Kunststoffe kleben

Profitipps zum Kunstoff 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

Kleben ist für sehr viele Branchen interessant, von der Automobilbau, der Kunststoffverarbeitung, der Bauindustrie, dem Maschinenbau, der Verpackungsindustrie, der Medizintechnik bis zur Konsumer-Industrie. Hier ersetzt Kleben nicht nur Schweißen, Nieten, Schrauben und Löten, sondern ermöglicht auch neue Werkstoffkombinationen. Sinnvoll ist der Einsatz vor allem dann, wenn Schrauben und Nieten den Faserverbund schwächt oder Schweißen und Löten einen zu hohen Wärmeeintrag in das Material bringt. Gleichzeitig ist es möglich, mit Klebetechniken über das eigentliche Verbinden hinausgehende Eigenschaften in das Bauteil zu integrieren, wie beispielsweise Isolationswiderstand gegen elektrische Potenziale, Abdichtung gegen Gase und Flüssigkeiten, Dämpfung von Schwingungen, Schutz vor Korrosionen und Ausgleich von unterschiedlichen Fügeteildynamiken.

  • Fixieren von Kunststoffteilen
    Kunststoffteile werden häufig mit Hilfe von Klebstoffen fixiert, um diese beim weiteren Bearbeiten gegen Verrutschen zu sichern. Besonders gut haften Klebstoffe auf Acrylatbasis auf vielen Kunststoffen. Acrylate haben den Vorteil, dass sie schnell unter UV-Licht aushärten.
  • Kunststoffgehäuse und Formteile kleben
    Klassischerweise werden Kunststoffplatten auf Stoß oder Gehrung verklebt. Mit Spezialklebstoffen ist auch die spannungsrissfreie Verklebung von lasergeschnittenen Kanten möglich. Großflächige Verklebungen von Kunststoffplatten hingegen können nur mit sehr weichen und elastischen Klebstoffen realisiert werden. Viele dieser Klebstoffe sind besonders transparent. Somit scheint die Klebfuge nach der Verklebung zu verschwinden. Stoßkanten oder Gehrungswinkel scheinen wie aus einem Stück erzeugt und sind für den Betrachter nicht mehr als Verklebung erkennbar.
  • Vergießen von Kunststoffbauteilen
    Bei vielen Anwendungen werden einzelne Kunststoffbauteile hergestellt und verklebt. Je nach Anwendungsbereich bieten sich unterschiedliche Klebstoffe und Vergussmassen an. Acrylate wirken spannungsausgleichend und schützen vor Schock- und Vibrationsbelastungen. Feste Vergussmassen verstärken die Bauteile und wirken lastabtragend.
  • Dome Coating
    Das Verfahren bezeichnet Schutzabdeckungen von dekorativen Artikeln wie Broschen, Pins, Schlüsselanhängern, hochwertigen Etiketten auf Flaschen oder Flacons. Hierbei wird eine dicke und optisch transparente Klebstoffschicht aufgetragen und anschließend ausgehärtet. Durch ein aufgetragenes Coating erscheint die Oberfläche hochwertiger und brillanter und ist gleichzeitig gegen Kratzer, Vergilbung und Witterungseinflüsse geschützt.
  • Verbinden von GFK / CFK
    Bei faserverstärkten 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.

Kleine Materialkunde Kunststoffe

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

Thermoplaste:

