Untersuchungen zum Kleben von Kunststoffen

84 Pages·1965·1.817 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Alfred H. Henning, Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Krekeler, Dipl.-Ing. Josef Eilers (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1553
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 678.029.42
Prof. Dr.-Ing. Alfred H. Henningt
Prof Dr.-Ing. habil. Karl Krekeler
Dipl.-Ing. Jose] Eilers
Institut für Kunststoffverarbeittlng in Industrie und Handwerk
der Rhein.-WestJ. Techn. Hochschule Aachen
Untersuchungen zum Kleben von Kunststoffen
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-06576-0 ISBN 978-3-663-07489-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07489-2
Verlags-Nr.011553
© 196 5 b y Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1965
Inhalt
Erläuterung der verwendeten Abkürzungen und Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1. Einführung in die Versuchsaufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
1.1 Die Fügeverfahren im allgemeinen und das Kleben insbesondere 11
1.2 Physikalisch-chemische Grundlagen der Klebtechnik .......... 16
1.3 Aufgabe dieser Untersuchungen ............................ 18
2. l'vlaterial ....................................................... 21
2.1 Zu klebende Werkstoffe.................... ............... 21
2.2 J<:lebstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
3. Probenformen und Prüfverfahren ................................. 26
3.1 Proben, die im Zugscherversuch geprüft werden ............. 26
3.2 Proben, die im Druckscherversuch geprüft werden ........... 26
4. Maschinen und Geräte ........................................... 28
5. Durchführung und Auswertung der Versuche zur Ermittlung der
optimalen Arbeitsbedingungen und des Einflusses der Prüftemperatur
und der Alterung (nur beim PVC und schlagf. PS) auf die Klebfestigkeit 31
5.1 Untersuchungen an PVC (PVC hart; S- und E-PVC; schlagf.
PVC) ................................................... 31
5.1.1 Ermittlung der optimalen Klebbedingungen ................. 31
5.1.2 Einfluß der Prüftemperatur auf die Klebfestigkeit . . . . . . . . . . . .. 42
5.1.3 Einfluß der Alterung auf die Klebfestigkeit .................. 45
5.2 Untersuchungen an schlagf. PS ............................ 47
5.2.1 Ermittlung der optimalen Klebbedingungen ................. 48
5.2.2 Einfluß der Prüftemperatur auf die Klebfestigkeit . . . . . . . . . . . .. 55
5.2.3 Einfluß der Alterung auf die Klebfestigkeit .................. 57
5.3 Untersuchungen an Polyolefinen (PE [PE weich und PE hart]
und PP) ......... ...................... .................. 59
5.3.1 Untersuchungen an PE ................................... 59
5
5.3.1.1 Einfluß der elektrischen Vorbehandlung auf die Klebfestigkeit .. 60
5.3.1.2 Einfluß der Prüft emperatur auf die Klebfestigkeit . . . . . . . . . . . .. 64
5.3.2 Untersuchungen an pp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66
5.3.2.1 Ermittlung der optimalen Bedingungen für die elektrische
V orbehandlung und das Kleben ............................ 66
5.3.2.2 Einfluß der Prüftemperatur auf die Klebfestigkeit . . . . . . . . . . . .. 71
5.4 Untersuchungen an PTFE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.4.1 Ermittlung der optimalen Bedingungen für die chemische
Vorbehandlung und das Kleben ............................ 72
5.4.2 Einfluß der Prüftemperatur auf die Klebfestigkeit . . . . . . . . . . . .. 76
6. Zusammenfassung .............................................. 77
7. Literaturverzeichnis ............................................. 81
6
Erläuterung der verwendeten Abkürzungen und Begriffe
Abkürzungen
PVC Polyvinylchlorid
PVC hart Polyvinylchlorid hart
S-PVC Suspensions-PVC
E-PVC Emulsions-PVC
PV C schlagf. schlagfestes Polyvinylchlorid
PS Polystyrol
PS schlagf. schlagfestes Polystyrol
PE Polyäthylen
PE weich Polyäthylen weich
PE hart Polyäthylen hart
PP Polypropylen
PTFE Polytetrafluoräthylen
b mm Probenbreite
d mm Probendicke
mm Probenlänge
lp mm freie Einspannlänge (Prüflänge)
lü mm Überlappungslänge
te mm Einwirkzeit des Lösungsmittels
to mm offene Wartezeit
le mm Elektrodenabstand (Länge der Funkenstrecke)
Ve mm Geschwindigkeit der Elektroden
-&a °C Abbindetemperatur
ta h Abbindezeit
pa kp/cm2 Abbindedruck
-&p °C Prüftemperatur
Vp mm/min Prüfgeschwindigkeit
VI kp/s Laststeigerungsgeschwindigkeit bei der Prüfung
Kt an lösender trocknender Kleblack
Kh härtender Kleblack
Kth trocknender Kleblack; werden diese Klebstoffe mit Härter
verarbeitet, dann wird die Trocknung durch eine che
mische Reaktion überlagert (Haftklebstoff)
Ksh härtender Schmelzklebstoff
7
Festigkeitskennwerte
P kp bei der Prüfung der Klebverbindungen im Zug- bzw.
