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 KohäsionszoneIm 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)