca. 150°C von Phosphaten und Alkalisilikaten
- Baustoffe zählen nicht zu den Klebstoffen: Gips, Beton, Zement, Mörtel
→ Mörtel = gelöschter Kalk (Funktion: Festigkeitsaufbau, Kohäsionsfestigkeit) + Wasser (Funktion:
Benetzung (Lösemittel), Verankerung) + Sand (Funktion: Füllstoff (Porosität), Prozessunterstützung,
Verringerung des Schwunds)
- Überblick 1: Reaktionsmechanismen und Polymerart
a. Polymerisate:
Duromere: Anaerobe Klebstoffe, Cyanacrylate, ungesättigte Polyester
Thermoplaste: Cyanacrylate, Methacrylate, Strahlungssysteme, Schmelz-, Dispersions-,
Lösungsmittelklebstoffe
Elastomere: Dispersions-, Lösungsmittelklebstoffe
b. Polyaddukte:
Duromere: Epoxidharze, PUR (vernetzt)
Thermoplaste: PUR (linear), Schmelzklebstoffe
Elastomere: Silikone, PUR (1 K)
c. Polykondensate:
Duromere: Phenolharze, Polyimide
Thermoplaste: Schmelzklebstoffe
Elastomere: Silikone, MS-Polymere, Polysulfide
- Überblick 2: Komponentenzahl und Härtungsart
a. 1-K- Klebstoffe:
physikalisch abbindend: Schmelz-, Dispersions-, Lösungsmittelklebstoffe, Plastisole
chemisch härtend: warmhärtende Epoxidharze, reaktive sowie warmhärtende PURSchmelzklebstoffe, Polyimide, Cyanacrylate, feuchtigkeitshärtende Silikone, strahlungshärtende
Klebstoffe, MS-Polymere, Polysulfide
b. 2-K- Klebstoffe:
physikalisch abbindend: keine
chemisch härtend: Methacrylate, 2-K-Silikone, 2-K-Epoxidharzklebstoffe, 2-K-PUR, 2-K- PUR elastisch,
2-K MS-Polymer, Polyesterharz, Phenolharze
(VL4 Bindungskräfte und Benetzung)
- Aufbau einer Klebfuge (Begriffe): Grenzschicht, Klebschicht, Fügeteil, Klebstoff
- Bindungskräfte: a) Kohäsion (innere Festigkeit): Wirken von Anziehungskräften zwischen
Atomen/Molekülen innerhalb eines Stoffes; b) Adhäsion: Wirken von Anziehungskräften zwischen
versch. Stoffen
- Bindungsarten: 1.) chemische Bindungen (Atombindungen bzw. Hauptvalenzbindungen):
a.))Kovalente B., b.)) Ionen-B., c.)) Metallische B. ; 2.) physikalische Bindungen (zwischenmolekulare
B./Nebenvalenz-B.): a.)) Dipolkräfte, b.)) Wasserstoffbrückenb., c.)) Van-der-Waals-B.
(Induktionskräfte, Dispersionskräfte)
- Bindungskräfte in Klebungen:
zu 1.a.)) Kovalente/Homöopolare B.
*anschaulich: Valenzelektronen zweier
benachbarter Atome eines Moleküls halten sich mit großer Wahrscheinlichkeit zw. den Atomen auf
* wichtig in der organischen Chemie (Monomere, Polymere)
* C hat vier Valenzelektronen
zu 1.b.)) Ionenb./Heteropolare B.
*ansch.: Elektrostatische Anziehung entgegengesetzt geladener Ionen
* spielt für die Bindungskräfte in Klebungen keine große Rolle
zu 1.c.)) Metallische B.
*ansch.: Im Metallgitter auftretende quasifreie Elektronen erniedrigen die Gitterenergie durch eine
hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit zwischen den positiv geladenen Metallionen
* verantwortlich für Kohäsionsfestigkeit von Metallen
* die Beweglichkeit der Elektronen im Metall führt zu einer guten Polarisierbarkeit
* wichtig bei der Adhäsion zu Metallen
zu 2.a.)) Dipolkräfte
* Wechselwirkung zwischen Molekülen mit permanenten Dipolen
* richtende und anziehende Wirkung
zu 2.b.)) Wasserstoffbrückenb. (spezieller Dipol)
* Wechselwirkung zwischen einem Wasserstoff (H) und einem elektronegativen Atom (O, N, F)
* das H-Atom ist sehr klein → relativ starke Bindungskraft (im Vergleich zu anderen Dipol-Kräften)
* Beispiel: Polyamid (s. Bild)
zu 2.c.)) Van-der-Waals-Kräfte: Induktionskräfte
* Wechselwirkung zwischen einem Molekül mit permanentem Dipol und einem unpolaren Molekül
* unpolare M. sind z.B. die Kohlenwasserstoffe und ihre Polymere (PE, Polypropylen PP,…)
* entscheidend für die Stärke ist die Polarisierbarkeit des unpolaren Moleküls
zu 2.c.)) Van-der-Waals-Kräfte: Dispersionskräfte
*Wechselwirkung zwischen zwei unpolaren Molekülen
* zeitliche Fluktuation der Elektronenaufenthaltswahrscheinlichkeit: → zeitlich variabler elektrischer
Dipol; → es wird ein Dipolmoment in einem benachbarten Molekül induziert
* diese Kräfte treten in fast allen Stoffen auf
- Kohäsion: wird durch Haupt- und Nebenvalenzbindungen (HVB, NVB) hervorgerufen; für die Kräfte
innerhalb eines Klebstoffs ist die elektromagnetische Wechselwirkung bestimmend
- Adhäsionstheorien:
a. Mechanische A.: formschlüssige Verankerung
b. Spezifische A.: chem., physik. und thermodynamische Ursachen (z.B. Chemisorption)
c. Autohäsion: Diffusion (fast ausschließlich kautschukelastische Polymerschichten)
zu a.: urspr. Adhäsionstheorie;
Verklammerung der Klebstoffschicht an der Oberfläche, also Formschluss;
kein relevanter Einfluss, außer bei porösen Materialien (Holz, Schäume)
zu b.: Ausbildung chem. Bind. (HVB); Ausb. physik. B. (NVB);
Irreversibler Prozess (nach der Ablösung verbleiben
Klebstoffmoleküle auf der Oberfläche)
zu c.: gegenseitige Diffusion der Makromoleküle von
Klebschicht und Fügeteil; Die Bewegungsmöglichkeit der Moleküle und die Affinität sind wichtige
Voraussetzungen (für Metallklebungen vernachlässigbar, bei Kunststoffklebungen jedoch
interessant)
→ Es gibt keine allgemeine Theorie der Adhäsion (Grund: idealisierende Annahmen)
→ Die Adhäsion ist als Effekt vieler Einzelwechselwirkungen zu sehen.
Benetzung
- Oberflächenenergie hoch → Klebbarkeit hoch
Schlechte Benetzung:
Gute Benetzung:
- Benetzung ist die Annäherung des Klebstoffes an die Oberfläche des Fügeteils auf molekularer
Ebene (Reichweite der Kräfte ~ 1/10 nm)
- Benetzung ist ein notwendiges, entscheidendes, aber kein hinreichendes Kriterium für die Adhäsion
- Entscheidend für die Benetzung sind die Oberflächenenergien und –spannungen
- Entstehung der Oberflächenspannung (s.re.)
