Kleben (eBook)

Univ.-Professor (em.) Dr. rer. nat. Gerd Habenicht Nach dem Studium der Chemie an der Technischen Universität Braunschweig 16 Jahre Industrietätigkeit im Bereich Forschung und Entwicklung sowie Fertigungstechnik. 1976 Berufung auf den Lehrstuhl für Fügetechnik in der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität München. Forschungsschwerpunkte neben den Bereichen Schweißen und Löten, insbesondere auf dem Gebiet des Klebens. Die interdisziplinären praktischen Industrieerfahrungen aus Chemie und Fertigung bildeten einen sachdienlichen Grundstock für erfolgreiche Industriekooperationen sowie fachbezogene Veröffentlichungen. Nach erfolgter Emeritierung 1998 weiterhin als Fachbuchautor, Berater, Gutachter sowie Kongress- und Seminarreferent tätig.

Vorwort zur 5. Auflage 5
Inhaltsverzeichnis 7
Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen 25
Abkürzungen 28
Einleitung 31
1 Einteilung und Aufbau der Klebstoffe 33
1.1 Begriffe und Definitionen 33
1.2 Einteilung der Klebstoffe 34
1.3 Aufbau der Klebstoffe 37
2 Klebstoffgrundstoffe 45
2.1 Polymerisationsklebstoffe 45
2.2 Polyadditionsklebstoffe 103
2.3 Polykondensationsklebstoffe 137
2.4 Zusammenfassende Darstellung der Polyreaktionen 168
2.5 Klebstoffe auf natürlicher Basis 171
2.6 Klebstoffe auf anorganischer Basis 177
2.7 Klebstoffzusätze und haftvermittelnde Substanzen 181
3 Klebstoffarten 199
3.1 Reaktionsklebstoffe 199
3.2 Lösungsmittelklebstoffe 214
3.3 Kontaktklebstoffe 219
3.4 Haftklebstoffe 221
3.5 Dispersionsklebstoffe 231
3.6 Schmelzklebstoffe 236
3.7 Heißsiegelklebstoffe 245
3.8 Kaschier-, Laminierklebstoffe 247
3.9 Wärmebeständige Klebstoffe 248
3.10 Klebstoffe für Anwendungen bei tiefen Temperaturen 253
3.11 Leitfähige Klebstoffe 253
3.12 Klebstoffe mit Nano- Füllstoffen 265
3.13 Mikroverkapselte Klebstoffe 268
3.14 Plastisole 270
3.15 Klebstofffolien 272
3.16 Klebebänder 274
3.17 Klebestreifen 280
3.18 Klebestifte 281
3.19 Dichtstoffe 282
3.20 Gießharze 288
3.21 Polymermörtel 290
3.22 Strukturkitte und Spachtelmassen 290
3.23 Chemische Befestigungstechnik 291
4 Eigenschaften der Klebschichten 293
4.1 Allgemeine Betrachtungen 293
4.2 Schubmodul 294
4.3 Das Schubspannungs- Gleitungs- Verhalten 296
4.4 Die thermomechanischen Eigenschaften 301
4.5 Elastizitätsmodul 310
4.6 Kriechen 314
4.7 Kristallinität 321
4.8 Klebschichtinhomogenitäten 322
4.9 Klebschichtmorphologie und strukturabhängiges mechanisches Verhalten 323
5 Klebtechnische Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe 325
5.1 Oberflächeneigenschaften 325
5.2 Werkstoffeigenschaften 339
6 Bindungskräfte in Klebungen 345
6.1 Die Natur der Bindungskräfte 346
6.2 Adhäsion 354
6.3 Kohäsion 363
6.4 Benetzung von Oberflächen durch Klebstoffe 365
7 Eigenschaften von Klebungen 383
7.1 Vorteile und Nachteile von Klebungen 383
7.2 Eigenspannungen in Klebungen 391
7.3 Bruchverhalten von Klebungen 402
7.4 Verhalten von Klebungen bei Beanspruchungen durch mechanische Belastungen und Umgebungseinflüsse 408
8 Festigkeiten von Metallklebungen 433
8.1 Allgemeine Betrachtungen 433
8.2 Einflussgrößen auf die Festigkeit von Metallklebungen 434
8.3 Spannungen in Metallklebungen mit dünnen, verformungsarmen Klebschichten 436
8.4 Einfluss der geometrischen Gestaltung der Klebfuge auf die Klebfestigkeit einschnittig überlappter Klebungen 461
8.5 Berechnung der Spannungsverteilung in einschnittig überlappten Klebungen 479
8.6 Festigkeit bei statischer Langzeitbeanspruchung 491
8.7 Festigkeit bei dynamischer Langzeitbeanspruchung 494
8.8 Festigkeit bei schlagartiger Beanspruchung 499
