Fügetechnologie Kleben

eine Anleitung für den zeitgemässen und sicheren Klebprozess in Industrie und Handwerk

Jürgen Klingen

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2019
• ISBN drucken: 9783527344925
• eBook-ISBN: 9783527816040
• Auflage: 1
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Chemie- & Biochemietechnik

Kleben gehört zu den wärmearmen Fügetechniken und ist in der Lage, praktisch alle technisch nutzbaren Werkstoffe miteinander und untereinander flächig und stoffschlüssig zu verbinden. Die hierbei durch Adhäsion entstehende Verbindung wird sehr schonend aufgebaut, da der Klebvorgang weder großer Hitze (wie beim Schweißen oder Löten), noch strukturschwächende Löcher (wie beim Nieten oder Schrauben) bedarf. Die in der Regel großflächig ausgelegte Klebung sorgt zudem für eine relativ gleichmäßige Spannungsverteilung im Bauteil. In einem klar strukturierten 5-Phasensystem bietet Fügetechnologie Kleben hier eine detaillierte Anleitung für die Schritte, die für den Aufbau eines sicheren und stabilen Klebprozesses zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen Bauteils notwendig sind. Berücksichtigt werden dabei unter anderem die Vorbehandlung der zu verklebenden Werkstoff oberflächen, die Auswahl der geeigneten Klebstoffe, die Dimensionierung der Verklebung sowie die Prozessschritte zur Dosierung beziehungsweise Aushärtung der Klebstoffe. Dem Anwender werden so moderne und nachhaltige Materialien sowie klebtechnische Verfahren präsentiert, mit einem besonderen Fokus auf Oberflächenbehandlungsmöglichkeiten, Klebstoffe und Verarbeitungsmethoden relevant für Industrie und Handwerk.

1
Geschichte des Klebens von der Steinzeit bis heute

1.1 Die Anfänge der Klebtechnik

Birkenpech kann wohl als der erste systematisch hergestellte Klebstoff der Menschheit bezeichnet werden. Das schwarze, teerartige Destillat, das aus der Birkenrinde unter Luftabschluss durch Verschwelung in einem Gefäß gewonnen wurde, war in der Steinzeit ein gebräuchlicher Allzweckklebstoff, der vor allem zur Schäftung von Werkzeugen und Waffen verwendet wurde. Der mit Abstand älteste Beleg für die Birkenpechherstellung und die Verwendung des Materials stammt aus Campitello in Italien (oberes Arnotal), wo zwei über etwa 200 000 Jahre alte Steinartefakte mit anhaftendem Birkenpech gefunden wurden. Auch der Mann vom Tisenjoch, Ötzi genannt, der um 3400 vor Christus starb und vor nicht allzu langer Zeit als Gletschermumie aufgefunden wurde, trug Pfeile bei sich, die aus Feuerstein und Ästen des „Wolligen Schneeballs“ bestanden und mit Pflanzenfasern verstärktem Birkenpech „verklebt“ waren (Abb. 1.1).

Bereits vor dieser Zeit, etwa 4000 Jahre vor Christus, wurde von den Sumerern ein Klebstoff entwickelt und hergestellt. Hierbei handelte es sich um eine Art Glutinleim aus Tierhäuten, Segin genannt, den sie beim Bau ihrer Häuser und Tempel benutzten. Zum Abdichten von Booten und im Bau wurde außerdem Naturasphalt eingesetzt, der in Mesopotamien, der Region um den heutigen Irak, reichlich vorhanden war.

Abb. 1.1 Im Eintopfverfahren hergestelltes Birkenpech (Foto: Jorre, Wikimedia Commons).

Spätestens seit etwa 1500 vor Christus entdeckten die Ägypter einen Sud aus Sehnen, Knorpel und anderen tierischen Abfällen als geeigneten Klebstoff für Schreinerarbeiten. Als Zeugnis der frühgeschichtlichen Leimherstellung und Beweis für seine immense kulturelle Bedeutung findet man im Grab des Präfekten Rekhmara in Theben eine Wandmalerei, die eindeutig Männer bei der Leimverarbeitung zeigt. Das aufwendige Bild zeigt detailliert die verschiedenen Aspekte der Furnierarbeit, darunter auch die Anwendung von Gelatineleim.

