Klebstoffe 2
Inhalt des Referats von Julia Kutz
Einleitung/ Geschichtliches
Definition Klebstoffe
Wie wirken Klebstoffe?
Adhäsion
Spezifische Adhäsion
Mechanische Adhäsion
Autoadhäsion
Kohäsion
Zusammenhang / der Kamm-Versuch
Anforderungen an einen Klebstoff und Beeinflussung
Chemie der Klebstoffe
.Anorganische Kleber
Organische Kleber
Zusatzstoffe
Klebstoffarten
Physikalisch abbindende Klebstoffe
Chemisch abbindende Klebstoffe
Quellen
Einleitung / Geschichtliches
In der Tierwelt/ Natur:
Cellulosebrei beim Nestbau der Wespe (Analogie zum Tapetenkleister),
Latex beim Gummibaum,
Wachs der Bienen
Menschen:
schon in der jüngeren Steinzeit: Baumharze (Befestigung von Speerspitzen)
In Ägypten kannte man den Beruf des Leimsieders (Kellopsos).
Die Griechen und Römer entwickelten die Leimherstellung weiter.
Seit 1830 kennt man den Naturkautschuk als Klebstoff.
Moderne: Gebrauch im Alltag, im Fahrzeugbau und sogar in der Luft- und Raumfahrttechnik
Pro-Kopf-Verbrauch in Büro und Haushalt: 6 kg pro Jahr.
Definition
Nach der DIN-Norm 16920:
Ein nicht metallischer Werkstoff, der Körper durch Oberflächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann, ohne dass sich das Gefüge der Körper wesentlich verändert.
Heutzutage: hauptsächlich organische Stoffe
Wie wirken Klebstoffe
1. Adhäsion:
Viele Theorien darüber, worauf die Adhäsion beruht
Adhäsionskräfte wirken in der Grenzschicht zwischen Fügeteil und Klebstoff („Adhäsionszone“).
1.1.Spezifische Adhäsion:
Basiert auf Bindungskräften
Zwischenmolekulare Bindungen ((Van-der-Waals-Kräfte, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen usw.)
chemische Bindungskräfte
Chemische Bindungen treten nur selten auf
Kräfte besitzen geringe Reichweite à Abstand Oberfläche -Kleber möglichst gering
siehe: Anforderungen an einen Klebstoff
1.2. Mechanische Ädhäsion:
Die älteste Theorie
Verankerung des Klebstoffs in Poren oder Kapillaren
Schwache Kräfte
Wichtig: auch die Vergrößerung der Oberfläche verbessert die Klebung, beruht aber auf der spezifischen Adhäsion
1.3. Autoadhäsion:
Klebstoffmoleküle diffundieren in das Werkstück
Auch die Moleküle des Werkstoffs können in den Kleber diffundieren, wenn der Klebstoff in einer Substanz gelöst ist, in der auch der Werkstoff löslich ist
Moleküle dringen ein, bis die zwischenmolekularen Kräfte weiteres Eindringen verhindern
Je kleiner die Polymerketten, desto höher die Klebrigkeit
Theorie kann nicht auf Metallklebungen angewendet werden, da keine Molekülbewegung stattfindet
2. Kohäsion:
Bindungskräfte zwischen Molekülen
In Feststoffen und Flüssigkeiten
Gründe für die Kohäsionskräfte:
Chemische Bindungen
Zwischenmolekulare Wechselwirkungen zwischen den Polymermolekülen
Mechanische Verflechtung
Einflussgrößen:
Das Molekulargewicht (Je größer das Molekulargewicht, desto stärker sind die Kohäsionskräfte und desto höher die Klebstofffestigkeit)
Anzahl und Größe der Seitengruppen
Polarität (Je polarer der Klebstoff ist, desto höher ist die Festigkeit)
Grad der Vernetzung
Struktur (z.B.) Kristallgitter
3. Zusammenhang:
Eine große Kohäsion bewirkt meist eine geringe Adhäsion und umgekehrt.
Es muss aber Kohäsion und Adhäsion in ausreichendem Umfang vorhanden sein
Innere Festigkeit muss vorhanden sein, damit auch zwei Körper zusammengehalten werden können
Oberflächenhaftung muss gegeben sein, damit die Körper am Klebstoff halten
Dieses Problem verdeutlicht der …
Kamm-Versuch:
Geräte/ Chemikalien: Zwei Kämme, Petrischale, Pasteur-Pipetten, OHP, Leitungswasser
Versuchsdurchführung: Kämme gemäß der Abbildung in eine Petrischale legen, auf den Overhead-Projektor stellen, wenige Tropfen Wasser in den schmalen (ca. 5 mm) Zwischenraum geben
Versuchsergebnis / -deutung:
Wassertropfen werden durch die Kapillarwirkung der Zähne des Kammes in die Zahnlücken gesaugt (es wirkt eine Adhäsionskraft zwischen Wassertropfen und Kamm)
Die Kohäsionskraft, die zuvor den Wassertropfen zusammengehalten hat ist jetzt zu klein; der Wassertropfen zerrinnt und reißt nach einer Weile.
Wasser wäre in diesem Falle ein schlechter Klebstoff, da die Klebnaht bricht.
