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Was ist Kleben? Ein kurzer theoretischer Überblick (Teil I)

 
Kleben ist das Verbinden zweier Fügeteile mittels eines Klebstoffs. Nach DIN EN 923 wird ein Klebstoff definiert als
❒ ein Nichtmetall
❒ ein Bindemittel, das über Adhäsion und Kohäsion wirkt.

Adhäsion und Kohäsion
Als Adhäsion bezeichnet man das Haften gleich- oder verschiedenartiger Stoffe aneinander, mit Kohäsion die innere Festigkeit eines Werkstoffes wie hier des Klebstoffs. Die adhäsiven Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Fügeteil betreffen nicht nur die reine Berührungsfläche (Adhäsionszone) von Klebstoff und Fügeteil, sondern beeinflussen auch den Zustand des Klebstoffs in der Nähe der Oberfläche des Fügeteils (Übergangszone) (s. Abb. 1). In der Kohäsionszone liegt der Klebstoff in seinem üblichen Zustand vor. In der Adhäsionszone weist der Klebstoff durch die Haftung an der Oberfläche der Fügeteile eine modifizierte chemische Struktur und Zusammensetzung auf, die vom Zustand in der Kohäsionszone abweicht. Folglich sind hier auch die makroskopischen Eigenschaften des Klebstoffs verändert. In der Übergangszone zwischen Adhäsions- und Kohäsionszone verändern sich Struktur, Zusammensetzung und makroskopische Eigenschaften des Klebstoffs kontinuierlich. Der Einfluss der Übergangszone kann z.B. darin bestehen, dass eine Entmischung des Klebstoffs auftritt, indem kleine Klebstoffbestandteile in Poren der Oberfläche diffundieren. So wird die optimale Zusammensetzung des Klebstoffs gestört. Adhäsions-und Übergangszone bezeichnet man auch als Grenzschicht.

Die Adhäsionszone
Der Klebstoff in der Adhäsionszone liegt in einer durch die Anbindung an die Fügeteiloberfläche modifizierten molekularen Struktur vor. Das Phänomen der Adhäsion wird durch molekulare Wechselwirkungen zwischen der Fügeteiloberfläche und dem Klebstoff erklärt, die sich in die schwächeren zwischenmolekularen Wechselwirkungen und in die starken chemischen Bindungen unterscheiden lassen. Allerdings treten chemische Bindungen nur bei sehr wenigen Kombinationen von Fügeteilen und Klebstoffen auf, z.B. zwischen Silicon und Glas, Polyurethan und Glas oder Epoxidharz und Aluminium. Im Fügeteil vielleicht sogar konstruktiv eingebrachte Hinterschneidungen, die von Klebstoff umflossen werden, können die Festigkeit des Klebverbundes erheblich steigern.

Die Übergangszone
Die Übergangszone, in der ein Klebstoff veränderte chemische, mechanische und optische Eigenschaften besitzt, kann eine Dicke von wenigen nm bis fast mm aufweisen. Dies hängt von der Art der Oberfläche des Fügeteils, des Klebstoffs und den Härtungsbedingungen ab. Bei dicken Übergangszonen oder dünnen Klebfugen kann das Verhalten der gesamten Klebung von den Eigenschaften der Übergangszone bestimmt sein, da keine Kohäsionszone vorliegt.

Die Kohäsionszone
Im Bereich der Kohäsionszone weist der Klebstoff seine nominellen, in den Datenblättern angegebenen Kunststoffeigenschaften auf. Diese werden von folgenden molekularen Kräften verursacht:
1. den chemischen Bindungen innerhalb der Klebstoff-Polymere, das sind die Klebstoff-Makromoleküle;
2. den chemischen Bindungen, die zur Vernetzung des Polymers führen;
3. den zwischenmolekularen Wechselwirkungen zwischen den Klebstoff-Molekülen und
4. den mechanischen Verklammerungen verschiedener Klebstoff-Moleküle.

Die vier genannten Kohäsionskräfte beeinflussen bereits die Eigenschaften des unausgehärteten Klebstoffs und bestimmen beispielsweise die Viskosität. Bei der Aushärtung erfolgt hauptsächlich eine Verfestigung des Klebstoffs über Bindungen zwischen den Klebstoff-Molekülen. Diese Bindungen werden neu erzeugt (z.B. bei der Vernetzung kurzkettiger Moleküle zu langkettigen) oder vorhandene Bindungen werden verstärkt. Für eine maximal erreichbare Klebefestigkeit tragen sowohl die Adhäsion (inkl. Übergangszone) als auch die Kohäsion bei. Wie bei einer Kette gilt auch bei einer Klebung, dass das schwächste Glied die Belastbarkeit bestimmt.

Die kohäsiven Eigenschaften eines Klebstoffs sind seitens des Herstellers bereits festgelegt. Diese muss der Anwender durch eine optimale Aushärtung zu erreichen versuchen. Weiterhin muss die Adhäsionsfestigkeit ausreichend hoch sein. Das ist der Fall, wenn nicht die Adhäsion der limitierende Faktor bei der Festigkeitsprüfung ist, sondern die Eigenfestigkeit des Klebstoffs. Die klebstoffspezifische maximale Belastbarkeit einer Klebung ist also dann gegeben, wenn bei einer Festigkeitsprüfung der Bruch im Klebstoff erfolgt (Kohäsionsbruch) und nicht in der Adhäsionszone zwischen Material und Klebstoff.

Quelle: Kleben/Klebstoff - Textheft; Informationsserie des Fonds der Chemischen Industrie (Nr. 27)


update: 08.05.2017                                                                                                                                                                               zurück        zur Hauptseite