Klebstoffe

Kleben – ein alltägliches Phänomen Kleben: alltägliche und selbstverständliche Tätigkeit Kaum jemand weiß, wie es tatsächlich funktioniert  fehlende Kenntnis, welcher Klebstoff benutzt werden muss Klebstoffe werden häufiger verwendet als auf den ersten Blick ersichtlich Kleben wird unbewusst von vielen Laien als Methode der 2. Wahl eingestuft. Nageln, Schrauben oder Schweißen scheint fester zu sein.

Gliederung Definition „Klebstoff“ Adhäsion und Kohäsion Aufbau eines Klebstoffes Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus Physikalisch abbindende Klebstoffe Chemisch abbindende Klebstoffe Einsatz von Klebstoffen

Definition: Klebstoff nach DIN-NORM 16920 Klebstoff ist ein nicht metallischer Werkstoff, der Körper durch Oberflächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann, ohne dass sich das Gefüge der Körper wesentlich ändert.

Adhäsionskräfte Haftung am Werkstoff Geringe Reichweite (1 µm) An Grenzflächen von festen Stoffen Mechanische Adhäsion: Verankerung des Klebstoffs in Oberflächenporen Spezifische Adhäsion: zwischenmolekulare oder chemische Bindungskräfte Treten nicht sichtbar in Erscheinung, da Oberflächen zu uneben sind, d.h. der Abstand der Moleküle wäre zu groß, Beispiel: 2 Holzstücke haften nicht aneinander Also Kräfte zwischen Klebstoff und Werkstoffoberfläche Verankerung vergleichbar mit Puzzleteilen, schwache Kräfte. Oberflächen ggfs. aufrauhen. Spez. Adh.: Van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-WW, H-Brücken,... Klebstoff muss sich der Werkstoffoberfläche anpassen können, um Abstand gering zu halten Es kann keine monomolekulare Klebstoffschicht aufgetragen werden, d.h. Klebstoff braucht auch innere Festigkeit. Das sind die Kohäsionskräfte.

Kohäsionskräfte Intermolekulare Kräfte zwischen einzelnen Klebstoffmolekülen Verleihen innere Festigkeit Höheres Molekulargewicht, größere Kohäsion Je polarer, desto mehr Festigkeit Beeinflussung durch: Molekulargewicht Anzahl und Größe der Seitengruppen Polarität

Steckbrief: Klebstoff Muss flüssig sein Geringe Oberflächenspannung Nach dem Trocknen ein Feststoff Dünn und gleichmäßig auftragen Lösungen oder Schmelzen Klebstoff muss sich Werkstoffoberfläche anpassen Dünn auftragen, damit sich Kohäsions- und Adhäsionskräfte optimal ausbilden können Kohäsion und Adhäsion werden erst während des Klebevorgangs ausgebildet, d.h. Klebung kann beeinflusst werden durch Werkstoffoberflächenbehandlung, Art der Klebstoffauftragung, Aushärtetemperatur, Aushärtezeit ..., damit Adhäsion stattfinden kann.  Qualität der Verklebung hängt nicht nur von der Qualität des Klebstoffs ab, sondern auch von der Oberflächenbeschaffenheit der zu verklebenden Materialien

Aufbau eines Klebstoffes Demonstration 1: Klebstoff aus Styropor Natürliche und synthetische POLYMERE. LM: organisch bzw. Wasser Demonstration 2: Klebstoff auf „Stärkebasis“

Aufbau eines Klebstoffes Grundstoff, d.h. Bindemittel Lösungs- oder Dispersionsmittel Zusatzstoffe Natürliche und synthetische Polymere Schnell verdunstende organische Lösungsmittel oder Wasser Konservierungsmittel, Härter, Weichmacher, Erhöhung der Wasserbeständigkeit, Farbgebung, Alterungsschutz, Schutz vor Oxidation Demos hier einfließen lassen.

physikalisch abbindend Klebstoffe physikalisch abbindend chemisch abbindend „Lösungsmittelfrei“ Lösungs- / Dispersions- / Emulsionsmittel entweicht Vor dem Kleben Nach dem Kleben Schmelzklebstoffe Polymerisation Polyaddition Polykondensation ... nach der Art des Abbindens Hier nur Klebstoffe auf organischer Basis beachtet. Es gibt noch Silicone und anorganische Klebstoffe (keramische Bestandteile, Metalloxide, Silicate, Phosphate, Borate). LM-frei: auf Wasserbasis Ein- oder Zweikomponentensysteme Einkomponentensysteme

