Adhäsion

Die Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche, auf denen die Adhäsion hauptsächlich beruht, haben mit weniger als 1 Nanometer eine nur äußerst geringe Reichweite. Deshalb ist eine gute Benetzung der Fügeteile durch den noch nicht verfestigten, also flüssigen Klebstoff eine notwendige Voraussetzung für die Herstellung einer qualitativ hochwertigen Klebung. Neben der Benetzungsfähigkeit müssen Klebstoff und Fügeteil zueinander passende Molekülgruppen aufweisen, damit es zur Ausbildung von Wechselwirkung zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche und somit zur Adhäsion kommen kann.

Die Adhäsionskräfte beruhen meist auf physikalischen Wechselwirkungen, wie z. B. auf solchen zwischen polaren oder polarisierbaren Gruppen, auf Wasserstoffbrückenbindungen oder den sogenannten Van-der-Waals-Kräften. Beim Kleben von Kunststoffen insbesondere mit lösemittelhaltigen Klebstoffen können zudem Diffusionsprozesse auftreten. Hierbei wird der Kunststoff an der Fügeteiloberfläche durch das im Klebstoff enthaltene Lösemittel angelöst. Dies führt zu einer erhöhten Beweglichkeit der Polymerketten, was wiederum eine Durchdringung der Polymerketten des Fügeteils mit denen des Klebstoffs erlaubt. Im Endeffekt kommt es zur Ausbildung zusätzlicher Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten des Klebstoffs und des Fügeteils. Nach dem Verdunsten des Lösemittels entsteht so eine feste Verbindung. Chemische Bindungen sind bei bestimmten Fügeteil-Klebstoff-Kombinationen, z. B. beim Kleben von Glas mit Silikonklebstoffen, von Holz mit Polyurethanklebstoffen oder von Aluminium mit Epoxidklebstoffen ebenfalls möglich. Im Vergleich zu physikalischen Wechselwirkungen führen chemische Wechselwirkungen zu deutlich höheren Adhäsionskräften. Zusätzlich kann es durch ein Eindringen des flüssigen Klebstoffs in Hinterschneidungen nach seiner Härtung zu einem gewissen, die Festigkeit erhöhenden zusätzlichen Formschluss kommen.

Da das Zustandekommen von Adhäsionskräften zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche nicht nur eine für den jeweiligen Fügeteilwerkstoff geeignete Klebstoffzusammensetzung erfordert, sondern auch hohe Anforderungen an die Fügeteiloberfläche stellt, kommt dieser für das Kleben eine hohe Bedeutung zu. So ist es einsichtig, dass aufgrund der geringen Reichweiten der Adhäsionskräfte die Beschaffenheit der äußersten Oberflächenschicht ausschlaggebend ist. Diese muss zudem ausreichend fest mit dem Untergrund verbunden sein; auf einer korrodierten Stahloberfläche haften viele Klebstoffe sehr gut, jedoch ist die Korrosionsschicht – der Rost – nicht fest mit dem Untergrund verbunden. Bei Belastung kommt es zu einem Versagen in dem korrodierten Material oder zwischen der Rostschicht und dem unveränderten Stahl. Ähnliches gilt für beschichtete Fügeteile. Hier stellt die Beschichtung die Oberfläche dar, zu der der Klebstoff Adhäsion aufbauen muss. Die Beschichtung wiederum muss ausreichend fest mit dem Untergrund verbunden sein.

Genauso verhindern Verunreinigungen, insbesondere solche, die aufgrund ihrer geringen Oberflächenspannung einer Benetzung durch den Klebstoff entgegenwirken (z. B. Öle, Trennmittel etc.) die Ausbildung der, die Adhäsion ausmachenden Wechselwirkungen. Verunreinigungen bilden sozusagen eine Barriere zwischen Klebstoff und Fügeteiloberfläche, die von den Adhäsionskräften aufgrund ihrer geringen Reichweite nicht überbrückt werden können.

Daher müssen Verunreinigungen in der Regel vor dem Kleben entfernt werden. Hierbei gilt die Faustformel: Nicht so sauber wie möglich, sondern so sauber wie nötig. Einige spezielle Klebstoffe zeigen eine gewisse Verträglichkeit mit bestimmten Ölen. Sie sind in der Lage bestimmte Öle während der Klebstoffhärtung, die bei erhöhter Temperatur erfolgt in sich aufzunehmen und somit aus der Grenzschicht zwischen Klebstoff und Fügeteil zu entfernen. Derartige Klebstoffe werden z. B. im Karosseriebau der Automobilindustrie verwendet. Sie erlauben das Kleben von mit Korrosionsschutz- und Ziehölen behafteter Blechteile ohne deren vorherige Reinigung; die Klebstoffhärtung erfolgt hier in den nachfolgenden für die Lackhärtung erforderlichen Öfen bei Temperaturen zwischen ca. 150 und 200 °C.

