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PTFE kleben

An Polytetrafluorethylen – bekannt auch als „Teflon“ – perlt (fast) alles ab. In Fachkreisen gilt der thermoplastische Kunststoff daher auch heute noch als schlecht bis kaum zu kleben. Doch inzwischen gelingen hier nach besonderer Oberflächen-Vorbehandlung mit modernen Klebestoffen gute Ergebnisse.

Kleine Materialkunde PTFE

Polytetrafluorethylen (kurz PTFE, bisweilen auch unter Polytetrafluorethen bekannt) ist ein linear aufgebautes unverzweigtes Polymer aus Fluor und Kohlenstoff. Es ist eigentlich ein Thermoplast, der aber auch über Eigenschaften verfügt, die eher duroplastischen Kunststoffen zugeschrieben werden. Allgemein wird dieser teilkristalline Kunststoff oft auch mit dem bekannten Dupont-Handelsnamen Teflon bezeichnet. Weitere verbreitete Markennamen anderer Produzenten von PTFE sind Gore-Tex (PTFE-Membranen) oder Dyneon (ehemals Hostaflon).

Strukturformel von PTFE – (C2F4)n

Geschichte und Herstellungsprozess

Anders als oft vermutet ist PTFE kein Raumfahrt-Nebenprodukt, denn es wurde schon 1938 von Roy Plunkett entdeckt, als der Chemiker an Kältemitteln für Kühlschränke forschte. Das noch heute verwendete Herstellungsverfahren wird daher Plunkett-Verfahren genannt: Dabei erfolgt der Start der Polymerisation des Ausgangsmaterials Tetrafluorethen mit Peroxiden unter hohem Druck. Dabei ergeben sich je nach Randbedingungen unterschiedliche Partikelgrößen. Das hochinerte Material fand erstmals als Korrosionsschutz bei der Urananreicherung technische Verwendung. Plunketts Ehefrau hatte später den Einfall, auch Pfannen und Töpfe damit zu beschichten.

Eigenschaften

Das herausragende Merkmal von PTFE ist, dass es einen sehr geringen Reibungskoeffizienten hat. Da seine Haftreibung zudem genauso groß ist, wie die Gleitreibung, findet zwischen zwei PTFE-Subsraten ein ruckfreier Übergang aus dem Stillstand zur Bewegung statt. Diese Eigenschaft macht man sich bei Auf- und Gleitlagern zum Verschieben von Bauwerken (z. B. Brücken) zu Nutze. Außerdem besitzt PTFE zwar eine gute Schlagzähigkeit, allerdings eine eher niedrige Festigkeit, Steifigkeit und Härte. Farblich ist PTFE undurchsichtig weiß, in dünner Schicht durchscheinend.

Technische Eigenschaften

Dichte 2,2–2,3 g·cm−3
Shore-Härte zwischen D 50 und D72
Reißfestigkeit22–40 N/mm2
Spezifische Wärmekapazität0,95 J/g.K
Wärmeleitfähigkeit0,24 W/K·m

Brennprobe: PTFE ist nicht brennbar; eine Rotglut Zersetzung findet in heißer Flamme statt. Dabei entwickeln sich typische Salz- sowie Fluorwasserstoffsäure Gerüche.

Anwendungen

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. Wegen seiner außergewöhnlichen Reibeigenschaften ist PTFE als Beschichtungsmaterial für Dichtungen und Lager sowie als Trockenschmierstoff interessant. Daher kommt es bei Wellendichtringen (Radiamatic, Simmerringe), Nutringen, Kolbenringen, Faltenbälgen oder Schraubverbindungen (etwa im Sanitärbereich) zum Einsatz. Außerdem ist PTFE bei Implantaten wie zum Beispiel Gefäßprothesen zu finden oder für Beschichtungen bei Premium Garten-Schneidewerkzeugen. Bekannt ist das Material auch für antiadhäsive Beschichtungen bei Bratpfannen, Backformen und Bügeleisen.

Klebeeigenschaften PTFE

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. PTFE ist überaus reaktionsträge und lässt sich auch nicht von aggressiven Säuren wie etwa Königswasser angreifen. Die Ursache ist der überaus starken Bindung zwischen den Fluor- und Kohlenstoffatomen zuzuschreiben. Die Elektronegativität von Fluor ist extrem hoch. Demzufolge gibt es kaum elektrische Ladungen in der Polymerfläche – d.h. also PTFE ist extrem unpolar. Diese Bindungen aufzubrechen und chemisch mit Polytetrafluorethylen zu reagieren gelingt kaum einem chemischen Stoff. Daher existieren nahezu keinerlei Substanzen, die an Polytetrafluorethylen haften bleiben. Mit seiner leicht wachsartigen Oberfläche gilt PTFE wegen seiner außerordentlich niedrigen Oberflächenenergie von nur 18,5 mN/m als kaum zu kleben.

