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Klebstoffe
Kleben – ein alltägliches Phänomen
Gliederung
1. Definition „Klebstoff“
2. Adhäsion und Kohäsion
3. Aufbau eines Klebstoffes
4. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismusa) Physikalisch abbindende Klebstoffeb) Chemisch abbindende Klebstoffe
5. Einsatz von Klebstoffen
Definition: Klebstoffnach DIN-NORM 16920
Klebstoff ist ein nicht metallischer Werkstoff, der Körper
durch Oberflächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion
und Kohäsion) verbinden kann, ohne dass sich das
Gefüge der Körper wesentlich ändert.
Adhäsionskräfte
• Haftung am Werkstoff
• Geringe Reichweite (1 µm)
• An Grenzflächen von festen Stoffen
• Mechanische Adhäsion: Verankerung des Klebstoffs in Oberflächenporen
• Spezifische Adhäsion: zwischenmolekulare oder chemische Bindungskräfte
Kohäsionskräfte
• Intermolekulare Kräfte zwischen einzelnen Klebstoffmolekülen
• Beeinflussung durch:– Molekulargewicht– Anzahl und Größe der Seitengruppen– Polarität
Steckbrief: Klebstoff
• Muss flüssig sein
• Geringe Oberflächenspannung
• Nach dem Trocknen ein Feststoff
• Dünn und gleichmäßig auftragen
Aufbau eines Klebstoffes
Demonstration 1: Klebstoff aus Styropor
n
Demonstration 2: Klebstoff auf „Stärkebasis“
Aufbau eines Klebstoffes
Grundstoff, d.h. Bindemittel
Lösungs- oder Dispersionsmittel
Zusatzstoffe
Natürliche und synthetische Polymere
Schnell verdunstende organische Lösungsmittel oder Wasser
Konservierungsmittel, Härter, Weichmacher, Erhöhung der Wasserbeständigkeit, Farbgebung, Alterungsschutz, Schutz vor Oxidation
Klebstoffe
Einkomponentensysteme
• „Lösungsmittelfrei“
• Lösungs- / Dispersions- / Emulsionsmittel entweicht– Vor dem Kleben– Nach dem Kleben
• Schmelzklebstoffe
physikalisch abbindend chemisch abbindend
• Polymerisation
• Polyaddition
• Polykondensation
Ein- oder Zweikomponentensysteme
Flaschen-etikettierung Papier
Glutinleim Pflanzliche Naturprodukte Caseinleim Polyvinylalkohol-
klebstoff
Wasserbasierte Klebstoffe
Papier, Tapeten
Papier, Pappe, Holz
Versuch 1: Darstellung und Analyse von Stärkekleister
Kleister:• Klebstoff auf Stärkebasis• Muss aufquellen
Stärke
Amylose
• Lösliche Stärke• 20 %• Einige hundert Glucose-
einheiten
Amylopektin
• Unlösliche Stärke• 80 %• Einige tausend Glucose-
einheiten
Amylose
OH
CH2OH
OHHOOCH2OH
OHHOO
H
H
O
O
H
OCH2OH
OHHOO
H
H 1
4
Amylopektin
OH
CH2OH
OHHOO
OHHOO
H
H
O
O
H
OH
CH2OH
OHHOOCH2OH
OHHOO
H
H
O
O
H
1
4
6
Säurekatalysierte Acetalspaltung
OCH2OH
OHHOO
H
H
O
OCH2OH
OHHOO
H
H
+ H+
OCH2OH
OHHOO
H
H
O
OCH2OH
OHHOO
H
H
H+
H2O
OCH2OH
OHHO
H
H
O
+OH H
OCH2OH
OHHO
O
H
H
HO+
OCH2OH
OHHO
H
H
O OCH2OH
OHHO
O
H
H
HO
+
+
- H+
OCH2OH
OHHO
O
H
H
HO+
OCH2OH
OHHO
H
H
O
OH
Fehling-Probe
Cu2+(aq) + 2 OH-
(aq) + 2 C4H4O62-
(aq) [Cu(C4H3O6)2]4-(aq) + 2 H2O
2 Cu2+(kompl) + 2 e- + 2 OH-
(aq) Cu2O(s) + H2O
OCH2OH
OHHO
HO
CO H
OH
H
OH
OH
H
HO
H
H
CH2OH
+1
OH
- 2 e- - H2O
CO OH
OH
H
OH
OH
H
HO
H
H
CH2OH
+3
+ 2 OH-
RCHO + 2 Cu2+(kompl) + 4 OH-
(aq) RCOOH + Cu2O(s) + 2 H2O
+2 +1
SchuhindustriePapier, Holz
Polyvinylacetat Polyacrylat Polyurethan, Polychloropren
Kautschuk
Dispersionsklebstoffe
Fliesen-, Boden-,
Wandbeläge, Haftklebstoff
Alternative zu lösungsmittel-
haltigem Kontaktklebstoff
Versuch 2: Analyse von Holzleim