8.9 Festigkeit bei Crash-( hochdynamischer) Beanspruchung 501
8.10 Elastisches Kleben 502
8.11 Erhöhung der Festigkeit durch Kombinationsklebungen 508
8.12 Abschließende Bemerkungen zum Festigkeitsverhalten von Metallklebungen 510
9 Berechnung von Metallklebungen 513
9.1 Allgemeine Betrachtungen 513
9.2 Berechnungsansätze 514
10 Kleben runder Klebfugengeometrien 535
10.1 Kleben rohrförmiger Fügeteile 536
10.2 Kleben von Welle- Nabe- Verbindungen 539
10.3 Klebschrumpfen 551
10.4 Kegelpressverbindungen 557
11 Konstruktive Gestaltung von Klebungen 559
11.1 Vorhandensein ausreichender Klebflächen 559
11.2 Vermeidung von Spannungsspitzen 563
12 Technologie des Klebens 569
12.1 Allgemeine Betrachtungen 569
12.2 Oberflächenbehandlung der Fügeteile 572
12.3 Klebstoffverarbeitung 588
12.4 Herstellung von Klebungen 618
12.5 Sicherheits- und Umweltschutzmaßnahmen bei der Verarbeitung von Klebstoffen 630
12.6 Klassifizierung wichtiger Klebstoffarten nach arbeitsphysiologischen und verarbeitungstechnologischen Gesichtspunkten 636
12.7 Kombinierte ( Hybrid-) Fügeverfahren 636
12.8 Kleben beölter Bleche 647
12.9 Kleben in feuchter Atmosphäre ( Unterwasserkleben) 649
12.10 Demontage von Klebungen („ Entkleben ) 650
13 Kleben metallischer Werkstoffe 655
13.1 Allgemeine Betrachtungen 655
13.2 Klebbarkeit wichtiger Metalle 656
13.3 Kleben von Metallkombinationen 670
13.4 Kleben von Blechen mit organischen und anorganischen Beschichtungen 672
14 Kleben der Kunststoffe und weiterer nichtmetallischer Werkstoffe 675
14.1 Kleben der Kunststoffe 675
14.2 Kleben von Glas 740
14.3 Kleben von Keramik 749
14.4 Kleben von Gummi 750
14.5 Kleben von Holz 759
14.6 Kleben poröser Werkstoffe 766
15 Industrielle Anwendungen des Klebens 769
15.1 Allgemeine Betrachtungen 769
15.2 Kleben in der Luft- und Raumfahrt 769
15.3 Kleben im Fahrzeugbau 775
15.4 Kleben im Maschinenbau 784
15.5 Kleben in der Elektronik 786
15.6 Kleben in der Papierverarbeitung 792
15.7 Kleben in der Verpackungsindustrie 795
15.8 Kleben in der Schuh- und Lederindustrie 796
15.9 Kleben und Dichten in der Bauindustrie 797
15.10 Kleben in der Medizin 798
15.11 Anwendungen des Klebens bei Reparaturen 802
15.12 Literatur zu weiteren Anwendungen 806
16 Prüfung und Qualitätssicherung von Klebstoffen und Klebungen 807
16.1 Allgemeine Betrachtungen 807
16.2 Zerstörende Prüfverfahren 810
16.3 Zerstörungsfreie Prüfverfahren 831
16.4 Prüfung von Polymereigenschaften und Härtungsreaktionen 837
17 Anhang 851
17.1 Verzeichnis von Normen, Standards, Richtlinien und Merkblättern zum Kleben und zu verwandten Gebieten 851
17.2 Verzeichnis ausgewählter ASTM- Methoden für die Prüfung von Klebstoffen und Klebungen 864
17.3 Kurzzeichen für Klebstoffgrundstoffe und Kunststoffe 867
17.4 Ausgewählte Umrechnungsfaktoren angelsächsischer Einheiten und SI- Einheiten für klebtechnische Berechnungen 870
17.5 Ausgewählte deutsch- englische und englisch- deutsche Begriffe aus dem Gebiet des Klebens 871
18 Literatur 893
Veröffentlichungen aus nationalen und internationalen Fachzeitschriften 893
Bücher aus dem deutschen Sprachraum 1051
Bücher aus dem angelsächsischen Sprachraum 1052
Sachverzeichnis 1055

4 Eigenschaften der Klebschichten (S.263)

4.1 Allgemeine Betrachtungen
Während des Abbindeprozesses entstehen aus den Klebstoffen die Klebschichten, die in ihren Eigenschaftsmerkmalen den Kunststoffen zuzuordnen sind. Wegen der vorhandenen Wechselwirkungen lassen sich die Eigenschaften der Klebschichten nur zum Teil losgelöst von den Eigenschaften der Fügeteile betrachten, sie können für sich allein demnach das Verhalten der Klebungen nur unvollkommen beschreiben.