Wasserbasierte Klebstoffe Glutinleim Pflanzliche Naturprodukte Caseinleim Polyvinylalkohol-klebstoff Papier Flaschen-etikettierung Papier, Tapeten Papier, Pappe, Holz Teilen sich auf in vier Untergruppen: Glutin: Haut- und Fischleim aus Rohhautabfällen, Bindegewebe, Fischhäute Pflanzlich: Stärke und Methylcellulose aus Mais, Kartoffeln, Reis bzw. Cellulose aus Holz PVAl: Verseifungsprodukt von Polyvinylacetat oder anderer Polyvinylester

Versuch 1: Darstellung und Analyse von Stärkekleister Klebstoff auf Stärkebasis Muss aufquellen Stärkekleister früher zum tapezieren benutzt, heute durch Methylcellulose ersetzt.

Stärke Amylose Lösliche Stärke 20 % Einige hundert Glucose-einheiten Amylopektin Unlösliche Stärke 80 % Einige tausend Glucose-einheiten Amylose: Inneres der Stärkekörner Amylopektin: Äußeres der Stärkekörner BILD: Stärkekorn???

Amylose 1 4  -1,4-glycosidische Bindungen Acetal

Amylopektin  6 4 1 Grundstruktur der Amylose, aber zusätzlich noch -1,6-glycosidische Bindungen jeder 20. bis 25. Rest 1,6 verknüpft Einlagerung von Wassermolekülen in den Hohlräumen

Säurekatalysierte Acetalspaltung

RCHO + 2 Cu2+(kompl) + 4 OH-(aq)  RCOOH + Cu2O(s) + 2 H2O Fehling-Probe Cu2+(aq) + 2 OH-(aq) + 2 C4H4O62-(aq)  [Cu(C4H3O6)2]4-(aq) + 2 H2O 2 Cu2+(kompl) + 2 e- + 2 OH-(aq)  Cu2O(s) + H2O +2 +1 F1: alkalische Kaliumnatriumtartratlösung F2: Kupfersulfatlösung Gleichgewicht: Ringstruktur – offenkettige Form RCHO + 2 Cu2+(kompl) + 4 OH-(aq)  RCOOH + Cu2O(s) + 2 H2O

Dispersionsklebstoffe Polyvinylacetat Polyacrylat Polyurethan, Polychloropren Kautschuk Schuhindustrie Papier, Holz Fliesen-, Boden-, Wandbeläge, Haftklebstoff Alternative zu lösungsmittel-haltigem Kontaktklebstoff Haftklebstoff: Etiketten, Klebebänder Heterogenes System: Polymerphase (40 – 70 %) und Wasserphase Emulgatoren: Polymere in Schwebe

Versuch 2: Analyse von Holzleim Wässrige Lösung eines Klebstoffs Ursprünglich: Klebstoff auf Basis tierischer Eiweiße (z. B. Knochenleim) Nachweis von Wasser als Lösungsmittel: CuSO4(s) + 5 H2O  CuSO4  5 H2O(s) weiß blau Analyse von Polyvinylacetat als Bindemittel: Leim: Bezeichnung heute auf pflanzliche und synthetische Polymere erweitert.

Verseifung von Polyvinylacetat Acetation Polyvinylalkohol

Nachweis der Verseifungsprodukte Nachweis des Polyvinylalkohols: [Ce(NO3)6]2-(aq) + ROH  [Ce(OR)(NO3)5]2-(aq) + HNO3(aq) gelb rot Nachweis des Acetations: Alkohol verdrängt eine NO3-Gruppe und tritt in den Cerkomplex ein. 3 Fe3+(aq) + 5 OAc-(aq) + H2O  [Fe3O(OAc)6]+(aq) + 2 HOAc(aq) gelb rot

Lösungsmittelhaltige Nassklebstoffe Polyester Polyacrylat Metall Kunststoff, Haftklebstoff

Versuch 3: Herstellung eines Polyesterharzes Kondensationsprodukt aus mehrwertigen Alkoholen und Dicarbonsäuren bzw. Anhydriden Mechanismus der Veresterung: Glycerin Phtalsäureanhydrid Man kann Aceton zugeben, wenn Klebstoff nicht direkt gebraucht wird. Polyesterharz ist nur das Polymer.

