Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 24.08.16


Klebstoffe im Autobau

Vortrag von Michael Schwanfelder im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie", SS 15


Gliederung:


Einführung. Durchschnittlich 15 Kilogramm Klebstoff werden in einem neuen Auto verbaut. Aber wie kann ein ´geklebtes Auto´ den enormen Belastungen eines Unfalls stand halten und ist im Crashfall stabil und sicher? Wenn man an sein immer wieder von der Wand fallendes, angeklebtes Poster denkt, wird schnell klar, dass es sich im Autobau wohl nicht um normalen Alleskleber handeln kann. Die Gründe für die Verwendung von Klebstoffen im Autobau und die speziellen Klebstofftypen werden im folgenden genauer erläutert.


1 Klassifizierung von Klebstoffen

Klebstoffe können zum einen anhand ihrer chemischen Verbindungen (organische Verbindungen, anorganische Verbindungen) und zum anderen durch ihren Verfestigungsmechanismus eingeteilt werden. Bei der Einteilung der Klebstoffe nach Verfestigungsmechanismus unterscheidet man physikalisch abbindende Klebstoffe und chemisch abbindende Klebstoffe. Bei physikalisch abbindenden Klebstoffen wird das fertige Polymer direkt aufgetragen und ein physikalischer Vorgang führt zum aushärten des Klebers. Ein Beispiel hierfür sind z.B. Nassklebstoffe wie Alleskleber oder Klebestifte. Hier tritt das Aushärten des Klebers und somit die Klebewirkung durch Verdunsten des Lösungsmittels ein. Ein weiteres Beispiel sind Schmelzklebstoffe wie sie in Heißklebepistolen verwendet werden. Diese binden beim abkühlen ab und härten so aus. Aufgrund ihrer wenig spezifischen Klebewirkung und teilweise unerwünschten Eigenschaften (nicht hitzebeständig etc.) werden diese Klebstoffe kaum im Autobau verwendet.
Im Autobau werden deshalb vor allem chemisch abbindende Klebstoffe eingesetzt. Hier entsteht erst bei der Anwendung ein Polymer durch eine chemische Reaktion. Deshalb werden diese Klebstoffe auch Reaktionsklebstoffe genannt. Unterteilen lassen sich solche Klebstoffe in Einkomponenten- und Zweikomponentenklebstoffe.


2 Klebstoffe im Autobau


Abb. 1: Klebstoffklassen im Autobau

Im Autobau werden unterschiedlichste Klebstoffe mit unterschiedlichsten Eigenschaften verwendet (siehe Abb.1). Von sehr elastischen (hohe Bruchdehnung), bis hin zu extrem stabilen (hohe Zugfestigkeit) Klebstoffen wird alles für entsprechende Aufgaben verwendet. Hierbei handelt es sich um Klebstoffe aus der Kategorie der chemisch abbindenden Klebstoffe. Das Aushärten findet bei dieser Klebstoffklasse aufgrund eines chemischen Prozesses statt. In den nachfolgenden Abschnitten werden zwei, im Autobau verwendete Klebstofftypen (siehe Abb. 1), herausgegriffen und genauer auf deren Zusammensetzung, Eigenschaften und Verwendung eingegangen.


