Das Kleben wurde schon recht früh erfunden. Konnte doch der Mensch am Anfang nur Werkzeuge schaffen in dem er Steine oder Äste geteilt hat, so versetzte das Kleben den Menschen in die Lage das Geteilte neu zu ordnen und zusammen zu fügen. Die ersten Klebstoffe die er dafür verwendet hat waren Baumsäfte und Blut. Diese härteten beim trocknen aus und hielten dadurch die Werkstücke zusammen. Mit der Zeit kamen immer neue Klebstoffe hinzu. Den größten Sprung aber erlebten die Klebstoffe in den letzten Jahren durch die organische Chemie. Es gibt mittlerweile für jeden Spezialfall den passenden Kleber. Daher wäre es müßig hier alle aufzuzählen und zu beschreiben. Zum Glück bittet jeder Klebstoffhersteller Listen oder Poster an wo man dies nachlesen kann.
Aber warum benötigt man so viele Klebstoffe? Gibt es nicht den einen Klebstoff der alles kleben kann? Schauen wir uns dazu erst mal an wie überhaupt Kleben funktioniert.
Hört man etwas von kleben, so hört man mit Sicherheit auch die Begriffe "Adhäsion" und "Kohäsion". Die Begriffe stehen für die Äußeren und Inneren Kräfte des Klebstoffes oder aller Materialen allgemein. Aus der Schule wird dem einen oder anderen das Beispiel mit der Tafel und mit der Kreide noch in Erinnerung sein. Also gut wärmen wir diese Erinnerung noch mal auf.
Ist die Kraft die dafür sorgt das die Kreide nicht von der Tafel fällt. Es sind die Kräfte die zwischen Unterschiedlichen Molekülen entstehen wenn diese sehr dicht zusammen gebracht werden.
Ist die Kraft die dafür sorgt, das die Kreide oder die Tafel nicht auseinander fällt. Es sind die Kräfte, in den Molekülen die das Objekt bilden und deswegen zusammen halten.
Schaut man sich eine Klebestelle im Detail an, so gibt es dort 5 Bereiche wo diese Kräfte beachtet werden müssen:
1. Im Werkstück a) sorgen die Kohäsionskräfte dafür dass das Werkstück zusammen hält.
2. An der Grenzschicht von Werkstück a) zu dem Klebstoff b) herrschen Adhäsionskräfte die dafür sorgen, das der Klebstoff am Werkstück haften bleibt.
3. In dem Klebstoff b) sorgen Wiederum Kohäsionskräfte dafür das der Klebstoff zusammen hält.
4. In der zweiten Grenzschicht zwischen Klebstoff b) und dem Werkstück c) herrschen wieder Adhäsionskräfte.
5. Zum Schluss im Werkstück c) sorgen Kohäsionskräfte für den Zusammenhalt.
Damit eine Klebestelle ideal hält, müssen alle Kräfte so gut es geht im jeden Punkt zum tragen kommen. In den Punkten 1 und 5 haben wir so gut wie keinen Einfluss darauf, wie das Werkstück zusammen hält. Aber in den Punkten 2, 3 und 4 können wir dafür sorgen das Ideale Bedienungen für die Klebung herrschen. Die Punkte 2 und 4 fassen wir zusammen, weil es sich hier um die Grenzschicht zwischen Werkstück und Klebstoff handelt und genau hier passieren auch dem Anwender die meisten Fehler. Den die Adhäsionskräfte hängen nicht nur vom Kleber ab, sonder auch von dem Werkstoff. Der gleiche Kleber kann bei unterschiedlichen Werkstoffen eine unterschiedlich hohe Adhäsionskraft entwickeln. Im Extremfall kann es passieren, das der Kleber gar nicht hält. Daher die große Vielzahl an Klebstoffen.
Durch die Einfachheit des Klebens, ist der Anwender dazu geneigt, einfach den Klebstoff auf die Klebefläche aufzutragen. Leider ist es nicht ganz so einfach. Auf den meisten Packungen steht immer der Satz
"Staub und Fettfrei"
Was will uns der Hersteller damit sagen? Er will das wir die Klebeflächen vorbehandeln, so das nur der reine Werkstoff des Werkstückes an der Klebefläche zu finden ist. Staub und Fette sind dabei die meisten Verunreinigungen. Diese kommen von dem Herstellungsprozess oder auch nur einfach weil wie das Werkstück angefasst haben. Der Mensch sondert an seinen Handflächen genug Fett und Schweiß ab um die Klebefläche zu verunreinigen. Hinzu kommt dann noch der Allgegenwärtige Staub. Neben diesen beiden Hauptverunreinigungen gibt es auch noch andere nicht so schnell zu findende Dinge die der Klebung keinen gefallen tun. Das wäre z.B. Oxidschichten und Luftfeuchtigkeit.
