Gerd Habenicht

Kleben Grundlagen, Technologien, Anwendungen 5., erweiterte und aktualisierte Auflage

Mit 255 Abbildungen und 37 Tabellen

fyj. Springer

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis der Formelzeichen und Abkürzungen Einleitung

XXV 1

1 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2

Einteilung und Aufbau der Klebstoffe Begriffe und Definitionen Einteilung der Klebstoffe Einteilung nach der chemischen Basis Einteilung nach dem Abbindemechanismus Aufbau der Klebstoffe Chemischer Aufbau der Monomere Aufbau der Polymere Reaktionsmechanismen zur Polymerbildung Struktur der Polymere

3 3 4 4 5 7 8 10 10 11

2 2.1 2.1.1 2.1.1.1 2.1.1.1.1 2.1.1.1.2 2.1.1.1.3 2.1.1.2 2.1.1.2.1 2.1.1.2.2 2.1.1.2.3 2.1.1.2.4 2.1.1.3 2.1.1.3.1 2.1.1.3.2 2.1.1.3.3 2.1.1.3.4 2.1.1.3.5 2.1.1.3.6 2.1.1.3.7 2.1.1.3.8

Klebstoffgrundstoffe Polymerisationsklebstoffe Einkomponenten-Polymerisationsklebstoffe Cyanacrylatklebstoffe Chemischer Aufbau Eigenschaften und Verarbeitung Primer und Aktivatoren für Cyanacrylatklebstoffe Anaerobe Klebstoffe (Diacrylsäureester) Chemischer Aufbau Härtungsreaktionen Beschleuniger und Aktivatoren Eigenschaften und Anwendungen Strahlungshärtende Klebstoffe Allgemeine Betrachtungen Aufbau strahlungshärtender Klebstoffsysteme Reaktionsmechanismen UV-Strahlung Energetische Betrachtungen UV-Strahler Reflektoren Photoinitiatoren

15 15 17 17 17 18 22 23 24 25 28 29 31 31 31 33 34 35 36 38 39

VIII

2.1.1.3.9 2.1.1.3.10 2.1.1.3.11 2.1.1.3.12 2.1.1.3.13 2.1.1.3.14 2.1.1.3.15 2.1.1.4 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.3 2.1.3.1 2.1.3.2 2.1.3.3 2.1.3.4 2.1.3.5 2.1.3.6 2.1.3.7 2.1.3.8 2.1.3.9 2.1.4 2.1.4.1 2.1.4.2 2.1.4.3 2.1.4.4 2.1.4.5 2.1.4.6 2.1.5 2.1.5.1 2.1.5.2 2.1.5.3 2.2 2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.1.5 2.2.1.6 2.2.1.7 2.2.1.8 2.2.1.9 2.2.2 2.2.2.1

Inhaltsverzeichnis

Photosensibilisatoren Kationische Strahlungshärtung Lichthärtung Kombinationshärtung Elektronenstrahlhärtung Laserstrahlhärtung Anwendungen Aerobe Klebstoffe Zweikomponenten-Polymerisationsklebstoffe Methacrylatklebstoffe Verarbeitungssysteme der Methylmethacrylatklebstoffe . . Polymere Grundstoffe Polyvinylacetat (PVAC) Polyvinylalkohol (PVAL) Polyvinylether Ethylen-Vinylacetat (EVA) Ethylen-Acrylsäure-Copolymere Polyvinylacetale Polystyrol (PS) Polyvinylchlorid (PVC) Polyvinylidenchlorid (PVDC) Kautschukpolymere Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) Styrol-Blockpolymere Chloroprenkautschuk (CR) Nitrilkautschuk (NBR) Butylkautschuk (IIR) Polybutene Sonstige Thermoplaste Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Fluorierte Kohlenwasserstoffe (Fluorthermoplaste) . . . . Polyadditionsklebstoffe Epoxidharzklebstoffe (EP) Aufbau der Epoxidharze Vernetzungsreaktionen der Epoxidharze Kalthärtende Epoxidharzklebstoffe Warmhärtende Epoxidharzklebstoffe Zweikomponenten-Epoxidharzklebstoffe Lösungsmittelhaltige Epoxidharzklebstoffe Zähharte („toughened") Epoxidharzklebstoffe Reaktive Epoxidharzschmelzklebstoffe Pulverförmige Epoxidharzklebstoffe Polyurethanklebstoffe (PUR) Feuchtigkeitshärtende Einkomponenten-Polyurethanklebstoffe

42 42 43 44 44 47 47 48 49 50 52 55 56 56 57 58 59 59 60 61 61 62 62 63 66 68 68 69 69 69 70 72 73 73 73 11 82 83 84 85 85 90 91 92 96

Inhaltsverzeichnis

2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.2.3.1 2.2.2.3.2 2.2.2.4 2.2.2.5 2.2.2.6 2.2.2.7 2.2.2.8 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.1.3 2.3.1.4 2.3.1.5 2.3.2 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2 2.3.4 2.3.4.1 2.3.4.2 2.3.4.3 2.3.4.4 2.3.4.5 2.3.4.5.1 2.3.4.5.2 2.3.4.5.3 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.8 2.4 2.5 2.5.1 2.5.1.1 2.5.1.2 2.5.1.3 2.5.2 2.5.3 2.6 2.7 2.7.1 2.7.2