Erst die Kombination von Klebschicht und Fügeteiloberfläche ergibt die entsprechenden Haftungskräfte und somit einen wesentlichen Teil der Gesamteigenschaften, die für die Festigkeit einer Klebung von entscheidendem Ein.uss sind. Dennoch gibt es Eigenschaftsmerkmale, die die einzelnen Klebstoffe in ihrer zur Klebschicht ausgehärteten Form unterscheiden. Als vorwiegend klebschichtspeziffische Faktoren sind in diesem Zusammenhang der Schubmodul, das Schubspannungs-Gleitungs-Verhalten, der Elastizitätsmodul, das Kriechverhalten, die Kristallinität und die Klebschichthomogenität zu sehen.

Aus diesen Faktoren ergibt sich dann das von Klebstoff zu Klebstoff unterschiedliche mechanische, physikalische und chemische Verhalten. Die besonderen Anforderungen an Klebschichten bestehen darin, die über die Fügeteile einwirkenden Kräfte zu übertragen. Dabei kommt dem Abbau bzw. der Reduzierung ggf. auftretender Spannungsspitzen eine besondere Bedeutung zu. Je mehr eine Klebschicht diese Spannungsspitzen durch elastische und/oder plastische Verformungen auszugleichen vermag, desto größer wird der Anteil der lastübertragenden Klebfläche und um so höher ist bei einer möglichst großen inneren Festigkeit (Kohäsionsfestigkeit) die Festigkeit der Klebung.

So gewinnt das deformationsmechanische Verhalten der Klebschichtpolymere für die Festigkeitsbetrachtungen besonderes Gewicht. Diese Aussage wird ergänzt durch die große Bedeutung von Klebungen mit „dicken, elastischen" Klebschichten, wie sie vorzugsweise im Fahrzeugbau eingesetzt werden (Abschn. 15.3).

Die Grundlagen für die konstruktive Auslegung und Berechnung von Klebungen, nach der diese weitgehend gestaltet werden, beruhen im Wesentlichen auf den Arbeiten zum Einsatz des Klebens im Flugzeugbau (Abschn. 15.2). Hierbei standen und stehen möglichst hohe Klebfestigkeiten (Abschn. 8.3.3.4) im Vordergrund. Diese wiederum lassen sich

– im Kurzzeitversuch nach DIN EN 1465 gemessen – mit „dünnen" (0,05– 0,2 mm) Klebschichten und stark vernetzten, also „verformungsarmen", Klebschichtpolymeren vorteilhaft erreichen. Somit bestand die Aufgabe, Konstruktionsrichtlinien und Berechnungsverfahren auch für elastische und dicke Klebschichten (bis zu 5 mm) in gleicher Weise systematisch zu erarbeiten.

Wegen der großen Bedeutung dieser Thematik werden die wichtigsten Grundlagen hierzu in Abschnitt 8.10 separat behandelt. Da die Eigenschaften der Klebschichten maßgebend von den Härtungsparametern Temperatur, Zeit und Druck bestimmt werden, sind werkstoffspeziffische Kennwerte, die als Berechnungsgrundlage dienen können, nur durch systematische Untersuchungen zu erhalten.

Allgemein ist festzustellen, dass die Duromere aufgrund ihres Vernetzungszustands höhere Klebschichtfestigkeiten aufweisen als die Thermoplaste, bei letzteren kommt noch die Kriechneigung (Abschn. 4.6) hinzu. Die optimalen Eigenschaftskriterien für Klebschichten lassen sich somit wie folgt deffinieren:

Ausbildung fester und alterungsbeständiger Haftungskräfte zu den Fügeteilober Flächen (zu erreichen u.a. durch Einbau polarer Gruppen in das Makromolekül);

hohe Kohäsionsfestigkeit bei gleichzeitigem Vorhandensein eines begrenzten Verformungsvermögens als Voraussetzung für den Abbau von Spannungsspitzen in der Klebfuge (zu erreichen u.a. durch „innere Weichmachung" hochvernetzter Makromoleküle, Abschn. 4.4.3);