- Oberflächen- und Grenzspannung (s.u.):
- Benetzungsverhalten:
- Maßmöglicheiten von Oberflächenspannungen bzw. –energien: *Benetzungswaagen (Tensiometer):
Ring, Platte; *Kontaktwinkelmessgerät (Goniometer); *Testtinten
- Zu Tensiometer/Benetzungswaage:
-Dynamische Wilhelmy Methode: Bestimmung des Fortschreit- und Rückzugswinkels durch
Eintauchen bzw. Herausziehen einer Probe (Platte) in eine bzw. aus einer Flüssigkeit mit bekannter
Oberflächenspannung, aus Kraft (mN), Eintauchtiefe und benetzter Länge (mm)
- Sessile Drop-Methode: optische Kontaktwinkelmessung zur Bestimmung des punktuellen
Benetzungsverhaltens
- Testtinten mit spezifischen Oberflächenspannungen werden über die Oberfläche gestrichen. Zieht
sich die Tinte zusammen ist die Energie der Oberfläche niedriger, bleibt sie als Strich erhalten, ist die
Energie der Oberfläche höher
Abhilfe bei Benetzungsproblemen
- Benetzungsprobleme bei Teflon, Polyolefinen, lackierten Oberflächen
- Benetzungsverbesserung mittels Vorbehandlungen
- physikalische Verfahren:
1. Beflammen (Kreidl-Verf.)
*Anwendung: dickwandige Bauteile, einfache Geometrien
*Vorteile: geringe Kosten, versch. Kunststofftypen, vor-Ort-Behandlung
*Nachteile: schlechte Reproduzierbarkeit bei manueller Brennerführung; offene Flamme
*behandelbare Kunststoffe: PE, PA, PP
2. Corona
*Ausnutzung eines physikalischen Effekts, der durch ein Plasma eine chem. Veränderung in der
Oberfläche bewirkt
*Durch hochenergetische Elektronen werden freie Sauerstoff-Moleküle in Ozon umgewandelt. Ozon
bewirkt auf der Oberfläche ein Aufbrechen der stabilen Polymere und deren Oxidation
Indirekte Corona-Behandlung/Tangential-Corona-Behandlung:
Direkte Corona-Behandlung:
3. Atmosphärenplasma
- fokussierter Plasmastrahl trifft auf die Oberfläche
- Oberfläche wird gereinigt
- Oberfläche nimmt Energie auf (Aktivierung)
- Prozessgase sind Sauerstoff, Lust, Stickstoff
- sog. „Plasma-Pen“ für manuelle oder automatisierte Vorbehandlung
- Erhöhung der Klebfestigkeit 1-5 fach
4. Niederdruckplasma (s.re.):
*Vorteile: Stabilität der Oberflächenaktivierung
über mehrere Wochen; hohe Spaltgängigkeit;
trockener, kalter Prozess; geringe Betriebskosten
*Nachteile: diskontinuierlicher Betrieb; hohe
Anschaffungskosten; hohe Schallemissionen
*Prozesse bei der Plasmabehandlung:
- Entfernen leichtflüchtiger Bestandteile durch
den Evakuierungsprozess
- Bindungsbruch bei organischen Substanzen, z.B.
Ölen: Die entstehenden leichten Fragmente sind gasförmig und werden mit dem Gasstrom im
Plasmareaktor abgepumpt
- Plasmachemische Verbrennung: Reaktion organischer Verbindungen z.B. mit Sauerstoff; Entfernung
der gebildeten Reaktionsgase im Gasstrom
- Bei dickeren Ölschichten (mehr als 5 μm) treten
Verharzungsreaktionen (Vernetzung) auf
- Anorganische Bestandteile, z.B. Schleifstaub,
Metallspäne, können im Plasma nicht
abgebaut werden
5. Laser
- Fokussierter Laserstrahl trifft auf die Oberfläche
- Oberfläche wird gereinigt (bis zu 100 μm)
- Oberfläche nimmt Energie auf (Aktivierung)
- freigelegtes Material reflektiert den Strahl und der Prozess kann automatisch stoppen
Kombinierte Verfahren
1. Strahlsilicatisierung (Saco-Verfahren)
*Aufbringen einer Schicht durch einen Strahlprozess
2. Flammpyrolyse (Silicoater, Pyrosil)
(VL5 Kleben von Kunststoffen)
*Massenkunststoffe (T < 90 °C): PE, PP, PVC, PS
*Technische Thermoplaste (T < 140 °C): PMMA, PA, PC, Polyoxymethylen POM,
Polybutylenterephthalat PBT, Polyethylenterephthalat PET, Blends, Copolymere
*HT- Kunststoffe (T> 140°C): Polyphenylenether PPE, Polyphenylensulfid PPS, Polysulfone PSU,
Polyetherimide PEI, Polyamidimide PAI, Polyetherketone PEK, PI
*Kunststoffe mit
hochenergetischen
Oberflächen
*Kunststoffe mit
niedrigenergetischen
Oberflächen
- Einflussfaktoren auf die Haftung:
a. Kunststoffaufbau: Polarität, Reaktivität, Morphologie
b. Oberflächenzustand des Kunststoffs: Oberflächenenergie, Rauheit, adsorbierte Stoffe
(Feuchtigkeit, Sauerstoff, CO2)
c. Formulierung des Kunststoffs: Art und Menge von Füllstoffen, Additive, Weichmacher
d. Formulierung des Klebstoffs: Viskosität, Stabilisatoren, Lagerzustand, Lösungsmittel
- Bestandteile in Polymeren: Antioxidantien (leicht flüchtig, nicht hydrolysebeständig),
Hydrolysestabilisatoren (Trennmittelcharakter), UV-Adsorber, Gleitmittel, Antistatika
(Haftungsbehinderung), Metalldesaktivatoren, Flammschutzmittel (toxisch), Weichmacher
(physiologisch bedenklich, Haftungsbehinderung)
- Ziele der Oberflächenbehandlung bei Kunststoffen: Das Schaffen definierter Oberflächen für
reproduzierbare Klebergebnisse durch:
*Herstellen einer klebbaren Fläche von definierter Größe und Beschaffenheit
* Abtragen aller adhäsionsmindernden Schichten
* Steigern der Benetzbarkeit durch Aktivieren der Kunststoffoberfläche
* Wenn nötig Auftragen von Schichten, die die Haftfähigkeit der Klebschicht erhöhen oder über lange
Zeit erhalten
- Oberflächenvorbereitung bei Kunststoffen:
* Säubern der Oberfläche durch Entfernen der losen Schichten mittels Wachen, Bürsten, HochdruckDampfstrahlreiniger
* Herstellen einer klebbaren Fläche durch mechan. Bearbeitungsverfahren zur Herstellung einer
ebenen Fläche mit definierter Rauhigkeit, sowie Entgraten der Bauteilkanten und Entfernen der
Anspritzpunkte
* Entfetten der Klebflächen durch Hand-Sprühreiniger, Spritz-Entfettungsanlagen,
Ultraschallreinigung, Tauchbad- oder Dampf-Entfettungsanlagen
- Oberflächenvorbehandlungsverfahren:
a. mechanisch: Strahlen, Schleifen
b. chemisch: a. Nasschemisch: Beizen, Primern; b. Trockenchemisch: Fluorieren, Ozonisieren
c. physikalisch: a. Thermisch: Beflammen, Laser, Skelettieren; b. Plasma: Corona, Atmosphären-,
Niederdruckplasma
d. kombiniert: Strahlsilicatisierung (mech.-chem.), Flammpyrolyse (chem.-phys.)