IX

Zweikomponenten-Polyurethanklebstoffe 97 Polyurethandispersionen 98 Emulgatorhaltige Dispersionen 98 Emulgatorfreie Dispersionen 98 Lösungsmittelhaltige Polyurethanklebstoffe 101 Reaktive Polyurethan-Schmelzklebstoffe 101 Thermisch aktivierbare Polyurethanklebstoffe 104 Radikalisch vernetzende Polyurethanklebstoffe 105 Polyurethan-Elastomere 106 Polycyanurate 107 Polykondensationsklebstoffe 107 Formaldehydkondensate 108 Phenol-Formaldehydharz-Klebstoffe (PF) 108 Kresol-/Resorzin-Formaldehydharz-Klebstoffe 111 Harnstoff-Formaldehydharz-Klebstoffe (UF) 111 Melamin-Formaldehydharz-Klebstoffe 113 Formaldehydemissionen 114 Polyamide (PA) 114 Polyester 117 Gesättigte Polyester und Copolyester 117 Ungesättigte Polyester 120 Silicone 121 Einkomponenten-RTV-Systeme 122 Zweikomponenten-RTV-Systeme 124 Siloxan-Dispersionen 127 Silicon-Trennmittel 127 Silanmodifizierte (MS) Polymere 129 Aufbau der MS-Polymere 129 Eigenschaften und Verarbeitung 130 Modifikationen von MS-Dichtstoffen 131 Polyimide (PI) 132 Polybenzimidazole 134 Polysulfone 135 Polysulfide 136 Zusammenfassende Darstellung der Polyreaktionen . . . . 138 Klebstoffe auf natürliche Basis 141 Klebstoffe auf Basis tierischer Naturprodukte 142 Klebstoffe auf Glutinbasis 142 Klebstoffe auf Caseinbasis 144 Kleben in der Natur 144 Klebstoffe auf Basis pflanzlicher Naturprodukte 145 Biologisch abbaubare Polymere 147 Klebstoffe auf anorganischer Basis 147 Klebstoffzusätze und haftvermittelnde Substanzen . . . . 151 Härter 151 Vernetzer 152

X

Inhaltsverzeichnis

2.7.3 2.7.4 2.7.5 2.7.6 2.7.7 2.7.8 2.7.9 2.7.10 2.7.11 2.7.12 2.7.13 2.7.14 2.7.15 2.7.16 2.7.17

Beschleuniger und Katalysatoren Weichmacher Harze Wachse Tackifier Füllstoffe Stabilisatoren Antioxidantien Entlüfter und Entschäumer Rheologie - Additive Dispergiermittel Emulgatoren und Schutzkolloide Haftvermittler Primer Lösungsmittel

153 153 154 156 157 157 159 160 160 160 161 161 161 165 166

3 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.1.3 3.1.1.4 3.1.1.5 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.1.3.1 3.1.3.2 3.1.4 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.2.1 3.4.2.2 3.4.2.3 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.6.1

Klebstoffarten Reaktionsklebstoffe Reaktionskinetische und physikalische Grundlagen . . . . Einfluss der Zeit Einfluss der Temperatur Einfluss des Drucks Abhängigkeit der Klebschichtdicke vom Anpressdruck . . Topfzeit Blockierte Reaktionsklebstoffe Chemisch blockierte Reaktionsklebstoffe Mechanisch blockierte Reaktionsklebstoffe Kalt-und warmhärtende Reaktionsklebstoffe Kalthärtende Reaktionsklebstoffe Warmhärtende Reaktionsklebstoffe Lösungsmittelhaltige Reaktionsklebstoffe Lösungsmittelklebstoffe Kontaktklebstoffe Haftklebstoffe Aufbau und Eigenschaften Einteilung der Haftklebstoffe Wiederablösbare, repositionierbare Haftklebstoffe . . . . Permanente Haftklebstoffe Strukturelle Haftklebstoffe Verarbeitung Anwendungen Prüfung Grundlagen der Haftklebung Klebschichtfestigkeit als Folge des strömungsmechanischen Verhaltens von Flüssigkeiten

169 169 170 170 172 175 177 178 181 181 182 183 183 183 184 184 189 191 191 192 192 194 194 194 195 195 196 196

Inhaltsverzeichnis

3.4.6.2 3.4.7 3.5 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.11.1 3.11.1.1 3.11.1.2 3.11.1.3 3.11.1.4 3.11.2 3.11.3 3.12 3.13 3.14 3.15 3.15.1 3.15.2 3.16 3.16.1 3.16.2 3.16.3 3.16.4 3.16.5 3.16.6 3.17 3.18 3.19 3.19.1 3.19.2 3.19.3 3.20 3.21 3.22 3.23

Klebschichtfestigkeit als Folge des Oberflächenspannungsverhaltens von Flüssigkeiten Klebrigkeit (Tack) Dispersionsklebstoffe Schmelzklebstoffe Aufbau der Schmelzklebstoffe Charakteristische Merkmale der Schmelzklebstoffe . . . . Verarbeitung der Schmelzklebstoffe Eigenschaften der Schmelzklebstoffe Heißsiegelklebstoffe Kaschier-, Laminierklebstoffe Wärmebeständige Klebstoffe Klebstoffe für Anwendungen bei tiefen Temperaturen . . . Leitfähige Klebstoffe Elektrisch leitende Klebstoffe Isotrop leitende Klebstoffe Anisotrop leitende Klebstoffe Anisotroper Leitungsmechanismus mit ungefüllten Klebstoffen Elektrisch leitende Polymere Wärmeleitende Klebstoffe Volumeneffekt bei Klebschichten mit Füllstoffen Klebstoffe mit Nano-Füllstoffen Mikroverkapselte Klebstoffe Plastisole Klebstofffolien Chemisch reagierende Klebstofffolien Physikalisch abbindende Klebstofffolien Klebebänder Aufbau der Klebebänder Trägermaterialien Trennpapiere Verarbeitung von Klebebändern Anwendungen Prüfung Klebestreifen Klebestifte Dichtstoffe Aufbau der Dichtstoffe Einteilung und Eigenschaften der Dichtstoffe Verarbeitung Gießharze Polymermörtel Strukturkitte und Spachtelmassen Chemische Befestigungstechnik