Verfestigung des Klebstoffs – Kohäsion

Mit zunehmender Verfestigung des Klebstoffs steigt dessen innere Festigkeit, die Kohäsion an. Die Kohäsion beruht ebenfalls auf physikalischen Wechselwirkungen, hier zwischen den einzelnen Klebstoffpolymeren. Bei Klebstoffen, die durch eine chemische Reaktion härten, die Bildung der Polymere also durch eine chemische Reaktion der Klebstoffbestandteile erfolgt spielen die dabei entstehenden chemischen Bindungen eine wichtige Rolle.

Eigenschaften einer Klebung

Die Kohäsions- und Adhäsionseigenschaften des Klebstoffs bestimmen im Zusammenspiel mit dem Fügeteil die Eigenschaften einer Klebung. Während die Adhäsionseigenschaften im Wesentlichen bestimmen, ob ein Klebstoff auf einem Fügeteil klebt (haftet), leisten die Kohäsionseigenschaft einen großen Beitrag zu den mechanischen Eigenschaften der Klebung, insbesondere dem Verformungsverhalten bei Lasteinwirkung.

Es ist zu berücksichtigen, dass Klebverbindungen nicht nur einer gewissen Alterung unterliegen, sondern ihre Eigenschaften von den jeweiligen Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, abhängig sind. Auch können sowohl die die Adhäsion bildenden Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Fügeteil als auch die die Kohäsion bewirkenden Inter-intramolekularen Wechselwirkungen durch äußere Einflüsse (u. a. Temperatur, Feuchtigkeit, Chemikalien, Strahlung, mechanische Belastung) nachteilig beeinflusst werden. Das Ausmaß der Beeinträchtigung ist von der Art der einwirkenden Bedingungen und deren Zeitdauer abhängig; der Vorgang wird als Alterung bezeichnet. Bei der Planung einer Klebung muss also neben den real einwirkenden Umgebungsbedingungen auch deren eventuell langfristige Wirkung berücksichtigt werden.

Aufgrund der Vielzahl von Einflussparametern und zum Teil gegensätzlichen Anforderungen an Klebverbindungen wird leicht verständlich, dass es den sogenannten „Alleskleber“ nicht geben kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass, entgegen dem häufig noch üblichen Sprachgebrauch, der Begriff „Klebstoff“ das Material beschreibt, das durch das Zusammenspiel von Adhäsion und Kohäsion Fügeteile verbindet. Der „Kleber“ dagegen ist die, die Klebung herstellende Person.

Klebstoffauswahl

Die Auswahl eines geeigneten Klebstoffs für eine spezielle Anwendung sollte auf Basis eines spezifischen Anforderungsprofils erfolgen. In diesem Anforderungsprofil werden alle unmittelbaren, überprüfbaren Anforderungen an das zu klebende Bauteil und daraus resultierend an die Klebung und den Klebstoff aufgeführt. Es kann zwischen Anforderungen unterschieden werden, die zwingend erfüllt werden müssen und solchen, deren Erfüllung vorteilhaft aber eben nicht zwingend notwendig ist. Berücksichtigt werden müssen darüber hinaus Vorgaben aus dem Klebprozess, einschließlich solcher aus vor- und nachgelagerten Prozessschritten. Die nebenstehende Abbildung gibt, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, einen Überblick über die wichtigsten, bei der Klebstoffauswahl zu berücksichtigenden Parameter.

Vorteile des Klebens

Die wichtigsten Vorteile sind:

• es können nahezu alle Werkstoffe mittels Kleben mit sich selbst oder anderen Werkstoffen verbunden werden;
• aufgrund der flächigen Kraftübertragung wird eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte über die gesamte Klebfläche erreicht. Dies erlaubt eine optimale Ausnutzung der Fügeteileigenschaften;
• durch Wahl einer entsprechend großen Klebfläche können relativ hohe Kräfte auch zwischen dünnen Fügeteile übertragen werden was gerade für Leichtbauanwendungen vorteilhaft ist;
• durch Wahl eines elastischen Klebstoffs können Bewegungen der Fügeteile relativ zueinander kompensiert werden, z. B. können Fügeteildehnungen bei Temperaturschwankungen ausgeglichen und Schwingungen effektiv gedämpft und somit eine Materialschädigung oder -ermüdung des Fügeteils vermieden werden;
• es erfolgt keine Materialverletzung der Fügeteile durch Bohrlöcher für z. B. Nieten oder Schrauben;
• optisch ansprechende Oberflächen können realisiert werden;

