Warum klebt Klebstoff / Kleber? Erklärung, Gründe, Wissenschaft

Warum klebt Klebstoff, Kleber, Erklärung, Gründe, Wissenschaft


Die Fähigkeit eines Klebstoffes, zwei Materialien fest miteinander zu verbinden, geht auf zwei Prinzipien zurück: Adhäsion und Kohäsion. Daneben sind die physikalischen Eigenschaften der zu verklebenden Materialien (im Folgenden als Fügeteile bezeichnet) für die Klebewirkung verantwortlich.

Kleber / Klebstoff: Was passiert bei der Adhäsion?

Die Adhäsion beschreibt allgemein die Fähigkeit eines Stoffes, an der Oberfläche eines anderen Stoffes zu haften. Beim Klebstoff beschriebt dies also seine Eigenschaft, beim Auftragen auf das Fügeteil an dieser Stelle haften zu bleiben. Dafür verantwortlich sind Wechselwirkungen zwischen den Molekülen des Fügeteils und denen des Klebstoffs. Es treten Wechselwirkungen durch polare oder polarisierbare Gruppen auf, durch Wasserstoffbrückenbindungen oder durch van-der-Waals-Kräfte. Während polarisierbare Gruppen und Wasserstoffbrückenbindungen nicht bei allen Stoffen vorliegen, gibt es van-der-Waals-Kräfte bei allen. Diese entstehen durch zufällige Ungleichverteilung von Elektronen in den Molekülen, sodass kurzzeitig winzigste Magnete entstehen. Je mehr der zwischenmolekularen Kräfte vorliegen, desto stärker fällt also die Adhäsion aus.

Die genannten Kräfte haben eine Reichweite unter einem Nanometer, weshalb eine gleichmäßige Benetzung der Oberfläche des Fügeteils maßgebend für eine gute Adhäsion und die gewünschte Klebewirkung ist. Die meisten Klebstoffe sind daher flüssig. Je nach Material des Fügeteilchens hat das Lösemittel im Klebstoff noch eine Verstärkung der zwischenmolekularen Kräfte zum Zweck. Wird die Oberfläche des Fügeteilchens durch das Lösemittel angelöst, können sich die gelösten Teilchen mit dem Klebstoff vermischen. Dadurch werden die Kräfte zwischen Klebstoff und Fügeteil erhöht. Dieser Prozess wird als Dispersionsprozess bezeichnet.

Neben den physikalischen Kräften gibt es in manchen Fällen auch Klebstoffe, bei denen chemische Bindungen für die Adhäsion verantwortlich sind. Diese sind in der Regel deutlich stärker als die physikalischen Kräfte und liegen beispielsweise beim Kleben von Aluminium mit Klebstoffen aus der Gruppe der Epoxidklebstoffe vor.

Kleber: Welche Rolle spielt die Oberflächenbeschaffenheit des Fügeteils bei der Adhäsion?

Da die zwischenmolekularen Wechselwirkungen nur eine geringe Reichweite haben, sind die obersten Schichten der Fügeteilchenoberfläche für die Klebewirkung entscheidend. Sollten Verunreinigungen auf der Klebefläche vorliegen, stellen diese die Adhäsionsfläche dar.

Verunreinigungen verändern zum einen die Beschaffenheit und damit die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche. Bestehen die Fügeteile beispielsweise aus Keramik, so hat diese andere physikalische Eigenschaften als Fett. Zum anderen können die Kräfte des Klebstoffes diese Schicht je nach Stärke nicht durchdringen. Dazu kommt, dass die Verschmutzung nicht so fest mit dem Fügeteilchen verbunden ist wie die Moleküle des Fügeteils unter sich. Insgesamt fällt die Adhäsion geringer aus. Nicht nur bei Verschmutzungen kann die Anbindung der Oberfläche an das restliche Teilchen nicht stark genug sein. Sollte die Oberfläche korrodiert sein, wie es bei rostigem Eisen beispielsweise der Fall ist, hat diese Schicht nicht die Anbindung an den Rest des Materials, die für eine stabile Verklebung notwendig wäre.

Um also eine gleichmäßige Adhäsion zu gewährleisten, muss vor dem Benetzen des Fügeteils dessen Oberfläche frei von Fremdsubstanzen sein und gewährleistet werden, dass die Stabilität der obersten Schichten der der übrigen Materials entspricht.

Was passiert bei der Kohäsion?