XI

198 199 201 206 206 208 210 213 215 217 218 223 223 224 224 230 232 232 233 234 235 238 240 242 242 243 244 244 246 248 248 249 249 250 251 252 253 255 256 258 260 260 261

XII

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.3.1 5.1.3.2 5.1.3.3 5.1.3.4 5.1.3.5 5.1.3.6 5.1.3.7 5.1.3.8 5.1.3.9 5.1.3.10 5.1.3.11 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.2 5.2.1 5.2.2 ' 5.2.3 5.2.4

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften der Klebschichten 263 Allgemeine Betrachtungen 263 Schubmodul 264 Das Schubspannungs-Gleitungs-Verhalten 266 Die thermomechanischen Eigenschaften 271 Zustandsbereiche 271 Abhängigkeit des Schubmoduls und des mechanischen Verlustfaktors von der Temperatur 276 Abhängigkeit der Klebfestigkeit von der Temperatur . . . . 278 Elastizitätsmodul 280 Kriechen 284 Kristallinität 291 Klebschichtinhomogenitäten 292 Klebschichtmorphologie und strukturabhängiges mechanisches Verhalten 293 Klebtechnische Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe . . . Oberflächeneigenschaften Oberflächenschichten Molekularer Aufbau und Polarität der Grenz- und Reaktionsschichten Oberflächenanalytische Untersuchungsmethoden . . . . Elektronen-Spektroskopie zur Chemischen Analyse (ESCA) Elektronenstrahl-Mikroanalyse (ESMA) Augerelektronenspektroskopie (AES) Ion-Scattering Spectroskopy (ISS) Sekundärionen Massenspektrometrie (SIMS) Flugzeit-Sekundärionen Massenspektrometrie (TOF-SIMS) Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflektion (ATR) Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Rastertunnelmikroskopie (RTM) Rasterkraft-Mikroskopie, Atomic-Force-Microscopy (AFM) Ellipsometrie Geometrische Struktur Oberflächenspannung und Benetzungsvermögen Diffusions-und Lösungsverhalten Werkstoffeigenschaften Festigkeit Chemischer Aufbau Wärmeleitfähigkeit Wärmeausdehnungskoeffizient

295 295 295 296 299 299 300 300 301 301 301 301 302 302 303 303 304 308 308 309 309 310 311 311

Inhaltsverzeichnis

XIII

6 6.1 6.1.1

Bindungskräfte in Klebungen Die Natur der Bindungskräfte Homöopolare Bindung (Atombindung, unpolare Bindung, kovalente Bindung) Heteropolare Bindung (Ionenbindung, polare Bindung, elektrostatische Bindung) Metallische Bindung Zwischenmolekulare Bindungen Dipolkräfte Induktionskräfte Dispersionskräfte Wasserstoffbrückenbindung Sorption Adhäsion Spezifische Adhäsion Formschlüssige Verbindung von Klebschicht und Fügeteil (Mechanische Adhäsion) Kohäsion Benetzung von Oberflächen durch Klebstoffe Allgemeine Betrachtungen Thermodynamische Grundlagen Benetzungwinkel Oberflächenspannung Oberflächenenergie Kritische Oberflächenspannung Grenzflächenspannung Adhäsionsarbeit Kohäsionsarbeit Benetzungsgleichgewicht Benetzung als Folge unpolarer und polarer Kraftwirkungen Zusammenhang zwischen Benetzung und Adhäsionsarbeit Experimentelle Bestimmung des Benetzungsverhaltens von Oberflächen Randwinkelmessung Messung mittels Testflüssigkeiten

315 316

Eigenschaften von Klebungen Vorteile und Nachteile von Klebungen Vorteile von Klebungen Nachteile von Klebungen Eigenspannungen in Klebungen Eigenspannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von gleichen Fügeteilwerkstoffen und Klebschicht

353 353 355 359 361

6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.4.1 6.1.4.2 6.1.4.3 6.1.4.4 6.1.5 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.2.1 6.4.2.2 6.4.2.3 6.4.2.4 6.4.2.5 6.4.2.6 6.4.2.7 6.4.2.8 6.4.2.9 6.4.3 6.4.4 6.4.4.1 6.4.4.2 7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1

317 317 317 317 318 320 320 320 322 324 325 332 333 335 335 336 336 337 339 339 340 340 341 341 344 345 348 349 350

