doc - ChidS

Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht herunter geladen werden,
unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://online-media.uni-marburg.de/chemie/chids/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Übungen im Experimentalvortrag
Leitung: Prof. Dr. B. Neumüller, Dr. Ph. Reiß, Prof. Dr. U. Koert, Prof. Dr. U. Müller
Datum: 27. April 2004
Protokoll zum Experimentalvortrag
Klebstoffe
Stefanie Kowol, Goethestraße 12, 35043 Marburg
Inhaltsverzeichnis
I.
Kleben – ein alltägliches Phänomen
Seite 3
II.
Definition „Klebstoff“
Seite 4
III.
Adhäsion und Kohäsion
Seite 5
IV.
Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Seite 7
1. Physikalisch abbindende Klebstoffe
a) Aufbau von physikalisch abbindenden Klebstoffen
Seite 7

Demo 1: Klebstoff aus Styropor
Seite 7

Demo 2: Klebstoff auf „Stärkebasis“
Seite 7
b) Anwendungsbeispiele
Seite 9

Versuch 1: Darstellung und Analyse von Stärkekleister

Versuch 2: Analyse von Holzleim
Seite 13

Versuch 3: Herstellung eines Polyesterharzes
Seite 16
2. Chemisch abbindende Klebstoffe
V.
Seite 7
Seite 9
Seite 21
a) Aufbau von chemisch abbindenden Klebstoffen
Seite 21
b) Anwendungsbeispiele
Seite 21

Versuch 4: Schnellpolymerisation von Sekundenkleber
Seite 22

Versuch 5: Reaktivklebstoff auf Ricinusölbasis
Seite 23
Einsatz von Klebstoffen
Seite 26
Literaturangaben
Seite 27
I. Kleben – ein alltägliches Phänomen
I.
Kleben – ein alltägliches Phänomen
Wie in diesem Comic zu sehen, ist Kleben eine alltägliche und selbstverständliche
Tätigkeit, obwohl kaum jemand weiß, wie der Klebevorgang funktioniert. Daraus
resultiert eine fehlende Kenntnis darüber, welcher Klebstoff für welches Werkstück
einzusetzen ist.
Klebstoffe werden aber noch weitaus häufiger eingesetzt, als auf den ersten Blick
ersichtlich. Für den Laien wird Kleben immer noch unbewusst als Methode der zweiten
Wahl eingestuft. Subjektiv betrachtet scheint Schrauben, Nageln oder Schweißen fester
zu sein.
Diese Probleme sollen im Folgenden näher untersucht werden.
3
II. Definition „Klebstoff“
II. Definition „Klebstoff“
Die Definition des Begriffes „Klebstoff“ erfolgt nach der DIN-NORM 16920. Demnach
ist
ein
Klebstoff
„ein
nicht
metallischer
Werkstoff,
der
Körper
durch
Oberflächenhaftung und innere Festigkeit (Adhäsion und Kohäsion) verbinden kann,
ohne dass sich das Gefüge der Körper wesentlich ändert.“
Um diese Definition zu verstehen, muss man sich klar machen, was Adhäsion und
Kohäsion sind. Dies soll im nächsten Kapitel geschehen.
4
III. Adhäsion und Kohäsion
III. Adhäsion und Kohäsion
Die Adhäsionskräfte treten immer an Grenzflächen von
festen Stoffen auf und bewirken daher die Haftung des
Klebstoffes am Werkstoff. Sie haben mit 1 µm nur eine
sehr geringe Reichweite; deshalb ist es beispielsweise
unmöglich,
dass
zwei
Holzstücke
beim
bloßen
Zusammenlegen aneinander haften; sie sind zu uneben, das heißt, der Abstand der
Moleküle ist zu groß, um Adhäsionskräfte ausbilden zu können.
Man kann die mechanische und die spezifische Adhäsion unterscheiden. Bei der
mechanischen Adhäsion kommt es zur Verankerung von Klebstoffmolekülen in den
Oberflächenporen des Werkstückes. Dabei bilden sich nur schwache Kräfte aus, die
man aber durch Aufrauhen der Oberfläche vergrößern kann. Diese Art der Adhäsion ist
vergleichbar mit dem Ineinandergreifen von Puzzleteilen.