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

  • PE (Polyethylen) ist der weltweit am meisten verwendete thermoplastische Kunststoff. Aus PE werden beispielsweise Plastikbeutel, Bierkästen, Schläuche, Eimer, Flaschen, Frischhaltefolie und Dichtungen gefertigt. PE ist geschmacksfrei, geruchlos und physiologisch unbedenklich sowie beständig gegen Säuren, Laugen, Salzlösungen, Fette und Öle. Folien bestehen meist aus dem weicheren Hochdruckpolyethylen, Geschirr dagegen aus dem härteren Niederdruckpolyethylen mit einem Schmelzbereich von 125 bis 130 °C.
    Handelsnamen: Hostalen, Dyneema, Spectra, u.a.
  • PP (Polypropylen) ist der am zweithäufigsten verwendete thermoplastische Kunststoff, welcher z.B. für Lebensmittelverpackungen, Heimtextilien, Armaturen und Rohrleitungen, technische Gehäuse, Helme und medizinische Produkte verwendet wird. Mehr als ein Drittel der synthetischen Faser werden aus PP hergestellt. Polypropylen hat günstigere Eigenschaften als Polyethylen, es ist steifer und hat einen höheren Schmelzbereich von etwa 165 °C. Damit hat es einen größeren Einsatzbereich.
  • PVC (Polyvinylchlorid) ist ein halogenhaltiger Plast, der z.B. für Abflussrohre, Kabelummantelungen, Schläuche, Fußbodenbeläge, Fensterprofile, u.a. verwendet wird. Es wird zwischen Hart- und Weich-PVC unterschieden. Zur Erzielung günstiger Gebrauchseigenschaften muss man PVC im Gegensatz zu anderen Polymeren viele Additive beimischen, z. B. Stabilisatoren, Gleitmittel, Weichmacher und andere.
    Handelsnamen: Hostalit, Vinnol, umgangssprachlich: z.B. Kunstleder
  • PA (Polyamide) sind hochfest und schlagzäh. Sie haben eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit. Hervorragende Gleiteigenschaften machen das Material zu einem bevorzugten Konstruktionswerkstoff im Maschinen- oder Fahrzeugbau für Gleitlager, Zahnräder, Dübel, Schrauben und Muttern oder Gehäuse. Polyamide sind unempfindlich gegenüber Kraft- und Schmierstoffen bei Temperaturen bis 150 °C. Ein großer Teil der Polyamide wird als Synthesefasern versponnen. Die Fasern besitzen eine hohe Reißfestigkeit und werden für u.a. Textilien, Kletterseile, Fallschirme und Trossen verwendet.
    Handelsnamen: Perlon, Nylon, Dralon, u.a.
  • PS (Polystyrol) wird überwiegend als amorpher Thermoplast hergestellt. Er hat eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme, sehr gute elektrische Eigenschaften und lässt sich gut verarbeiten. Nachteile sind seine Neigung zur Spannungsrissbildung, die geringe Wärmebeständigkeit, Entflammbarkeit und seine Empfindlichkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln. Wird Polystyrol bei der Polymerisation mit Kohlendioxid aufgeschäumt, entsteht unter anderem Styropor. Anwendungsgebiete sind Wärme- und Perimeterdämmstoffe, Schallisoliermittel, Verpackungen, Isolationsgehäuse, CD-Hüllen, Isolierung von elektrischen Kabeln und Material für Schalter.
    Handelsnamen: Styropor, Styroform u.a.
  • PET (Polyethylenterephthalat) ist als Glasersatz in Getränkeflaschen, in Füllfasern und als Fasern für Bekleidung bekannt. In der Elektrotechnik finden PET-Folien als Trägermaterial für Magnetbänder Verwendung. PET besitzt hohe Steifigkeit, Härte, Abriebfestigkeit und ist beständig gegen verdünnte Säuren, Öle, Fette und Alkohole. Es ist jedoch empfindlich gegenüber heißem Wasserdampf.
  • PMMA (Polymethylmethacrylat) besitzt ineinander verflochtene Polymerketten. Es ist sehr witterungsstabil und kann als Glasersatz eingesetzt werden. Aus PMMA werden unter anderem optische Linsen und Brillengläser, Verglasungen, Lampen und Sanitärteile hergestellt. Es ist unentbehrlich in der Zahnmedizin, wo es für Prothesen eingesetzt wird. Hierfür wird der Kunststoff mit Metallsalzen eingefärbt, sodass die typische rosa Farbe entsteht. Die Anwendungen sind vielfältig. So kann PMMA z.B. für Polymerbeton, Verglasungen, Linsen, Lichtwellenleiter, Badewannen, Leuchtenabdeckungen und Klebstoffe verwendet werden.
    Handelsnamen: Acrylglas, Plexiglas
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat) ist heute ein Alltagskunststoff, 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 sowie für Spielzeug, Platten, Folien.
    Handelsnamen: Cycolac, Novodur, u.a., umgangssprachlich z.B. Styrolkunststoffe
  • SAN (Styrol-Acrylnitril-Copolymer) ist ein transparentes Mischpolymerisat aus zwei transparenten Kunststoffen: Gebildet durch die Copolymerisation von Styrol (zu rund 70%) und SAN Acrylnitril-Monomeren (zu rund 30%). Das thermoplastische Hochleistungspolymer wird aufgrund seiner Witterungsbeständigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit und Kratzfestigkeit gern als Material für Gewächshaus- oder Industrie-Verglasungen sowie Duschkabinen genommen.
  • PTFE (Polytetrafluorethylen) besitzt eine hohe chemische Reaktionsträgheit, eine hohe dielektrische Konstante, eine flammhemmende Wirkung, thermische Beständigkeit bis 260 °C, eine äußerst geringe Reibung und eine Antihaftwirkung sowie eine hohe Witterungsbeständigkeit. Technisch wird PTFE für Lager und Dichtungen in der Luft- und Raumfahrt sowie den Maschinenbau, für Kabelbeschichtungen in der Telekommunikation, als Brandschutzmittel in Fahrzeugen und Gebäuden und zur Beschichtung von Kochgeschirr eingesetzt.
    Handelsnamen: Teflon, Gore-Tex, Dyneon
  • POM (Polyoxymethylen) zählt zu den global am häufigsten verwendeten Thermoplast-Kunststoffen. Er wird aufgrund seiner hohen Schlagzähigkeit, Festigkeit, Härte und Steifigkeit geschätzt. Bedingt durch seinen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine hohe Warmformbeständigkeit, ein ausgezeichnetes Gleit- und Abriebverhalten in Verbindung mit niedrigen Reibwerten wird das Material häufig als technischer Kunststoff eingesetzt – vornehmlich für Präzisionsteile wie Zahnräder, Wellen, Schaltwerke, etc.. Die hohe Rückstellelastizität von Polyoxymethylen macht den Kunststoff für Anwendungen im Bereich Schnappverbindungen interessant. POM-Thermoplaste sind beständig gegenüber verdünnten Laugen oder Säuren (pH > 4) sowie halogenierten, aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Ölen und Alkoholen.
  • PC (Polycarbonat) ist ein Polyester von Kohlensäure. Der wasserklare, thermoplastische Kunststoff zeichnet sich vor allem durch seine glasähnlichen optischen Eigenschaften aus und hat jedoch im Vergleich zu Glas ein geringeres Gewicht. Der Werkstoff wird deswegen gerne für Leichtbauzwecke genommen, wie etwa für Panoramadächer oder transparente Abdeckungen von Bauwerken.

