Fachinformationen rund um's Kleben von

Kunststoffe kleben

Das Kleben von Kunststoffen ist in der industriellen Praxis sehr verbreitet. Trotz der bisweilen als klebekritisch anzusehenden Oberflächen werden heute mit modernen, hochentwickelten Klebstoffen bzw. Klebebändern durchweg eine gute Klebeigenschaften erzielt. Neue Lösungen eignen sich sogar zum Kleben und Reparieren von Composite-Materialien wie CFK/GFK. Für die Industrie und Technik gewinnen Kunststoffverklebungen zunehmend an Bedeutung.

Typische Klebe-Anwendungen

  • Fixieren von Kunststoffteilen
  • Kunststoffgehäuse und Formteile kleben
  • Vergießen von Kunststoffbauteilen
  • Dome Coating

Kunststoff-Verklebungen: Materialeinteilung

Die Klebefähigkeiten richten sich nach den jeweiligen Kunststoffen, die man in drei Gruppen unterteilt:

1) Thermoplaste

Eine kurze Einführung in die verschiedenen gängigsten Thermoplaste findet sich unten auf der Seite wieder.

  • PE, Polyethen – z.B. für Plastikbeutel, Bierkästen, Schläuche, Eimer, Frischhaltefolie
  • PA, Polyamid – Dübel, Perlon, Nylon
  • PP, Polypropen
  • PVC, Polyvinylchlorid – Abflussrohre, Kabelummantelungen, Schläuche, Fußbodenbeläge
  • PS, Polystyrol – Styropor
  • PMMA, Polymethylmetacrylat – bruchfeste Verglasungen, Autorücklichter, Plexiglas
  • ABS, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat – Automobil und Elektronikteile

2) Duroplaste

  • UF, Aminoplaste – Steckdosen, elektr. Isoliermaterial
  • MF, Phenoplaste – Bakelit, Küchenmöbel-Oberflächen, elektr. Isoliermaterial

3) Elastomere

Oberflächenenergie bei Kunststoff-Verklebungen

Prinzipiell wird auf Werkstoffen mit hoher Oberflächenenergie – wie z. B. Stahl, Glas und Keramik etc. – eine gute Klebkraft erzielt. Grundvoraussetzung für eine gute Klebung ist nämlich eine ausreichende Benetzung der Oberfläche. Hierfür muss die Oberflächenspannung des Substrats größer sein als die des Klebstoffs. Kritisch sind hingegen Klebungen auf einigen niederenergetischen Kunststoffen wie Polyolefinen (PP, PE und PTFE) sowie silikonhaltigen Fügepartnern. Hochenergetische (polare) Oberflächen bieten dem Klebstoff nämlich eine bessere Haftung als niederenergetische (unpolare) Oberflächen.

Die Benetzbarkeit von Kunststoffen lässt sich schnell und einfach mit Hilfe eines auf die Oberfläche aufgebrachten Wassertropfens beurteilen. Bildet sich ein Wassertropfen aus, ist die Oberfläche niederenergetisch. Verläuft der Wassertropfen hingegen, handelt es sich um eine hochenergetische Oberfläche. Zur genaueren Betrachtung der Benetzbarkeit verwendet man Testtinten und misst den Randwinkel des Tropfens (Messmethoden nach DIN 53 364 oder ASTM D 2578-84).

Zum Kleben von Kunststoffoberflächen sollte der gemessene Randwinkel möglichst klein sein. Es gilt die Young’sche Gleichung:

Der Randwinkel q des Flüssigkeitstropfens hängt ab von der Oberflächenenergie der Flüssigkeit sl und der Kunststoffoberfläche ss.

Die Energie der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Kunststoffoberfläche ist ssl

Durch Zusammenfassen des Zählers der Formel erhält man die kritische Oberflächenenergie sc.