4. Anforderungen an einen Klebstoff:
Kräfte besitzen geringe Reichweite, daher: Abstand Oberfläche -Kleber möglichst gering
flüssig, um die Oberfläche des Fügeteils optimal zu benetzen (Schmelze, Lösung)
Kleber muss Strukturelemente besitzen, die Adhäsion mit den Werkstückoberflächen ermöglichen
Beeinflussung:
Möglichst wenige Fehler in der Klebschicht
Auftragetechnik:
Vollständige Benetzung
Dünn und gleichmäßig
Oberfläche des Fügeteils: physikalisch oder chemisch aktive Strukturelemente
-Abstimmung Klebstoff - Chemie der Fügeteiloberfläche
Oberflächenbehandlung, dadurch verbesserte Benetzung
gut gesäubert
Oberflächenvergrößerung
Druck
Aushärtetemperatur und -zeit
Klebe-/Adhäsionsbruch: Lösung der Adhäsionskräfte, Folge:Klebstoff löst sich von der Werkstofffläche ab
Chemie der Klebstoffe
1.Anorganische Klebstoffe:
Klebstoffe sind eigentlich immer organisch
Aber: ab ca. 350 °C nutzt man anorganische Verbindungen zum Fügen, da die Kohlenstoffverbindungen bei solchen Temperaturen zersetzt werden
Zusammensetzung: Glasgrundbestandteile (z.B. Siliziumdioxid), metallische Bestandteile (z.B. Nickel)
2.Organische Klebstoffe:
Natürliche: Stärke, Proteine, Cellulose-Ester und -Ether, Gummiarten, Harze
Künstliche: Polymere, eng mit den Kunststoffen verwandt; entstehen aus Homopolymeren (1 Monomer) oder auch Copolymeren ( >1 Monomer)
Polymerisation, Polyaddition, Polykondensation oder Vulkanisation
Polymere:
Duroplaste
Thermoplaste
Elastomere (wenig - gar nicht)
Es werden funktionelle Gruppen eingesetzt:
Polarität, Adhäsion möglich
Polarität: innere Festigkeit
Funktionelle Gruppen:
Hydroxylgruppen (OH-)
Aminogruppe (-NH2)
Carboxylgruppe (-COOH)
Carbonylgruppe (-CO)
Cyangruppe (-CN-)
Thiolgruppe (-SH)
Chloridgruppe
Vinylgruppe (Ethenylgruppe, R–CH=CH2 )
Alkylgruppen
Isocyanat (-N=C=O)
Epoxidgruppe
Klebstoffarten
1. Physikalisch abbindende Klebstoffe
Nassklebstoffe:
Wird mit Lösungsmittel aufgetragen, das dann schnell verdunstet
Klebestifte, „Alleskleber“*, Holzleim, PVC-Rohrklebung
Druck- u. Verpackungsindustrie
* Anmerkung: Bezeichnung nicht ganz zutreffend: „Alleskleber“ sind wenig belastbar, nicht hitzebeständig und lösen sich leicht in bestimmten Lösungsmitteln
Kontaktklebstoff:
Lösungsmittel verdampft vor dem Verkleben fast vollständig, Diffusion in die Oberfläche der Werkstoffschicht
Kraftkleber, Fußbodenverklebung, Schuhe, Automobilindustrie
Schmelzklebstoff:
Erhitzung à benetzungsfähiger Zustand à Erstarren der Schmelze
Heißkleber, Verpackungs-, Druck-, Textil-, Schuh-, Holzverarbeitende Industrie, Fahrzeugbau, Elektrotechnik
Haftklebstoffe
dauerklebrige Schicht
Klebebänder, Heftpflaster, Etiketten
2. Chemisch abbindende Klebstoffe
Einkomponentenklebstoffe:
Zweite Reaktionskomponente: z. B. die Luftfeuchtigkeit (beim Sekundenkleber) oder das UV-Licht (wie in der Zahnmedizin)
Diese bewirkt das Abbinden des Klebstoffes
Zweikomponentenklebstoffe:
Härten nach dem Mischen der Komponenten (Reaktionspartner; Harz und Härter) bei Raumtemperatur spontan aus
Aushärten durch: Polymerisation, -Kondensation, -Addition
Eventuell Reaktion mit der Oberfläche des Werkstücks (auch gewollt)
Getrennt bevorratet
Erst unmittelbar vor dem Auftragen intensiv gemischt
3.Zusatzstoffe
Füllstoffe:
Chemisch innert gegenüber den Klebstoffmolekülen
Ändern Eigenschaften, senken Kosten
Anwendungsbereich (Temperatur)
Belastbarkeit
Auch elektrische Eigenschaften (z.B. Wärmeleitfähigkeit)
Negativ: Verdünnungseffekt à längere Aushärtung; mehr Volumen à geringere Kohäsion
Haftvermittler:
Verbessern die Haftung zwischen Klebe und Körpern
Besitzen mind. 2 funktionelle Gruppen, die sowohl mit dem Kleber als auch mit dem Körper wechselwirken (eventuell sogar nach anderen Reaktionsmechanismen)
Härter:
Lösen Vernetzung aus, sind nicht an der Reaktion beteiligt
Harze:
Haben selbst bestimmte Eigenschaften, die sich auf den Klebstoff auswirken
Stabilisatoren:
Verhindern unerwünschte Reaktionen von Polymeren
Vernetzer:
Lösen Vernetzung aus, sind an der Reaktion beteiligt
Weichmacher:
Elastische Eigenschaften, diffundieren in die Polymere und erhöhen so die Verformbarkeit (→ verringern die zwischenmolekularen Kräfte zwischen den Polymermolekülen
Quellen
Basiswissen Schule Chemie (DUDEN-Verlag)
http://www.chemie.uni-bremen.de/woehrle/Schullabor-Klebstoffe.pdf
http://chemiedidaktik-graz.at/content/pdf/klebstoffe semarb.pdf
http://www.chids.de/dachs/expvortr/nasklebstoffe.pdf
http://www.tomchemie.de/Klebstoffe.htm