Duroplaste:

DuroplastesindKunststoffe, die sich bei der Verarbeitung räumlich eng vernetzen. Diese Vernetzung erfolgt chemisch zwischen den Molekülen der Ausgangsmaterialien. Der Vorgang ist nicht mehr umkehrbar. Sobald ein derartiges Material vernetzt ist, kann es nur noch mechanisch bearbeitet werden. Duroplaste sind meist hart und spröde.

  • UF (Aminoplaste) sind Duroplaste. Sie sind hart und spröde und zersetzen sich bei Erwärmung. Melaminharze, Melamin-Phenol-Harze und Harnstoffharze sind duroplastische, räumlich eng vernetzte Formstoffe. Die Vernetzungspunkte sind chemische Bindungen, daher haben Duroplaste im Gegensatz zu Thermoplasten eine höhere Festigkeit, höhere Elastizität, höhere Härte und höhere thermische Stabilität. Durch Mischen unterschiedlicher Harze entstehen Mehrkomponentenwerkstoffe, die im Möbelbau und zur Herstellung von Steckdosen, Haushaltsgeräten und bruchfestem Geschirr verwendet werden.
  • PF (Phenoplaste) sind duroplastische, räumlich eng vernetzte Formstoffe. Phenoplaste sind Polykondensate von Phenolen (z. T. auch Kresolen) und Formaldehyd, sie sind preiswert und werden trotz der dunklen Eigenfarbe und dem Nachdunkeln vor allem für technische Formteile eingesetzt.

