Klebstoff: jede Substanz, die in der Lage ist, Materialien durch Oberflächenbefestigung, die einer Trennung widersteht, auf funktionelle Weise zusammenzuhalten. Der allgemeine Begriff „Klebstoff“ umfasst Zement, Schleim, Klebstoff und Paste - Begriffe, die häufig austauschbar für jedes organische Material verwendet werden, das eine Klebeverbindung bildet. Anorganische Substanzen wie Portlandzement können ebenfalls als Klebstoffe angesehen werden, da sie Objekte wie Ziegel und Balken durch Oberflächenbefestigung zusammenhalten. Dieser Artikel beschränkt sich jedoch auf die Erörterung natürlicher und synthetischer organischer Klebstoffe.
Natürliche Klebstoffe sind seit der Antike bekannt. In ägyptischen Schnitzereien aus 3.300 Jahren wird ein dünnes Stück Furnier auf eine scheinbare Platane geklebt. Papyrus, ein früher Vliesstoff, enthielt Fasern schilfartiger Pflanzen, die mit Mehlpaste verbunden waren. Bitumen, Baumkronen und Bienenwachs wurden im Altertum und Mittelalter als Dichtungsmittel (Schutzbeschichtungen) und Klebstoffe verwendet. Das Blattgold der beleuchteten Manuskripte wurde mit Eiweiß auf Papier geklebt, und Holzgegenstände wurden mit Klebstoffen aus Fisch, Horn und Käse verklebt. Die Technologie der Tier- und Fischleime wurde im 18. Jahrhundert weiterentwickelt, und im 19. Jahrhundert wurden Zemente auf Gummi- und Nitrocellulosebasis eingeführt. Entscheidende Fortschritte in der Klebstofftechnologie warteten jedoch auf das 20. Jahrhundert. In dieser Zeit wurden natürliche Klebstoffe verbessert und viele Kunststoffe kamen aus dem Labor, um natürliche Klebstoffe auf dem Markt zu ersetzen. Das schnelle Wachstum der Flugzeug- und Luftfahrtindustrie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts hatte tiefgreifende Auswirkungen auf die Klebstofftechnologie. Die Nachfrage nach Klebstoffen mit hoher struktureller Festigkeit, die sowohl gegen Ermüdung als auch unter rauen Umgebungsbedingungen beständig waren, führte zur Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen, die schließlich Eingang in viele industrielle und häusliche Anwendungen fanden.
Dieser Artikel beginnt mit einer kurzen Erläuterung der Haftungsprinzipien und geht dann zu einer Übersicht über die Hauptklassen natürlicher und synthetischer Klebstoffe über.
Adhäsion
Bei der Leistung von Klebeverbindungen sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Klebstoffs die wichtigsten Faktoren. Wichtig für die Bestimmung, ob die Klebeverbindung eine angemessene Leistung erbringt, sind auch die Arten des Klebens (dh die zu verbindenden Komponenten - z. B. Metalllegierung, Kunststoff, Verbundmaterial) und die Art der Oberflächenvorbehandlung oder Grundierung. Diese drei Faktoren - Klebstoff, Kleber und Oberfläche - wirken sich auf die Lebensdauer der geklebten Struktur aus. Das mechanische Verhalten der Verbundstruktur wird wiederum durch die Details der Verbindungskonstruktion und durch die Art und Weise beeinflusst, in der die aufgebrachten Lasten von einem aneinander haftenden auf das andere übertragen werden.