Kritische Oberflächenenergie

Kurzzeichen
DIN 7728
kritische Grenzflächenenergie c
[mN/m]
PolytetrafluorethylenPTFE18,0
Polyethylen
niedriger Dichte
PE-LD31,0
PolypropylenPP32,0
PolymethylmethacrylatPMMA33 - 44
PolyvinylchloridPVC39,5
Polyamid 6PA 643,0
PolyethylenterephthalatPET43,0

Quelle: Kern GmbH, Technische Kunststoffteile

Auf die richtige Oberflächenbearbeitung kommt es an

Dies stellt vor allem bei Kunststoffen einen hohen Anspruch an die Vorbehandlung. Hier müssen gezielte Oberflächenbehandlungs-Verfahren eingesetzt werden, um die Oberflächenenergie zu erhöhen (Corona, Niederdruckplasma, Beflammen, Beschichten mit Primer). Besonders wichtig ist dies etwa bei Kunststoffen wie Teflon, Polypropylen, Gummi oder Silikonen, die sehr abweisend sind. Auch aus dem Material diffundierende Weichmacher verschlechtern langfristig die Verklebung (z.B. Weich-PVC, EPDM) trotz guter Anfangsfestigkeit. Da sich dieser Effekt auch nicht mit Oberflächenvorbehandlungen vollständig vermeiden lässt, sollte bei der Werkstoffwahl darauf geachtet werden, dass die Fügeteile möglichst keine Weichmacher enthalten, oder deren Weichmacher vernetzt, also im Polymer chemisch verankert sind.

Deshalb gilt für das Kleben von Kunststoffen:

  • eine saubere Oberfläche, die frei von lose anhaftendem Staub oder anderen Verschmutzungen ist
  • Entfetten mit organischen Lösungsmitteln oder mit Plasma/Coron/Flamme-Verfahren
  • Bei der Vorbehandlung von Kunststoffen ist aber darauf zu achten, dass er nicht vom Reinigungsmittel angegriffen wird.
  • Mechanisches Aufrauen hilft, um die Oberfläche des Substrats zu vergrößern und eine bessere Verkrallung des Klebstoffs zu erreichen.

GFK/CFK

Beifaserverstärkten Kunstoffen ist das Kleben oftmals das einzig sinnvolle Fügeverfahren, weil mechanische Verfahren die Fasern punktuell zerstören können. In Kombination mit anderen Werkstoffen können Klebstoffe die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten gut ausgleichen. Dies ist vor allem im Fahrzeugbau ein wichtiger Faktor. Bei der Herstellung von faserverstärkten Formteilen werden in der Regel Trennmittel eingesetzt. Diese müssen vor der Verklebung gründlich entfernt werden.

Geeignete Klebstoffe und Klebeband-Materialien für Kunststoffe

Als Klebstoff eignen sich aufgrund ihrer besonderen Eignung für niederenergetische Kunststoffe wie PE, PP etc. 1- und 2-Komponenten-Konstruktionsklebstoffe:

Werkstoff / Basis1K und 2K Epoxidharze2K Polyurethane2K Acrylate
Kunststoffe••••••
Elastomere / Gummi
•• gut geeignet
• geeignet

Kunststoffbauteile werden häufig mit Hilfe von Klebstoffen fixiert, um diese beim weiteren Prozesshandling vor Verrutschen zu sichern. Insbesondere Klebstoffe auf Acrylatbasis haften in der Regel sehr gut auf vielen Kunststoffen. Sie wirken verstärkend und unterstützend zur Lastabtragung und Spannungsreduzierung. Acrylat-Klebstoffe, die auch für dauerhafte Verbindungen zum Einsatz kommen, zeichnen sich durch kurze Verarbeitungszeiten sowie hohe Festigkeiten zu vielen Kunststoffen und Elastomeren aus. Diese Klebstoffe erreichen etwa als 2-Komponenten-Klebstoff auf niederenergetischen Kunststoffen wie PC, PMMA, PVC etc. gute Scher- und Schälfestigkeiten sowie gute Schlagfestigkeiten bei dynamischen Belastungen. Aus der 3M Scotch-Weld-Serie wurden inzwischen sogar Acrylatklebstoffe entwickelt, die ganz ohne Oberflächenvorbehandlung und Primer gute Ergebnisse auf schwer zu klebenden Kunststoffen mit niedriger Oberflächenenergie liefern.