Die Kunst des Leimsiedens wurde von den alten Griechen und Römern weiterentwickelt. So etablierte sich in Griechenland schon früh der Beruf des Leimkochers („Kellopsos“). Der griechische Philosoph Theophrast (371–268 vor Christus) berichtet in seiner „Geschichte der Gewächse“ über die Bindfestigkeit der Holzverleimung Folgendes: „Bei der Zimmermannsarbeit hält der Leim am besten die Fichte zusammen, wegen ihres lockeren und fortlaufenden Holzes. Eher reißt das Holz als die Leimfuge.“

Die Römer erweiterten das Spektrum der damals gebräuchlichen Leime um den durch Auskochen von Fischabfällen hergestellten Fischleim, der in unseren Breiten jedoch erst im 6. Jahrhundert nach Christus auftauchte. Für spezielle Anwendungen wurden auch Leime aus den Schwimmblasen von Fischen hergestellt. So diente der Hausenblasenleim (Hausen: Stör aus dem Schwarzen und dem Kaspischen Meer) den Goldschmieden bis in die jüngste Vergangenheit zum Verkleben (Kitten) von Edelsteinen auf Schmuckgegenständen.

1.2 Kleben vom Mittel- bis zum Industriezeitalter

In der Folgezeit des frühen Mittelalters stagnierte die Entwicklung der Klebstoffe in Mitteleuropa, sodass bis ins 15. Jahrhundert fast keine interessanten Neuerungen in der Technik des Verleimens bekannt wurden. Erst die Erfindung des Buchdrucks um 1450 durch Johannes Gutenberg aus Mainz setzte neue Aktivitäten in Gang, da für die Fertigstellung der Bücher im Buchbindergewerbe spezielle Leime benötigt wurden. Ein großer Bedarf an geeigneten Leimen entstand zusätzlich im 16. und 17. Jahrhundert durch die Renaissance der Furniertechnik. Um diesen decken zu können, entstand in Holland im Jahr 1690 die erste handwerkliche Leimfabrik (Leimsiederei); das erste Patent auf einen Fischleim für die Tischlerei wurde jedoch erst 1754, über 60 Jahre später, in England erteilt. Obwohl die Nachfrage an Holzleimen und Kleistern in dieser Zeit einen sprunghaften Anstieg verzeichnete, fanden zunächst keine nennenswerten Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Klebtechnik statt.

Kleben im frühen Industriezeitalter

Ende des 19. Jahrhunderts stieg der Bedarf an Gütern aller Art und mit der damit verbundenen Massenherstellung wuchsen die Verpackungsprobleme. Die vorhandenen Klebstoffe erfüllten nicht die qualitativen Anforderungen, neue Produkte mussten entwickelt werden.

Im Jahr 1880 entwickelte Otto Ring, ein Berliner Kaufmann, den ersten gebrauchsfertigen Glutinleim „Syndetikon“, der sehr schnell zu einem Welterfolg wurde. Syndetikon war ein Fischleim, die genaue Rezeptur ist heute nicht mehr bekannt. Jedoch erwähnt das Handbuch der Drogeristen-Praxis von 1893 in dem Kapitel „Thiere, Thierteile und Thiersekrete“, dass Syndetikon „durch Auskochen von allerlei Fischtheilen, Eingeweiden und Schwimmblasen“ zubereitet wurde.

Im Jahr 1889 erfand Ferdinand Sichel, ein Tapeziermeister aus Hannover, den ersten gebrauchsfertigen Pflanzenleim und machte den nicht ganz unkritischen Glutinleim somit überflüssig. Unter Verwendung von Pflanzenstärke als Bindemittel entstand ein haltbarer Klebstoff, der sich mit Wasser leicht anrühren und lange verarbeiten ließ. Außerdem konnte diese Neuentwicklung für den Verkauf gebrauchsfertig abgefüllt werden. Sichel hatte während seiner Ausbildung die schwierige Herstellung und Handhabung von den aus tierischen Rohstoffen hergestellten Glutinleimen kennengelernt, die für jeden Gebrauch neu gekocht und danach schnell verbraucht werden mussten. Saure Zersetzungsprodukte des Leimes hätten bei längerer Lagerung die verklebten Tapeten verfärben können.