Mit der Bildung einer akzeptablen Klebeverbindung ist die Fähigkeit des Klebstoffs verbunden, sich zu benetzen und auf den zu verbindenden Klebstoffen zu verteilen. Das Erreichen eines solchen molekularen Grenzflächenkontakts ist ein notwendiger erster Schritt bei der Bildung starker und stabiler Klebeverbindungen. Sobald die Benetzung erreicht ist, werden durch eine Reihe von Mechanismen intrinsische Adhäsionskräfte über die Grenzfläche erzeugt. Die genaue Natur dieser Mechanismen ist seit mindestens den 1960er Jahren Gegenstand physikalischer und chemischer Untersuchungen, so dass eine Reihe von Adhäsionstheorien existieren. Der Hauptmechanismus der Adhäsion wird durch die Adsorptionstheorie erklärt, die besagt, dass Substanzen hauptsächlich aufgrund des engen intermolekularen Kontakts haften bleiben. In Klebeverbindungen wird dieser Kontakt durch intermolekulare oder Valenzkräfte erreicht, die von Molekülen in den Oberflächenschichten des Klebstoffs ausgeübt werden und anhaften.
Zusätzlich zur Adsorption wurden vier weitere Adhäsionsmechanismen vorgeschlagen. Die erste mechanische Verriegelung tritt auf, wenn Klebstoff in Poren in der anhaftenden Oberfläche oder um Vorsprünge auf der Oberfläche fließt. Die zweite, Interdiffusion, entsteht, wenn sich flüssiger Klebstoff auflöst und in anhaftende Materialien diffundiert. Beim dritten Mechanismus, Adsorption und Oberflächenreaktion, tritt eine Bindung auf, wenn adhäsive Moleküle an einer festen Oberfläche adsorbieren und chemisch damit reagieren. Aufgrund der chemischen Reaktion unterscheidet sich dieser Prozess in gewissem Maße von der oben beschriebenen einfachen Adsorption, obwohl einige Forscher die chemische Reaktion als Teil eines vollständigen Adsorptionsprozesses und nicht als separaten Adhäsionsmechanismus betrachten. Schließlich legt die elektronische oder elektrostatische Anziehungstheorie nahe, dass sich elektrostatische Kräfte an einer Grenzfläche zwischen Materialien mit unterschiedlichen elektronischen Bandstrukturen entwickeln. Im Allgemeinen spielen mehr als einer dieser Mechanismen eine Rolle beim Erreichen des gewünschten Adhäsionsniveaus für verschiedene Arten von Klebstoffen und Klebstoffen.
Bei der Bildung einer Klebeverbindung entsteht eine Übergangszone in der Grenzfläche zwischen Kleber und Kleber. In dieser als Interphase bezeichneten Zone können sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Klebstoffs erheblich von denen in den berührungslosen Bereichen unterscheiden. Es wird allgemein angenommen, dass die Interphasenzusammensetzung die Haltbarkeit und Festigkeit einer Klebeverbindung steuert und in erster Linie für die Übertragung von Spannungen von einem Klebstoff auf einen anderen verantwortlich ist. Die Interphasenregion ist häufig der Ort von Umweltangriffen, die zu einem Gelenkversagen führen.
Die Festigkeit von Klebeverbindungen wird normalerweise durch zerstörende Prüfungen bestimmt, bei denen die an der Bruchstelle oder Bruchlinie des Prüflings aufgebauten Spannungen gemessen werden. Es werden verschiedene Testmethoden angewendet, einschließlich Schäl-, Zugüberlappungs-, Spalt- und Ermüdungstests. Diese Tests werden über einen weiten Temperaturbereich und unter verschiedenen Umgebungsbedingungen durchgeführt. Eine alternative Methode zur Charakterisierung einer Klebeverbindung besteht darin, die Energie zu bestimmen, die zum Aufspalten einer Einheitsfläche der Zwischenphase aufgewendet wird. Die aus solchen Energieberechnungen abgeleiteten Schlussfolgerungen entsprechen im Prinzip vollständig denen aus der Spannungsanalyse.