max
Druckscherversuch auftretende Höchstlast: PB bzw. P
So
PB kp Bruchlast
Pso kp Last an der oberen Streckgrenze
Fk cm2 KlebfugenBäche
P
max
't"B=-- kpjcm2 Zug- bzw. Druckscherfestigkeit der Klebverbindung
F
k
Begriffel
Klebstoff
Stoffe, die geeignet sind, Werkstoffe miteinander zu verbinden. Es sind zwel
Gruppen zu unterscheiden:
Gruppe I,' Klebstoffe, die geeignet sind, thermoplastische Werkstoffe durch
Anlösen miteinander zu verbinden. (Im englischen Sprachgebrauch wird diese
Arbeitsmethode oft als »solvent cementing« bezeichnet.)
Gruppe II,' Klebstoffe, die geeignet sind, Werkstoffe durch OberBächenhaftung
(Adhäsion) und innere Festigkeit (Kohäsion) zu verbinden, ohne daß sich das
Gefüge der Werkstoffe wesentlich ändert.
Klebstoffe der Gruppe I
Lösungsmittel,' Lösungsmittel können als Klebstoffe für Thermoplaste verwendet
werden, wenn diese von dem betreffenden Lösungsmittel angelöst werden und
die Polaritätsunterschiede zwischen den zu verbindenden Werkstoffen nicht zu
groß sind.
LÖ'sungsmittel mit 10-20% Feststoi/gehalt (anlösende trocknende Kleblacke ),' Zur
Erzielung einer für die Verarbeitung günstigen Viskosität und um geringe
Unebenheiten der KlebBächen auszugleichen, können im Lösungsmittel 10-20%
organische Grundstoffe auf gleicher oder ähnlicher Basis wie die zu verbindenden
Werkstoffe gelöst werden. In diesem Fall stellen diese Klebstoffe eine Sonder
gruppe der Kleblacke dar (s. Gruppe II).
1 Zum Teil in Anlehnung an die VornormDIN 16921 »Klebstoffe, Klebstoffverarbeitung,
Begriffe«.
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Klebstoffe der Gruppe II
Kleblack : Lösung von organischen Grundstoffen in Lösungsmitteln oder in
Monomeren.
Klebdispersion : Dispersion wasserunlöslicher organischer Grundstoffe oder Kleb
lacke in Wasser.
Leimlijsung: In Wasser gelöster Grundstoff.
Schme!zklebst~fJ: Bei Raumtemperatur fester Klebstoff, der zum Bewirken der
Oberflächenhaftung vorübergehend geschmolzen wird.
Klebkitt : Bei Raumtemperatur plastisch verformbarer Klebstoff, der keine oder
nur wenig flüchtige Lösungsmittel enthält. Im allgemeinen sind in diesem Kleb
stoff Füllstoffe enthalten; er dient gleichzeitig zum Füllen dickerer Klebfugen.