zu a.: *Schleifen: Speziell zum Entfernen von Trennmitteln von der Kunststoffoberfläche
*Strahlen: einfach, gut automatisierbar; Achtung bei spannungsrissempfindlichen Materialien: Hier
werden Mikrorisse erzeugt, die Sollbruchstellen darstellen
zu b.→ Nasschemisch/Haftvermittler:
--Ziel: Adaption der Fügeteiloberflächen an die Klebstoffmatrix:
*Haftung verbessern,* Altersbeständigkeit erhöhen,
*Oberflächenzustand konservieren
--Reaktionsmechanismen von Silan-Haftvermittlern:
*Reaktion mit der Fügeteiloberfläche: Hydrolyse
durch die an der Fügeteiloberfläche adsorbierten
Wassermoleküle, Polykondensationsreaktion,
Ausbildung chem. und Wasserstoffbrückenbindungen;
*Reaktion mit dem Klebstoff: Polyadditions- oder Polymerisationsreaktion
zu b.→ Trockenchem. Verfahren/Fluorieren (Gasphasenfluorierung): Begasung mit Fluor zum Einbau
von Fluor in die Oberfläche (Austausch eines Teils der H- durch F-Atome → Erzeugung von Dipolen)
* Vorteile: Stabilität der Oberflächenaktivierung über mehrere Monate; gleichmäßige Vorbehandlung
der gesamten Bauteiloberfläche, d.h. auch von Hinterschneidungen, Hohlräumen, Innenflächen;
Vorbehandlung bei RT lässt das Gesamtgefüge des Polymers unbeeinflusst
* Nachteile: diskontinuierlicher Betrieb; hohe Sicherheitsauflagen (F ist toxisch), aufwendige
Luftreinigung, extrem teure Anlage (aufgrund des Wäschers)
zu c./d. (weitere Erklärungen weiter oben unter „Benetzungsprobleme“)
Skelettieren: Durch Skelettieren bei thermopl. Kunststoffen werden schmelzförmige Fäden aus der
Oberfläche herausgezogen, die nach der Erstarrung für eine größere benetzbare Oberfläche und gute
mechanische Verklammerung zwischen Bauteil und Klebschicht sorgen
- Fazit: Man kann im Vorfeld nicht eindeutig eine Vorbehandlungsmethode für eine Anwendung empfehlen. Sehr großen Einfluss haben:
*Klebstoff, *Oberflächenzustand, *Kunststoff (Hersteller), *Prozessparameter
- Besonderheiten beim Kleben von Kunststoffen:
* Fügeteilfestigkeit: beträgt nur 10% der Metallfestigkeit; dies ermöglicht bei wenig beanspruchten
Konstruktionen auch Klebfugengeometrien wie Stumpf- oder T-Stoß
* Benetzungsverhalten: Kunststoffe haben niedrige Oberflächenenergiedifferenz zu Klebstoffen →
schlechte Benetzbarkeit
*Ausbildung von Haftungskräften: In Abhängigkeit des chem. Aufbaus der Kunststoffe besitzen sie
eine unterschiedlich starke Polarität. Polaritäten beeinflussen die Höhe der Haftungskräfte
maßgeblich
* Lösungsvermögen: Im Gegensatz zu Metallen, die ein absolut inertes Verhalten ggü. Klebstoffen
besitzen, ist bei Kunststoffen ein Lösungs- bzw. Diffusionsvermögen gegeben. Diese Eigenschaft
macht in vielen Fällen ein Kleben von Kunststoffen erst möglich.
* Fügeteilverformung: ggü. Metallen grundsätzlich anderes deformationsmechanisches Verhalten:
geringere Steifigkeit, höherer E-Modul) → v.a. bei Klebstoffauswahl zu berücksichtigen
* Weichmacheranteil: Weichmacher können von Kunststoff in Klebstoff wandern und führen dort bei
höheren Konzentrationen zu einer Schwächung der Klebschicht
* Trennmittel: Trennmittelrückstände auf der Oberfläche von Kunststoffen, die zur Auslösung aus
den metallischen Formwerkzeugen dienen, sind haftungshemmend → vor dem Kleben entfernen
Kleben von Kunststoffen
- Anlösbare Kunststoffe:
a. Adhäsionsklebung: *Adhäsion aufgrund spezifischer Adhäsion
*Vorteile: Prinzipiell für alle Kunststoffe, meist keine Spannungsrissbildung (bei lösemittelfreien
Systemen), gute Spaltüberbrückbarkeit, Variationsmöglichkeit der Fugeneigenschaften
*Nachteile: Einfluss der Oberfläche (~energie, Trennmittel), Beeinflussung durch Weichmacher
b. Diffusionsklebung: *Adhäsion aufgrund von Materialdiffusion (Klebstoff, Kunststoff-Fügeteil)
*Vorteile: Schnelle Anfangsfestigkeit, einfache Verarbeitung, gute optische Eigenschaften, geringer
Oberflächen- und Weichmacher- bzw. Trennmitteleinfluss
*Nachteile: geringe Spaltüberbrückung, Lösungsmittel, Spannungsrissbildung (→ gering belastete
Klebungen, Tempern (1-3h bei 60-80°C))
*Lösemittel: 1.)MEK, Aceton, THF: PVC (hart, weich), PMMA, PC, PS, ABS, SAN;
2.) Ameisensäure: PA, PPS
- Polyethylen PE, Polypropylen PP:
*sehr schlecht klebbar; * Verkleben ohne Vorbehandlung nur mit Schmelz- oder Haftklebstoff;
*Vorbehandlung: Primern, Beflammen, Corona, SACO, Niederdruckplasma, Atmosphärenplasma
- Polytetrafluorethylen (PTFE = Teflon)
*sehr schlecht klebbar; *Verkleben mit PTFE-Schmelzklebstoff; *Vorbehandlung mit flüssigem
Natrium (Tetra-Etch)—Vorbehandeltes PTFE im Handel; * Einsatz spezieller Primer und Verklebung
mit Cyanacrylaten
- Polyvinylchlorid PVC
* PVC-hart: gut klebbar, Adhäsionsklebung, Diffusionsklebung, evtl. Aufrauhen
* PVC-weich: schlecht klebbar, Weichmachereinfluss, Diffusionsklebung, Adhäsionsklebung mit
Anlösen, Weichmacherbeständige Klebstoffe: Cyanacrylate, NBR-Kontaktklebstoffe, reaktive PURSchmelzklebstoffe
- Polystyrol PS
*schlecht klebbar
*Diffusionsklebung: Gefahr der Spannungsrissbildung
*Adhäsionsklebung: o. Mittlere Festigkeit bei der Verklebung mit EP, o. Vorbehandlung: Beflammen,
Corona, Niederdruckplasma, o. Anlösen: Gefahr von Spannungsrissen
- Acryl-Nitril- Butadien-Styrol (ABS)
*gut klebbar; * Diffusionsklebung: Spannungsrissgefahr; *Adhäsionsklebung: evtl. Aufrauhen
- Polymethylmethacrylat (PMMA= Plexiglas)
*gut klebbar; Diffusionsklebung: Spannungsrissgefahr; *Adhäsionsklebung: o. beste Ergebnisse mit
MMA-Klebstoffen, o. bei Cyanacrylaten, UV-härtenden und Lösungsmittel-Klebstoffen:
Spannungsrissbildung
- Polyoxymethylen (POM)
*schlecht klebbar; *Adhäsionsklebung; *Aufrauhen, Beizen, (Beflammen, Corona, NDP)
- Polyamid (PA.6)
*mäßig klebbar; *Diffusionsklebung mit Ameisensäure; *Adhäsionsklebung mit PUR oder EP
- Polyethylenterephthalat (PET)
*mäßig klebbar; *keine Diffusionsklebung; *Adhäsionsklebung; *Aufrauhen, Beizen mit 20%iger
NaOH
- Polycarbonat (PC)
*gut klebbar; *Diffusionsklebung: Spannungsrissneigung; *Adhäsionsklebung: Gute Klebbarkeit, v.a.