• mit dem Kleben ist keine oder nur eine geringe Wärmebelastung verbunden, sodass Wärmeverzug, Wärmespannungen oder eine Änderungen der Gefügestruktur und in der Folge eine Änderung der mechanischen Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe weitestgehend vermieden werden;
• Fügeteiltoleranzen können mittels spaltüberbrückender Klebstoffe ausgeglichen werden
• Kleben ist sowohl für kleine, als auch für große Teile gleichermaßen geeignet. So liegen in der Mikroelektronik die Klebstoffmengen pro Bauteil z. T. bei nur wenigen Mikrogramm während bei der Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen mehrere hundert Kilogramm pro Bauteil benötigt werden.
• neben der Kraftübertragung können zusätzlichen Eigenschaften, wie z. B.
  • dichtende Verbindung
  • akustische Entkopplung, Dämpfung
  • elektrische Isolation (Vermeidung von Kontaktkorrosion)
  • elektrisch leitend
  • thermisch isolierend
  • thermisch leitend (Wärmemanagement bei elektronischen Bauteilen)

integriert werden.

Nachteile des Klebens

Nachteile sind z. B.:

• in der Regel wird eine Sofortfestigkeit nicht erreicht. Die vielfach in Form von doppelseitigen Klebebändern eingesetzten Haftklebstoffe, die schnell härtenden, oft auch als „Sekundenklebstoffe“ bezeichneten Cyanacrylate, und viele lichthärtenden Klebstoffe erreichen schon nach Abschluss des Fügevorgangs oder sehr kurz danach, wenn auch noch nicht ihre Endfestigkeit, so doch eine gewisse Anfangsfestigkeit, die ausreicht die geklebte Baugruppe weiter zu bearbeiten;
• Klebverbindungen weisen, je nach chemischer Basis eine eingeschränkte thermische und chemische Belastbarkeit/Beständigkeit auf;
• die mechanischen Eigenschaften der Klebung sind temperaturabhängig;
• Klebstoffe zeigen z. T. eine gewisse Neigung zum Kriechen;
• die Langzeitbeständigkeit einer Klebung unterliegt Alterungsvorgängen;
• eine Wiederlösbarkeit der Verbindung ist häufig nicht ohne Beschädigung mindestens eines der Fügeteile möglich;
• Kleben ist ein sogenannter „spezieller Prozess“, d. h. eine Prüfung ist nicht vollständig durch zerstörungsfreie Methoden realisierbar. Daher muss zur Fehlervermeidung der Klebprozess beherrscht werden. Mit der DIN 2304-1 (Klebtechnik – Qualitätsanforderungen an Klebprozesse – Teil: 1: Prozesskette Kleben) sind die Anforderungen für eine qualitätsgerechte Ausführung von lastübertragenden Klebverbindungen entlang der Prozesskette Kleben – von der Entwicklung über die Fertigung bis zur Nacharbeit – festgelegt;
• viele Klebstoffe und für den Klebprozess benötigte Hilfsstoffe (Lösemittel zur Reinigung, Primer) sind Gefahrstoffe und erfordern entsprechende Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang.

Vergleich der Fügeverfahren

Der Nachteil der bei vielen Klebstoffen nicht gegebenen Sofortfestigkeit kann durch eine Kombination mit einem zweiten, schnell härtenden Klebstoff (z. B. doppelseitigen Klebeband) oder mit einem anderen Fügeverfahren, z. B. Punktschweißen, Nieten, Schrauben, oder Durchsetzfügen kompensiert werden. Bei diesen als Hybridfügen bezeichneten Verfahren kommt es aufgrund der flächigen Verbindung der Fügeteile zwischen den anderen Fügepunkten zu einer deutlichen Verringerung der Spannungsspitzen an ebendiesen Fügepunkten und es wird eine Sofortfestigkeit erreicht.