Bei der spezifischen Adhäsion handelt es sich um zwischenmolekulare oder chemische
Bindungskräfte.
Als
Beispiel
sind
hier
Van-der-Waals-Kräfte,
Wasserstoffbrückenbindungen sowie Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zu nennen.
Als Zwischenfazit kann man hier schon nennen, dass der Klebstoff auf jeden Fall in der
Lage sein muss, sich der Werkstoffoberfläche anzupassen. Dazu muss er in flüssiger
Form vorliegen.
Da man aber keine monomolekulare Klebstoffschicht auftragen kann, braucht der
Klebstoff auch eine gewisse innere Festigkeit, die durch die Kohäsionskräfte
hervorgerufen wird.
Als Kohäsionskräfte bezeichnet man die intermolekularen
Kräfte zwischen den einzelnen Klebstoffmolekülen. Sie
werden beeinflusst durch das Molekulargewicht. Ein
höheres
Molekulargewicht
führt
zu
besserer
intermolekularer Anziehung und damit zu größerer
Kohäsion. Weiterhin werden sie beeinflusst durch die Anzahl und Größe der
Seitenketten, die sich ebenfalls die intermolekulare Anziehung auswirken, sowie durch
die Polarität. Mit steigender Polarität nimmt auch die Kohäsion zu.
5
III. Adhäsion und Kohäsion
Der Klebstoff muss also spezielle Eigenschaften besitzen, um möglichst gute
Adhäsions- und Kohäsionskräfte ausbilden zu können. Daraus ergibt sich folgender
Steckbrief für Klebstoffe:

muss flüssig sein (Lösung oder Schmelze)

darf nur eine geringe Oberflächenspannung haben, damit er sich der
Werkstoffoberfläche anpassen kann

nach dem Trocken muss ein Feststoff vorliegen

muss dünn und gleichmäßig aufgetragen werden können, damit sich
Adhäsions- und Kohäsionskräfte optimal ausbilden können
Da Adhäsion und Kohäsion erst während des Klebevorgangs ausgebildet werden, kann
die Klebung u. a. beeinflusst werden durch Werkstoffoberflächenbehandlung, Art der
Klebstoffauftragung, Aushärtetemperatur und Aushärtezeit.
Die Qualität der Verklebung hängt also nicht nur von der Qualität des Klebstoffs ab,
sondern auch von der Oberflächenbeschaffenheit der zu verklebenden Materialien.
6
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem
Abbindemechanismus
1.
Physikalisch abbindende Klebstoffe
a) Aufbau von physikalisch abbindenden Klebstoffen
Demonstration 1: Klebstoff aus Styropor
Geräte:
Kleines Becherglas + Glasstab
Chemikalien:
Essigsäureethylester
Styropor
n
Durchführung:
Man gibt einige Kügelchen Styropor in das Becherglas, fügt einige Milliliter
Essigsäureethylester hinzu und rührt, bis das Styropor gelöst ist.
Nun kann man Klebeversuche auf Pappe oder Kunststoff machen.
Demonstration 2: Klebstoff auf „Stärkebasis“
Geräte:
Kleines Becherglas + Glasstab
Chemikalien:
Stärke (Mondamin o. ä.)
Essigessenz
7
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Durchführung:
Man mischt einen Spatel Stärke mit einigen Tropfen Essigessenz und erhitzt auf dem
Wasserbad. Ist aus der Suspension eine klebrige Masse geworden, kann mit dem
Erhitzen aufgehört werden und der fertige Klebstoffe zum Beispiel auf Papier
aufgebracht werden.
Nach dem Trocknen kann man den Klebstoff wieder anfeuchten und ein weiteres Stück
Papier darauf kleben.
Dieser Klebstoff wird auch für Briefmarken verwendet.
