Klebstoffe – Was die Welt zusammenhält

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Allgemeines zu Klebstoffen
2.1 Was sind Klebstoffe?
2.1.1 Allgemeiner Aufbau von Klebstoffen
2.1.2 Monomere
2.1.3 Polymere
2.2 Die Bindungskräfte
2.2.1 Adhäsion
2.2.2 Kohäsion
2.3 Benetzung
2.4 Oberflächenbehandlung
2.4.1 Oberflächenvorbereitung
2.4.2 Oberflächenvorbehandlung
2.4.3 Oberflächennachbehandlung

3 Einteilung von Klebstoffen

4 Physikalisch abbindende Klebstoffe
4.1 Schmelzklebstoffe
4.2 Lösungsmittelklebstoffe
4.3 Dispersionsklebstoffe
4.4 Plastisole

5 Chemisch härtende Klebstoffe
5.1 Polymerisation
5.2 Polyaddition
5.3 Polykondensation

6 Einsatzmöglichkeiten von Klebstoffen

7 Anhang

8 Literaturverzeichnis
8.1 Bücher
8.2 Zeitschriften
8.3 Internetseiten

9 Selbstständigkeitserklärung

1. Einleitung

Klebstoffe spielen in unserem Leben eine große Rolle, denn sie lösen mit der Zeit viele Fügetechniken, wie zum Beispiel das Schweißen ab.

Jedoch wissen die wenigsten, in wie vielen Bereichen des alltäglichen Lebens, jedoch auch in hochspezialisierten Fällen Klebstoffe verwendet werden. Deshalb habe ich mich entschieden, meine Facharbeit über dieses Thema zu schreiben.

Durch die heutzutage hochmodernen Produktionsmöglichkeiten und die weit fortgeschrittene Forschung kann man heute fast alle technischen Werkstoffe miteinander verbinden.

Die Produktions- und Verbrauchszahlen zeigen die enorme Bedeutung von Klebstoffen: allein in Deutschland werden jährlich 500.000 Tonnen Klebstoff produziert und verbraucht.

Es ist erstaunlich, was für eine große Vielfalt es an Klebstoffen gibt. Einer muss Werkstücke in eisigen Temperaturen zusammenhalten, der andere muss hunderten von Grad standhalten ohne seine Klebeeigenschaften zu verlieren. Ebenso kann man die Art der Fügung durch die Wahl des entsprechenden Klebstoffes bestimmen: soll sie elastisch oder extrem stabil sein?

Auch die Vielfalt der verschiedenen Klebstoffe kann man an einer Zahl zeigen: die Hersteller bieten über 25.000 verschiedene Klebstoffe; für (fast) jeden Zweck.

Dieser Variabilität liegen die verschiedenen chemischen Eigenschaften der einzelnen Klebstoffe zugrunde.

Klebstoffe sind jedoch keine Erfindung der letzten Jahre, oder gar des Menschen.

In der Natur gibt es zahlreiche Beispiele für Klebstoffe:

Zum Beispiel die Honigbiene: zum Nestbau nutzt sie Wachs, welcher bei der Körpertemperatur der Biene flüssig ist und nach dem Abkühlen erstarrt und in seine Form beibehält. Somit ist der Wachs ein Beispiel aus der Natur für Schmelzklebstoffe.

Die Vorlage für Dispersionsklebstoffe stammt ebenfalls aus der Natur.

Die Feldwespe zerkleinert Holz, indem sie mit Schabbewegungen ihrer Kauwerkzeuge die Zellulosefasern grob zerkleinert. Danach frisst sie die Fasern und verkürzt chemisch durch ein Verdauungssekret die Fasern weiter. Mit dieser Masse formt sie ihr Nest. Beim Verdunsten des Wassers verfilzen die Fasern und der Klebstoff wird fest.

Auch die Flora bietet ein Beispiel für Dispersionsklebstoffe.

In der Gummimilch des Gummibaumes ist Naturlatex, welcher aus Polymeren besteht, gelöst. Beim Verdampfen des Wassers wird aus den Polymeren eine sehr beständige Klebung.

Aufgrund der Komplexität der Chemie der Klebstoffe ist es erstaunlich, wie lang die Geschichte der Verwendung von Klebstoffen durch den Menschen ist.

Vor etwa 5000 Jahren nutzten die Menschen in Ägypten und Mesopotamien Asphalt aus natürlichen Vorkommen zum Fertigen von Mosaiken und vermischt mit Harzen als Dichtungsmittel für Boote.

Um 1500 wurde der Kautschuk, welcher schon lange von Azteken und Mayas genutzt wurde, nach Europa gebracht.

Nach der Entdeckung der Grundlagen der makromolekularen Chemie durch Max Staudinger im Jahre 1921 ging die Entdeckung und Entwicklung neuer Klebstoffe rasant voran.

1928 wurde in den USA erstmals Polyvinylchlorid hergestellt und das als „Plexiglas“ bekannte Polymethylmethacrylat von der Firma Röhm & Haas.

1930 wurde Polystyrol, welches zum Beispiel zur Herstellung von Bechern und Tischtennisbällen genutzt wird, technisch hergestellt.