Elastomere:

  • NR (Naturkautschuk) besteht aus Latex, dem Milchsaft des Kautschukbaums.
  • NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk) besitzt eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen, Fetten und Kohlenwasserstoffen sowie eine hohe Abrieb-, Zug- und Reißfestigkeit. NBR lädt sich kaum elektrostatisch auf und somit ist keine Funkenbildung zu befürchten, weshalb das Material gern für Tank- und Benzinschläuche eingesetzt wird. NBR ist als physiologisch unbedenklich eingestuft und findet somit auch in der Trinkwasser- und Getränkeproduktion Verwendung.
  • SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk) ist heute der meistverwendete Synthesekautschuk und findet seine Anwendung in der Herstellung von Reifen, Dichtungen und Transportbändern.
  • BR (Butadien-Kautschuk) ist der zweitwichtigste synthetische Kautschuk. Er verbessert die Eigenschaften von Naturkautschuk.
  • CR (Chloropren-Kautschuk) ist ein Synthesekautschuk, der unter anderem im Automobilbau und für wärmedämmende Sportbekleidung eingesetzt wird. Schläuche, Kabelummantelungen, Dichtungen und Antriebsriemen auf Basis von Chloropren-Kautschuk finden sich durch die günstigen Eigenschaftskombinationen besonders im Automobilbau wieder. Gelöst in organischen Lösemitteln ist Polychloropren, ebenso wie die Polymerdispersion selbst, aufgrund der guten Beständigkeiten auch für diverse Klebstoffe geeignet. Der weltweite Verbrauch an Chloropren-Kautschuk einschließlich Klebstoffen wird auf über 300.000 Tonnen pro Jahr geschätzt.
    Handelsname: Neopren
  • EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) wird für Dichtungsprofile verwendet. EPDM besitzt im Unterschied zu NBR sehr gute elektrische Isoliereigenschaften, eine ausgezeichnete Ozon- und Sonnenlichtbeständigkeit sowie eine hervorragende Alterungsbeständigkeit.

Silikone:

Silikone – chemisch exakter als Poly(organo)siloxane oder Siloxan bezeichnet – sind synthetische Polymere, deren Siliciumatome über Sauerstoffatome (Si-O-Si) verbunden sind. Sie nehmen eine Zwischenposition zwischen organischen sowie anorganischen Verbindungen ein. Derzeit kennt man weit über 10.000 verschiedene Silikontypen. Man unterscheidet Silikonkautschuke nach der zur Vernetzung benötigten Temperatur.

  • Die kaltvernetzenden HTV-Silikon-Kautschuke sind plastisch verformbare Werkstoffe, die beispielsweise als Kabelummantelungen, zur Elektroisolierung oder zu Dichtungs- und Dämpfungszwecken genutzt werden.
  • Der fließfähige, rote Silikonkautschuk (RTB/HB) besitzt eine hohe Hitzebeständigkeit und geringe Elastizität. Sie werden als Formbaumaterial für Gießformen für niedrigschmelzende Metalle genutzt, wo es auf eine hohe Härte ankommt.
  • Der niedrigviskose, heißvernetzte Silikonkautschuk (RTV/NV) ist dagegen mittelelastisch, gut fließfähig und von geringer Viskosität. Daher eignet er sich besonders für die Fabrikation von elastischen Wachs- oder Relief-Gießformen, Gießformen für Figuren oder Dekorplatten, Formen zum Ausgießen mit Epoxid- / Gießharz, Zement, Gips oder weiteren fließfähigen Stoffen.
  • Der hochelastische Silikonkautschuk (RTV/HE) ist ein recht fließfähiger Silikonkautschuk mit sehr hoher Elastizität bei gleichzeitig geringer Viskosität. Er ist vor allem geeignet zur Fabrikation filigraner elastischer Formen, die über ausgeprägte Hinterschneidungen verfügen. Einsatzgebiete sind Relief-Gießformen oder solche für stark strukturierte Dekorplatten bzw. Wandelemente.

Schaumstoffe:

Grundsätzlich sind beinahe alle Kunststoffe zum Schäumen geeignet, also z.B. Polyurethan (PUR Hart-/Weichschaum), Polypropylen, expandiertes Polyurethan (EPP), expandiertes Polystyrol (EPS), expandiertes Polypropylen (EPE). Die Eigenschaften lassen sich dabei durch die Auswahl der Ausgangsstoffe bestimmen. So entstehen stark vernetzte harte Schaumstoffe bei Verwendung von kurzkettigen Polyolen, weiche bis elastische Schäume hingegen mit langkettigen Polyolen. Hergestellt werden die meisten Schaumstoffe mittels Schaumextrusion: Der erhitzte Kunststoff expandiert beim Ausströmen aus einer Lochdüse auf das 20- bis 50-fache Volumen. Rotierende Messer kürzen die entstehenden Schaumstränge anschließend auf geschlossenzellige Schaumpartikel von wenigen Millimetern Größe, aus denen verschiedene Produkte geformt werden.

