Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 24.04.17


Klebstoffe aus organisch-chemischer Sicht

Vortrag von Iris Fischer, Florian Rottach im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie, SS 06 und SS 10


Gliederung:


Einstieg 1: hgjfj

Einstieg 2: Die Ansprüche an alle Produkte wachsen ständig. Alles soll immer schneller, leichter, umweltverträglicher, komfortabler, preiswerter, haltbarer und einfach besser werden. Damit diese Anforderungen aber erfüllt werden können, müssen die unterschiedlichsten Werkstoffe (Metalle, Legierungen, Kunststoffe, Keramiken, Gläser) kombiniert und verbunden werden. [6]

Einstieg 3: kfsdjghlskd


Abb. 1: Möglichkeiten durch Klebstoffe [6]

Nehmen wir als Beispiel das Auto: Es soll immer kleiner und flacher werden (reduzierter Benzinverbrauch), stabiler und komfortabler sein und länger halten. Dafür werden ca. 20kg Klebstoff (Heißkleber, Epoxidkleber u.a.) pro Auto verwendet.

Definition von Klebstoff: Ein Klebstoff ist ein nichtmetallischer Stoff, der Fügeteile durch Flächenhaftung (= Adhäsion) und innere Festigkeit (= Kohäsion) verbindet. (DIN EN 923) [6]


1 Voraussetzung für gutes Kleben

Adhäsion: Haftwirkung zwischen fester Grenzfläche und zweiter Phase meist über elektrostatische Kräfte.

  • Kavitäten müssen überwunden werden
  • Phasen müssen sich näher als 5nm annähern
  • Klebstoff muss flüssig sein
  • Kontaktflächen müssen groß genug sein
  • Kontaktflächen müssen sauber sein

Kohäsion: Zusammenhalt im Inneren des Klebstoffes meist über Atombindungen, was abhängig von der Temperatur ist [2, 3, 6].

Querschnitt einer Klebung: Eine Klebung verbindet zwei Fügeteile über Klebstoff miteinander. Zwischen dem Klebstoff und dem Fügeteil befindet sich die Übergangszone, dort finden Adhäsions- und Diffusionsvorgänge statt.


Abb. 2: Querschnitt einer Klebung [6]


2 Wie kleben Klebstoffe?

Klebstoffe unterteilt man in chemisch härtende Klebstoffe und physikalisch abbindende Klebstoffe. Chemisch härtende Klebstoffe entstehen durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition. Das bedeutet, dass die Polymere bei der Reaktion erst entstehen. Schmelzklebstoffe, Dispersionsklebstoffe und Kontaktklebstoffe sind physikalisch abbindende Klebstoffe. Bei diesen Klebstoffen sind die Polymere schon gebildet und werden durch verschiedene Verfahren aufgetragen. [6]


3 Physikalisch abbindende Klebstoffe

Haftklebstoffe: „Haftis“, Tesa: Hochviskoses und dauerklebriges Polymergefüge, das aus Polymethacrylat besteht.

Abb. 3: Haftklebstoff aus Polymethacrylat; R = -C10H21; n = 1000 Anwendung: Industrieklebeband

Der Klebstoff benetzt die Oberfläche wie eine Flüssigkeit, ist allerdings so viskos, dass man elastisches Verhalten beobachten kann. Bei der Klebung verknäueln sich die Moleküle des Klebstoffes mit den Molekülen der Gegenseite. [3]

Schmelzklebstoffe: Verwendung im Haushalt durch Heißklebepistolen, bestehend aus Etylen-Vinylacetat-Copolymeren.


Abb. 4: Schmelzklebstoff aus Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren

Das Pulver, Granulat bzw. der Stick wird aufgeschmolzen, dabei werden Bindungen gebrochen. In der Schmelze ist die Adhäsion sehr gut. Beim Aushärten werden die Bindungen wieder geknüpft. [2]

Dispersionsklebstoff: Makromoleküle (Cellulose, Stärke…) befinden sich in einem Lösungsmittel/Dispersionmittel und sind frei beweglich. Beim Kleben entweicht bzw. zieht das Lösungsmittel ein und eine Kohäsion entsteht beim Aushärten. Ein Beispiel ist der Methylan-Tapetenkleister aus Methylcellulose.