Ein Jahr später entwickelten die Firmen BASF die erste stabile Kunststoff-Dispersion auf der Basis von Acrylsäureestern und Vinylacetat.

Im Jahre 1936 wurde die Polymerisation zur Herstellung von Epoxidharzen genutzt, welche ein Jahr später patentiert wurden.

In den USA entdeckte C. Ellis die schnelle Härtbarkeit von ungesättigten Polyestern mit Styrol durch Peroxide.

Die Polyaddition von Polyurethanen wurde von O. Bayer erstmals im Jahre 1937 durchgeführt.

1958 kam der erste Cyanacrylat-Klebstoff in den USA auf den Markt, zwei Jahre später dann auch in Deutschland.

Ab 1990 wurden Klebstoffe entwickelt, welche durch diverse Mechanismen aushärten, zum Beispiel durch UV-Strahlung.

Ab 2000 wurden auch Klebstoffe entwickelt, welche sich gut recyceln lassen um die Umwelt zu schonen.^[1]

Dies war nur ein kurzer Einblick in die umfangreiche Geschichte der Klebstoffe. Auch in Zukunft wird es immer mehr neue und bessere Klebstoffe geben, denn die Forschung ist noch nicht an ihre Grenzen gelangt.

Ich werde mich in meiner Facharbeit lediglich auf eine Auswahl von Klebstoffen, welche auf organischen, künstlich hergestellten Verbindungen beruhen, beschränken, da das Eingehen auf sämtliche Klebstoffe zu umfangreich wäre.

2. Allgemeines zu Klebstoffen

2.1 Was sind Klebstoffe?

„Nach DIN EN 923 wird ein Klebstoff definiert als „nichtmetallischer Werkstoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung, Adhäsion ( → 2.2.1), und innere Festigkeit , Kohäsion (→ 2.2.2), verbinden kann“.“^[2]

Die nationale DIN-NORM 16920 gleicht der europäischen Norm, besitzt jedoch den Zusatz, dass sich die Oberfläche und die Form der Werkstücke nicht verändert.^[3]

Klebstoffe bestehen aus Makromolekülen, den sogenannten Polymeren. Diese Polymere gehen aus chemischen Reaktionen der entsprechenden Monomere hervor.^[4]

2.1.1 Monomere

Monomere sind die Grundbausteine der Polymere. Sie werden in einer chemischen Reaktion (z.B. Polymerisation) zu Polymeren zusammengefügt.

Als wesentliche Elemente sind am Aufbau der organischen Klebstoffe Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel, Sauerstoff, Stickstoff, Chlor und Silizium beteiligt.^[5]

„Als Monomere reagieren:

– Moleküle mit mindestens einer reaktionsfähigen Doppelbindung
– Moleküle mit reaktionsfähigen funktionellen Gruppen unter Abspaltung niedermolekularer Nebenprodukte (z.B. Wasser, Ammoniak, Chlorwasserstoff)
– Moleküle mit reaktionsfähigen Gruppen ohne Abspaltung von Nebenprodukten. Dabei werden Wasserstoffatome übertragen“^[6]

Man unterscheidet zwischen monofunktionalen, bifunktionalen und trifunktionalen Monomeren. Die Fähigkeit, ob und wie viele Bindungen ein Monomer ausbilden kann ist entscheidend für die späteren Eigenschaften des entstehenden Polymers.^[7]

Monofunktionale Monomere sind für die Polymerisationsreaktionen nicht zu gebrauchen, da sie nicht in der Lage sind zu Polymeren zu reagieren, weil sie keine Bindung zu anderen Monomeren ausbilden können.

Bifunktionale Monomere sind in der Lage zwei Bindungen einzugehen und trifunktionale drei Bindungen. Deshalb sind diese beiden Monomerarten für die Bildung von Polymeren geeignet.

Als mögliche Reaktionen zur Polymerbildung werden generell unterschieden:

– Polymerisation (→ 5.1)
– Polyaddition (→ 5.2)
– Polykondensation (→ 5.3)^[8]

2.1.2 Polymere

„Je nach Funktionalität der reaktionsfähigen Gruppen in einem Monomer kommt es zur Ausbildung unterschiedlicher Polymerstrukturen.“^[9]

Verbindet man bifunktionale Monomere miteinander, so entstehen lineare, unverzweigte Polymere.^[10]

Bilden einige Monomere mehr als zwei Bindungen aus, kommt es zu Verzweigungen zwischen den Molekülketten.

Verbindet sich die Mehrzahl der Monomere oder Zwischenprodukte jeweils an drei Stellen miteinander, so entstehen räumlich vernetzte Makromoleküle. Im idealen Endzustand besteht das gebildete Monomer aus einem einzigen in sich chemisch gebundenen Molekülnetz.

