Klebstoffe

Vortrag von Daniela Degenkolb im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", WS 2000/2001

Gliederung:

Folie 1: Adhäsions- und Kohäsionskräfte

1. Adhäsionskräfte

Dies sind Anziehungskräfte mit geringer Reichweite (1µm), die immer an Grenzflächen von festen Stoffe auftreten. Sie treten aber meist nicht sichtbar in Erscheinung (wenn man zwei Holzstücke aneinander hält, wirken keine spürbaren Kräfte), da die meisten Oberflächen so uneben sind, so dass der Abstand der Moleküle, der zum Ausbilden dieser Kräfte nötig wäre zu groß ist (Deshalb haften zwei Holzstücke nicht aneinander).

Man unterscheidet:

Folie 2: Adhäsions- und Kohäsionskräfte beim Kleben

Die Adhäsionskräfte sind zwischen Klebstoff und Werkstoffoberfläche wirksam. Damit die Kräfte auch wirksam werden können, muss sich der Klebstoff der Oberflächen anpassen können, um den Abstand zwischen Klebstoff- und Werkstoffoberfläche gering zu halten.

Voraussetzungen für Klebstoffe:

1. Er muss flüssig sein, um in alle Spalten zu gelangen (Schmelze, Lösung)
2. Die Oberflächen müssen gut gesäubert werden und eventuell zur Oberflächenvergrößerung aufgerauht werden, damit sich möglichst viele Adhäsionsbindungen ausbilden können.

Die Qualität einer Verklebung hängt somit nicht nur von der Qualität des Klebstoffs ab, sondern v.a. auch von der Oberflächenbeschaffenheit der zu verklebenden Materialien. Da man aber keine monomolekulare Klebstoffschicht auftragen kann, muss der Klebstoff noch eine innere Festigkeit besitzen, die sogenannten Kohäsioskräfte.

2. Kohäsionskräfte

Das sind Zwischenmolekulare Kräfte, die innerhalb des Klebstoffs wirken und ihm die innere Festigkeit verleihen. Diese Kräfte werden beeinflusst durch:

1. Molekulargewicht (Je größer das Molekulargewicht, desto stärker sind die Kohäsionskräfte und desto höher die Klebstofffestigkeit)
2. Anzahl und Größe der Seitengruppen
3. Polarität (Je polarer der Klebstoff ist, desto höher ist die Festigkeit)

Diese Kräfte können sich optimal ausbilden, wenn der Klebstoff dünn und gleichmäßig aufgetragen wird. Da sowohl Adhäsions- als auch Kohäsionskräfte erst während des Klebens ausgebildet werden, kann die Festigkeit der Klebung beeinflusst werden durch Werkstoffoberflächenbehandlung, Art der Klebstoffauftragung, Aushärtetemperatur, Aushärtezeit. Bei guten Klebstoffen sind die Kohäsionskräfte mindesten so groß wie die Adhäsionskräfte. Wenn sich im Laufe der Zeit die Adhäsionskräfte lösen, spricht man von einem Adhäsionsbruch, der Klebstoff löst sich von der Werkstoffoberfläche ab.

3. Definition von Kleben

Herstellung einer festen Verbindung zweier Teile durch einen synthetischen Werkstoff (Klebstoff), der durch physikalisches Abbinden oder chemische Reaktion verfestigt wird (Aushärten) und die Teile infolge der Oberflächenhaftung (Adhäsion) sowie der zwischenmolekularen Kräfte (Kohäsion) miteinander verbindet.