Klebstoffe
Praktisch alle synthetischen Klebstoffe und bestimmte natürliche Klebstoffe bestehen aus Polymeren, bei denen es sich um Riesenmoleküle oder Makromoleküle handelt, die durch die Verknüpfung von Tausenden einfacherer Moleküle gebildet werden, die als Monomere bekannt sind. Die Bildung des Polymers (eine chemische Reaktion, die als Polymerisation bekannt ist) kann während eines "Härtungs" -Schritts erfolgen, bei dem die Polymerisation gleichzeitig mit der Bildung der Klebebindung stattfindet (wie dies bei Epoxidharzen und Cyanoacrylaten der Fall ist), oder das Polymer kann sein gebildet, bevor das Material als Klebstoff aufgetragen wird, wie bei thermoplastischen Elastomeren wie Styrol-Isopren-Styrol-Blockcopolymeren. Polymere verleihen Festigkeit, Flexibilität und die Fähigkeit, sich auf einer anhaftenden Oberfläche auszubreiten und zu interagieren - Eigenschaften, die für die Bildung akzeptabler Adhäsionsniveaus erforderlich sind.
Natürliche Klebstoffe
Natürliche Klebstoffe sind hauptsächlich tierischen oder pflanzlichen Ursprungs. Obwohl die Nachfrage nach Naturprodukten seit Mitte des 20. Jahrhunderts zurückgegangen ist, werden einige von ihnen weiterhin für Holz- und Papierprodukte verwendet, insbesondere für Wellpappe, Umschläge, Flaschenetiketten, Buchbindungen, Kartons, Möbel sowie laminierte Folien und Folien. Darüber hinaus erhalten natürliche Klebstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen aufgrund verschiedener Umweltvorschriften erneut Aufmerksamkeit. Die wichtigsten Naturstoffe werden nachfolgend beschrieben.
Tierischer Kleber
Der Begriff Tierkleber beschränkt sich normalerweise auf Klebstoffe, die aus Kollagen von Säugetieren hergestellt werden, dem Hauptproteinbestandteil von Haut, Knochen und Muskeln. Bei Behandlung mit Säuren, Alkalien oder heißem Wasser wird das normalerweise unlösliche Kollagen langsam löslich. Wenn das ursprüngliche Protein rein und der Umwandlungsprozess mild ist, wird das hochmolekulare Produkt Gelatine genannt und kann für Lebensmittel oder fotografische Produkte verwendet werden. Das Material mit niedrigerem Molekulargewicht, das durch kräftigere Verarbeitung hergestellt wird, ist normalerweise weniger rein und dunkler und wird als Tierkleber bezeichnet.
Tierischer Klebstoff wird traditionell in der Holzverbindung, Buchbinderei, Sandpapierherstellung, schweren Gummibändern und ähnlichen Anwendungen verwendet. Trotz des Vorteils einer hohen anfänglichen Klebrigkeit (Klebrigkeit) wurde viel Tierkleber modifiziert oder vollständig durch synthetische Klebstoffe ersetzt.
Kaseinkleber
Dieses Produkt wird hergestellt, indem Casein, ein aus Milch gewonnenes Protein, in einem wässrigen alkalischen Lösungsmittel gelöst wird. Der Grad und die Art des Alkalis beeinflussen das Produktverhalten. Bei der Holzbindung sind Kaseinklebstoffe im Allgemeinen echten Tierklebstoffen hinsichtlich Feuchtigkeitsbeständigkeit und Alterungseigenschaften überlegen. Kasein wird auch verwendet, um die Haftungseigenschaften von Farben und Beschichtungen zu verbessern.
Blutalbumin Kleber
Klebstoff dieses Typs wird aus Serumalbumin hergestellt, einer Blutkomponente, die entweder aus frischem Tierblut oder getrocknetem löslichem Blutpulver erhältlich ist, dem Wasser zugesetzt wurde. Die Zugabe von Alkali zu Eiweiß-Wasser-Gemischen verbessert die Hafteigenschaften. In der Sperrholzindustrie wird eine beträchtliche Menge an Leimprodukten aus Blut verwendet.
Stärke und Dextrin
Stärke und Dextrin werden aus Mais, Weizen, Kartoffeln oder Reis gewonnen. Sie stellen die Haupttypen von Pflanzenklebstoffen dar, die in Wasser löslich oder dispergierbar sind und aus pflanzlichen Quellen auf der ganzen Welt gewonnen werden. Stärke- und Dextrinkleber werden in Wellpappe und Verpackung sowie als Tapetenkleber verwendet.