Auf Grund dieser beiden Demonstrationen kann man nun die physikalisch abbindenden
Klebstoffe beschreiben. Sie bestehen aus einem Grundstoff, das heißt dem Bindemittel,
welches natürliche (z. B. Stärke) oder synthetische (z. B. Styropor) Polymere sein
können. Im Klebstoff liegen die Polymere in einem Lösungs- oder Dispersionsmittel
vor; diese können entweder Wasser oder leicht flüchtige organische Lösungs- oder
Dispersionsmittel sein. Des weiteren setzt man Konservierungsmittel, Härter oder
Weichmacher, Stoffe zur Erhöhung der Wasserbeständigkeit, farbgebende Stoffe,
Alterungs- und Oxidationsschutzstoffe ein.
Weiterhin lassen sich die physikalisch abbindenden Klebstoffe unterteilen in die
lösungsmittelfreien Klebstoffe, die allerdings Wasser als Lösungsmittel enthalten, die
lösungs- oder dispersionsmittelhaltigen Klebstoffe, bei denen das Lösungs- oder
Dispersionsmittel entweder vor oder nach dem Kleben entweichen kann, sowie die
Schmelzklebstoffe, die in der Hitze flüssig sind und in der Kälte abbinden. Hierbei
handelt es sich jeweils um Einkomponentensysteme, das heißt in einem Klebstoff liegt
eine Polymerart vor.
8
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
b) Anwendungsbeispiele
Wasserbasierte Klebstoffe
Die wasserbasierten Klebstoffe teilen sich in vier Untergruppen auf:
Glutinleim
Bestandteile
Verwendung
Haut- und Fischleim aus
Papier
Rohhautabfällen, Bindegewebe,
Fischhäute
Klebstoff auf Basis
Stärke und Methylcellulose aus Mais,
pflanzlicher
Kartoffeln, Reis bzw. Cellulose aus Holz
Papier, Tapeten
Naturprodukte
Caseinleim
Casein aus Milch, Quark, ...
Flaschenetikettierung
Polyvinylalkohol-
Verseifungsprodukt von Polyvinylacetat
Papier, Pappe, Holz
klebstoff
oder anderen Polyvinylestern
Versuch 1: Darstellung und Analyse von Stärkekleister
Geräte:
Kleines Becherglas + Glasstab
Dreifuß + Drahtnetz + Bunsenbrenner + Schlauch
50-mL-Messzylinder
2 kleine Reagenzgläser mit Stopfen
großes Becherglas mit Siedeperlen für Wasserbad
Heizplatte
Chemikalien:
5 g Stärke
50 mL Wasser
20 mL Schwefelsäure, c = 1 mol/L
Fehling I (Kupfersulfatlösung: 7 g Kupfersulfat-Pentahydrat CuSO45H2O gelöst in 100
mL Wasser)
Fehling II (alkalische Kaliumnatriumtartratlösung: 35 g Kaliumnatriumtartrat
KNaC4H4O6 und 10 g NaOH gelöst in 100 mL Wasser)
9
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Durchführung und Beobachtung:
Darstellung des Stärkekleisters:
Man gibt die Stärke in das Becherglas und fügt das Wasser hinzu, so dass zunächst eine
Suspension entsteht. Diese wird nun auf dem Drahtnetz unter Rühren erhitzt, bis sich
eine klebrige Masse bildet. Mit dem Stärkekleister kann man Klebeversuche, z. B. auf
Papier oder Tapete, machen,.
Analyse des Stärkekleisters:
Zu dem fertigen Kleister gibt man Schwefelsäure und erhitzt unter Rühren solange, bis
sich der Kleister nahezu vollständig wieder gelöst hat. Dann gibt man eine Probe davon
in ein kleines Reagenzglas und stellt dieses für etwa 20 Minuten in ein vorbereitetes
siedendes Wasserbad. Nun gibt man je 2-3 mL Fehling I und II in eine Reagenzglas
(dunkelblaue Lösung), schüttelt kurz und gibt dann etwas von der „zersetzten
Stärkelösung“ hinzu. Man schüttelt wiederum gut durch und stellt das Reagenzglas
noch mal kurz ins Wasserbad. Nach wenigen Minuten ist ein ziegelroter Niederschlag
zu erkennen.
Auswertung:
Kleister ist ein Klebstoff auf Stärkebasis, der aufquellen muss. Früher nutzte man
Stärkekleister zum Tapezieren, heute ist die Stärke durch Methylcellulose ersetzt
worden. Man spricht aber immer noch von Kleister und das Prinzip ist dasselbe; auch
die Methylcellulose muss aufquellen.