Abb. 5: Methylcellulose [7]

Dabei wird native Cellulose methyliert, allerdings werden nie alle Hydroxyl-Gruppen methyliert.  [2, 6]

Der Tyndall-Effekt (Demonstrationsversuch): In ein mit Wasser gefülltes Becherglas werden 5 Spatelspitzen Methylan-Tapetenkleister gegeben. Einige Minuten quellen lassen. Mit einem Laserpointer wird durch die Lösung geleuchtet. Im Vergleich zu reinem Wasser streut der Tapetenkleister das Licht. Klebstoffe stellen folglich Makromoleküle dar, da der Tyndall-Effekt nur bei Molekülen auftritt, deren Masse größer oder gleich 104 u ist. [6]


4 Chemisch härtende Klebstoffe

Zweikomponentenkleber: Beim Mischen des Härters und des Binders startet eine Reaktion zu Klebstoffpolymeren.

Einkomponentiger Klebstoff: Klebstoffpolymere entstehen bei der Aushärtung durch veränderte Umgebungsbedingungen (Licht, Luftfeuchtigkeit…).

Sekundenkleber: Cyanacrylat-Monomere reagieren mit der Luftfeuchtigkeit über anionische Polymerisation. [3, 4,6]


Abb. 6: Reaktion von Sekundenkleber über anionische Polymerisation

Epoxidharz: Reaktion von einem bis-Epoxid (Harz) und einem mehrwertigen Amin (Härter).


Abb. 7: Bildung eines Epoxidharzes über Polyaddition

Das Epoxidharz hat viele reaktive Stellen, über die Bindungen geknüpft werden, deshalb ist Epoxidharz extrem stabil. Je mehr Härter zugegeben wird, desto fester und lösungsmittelbeständiger wird ein Klebstoff. Ist ein Überschuss an Harz vorhanden, weist der Klebstoff eine gesteigerte Elastizität auf. [1, 4, 6]


Zusammenfassung: Klebstoffe bestehen aus Polymeren. Diese Polymere werden bei Reaktivklebstoffen erst gebildet. Bei physikalisch abbindenden Klebstoffen sind die Polymere schon vorgebildet und reagieren dann nur mit den Fügeteilen. Klar ist, dass unser Leben ohne Klebstoffe um Einiges unkomfortabler und schwieriger wäre. Oft wird vergessen, worin sich überall Klebstoff befindet. Aber nicht nur Gegenstände werden geklebt. Klebstoff findet immer mehr Verwendung in der Medizin. Grundlage vieler Wundklebstoffe ist Cyanacrylat, wie Sekundenkleber, der durch anionische Polymerisation mit der Hautfeuchtigkeit reagiert. [6]
Abschluss 1: klsjhglksdhg

5 Literatur:

  1. Nachrichten Chemisch Technisches Labor, 43, 1995, Nr. 12, S. 1287- 1291
  2. Praxis der Naturwissenschaften – Chemie 10/81, S. 301-307
  3. Praxis der Naturwissenschaften – Chemie 7/38, Jahrgang 1989 (Themenheft)
  4. Praxis der Naturwissenschaften – Chemie 7/44, Jahrgang 1995, S. 36-37
  5. Chemie in der Schule, Nr. 44, (1997) 4, S. 149-152
  6. Unterricht Chemie, 15, 2004, Nr. 80 (Themenheft)
  7. http://www.herc.com/aqualon/personal_care/pc_prod_data/pc_primaflo.html, 20.07.2006
  8. www.tesa.pl, 20.07.2006
  9. www.ep-tools.com, 20.07.2006
  10. www.uhu.de, 20.07.2006

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