Damit also der Klebstoff nur am Werkstoff haftet, muss all der Dreck entfernt werden. Dabei geht man wie folgt vor:
1. Anschleifen der Klebefläche.
Dies sorgt dafür, das Oxidschichten oder fest haftende Dreckschichten abgelöst werden.
2. Entstauben
Wenn vor dem Schleifen kein Staub auf dem Werkstück war dann jetzt. Der Staub kann am besten mit einem Lappen oder Bürste entfernt werden.
3. Entfetten
Wir wissen nicht was vorher mit in dem Lappen oder auf dem Werkstück war, es war aber mit Sicherheit Fett dabei. Dieses bekommen wir am besten mit Alkohol oder Azeton weg. Hierbei bieten sich Küchentücher aus Papier an. Keinen Stofflappen nehmen, den die Tücher werden nach dem reinigen der Klebestelle entsorgt. Durch das Lösungsmittel wird nämlich das Fett nur angelöst und nicht aufgelöst. Es befindet sich dann nämlich im Lappen der es aufgesogen hat.
Da direkt nach dem reinigen die Werkstatt bemüht ist den alten Zustand der Klebefläche herzustellen, sollte das reinigen erst kurz vor dem kleben erfolgen. Beim entfetten sollte darauf geachtet werden, das nicht zu viele Lösungsmittel genommen werden und nur welche die den Werkstoff nicht anlösen. Wir würden sonst das Werkstück zerstören oder müssten lange warten bis das Lösungsmittel verdunstet ist.
Das Anrauen der Oberfläche hat nicht nur den Vorteil das Störende Schichten entfernt werden, sondern es wird auch die Oberfläche vergrößert indem viele kleine Kerben entstehen. Es sollte hier aber auch nicht übertrieben werden, weil zu große Kerben das Werkstück schwächen.
Als nächstes kommt dann der Klebstoff auf die Klebeflächen. Aber bevor wir damit weiter machen, schauen wir uns erst mal an was für Klebstoffe es gibt. Den es hängt auch von dem Klebstoff ab, wie wir diesen auf das Werkstück bringen.
Es gibt zwei große Gruppen von Klebstoffen die wir verwenden.
- Gelöste Klebstoffe
Hier befindet sich der Klebstoff in einem Lösungsmittel. Dieses Lösungsmittel sorgt dafür, das der Klebstoff flüssig bleibt und somit gut auf der Klebefläche verteilt werden kann. Das Lösungsmittel gibt uns auch Zeit etwaige Korrekturen der Position vorzunehmen. Unter gelösten Klebstoffen fallen Kleber wie Leim und Kleister. Gelöste Klebstoffe bestehen meist aus nur einer Komponente und sind daher sehr einfach zu handhaben. Es muss aber darauf geachtet werden, das immer genügend Frischluft Zufuhr herrscht, da der Klebstoff durch das Verdunsten des Lösungsmittel aushärtet. Diese Lösungsmittel sind alle nicht gerade Gesundheitsfördernd.
- Komponenten Klebstoffe
Diese Klebstoffe kommen meist in zwei oder mehr Flaschen zu uns. Bei Epoxydharzen spricht man von Harz und Härter. Es sind zwei verschiedene Monomere die zusammen gemischt aushärten. Es sind also richtige Kunststoffe. Bei den meisten Reaktionen fällt kein Kondensat oder Lösungsmitteldampf an.
Des weiteren wird jetzt auf den speziellen Eigenarten der beiden Klebstoffgruppen eingegangen.
Gelöste Klebstoffe
Wie vorhin schon beschrieben, befindet sich der Klebstoff in ein Lösungsmittel. Wir müssen also dafür sorgen, das nach dem auftragen des Klebers das Lösungsmittel verdampfen kann. Wir finden dazu einige Hinweise auf den Verpackungen des Klebstoffes. So muss ein bestimmter Temperaturbereich in der Werkstatt herrschen wo wie kleben wollen. Im Prinzip kann man sagen je wärmer desto besser. Nur je besser das Lösungsmittel verdampft, desto weniger Zeit bleibt uns die Werkstücke zusammen zu fügen. Da es den meisten Menschen bei Zimmertemperatur am angenehmsten ist, müssen auch für die meisten Klebstoffe diese Temperaturen herrschen. Es ist der Bereich um die 23°C.