361

XIV

Inhaltsverzeichnis

7.2.2

Eigenspannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Fügeteilkombinationen und Klebschicht 7.2.3 Eigenspannungen durch Schwindung der Klebschicht . . . 7.2.4 Berechnung der Schwindungsspannungen 7.2.5 Maßnahmen zur Reduzierung von Schwindungen 7.2.5.1 Klebstoffbedingte Schwindungen 7.2.5.2 Fertigungsbedingte Schwindungen 7.2.6 Eigenspannungen durch unterschiedliche Temperaturverteilungen 7.2.7 Eigenspannungen durch Temperaturwechselbeanspruchung 7.2.8 Eigenspannungen durch Alterungsvorgänge der Klebschicht 7.3 Bruchverhalten von Klebungen 7.3.1 Adhäsionsbruch 7.3.2 Kohäsionsbruch 7.3.3 Bruchmechanische Betrachtungsweise 7.4 Verhalten von Klebungen bei Beanspruchungen durch mechanische Belastungen und Umgebungseinflüsse . . . . 7.4.1 Allgemeine Betrachtungen 7.4.2 Alterung von Klebungen durch Feuchtigkeitseinflüsse . . . 7.4.2.1 Feuchtigkeitsdiffusion 7.4.2.2 Feuchtigkeitseinflüsse auf die Grenzschicht (bondline corrosion) 7.4.2.3 Feuchtigkeitseinflüsse auf die Klebschicht 7.4.2.4 Einfluss der Oberflächenvorbehandlung 7.4.2.5 Experimentelle Bestimmung der Feuchtigkeitsalterung . . 7.4.3 Korrosion in Klebungen 7.4.3.1 Unterwanderungskorrosion 7.4.3.2 Spaltkorrosion 7.4.3.3 Kontaktkorrosion 7.4.3.4 Spannungsrisskorrosion 7.4.4 Beanspruchungseinflüsse als Grundlage für die Berechnung von Metallklebungen 7.4.5 Wirkung energiereicher Strahlen auf Klebschichten . . . .

363 366 368 369 369 370 371 371 372 372 373 374 376 378 378 380 380 381 383 384 385 388 388 388 388 389 389 402

8 Festigkeiten von Metallklebungen 403 8.1 Allgemeine Betrachtungen 403 8.2 Einflußgrößen auf die Festigkeit von Metallklebungen . . . 404 8.3 Spannungen in Metallklebungen mit dünnen, verformungsarmen Klebschichten 406 8.3.1 Zugspannungen - Zugfestigkeit 407 8.3.1.1 Zugspannungen bei senkrechter und zentrischer (momentenfreier) Belastung 407 8.3.1.2 Spannungen beim Auftreten eines Biegemoments 409 8.3.1.3 Zugspannungen bei exzentrischer Belastung 409

Inhaltsverzeichnis

8.3.2 8.3.3 8.3.3.1

Schubspannungen - Schubfestigkeit Zugscherspannungen - Klebfestigkeit Spannungsverteilung bei unendlich starren Fügeteilen mit elastischer Klebschichtverformung ohne Auftreten eines Biegemoments 8.3.3.2 Spannungsverteilung bei elastischen Fügeteilen mit elastischer Klebschichtverformung ohne Auftreten eines Biegemoments 8.3.3.3 Spannungsverteilung bei elastischen Fügeteilen mit elastisch-plastischer Klebschichtverformung und Auftreten eines Biegemoments 8.3.3.4 Klebfestigkeit 8.3.3.5 Zusammenhang zwischen Klebfestigkeit und Klebschichtverformung 8.3.3.6 Abhängigkeit der Spannungsverteilung von der Temperatur 8.3.3.7 Experimentelle Bestimmung der Spannungsverteilung durch Schubspannungs-Gleitungs-Diagramme 8.3.4 Schälspannungen - Schälwiderstand 8.4 Einfluss der geometrischen Gestaltung der Klebfuge auf die Klebfestigkeit einschnittig überlappter Klebungen . . . 8.4.1 Überlappungslänge 8.4.1.1 Abhängigkeit der übertragbaren Last von der Überlappungslänge 8.4.1.2 Abhängigkeit der übertragbaren Last von der Überlappungslänge und der Temperatur 8.4.2 Fügeteildicke 8.4.3 Gestaltfaktor 8.4.4 Überlappungsverhältnis 8.4.5 Überlappungsbreite 8.4.6 Klebfläche 8.4.7 Klebschichtdicke 8.4.8 Einfluss der Überlappungslänge, Fügeteildicke und Klebschichtdicke auf das Biegemoment 8.4.9 Schäftung 8.5 Berechnung der Spannungsverteilung in einschnittig überlappten Klebungen 8.5.1 Spannungsverteilung bei Annahme eines linearen Spannungs-Verformungs-Verhaltens der Klebschicht . . . 8.5.1.1 Spannungsverteilung nach Volkersen 8.5.1.2 Spannungsverteilung nach Goland und Reissner 8.5.1.3 Vergleich der Berechnungsansätze nach Volkersen sowie Goland und Reissner mit experimentellen Ergebnissen . . 8.5.1.4 Spannungsverteilung nach Hart-Smith 8.5.2 Spannungsverteilung bei Annahme eines nichtlinearen Spannungs-Verformungs-Verhaltens der Klebschicht . . .

XV

412 413 413 414 417 417 421 423 424 428 431 431 434 437 438 439 440 441 442 442 446 448 449 450 450 452 452 454 454

XVI

8.5.3 8.5.3.1 8.5.3.2 8.5.3.3 8.5.3.4 8.5.3.5 8.5.3.6 8.5.3.7 8.5.4 8.6 8.7 8.7.1 8.7.2 8.8 8.9 8.10 8.10.1 8.10.2 8.10.3 8.11 8.12

Inhaltsverzeichnis

Spannungsverteilung auf der Grundlage theoretischer und experimenteller Ergebnisse 456 Verfahren nach Frey 456 Verfahren nach Winter und Meckelburg 457 Verfahren nach Müller 457 Verfahren nach Tombach 458 Verfahren nach Eichhorn und Braig 458 Verfahren nach Schlegel 458 Verfahren nach Cornelius und Stier 459 Berechnung der Spannungsverteilung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) 459 Festigkeit bei statischer Langzeitbeanspruchung 461 Festigkeit bei dynamischer Langzeitbeanspruchung . . . . 464 Zugschwellfestigkeit 465 Dauerschwingfestigkeit 465 Festigkeit bei schlagartiger Beanspruchung 469 Festigkeit bei Crash-(hochdynamischer-)Beanspruchung . 471 Elastisches Kleben 472 Grundlagen 472 Anwendungen 477 Berechnungsbeispiel 477 Erhöhung der Festigkeit durch Kombinationskiebungen . . 478 Abschließende Bemerkungen zum Festigkeitsverhalten von Metallklebungen 480