Auch heute ist in Fachkreisen oft noch die Meinung verbreitet, dass Kunststoffe wie PTFE nicht geklebt werden können. Doch gelingt es inzwischen ganz gut, die Oberflächenenergie des Materials vor dem Kleben durch eine entsprechende Vorbehandlung so zu steigern, dass hochfeste Adhäsionsklebverbindungen möglich werden.

Der Ansatz dabei: Unbeständig ist PTFE lediglich gegen überaus kräftige Reduktionsmittel. Dazu zählen in flüssigem Ammoniak gelöste Alkalimetalle (beispielsweise Natrium) oder Naphthylnatrium in Tetrahydrofuran. Zu den effektivsten Oberflächen-Vorbehandlungsverfahren zählt daher das Beizen in einer Natrium-Naphtalin-Lösung:

  • zunächst erfolgt das entfetten mit Aceton,
  • dann PTFE-Fügeflächen etwa 15 min bei Raumtemperatur in die Beizflüssigkeit eintauchen,
  • anschließend mit Aceton abwaschen,
  • mit klarem, fließendem Wasser spülen,
  • am Schluss sorgfältig trocknen.

Als Ursache für die damit erfolgte Festigkeitssteigerung beim Kleben wird ein Einbau von Natriumatomen anstelle von Fluoratomen in grenzflächennahen Molekülen vermutet.

Inzwischen gibt es auch leistungsfähige, marktgängige Fertig-Primer, die zur Verbesserung des Adhäsionsverhaltens und für die Haltbarkeit der PTFE-Klebung verwendet werden. Sie bilden eine Brücke zwischen Klebstoff und Werkstoff. Zwar funktioniert alternativ bei PTFE auch eine Ionisationsvorbehandlung der Klebeoberfläche mittels Niederdruckplasma bzw. Corona-Verfahren. Ein beträchtlicher Vorzug von Primern im Vergleich zu einer Ionisationsvorbehandlung ist ihre leichte Anwendung: Der Primer wird dazu möglichst dünn auf die Klebeoberfläche aufgepinselt oder aufgesprüht. Nach einer kurzen Ablüftzeit (10 Sekunden bis zu einer Minute) wird der Klebstoff wie gewohnt aufgetragen. Dann können die Einzelteile zusammengefügt werden.

Geeignete Klebstoffe

Im Anschluss an die Oberflächen-Vorbehandlung gelingt es, Teflon mit dauerklebrigem oder haftklebrigem Klebstoff zu kleben. Als Klebstoffe eignen sich Adhäsionsklebstoffe auf Epoxidharz- oder Cyanacrylat-Basis (Sekundenkleber). Untersuchungen zeigen hier bei einem Stahl-PTFE-Verbund Zugscherfestigkeiten von 15 MPa (Epoxidklebstoff) bzw. von 13 MPa (Cyanacrylat), während sich völlig unbehandelt kaum brauchbare Festigkeitswerte ergaben.

Zu nennen sind hier etwa der zähelastische 2-Komponenten-Konstruktionsklebstoff auf Epoxidharzbasis, Scotch-Weld DP 8010 von 3M mit kurzer Verarbeitungszeit von 8 bis 10 Minuten, der sich auch für größere Flächen eignet. DP 8010 klebt sogar PTFE effizient und verbindet dieses Material zudem mit weiteren Kunststoffen wie ABS, Hart-PVC, PMMA, dazu auch mit Faserverbundwerkstoffen, lackierten, geprimerten Metallen, Glas oder Holz.

Auch neuartige Silikon-Transferklebstoff-Bänder bewähren sich inzwischen auf schwierig zu klebenden Untergründen wie PTFE, aber auch auf Silikon und erreichen hier sehr gute Schäl- und Scherfestigkeiten, sogar ohne Haftvermittler. Zu nennen sind hier etwa die Klebebänder 91022 und 96042 von 3M.

Vereinzelt werden bei PTFE auch mit Kontaktklebstoffen auf synthetischer Kautschukbasis oder mit Polyurethanklebstoffen gute Ergebnisse erzielt. In Alterungsuntersuchungen erwiesen sich Letztere bei geklebten Proben im Vergleich zu denen mit Epoxidharz sogar als die beständigeren.

Profitipp: Beste Klebeergebnisse bei PTFE werden erzielt, wenn der Klebstoff auf beide Klebeflächen aufgetragen wird. Die optimale Klebeschichtdicke liegt dabei zwischen 0,1 und 0,15 Millimetern. Während der Klebestoff aushärtet, sollte eine Kraft auf die zu verklebenden Teile wirken – etwa mittels spezieller Spannwerkzeuge oder Belastung mit Gewichten. Wichtig dabei ist, dass sich der Spanndruck während der Aushärtephase des Klebstoffes nicht verändert, da dies sonst zur einer ungenügenden Haftfestigkeit führen kann.