mit MMA-Klebstoffen
- Duromere: Phenolharze, Ungesättigte Polyester, Epoxidharze EP, Polyurethan PUR
*meist gut klebbar; *Aufrauhen als Vorbehandlung ausreichend, *Klebstoffe: artgleich
- Gummi: NR, IR, SBR, NBR, CR, EPDM, PUR
*meist schlecht klebbar; *ohne Vorbehandlung klebbar mit Cyanacrylaten, Lösungsmittel- und
Schmelzklebstoffen; *Vorbehandlung: Beizen, Primern (mit halogenierten Primern)
- Werkstoffverbunde (Sandwich)
*Verklebbarkeit grundsätzlich wie Oberflächenmaterial *z.B. Sandwich (Deckschicht: Al, Stahl,
Kunststoff; Kern: Hartschaum, Al-Waben, Aramid-Waben)
*Problematik: Krafteinleitung, Lösung: „Klebstoffdübel“, lokale Verstärkungen
- Werkstoffverbunde (Faserverbundwerkstoffe GFK, CFK)
*Problematik: Zerstörung der Fasern beim Aufrauhen (Fügeteilbruch), Verringerung des Matrixanteils
(Delamination, Veränderung der Klebeigenschaften von Fasermaterial)
*besondere Vorbehandlung: Skelettieren
(VL5 Kleben von Metallen – Fügeteileigenschaften, Beanspruchungen)
- Oberflächenaufbau (v.o.n.u.):
* zu entfernende Schichten: Schicht aus Verunreinigungen (Staub, Öl…) – Adsorptionsschicht durch
Einwirkung von Gasen oder Flüssigmedien – Reaktionsschicht, gebildet aus chem. Umwandlungen
(z.B. Oxid)
*Bauteileigenschaften-bestimmende Schichten: Schicht aus verändertem Grundgefüge (durch
Verdichten, Härten …) – Grundgefüge
- Oberflächenarten: geometrische O.
wahre O.
wirksame O.
- Methoden der Oberflächenbehandlung:
a. Oberflächenvorbereitung (Herstellen von klebbaren Flächen):
Reinigen, Entfetten, Passendmachen der Oberflächen
b. Oberflächenvorbehandlung (Verbesserung der Adhäsionsbedingungen):
mech., chem., physik. Verfahren
c. Oberflächennachbehandlung ( Erhalten der Adhäsionsbedingungen:
Klimatisierung, Primer, Haftvermittler, Haftreiniger
zu a. *Ablauf:
1. Bauteil säubern durch Entfernen der losen Schichten (Rost, Zunder, Farben, Lacken, Schmutz)
mittels Waschen, Spachtel, Drahtbürste, Hochdruck-Dampfstrahlreiniger, Strahlen oder Abflammen
2. Klebfläche herstellen (Entfernen von Graten, Erstellen von ebenen Flächen mit definierter
Rauhigkeit) durch mechanische Bearbeitungsverfahren
3. Klebfläche entfetten (Entfernen von Fett, Öl, Wachs- und Paraffinrückständen) durch HandSprühreiniger, Spritz-Entfettungsanlagen, Ultraschallreinigung, Tauchbad- oder DampfEntfettungsanlagen
zu b.*Ziel: Schaffung definierter Oberflächen für reproduzierbare Klebergebnisse
*Mechanisch:
(Draht-)Bürsten (manuelle oder maschinelle Betätigung und Werkzeugführung)
Schleifen (für gleichmäßig feine Oberflächen. Mögliches Verteilen evtl. noch vorhandener
Rückstände beachten.)
Gleitschleifen (insb. für große Stückzahlen. Den Schleifund Poliermitteln kann entfettendes Mittel beigegeben werden)
Strahlen (Trocken-/Nassstrahlen; Trockenstrahlen: aufwendiger, wesentlich
feinere Oberflächen, da Verwendung eines feineren Strahlmittels möglich)
* Chemisch:
Beizen (besonders für kerbempfindliche Metalle. Behandlung mit chem. Lösungen, meist
verdünnte Säuren. Bewirken Auflösen der oberen Bauteilschichten und entfernen so
Adsorptions- und Oxidschichten): nichtoxidierendes Beizen (Bauteiloberfläche wird durch Ätzen von
der bestehenden Oxidschicht befreit, so dass eine blanke Oberfläche entsteht. Diese kann nach
Bedarf durch länger andauerndes Ätzen aufgerauht werden); oxidisches Beizen (es wird zusätzlich
eine festhaftende Schicht erzeugt, z.B. Chromat-, Phosphat- oder Oxidschicht, welche die
Adhäsionseigenschaften wesentlich verbessert)
*Beschichtung:
Aufbringen einer zusätzlichen Schicht als Diffusionsbarriere
bzw. zum Korrosionsschutz. Zudem positive Veränderung
der Oberflächentopologie. Phosphatieren, Chromatieren,
Saco (Sandblast-Coating)-Verfahren (oben bereits beschrieben)
zu c. *dienen zur Erhaltung oder Erhöhung der Adhäsionsbedingungen
*es werden keine Schichten abgetragen, verändert oder aufgebracht
* Bsp. Primer:
o. Inhalt sind: Haftvermittler (z.B. Silanverbindungen), Monomere des zu verklebenden Klebstoffs
(Primer sollte also auf Klebstoff abgestimmt sein), Lösemittel (als Verarbeitungshilfe)
o. Hafteigenschaften über einen längeren Zeitraum erhalten (z.B. falls größere Zeitspanne bis zur
Klebung vergeht)
o. organische, dem Klebstoff ähnelnde Substanz
o. oft verdünnte Lösemittelklebstoffe
o. Auftragen auf die gereinigte Oberfläche
*Silan-Haftvermittler:
o. Adhäsionseigenschaften einer Klebfläche über das
normal erreichbare Maß zu erhöhen
o. bestehen aus Molekülen, die zwei verschieden
aktivierbare Molekülzweige besitzen
o. eine Seite des Moleküls reagiert mit den Atomen der Bauteiloberfläche zu einer festen
Verbindung, die andere Seite reagiert mit den Klebstoffmolekülen
- Beanspruchungsarten einer Klebung:
Schäl-, Spaltungs-, Schub-Scher-, Zug-Scher, Zug-, Druck-, Torsionsbeanspruchung
- Zugscherversuch; Keiltest
- Einfluss der Fügeteildehnung:
- Einfluss der exzentrischen Krafteinleitung: Zugspannungen durch Biegemoment
* Exzentrische Krafteinleitung, *Zug- und Schälspannungen entstehen senkrecht zur Klebschicht
Bsp. Zugscherbeanspruchung: Überlagerte Spannungen aus
* Schubspannungen, verursacht durch die angreifende Kraft
* Schub- und Zugspannungen, verursacht durch die Fügeteildehnung
* Zugspannungen, verursacht durch die exzentrische Krafteinleitung (Biegemoment)
- Schubverformung: Verschiebung v ist bei dicker Klebschicht größer als bei dünner Klebschicht
dünne Schicht:
dicke Schicht:
- Einfluss der Überlappungslänge:
kleine Überlappungslänge
- Spannungsverteilung bei Schälbeanspruchung
große ~
- Schubspannungs-Gleitungsverhalten:
- Einfluss der Härtezeit auf Gleitung (bei gegebener Schubspannung): g sinkt, wenn Härtezeit steigt
- Einfluss der Härtetemperatur auf g (-„-): g sinkt, wenn T steigt
- Klebschichtdicke sollte bei strukturellen Klebungen nicht geringer als Rauhtiefe des Fügeteils sein
- Eigenspannungen: durch ungleichmäßige Verformung eines Fügeteils oder der Klebschicht
- Eigenspannungen durch Schrumpf:
- Optimale Eigenschaftskriterien für Klebschichten:
* Ausbildung fester und alterungsbeständiger Haftungskräfte zu den Fügeteiloberflächen (u.a. zu
erreichen durch Einbau polarer Gruppen in das Makromolekül)
* hohe Kohäsionsfestigkeit bei gleichzeitigem Vorhandensein eines begrenzten
Verformungsvermögens als Voraussetzung für den Abbau von Spannungsspitzen in der Klebfuge (u.a.