Faserverstärkte Kunststoffe:

Faserverbundmaterialien, sogenannte Composites, sind Misch- bzw. Mehrphasen-Werkstoffe, die hauptsächlich aus den verstärkenden Fasern (z. B. Glas, Kohlenstoff, Polymere oder Keramik) und einer sie umschließenden Matrix (Kunststoff, Kunstharze) bestehen. Hinzu kommen dann je nach Anwendungsbereich unterschiedliche Additive und ggf. Füllstoffe. Dies macht die Bauteile aus Verbundmaterialien bei gleichem Gewicht stabiler und belastbarer als bei monokomponentigen Werkstoffen. Deswegen kommen die Composites oft auch bei Leichtbau-Anwendungen zum Einsatz. Die Flugzeug- und Fahrzeugindustrie, Windkraftanlagen und Chemietanks sind Hauptanwendungsgebiete von faserverstärkten Kunststoffen.

GFK-Glasfasern sind auch aufgrund ihres relativ niedrigen Preises mit einem Anteil von über 90% die meist verbreiteten Fasertypen. Je nach Einsatzgebiet beträgt die Länge typischer Verstärkungs-Glasfasern zwischen 10 und 300 µm. Fasern von über 1 mm Länge gelten im Bereich der Kunststoffverarbeitung bereits als lang.

Entsorgung und Verwertung:

Die allermeisten Polymere sind während des Gebrauchs ungiftig. Aufgrund der hohen Reaktivität sind allerdings ihre Ausgangsstoffe häufig extrem toxisch und in vielen Fällen krebserregend. Auch bauen sich die Polymere in der Natur gar nicht oder extrem schlecht ab, sodass ein Recyceln bzw. eine fachgerechte Entsorgung notwendig ist. Einige Polymere wie die halogenierten Polymere PVC oder PTFE bilden bei der thermischen Zersetzung (z.B. Verbrennung) sehr giftige Substanzen. Im Falle vom PVC bilden sich Salzsäure und Dioxine.

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

Die Oberflächen vieler Kunststoffe bieten im unbehandelten Zustand einen sehr schlechten Haftgrund für eine Verklebung. Dies stellt hohe Ansprüche an die Vorbehandlung. Daher sollten die Kunststoffe trocken, staub- und fettfrei sein und neben der Reinigung auch noch gezielt an der Fügeoberfläche aktiviert werden, um eine hinreichende Adhäsion zu erreichen. Gereinigte Oberflächen sind hochaktiv und sollten deshalb sofort verklebt werden oder mittels Haftvermittlern in diesem Zustand konserviert werden. Bei den meisten Verfahren sind umfangreiche Sicherheitsbestimmungen einzuhalten und bei der Vorbehandlung von Kunststoffen sollte aber darauf geachtet werden, dass dieser nicht vom Reinigungsmittel angegriffen wird.

  • Reinigen und Entfetten der Kunststoffoberfläche von lose anhaftenden Staub, Öl, Fett und Trenn- und Bearbeitungsmitteln mit Wasser oder Lösungsmitteln. Hierbei wird die Oberfläche nicht in ihrer Struktur verändert. Das Reinigen kann im Tauch- oder Sprühverfahren geschehen. Das Entfetten geschieht mit organischen Lösungsmitteln oder durch Vortrocknen im Ofen.
  • Mechanische Vorbehandlung durch Bürsten, Schleifen, Schmirgeln oder Sandstrahlen. Dies verändert die Rauigkeit und die Größe der für die Klebung wirksamen Oberfläche. Gleichzeitig werden auch noch lose anhaftende Reaktionsprodukte, Polier- und Gleitmittel und Stabilisatoren entfernt.
  • Chemische Vorbehandlung geschieht durch Ätzen oder Beizen mit sauren oder alkalischen Stoffen. Dabei bildet sich durch Oxidation bzw. Phosphatierung eine neue strukturelle Grenzschicht mit einer deutlich höheren Polarität aus. Mit der nasschemischen Vorbehandlung, beispielsweise durch Chromschwefelsäure, können beliebig gestaltete Bauteile behandelt werden.
  • Physikalische Oberflächenbehandlungs-Verfahren verwenden energiereiche Elektronen-, Laser- oder UV-Strahlen oder thermische Verfahren wie das Beflammen oder elektrische Plasma- oder Corona-Verfahren. Sie verändern die Oberfläche chemisch und physikalisch. Beim Beflammen von Kunststoffen wird eine offene Flamme mit definiertem Abstand und Geschwindigkeit über die Fügeteiloberfläche geführt. Die Flamme kann reduzierend oder oxidierend eingesetzt werden, je nach der zu beflammenden Kunststoffsorte. Die Bauteiloberfläche wird dadurch hochenergetischer und besser verklebbar. Durch die Zufuhr von chemisch reaktiven Substanzen kann man die Oberfläche noch weiter beeinflussen.
  • Um die Oberflächenenergie zu erhöhen, können auch die Oberflächen beschichtet werden. Dies kann sowohl mit Metallen wie beim Verzinken geschehen als auch mit Haftvermittlern wie Primer oder Aktivatoren. Haftvermittler sind wie Klebstoffe chemisch reaktive Substanzen, sodass man die Anwendungshinweise wie Ablüftezeiten, Topfzeiten, Haltbarkeitsdatum etc. exakt beachten muss. Haftvermittler kommen dort zum Einsatz, wo eine Verklebung nur mit dem Klebstoff nicht die geforderten Ergebnisse gebracht hat.