Stärke besteht aus zwei Bestandteilen, nämlich der wasserlöslichen Amylose und dem
wasserunlöslichen Amylopektin. Daher spricht man auch von löslicher und unlöslicher
Stärke.
Das Innere eines Stärkekorns (etwa 20 %) besteht aus Amylose. Hier sind einige
hundert Glucoseeinheiten -1,4-glycosidisch verknüpft, wodurch Acetale gebildet
werden. Es kommt somit zu einem helikalen Aufbau mit fünf bis sechs
Glucosemolekülen pro Windung.
O
CH2OH
O
HO
OH
O
CH2OH
O
HO
OH
O
1 4
HO
O
CH2OH
OH
O
10
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Das Äußere des Stärkekorns (etwa 80 %) besteht aus Amylopektin, bei dem einige
tausend Glucoseeinheiten verknüpft sind. Auch hier liegen -1,4-glycosidische
Bindungen vor. Zusätzlich ist aber noch jede 20. bis 25. Glucoseeinheit -1,6glycosidisch verknüpft.
O
CH2OH
O
OH
HO
O
OH
HO
CH2OH
O
O
CH2OH
O
O

6
OH
HO
1
O
O
OH
HO
O
Durch
die
zusätzliche
1,6-Verknüpfung
entstehen
Hohlräume,
in
die
sich
Wassermoleküle einlagern können, so dass es zur Ausbildung des Kleisters kommt.
Gibt man zu dem Kleister nun Schwefelsäure, kommt es zu einer säurekatalysierten
Acetalspaltung.
H
O
CH2OH
O
H
H
OH
HO
O
CH2OH
O
H
H
OH
HO
H
OH
HO
H+
O
CH2OH
O
O
H
O
CH2OH
O
HO
H
H
OH
O
CH2OH
O
HO
H
H
OH
O
CH2OH
+O
H
HO
H
OH
O
11
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
H
O
CH2OH
O
H
H
OH
HO
O
CH2OH
O
+
H
H
OH
HO
O
CH2OH
HO
+
H
OH
HO
O
H2O
H
O
CH2OH
O
H
H
OH
HO
O
CH2OH
O
H
H
OH
HO
O
CH2OH
HO
+
H
OH
HO
O+
O
H
H
- H+
H
O
CH2OH
O
HO
H
H
OH
O
CH2OH
O
H
H
HO
OH
O
CH2OH
HO
+
OH
HO
H
OH
O
Durch die Schwefelsäure werden nun sukzessive alle Acetalbindungen gespalten (daher
ist auch eine gewisse Reaktionszeit nötig), bis am Reaktionsende nur noch
Glucosemoleküle vorliegen. Diese können durch die Fehlingprobe nachgewiesen
werden.
Durch Mischen von Fehling I und II wird zunächst der Ditartratocuprat(II)komplex
gebildet.
Cu2+(aq) + 2 OH-(aq) + 2 C4H4O62-(aq)  [Cu(C4H3O6)2]4-(aq) + 2 H2O
Dann kann das Kupfer(II)ion in alkalischer Lösung zu ziegelrotem Kupfer(I)oxid
reduziert werden.
2 Cu2+(kompl) + 2 e- + 2 OH-(aq)  Cu2O(s) + H2O
Die ringförmige Struktur der Glucose, genauer der Glucopyranose, steht im
Gleichgewicht mit der offenkettigen Form des
Zuckers. Diese trägt eine
Aldehydgruppe, die oxidiert werden kann. Glucose gehört damit zu den reduzierenden
12
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Zuckern und die Fehlingprobe verläuft positiv. Es entsteht eine Aldonsäure (hier:
Gluconsäure).