Die chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Polymerschichten sind abhängig vom strukturellen Aufbau der Makromoleküle.^[11]

„Reagiert nur eine Monomerart, ist das entstehende Produkt ein Homopolymer; werden zwei verschiedene Monomerbausteine umgesetzt, entsteht ein Copolymer.“^[12]

Thermoplaste: „Thermoplaste sind aus sehr langen, unvernetzten Molekülketten aufgebaut, die von zwischenmolekularen Kräften im festen Verbund zusammengehalten werden.“^[13] „Diese Bindungskräfte sind wirksamer, wenn die Ketten parallel ausgerichtet sind. Solche Bereiche nennt man kristallin.“^[14]

„Es gibt jedoch auch amorphe Thermoplaste. Amorph bedeutet, dass die Polymerketten unregelmäßig, zufällig angeordnet sind; sie haben keine regelmäßige Orientierung wie in einem Kristall.“^[15]

Unter thermoplastisch versteht man, dass das Polymer beim Erhitzen schmilzt, ohne zerstört zu werden, und beim Abkühlen wieder hart wird.^[16] Dies ist der Grund, weshalb Thermoplaste keine große Hitzebeständigkeit besitzen.

„Sie sind in der Lage, reversible Zustandsänderungen zu durchlaufen.“^[17] Dazu muss das Material in einen thermoplastischen Zustand, welcher bei der Glasübergangstemperatur erreicht wird, gebracht werden. In diesem Aggregatzustand ist es nicht mehr formstabil und kann eventuell nicht mehr in seine Ursprungsform zurückgebracht werden.^[18]

Neben dem thermoplastischen Aggregatzustand gibt es bei den Thermoplasten den festen Aggregatzustand.

Vor dem Erwärmen und nach dem Abkühlen sind Thermoplaste fest, was nicht gleich steif bedeutet. Viele Thermoplaste sind auch im festen Zustand flexibel und manche können auch im festen Zustand bearbeitet und in der Form verändert werden.

Im thermoelastischen Zustand kann das Material in seiner Form verändert werden, behält aber seine Ursprungsform bei.

Wenn der Bereich der Thermoplastizität (durch weitere Erhitzung) überschritten ist, wird das Material flüssig. Bei weiterer Erhitzung verflüchtigt sich das Material und zersetzt sich in seine Grundbestandteile.^[19]

„Trotz ihrer Schmelzbarkeit sind Thermoplaste in ihrem Anwendungstemperaturbereich wesentlich härter und steifer als Elastomere.“^[20]

Duroplaste: (in diverser Literatur auch unter „Duromere“ zu finden)

„Duroplaste bestehen aus einem makromolekular aufgebauten Raumnetzmolekül mit engmaschiger Verknüpfung über chemische Bindungskräfte.“^[21]

Durch die räumlich enge Vernetzung lassen sich Duroplaste auch bei hohen Temperaturen nicht verformen. Sie liegen nach dem irreversiblen Aushärtungsprozess in einem starren, zum Teil auch spröden, amorphen Zustand vor. Die geringe Verformbarkeit rührt von der allseitigen Verbindung der Moleküle untereinander. Dadurch sind sie nicht gegeneinander verschiebbar.^[22]

Elastomere: „Elastomere sind kettenförmige Makromoleküle, die durch wenige chemische Vernetzungsbrücken zu einem weitmaschigen Raumnetzmolekül miteinander verbunden sind.“^[23]

Sie können bis zum Temperaturbereich der chemischen Zersetzung nicht fließfähig gemacht werden, sondern sind weitgehend temperaturunabhängig gummielastisch reversibel verformbar.^[24]

2.2 Die Bindungskräfte

Die Festigkeit und Haltbarkeit einer Klebung hängt hauptsächlich von drei Faktoren ab: von der Festigkeit der Fügeteile selbst, der Verbindung zwischen den Klebstoff und dem Fügeteil und der Festigkeit der Klebeschicht selbst.

Deshalb ist eine Klebung nur so stark, wie das schwächste Glied der Bindung.^[25]

[...]

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^[1] vgl. Fonds der chemischen Industrie, 2001, Seite 11, 12

^[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Klebstoff

^[3] vgl. http://www.chemieonline.de/forum/showthread.php?t=55553

^[4] vgl. Glöckner, 1982, Seite 4

^[5] vgl. Habenicht, 1986, Seite 6

^[6] Glöckner, 1982, Seite 4

^[7] vgl. Glöckner, 1982, Seite, 4, 5

^[8] vgl. Habenicht, 1986, Seite 9

^[9] Habenicht, 1986, Seite 9

^[10] vgl. Glöckner, 1982, Seite 5

^[11] vgl. Habenicht, 1986, Seite 9, 10

^[12] Glöckner, 1982, Seite 5

^[13] Ebeling, 2009, Seite 9

^[14] http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoplast

^[15] vgl. Hart, 2007, Seite 521

^[16] vgl. Hart, 2007, Seite 521

^[17] Habenicht, 1986, Seite 10

^[18] vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoplast

^[19] vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoplast

^[20] http://www.kofler-dichtungen.at/technik/werkstoffe/elastomereplastomere/index.php

^[21] Ebeling, 2009, Seite 9

^[22] vgl. Habenicht, 1986, Seite 10

^[23] Ebeling, 2009, Seite 9

^[24] vgl. Habenicht, 1986, Seite 9

^[25] vgl. Fonds der chemischen Industrie, 2001, Seite 15