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.

Einsatz der Klebstoffe

Bei der Auswahl eines Klebstoffes sollte man sich darüber Gedanken machen, was die Klebung aushalten muss und welchen Beanspruchungen das Bauteil im Einsatz ausgesetzt sein wird. Dies sind die Fragen nach den mechanischen, dynamischen und statischen Belastungen, dem Temperaturbereich, nach dem Einfluss von Feuchtigkeit, anderen chemischen Substanzen oder der UV-Strahlung. Gleichzeitig sollte die Anforderungsliste Informationen zu den Fügeteilen, den Produktionsbedingungen, zu Vorgaben des Arbeits- und Umweltschutzes, Angaben zur Langzeitbeständigkeit und zur Qualitätssicherung sowie zu den gewählten Testverfahren und den Kosten enthalten.

Mit diesen Informationen können Klebstoff und Oberflächenbehandlung anhand von technischen Datenblättern, Erfahrungen und der Literatur ausgewählt werden. Wenn es wichtig ist, sollten vor Einsatz der Klebstoffe Klebproben gefertigt und getestet werden. Bei der mechanischen Prüfung wird die Klebverbindung so lange belastet, bis sie bricht. Die Art des Bruchs gibt Aufschluss über die Qualität der Klebung und liefert Hinweise, wo bei der Klebung Fehler aufgetreten sind. Ein Adhäsionsbruch liegt vor, wenn sich der Klebstoff vom Fügeteil ablöst. Ein Kohäsionsbruch ist ein Bruch im Klebstoff selbst und ein Fügeteilbruch beschreibt einen Bruch außerhalb der Klebfläche im Fügeteil. Als günstiger Hinweis auf eine qualitativ hochwertige Klebung kann in der Regel ein Kohäsionsbruch oder ein Fügeteilbruch gewertet werden, da man in diesem Falle Fehler bei der Oberflächenbehandlung weitgehend ausschließen kann. Adhäsionsbrüche lassen oft auf eine fehlerhafte Oberflächen-vorbehandlung schließen, zum Beispiel Verunreinigungen, Kondenswasserbildung, zu geringe Oberflächenspannung und Korrosion. In einer Klimakammer kann man auch Alterungstests durchführen und anschließend die Festigkeit sowie die Verformbarkeit und deren Änderungen im Zuge einer Alterung ermitteln. Mit diesem Wissen kann man die Beanspruchbarkeit einer Klebung bewerten und den für die Anwendung geeignetsten Klebstoff auswählen.