,

i

>

i j \ i

9 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8 9.2.9

Berechnung von Metallklebungen Allgemeine Betrachtungen Berechnungsansätze Einfluss der unterschiedlichen Festigkeiten von Fügeteilwerkstoff und Klebschicht Einflussparameter für die Berechnung von Metallklebungen Berechnung auf Grundlage der Klebfestigkeit Berechnung auf Grundlage der Volkersen-Gleichung nach Schliekelmann Abhängigkeit der übertragbaren Last von der Überlappungslänge nach der Volkersen-Gleichung Berechnungsbeispiele Berechnung unter Einbeziehung von Abminderungsfaktoren Klebnutzungsgrad Ergänzende Betrachtungen zu der Berechnung von Metallklebungen

10 Kleben runder Klebfugengeometrien 10.1 Kleben rohrförmiger Fügeteile 10.1.1 Einfluss der Klebschichtdicke auf die Festigkeit

483 483 484 484 486 487 488 494 495 498 500 503 505 506 506

? ; \ • j 1 j l j I | f

Inhaltsverzeichnis

10.1.2

XVII

10.1.5 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.2.1 10.2.2.2 10.2.2.3 10.2.2.4 10.2.3 10.2.4 10.3 10.3.1 10.3.2 10.4

Einfluss der Fügeteildicke und der Überlappungslänge auf die Festigkeit Berechnung der in axialer Richtung übertragbaren Last bei überlappten Rohrklebungen Berechnung der in tangentialer Richtung übertragbaren Last bei überlappten Rohrklebungen Wissensbasiertes System zum Kleben von Rohren Kleben von Welle-Nabe-Verbindungen Allgemeine Betrachtungen Berechnung von Welle-Nabe-Verbindungen Einfluss der Nabenbreite Einfluss der Klebschichtdicke und der Rautiefe Übertragbares Torsionsmoment Berechnungsbeispiel Festlegung von Abminderungsfaktoren Hydrostatisches Hochdruckinjektionskleben Klebschrumpfen Querpressklebverbindungen Längspressklebverbindungen Kegelpressverbindungen

11 11.1 11.2

Konstruktive Gestaltung von Metallklebungen Vorhandensein ausreichender Klebflächen Vermeidung von Spannungsspitzen

12 12.1 12.2 12.2.1 12.2.1.1 12.2.1.2 12.2.2 12.2.2.1 12.2.2.2

Technologie des Klebens 539 Allgemeine Betrachtungen 539 Oberflächenbehandlung der Fügeteile 542 Oberflächenvorbereitung 543 Säubern, Passend machen 543 Entfetten 544 Oberflächenvorbehandlung 547 Mechanische Oberflächenvorbehandlung 548 Kombinierte mechanische-chemisch/thermische Oberf l ä c h e n v o r b e h a n d l u n g (SACO-, Silicoater-Verfahren) . . . 551 Physikalische Oberflächenvorbehandlung 552 Chemische Oberflächenvorbehandlung 553 Elektrochemische Oberflächenvorbehandlung 554 Oberflächenvorbehandlung und Grenzschichtausbildung . 555 Oberflächennachbehandlung 555 Zusammensetzung der wichtigsten Beizlösungen 556 Klebstoffverarbeitung 558 Vorbereitung der Klebstoffe 558 Viskosität der Klebstoffe 560 Thixotropie der Klebstoffe 562 Rheologie 562

10.1.3 10.1.4

12.2.2.3 12.2.2.4 12.2.2.5 12.2.2.6 12.2.3 12.2.4 12.3 12.3.1 12.3.1.1 12.3.1.2 12.3.1.3

507 508 509 509 509 509 510 511 512 514 516 517 520 521 522 525 527 529 529 533

XVIII

12.3.2 12.3.2.1 12.3.2.2 12.3.3 12.3.3.1 12.3.3.2 12.3.3.3 12.3.3.4 12.3.3.5 12.3.4 12.3.5 12.4 12.4.1 12.4.1.1 12.4.1.2 12.4.2 12.4.2.1

Inhaltsverzeichnis

563 564 566 566 567 571 575 577 578 578 583 588 588 588 589 590

12.7 12.7.1 12.7.2 12.7.2.1 12.7.2.2 12.7.2.3 12.7.3 12.7.4 12.7.5 12.7.6 12.7.7 12.8 12.9 12.10

Mischen der Klebstoffe Statische Mischer Dynamische Mischer Dosieren und Auftragen der Klebstoffe Dosiersysteme Auftragssysteme Kaschieren, Laminieren Etikettieren Beflocken Abbinden der Klebstoffe Verfahren zum Abbinden der Klebstoffe Herstellung von Klebungen Kleben als Fertigungssystem Allgemeine Betrachtungen Klebtechnische Ausbildung Auswahl von Klebstoffen Auswahl von Klebstoffen unter anwendungsspezifischen Gesichtspunkten Rechnergestützte Klebstoffauswahl Kenndaten des Klebvorgangs Fehlermöglichkeiten beim Kleben und Abhilfemaßnahmen Klebtechnische Schadensfälle Sicherheits- und Umweltschutzmaßnahmen bei der Verarbeitung von Klebstoffen Klassifizierung wichtiger Klebstoffarten nach arbeitsphysiologischen und verarbeitungstechnologischen Gesichtspunkten Kombinierte (Hybrid-)Fügeverfahren Allgemeine Betrachtungen Punktschweißen - Kleben Verfahrensdurchführung Einfluss der Fügeteilwerkstoffe Mechanisches Verhalten von Punktschweißklebungen . . . Nieten/Schrauben - Kleben Stanznieten - Kleben Durchsetzfügen - Kleben Falzen - Kleben Schrumpfen - Kleben Kleben beölter Bleche Kleben in feuchter Atmosphäre (Unterwasserkleben) . . . Demontage von Klebungen („Entkleben")