Polykondensation des Phtalsäuremonoesters:

Polyester hat zunächst lineare Struktur Polyester hat zunächst lineare Struktur. Ist genügend Phtalsäureanhydrid vorhanden (Überschuss), kommt es zur Ausbildung eines dreidimensionalen Netzwerkes, dem Glyptalharz. Alkydharz: mit natürlichen Fetten oder Ölen modifizierte Polyesterharze, anders: Polyol + mehrwertige Säure, bei der mind eine Hydroxylgruppe mit einer Fettsäure verestert ist.

+

Weitere physikalisch abbindende Klebstoffe Haftklebstoff Kontaktklebstoff Kontaktklebstoff: ähnelt Nassklebstoff: LM entweicht, Klebstoff verfestigt sich Klebung durch Zusammendrücken zweier vorgetrockneter Klebstoffschichten Polychlorbutadien, PUR, Copolymere aus Butadien und Styrol Haftklebstoff: Klebstofffilm haftet unter geringem Druck chemisch fertiger Klebstoff in hochviskoser Form Wird als Film auf flexibles Trägermaterial aufgebracht Bindet nicht ab, bleibt zähflüssig (Viskosität hat also direkte Auswirkung auf Kohäsionsfestigkeit) Herstellung: Klebstoffe in organischen LM, in wässrigen Disperisonen oder aus LM-freier Schmelze (Haftschmelzklebstoffe) Beim Fügen sofortige Ausbildung von Adhäsion und Kohäsion Unterscheidung zwischen wiederablösbaren und permanent haftenden Typen: beim Ablösen von Klebeband bsp wird nicht die Adhäsion zerstört, sondern es erfolgt Bruch in oberflächennaher Kohäsionszone. Also bleibt immer Rückstand. Klebeband mit niederviskosen Haftklebstoff, hat geringe Kohäsionsfestigkeit, lässt sich also schnell wieder ablösen. Kautschuk, Polyacrylate, Polyvinylether Schmelzklebstoffe: Bienenwachs in der Schmelze aufgetragen Polyamide, Polyester, Styrol-Butadien-Blcokpolymere Plastisole: Paste aus PVC-Partikeln und Weichmachern thermoplastisches PVC quillt auf Sol-Gel-Prozess 2phasiges System (Sol) wandelt sich durch Einlagerung des Weichmachers in das gequollene Polymer in ein einphasiges System (Gel) um Aufgetragender Klebstoff erwärmt Schmelzklebstoff

physikalisch abbindend Klebstoffe physikalisch abbindend chemisch abbindend „Lösungsmittelfrei“ Lösungs-, Dispersions-, Emulsionsmittel entweicht Vor dem Kleben Nach dem Kleben Schmelzklebstoffe Polymerisation Polyaddition Polykondensation Chemisch abbindende Klebstoffe = Reaktivklebstoffe ... nach der Art des Abbindens Hier nur Klebstoffe auf organischer Basis beachtet. Es gibt noch die Silicone und anorganische Klebstoffe (keramische Bestandteile, Metalloxide, Silicate, Phosphate Borate). Ein- oder Zweikomponentensysteme Einkomponentensysteme

Polymerisationsklebstoffe Cyanacrylate Methylmeth-acrylate Phenolform-aldehydharze Strahlen-härtende Klebstoffe Kleinteile, Glas, Gewebe, Sprühverband Holz, Aluminium Kunststoff Glas, Kunststoff, Dentaltechnik Stichwort: Organbluten Kunststoffe hauptsächlich im Automobil und Schienenfahrzeugbau Aluminiumklebungen im Flugzeugbau

Versuch 4: Schnellpolymerisation von Sekundenkleber Cyanacrylat Versuch 4: Schnellpolymerisation von Sekundenkleber Synthetischer Reaktivklebstoff, Einkomponentensystem

Polyadditionsklebstoffe Polyurethan Epoxidharz Karosserie, Glasscheiben Fahrzeug-, Flugzeugbau, Karosserie, Elektrotechnik

Versuch 6: Reaktivklebstoff auf Ricinusölbasis

Wirkungsweise des Aktivators Diazabicyclo- [2.2.2]octan + Diphenylmethan-4,4‘-diisocyanat Tertiäres Amin, stark basisch

Bildung des Urethans

Bildung des Polyaddukts

Polyadditionsklebstoffe Polyimide Silicone Dichtungen, Automobilbau, Elektrotechnik, Luft-, Raumfahrt Metall

Einsatz von Klebstoffen Büro und Haushalt (pro Kopfverbrauch: 6 kg / Jahr) Nahrungsmittelverpackungen Medizin Handwerk Automobilindustrie Flugzeugbau und Raumfahrt Elektrotechnik Kommt doch eigentlich vorher alles schon vor. Als Zusammenfassung???