Grundlagen des Klebens
Adhäsion umfasst die Haftkräfte an den Kontaktflächen zweier unterschiedlicher oder gleicher Stoffe durch Molekularkräfte. Die Stoffe können sich in festem oder in flüssigem Zustand befinden. Im Bereich der Klebstoffe versteht man unter Adhäsion die Haftung von Klebschichten an den Fügeteiloberflächen. Die Vorgänge bei der Adhäsion sind noch nicht vollständig aufgeklärt. Sie gestalten sich besonders schwierig, weil die Abhängigkeiten zwischen den Klebstoffsystemen und den verschiedenen Fügeteiloberflächen sehr komplex sind.
Kohäsion bezeichnet Kräfte, die den Zusammenhalt des Klebstoffs bewirken. Kohäsionskräfte sind für die Zähigkeit und das Fliessverhalten (Rheologie) des unausgehärteten Klebstoffs bei der Verarbeitung sowie für die Festigkeit des ausgehärteten Klebstoffs bei seiner Beanspruchung verantwortlich. Die Kohäsionskräfte in einem Klebstoff werden durch Kennwerte wie E-Modul, Bruchdehnung, Temperaturfestigkeit oder Shore-Härte beschrieben.
Oberflächenspannung bezeichnet die Eigenschaft der Oberfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas wie Luft. Die Oberfläche einer Flüssigkeit verhält sich ähnlich einer gespannten, elastischen Folie. Dieser Effekt ist beispielsweise die Ursache für die Tropfenbildung von Wasser.
Benetzbarkeit bezeichnet das Verhalten von Flüssigkeiten bei Kontakt mit der Oberfläche von Festkörpern. Je nach Flüssigkeit, Oberflächenmaterial sowie deren Beschaffenheit - beispielsweise Rauigkeit - benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche mehr oder weniger stark.
Werkstoffe mit einer hohen Oberflächenenergie (hochenergetische Oberflächen) lassen sich einfacher durch Klebstoffe benetzen und erzielen deshalb hohe Verklebungsfestigkeiten.
Die Viskosität ist das Mass für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Der Kehrwert der Viskosität ist die Fluidität, das Mass für die Fliessfähigkeit eines Fluids. Je grösser die Viskosität, desto dickflüssiger (weniger fliessfähig) ist das Fluid; je niedriger die Viskosität, desto dünnflüssiger (fliessfähiger) ist es.
Unter dem Begriff Viskosität versteht man in der Regel die Scherviskosität, also den Widerstand eines Fluids gegen Verformung bei Scherbeanspruchung. Darüber hinaus kann auch die Dehnviskosität bestimmt werden, welche das Verhalten eines Materials unter Zug- bzw. Deformationsbelastung beschreibt.
Zähflüssige Medien zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Teilchen stärker miteinander wechselwirken und sich weniger frei bewegen können. Dieser Effekt wird häufig als „innere Reibung“ bezeichnet. Dabei beruht die Viskosität nicht ausschliesslich auf den Kohäsionskräften zwischen den Teilchen (Kohäsion), sondern auch auf deren strukturellen und dynamischen Wechselwirkungen.
Bei Feststoffen wird anstelle der Viskosität mit Begriffen wie Duktilität, Sprödigkeit und Plastizität gearbeitet, um das Verformungsverhalten zu beschreiben. Der Begriff Zähigkeit wird im allgemeinen Sprachgebrauch gelegentlich als Synonym für Viskosität verwendet, ist jedoch physikalisch nicht gleichbedeutend.
Für eine gute Benetzung sollte ein Klebstoff möglichst niedrigviskos sein und eine geringere Oberflächenspannung aufweisen als das zu verklebende Substrat. Nur so kann sich der Klebstoff gleichmässig auf der Oberfläche ausbreiten und eine optimale Haftung erzielen.
Ein zentrales Kriterium ist dabei der Benetzungswinkel α, der sich zwischen dem flüssigen Klebstoff und der Oberfläche des Fügeteils bildet. Je kleiner dieser Winkel ist, desto besser ist die Benetzung. In der Praxis spricht man von guter Benetzung bei Benetzungswinkeln unter 30°.
Kapillarität, auch Kapillareffekt genannt, beschreibt das Verhalten von Flüssigkeiten in engen Strukturen wie Röhren, Spalten oder Hohlräumen innerhalb von Feststoffen.
Ein typisches Beispiel ist ein dünnes Glasröhrchen, das in Wasser eingetaucht wird: Das Wasser steigt im Röhrchen entgegen der Schwerkraft nach oben. Ursache dafür sind die Oberflächenspannung der Flüssigkeit sowie die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und fester Oberfläche (Grenzflächenspannung).
In der Klebtechnik spielt dieser Effekt eine wichtige Rolle. Niedrigviskose Klebstoffe verfügen über ein gutes Fliessverhalten und können durch den Kapillareffekt selbst in sehr feine Spalten und Poren eindringen. Dadurch wird eine optimale Benetzung und Haftung auch bei komplexen Geometrien ermöglicht.
Die Beanspruchungsarten einer Verklebung werden in den folgenden Grafiken dargestellt. Problematisch für eine klebende Verbindung sind Schäl- und Spaltbelastungen. Hier empfiehlt sich ein mechanisches Befestigungssystem als Alternative.
Die Grundlage jeder zuverlässigen Verklebung ist eine klebstoffgerechte Konstruktion. Entscheidend ist dabei die Auslegung der Klebefläche: Grundsätzlich gilt, je grösser die Klebfläche, desto höher die Festigkeit und Sicherheit der Verbindung.
Eine optimale Konstruktion sorgt dafür, dass auftretende Kräfte gleichmässig verteilt werden und Spannungsspitzen vermieden werden.
Eine fachgerechte Oberflächenvorbereitung ist entscheidend für eine dauerhafte und zuverlässige Verklebung. Die Qualität einer Klebeverbindung hängt massgeblich von der Klebefähigkeit der Oberfläche ab.
In der Praxis lassen sich die meisten Schadensfälle auf konstruktive Mängel oder unzureichend gereinigte Fügeteile zurückführen. Verunreinigungen wie Öl, Fett, Staub oder Feuchtigkeit beeinträchtigen die Haftung erheblich.
Für eine optimale Verbindung müssen die Oberflächen daher sauber, trocken und fettfrei sein. Eine geeignete Oberflächenvorbereitung schafft die Grundlage für maximale Haftung und langfristige Beständigkeit der Verklebung.
Verarbeitungshinweise 3M Klebebänder
Inhalt
- Klebstoffe - Klebstofftypen
- Adhäsion und Kohäsion
- Oberflächenspannung und Oberflächenbenetzbarkeit
- Viskosität
- Fliessverhalten (Kapillarität)
- Mechanische Belastungen
- Klebstoffgerechte Konstruktion
- Oberflächenvorbereitung
- Klebeband versus Klebstoff
- Toxikologie und Arbeitssicherheit in der Klebetechnik
- Tools und Tabellen