13 13.1 13.2 13.2.1

Kleben metallischer Werkstoffe Allgemeine Betrachtungen Klebbarkeit wichtiger Metalle Aluminium und Aluminiumlegierungen

625 625 626 626

12.4.2.2 12.4.2.3 12.4.3 12.4.4 12.5 12.6

590 594 596 596 599 600 606 606 606 609 609 609 610 612 613 614 616 617 617 619 620

Inhaltsverzeichnis

XIX

13.2.2 13.2.3 13.2.4 13.2.5 13.2.6 13.2.7 13.2.8 13.2.9 13.2.10 13.2.11 13.2.12 13.2.13 13.3 13.4

630 631 631 631 632 633 633 634 635 635 636 638 640

14 14.1 14.1.1 14.1.2 14.1.2.1 14.1.2.2 14.1.3 14.1.3.1 14.1.3.2 14.1.3.3 14.1.3.4 14.1.4 14.1.4.1 14.1.4.2 14.1.4.3 14.1.4.4 14.1.4.5 14.1.4.6 14.1.4.7 14.1.4.8 14.1.4.9 14.1.4.10 14.1.5 14.1.5.1 14.1.5.2 14.1.5.3 14.1.5.4 14.1.6

Beryllium Blei Chrom, verchromte Werkstoffe Edelmetalle Kupfer Magnesium Messing Nichtrostende Stähle, Edelstahle Nickel, vernickelte Werkstoffe Stähle, allgemeine Baustähle Titan Verzinkte Stähle, Zink Kleben von Metallkombinationen Kleben von Blechen mit organischen und anorganischen Beschichtungen Kleben der Kunststoffe und weiterer nichtmetallischer Werkstoffe Kleben der Kunststoffe Grundlagen Mechanische Oberflächenvorbehandlung Reinigen der Oberfläche Aufrauhen der Oberfläche Chemische Oberflächenvorbehandlung Beizlösungen Gasphasenfluorierung Sulfonierung Ozonisierung Physikalische Oberflächenvorbehandlung Grundlagen der Plasma-Verfahren Niederdruckplasma-Vorbehandlung Atmosphärendruck - Plasma Oberflächenreinigung mittels Plasma Plasmapolymerisation Vorbehandlung mittels Corona-Entladung Beilammen Laser-Vorbehandlung Ionenätzen, Sputtern Nachweis reaktiver Gruppen an vorbehandelten Oberflächen Klebstoffe für Kunststoffe Lösungsmittelklebstoffe Diffusionsklebung Reaktionsklebstoffe Schmelzklebstoffe Klebbarkeit von Kunststoffen

642 645 645 645 652 652 653 654 654 655 656 657 657 657 659 663 665 665 666 672 674 677 678 678 679 679 681 682 682

XX

14.1.6.1 14.1.6.1.1 14.1.6.1.2 14.1.6.1.3 14.1.6.1.4 14.1.6.1.5 14.1.6.1.6 14.1.6.2 14.1.6.2.1 14.1.6.2.2 14.1.6.2.3 14.1.6.2.4 14.1.6.2.5 14.1.6.2.6 14.1.6.2.7 14.1.6.2.8 14.1.6.2.9 14.1.6.2.10 14.1.6.2.11 14.1.6.2.12 14.1.6.2.13 14.1.6.2.14 14.1.6.2.15 14.1.6.3 14.1.6.3.1 14.1.6.3.2 14.1.6.3.3 14.1.6.3.4 14.1.6.3.5 14.1.6.4 14.1.6.4.1 14.1.6.4.2 14.1.7 14.1.8 14.1.8.1 14.1.8.2 14.1.8.3 14.1.8.4 14.2 14.2.1 14.2.2 14.2.3

Inhaltsverzeichnis

Thermoplastische Kunststoffe, in organischen Lösungsmitteln löslich bzw. quellbar Polyvinylchlorid (PVC) Polystyrol (PS) Polymethylmethacrylat, Acrylglas (PMMA) Polycarbonat (PC) Celluloseacetat, Acetylcellulose (CA) Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere(ABS) Thermoplastische Kunststoffe, in organischen Lösungsmitteln unlöslich Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polytetrafluorethylen, Teflon (PTFE) Polyamide (PA) Polyethylenterephthalat, Polyester (PET, SP) Polyimide (PI) Polyamidimide Polyoxymethylen, Polyacetale (POM) Polyetherketone (PEK) Polyetherimide (PEI) Polysulfone (PSU) Polyphenylenether (PPE), Polyphenylenoxid (PPO) . . . . Polyphenylensulfide, Polyarylensulfide (PPS) Polyvinylidenfluoride(PVDF,PVF 2 ) Polyphenylchinoxalin (PCO) Duromere Kunststoffe, in organischen Lösungsmitteln unlöslich Epoxidharz-Kunststoffe (EP) Formaldehydkondensate Polyurethanschaum Silicon-Kautschuk Flüssigkristalline Polymere (liquid crystal polymer, LCP) . Faserverstärkte Kunststoffe Oberflächenvorbehandlung SMC/BMC-Formmassen Festigkeit und konstruktive Gestaltung von Kunststofflclebungen Kleben von Kunststoffen mit Metallen Spannungen in Kunststoff-Metall-Klebungen Konstruktive Gestaltung von Kunststoff-Metall-Klebungen Klebstoffe für Kunststoff-Metall-Klebungen Prüfung von Kunststoff- und Kunststoff-Metall-Klebungen Kleben von Glas Klebtechnische Eigenschaften der Gläser Oberflächenbehandlung Klebstoffe und Primer