Basisentwicklungen für die Klebtechnik

1905–1907	Der erste Massenkunststoff („Bakelit“) wurde von Leo Hendrik Baekeland, einem belgisch-amerikanischen Chemiker und Erfinder, entwickelt und läutete das Zeitalter der Klebstoffe auf der Basis synthetisch hergestellter Rohstoffe ein.
1914	Das Verfahren zur Herstellung von Polyvinylacetat (PVA), ein bis heute sehr häufig verwendeter synthetischer Rohstoff für Klebstoffe, wurde von Victor Rollett und Fritz Klatte patentiert. Das Polymer erlangte jedoch erst in den 1930er-Jahren kommerzielle Bedeutung.
1928	Erstmalig fand die Produktion von Polyvinylchlorid (PVC) und Polymethylmethacrylat (PMMA, Plexiglas) in den USA statt.
1930	Polychloropren wurde von Arnold Collins zum ersten Mal unter wirtschaftlich günstigen Bedingungen im Emulsionsverfahren polymerisiert und anschließend im Jahr 1932 von der US-amerikanischen Firma DuPont unter dem Namen Duprene (ab 1938 Neoprene) auf den Markt gebracht. Weiterhin gelang in den 1930er-Jahren die erste technische Herstellung von PVA, Polystyrol (PS) und Polyacrylnitril.
1937	Polyurethane (PUs) wurden von einer Forschergruppe um Otto Bayer in den Laboratorien der I.G. Farben in Leverkusen zum ersten Mal synthetisiert und ab 1940 in Leverkusen produziert. Aufgrund des Zweiten Weltkriegs und der damit verbundenen Knappheit an Rohstoffen entwickelte sich der Markt für PUs jedoch zunächst nur sehr langsam. Von 1952 bis 1954 wurden Polyester-Schaumstoffe entwickelt und mit dem Einsatz von Polyetherpolyolen wuchs die Bedeutung der PUs auch für Klebstoffanwendungen rasch an. Heute gehören sie wegen ihrer vielfältigen Modifikationsmöglichkeiten zu den wichtigsten Basisstoffen in der Klebstoffindustrie und werden zur Herstellung von meist elastischen Klebverbunden für viele Anwendungen in Industrie und Handwerk eingesetzt.
1938	Epoxidharze, die sich für Lacke und Klebstoffe eigneten, wurden Ende der 1930er-Jahre von dem Schweizer Pierre Castan und dem deutschen Paul Theodor Schlack unabhängig voneinander erfunden; das entsprechende Patent wurde 1938 in der Schweiz angemeldet und 1940 erteilt. Castan, der die neuen Harze ursprünglich für zahnärztliche Zwecke nutzen wollte, setzte seine Arbeiten in den 1940er-Jahren mit der Entwicklung weiterer Varianten seiner neuen Technologie fort. Epoxidharzklebstoffe zählen heute sowohl kaltals auch warmhärtend zu den leistungsfähigsten Systemen in der Klebtechnik und finden insbesondere zur Herstellung von hochfesten Klebverbunden in vielen Industriezweigen sowie im Handwerk breite Anwendung.

1.3 Geschichte des Klebens 1845–1960

1845

Das erste selbstklebende Pflaster wurde 1845 von Horace Day und William Shecut aus New York in den USA patentiert. Das Patent beschreibt eine neue und verbesserte Herstellungsmethode für ein auf Naturkautschuk und Baumwollgewebe basierendes Pflaster, das besondere Eigenschaften bei der Wundabdeckung aufweist. Das neue flexible Material war aufgrund der Perforation des Gewebes in der Lage, Schweiß und Wundflüssigkeit abzuführen. Nach der Erteilung des Patents wurden die Rechte an Thomas Allcock verkauft, der die neuen Pflaster unter dem Namen „Allcock’s Porous Plaster“ vermarktete.

1882

Die Erteilung eines deutschen Patents an den Apotheker Paul Carl Beiersdorf für ein selbstklebendes Pflaster, das Wirkstoffe auf der Haut freisetzen konnte, war gleichzeitig die Geburtsstunde der Firma Beiersdorf in Altona (Abb. 1.2). Die Erfindung war das Ergebnis von Experimenten zur Entwicklung von Heilpflastern, die mit in heißen Salben getränktem Mull durchg...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Inhaltsverzeichnis
• Vorwort
• 1 Geschichte des Klebens von der Steinzeit bis heute
• 2 Position der Klebtechnik in Industrie und Handwerk
• 3 Der Klebprozess: Qualitäts- und Projektmanagement
• 4 Planung (Phase 1)
• 5 Konzept (Phase 2)
• 6 Machbarkeit (Phase 3)
• 7 Entwicklung des Klebprozesses (Phase 4)
• 8 Einführung des Klebprozesses (Phase 5)
• 9 Moderne Anwendungen in Industrie und Handwerk
• Stichwortverzeichnis
• Endbenutzer-Lizenzvereinbarung