Ist draußen schönes Wetter, sollte man unbedingt draußen kleben wenn man die Möglichkeit hat. Manche Lösungsmittel haben eine sehr schlechte Wirkung auf den Menschlichen Körper und sollten deswegen nicht unterschätz werden. Außerdem sollte absolutes Rauch, Eß und Trinkverbot herrschen solange sich die Lösungsmittel im Raum befinden. Es sind durch die Lösungsmittel und Raucher schon einige schwere Verpuffungen entstanden.
Bei Porösen Werkstoffen hat das Lösungsmittel zwei Richtungen in denen es verdampfen kann. Hier trocknet der Klebstoff recht schnell aus. Bei nicht porösen Werkstoffen bleibt nur die Klebefläche selber und hier treffen wir wieder auf eine Stelle wo viele einen Fehler begehen. Wird nämlich bei einem nicht porösen Werkstoff der Kleber aufgetragen, und direkt danach die Klebeflächen zusammen gepresst, so hat das Lösungsmittel keine Change zu verdampfen. Wir haben also eine Klebestelle geschaffen wo weiterhin gelöster Klebstoff vorhanden ist, und dieser hält nicht. Meistens verdunstet mir der Zeit das Lösungsmittel durch den Spalt zwischen den Werkstücken, doch kann man diesen Vorgang optimieren in dem man den Kleber erst etwas Zeit gibt das Lösungsmittel verdunsten zu lassen. Bei viele Klebern steht daher eine Zeitangabe drauf, wie lange man warten sollte bis man die Bauteile zusammen fügt.
Beim zusammenfügen machen viele einen weiteren Fehler. Es ist nämlich nicht die Zeit entscheidend mit der die Klebefläche zusammen gepresst wird, sondern die Kraft mit der das geschieht. Der Schuster z.B. Klopf die Klebefläche der Sohle mit einem Hammer ab um punktuell eine Hohe Kraft zu erzeugen. Warum das so ist, wird durch ein einfaches Experiment deutlich. Man nimmt ein Stück beidseitiges Klebeband und klebt damit etwas auf eine Glasscheibe fest. Dann betrachtet man sich die Klebefläche durch die Scheibe. Man wird feststellen, das weniger als 50% der gesamten Klebefläche überhaupt Kontakt zum Glas hat. Dies wird auch dann noch so sein, wenn man doppelt so lange die Werkstücke zusammen presst. Erhöht man aber die Kraft, so wird sich lokal der Kleber und das Werkstück leicht verformen und sie werden sich näher kommen und somit eine Größere Klebfläche erzeugen.
Komponenten Klebstoffe
Da der Klebstoff in zwei Komponenten vorliegt, können wir schon direkt am Anfang was falsch machen. Den diese Komponenten müssen gemischt werden, aber wie?
Ist kein Dosierwerkzeug dabei, so steht meist die Dosierung auf der Packung drauf. Hier muss aufgepasst werden ob es sich um Volumen oder Gewichtsangaben handelt. Haben nämlich beide Komponenten unterschiedliche Dichten, kann man das ideal Mischungsverhältnis nicht mehr treffen. Viele kommen auch auf den Gedanken das durch mehr Härter der Klebstoff schneller aushärtet. Hier ist Vorsicht geboten. Es gibt Klebstoffe und Kunststoffe da trifft so was zu. Meist führt aber auch bei diesen eine zu schnelle Aushärtung nur zu unschönen Ergebnissen.
Dadurch das die Moleküle Ketten bilden, kommt es dazu, das zum Ende der Reaktion die letzten freien Monomere nicht mehr bis zu einem Ende der Ketten vordringen können. Sie verbleiben dann einfach irgendwo im Klebstoffgefüge. In der Regel sind es 80% die nur aushärten. Man kann die Aushärtung durch Wärmezufuhr von außen unterstützen. Man sollte das aber auch nur dann machen wenn man davon Ahnung hat, den es kann auch schief gehen.
Mischt man also zuviel einer Komponente dazu, so kann es dazu führen das der Klebstoff nicht aushärtet und sehr weich und klebrig bleibt. Man kann hier durch nach tempern versuchen noch einiges zu retten, doch es ist ratsamer das ganze noch mal von vorne zu beginnen.
Damit die Komponenten ideal aushärten müssen wir auch richtig mischen. Hier kann man auch zuviel umrühren. Bei den Klebern wo dies der Fall ist, wird aber extra auf der Packung das mischen beschrieben. Bei manchen Klebern werden die einzelnen Komponenten auf jeweils einer Klebefläche getrennt aufgetragen. Nach dem Zusammenpressen härtet der Kleber trotz fehlendem mischen besser aus, als wenn man versuchen würde durch verreiben der Klebeflächen zu mischen. Es sind Kleber die sehr schnell aushärten. Durch das mischen werden entstandene Molekülketten wieder zerstört.