• Nachweis von Wasser als Lösungsmittel:CuSO4(s) + 5 H2O CuSO4 5 H2O(s)
weiß blau
• Analyse von Polyvinylacetat als Bindemittel: O
O
CH3
n
Leim:• Wässrige Lösung eines Klebstoffs• Ursprünglich: Klebstoff auf Basis tierischer Eiweiße
(z. B. Knochenleim)
Verseifung von Polyvinylacetat
O
O
CH3
n
+ n OO H-
O CH3
n
O OH-
H3C OH
O
n +
O
n
-
H3C O
O
n +
OH
n
-
Acetation Polyvinylalkohol
Nachweis der Verseifungsprodukte
• Nachweis des Polyvinylalkohols:
• Nachweis des Acetations:
gelb rot
gelb rot
OH
n
H3C O
O
-
[Ce(NO3)6]2-(aq) + ROH [Ce(OR)(NO3)5]2-
(aq) + HNO3(aq)
3 Fe3+(aq) + 5 OAc-
(aq) + H2O [Fe3O(OAc)6]+(aq) + 2 HOAc(aq)
Metall Kunststoff, Haftklebstoff
Polyester Polyacrylat
Lösungsmittelhaltige Nassklebstoffe
Versuch 3: Herstellung eines Polyesterharzes
Harz:• Kondensationsprodukt aus mehrwertigen Alkoholen und
Dicarbonsäuren bzw. Anhydriden
O
O
O OH
OH
HO
-+
Mechanismus der Veresterung:
OH
OH
OH
O
O
O
+
Glycerin Phtalsäureanhydrid
O
O
O
O
HO
OH
H+
-
~ H+
HO
O
O
O
HO
OH
Polykondensation des Phtalsäuremonoesters:
O
OH
O
O
OH
HO
HO
O
O
O
OH
HO+
O
O
OH
HO OO
OH
OH
O
HO
O
O
H
+- ~ H+O
O
OH
HO OO
OH2
OH
O
HO
O
O+
-
- H2O
O
O
OH
HO O
OH
O
HO
O
OOHO
O
O
O
OH
HO
+ (n - 2) - (n - 1) H2O
O
O
OH
O
O
n
O
O
O
OO
OOO
O
OOO
n
- H2O
O
O
OH
O
O
n
O
O
O
+
Weitere physikalisch abbindende Klebstoffe
Kontaktklebstoff Haftklebstoff
Schmelzklebstoff
Klebstoffe
Ein- oder Zweikomponentensysteme
physikalisch abbindend chemisch abbindend
• Polymerisation
• Polyaddition
• Polykondensation
• „Lösungsmittelfrei“
• Lösungs-, Dispersions-, Emulsionsmittel entweicht– Vor dem Kleben– Nach dem Kleben
• Schmelzklebstoffe
Einkomponentensysteme
Kunststoff Glas, Kunststoff, DentaltechnikHolz, Aluminium
Kleinteile, Glas, Gewebe,
Sprühverband
Cyanacrylate Methylmeth-acrylate
Phenolform-aldehydharze
Strahlen-härtende
Klebstoffe
Polymerisationsklebstoffe
HO
HH
C
O
RO
N
HH
NCCOOR
-
HO
C
N
O
RO
HH
-
HO
HH C
N
O
RO
-
HO
HH C
N
O
RO
-
C
N
O
RO
H
H
C
N
O
RO
H
H
. . .. . .HO
HH
ROOC CN
HH
CN
ORO
-
n
Versuch 4: Schnellpolymerisation von Sekundenkleber
H
H
C
N
O
RO
H O- +
Cyanacrylat
Karosserie, Glasscheiben
Fahrzeug-, Flugzeugbau, Karosserie,
Elektrotechnik
Polyurethan Epoxidharz
Polyadditionsklebstoffe
Versuch 6: Reaktivklebstoff auf Ricinusölbasis
O
O
H2C
O
O
H2C
O
O
HC
OH
OH
OH
C17H32(OH)
C17H32(OH)
C17H32(OH)
Ricinusöl
Wirkungsweise des Aktivators
NNCO C O
Diphenylmethan-4,4‘-diisocyanat
C17H32(OH)
C17H32(OH)
C17H32(OH)
N
NH
+
C17H32(O )
C17H32(OH)
C17H32(OH)
-+ +
N
N
Diazabicyclo-
[2.2.2]octan
Bildung des Urethans
O C NR
N C O +
C17H32( O )
C17H32(OH)
C17H32(OH)
-
O C NR
N C
O
O
-
(HO)H32C17
(HO)H32C17
H32C17
O C NR
N C
O
O
HC17H32(OH)
C17H32(OH)
C17H32(OH)(HO)H32C17
(HO)H32C17
H32C17
O C NR
N C
O
O
-
(HO)H32C17
(HO)H32C17
H32C17
Bildung des Polyaddukts
O C NR
N C
O
O
H
(HO)H32C17
(HO)H32C17
H32C17
n
C NR
N C
OHO
O
H
C17H32 OH32C17
C17H32O
C
O
N
R
H
C17H32O
C
O
N
R
H
H32C17
H32C17
HO
HO
n
MetallDichtungen,
Automobilbau, Elektrotechnik, Luft-,
Raumfahrt
Polyimide Silicone
Polyadditionsklebstoffe
Einsatz von Klebstoffen
• Büro und Haushalt (pro Kopfverbrauch: 6 kg / Jahr)
• Nahrungsmittelverpackungen
• Medizin
• Handwerk
• Automobilindustrie
• Flugzeugbau und Raumfahrt
• Elektrotechnik
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