O
HO
HO
H
O
CH2OH
OH
+ 2 OH-
HO
OH
O
+3 OH
C
H
OH
+1 H
C
H
- 2 e- - H 2 O
HO
H
H
OH
H
OH
H
OH
H
OH
OH
CH2OH
CH2OH
Als Gesamtgleichung ergibt sich:
RCHO + 2 Cu2+(kompl) + 4 OH-(aq)  RCOOH + Cu2O(s) + 2 H2O
Dispersionsklebstoffe
Bei Dispersionsklebstoffen handelt es sich um heterogene Systeme, die zu 40 – 70 %
aus einer Polymerphase bestehen, die in einem Dispersionsmittel verteilt ist. Der Rest
besteht aus Wasser. Teilweise werden noch Emulgatoren verwendet, um die Polymere
in der Schwebe zu halten.
Auch die Dispersionsklebstoffe lassen sich noch in Untergruppen unterteilen:
Klebstoffbasis
Verwendung
Polyvinylacetat
Papier, Holz
Polyacrylat
Fliesen-, Boden-, Wandbeläge, Haftklebstoff für
Etiketten und Klebebänder
Polyurethan, Polychloropren
Schuhindustrie
Kautschuk
Alternative zu lösungsmittelhaltigem Kontaktklebstoff
Versuch 2: Analyse von Holzleim
Geräte:
Kleines Becherglas + Glasstab
Dreifuß + Drahtnetz + Bunsenbrenner + Schlauch
Uhrglas
4 Pipetten mit Hütchen
2 kleine Reagenzgläser
Spatel
13
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Chemikalien:
Ponal-Holzleim
Natronlauge NaOH(aq), c = 1 mol/L
Universalindikatorlösung
Schwefelsäure H2SO4(aq), c = 1 mol/L
Eisen(III)chloridlösung FeCl3(aq)
Weißes Kupfersulfat CuSO4
Cer-Reagenz (8 g Ammoniumcer(IV)nitrat (NH4)2Ce(NO3)6 gelöst in 20 mL 2molarer
Salpetersäure HNO3(aq))
Durchführung und Beobachtung:
Nachweis von Wasser als Lösungsmittel:
Auf ein Uhrglas gibt man etwas Klebstoff und überschichtet mit weißem, trockenem
Kupfersulfat. Es stellt sich rasch eine blaue Farbe ein.
Analyse von Polyvinylacetat als Bindemittel:
Man gibt einige Tropfen Leim in das Becherglas, dispergiert mit einigen Millilitern
Natronlauge und erhitzt die Dispersion zum Sieden. Erst wenn eine klare Lösung
entstanden ist, kann mit dem Erhitzen aufgehört werden (eventuell noch Natronlauge
zufügen, wenn die Lösung auch nach einigen Minuten kochen nicht aufklart).
Die klare Lösung verteilt man auf zwei Reagenzgläser. Zum Nachweis des Alkohols
verdünnt man das Cer-Reagenz mit der sechsfachen Menge destilliertem Wasser und
gibt dann einige Tropfen dieser Lösung zu der Lösung im ersten Reagenzglas, worauf
die Farbe von gelb nach rot umschlägt.
Zu
der
Lösung
im
zweiten
Reagenzglas
gibt
man
wenige
Tropfen
Universalindikatorlösung und neutralisiert mit Schwefelsäure. Zu einer Hälfte der
neutralen Lösung gibt man nun etwas Eisen(III)chloridlösung. Die Lösung wird rot. Zu
der zweiten Hälfte der Lösung gibt man weiter Schwefelsäure bis zur sauren Reaktion
zu. Man nimmt Essigsäuregeruch wahr.
Auswertung:
Als Leim bezeichnet man die wässrige Lösung eines Klebstoffes, der ursprünglich auf
Basis von tierischen Proteinen hergestellt wurde (z. B. Knochenleim). Heute jedoch
14
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
verwendet man den Begriff Leim für alle tierischen, pflanzlichen oder synthetischen
Polymere, die in Wasser gelöst einen Klebstoff bilden.
Nachweis von Wasser als Lösungsmittel:
Wasserfreies, weißes Kupfersulfat reagiert unter Wasseraufnahme zu blauem
Kupfersulfat-Pentahydrat.
CuSO4(s) + 5 H2O  CuSO45 H2O(s)
Analyse von Polyvinylacetat als Bindemittel:
O
Polyvinylacetat ist das Produkt der Veresterung von Polyvinylalkohol
mit Essigsäure.
