Kleben — erfolgreich und fehlerfrei

Das Kleben wird den stoffschlüssigen Fügeverfahren zugeordnet. Fügeverfahren dienen der Herstellung von Verbindungen aus Werkstoffen gleicher Art oder aus Werkstoffkombinationen. Die Bezeichnung stoffschlüssige Fügeverfahren, zu denen ebenfalls das Schweißen und das Löten gehören, ergibt sich aus der Tatsache, dass die Verbindungsbildung mittels eines gesondert zugegebenen Werkstoffs erfolgt.

Die Klebstoffe sind hinsichtlich ihres chemischen Aufbaus den organischen Verbindungen zuzuordnen. Im Gegensatz zu der anorganischen Chemie, in der die Stoffe aus der unbelebten Natur behandelt werden (z. B. Mineralien, Metalle), befasst sich die organische Chemie mit den Verbindungen des Kohlenstoffs als zentralem Element der vielfältigen Stoffe, die die belebte Natur ausmachen (z. B. pflanzliche und tierische Produkte wie Holz, Eiweiße, Harze, Fette, Erdöl).

Wie in Kapitel 2 erläutert, bestehen die Reaktionsklebstoffe aus Monomeren bzw. Prepolymeren, die die für eine chemische Reaktion notwendigen Voraussetzungen besitzen. Diese Voraussetzungen sind ihre „reaktiven Gruppen“, mit denen die Moleküle ausgestattet sind. Sie benötigen nur den richtigen „Anstoß“, damit die Reaktion auch „anspringen“ kann. So ein Anstoß kann z. B. erfolgen, wenn einem Monomer A das zu seinem „Haken“ genau passende Monomer mit der „Öse“ B zugemischt wird. Dann beginnen sich die Monomère A und B miteinander zu vereinigen, sie „reagieren“ miteinander. Nach dem Mischen liegt demnach eine „reaktive“ Mischung vor, in der mit zunehmender Zeit immer mehr A- und B-Monomere sich zu dem Polymer AB verbinden (in Bild 3.1 vereinfacht dargestellt, es bilden sich auch verzweigte bzw. vernetzte Strukturen). Bei der Klebstoffverarbeitung spricht man von den beiden Komponenten A und B, die, da sie normalerweise in flüssiger Form vorliegen, nach den Angaben in Abschnitt 7.2.2 miteinander gemischt werden.

Wie in Abschnitt 3.2 beschrieben, werden bei den Reaktionsklebstoffen zwei Arten unterschieden, und zwar

Wie bereits in Abschnitt 2.2.2 beschrieben, treten bei diesen Klebstoffen in der Klebfuge keine chemischen Reaktionen auf, da die Klebschichtpolymere bereits in einem „fertigen“ Zustand vorliegen. Somit wird diesen Klebstoffen vor der Verarbeitung auch keine zweite Komponente zugeführt, es handelt sich ausnahmslos um einkomponentige Systeme. Um diese auf die Fügeteile auftragen zu können, müssen sie in einen benetzungsfähigen Zustand überführt werden (Abschn. 6.2). Die dafür gegebenen Möglichkeiten finden sich bei einigen dieser Klebstoffe in ihren Bezeichnungen wieder.

Eine häufig gestellte Frage bezieht sich auf die Ursachen für die Ausbildung der Haftung von Klebstoffen/Klebschichten auf Oberflächen. Eine Antwort begründet dieses Phänomen oftmals mit dem Vorhandensein einer rauhen Oberfläche, in die sich die Klebschicht „verhaken“ kann, im Sinne der in Abschnitt 1.1 gegebenen Beschreibung also „formschlüssig“ mit dem Fügeteil verbunden ist (Bild 6.1): Diese formschlüssige oder „mechanische Verklammerung“ (man spricht auch von einer „mechanischen Adhäsion“) ist tatsächlich eine Möglichkeit, um Klebschicht und Fügeteile miteinander zu verbinden. Sie tritt bevorzugt dann auf, wenn sehr raue und/oder poröse Oberflächen vorhanden sind, z. B. bei Papieren, Pappen, Holz, Keramik oder Kunststoffschäumen. Diese Vorstellung versagt aber bei glatten Oberflächen, wobei eine Oberfläche, die wir als „glatt“ bezeichnen, unter einem Mikroskop durchaus eine „Gebirgslandschaft“ aufweisen kann. Diese feinen Rauheiten können aber kaum zu einer ausreichenden mechanischen Verklammerung beitragen. Es muss also noch eine weitere Möglichkeit geben, damit Klebschicht und Fügeteil sich so dauerhaft fest miteinander verbinden können.

Nach der Beschreibung der Grundlagen über den Aufbau der Klebstoffe und die Klebstoffarten sowie über die in Klebungen wirksamen Bindungsverhältnisse gilt es, die für die Herstellung von Klebungen wichtigsten Verfahrensschritte darzustellen. Dabei lassen sich zwei Gruppen unterscheiden (Bild 7.1):

Die im Bereich der Klebtechnik am häufigsten gestellte Frage ist die nach dem geeigneten Klebstoff für das zu lösende Klebproblem, und der Fragesteller ist häufig enttäuscht, weil eine eindeutige Antwort nicht gegeben werden kann. Die Verunsicherung wird gefördert durch das schier unendliche Angebot an Klebstoffen, aber auch durch die häufig auf den Verpackungen angegebenen „Versprechungen“ über die unbegrenzten Möglichkeiten der Anwendung der einzelnen Produkte „zum Verkleben und Verbinden von Werkstoffen aller Art“. Wenn dann noch unverständliche chemische Fachausdrücke hinzukommen, wundert es nicht, dass so mancher Anwender — vielleicht auch unterstützt durch eigene schlechte Erfahrungen — dem Kleben kein großes Zutrauen entgegenbringt.