Klebeanleitungen

  1. ABS - Acrylnitril-Butadien-Styrol ist heute ein Alltags-Kunststoff, der aufgrund seiner Oberflächenhärte, hohen Schlagfestigkeit sowie guten Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse, Alterung und Chemikalien eine hohe Verbreitung findet. Leider lässt sich das niedrig energetische ABS nicht vollkommen problemlos mit üblichen Klebstoffen kleben und meist gelingt dies auch erst nach einer Oberflächenbehandlung mit dem Lösungsmittel Methylisobutylketon. ABS mit ABS kann aber auch mit Methyl-Ethyl-Keton (MEK) / Butanon und Dichlormethan (Methylenchlorid) geklebt werden. Optimales Vorgehen: Klebeflächen reinigen, trocknen. Klebeflächen einmalig ein- oder beidseitig einstreichen und vor dem Zusammenpressen kurz ablüften lassen. Weitere Informationen
  2. GFK / CFK - Faserverbundwerkstoffe sind Misch- bzw. Mehrphasen-Werkstoffe, die sich im Wesentlichen aus zwei Hauptbestandteilen zusammensetzen: der umschließenden Matrix (Kunststoff, Kunstharze) sowie den verstärkenden Fasern (z. B. Glas, Kohlenstoff, Polymere oder Keramik). Die Faserbündel sind dabei wie ein elastisch eingeschlossener Balken von der Matrix umbettet. In Kombination dieser beiden Komponenten erhält dieser Werkstoff höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten. Für die nicht ganz unproblematische Verbindung von Leichtbau-Werkstoffen wurden am Markt, z. B. vom Klebstoffproduzenten 3M, zahlreiche Produkte entwickelt, die sich perfekt zum effizienten Füllen oder Fügen von Faserverbundwerkstoffen, Multimaterial-Systemen und niederenergetischen Kunststoffen eignen. Weitere Informationen und auch hier
  3. Gummi bzw. gummiähnliche Materialien haben ein hohe Verbreitung in Industrie und Alltag: Etwa bei Dichtungen und Walzen, in Schwingungsdämpfern oder für Schuhwerk. Generell eignen sich für das Kleben von Gummi eine ganze Reihe unterschiedlicher Klebstoffarten. Doch der optimale Klebstoff hängt stets stark von der Mischung des Gummis und dem Einsatzzweck ab. Weitere Informationen
  4. Moosgummi 
    Unter dem Begriff Moosgummi sind überwiegend offenzellige und elastische Schaumstoffe zusammengefasst, die über eine geschlossene undichte Außenhaut verfügen. Diese werden mittels Zusatz von Treibgasen aus Naturkautschuk, Chloropren, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk oder ähnlichen synthetischen Kautschuken gebläht und zählen zu den Porengummis. Bei der Vulkanisation bläht das Treibmittel die Mischung auf und gibt dem thermoplastischen Elastomer bleibende Elastizität. Moosgummi gilt im Allgemeinen als schlecht bis kaum klebbar. Je nach zweitem Werkstoff stehen nur einzelne, spezielle Klebstoffe zur Verfügung, die eine brauchbare Verklebung ermöglichen. Kritisch sind vor allem Klebungen von Moosgummi zu bestimmten Kunststoffen wie z.B. Polyolefinen (Polyethylen, Polypropylen) oder Gummi. Weitere Informationen
  5. Schaumstoffe sind im Alltag recht verbreitet: Sie stecken in Polstern und Matratzen bis hin zu Isoliermaterialien. Zugrunde liegt ihnen ein breites Spektrum an Kunststoffen als Ausgangsstoffe. Doch nicht jeder Klebstoff eignet sich für jedes Material. Bei der Variantenvielfalt kann es daher meist sinnvoll sein, zuvor stets an kleinen Materialproben zu testen, wie sich die Klebung verhält. Weitere Informationen
  6. Silikone mit ihren niederenergetischen, extrem abweisenden Oberflächen, gelten als schlecht bis kaum zu kleben. Zu den wenigen Klebeprodukten, die hier brauchbare Ergebnisse aufweisen, zählen z. B. neuartige Silikon-Transferklebstoffe, die in Verbindung mit Klebebändern sogar eine effiziente Automatisierung von Serien-Produktionsprozessessen – etwa im Automobilbereich – ermöglichen. Weitere Informationen