3 Epoxidharz-Klebstoffe

Epoxidharzklebstoffe setzten sich meist aus zwei Komponenten zusammen. Die erste Komponente ist das Reaktionsprodukt aus Bisphenol A und Epichlorhydrin. Hieraus resultiert die Vorstufe des Epoxidharzklebstoffes Bisphenol-A-diglycidylether (vgl. Abb.2). Aufgrund der Zugabe der zweiten Komponente (so genannte "Härter"; meist Amine) entstehen räumlich vernetzte Epoxidharze durch Addition der Härter an die Epoxidgruppen des Vorprodukts. Epoxidharze zeichnen sich durch sehr hohe Materialfestigkeit (bzw. Zugscherfestigkeit) aus, wobei sie gleichzeitig nicht sehr elastisch sind (vgl. Abb. 1). Der Problematik der geringen Elastizität wurde mit Hilfe von Polyurethanmodifikationen (Polyurethane sind sehr elastisch, siehe 4.) entgegengewirkt, wodurch deutlich elastischere Epoxidharze entstehen (siehe Abb.1, crashfeste Epoxidharze). Diese chrashfesten Epoxidharze werden aufgrund ihrer starken Materialfestigkeit, bei gleichzeitiger Elastizität, vor allem im Automobilrohbau verwendet. Hierbei wird der Einsatz von Epoxidharzklebstoffen mit Schweißen kombiniert, da so die sichersten Ergebnisse erzielt werden. Die Punktschweißstellen halten die Teile anfangs in Position und schützen zusätzlich die Klebestellen vor Aufplatzen bei hoher Belastung (z.B. bei einem Unfall).

     
Abb. 2: Epoxidharzklebstoff; 1.Komponente: Reaktionsprodukt aus Bisphenol A und Epichlorhydrin; Bildung von Epoxidharz-Polymeren


4 Polyurethanklebstoffe

Auch Polyurethane sind Klebstoffe, welche aus zwei Komponenten bestehen. Sie sind Reaktionsprodukt aus Poliisocyanaten (1. Komponente) und Polyolen (2. Komponente). Die Eigenschaften des jeweiligen Polyurethanklebstoffs variieren abhängig von den jeweiligen verendeten Ausgangsstoffen. So können verschiedene Ausgangskomponenten (unterschiedliche Polyole bzw. Polyisocyanate) die Eigenschaften des Klebers in Richtung Elastizität oder Festigkeit verschieben. Im Allgemeinen zeichnen sich die Polyurethane durch eine hohe Elastizität aus (siehe Abb.1). Aufgrund dieser Eigenschaft werden diese z.B. als Scheibenkleber eingesetzt. Die elastischen Kleber gleichen so Schwingungen und Erschütterungen, die während einer Fahrt auf das Glas der Scheibe wirken aus und auch Materialausdehnungen aufgrund von Hitze/Kälte werden durch den elastischen Klebstoff abgefangen.


Abb. 3:
Polyurethanklebstoff; 1. Komponente: Polyisocyanat (schwarz), 2. Komponente: Polyol (blau)


5 Vorteile und Nachteile von Klebstoffen im Autobau

Vorteile

Nachteile

Spart Kosten und Gewicht;
- Klebstoffe an sich sind günstig
- Einsparung von Metall
Überlappung erforderlich
Elastisch, dämpfend, isolierend
dadurch im Crashfall stabiler
Alterung und Anfälligkeit durch äußere Einflüsse
Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen möglich;
dadurch Leichtbauweise und Energieersparnis
Aushärtezeiten und nötige Oberflächenreinigung

Zusammenfassung. Die vielfältigen Eigenschaften und Vorteile von Klebstoffen gegenüber dem Schweißen machen diese für den Autobau mittlerweile unverzichtbar. In der modernen Leichtbauweise müssen unterschiedlichste Stoffe stabil und crashfest verbunden werden, was nur durch modernste und spezialisierte Klebstoffe möglich ist. Hierbei ist die Forschung noch lange nicht am Ende. Es gilt noch sicherere, kostengünstigere und beständigere Klebstoffe zu entwickeln.


Literatur:

  1. Schmitz, F.P.; Symietz, D.: Chemie in unserer Zeit, 2008, Heft 2, 92-101.
  2. https://www.fast.kit.edu/download/DownloadsLeichtbautechnologie/
    KIT_02_07_2010.pdf; Präsentation von Dr. Peter Born; KIT Institut für Fahrzeugsystemtechnik (abgerufen am 11.07.2016)
  3. Urban, G.: adhäsion KLEBEN & DICHTEN, 2005, Volume 49, 22-14.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 24.08.16