zu erreichen durch „innere Weichmachung“ hochvernetzter Makromoleküle)
* geringe Kriechneigung bei Zeitstandsbelastung bei Thermoplasten (u.a. zu erreichen durch Anteile
vernetzter Makromoleküle im Polymer)
* hohe thermische Beständigkeit (u.a. zu erreichen durch weitgehende Vernetzung der
Makromoleküle)
*hohe Beständigkeit ggü. Feuchtigkeitsaufnahme sowie Angriff korrosiver Medien (u.a. zu erreichen
durch optimal ausgebildete Haftungskräfte und hohen Anteil vernetzter Makromoleküle)
(VL6 Kleben von Metallen- Berechnung, Prüfung, Qualifizierung)
- Einflussgrößen auf die Festigkeit einer Klebung:
1. Klebung:
*Klebstoff (E_K, G, Querkontraktion μ_K, Spannungs-Gleitungsverhalten), auch Klebschicht
* Fügeteilwerkstoff (E_F, R_m, R_e, R_p0.2, μ_F), auch Oberfläche
2. klebgerechte Konstruktion:
*geometrische Gestaltung (Überlappungslänge l_0, ~breite b, Fügeteildicke s, Klebschichtdicke d)
*Beanspruchung (mech., physik., chem., kombiniert, zeitabhängig)
- Berechnung auf Grundlage der Klebfestigkeit (einfache Berechnung): keine Berücksichtigung
geometrischer und werkstoffbezogener Einflussgrößen, der Beanspruchung, Maximalspannungen
gehen nicht ein
- Zugspannung (rein): stirnseitige Verklebung, zentrische Krafteinleitung, keine Dehnung der
Fügeteile, keine Querkontraktion
- Schubspannung (rein): dicke Fügeteile, keine Dehnung der Fügeteile, zentrische Krafteinleitung
- Ablauf einer FEM- Modellierung: Bauteilmodell → Pre-Processing → FE-Berechnung → Spannungen
→ Verformungen (letzte beiden: Post-Processing)
- Klebtechnisches Konstruieren bedeutet: *Klebfläche maximieren, *Linienförmige Beanspruchung
der Klebschicht strikt vermeiden, *Spannungsspitzen abbauen
- Vermeidung der Schälbeanspruchung durch mechanisches Verstärken eines Fügeteils:
*zusätzliches Nieten/Schrauben, *Umfalzen, *Flächenvergrößerung, *(lokale) Steifigkeitserhöhung
- Konstruktionsbeispiele für Blechverbindungen:
- Bsp. für Eckverbindungen:
- Bsp. für geschlossene Profile:
- Bsp. für Rohrverbindungen:
Prüfverfahren
1. zerstörend → weiter unterteilt nach Beanspruchungsart
*Universalprüfmaschinen (Zug/Druck, Servohydraulisch)
*Beanspruchung auf Scherung
(Zug-, Druck-Scherversuch)
* Rohrprobe (Verdreh-Scherfestigkeit): Vorteil: Erzeugung
quasi-homogener Schubspannungszustände, *biaxiale Verformungsmessung
*Scherung: Auszugsversuche: Welle-Nabe; Dübelauszug
*weitere statische Prüfprinzipien:
Druckscherung, Torsionsscherfestigkeit (→Losbrechmoment)
*Schälbelastungen:
*Haftklebrigkeit: Schälversuch, Klebrigkeit, Abziehversuch
*Prüfverfahren für statische Kurzzeitbeanspruchung:
Beanspruchung auf Spaltung:
Keiltest:
*Prüfung der Zeitstandfestigkeit
Prüfung der Dauerschwingfestigkeit
- Wöhlerkurve:
*Crash-Prüfung am Impact-Rotations-Prüfstand, am Fallturm
- Alterung: *Beanspruchung von Klebverbindungen durch Einflüsse aus der Umgebung: a.
Temperatur, b. Luftfeuchtigkeit, c. UV-Strahlung, d. korrosive Medien)
*Methoden zur Alterungssimulation: zu a. Temperaturlagerung (Ofen, Klimakammer, Kryostat,…), zu
b. Klimalagerung, Klimawechseltest, Immersionstest (Klimakammer, Tauchbad,…), zu c. UVBestrahlung, Xenon-Test (UV-Kammer, UV-Lampe, …), zu d. Salzsprühtest, Immersionstest
(Salzsprühkammer, Tauchbad,…)
2. zerstörungsfrei
*akustische Verfahren (Ultraschall): Resonanzverfahren, Impuls-Echo-Verfahren,
Durchschallungsverfahren
*elektrische Verfahren
* thermische Verfahren
* Strahlungsverfahren
* holographische Verfahren
- Fehlerkatalog (Symptom, Ursache, Simulation)
- Simulation praxisnaher Fehlstellen: *partielle Verunreinigungen (Maschinenfett-Öl-Gemisch),
*Teflonfolie, *Teflonspray, *fehlende Härterkomponente bei 2K-Systemen
- Fehler einer Bördelnahtklebung (Bsp.): Fehlender Klebstoff, „Kissing Bond“, Fehlstelle,
Schwammartige Struktur der Klebschicht aufgrund falschen Bördeldrucks
- optische Raupenkontrolle: a. Quiss-System, b. Precitec-System
*zu b. Precitec: *Regelkreis zur Raupenpositionierung: Bestimmung der Sensorcharakteristik →
Anpassen der Bahnkurve →Untersuchen des dynamischen Systemverhaltens und Festlegen von
Systemgrenzen → Umsetzen der gewonnenen Ergebnisse im realen Prozess
*Erfassen des Abstands Sensor-Bördelflansch: Quiss-Kamera, Video-Kamera, Precitec- Sensor, LaserDistance-Sensor
*Große Anzahl an Einflussfaktoren: Regelfehler, Bauteilabhängige Kontur, Bahnkurve,… Zuordnung
des Abstands Sensor-Flansch zur Bauteilkontur
- Prinzip von akustischen Prüfverfahren (Ultraschall):
- Shearografie:
*thermische Lasteinbringung,
*Versuche an Kleinteilprobe und
Bauteil, *wenn möglich,
Untersuchungen an
gealterten Kleinteilproben
*Prüfsystem: Portable
Vakuumhaube
*Diff.-Druck:
typ. 2-4 mbar
- Ultraschall Lock-In Thermografie: Ultraschall-Anregung → Selektive Defekterwärmung →
Periodische Anregung → IR-Kamera mit Lockin-Auswertung (vom Defekt ausgehende therm. Welle)
- Neutronenradiografie
(VL8 – Klebstoffanalyse, Fertigungstechnik)
- Methoden zur Klebstoffanalyse: Prüfung des Härteverlaufs
a. Dynamisch-Mechanische Thermoanalyse (DMTA): Änderung der Resonanzfrequenz beim
Aushärten
b. Differential-Thermo-Analyse (DTA) = Differencial Scanning Calorimetry (DSC): Messung der
Reaktionsenergie beim Aushärten
c. Thermo-Gravimetrische-Analyse (TGA): Untersuchung der Temperaturbeständigkeit und der sich
verflüchtigenden Bestandteile
zu a.