683 683 684 684 685 686 686 686 686 687 689 690 690 690 691 691 691 692 692 692 693 693 693 694 694 694 694 695 695 695 697 699 700 703 703 707 708 709 710 710 713 714

Inhaltsverzeichnis

XXI

14.2.4 14.2.5 14.2.6 14.2.7 14.2.8 14.3 14.4 14.4.1 14.4.2

714 716 717 717 718 719 720 720

14.4.2.1 14.4.2.2 14.4.2.3 14.4.2.4 14.4.2.5 14.4.3 14.4.3.1 14.4.3.2 14.4.4 14.4.5 14.5 14.5.1 14.5.2 14.5.3 14.5.4 14.5.5 14.5.6 14.6 15 15.1 15.2 15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.2.4 15.3 15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.3.4 15.4 15.5 15.5.1 15.5.2

Strahlungshärtung Glasklebungen am Bau (Structural Glazing) Glasklebungen im Fahrzeugbau (Direct Glazing) Kleben von optischen Bauteilen Glas-Metall-und Glas-Kunststoff-Klebungen Kleben von Keramik Kleben von Gummi Allgemeine Betrachtungen Kleben von vulkanisiertem Gummi (Gummi-Gummi-Klebung) Oberflächenvorbehandlung Klebstoffe Bindung unvulkanisierter Kautschuke Ethylen/Prophylen-Dien-Terpolymerisate (EPDM) Gummi-Reparaturklebungen Gummi-Metall-Bindung Vernetzung mittels Resorzin-Formaldehyd Vernetzung durch Polyisocyanate Gummi-Glas-Klebungen Behälterauskleidungen Kleben von Holz Allgemeine Betrachtungen Klebtechnische Eigenschaften von Holz Klebstoffe Anforderungen an Holzklebungen Herstellung von Holzklebungen Qualifizierung Kleben poröser Werkstoffe

721 721 722 723 723 725 725 726 727 728 728 729 729 729 730 734 735 735 736

Industrielle Anwendungen des Klebens 739 Allgemeine Betrachtungen 739 Kleben in der Luft-und Raumfahrt 739 Technologische Hintergründe 739 Geschichtliche Entwicklung 741 Typische Anwendungen 742 Klebstoffe 743 Kleben im Fahrzeugbau 745 Allgemeine Betrachtungen 745 Klebtechnische Anwendungen 745 Klebstoffe 751 Berechnungsbeispiel für die Klebschicht-Dimensionierung einer Bus-Frontscheibe 753 Kleben im Maschinenbau 754 Kleben in der Elektronik 756 Anwendungen 758 Klebstoffverarbeitung 759

XXII

Inhaltsverzeichnis

15.5.3 Mikroverbindungstechnik 15.6 Kleben in der Papierverarbeitung 15.6.1 Klebstoffe 15.6.2 Kleben von gebundenen Erzeugnissen 15.6.3 Einfluss der Klebstoffe auf das Papierrecycling 15.6.4 Weitere Anwendungen 15.7 Kleben in der Verpackungsindustrie 15.8 Kleben in der Schuh-und Lederindustrie 15.8.1 Klebstoffe und Klebstoffverarbeitung 15.8.2 Oberflächenbehandlung 15.9 Kleben und Dichten in der Bauindustrie 15.10 Kleben in der Medizin 15.10.1 Gewebeklebungen 15.10.2 Haftklebstoffe, Klebebänder 15.10.3 Transdermale therapeutische Systeme 15.10.4 Zahnbehandlung 15.10.5 Kleben medizinischer Geräte 15.11 Anwendungen des Klebens bei Reparaturen 15.11.1 Metallische Werkstoffe 15.11.2 Kunststoffe 15.11.2.1 Starre Werkstoffe 15.11.2.2 PVC-Folien 15.11.2.3 Gummierte Fasergewebe 15.11.3 Porzellan 15.11.4 Holz 15.12 Literatur zu weiteren Anwendungen 16 Prüfung und Qualitätssicherung von Klebstoffen und Klebungen 16.1 Allgemeine Betrachtungen 16.1.1 Qualitätsmanagement in der Klebtechnik 16.1.2 Einzelmaßnahmen für ein Qualitätssicherungskonzept „Fertigungssystem Kleben" 16.2 Zerstörende Prüfverfahren 16.2.1 Prüfverfahren für statische Kurzzeitbeanspruchungen . . . 16.2.1.1 Beanspruchung auf Zugscherung 16.2.1.2 Beanspruchung auf Schub (Schubspannungs-GleitungsVerhalten, Verdrehscherfestigkeit) 16.2.1.3 Beanspruchung auf Zug (Zugfestigkeit) 16.2.1.4 Beanspruchung auf Druckscherung (Druckscherfestigkeit) 16.2.1.5 Beanspruchung auf Torsion (Torsionsscherfestigkeit, Losbrechmoment) 16.2.1.6 Beanspruchung auf Schälung (Winkelschälversuch, Nass-Schäl-Test, Rollenschälversuch, Klettertrommelschälversuch, Folienschälversuch) 16.2.1.7 Beanspruchung auf Spaltung (Biegeschälversuch, Keiltest)