Insbesondere schnell UV- bzw. LED-aushärtende Klebstoffe auf Acrylatbasis eignen sich für kurze Prozesszeiten und damit für hohe Produktionsstückzahlen. Auch in tiefen Schichten ist so eine optimale Durchhärtung gewährleistet. Voraussetzung ist hier jedoch, dass die Kunststoffe transparent und nicht UV-geblockt sind. Angepasste Photoinitiatoren und passende Bestrahlungsquellen ermöglichen heute sogar die Aushärtung durch UV-geblockte Kunststoffe. Bei besonders dicken Klebstoffschichten werden ebenfalls dualhärtende Klebstoffe eingesetzt, oder die Schichten werden mit längerwelligem Licht (etwa 405 nm LEDs) ausgehärtet. So lassen sich auch Klebstoffschichten bis zu mehreren Millimetern Tiefe ausgehärten.

Treten bei den Verklebungen Hinterschneidungen oder Schattenzonen auf, kommen häufig dualhärtende Klebstoffsysteme zum Einsatz, die nach UV-Bestrahlung thermisch nachgehärtet werden. Bei nicht-transparenten Substraten werden Klebstoffe auf Epoxidharzbasis verwendet, die thermisch oder bei Raumtemperatur aushärtbar sind.

Zweikomponenten-Hochleistungs-Konstruktionsklebstoffe auf Epoxidharzbasis werden z.B. im Automobil- und Flugzeugbau eingesetzt, wo sie bei Raumtemperatur hohe strukturelle Festigkeiten, selbst auf niederenergetischen Oberflächen wie Kunststoffen erreichen.

Kunststoff kleben mittels Klebebändern

Auf dem Markt sind u.a. doppelseitige Acrylatschaum-Klebebänder für ein breites Spektrum an Anwendungen, die aus geschlossenzelligem Acrylatklebstoff bestehen für anspruchsvolle Materialkombinationen bzw. kritische Kunststoffe mit mit niedriger Oberflächenenergie wie z.B. PE, PP. Diese sind in der Lage, Kräfte gut zu absorbieren und sind somit dauerhaft resistent gegen Zug-, Scher-, Spalt- und Schälkräfte. Sie eignen sich z.B. zur Autospiegelverklebung oder zur Leisten- und Zierblendenverklebung.

Acrylic-Foam-Bänder, dessen anpassungsfähiger Acrylatschaum Spannungen aufnimmt, dämpften Vibrationen und gleichen unterschiedliche, materialabhängige Temperaturausdehnungen aus. Diese eignen sich etwa für Metall-/Kunststoffverbindungen und kommen bei Anwendungen im Automobilbereich unter anderem bei der Verklebung von Zier- und Seitenschutzleisten, Kunststoffverkleidungen, Reflektoren und Spiegelgläsern zum Einsatz.

Auch Klebebänder auf Kautschuk-Basis bieten eine gute Verklebungsfestigkeit auf kritischen Untergründen bei guter Anfangsklebkraft sowie der Möglichkeit zur Wiederlösbarkeit wie, z.B. bei der Verklebung von PP oder PE.

Kunststoffe kleben: Neue Entwicklungen

Der Klebstoffspezialist 3M hat kürzlich ein Klebeband auf den Markt gebracht, das die Befestigung von Anbauteilen wie etwa Parksensoren ohne den Einsatz von Oberflächenvorbehandlungen auf mittel energetischen Kunststoffoberflächen erlaubt. Das doppelseitige Acrylic Plus Tape bietet dabei auch eine gute Adhäsion zu modernen, schwierig zu klebenden Automobillacken.

Besonders für Composite-Materialien wie CFK/GFK-Substrate wurde ein neues Fügeverfahren mit Namen Onsert entwickelt, das sich aber auch für dünne Bleche sowie klassische Kunststoffe eignet. In der Automobil-Produktion wird dabei ein lichthärtender Klebstoff auf ein flexibel einsetzbares Verbindungselement, einen Klebebolzen, aufgebracht, der anschließend auf das Werkstück gefügt wird. Anschließend gehärtet der Klebstoff mittels LED-Lampen innerhalb von Sekunden. In der Produktion des i3 und i8 erreicht BMW dank Onsert Taktzeiten von gerade einmal vier Sekunden, danach ist ein Gewinde z.B. sofort belastbar. Damit erhält man stabile Verbindungen, die auch wieder lösbar sind – wichtig etwa im Hinblick auf die Reparierbarkeit von CFK-Bauteilen.