O
CH3
Durch Zugabe von Natronlauge und Erhitzen kommt es zu einer
n
alkalischen Esterverseifung. Dabei wird der Ester wieder in seine
Ausgangsbestandteile gespalten.
-
O
O
CH3
+
n
-
O
O
H
O OH
CH3
n
n
O -
O
n
O
+
H3C
OH
n
H3C
n
OH
O
Acetation
+
n
Polyvinylalkohol
Die Verseifungsprodukte können nun einzeln nachgewiesen werden.
Cer-Reagenz
ist
ein
Nachweisreagenz
für
Alkoholgruppen.
Bei
dieser
Ligandenaustauschreaktion verdrängt der Alkohol unter Abgabe eines Protons einen
Nitratoliganden aus dem Hexanitratocerat(IV)-Anion (gelb) und tritt in den Cerkomplex
ein. Es bildet sich ein Alkoxo-pentanitrato-cerat(IV)-Anion (rot).
[Ce(NO3)6]2-(aq) + ROH  [Ce(OR)(NO3)5]2-(aq) + HNO3(aq)
Das Acetation lässt sich ebenfalls durch eine Ligandenaustauschreaktion nachweisen.
Dabei werden alle sechs Wasserliganden aus dem Hexaaquaeisen(III)komplex (gelb)
verdrängt. Es kommt zur Bildung des Hexaacetato-monooxo-trieisen(III)-Kations (rot).
3 [Fe(H2O)6]3+(aq) + 8 OAc-(aq)  [Fe3O(OAc)6]+(aq) + 2 HOAc(aq) + 17 H2O
15
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Lösungsmittelhaltige Nassklebstoffe
Die Vielfalt der lösungsmittelhaltigen Nassklebstoffe ist nicht so groß. Es werden
lediglich Polyester und Polyacrylate eingesetzt.
Bestandteil
Verwendung
Polyester
Metall
Polyacrylat
Haftklebstoff, Kunststoff
Versuch 3: Herstellung eines Polyesterharzes
Geräte:
Kleines Becherglas + Glasstab
Dreifuß + Drahtnetz + Bunsenbrenner + Schlauch
Pipette (dick) mit Hütchen
Chemikalien:
3 mL = 3,69 g Glycerin
3 g Phtalsäureanhydrid
eventuell Aceton
Durchführung und Beobachtung:
In das Becherglas gibt man das Glycerin sowie das Phtalsäureanhydrid und erhitzt
vorsichtig über dem Bunsenbrenner. Man erhält eine leicht gelbliche viskose
Flüssigkeit, die in der Kälte aushärtet. Um die Aushärtung zu unterbinden, versetzt man
die schon leicht abgekühlte Schmelze mit Aceton (Achtung: Aceton verdampft
schlagartig, wenn die Schmelze noch zu heiß ist). Dann ist der Klebstoff auch Tage
später noch einsetzbar.
Auswertung:
Zunächst wird das Phtalsäureanhydrid mit dem Glycerin verestert.
OH
OH
H
+
O O
O
OH
OH
Glycerin
O
O
Phthalsäureanhydrid
HO
O
O
16
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
OH
OH
H
+
O
O
~ H+
HO
HO
O
O
- O
HO
O
O
Phthalsäuremonoester
Da
im
Phthalsäuremonoester
Carbonsäuregruppen
sowohl
freie
können
die
vorliegen,
Alkoholgruppen
als
Phthalsäuremoleküle
auch
freie
untereinander
reagieren. Es kommt zur Polykondensation des Phthalsäuremonoesters.
OH
OH
O
HO
O
O
O HO
+
HO
OH
O
OH
O
HO
O
O
OH
O
-
OH
O HO
O+
O
O
H
+
~H
OH
HO
O
O
O
-
OH
+
OH2
O HO
O
O
O
- H2O
17
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
OH
O
HO
OH
O
O HO
O
O
O
O
OH
+ (n - 2)
- (n - 1) H2O
O HO
HO
O
O
OH
O
O
O
O
n
Der Polyester hat zunächst lineare Struktur. Ist Phthalsäureanhydrid aber im Überschuss
vorhanden, kommt es zur Ausbildung eines dreidimensionalen Netzwerkes, dem
Glyptalharz.