Thermoplaste kleben

  1. PET - Polyethylenterephthalat findet sich in einer Vielzahl technischer Produkte, etwa für Bauteile mit komplexen Konturen und engen Toleranzen. PET zählt zu den Kunststoffen, die nur sehr schlecht bzw. nicht geklebt werden können. Um hier Verbesserungen zu erzielen, empfiehlt es sich, die Oberflächen dieses Kunststoffes mit physikalischen und/oder chemischen Verfahren zu aktivieren, damit sie geklebt werden können. Weitere Informationen
  2. PA - Polyamid 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 ist nicht einfach zu kleben. Hohe Verbundfestigkeiten von PA-Werkstoffen erfordern den Einsatz von speziellen Vorbehandlungsmethoden bzw. eigens dafür entwickelte, reaktive Klebstoffe. Weitere Informationen
  3. PMMA – Polymethylmethacrylat bekannt auch als Plexiglas und Acrylglas besticht durch seine optischen sowie Oberflächeneigenschaften. Im Alltag werden Wellplatten, beispielsweise für die Überdachung von Gartenlauben oder Pergolen, häufig fälschlich als Plexiglas angeboten. In Wirklichkeit bestehen sie aus Polycarbonat oder PVC, was beim Kleben des Materials einen großen Unterschied ausmachen kann. Ähnliches gilt für sogenanntes Hobbyglas aus dem Baumarkt. Für das Kleben auf niederenergetischen Kunststoffen wie PMMA ist die Oberflächenenergie von zentraler Bedeutung. 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. Weitere Informationen
  4. POM – Polyoxymethylen zählt wegen seines hervorragenden Gleit- und Verschleißverhaltens zu am häufigsten verwendeten 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 durchBeflammen, Ätzen mittels Primer, Corona, Niederdruckplasma. Moderne, leistungsfähige Klebstoffe können darauf aber verzichten. Weitere Informationen
  5. PS – Polystyrol ist im Alltag einer der am meisten vertretenen Massenkunststoffe. Dieser findet sich in Lebensmittelverpackungen /-dosen oder CD-Hüllen ebenso, wie in Steckdosen. Als lösungsmittellöslicher und polarer Kunststoff ist Polystyrol zwar prinzipiell eher gut zu kleben, doch kommt es bei Klebstoffauswahl und -verfahren immer auf den zweiten Werkstoff an, mit dem PS verbunden werden soll. Weitere Informationen
    Hartschaum-Dämmstoffplatten aus offenporigemexpandiertem Polystyrol (EPS oder Styropor) werden am häufigsten heute für die Fassadendämmung innerhalb eines Wärmedämmverbundsystems (WDVS) eingesetzt. Weitere Informationen
  6. PP – 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. Weitere Informationen
  7. PTFE – Polytetraflourethylen
    Aufgrund seiner chemischen Trägheit und Beständigkeit gegen alle Säuren, Basen, Alkohole, Benzine, Ketone, Öle etc. wird Polytetrafluorethylen häufig als Beschichtung im Umgang mit aggressiven Chemikalien eingesetzt – beispielsweise als Auskleidungswerkstoff für chemische Apparate, Behälter, Ventile, Hähne, Pumpen, Filterkörper, Kolonnen und Rohrleitungen. Ausgeprägt ist das antiadhäsive Verhalten von Polytetrafluorethylen, d.h., auf seiner Oberfläche haften andere, auch klebrige Stoffe nicht und es wird von Flüssigkeiten nicht benetzt. Deshalb gilt der thermoplastische Kunststoff auch heute noch als schlecht bis kaum zu kleben. Doch inzwischen gelingen hier nach besonderer Oberflächen-Vorbehandlung mit modernen Klebestoffen gute Ergebnisse. Weitere Informationen
  8. SAN – Styrol-Acrylnitril
    Der transparente Kunststoff SAN aus der Gruppe der Styrol-basierten Kunststoffe wird aufgrund seiner Witterungsbeständigkeit, Steifigkeit und Kratzfestigkeit gerne als Material für Gewächshaus- oder Industrie-Verglasungen sowie Duschkabinen genommen. Je nach Ansprüchen eignet sich eine breite Palette von leistungsfähigen Klebstoffen für Materialverbindungen. Weitere Informationen
  9. PC – Polycarbonat
    Der wasserklare Kunststoff zeichnet vor allem durch seine glasähnlichen optischen Eigenschaften aus. Der besondere Vorteil liegt dabei jedoch bei dem im Vergleich zu Glas geringeren Gewicht. Der Werkstoff wird deswegen gerne für Leichtbauzwecke genommen, wie etwa für Panoramadächer oder transparente Abdeckungen von Bauwerken. Zwar gilt der lösungsmittellösliche Kunststoff prinzipiell als gut zu kleben, doch reagiert er empfindlich. Infolgedessen können Spannungsrisse auftreten. Außerdem ist bei der Auswahl eines Klebstoffs darauf zu achten, dass die optischen Eigenschaften nicht zu beeinträchtigt werden. Weitere Informationen
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