zu b.
zu c. (anschließend: Chromatographie)
*Untersuchung von Bestandteilen des Klebstoffs:
Chromatographie: Auftrennung der versch. Bestandteile, anschließend meist IR-Spektroskopie
Infrarotspektroskopie: Messung der Anteile best. chem. Bindungen bei versch. Aushärtezuständen
*μ- TA-Untersuchungen: Messung der Glasübergangstemperatur im Klebespalt
*Rheometrie (Viskositätsmessung): Messung des Fließverhaltens von Klebstoffen
wichtig für *Prozesstechnik, *Benetzungsverhalten, *Qualitätskontrolle des Klebstoffs
*Oberflächenanalyse von Substraten und Klebstoffen
*EDX- Analyse (Energiedispersive Röntgenstrahlung)
*Oberflächenanalyse:
Ellipsometrie (optisches Messverfahren zur Bestimmung der Schichtdicke),
Perthometer (sog. Tastschnittverfahren, Diamantspitze wird horizontal über Oberfläche gezogen,
Rauheitsprofil der Oberfläche wird aus vertikaler Bewegung der Spitze bestimmt)
- Prozessablauf beim Kleben:
(a) Bevorratung (Klebstoff) → ((b) Förderung) → (c) Mischen → (b) Förderung → (d) Auftrag (+
Fügeteile) → (e) Fügen → (f) Fixieren → (g) Aushärten → (h)Handhaben
(Nota: Förderung nur bei automatisierter Fertigung)
zu (a): Gebindeformen: Kartuschen (150-310 ml), Fass-ware (20 – 200 l), bis zu 20-t- Zug (Truck?)
(Plastisole)
Klebstoffbevorratung (Behälter):
Kleinserienfertigung: + geringe Investitionskosten; - manuelle Befüllung de Vorratsbehälters, Gefahr
von Luftblaseneinschlüssen, keine Verarbeitung von luftsensiblen oder hochviskosen Klebstoffen
Großserienfertigung: + hoher Klebstoffverbrauch möglich, Verarbeitung fast aller Klebstoffe möglich;
- hohe Investitionskosten, hoher Betreuungsaufwand
zu (b): Volumetrische Dosierung:
zu (c):
o. Vorbereitung der Klebstoffe: *Auswahl eines geeigneten Klebstoffs, *Haltbarkeitsdatum beachten,
*Kühlgelagerte Klebstoffe müssen ungeöffnet auf RT gebracht werden, *bei neuen
Klebstoffgebinden: Mischungsverhältnis und Datum der ersten Klebstoffentnahme auf dem Behälter
vermerken
o. Manuelles Mischen der Klebstoffe: *keine Mischung über 50 g ansetzen (hohe Temperaturen!),
*Becherboden und Rand beim Rühren berücksichtigen (Durchmischung), *Langsam rühren
(Blasenbildung), *Topfzeit beachten, *Reste im Mischbecher entsorgen, nicht zurückgießen
+ geringe Investitionskosten; - hohe Personalkosten, Gefahr von Luftblasen im Klebstoff, kein
definierter Mischungsgrad erreichbar, nur geeignet für kleine Klebstoffmengen
o. Zweikammer-Portionierer
o. Statikmischer (Pistole): *Anzahl der Wendel bestimmt Mischungsgrad; *Durchmesser und Länge
beeinflussen Druckverlust; *zeitsensibles Mischverfahren; *Einsatz vornehmlich bei manuellem und
teilautomatisiertem Klebstoffauftrag; + geringe Investitionskosten für Mischsystem, geringe
Betriebskosten, breites Einsatzspektrum, definierter Mischungsgrad
o. Dynamikmischer: + definierter Mischungsgrad, gut geeignet in automatisierten Anlagen, gute
Eignung bei hohem und kontinuierlichem Klebstoffverbrauch;
- zeitsensibles Mischverfahren, hohe Investitionskosten;
dynamischer Mischkopf:
zu (d): Klebstoffpistolen (Pistole mit elektr. Vortrieb, Schmelzklebstoff, Pistole, Doppelkartuschen,
Pistole)
Auftragsformen: *Sprühauftrag, *Walzenauftrag, *konturgesteuerte Linienauftragsmaschine,…
o. 2-K-Komplettanlagen, welche beinhalten (a) bis (d)
zu (e) und (f):
*ungleichmäßige Klebschichten vermeiden; *Verrutschen der Bauteile verhindern; *mit Gewichten
klemmen oder durch Federdruck die Klebverbindung gleichmäßig zusammenpressen,
*Fixiervorrichtungen können für Lagestabilität und Anpressdruck sorgen
Fixierungsmethoden: manuell, mechanisch (automatisierbar), pneumatisch (autom.), hydraulisch
(autom.), andere Fügeverfahren, … (Clinchkleben
, induktive Erwärmung
)
zu (g): Beschleunigte Aushärtung durch Einbringen von Energie (Induktion, UV, Umluft….)
Unterscheidung von folgenden Abbindemechanismen (normale oder erhöhte Temp.):
*Selbsthaftung von lösungsmittelfreien Klebschichten auf einem oder beiden Fügeteilen (z.B.