Kohäsion beschreibt die im Inneren eines Materials auftretenden Kräfte. Beim Klebstoff beschreibt dies also seine Eigenschaft, innere Festigkeit aufzubauen. Diese ist notwendig, um die Verbindung beider Fügeteile herzustellen. Je länger sich ein Klebstoff an der Oberfläche des Fügeteils befindet, desto größer wird seine Kohäsion und damit stärker die Verbindung beider Teile. Je nachdem, ob die Kohäsion auf chemische oder physikalische Prozesse zurückgeht, spricht man von chemisch härtenden Klebstoffen oder physikalisch abbindenden Klebstoffen. Das Ausmaß der Kohäsion hängt in entscheidendem Maße von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Lichtverhältnissen ab. Auch die mechanische Belastung ist ausschlaggebend.

Wie wirken physikalisch abbindende Klebstoffe?

Bei Klebstoffen dieser Art liegen die für die Klebewirkung verantwortlichen Moleküle bereits in ihrer endgültigen Größe vor und werden nicht erst im Laufe des Kohäsionsprozesses durch chemische Reaktionen erzeugt. Die Verfestigung erfolgt durch Trocknen, Abkühlen oder Gel-Bildung.
Bei der Verfestigung durch Trocknung verdunstet das Lösemittel, in dem die Moleküle des Klebstoffs gelöst sind. Der Abstand zwischen den Klebstoffmolekülen wird verkleinert und zwischenmolekulare Kräfte beginnen zu wirken. Die Teilchen des Klebstoffs sind meist Polymere, zum Beispiel solche aus der Stoffgruppe der Polyvinylacetate, Acrylate oder Polyurethane.

Ähnlich verhält es sich bei Klebstoffen, die durch Abkühlen verfestigen. In warmen Materialien haben die Teilchen viel Bewegungsenergie, welche die Ausbildung von zwischenmolekularen Kräften erschwert. Erst mit dem Abkühlen verlangsamen sich die Teilchen, sodass zwischenmolekulare Kräfte wirken können. Eine Verklebung mit solchen Klebstoffen ist daher reversibel. Je nach Material des Klebstoffes unterscheiden sich seine Verarbeitungstemperaturen. Beispielsweise müssen Polyamide auf über 200°C erhitzt werden, wohingegen Polyethylen bereits ab 140°C verarbeitet werden kann.

Bei der Verhärtung durch Gelbildung sind die Klebstoffe Dispersionen, also Gemische aus Feststoff und Flüssigkeit. Diese sind so gewählt, dass sie unter passenden Umgebungsbedingungen, zum Beispiel bei Temperaturerhöhung, zu einem einphasigen Gel diffundieren. Im Allgemeinen ist der Feststoff ein Polymer, zum Beispiel Polyvinylchlorid, und die Flüssigkeit ein Weichmacher wie ein Phthalsäuereester. Zusätzlich können Füllstoffe und Pigmente zugegeben werden.

Wie wirken chemisch härtende Klebstoffe?

Bei Klebstoffen dieser Art liegen die für die Klebewirkung verantwortlichen Moleküle nicht von Beginn an vor. Sie entstehen während des Kohäsionsprozesses durch chemische Reaktionen aus kleineren Molekülen. Dabei muss gewährleistet werden, dass die Reaktion erst zustande kommt, wenn der Klebstoff auf die Fügeteile appliziert wird.

Bei manchen Klebstoffen sind dafür die zur Reaktion notwendigen Komponenten voneinander getrennt. Erst durch Mischen beider Komponenten kurz vor der Applikation wird die Reaktion in Gang gebracht. Andere Klebstoffe sind so konzipiert, dass sie bestimmte Umgebungsbedingungen brauchen, um die chemische Reaktion und damit die Härtung einzuleiten. Dies kann zum Beispiel Licht einer bestimmten Wellenlänge, Vorhandensein von Sauerstoff oder Einwirkung von Wärme sein. Bei den eintretenden Reaktionen kann es sich um Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation handeln.

Bei der Polymerisation sind die Vorläufermoleküle alle identisch. Ein Vertreter aus der Gruppe der so aushärtenden Klebstoffe sind die Cyanacrylat-Klebstoffe. Bei ihnen wird die Polymerisationsreaktion durch Kontakt mit der Luftfeuchtigkeit ausgelöst.

Bei Polyadditionsreaktionen sind die Vorläufermoleküle nicht identisch. Beispielsweise bestehen Polyurethanklebstoffe aus mehrwertigen Isocyanaten und mehrwertigen Alkoholen, die bei Vermischung miteinander reagieren und dabei ein Reaktionsprodukt aus der Stoffgruppe der Polyurethane bilden.

Bei einer Polykondensation müssen die Vorläufermoleküle ebenfalls nicht identisch sein. Bei solchen Reaktionen wird ein Nebenprodukt wie Wasser oder Ammoniak frei. Zu dieser Gruppe zählen die Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe, bei welchen die Reaktion von Phenolen und Aldehyden durch Änderung von Temperatur oder pH-Wert eingeleitet wird.

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