Klebstoff-Ansatz: Verarbeitungs fertig angesetzte Mischung oder Lösung der
Bestandteile des Klebstoffes, wenn der Klebstoff nicht in verarbeitungs fertigem
Zustand geliefert wird (bei Zwei- und Mehr-Komponenten-Klebstoffen).
Topfzeit : Zeitspanne vom Ansetzen des Klebstoffansatzes oder von der Entnahme
des Klebstoffes aus der Verpackung bis zu dem Zeitpunkt, bis zu welchem der
Klebstoffansatz oder der Klebstoff brauchbar bleibt.
Offene Wartezeit: Zeitspanne vom Auftragen des Klebstoffes bis zum Zusammen
legen der zu verbindenden Flächen.
/lbbinden: Verfestigung des Klebstoffes und/oder der angelösten Schicht der
Klebflächen ; diese Verfestigung geht entweder auf physikalischem Wege durch
Abkühlen oder Verdunsten des Lösungs- bzw. Dispersionsmittels und/oder
durch eine chemische Reaktion (Härten) vor sich, zum Beispiel durch Poly
merisation, Polyaddition oder Polykondensation unter Einwirkung von Wärme
oder eines Härters oder beider zusammen.
Kalt-abbinden: Abbinden des Klebstoffes (trocknen bzw. härten) bei Raum
temperatur.
Warm-abbinden: Abbinden des Klebstoffes bei Temperaturen oberhalb Raum
temperatur.
Klebftäcbe: Zu klebende Fläche jedes der bei den zu verbindenden Werkstoffe
(gleich der doppelten Klebfugenfläche).
Klehfugenftäche: Flächenmäßige Ausdehnung der Klebfuge, d. h. die Größe der
Klebfugenfläche entspricht einer der Klebflächen.
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1. Einführung in die Versuchsaufgabe
1.1 Die Fügeverfahren im allgemeinen und das Kleben insbesondere
Die Kunststoffe haben eine sehr große Spannweite mechanischer, physikalischer,
elektrischer und chemischer Eigenschaften. Keine andere Werkstoffgruppe
erreicht eine solche Variationsbreite der Eigenschaften und damit einen so großen
Anwendungsbereich. Mit der ständig zunehmenden Verwendung von Kunst
stoffen im Maschinen-, Apparate- und Rohrieitungsbau tritt die Frage nach dem
zweckmäßigen Fügeverfahren immer mehr in den Vordergrund.
Für das Verbinden von Kunststoffen untereinander und mit wesensfremden
Werkstoffen, kommen das Kleben, Schrauben und Nieten in Frage. Die beiden
letztgenannten Möglichkeiten sind für Kunststoffe wegen ihrer Kerbempnnd
lichkeit im allgemeinen weniger geeignet. Im Gegensatz zu den Duroplasten
können die Thermoplaste miteinander verschweißt werden. Infolge der unter
schiedlichen Temperaturiage der Zustandsformen bei den einzelnen Thermo
plasten - die Schweißung wird bekanntlich durch die in den thermoplastischen
Zustand versetzten Grenzflächen ermöglicht - ist es nicht ohne weiteres möglich,
sämtliche schweißbaren Kunststoffe untereinander auf diese Weise zu verbinden.
Eine Verbindung mit artfremden Werkstoffen wie Metallen, Holz, Kautschuk
und anderen ist mittels Schweißung nicht möglich. Die Tab. 1 gibt einen Über
blick über die Verbindungsmöglichkeiten für Kunststoffe. Aus dieser Zusammen
stellung geht eindeutig hervor, daß dem Kleben infolge seiner vielseitigen
Anwendbarkeit zur Herstellung unlösbarer Verbindungen eine sehr große
Bedeutung zukommt.
Beim Kleben thermoplastischer Kunststoffe macht man in vielen Fällen von
ihrer Löslichkeit Gebrauch. Dabei werden die zu verbindenden Flächen angelöst.