Haftklebstoffe), *Kontakt von zwei benetzten und abgelüfteten Klebflächen unter Druckanwendung
(z.B. Kontaktklebstoffe), *Erstarren einer Schmelze (z.B. Schmelz-, Heißsiegelklebstoffe),
*Gelatinierung (z.B. Plastisole), *Verdunsten oder Ablüften von Wasser bzw. organischen
Lösungsmitteln (z.B. Lösungsmittel-, Dispersionsklebstoffe), *Reaktion unter Luftabschluss und
Metallkontakt (z.B. anaerobe Klebstoffe), *Reaktion durch Luftfeuchtigkeit (z.B. Cyanacrylate, 1-KPUR-Klebstoffe), *Reaktion durch Wärmezufuhr (z.B. 1-K-Reaktionsklebstoffe), *Reaktion durch
Einfluss von Strahlen (z.B. UV- oder Elektronenstrahlhärtende Acrylate), *Reaktion nach Vermischen
von zwei oder mehreren Komponenten (z.B. kalt- und wärmhärtende Reaktionsklebstoffe),
*Verdunsten oder Ablüften organischer Lösungsmittel und anschließende Reaktion von zwei
Komponenten (z.B. lösungsmittelhaltige Reaktionsklebstoffe), *Erstarren einer Schmelze und
anschließende Reaktion von zwei Komponenten (z.B. reaktive PUR- und EP-Schmelzklebstoffe)
(VL9 – Entkleben, Arbeitssicherheit)
- Gründe für die Demontage: *Recycling (werkstoffliches, energetisches, Produkt-Recycling),
*Reparatur, *Instandhaltung, *funktionelles Lösen
a. Lösen: Entfernen der Klebschicht, so dass die Fügepartner wieder sortenrein vorliegen (Abziehen,
Entfernen, Zersetzen mit anschließendem Säubern (chemische, biologisch, thermisch))
b. Zerstören: Trennen der Fügepartner, so dass Klebstoff an den Fügepartnern verbleibt
(Zerschneiden, Reißen, Zersetzen (thermisch))
zu a.) *Einsatz lösbarer Klebverbindungen: Klebebänder, Klebungen, die auf Schälung schwach
reagieren (mechanisches Lösen mit evtl. therm. Unterstützung)
* Lösen, Zersetzen der Klebschicht (Wasser, org. Lösungsmittel, Säuren, Laugen, Enzyme,
Mikroorganismen (chem., biol. Zersetzen)), Anschließendes Reinigen der Fügepartner
zu b.) *Mechanisches Trennen: Schneiden (Messer, Draht), Abziehen (Keil, Abzieher, hydraulisches
Auspressen), Zerspanen (Sägen, Drehen, Bohren), evtl. therm. Unterstützung
*Achtung: Auf die Fügeteile achten!
* Thermisches Trennen: Erwärmen:
o. thermoplastische Klebstoffe: Erweichung
der Klebschicht; o. Duromere, Elastomere:
Zersetzung der Klebschicht; …mittels:
Wärmeleitung, Strahlung, Induktion,
Gebläse, Flamme
*Strukturbedingte Festigkeitsabnahme von Strukturklebstoffen:
*Thermisches Trennen: Erkalten:
Tieftemperaturversprödung (mit anschl.
mech. Beanspruchung)
*Probleme: Zugängigkeit der Klebung, Beeinflussung der Fügeteile, Remontage, evtl.
Reinigungsaufwand, Kosten (therm. Systeme), Geschwindigkeit des Entklebens (chem., biol.
Systeme), Entsorgung (chem., biol. Systeme)
 konstruktive Gestaltung: Auch schon an das Lösen denken!
Gesundheitsschutz in der Klebtechnik:
* Klebstoffe sind im nicht verfestigten Zustand meist Gefahrstoffe.
* Präventiver Gesundheitsschutz für die betriebliche Praxis: weitgehende Vermeidung des direkten
Kontakts mit ungehärteten Klebstoffen
*Institutionen mit Gesetzgebungskompetenz:
- EU: EU-Verordnungen, EU-Richtlinien
- Bund: Bundesgesetze, -verordnungen, Verwaltungsvorschriften, technische Anleitungen
- Länder: Landesgesetze, -verordnungen, Richtlinien
- Gebietskörperschaften: Satzungen
- Berufsgenossenschaften: Unfallverhütungsvorschriften, Merkblätter
*Auswahl gesetzlicher Grundlagen:
* Arbeitgeberpflichten (gem. ArbSchG, ChemG)
- Bereitstellung der Arbeitsschutzorganisation
- -------„------------ Mittel und Ausrüstung
- Beurteilung der Arbeitsbedingungen
- Einschätzung und Minimierung von Gefährdungspotential
- Dokumentation der Situation und der Maßnahmen
- Information der Arbeitnehmervertretung
- Anhörung der Betriebsbeauftragten
- Unterrichtung/Unterweisung der Arbeitnehmer
- Vorsorgemaßnahmen zur Ersten-Hilfe, Brandbekämpfung
- Ermöglichung arbeitsmedizinischer Untersuchungen
*Arbeitnehmer-Pflichten (gem. ArbSchG)
- Einhaltung der Anweisungen
- Verhalten entsprechend der Unterweisungen
- bestimmungsgemäßer Gebrauch der Schutzausrüstung
- Benachrichtigung bei Defekten und Gefahre
- aktives Einbringen von Erfahrungen
- Verbesserungsvorschläge
* „Das Verarbeiten von Klebstoffen muss nach den allg. anerkannten sicherheitstechn. und
arbeitsmediz. Regeln vorgenommen werden.“ (VBG 81):
o. Verarbeiten: Abfüllen, Umfüllen, Mischen, Handhaben, Bearbeiten,…
o. sicherheitstechn. Regeln: ISO/EN/DIN-Normen, VDI/VDE-Richtlinien, techn. Regeln…
o. arbeitsmediz. Regeln: BMA-Richtlinien, MAK-, MIK-, BAT-, TRK-, LD-Werte, ALS…
*Max. Arbeitsplatzkonzentration (MAK) ist die Konzentration eines Stoffes in der Luft am
Arbeitsplatz, bei der im allg. die Gesundheit der Arbeitnehmer nicht beeinträchtigt wird:
Regelmäßige Exposition, 8h/d, 40h/Woche, Aufgestellt von der AGS (DFG), veröffentlicht in der
TRGS900, Wirkungscharakteristika, kein Anspruch auf techn. Realisierbarkeit
*Konzentrationsmessung: Gasspürpumpe und Prüfröhrchen (Vorteile: kostengünstig, einfache
Bedienung, ausreichende Genauigkeit)
*Technische Richtkonzentration (TRK) ist die Konzentration eines Stoffes in der Luft am Arbeitsplatz,
die nach dem Stand der Technik erreicht werden kann:
Für Stoffe ohne MAK-Wert (z.B. krebserregende Stoffe), Verminderung, aber kein Ausschluss von
Gefährdung, aufgestellt von der AGS (DFG), veröffentlicht in der TRGS900, bei Überschreiten werden
Maßnahmen nötig, z.B. bzgl. persönlicher Schutzausrüstung, Überwachung
*Biologischer Arbeitsplatztoleranzwert (BAT) ist die Konzentration eines Stoffes oder seines
Umwandlungsproduktes im Körper…, bei der im Allg. die Gesundheit der Arbeitnehmer nicht
beeinträchtigt wird: Regelm. Exposition, 40h/W, AGS (DFG), TRGS903
(z.B. Arbeitsstoff: CO, Parameter: Hämoglobin, BAT :5%, Material: Vollblut)
*LD, LC:
- LD: Letale Dosis, LC: Letale Konzentration (Exposition 4h)
- 50: Prozentsatz der Wirkung-zeigenden Tiere (14 Tage)
- (Ratte): Versuchstier (Ratte, Kaninchen)
- Aufnahmeweg (oral, dermal, inhalativ)
- Standard-Versuchstiere für Ökotoxologie: Fisch, Alge, Daphnia (Wasserfloh)
*Klassifizierung von Gefahrstoffen:
T+: sehr giftig; T: giftig; Xn: gesundheitsschädlich
*Kennzeichnung von Gefahrstoffen: Kennzeichnungspflicht ( Par.6 GefStoffV)
1. Chemische Bezeichnung, 2. Gefahrensymbol, 3. Hinweise auf besondere
Gefahren (R-Sätze), 4. Sicherheitsratschläge (S-Sätze), 5. Name, Adresse und
Tel. des Inverkehrbringers, 6. EU-Nummer (nur bei Stoffen, nicht Zubereitungen)
*Gefährlichkeitsmerkmale:
o. Akute Toxizität: sehr giftig, giftig, gesundheitsschädlich, ätzend, reizend, sensibilisierend
o. spez. toxische Eigenschaften: krebserzeugend, fortpflanzungsgefährdend, erbgutverändernd
o. physik. –chem. Eigenschaften: explosionsgefährlich, brandfördernd, hoch-, leicht-entzündlich,
entzündlich (bezieht sich auf Flammpunkt)
o. ökotoxologische Eigenschaften: umweltgefährdend
* Sicherheitsdatenblatt: *„Wer als Hersteller, Einführer…gefährliche Stofe oder Zubereitungen in den
Verkehr bringt, hat den Arbeitnehmern… ein Sicherheitsdatenblatt zu übermitteln.“ (Par. 14 (1)
GefStoffV); *Anforderungen: spätestens bei der ersten Lieferung, kostenlose Übermittlung, in dt.