Briefmarke

Siehe auch: Briefmarke

Die Geschichte der 1849 zuerst im Königreich Bayern eingeführten Briefmarke ist eng mit Klebstoffen verbunden. Damals bestand der Briefmarkenklebstoff aus natürlich vorkommenden Rohstoffen wie Zuckermelasse, Kartoffelstärke und gelegentlich auch Fischleim, zeigte jedoch deutliche Schwächen. So hafteten die Briefmarken entweder aneinander oder fielen vorzeitig ab und zeigten einen penetranten Geruch. Hinzu kam, dass die Briefmarken vor dem Aufkleben befeuchtet werden mussten, was häufig durch Anlecken erfolgte. Aufgrund des unangenehmen Geschmacks war dies jedoch eher unbeliebt. Mit der Entwicklung von synthetischen Klebstoffen konnte in der Mitte des 20. Jahrhunderts auf die Verwendung von geschmacks- und geruchsneutrale Klebstoffe aus Polyvinylacetat bzw. Polyvinylalkohol umgestellt werden. Dadurch wurde auch das Problem des Aneinanderhaftens und vorzeitigen Abfallens gelöst. Heute werden mehr und mehr Briefmarken angeboten bei denen das Befeuchten entfällt. Diese selbstklebenden Briefmarken sind auf der Rückseite mit einem Haftklebstoff beschichtet und müssen lediglich von einem mit einer Antihaftbeschichtung versehenen Träger abgezogen werden, bevor sie z. B. auf einen Brief geklebt werden.

Automobilindustrie

Die Herstellung moderner Autos wäre ohne Klebstoffe nicht möglich, hier zwei Beispiele:

Hausgeräteindustrie

Ähnlich wie in der Automobilindustrie werden auch bei der Herstellung von Hausgeräten Klebstoffe für eine Vielzahl von, in den Anforderungen sehr unterschiedlichen Klebungen verwendet. So kommen bei der Herstellung von Cerankochfeldern oder der Befestigung der Sichtscheibe in Backofentüren temperaturstabile Silikonklebstoffe zum Einsatz. Die Verbindungen müssen Temperaturen bis zu 250 °C standhalten und dürfen natürlich keinesfalls irgendwelche Schadstoffe freisetzen. Folientastaturen als Bedienelemente sowie auch die Beschriftungsblenden für konventionelle Bedienelemente werden mittels doppelseitiger Klebebänder an den Geräten, wie z. B. Herden und Öfen, Kühlschränken, Waschmaschinen, Wäschetrocknern befestigt.

Aber auch bei der Herstellung von Elektrokleingeräten wird geklebt. So wird z. B. bei Kaffeemaschinen vielfach der Kunststoffgriff an den aus Glas bestehenden Kannenkörper geklebt. Gegenüber der Befestigung mittels Spannring aus Metall bietet das Kleben hier Vorteile in der Fertigung durch die Vermeidung von Glasbruch. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sich bei Gebrauch zwischen Kannenkörper und Spannring Schmutzpartikel ansammeln und sich Feuchtigkeit längere Zeit halten kann, was langfristig zu Korrosion des Spannrings und somit zu einem unschönen Aussehen führen kann, was bei einer Kleblösung ohne Spannring nicht mehr erfolgen kann. Verwendet werden Klebstoffe auf Basis von Polyurethan oder Silikon, entweder als 2K-System oder feuchtigkeitsvernetzend. Die Klebstoffe müssen u. a. über die gesamte Lebensdauer der Kaffeemaschine auch bei Temperaturen bis zu 100 °C eine ausreichende Festigkeit aufweisen, Spülmaschinentauglich sein und eine ausreichende Elastizität aufweisen, um das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten von Glas und dem Kunststoffmaterial des Griffs auszugleichen und so Glasbruch zu verhindern.

Auch die Herstellung von Allround-Geräten, die in einem Gerät verschiedene Funktionen, wie z. B. Kochen, Rühren, Kneten, Mixen und Mahlen vereinen wäre in der heutigen Form ohne moderne Klebstoffe nicht realisierbar. Das Herzstück derartiger Geräte ist z. B. ein extrem leistungsfähiger, bürstenloser Elektromotor. Um z. B. Nüsse zu zerkleinern werden hohe Drehzahlen, für das Kneten von Kuchenteig dagegen hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen benötigt. Da die Geräte auch zum Kochen geeignet sind, ist eine entsprechende Temperaturbeständigkeit erforderlich. Lichthärtende Klebstoffe sorgen dafür, dass Rotor und Stator, die beiden wesentlichen Bestandteile des Motors eine feste Einheit bilden. Die Härtung des Klebstoffs erfolgt innerhalb kürzester Zeit, sodass hohe Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden können. Bei der Härtung werden aus den im Klebstoff enthaltenen Photoinitiatoren unter dem Einfluss von Licht zunächst hochreaktive Moleküle gebildet die wiederum den chemischen Härtungsprozess des Klebstoffharzes bewirken.