OH
O
O
O
O
O
+
O
O
n
- H2O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
n
18
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Weiterhin gehören zu den physikalisch abbindenden Klebstoffen die Kontaktklebstoffe,
die Haftklebstoffe, die Schmelzklebstoffe sowie die Plastisole.
Kontaktklebstoffe ähneln den Nassklebstoffen. Während bei den
Nassklebstoffen das Lösungsmittel nach dem Klebevorgang entweicht
und sich der Klebstoff erst allmählich verfestigt, wird der
Kontaktklebstoff auf beide zu verklebenden Werkstücke aufgetragen
und zunächst vorgetrocknet. Erst wenn das Lösungsmittel schon fast
vollständig verdampft ist, presst man beide Werkstücke aufeinander. Für diese Art von
Klebstoffen setzt man Polychlorbutadien, Polyurethane oder Copolymere aus Butadien
und Styrol ein.
Haftklebstoffe stellen einen chemisch „fertigen“ Klebstoff in
hochviskoser Form dar, die unter ganz geringem Druck haften.
Dabei bindet der Klebstoff nicht ab, sondern bleibt zähflüssig,
was sich direkt durch eine schwächere Kohäsion
bemerkbar macht. Allerdings ist das bei dieser Art von Klebstoffen
gewollt. Man möchte beim Zusammenfügen der Teile eine sofortige
Ausbildung von Adhäsion und Kohäsion erreichen, andererseits möchte
man den Klebestreifen problemlos wieder ablösen können, wie dies
beispielsweise bei Haftnotizen oder Tesafilm der Fall ist. Dennoch muss man die
wiederablösbaren von den permanent haftenden Typen, wie Klebehaken, unterscheiden.
Hier wird beim Ablösen nicht die Adhäsion zerstört, sondern es erfolgt ein Bruch in der
oberflächennahen Kohäsionszone. Beim Ablösen bleibt also immer ein kleiner
Rückstand.
Hergestellt werden diese Klebstoffe durch Lösen von Polymeren wie Polyacrylate,
Polyvinylether oder Kautschuk in organischen Lösungsmittel oder dispergieren in
Wasser.
Weiterhin
erhält
man
sie
aus
lösungsmittelfreien
Schmelzen
als
Haftschmelzklebstoffe. Der flüssige Klebstoff wird dann als dünner Film auf ein
flexibles Trägermaterial aufgebracht.
19
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Die
Schmelzklebstoffe
bestehen
natürlicherweise
aus
Bienenwachs oder aus synthetischen Polymeren wie Polyamiden,
Polyestern und Styrol-Butadien-Blockpolymeren. Sie werden in
der Schmelze aufgetragen.
Die Plastisole bestehen aus einer Paste aus thermoplastischem PVC-Partikeln, die man
aufquellen lässt, und Weichmacher. Im Zuge eines Sol-Gel-Prozesses wandelt sich das
zweiphasige Sol durch Einlagerung von Weichmachern in das gequollene Polymer in
ein einphasiges Gel um. Dazu muss der aufgetragene Klebstoff kurz erwärmt werden.
20
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
2.
Chemisch abbindende Klebstoffe
a) Aufbau von chemisch abbindenden Klebstoffen
Chemisch abbindende Klebstoffe werden auch als Reaktivklebstoffe bezeichnet, da sich
das Polymer, welches für die Klebewirkung verantwortlich ist, erst beim Auftragen des
Klebstoffes auf das Werkstück ausbildet. In der Klebstofftube liegt also das Monomer
vor.
Die Polymerbildung kann dabei durch Polymerisation, durch Polyaddition oder durch
Polykondensation erfolgen. Neben Einkomponentensystemen, wie bei den physikalisch
abbindenden Klebstoffen, können hier auch Zweikomponentensysteme vorliegen. In
diesem Fall werden zwei verschiedene Monomere benötigt, die aus zwei verschiedenen
Verpackungen auf das Werkstück aufgetragen werden.
b) Anwendungsbeispiele
Polymerisationsklebstoffe
Die Polymersisationsklebstoffe lassen sich im Wesentlichen durch vier große Gruppen
beschreiben.
