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