Verpackungsindustrie

Die meisten Tiefkühl- und Mikrowellenverpackungen bestehen heute aus biologisch abbaubaren Folienverbunden. Natürlich müssen auch die zur Herstellung dieser Folienverbunde verwendeten Klebstoffe biologisch abbaubar sein. Erreicht wird dies durch die Verwendung von Molekülen, die denen natürlich vorkommender Polymere, wie z. B. Cellulose und Stärke, ähnlich sind und durch Mikroorganismen mit Hilfe von Enzymen zu Wasser, Kohlendioxid und Biomasse abgebaut werden können.

Medizin und Medizintechnik

In der Medizin und der Medizintechnik spielen Klebstoffe eine immer größere werdende Rolle. So wird von einem Pflaster einerseits eine gute Haftung auf den unterschiedlichsten Hauttypen und andererseits ein möglichst schmerzfreies Entfernen verlangt. Hinzu kommt, dass manche Pflaster z. B. als transdermales Pflaster medizinische Wirkstoffe über einen längeren Zeitraum über die Haut in den Blutkreislauf abgeben und andere zum Teil für die langfristige Befestigung von Sensoren z. B. für die kontinuierliche Messung des Blutzuckerspiegels auf der Haut verwendet werden. Diese Pflaster müssen bis zu 14 Tage sicher kleben und dies auch unter z. T. extremen Bedingungen wie z. B. beim Duschen, bei einem Schwimmbad- oder Saunabesuch sowie bei sportlicher Betätigung. Eine entsprechende Hautverträglich ist selbstverständlich. Als Klebstoffe kommen spezielle Haftklebstoffe sowohl auf Basis von Acrylaten, als auch von Synthesekautschuk zum Einsatz.

In der Chirurgie werden Klebstoffe bei der Versorgung von bestimmten Operationswunden verwendet. Diese Klebstoffe basieren meist auf Fibrin, dem natürlichen (Kleb)stoff, der bei Verletzungen für die Blutgerinnung sorgt. Als körpereigene Substanz hat dies den Vorteil, dass der Klebstoff nicht vom Körper abgestoßen wird. Hinzu kommt, dass er sich mit der Zeit von selbst abbaut, was eine aufwendige Nachbehandlung wie das Ziehen von Fäden bei einer Naht überflüssig macht. Diese Eigenschaft ist gerade bei Eingriffen am Herzen oder dem Magen-Darm-Trakt von Bedeutung.

Am weitesten entwickelt ist das medizinische Kleben in der Zahnmedizin. Klebstoffe finden nicht nur Verwendung zur Füllung von Karieslöchern und der Herstellung von Zahnersatz, sondern helfen in der Kieferorthopädie. Die sogenannten Brackets, durch die Drähte einer festen Zahnklammer gezogen werden, werden mittels spezieller Klebstoffe an den Zähnen befestigt. Einerseits sollen die Brackets in dem, aus Klebstoffsicht kritischen feucht-warmen Milieu des Mundraumes sicher halten, sich später aber wieder rückstandslos entfernen lassen.

Auch in der Medizintechnik haben sich Klebstoffe bewährt. So werden die Kanülen von Spritzen in der Regel eingeklebt. Die Edelstahlkanüle muss sicher mit dem vielfach aus Kunststoff bestehenden Adapter verbunden werden. Aufgrund der hohen Stückzahlen sind kurze Taktzeiten gefordert. Es kommen häufig lichthärtende Klebstoffe zum Einsatz, die schon nach wenigen Sekunden Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge eine ausreichende Festigkeit erreichen und auch den anschließend erfolgenden Sterilisationsvorgang mittels Heißdampf, Ethylenoxid oder Gamma-Strahlung unbeschadet überstehen.

Die Herstellung von Endoskopen, wo es u. a. auf eine spannungsfreie Befestigung von Linsen bei immer kleineren Abmessungen ankommt, ist ebenfalls ein gutes Beispiel für die Leistungsfähigkeit moderner Klebstoffe. Hier kommt es neben der Festigkeit auf den Ausgleich der unterschiedlichen Wärmedehnungen der Fügepartner an. Hierbei dürfen keine, die Bildqualität beeinflussenden Spannungen vom Linsenhalter auf die Linse übertragen werden.

Physikalische Verfahren

Physikalisch thermische Verfahren

• Behandlung mit Plasma (z. B. mit Niederdruckplasma, Atmosphärendruckplasma oder Koronabehandlung)
• Beflammen
• Laser-Vorbehandlung
• Ionenätzen/ Sputtern

Physikalisch chemische Verfahren