Aber auch strukturelle Schäden an den neuen CFK-Flugzeugen lassen sich neuerdings mittels Kleben beheben: Lufthansa Technik hat hier im Rahmen des Forschungsprojekts „Rapid Repair“ ein neuartiges Reparatur-Verfahren entwickelt: Ein Fräsroboter fräst dazu die beschädigte Stelle (etwa an einer Tragfläche) sauber aus und man fügt ein passgenaues Reparaturteil mit einem Klebefilm ein. Unter Vakuum und Verwendung einer Heizmatte härtet das Reparaturpatch aus und kann wieder überlackiert werden. Danach ist von der Reparatur nichts mehr zu sehen. Vorteil: Es müssen keinerlei Löcher gebohrt werden, die die empfindliche Faserstruktur zerstören könnten.

6 Kunststofftypen aus dem Bereich Thermoplaste

  1. Polyamid kleben
    Der Thermoplast Polyamid (kurz PA) ist hochfest und schlagzäh. Seine Abrieb- und Verschleißfestigkeit in Verbindung mit hervorragenden Gleiteigenschaften machen das Material zu einem bevorzugten Konstruktionswerkstoff im Maschinen- oder Fahrzeugbau. Wegen seiner hohen mechanischen Festigkeit hat es mittlerweile sogar viele Metallbauteile im Fahrzeugbau verdrängt – teils verstärkt mit Carbon- oder Glasfasern. Doch PA gilt als nicht einfach zu kleben. Hohe Verbundfestigkeiten von PA-Werkstoffen erfordern den Einsatz von speziellen Vorbehandlungsmethoden bzw. eigens dafür entwickelte, reaktive Klebstoffe.
  2. PET kleben
    Der thermoplastische Kunststoff Polyethylenterephthalat (kurz PET) bildet nicht nur die Basis für die bekannte PET-Flasche. Er findet sich auch in einer Vielzahl technischer Produkte, etwa für Bauteile mit komplexen Konturen und engen Toleranzen. Kleben – richtig gemacht – stellt hier eine effiziente Fügetechnik dar. Nach dem Aktivieren der PET-Oberfläche gelingt dies gut mit modernen, leistungsfähigen Klebstoffen.
  3. PMMA kleben
    Polymethylmethacrylat (PMMA) – bekannt u.a. auch als Acryl- bzw. Plexiglas – besticht durch seine optischen sowie Oberflächen-Eigenschaften. Beim Einsatz bestimmter Lösemittel zur Klebevorbereitung ist allerdings Vorsicht geboten. Ansonsten ist eine breite Palette leistungsfähiger Klebstoffe für die effiziente Verbindung von PMMA mit zahlreichen anderen Werkstoffen auf dem Markt.
  4. PP kleben
    Der vielseitige Kunststoff Polyethylen ist heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Er findet sich u.a. in Rohrleitungen, Regentonnen, Spülmaschinen sowie einer Vielzahl von Industriebauteilen. Die Klebung des Materials ist wegen seiner abweisenden Oberflächeneigenschaften jedoch nicht ganz unproblematisch. Leistungsfähige Klebesysteme am Markt bieten allerdings heute praktikable Lösungen hierfür.
  5. POM kleben
    Der Thermoplast POM zählt wegen seines hervorragenden Gleit- und Verschleißverhaltens zu den technischen Kunststoffen. POM schlägt dabei mit seinen herausragenden mechanischen Eigenschaften die Brücke zu den kostspieligeren metallischen Werkstoffen, ersetzt diese oft und gehört daher zu den bevorzugten Konstruktionswerkstoffen, z. B. für Feinmechanik-Präzisionsteile. Normalerweise gelingt hier das Kleben meist nur nach einer Oberflächenvorbehandlung (Beflammen, Ätzen mittels Primer, Corona, Niederdruckplasma). Moderne, leistungsfähige Klebstoffe können darauf aber verzichten.
  6. ABS kleben
    Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist heute ein Alltags-Kunststoff, der aufgrund seiner Oberflächenhärte, hohen Schlagfestigkeit sowie guten Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse, Alterung und Chemikalien eine hohe Verbreitung findet: etwa für Sanitär-Rohre oder Gehäuse von Haushalts- und Elektrogeräten. Leider lässt sich das niedrigenergetische ABS nicht vollkommen problemlos mit üblichen Klebstoffen verkleben und meist gelingt dies auch erst nach einer Oberflächenbehandlung.