Die in Kapitel 8 dargestellten Grundlagen und Kriterien zur Klebstoffauswahl beziehen sich in weiten Bereichen auf fertigungstechnische Anwendungen im industriellen Maßstab. Die Erfahrung zeigt, dass sich der Anwender im nichtindustriellen Bereich bei der Klebstoffauswahl mehr an den zu klebenden Werkstoffen und deren klebtechnischen Eigenschaften orientiert. Aus diesem Grund werden bei der Beschreibung der Werkstoffe im Folgenden ebenfalls Hinweise auf die jeweils empfohlenen oder auch nicht empfohlenen Klebstoffe mit den entsprechenden Begründungen gegeben. Zu erwähnen ist ergänzend, dass ein Großteil der Ausführungen in Abschnitt 8.3 allgemein gültigen Charakter haben.

Was verstehen wir unter der Festigkeit eines Werkstoffs oder einer Klebung? Bewusst oder unbewusst unterscheiden wir Werkstoffe nach ihrem Festigkeitsverhalten. So wird z. B. ein Stahl als „fest“ bezeichnet, weil man ihn durch Kräfte belasten kann, z. B. ein Stahlseil durch Zugbelastung. Als weniger fest sieht man demgegenüber Kunststoffe wie Polyethylen oder Plexiglas an, als „weich“ bezeichnen wir z. B. Gummi. „Fest“ ist demnach ein Werkstoff dann, wenn er sich unter Einwirkung äußerer Kräfte gar nicht oder nur wenig verformt. Weniger feste Werkstoffe zeigen eine sichtbare Verformung (z. B. ein Kunststoffseil) und „weiche“ Werkstoffe wie Gummi lassen sich mit geringem Kraftaufwand über große Bereiche verformen (dehnen). Die wesentliche Ursache für diese verschiedenen Erscheinungsformen ist die in Abschnitt 6.4 beschriebene „innere Festigkeit“, die „Kohäsion“ der Werkstoffe, die in ihrem unterschiedlichen Atom- bzw. Molekülaufbau begründet ist.

Dieses Kapitel lückenlos zu beschreiben, hieße den Umfang des Buches auf ein Vielfaches auszuweiten. Ein Kompromiss kann nur darin liegen, anhand ausgewählter Anwendungsbereiche aufzuzeigen, worauf sich die heutige Bedeutung der Fertigungstechnologie Kleben als fortschrittliches Fügeverfahren begründet.

Wenn Klebungen bei einer Beanspruchung durch Kräfte „halten“ sollen, ist nicht nur der richtige Klebstoff auszuwählen, sondern es muss auch die Anordnung der Fügeteile in der Klebfuge„ klebgerecht“ gestaltet sein. Hierfür gibt es einige Grundregeln, die zu beachten sind: 1. Regel Klebungen müssen so gestaltet sein, dass die angreifenden Kräfte nicht zu einem Schälen oder Spalten in der Klebschicht führen können: Der Grund liegt, wie bereits bei der Bestimmung des Schälwiderstandes in Abschnitt 10.2.4 beschrieben, darin, dass in diesem Fall statt einer Flächen- nur eine Linienbelastung der Klebschicht erfolgt, gegen die diese sehr empfindlich ist. Kräfte lassen sich dann nicht übertragen. Eine bekannte Anwendung für diesen Effekt besteht in dem Abziehen eines Heftpflasters von der Haut. Dadurch, dass das Pflaster langsam in einem möglichst kleinen Winkel von der Haut „abgeschält“ wird, erfolgt nur eine minimale Kraftübertragung auf die Haut und das Schmerzempfinden ist gering. In gleicher Weise geht man auch bei dem Abziehen eines Klebeetikettes von einer Unterlage vor, wobei je nach Art des Haftklebstoffs eine zerstörungsfreie Ablösung des Papieretikettes erfolgen kann, obwohl seine Eigenfestigkeit sehr gering ist. Durch einen einfachen Versuch lässt sich die bei einer Schälbeanspruchung gegenüber einer Scher- bzw. Schubbeanspruchung nur sehr viel geringere übertragung einer Kraft darstellen: Auf einem Blatt Papier (auf einer glatten Unterlage liegend) befindet sich ein Gewicht G (ca. 250 g). Ein mit einem Haftklebstoff beschichtetes Papier (am besten eignen sich die im nung a) (Scher-, Schubbeanspruchung) durch die Kraft F belastet. Das Papierblatt lässt sich mit dem Gewicht über die Unterlage ziehen.

Die im Folgenden angegebene Literatur beschränkt sich bewusst auf zusammenfassende Darstellungen in Fachbüchern, da diese — im Gegensatz zu Fachzeitschriften-Veræffentlichungen -von dem interessierten Leser leichter zu beschaffen sind. Die erwähnten Fachbücher geben in sehr umfangreichem Maße die Möglichkeit, sich über Spezialliteratur zu Einzelthemen zu informieren. In dem unter 11. erwähnten Fachbuch des Autors sind ergänzend 4.059 Literaturstellen, 345 Patentschriften sowie 88 nationale und internationale Fachbücher in thematischer Zuordnung aufgeführt.