Neben den oben genannten Hauptgruppen gibt es auch ein paar Ausnahmen die für uns in betracht kommen. Das wären einmal Klebefolien, Heißkleber und Sekundenkleber.
Bei Klebefolien ist der Kleber schon fertig aufgetragen. Durch Kontakt mit der Klebefläche haftet dieser sofort. Dieses sofortige haften sorgt dafür das wir keine Möglichkeit einer Korrektur haben. Man kann sich aber eines kleinen Tricks behelfen. Streicht man vor dem kleben die Klebefläche mit einer Seifenwasserlösung ein, so kann der Klebefilm erst mal nicht haften, weil eine ganz dünne Molekülschicht des Wasser auf der Oberfläche haftet. Jetzt haben wir genug Zeit Korrekturen vorzunehmen und etwaige Luftblasen auszustreichen. Das Wasser wird mit der Zeit durch die Klebefolie hindurch divundieren und verschwinden.
Heißkleber ist ein Kunststoff der aufgeschmolzen werden kann. Dadurch passt er sich sehr gut der Kontur der Klebefläche an.
Sekundenkleber ist ein Monomer welches kein zweites Molekül benötigt um auszuhärten. Wird die Reaktion einmal in Gang gesetzt, härtet der Kleber durch. Gestartet wird die Reaktion mit Wasser. Wasser ist allgegenwärtig und deswegen klebt der Kleber auch sofort. Auf Haut klebt der Kleber besonders gut, weil diese besonders feucht ist.
Neben der falschen Verarbeitung des Klebers, kann auch die konstruktive Form der Klebestelle dazu beitragen das der Kleber versagt. Es gibt drei Belastungsfälle die bei einer Klebestelle auftreten können.
1. Zugbeanspruchung
Hier wird der Kleber senkrecht zur Klebefläche beansprucht. In der ganzen Fläche treten die gleichen Kräfte auf. Durch leichtes kippen der Beanspruchungsrichtung entsteht der zweite Fall.
2. Schellbelastung
Bei dieser Belastung entsteht eine Spannungsspitze senkrecht zur Klebefläche. Diese ist so hoch das sich lokal der Kleber ablöst. Dadurch wandert diese Stelle weiter über die gesamte Klebefläche. Es ist die Art von Belastung die wir verwenden wenn wir versuchen einen alten Aufkleber von einer Oberfläche abzulösen.
3. Scherbelastung
Ist die idealste Form der Kraftübertragung durch eine Klebestelle. Die Kraft wird nahezu parallel zur Klebefläche eingeleitet. Durch elastisches verformen der Klebestelle und des Werkstoffes entsteht ein Spannungsgefälle ohne Spannungsspitzen.
Bei der Auslegung einer Klebestelle sollte immer darauf geachtet werden, das man möglichst den dritten Fall bekommt.
Wie groß muss aber eine Klebestelle sein damit diese den Anforderungen stand hält?
Das hängt ganz von den Elastizitäten und Festigkeiten der beteiligten Werkstoffe ab. Meist wird eine Klebestelle zu groß ausgelegt. Wer will kann sich mit den Werkstoffkennwerten auseinander setzen und die Klebestelle berechnen. Falls eine Klebestelle versagt, kann man an folgenden Punkten erkennen was falsch gelaufen ist.
1. Die Klebestelle hat sich zwischen Werkstoff und Kleber gelöst
Hauptursache ist meist eine nicht sauber vorbereitete Klebefläche. Kann man dieses ausschließen, so handelt es sich um eine falsche Kleber-Werkstoff Kombination.
2. Die Klebestelle ist im Klebstoff gebrochen.
Hier muss die Bruchstelle geprüft werden. Sind kleine Luftblasen vorhanden an denen Spannungsspitzen auftreten können?
Fühlt sich der Kleber noch weich und klebrig an, dann war das Mischungsverhältnis nicht ausgewogen oder die Klebestelle wurde zu früh belastet.
War der Spalt zwischen den Klebeflächen zu groß oder die Belastungsrichtung falsch gewählt? Es traten einfach Kräfte auf, die für die Kohäsionskräfte des Klebers zu groß waren.
3. Die Bruchstelle verläuft durch das Werkstück.
Hier hat der Kleber besser gehalten als das Werkstück. Dies passiert sehr häufig bei Holz. Man kann diesem Bruch begegnen indem man die Klebefläche erhöht.
4. Der Bruch verläuft abwechselnd durch den Kleber und Werkstoff.
Hier verlief alles perfekt. Die einwirkenden Kräfte waren aber einfach zu hoch. Die Klebestelle muss größer ausgelegt werden.