761 762 762 763 763 764 765 766 766 767 767 768 768 769 770 770 771 772 772 774 774 775 775 775 776 776 777 111 778 779 780 781 781 783 784 785 785 786 789

Inhaltsverzeichnis

XXIII

16.2.2

Prüfverfahren für statische und dynamische Langzeitbeanspruchungen 16.2.2.1 Prüfung der Zeitstandfestigkeit 16.2.2.2 Prüfung der Dauerschwingfestigkeit 16.2.3 Prüfung bei schlagartiger Beanspruchung 16.2.4 Prüfverfahren für Langzeitbeanspruchung unter Alterungseinflüssen 16.2.4.1 Allgemeine Betrachtungen 16.2.4.2 Abkürzungsverfahren für Langzeitbeanspruchungen . . . 16.2.5 Prüfung mittels Schallemissionsanalyse 16.3 Zerstörungsfreie Prüfverfahren 16.3.1 Verfahren auf Basis mechanischer Vibration (Ultraschall) . 16.3.1.1 Resonanzverfahren 16.3.1.2 Impuls-Echo-Verfahren 16.3.1.3 Spektralanalyse mit niedrigen Prüffrequenzen 16.3.1.4 Impact-Resonanz-Methode 16.3.2 Elektrische Verfahren 16.3.3 Thermische Verfahren 16.3.3.1 Optisch angeregte Lockin-Thermographie 16.3.3.2 Ultraschall angeregte Lockin-Thermographie 16.3.4 Strahlungsverfahren 16.3.4.1 Röntgenstrahlung 16.3.4.2 Neutronenradiographie 16.3.5 Holographische Verfahren 16.4 Prüfung von Polymereigenschaften und Härtungsreaktionen 16.4.1 Dynamisch-Mechanische-Thermoanalyse (DMTA) Dynamisch-Mechanische-Analyse (DMA) 16.4.2 Differenzial-Thermo-Analyse (DTA) Dynamische-Differenz-Kalorimetrie (DDK) Differenzial-Scanning-Calorimetrie (DSC) 16.4.3 Torsionsschwingungsversuch 16.4.4 Dielektrische Analyse (DEA) Dielektrische-Thermoanalyse(DETA) 16.4.5 Thermogravimetrische Analyse (TGA) Thermogravimetrie (TG) 16.4.6 Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit 16.4.7 Thermomechanische Analyse, Dilatometrie (TMA) . . . . 16.4.8 Mikrothermische Analyse (uTA) 16.4.9 Infrarot-(IR)-Spektroskopie 16.4.10 Kern-(Spin-)Resonanz-Spektroskopie (Nuclear-Magnetic-Resonance NMR) 16.4.11 Chromatographie 16.4.12 Weitere in der Literatur beschriebene Methoden

793 793 794 794 795 795 796 800 801 802 803 803 804 804 805 805 805 806 806 806 807 807 807 808 812 812 812 813 813 813 814 814 814 815 815 815 817 818 819

XXIV

17 17.1 17.1.1 17.1.2 17.1.3 17.1.4 17.1.4.1 17.1.4.2 17.1.4.3 17.1.4.4 17.1.4.5 17.1.5 17.1.6 17.1.7 17.1.8 17.1.9 17.1.10 17.1.11 17.1.12 17.1.13 17.1.14 17.1.15 17.1.16 17.2 17.3 17.4 17.5 18

19

Inhaltsverzeichnis

Anhang 821 Verzeichnis von Normen, Standards, Richtlinien und Merkblättern zum Kleben und zu verwandten Gebieten . 821 Allgemeine Normen 822 Definitionen und Prüfungen von Klebstoffen; Klebstoffverarbeitung 822 Prüfung von Metallklebungen 823 Kunststoffe 825 Kurzbezeichnungen, Einteilung 825 Prüfung mechanischer und physikalischer Eigenschaften . 826 Kleben von Kunststoffen und Kunststoff-MetallKlebungen 826 Prüfung von Polymereigenschaften 827 Faserverstärkte Kunststoffe 827 Gummi, Elastomere 827 Oberflächenbehandlung und-prüfung 828 Alterungs-und Klimaprüfungen 828 Dichtstoffe 829 Klebebänder 830 Schmelzklebstoffe 830 Kleben von Holz 830 Kleben von Leder-und Schuhwerkstoffen 831 Kleben in der Papierverarbeitung 831 Kleben in der Bauindustrie 832 Prüfung von Oberflächen und Materialeigenschaften . . 833 Definitionen und Messungen mechanischer, physikalischer und thermodynamischer Größen 833 Verzeichnis ausgewählter ASTM-Methoden für die Prüfung von Klebstoffen und Klebungen 834 Kurzzeichen für Klebstoffgrundstoffe und Kunststoffe . . 837 Ausgewählte Umrechnungsfaktoren angelsächsischer Einheiten und SI-Einheiten für klebtechnische Berechnungen 840 Ausgewählte deutsch-englische und englisch-deutsche Begriffe aus dem Gebiet des Klebens 841 Literatur Veröffentlichungen aus nationalen und internationalen Fachzeitschriften Bücher aus dem deutschen Sprachraum Bücher aus dem angelsächsischen Sprachraum

863 863 1021 1022

Sachverzeichnis

1025