6.6 Alterung

Bei fast allen Klebungen treten im Laufe des Lebens mehr oder weniger stark ausgeprägt von den jeweiligen Umweltbedingungen abhängige Veränderungen auf. Beispielsweise kann sich die innere Festigkeit des Klebstoffs reduzieren, seine Sprödigkeit zunehmen oder die Adhäsion zum Fügeteilwerkstoff abnehmen.

Für jeden Verbund mit seinen speziellen Parametern (Klebstoff, Verarbeitungs- und Härtungsparameter, Fügeteil, Oberflächenbehandlung, Beanspruchung usw.) können diese Veränderungen unterschiedlich ausgeprägt sein.

Daher ist es wichtig, sich mit der Alterung der Klebung auseinanderzusetzen, um diese Effekte beispielsweise bei der Dimensionierung der Klebefläche zu berücksichtigen.

Alterung:

Die Gesamtheit aller im Laufe der Zeit in einem Material irreversibel ablaufenden chemischen und physikalischen Vorgänge. (aus: DIN 50035-1)

Folgen für die Klebtechnik:

Veränderungen von Molekül- oder Kristallstrukturen in der Klebschicht, der Adhäsionsschicht und den Fügeteilen während der Lagerung und im Einsatz.
→ Änderung der Eigenschaften von Klebverbindungen

Ursachen

  • Mechanische Beanspruchung
    • Äußere Kräfte (statisch/dynamisch)
    • Innere Spannungen
  • Physikalische Beanspruchung
    • Temperatur (Extrema, Wechsel)
    • Strahlung (besonders relevant: UV)
  • Chemische Beanspruchung
    • Wasser/Luftfeuchtigkeit
    • Organische Lösemittel
    • Säuren, Laugen
    • Salze
    • Reiniger
    • Mineralöle
    • …
  • Migration (Wanderung) von Additiven/Inhaltsstoffen
    • aus der Klebschicht oder aus den Fügeteilen in die Umgebung
    • aus der Klebschicht oder aus den Fügeteilen in die Adhäsionszone
    • aus der Klebschicht in die Fügeteile
    • aus den Fügeteilen in die Klebschicht
  • Biologische Einflüsse
    • Schimmelpilze

Folgen

  • Änderung der Leistungsfähigkeit einer Klebverbindung hinsichtlich
    • Festigkeit
    • Verformungsfähigkeit
    • Kriechverhalten
  • Einfluss auf optische Eigenschaften
    • Farbtonveränderungen
    • Änderung des Brechungsindex
    • Kreidung
    • Rissbildung in Klebschicht und/oder Fügeteil/en

Die verschiedenen Beanspruchungen können sich auf alle Bereiche einer Klebverbindung auswirken:

Einfluss von Feuchtigkeit…
… auf den Klebstoff

  • Alle bekannten Klebstoffarten nehmen Wasser auf.
    → Anquellen (Volumenzunahme)
    → Schädigung der Klebung (folgende Folien)
  • Eindringgeschwindigkeit und Menge des aufgenommenen Wassers sind abhängig von z. B.
    • Umgebungsfeuchtigkeit
    • Temperatur
    • Durchlässigkeit der Fügeteile
    • Klebgeometrie
    • Wasseraufnahmevermögen des Klebstoffs

Wasser als Weichmacher

  • schwächt die physikalischen Wechselwirkungen Folge: Der Klebstoff wird weicher; die Festigkeit der Klebverbindung verringert sich.
  • Durch Trocknung des Polymers ist dieser Effekt fast vollständig umkehrbar

Zerstörung von chemischen Bindungen durch Wasser (Hydrolyse):

  • Polymerketten werden durch Reaktionen mit Wasser regelrecht „zerhackt“
    Folge: Festigkeitsverluste
  • Häufig beschleunigt durch erhöhte Temperatur oder Verunreinigungen
  • Schädigung bleibt auch nach Trocknung!

Einfluss von Feuchtigkeit…
… auf die Adhäsion

  • Wasser kann mit dem Klebstoff und den Fügeteilen wechselwirken.
  • Schwächung physikalische Wechselwirkungen zwischen Klebstoff und Fügeteil mit der Folge von Eindringen von Feuchtigkeit in die Grenzschicht (Unterwanderung)

Einfluss von Feuchtigkeit…
… auf die Fügeteile

  • Korrosion bei Metallen, Weichmachereffekt/Hydrolyse bei Kunststoffen
  • Kann zur Ablösung von Metalloxidschichten (Bsp. Aluminium) führen

Einfluss von anderen chemischen Medien (z. B. organische Lösemittel, Säuren, Salze, usw.) …
… auf den Klebstoff

  • Auswirkungen stark abhängig von der Kombination Klebstoff/Medium (z. B. Quellen, Anlösen)
  • Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen, Salzlösungen in der Regel geringer als gegenüber Wasser

Einfluss von anderen chemischen Medien (z. B. organische Lösemittel, Säuren, Salze, usw.) …
… auf die Fügeteile

Kunststofffügeteile:

  • Auswirkungen stark abhängig von der Kombination Klebstoff/Medium (z. B. Quellen, Anlösen)
  • Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen, Salzlösungen in der Regel geringer als gegenüber Wasser

Metallfügeteile:

  • Säuren, Laugen und Salze beschleunigen die Korrosion

Einfluss der Temperatur

  • Erhöhte Temperaturen beschleunigen die Alterung.
  • Schwellenwerte (→ Aktivierungsenergien) sind entscheidend, d. h. manche Vorgänge laufen erst ab einer bestimmten Temperatur ab.
  • Hohe Temperaturen in Kombination z. B. mit
    • Luftsauerstoff → Oxidation (z. B. Verbrennen des Klebstoffs)
    • Feuchtigkeit →  Zerstörung von Bindungen im Polymer

UV-Einfluss

  • Zerstörung der Molekülstruktur des Klebstoffs im Zusammenspiel mit Sauerstoff → Versprödung, Farbveränderungen
  • Verringerung der Adhäsion bis zum totalen Adhäsionsverlust möglich
  • Stark klebstoffabhängig (besonders UV-empfindlich: Polyurethane)

Einfluss von mechanischen Lasten

  • Mechanische Lasteinwirkung beschleunigt die Alterung
  • Feuchtigkeit und andere Medien dringen schneller in die Klebung ein
  • Ab Überschreiten eines bestimmten Lastniveaus: Schädigungen (plastische Verformungen, Risse) und somit weitere Erleichterung des Eindringens von Medien
  • Prozesse sind stark zeit- und temperaturabhängig.
  • Materialermüdung durch dynamische Lasten