Sprache, mit aktuellem Datum versehen, bei Änderung allen Arbeitnehmern des letzten Jahres neu
übermitteln; *Inhalt: Stoff-/Zubereitungs- und Firmenbezeichnung, Zusammensetzung/R/SSätze/CAS-Nr./EG-Nr., Mögliche Gefahren, Erste-Hilfe-Maßnahmen, Maßnahmen zur
Brandbekämpfung, Mßn bei unbeabsichtigter Freisetzung, Handhabung u. Lagerung,
Expositionsbegrenzung/Persönl. Schutzausrüstung, Physik./chem. Eigenschaften, Stabilität und
Reaktivität, Angaben zu Toxikologie, Ag zu Ökologie, Hinweise zur Entsorgung, Hw zum Transport,
Vorschriften, Sonstige Angaben
*Sensibilisierung (z.B. EP-Harze, Acrylate)
erste Reaktionsbildung (Sensiblisierungsphase), bei weiteren Kontakten mit Allergen: Allergie
(Überempfindlichkeit); Verstärkung durch permanente Beanspruchung von Haut und Atemwegen
durch: Lösemittel, Desinfektionsmittel, Seifen, Stäube (z.B. künstliche Mineralfaser, KMF), Ölnebel
(z.B. von Kühlschmierstoffen), Säuredämpfe
*Gifte in der Natur: z.B. Nikotin in Tabak → Kreislaufversagen; Muscarin auf Fliegenpilz → Krämpfe;
Nitrosamine in Nahrungsmitteln → Leberkrebs
* Giftigkeiten: *sehr giftig (<25 mg/kg Körpergewicht), z.B. Botulinustoxin, Blausäure, Arsenik,
Quecksilberchlorid…; *giftig (25-200 mg), z.B. Natriumnitrit; *gesundheitsschädlich (200-2000mg),
z.B. DDT, Methanol, nicht giftig (>2000mg), z.B. Ethanol, Kochsalz
* Vorgehensweise zur Arbeitsplatzgestaltung: I Ist Klebstoff Gefahrstoff?, II Kann Klebstoff mit
geringerem Gefahrpotentials verwendet werden?, III Welche Art der Gefährdung liegt vor?, IV
Anwenden techn. Schutzmaßnahmen, V Benutzen persönl. Schutzausrüstung, VI regelmäßige
Unterweisung
* Probleme bei der Beurteilung der Gefährdung: Komplex zusammengesetzte Arbeitsstoffe,
Mischexpositionen entsprechen nicht der Summe der Einzelexpositionen, sehr untersch.
Gesundheitsreaktionen, akkumulierende Wirkung
* Maßnahmen zur Gefährdungsbeurteilung: Routineüberwachung durch Vorsorgeuntersuchungen,
Minimierung der Gefahrstoffexposition, Automatisierung in der Fertigung, Einrichtung effektiver
Systeme zur Information und Dokumentation, Ermittlung bzw. Messung relevanter Parameter
*Gefährdungspotentiale am klebtechnischen Arbeitsplatz (Auswahl):
o. durch Verfahren:
Bereitstellung/Lagerung (Lösungsmittel)→ Vorbehandlung und Primerauftrag (Primer: Lösungsmittel;
Beizen: Säuren, Schwermetalle; Corona, UV: Ozon)→ Klebstoffauftrag (Spritzen: Aerosolbildung,
weiteres siehe Aushärtung) → Aushärtung (Freisetzung von Reaktionsstoffen, Wärementwicklung)→
Entsorgung
o. durch Stoffe: Isocyanate (Haut-/Schleimhautreizungen, -ätzungen); Cyanacrylate (Haut/Augenverklebungen); Pyrolyseprodukte (Atemwegserkrankungen); Lösemittel (bei Dauerexposition
Anreicherung im Gehirn); Acrylate (dermale Sensibilisierung); Epoxis (dermale Sensib.)
o. durch Verhalten (Umgang mit Klebstoffen): *oraler Kontakt: Vergiftungserscheinungen; dermaler
Kontakt: Sensibilisierungen, Allergien, Verätzungen; *inhalativer Kontakt: Atemstörungen,
Zellvergiftungen.
Maßnahmen zur Gefahrenminimierung: *Substitution durch ungefährlichere Klebstoffe; *Sauberkeit
am klebtechn. Arbeitsplatz; *Vermeidung von Klebstoffüberschuss; *Lüftungsmaßnahmen; *Ess/Rauchverbot; *Persönl. Schutzausrüstung; *Vermeidung von Zündquellen, von elektrostatischer
Aufladung (insb. bei Feuer-/Explosionsgefahr)
* Rangfolge der Schutzmaßnahmen (Par. 16,19 GefStoffV):
1. Substitution durch weniger gefährlichen Stoff
2. Technische Maßnahmen zur Expositionsvermeidung
3. Vollständige Erfassung und Entsorgung austretender Stoffe
4. Lüftungsmaßnahmen
5. Sicherheitstechn. Anpassung des Verfahrens
6. Verwendung geeigneter persönl. Schutzausrüstung
* Ansprechpartner in einem Unternehmen (ASU-Abteilungen):
primär: Umweltschutz, Werkschutz, Brandschutz, Arbeitssicherheit, Betriebsbeauftragte, Betriebsarzt
sekundär: Toxikologie, Konzessionierung, Entsorgungslogistik, Rechtsabteilung, Personalvertretung,
Öffentlichkeitsarbeit
*Abfall-Management: Einteilung des Abfalls nach EAKV (Verordnung zur Einführung des europ.
Abfallkatalogs): o. Abfall zur Beseitigung; o. Abfall zur Verwertung; o. besonders
überwachungsbedürftiger Abfall; o. überwachungsbedürftigerAbfall
Abfall-Schlüssel: z.B. Ausgehärtete Klebstoffe und Dichtungsmassen: 08 04 04

Download Report