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Viskosität von Klebstoffen Alterung der Molekülverbunde in Klebefugen untersuchen

| Autor / Redakteur: Gerhard Simon* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Belastungen durch wechselnde Temperaturen, Zug- und Druckkräfte beeinflussen die Alterung von Klebefugen und können zum Bruch einer Verklebung führen. Die physikalischen Eigenschaften, insbesondere die Viskosität des Klebstoffes spielen beim Alterungsprozess eine wesentliche Rolle.

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Abb. 1: Die Eigenschaften vieler Klebstoffe werden durch Druck-, Zug- oder Temperaturänderungen beeinflusst.
Abb. 1: Die Eigenschaften vieler Klebstoffe werden durch Druck-, Zug- oder Temperaturänderungen beeinflusst.
(Bild: © roberaten - Fotolia.com)

Ein Klebstoff ist per Definition ein Werkstoff, der zwei Flächen durch Adhäsion; die Haftung an der Fläche und Kohäsion; die Haftung der Klebstoffmoleküle aneinander; miteinander verbindet. Eine solche Klebefuge, wie der mit Klebstoff gefüllte Raum zwischen den zwei Flächen genannt wird, ist in der Regel hohen Belastungen durch Zugkräfte oder Druck, aber auch Temperaturschwankungen und Licht und dadurch Alterungsprozessen ausgesetzt. Diese Belastungen können über die Zeit zum Bruch der Fuge führen. Selbst nach vielen Jahren kann es so zum plötzlichen Zusammenbruch von Baukonstruktionen kommen – mit zum Teil schweren Folgen. Die Eissporthalle in Bad Reichenhall zum Beispiel brach nach vielen Jahren plötzlich unter der Last des Schnees zusammen. Bei dem ICE-Unglück von Eschede im Jahr 1998 kam es durch die wechselnde Beanspruchung mit unterschiedlichen Kräften zum Bruch der mit Hartgummi gefederten Räder, die bereits seit mehreren Jahren in Benutzung waren. Und auch in der Textilindustrie brechen polymere Fasern durch die wechselnden Kräfte, die beim Färben des Gewebes auf die Fasern wirken. Die unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften, durch die sich Klebstoffe auszeichnen, haben einen wesentlichen Anteil an diesen Alterungsprozessen. Sie betreffen unter anderem die Form, Anordnung und Vernetzung der Moleküle. Darüber hinaus sind besonders das Fließverhalten oder die Viskosität eines Klebstoffes für die Beurteilung seiner „Klebrigkeit“ und Haltbarkeit von Bedeutung.

Das Ausschwingverfahren thixotroper Körper

Klebstoffe und Klebefugen sind thixotrope Körper. Das bedeutet, bei konstanter mechanischer Belastung, durch z.B. eine Scherkraft, nimmt ihre Viskosität mit der Zeit ab. Der Kleber wird flüssig. Erst wenn die Belastung nachlässt, nimmt der Klebstoff wieder seine feste Form an. Das eingängigste Beispiel für eine thixotrope Flüssigkeit ist der Ketchup. Erst nach einigem kräftigen Schütteln wird der Ketchup flüssig und läuft aus der Flasche.

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Ein einfacher Zug-Schertest wird in der Prüfung von Klebstoffen und Klebefugen verwendet, um das thixotrope Verhalten nachzuweisen. Die Fuge wird mithilfe eines elektronischen Zugprüfgeräts bis zu einer zuvor festgelegten Kraft gedehnt und danach sich selbst überlassen. Bei Fluiden fällt die Kraft durch das Fließen in der Klebefuge nun wieder ab, die Dehnung bleibt konstant. Bei Festkörpern, wie zum Beispiel Metallen erfolgt kein derartiger Abfall der Kraft. Der zeitliche Verlauf der Kraft wird in einem Kraft/Zeit-Diagramm aufgezeichnet, das als Ausschwingkurve bezeichnet und für die Beurteilung des Fließverhaltens herangezogen wird. Bei Newton‘schen Flüssigkeiten mit konstanter Viskosität, wie zum Beispiel Wasser, fällt die Kraft auf Null zurück. Bei thixotropen Fluiden jedoch fällt die Kraft zwar ab, nähert sich dann aber einem konstanten Wert, der größer ist als Null und als Standfestigkeit bezeichnet wird. Denn unter Belastung verhält sich der Klebstoff zwar wie eine Flüssigkeit und die Kraft fällt ab. In Abhängigkeit von der Zeit nehmen die Belastung und die Viskosität weiter ab und nähern sich den festen Werten der Fließgrenze und der komplexen Ruheviskosität. In einer Erweiterung des Verfahrens wird die Dehnung und damit die Kraft nun schnell auf Null zurückgesetzt. Ohne weiteres Zutun steigt die Kraft bei thixotropen Fluiden danach zeitabhängig wieder auf die so genannte Memorykraft an (s. Abb. 1). Unter bestimmten Gleichgewichtsbedingungen lassen sich durch die Auswertung einer erweiterten Ausschwingkurve verschiedene charakteristische Parameter von Klebstoffen oder von bereits bestehenden Verklebungen berechnen, so die Standfestigkeit, d.h. Festigkeit der Verklebung, die Fließgrenze, welche die minimale Kraft bezeichnet, die notwendig ist, um einen Stoff zum Fließen zu bringen, die Viskosität, die Oberflächenspannung und auch die Klebrigkeit, die als Tack bezeichnet wird. Für die zum Teil aufwändigen Berechnungen sind entsprechende Softwareprogramme auf dem Markt verfügbar.

Struktur von Makromolekülen und die Viskosität

Von der Thixotropie ist bekannt, dass die Struktur der Makromoleküle oder Polymere des Körpers einen entscheidenden Einfluss auf das viskose Verhalten ausübt.

Bei der Ausübung einer Scherkraft zum Beispiel kommt es zu einer Streckung der Polymere und damit zur Änderung ihrer ursprünglichen Struktur. Die Makromoleküle orientieren sich und sind nicht mehr miteinander verhakt – man spricht auch von Verhängungen und Verschlaufungen. Eine Temperaturerhöhung wirkt sich auf die gleiche Weise aus, ebenso spielt die Dauer einer mechanischen Kraftausübung wie der Scherung eine Rolle. Der Strukturabbau hat zur Folge, dass die Viskosität des Stoffes abnimmt. Sie wird als Bewegungsviskosität bezeichnet. In Ruhe, also ohne äußere Einwirkung, kommt es wieder zu einem Strukturaufbau, zu Verhängungen und Verschlaufungen der Polymere und damit zur Erhöhung der Viskosität, der Ruheviskosität.

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