4. Aufbau eines Klebstoffs

Tab. 1: Aufbau von Klebstoffen, nach [3]

Folie 3: Natürliche und synthetische Klebstoffpolymere

5. Einteilung der Klebstoffe nach der Art des Abbindens

Einteilung nach der Art des Abbindens, d.h. durch welche Reaktion der Klebstoff hart wird.

a) Nassklebstoffe

Sie enthalten Lösungs- oder Dispersionmittel. Der Klebstoff wird auf eine Werkstückoberfläche aufgetragen, das andere Werkstück wird in das Klebstoffbett gelegt. Wenn das Lösungsmittel verdunstet ist, hat der Klebstoff abgebunden. Nachteile: Es können nur kleine Oberflächen verklebt werden, oder die Werkstücke müssen lösungsmitteldurchlässig sein, da sonst die Aushärtung sehr lange dauert.
Bsp.: Klebstifte, Alleskleber extra, Holzkleber.

b) Kontaktklebstoffe

Der Klebstoff wird auf beide Werkstoffoberflächen gegeben und getrocknet, danach fügt man die beiden Oberflächen mit Druck zusammen. Prinzip der Autoahhäsion: Die Klebung erfolgt durch die gegenseitige Diffusion der Polymere in die jeweils andere Werkstückoberfläche hinein. Die Eindringteife in die Klebschicht kann so groß werden, dass beim Zerreißen einer auf Diffusion beruhenden Verklebung die Moleküle nicht mehr aus der Klebschicht herausgezogen werden, sondern ihre Ketten zerreißen.
Bsp. Polyurethane, UHU Alleskleber Kraft, Flicken von Fahrradschläuchen, selbstklebende Briefumschläge.

c) Schmelzklebstoffe

Vorteil: Lösungsmittelfrei und fest. Nachteile: Nicht für wärmeempfindliche Sachen geeignet
Bsp.: Heissklebepistole.

d) Haftklebstoffe

Dauerklebrige Substanzen, die schon nach leichtem Andruck haften
Bsp.: Klebefolien, Aufkleber, Klebehacken UHU fix & film, Tesafilm, Haftnotizen.

e) Einkomponentenklebstoff

Die 2. Reaktionskomponente, die das Abbinden des Klebstoffs einleitet ist z.B. die Luftfeuchtigkeit beim Sekundenkleber oder das UV Licht beim Zahnarztklebstoffen.

Folie 4: Reaktionen beim Sekundenkleber: anionische Polymerisation

f) Zweikomponentenklebstoff

Zwei Reaktionskomponenten werden in einem bestimmten Verhältnis gemischt, oft dient als zweite Komponente ein Härter der für die 3 dim Vernetzung des linearen Polymers der ersten Komponente führt.
Bsp.: Fibrinogen / Thrombin Zweikomponentenklebstoff in der Medizin Fibrinogen und Thrombin werden mit Hilfe einer Doppelspritze auf die Wunde gegeben und bilden dort Fibrin. Nach 24 Std. wird dies fest, bleibt aber elastisch und wird deshalb hauptsächlich bei Organbluten eingesetzt.

6. Herstellung eines natürlichen Klebstoffs (Stärkekleber/Gelatinekleber)

Stärkekleber: 10 g Maisstärke (z.B. Remiga Speisestärke, Aldi) werden in 10 ml kaltem Wasser gelöst und dann in 110 ml siedendem Wasser gegeben. Unter Rühren lösen und abkühlen lassen. Dieser selbst hergestellte Klebstoff kann als Papierklebstoff eingesetzt werden.

Gelatinekleber: Gelatine in kaltes Wasser einlegen, das Wasser dann abgießen und die Gelatine erhitzen bis sie flüssig wird. In diesem Zustand kann man sie als Klebstoff verwenden.

Nachteile dieser natürlichen Klebstoffe sind die langen Aushärtzeiten und die Anfälligkeit gegenüber Pilzen usw.

7. Herstellung der Klebstoffe auf Kunststoffbasis

8. Vorteile der Klebstoffe

9. Einsatz von Klebstoffen

10. Literatur:

1. Produktinformationen von UHU GmbH, 77815 Bühl/Baden.
2. "Die Kunst des Klebens", Videomitschnitt von Quarks & Co., WDR 2000.
3. "Praxis der Naturwissenschaften" Heft 7, 1989, S. 1-32 (Themenheft).
4. "Chemie in unserer Zeit" Heft 4, 1980, 124 - 133.
5. "Nachrichten aus Chemie, Technik und Laboratorium" Heft 12, 1995.
6. Falbe, J.; Regitz, M.; Römpp Chemielexikon, Georg Thieme Verlag, Stuttgart,1989.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de