Die unter Einwirkung des Lösungsmittels erweichten Oberflächen werden unter
Druck zusammengefügt; es tritt eine Verknäuelung der Makromoleküle ein.
Das Lösungsmittel verdunstet und das angelöste Material wird wieder hart.
Auf diese Weise entsteht eine Verbindung, die keine Fremdstoffe enthält. Da die
Duroplaste im Endvernetzungszustand und damit im Gebrauchszustand äußersten
falls nur noch ein sehr beschränktes Quellvermögen besitzen, aber nicht mehr
löslich sind, kann dieses Verfahren bei dieser Werkstoffgruppe nicht angewendet
werden.
Es gibt zahlreiche Veröffentlichungen, in denen auf diese Verbindungsmöglichkeit
hingewiesen wird und verschiedene Einflußgrößen diskutiert werden: [1,6, 11,
12,13,14,18,19,20,21,28,29,33,36,40,41,42,43,44,45, 49, 50]2. Grund-
2 Diese Ziffern verweisen auf die Literaturzusammenstellung unter Punkt 7 am Schluß
dieser Arbeit.
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Tab. 1 FügezJerfahren für Kunststoffe und ihre Anwendllngsbereiche
Verfahren Anwendungsbereich
Schweißen Heißgasschweißen Verbinden von Thermoplasten
Heizelementschweißen untereinander
Reibungsschweißen
Hochfrequenzschweißen
Ultraschalls eh weißen
Kleben Erläuterungen s. Tab. 2 Verbinden von Kunststoffen
(Thermoplaste und Duroplaste)
untereinander und mit
wesensfremden Werkstoffen
Mechanische Schrauben, Nieten Verbinden von Kunststoffen
Verfahren (Thermoplaste und Duroplaste)
untereinander und mit
wesensfremden Werkstoffen
legende Untersuchungen zu diesem Thema sind aber bisher nicht bekannt
geworden. Es wird nur allgemein festgestellt, daß folgende Faktoren besonders
berücksichtigt werden müssen:
Die zu verbindenden Flächen sollen sauber, trocken und möglichst eben
sein, damit eine Verbindung auf der ganzen Fläche zustande kommen kann.
Das Lösungsmittel muß eine hinreichend dicke Schicht anlösen, damit die
erweichten Schichten unter Druck ineinanderfließen können. Es muß dafür
gesorgt werden, daß die Lösungsmitteldämpfe aus der Klebfuge nach außen
entweichen.
Die auf diese Weise erreichbaren Klebfestigkeiten sollen in der Größenordnung
der ?vlaterialfestigkeit liegen. Entscheidend für die Festigkeit der Verbindung
ist das Lösevermögen des Lösungsmittels für den betreffenden Kunststoff. Für
die Vorhersage der Löslichkeitseigenschaften eines Lösungsmittels hat sich die
Kohäsionsenergiedichte bewährt. Sie ist definiert als das Verhältnis der inneren
molaren Verdampfungswärme zum Molvolumen. HOLzMüLLER und ALTENBERG
[36] haben diese Werte für verschiedene Lösungsmittel und für einige Hoch
polymere zusammengestellt. Quantitative Aussagen können an Hand dieser
Größe nicht gemacht werden.
Für die Praxis jedoch soll die Energiedichte wichtige Anhaltspunkte ergeben,
welche Lösungsmittel für bestimmte Kunststoffe geeignet sin"d oder nicht. Auf
Grund von Erfahrungen hat sich nach [36] im allgemeinen bestätigt, daß Löslich
keit dann besteht, wenn der Unterschied in der Kohäsionsenergiedichte zwischen
Lösungsmittel und Polymeren kleiner als etwa 1,2 ist.
Zur Regulierung der Verdunstungsgeschwindigkeit wird vielfach anstatt mit
einem Lösungsmittel auch mit Lösungsmittelgemischen gearbeitet. Zur Erhöhung
der Viskosität kann man in dem Lösungsmittel 10-20 Gew.-% Feststoff auf
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