Bestandteil
Verwendung
Cyanacrylat
Kleinteile, Glas, Gewebe, Sprühverbände (z. B. bei
Organbluten)
Methylmethacrylat
Kunststoff
Phenolformaldehydharz
Holz, Aluminium
Strahlenhärtenden
Glas, Kunststoff, Dentaltechnik
Kunststoffe
21
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Versuch 4: Schnellpolymerisation von Sekundenkleber
Geräte:
Kleines Becherglas
Chemikalien:
20 mL Natronlauge, c = 1 mol/L
Sekundenkleber
Durchführung und Beobachtung:
Man befüllt das Becherglas mit Natronlauge und gibt ein paar Tropfen (etwa 3-4)
Sekundenkleber hinzu. Die Tropfen breiten sich quallenartig im Becherglas aus und
erstarren sofort.
Auswertung:
Sekundenkleber polymerisiert normalerweise durch das in der Luft vorhandene Wasser.
Da dieses als Base wirken kann, wird die anionische Polymerisation initiiert.
Hydroxidionen sind eine stärkere Base als Wasser und bringen die Reaktion damit
schneller
in
Gang.
Denn
wenn
die
Base
die
Methylengruppe
des
-
Cyanoacrylsäureesters angreift, bildet sich ein Carbanion, dessen negative Ladung
delokalisert ist.
N
H
H
O
C
H
O
RO
N
H
H
-
C
HO
N
H
O
RO
-Cyanoacrylsäureester (Cyanacrylat)
H
N
C
H
-
HO
O
H
C
HO
RO
O
-
RO
N
H
C
H
O
RO
22
IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
N
H
H
NC
HO
H
RO
COOR
C
-
H
N
O
ROOC CN
HO
H
-
O
RO
O
H
C
...
RO
C
N
H
H
H
Hn
Polycyanacrylat
Bei Sekundenklebern handelt es sich um ein Einkomponentensystem, da die zweite
Komponente für die Polymerisation aus der Luft stammt.
Polyadditionsklebstoffe
Bestandteil
Verwendung
Polyurethan
Karosseriebau, Glasscheiben
Epoxidharz
Fahrzeug-, Flugzeug-, Karosseriebau, Elektrotechnik
Versuch 5: Reaktivklebstoff auf Ricinusölbasis
Geräte:
Reagenzglas + Glasstab + Halterung
Bunsenbrenner + Schlauch
Spatel
2 Pipetten (dick) mit Hütchen
Ricinuspflanze
Waage
Chemikalien:
4 g Ricinusöl
1,2 mL = 1,44 g Diphenylmethan-4,4’-diisocyanat
1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan
Durchführung und Beobachtung:
Man gibt das Ricinusöl und das Diphenylmethan-4,4’-diisocyanat in das Reagenzglas
sowie noch ein Spatelspitze des Aktivators 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan und erhitzt
vorsichtig. Sobald die Schmelze auszuhärten beginnt, gießt man sie zum Beispiel auf
ein Blatt Papier. Wartet man damit zu lange, härtet das Polyurethan (leicht gelblich) im
Reagenzglas aus und man hat kaum Möglichkeiten, es wieder zu entfernen.
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IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
Der Versuch sollte auf Grund des unangenehmen Geruchs im Abzug oder mit einem
Aktivkohleadsorber durchgeführt werden.
Auswertung:
Zur
Vereinfachung
des
Reaktionsmechanismus
zunächst
einige
abkürzende
Schreibweisen für das Ricinusöl
O
H2 C
O
O
HC
C17H32(OH)
OH
^=
O
C17H32(OH)
C17H32(OH)
OH
O
H2 C
O
OH
sowie für das Diphenylmethan-4,4’-diisocyanat
O
C
N
N
C
O
^=
O
C
N
R
N
C
O
Wirkungsweise des Akivators:
Der Aktivator ist ein tertiäres Amin, welches stark basisch reagiert und daher in der
Lage ist, mindestens eine Hydroxidgruppe des Ricinusöls zu deprotonieren.
C17H32(O-)
C17H32(OH)
N
+
N
C17H32(OH)
C17H32(OH)
N
+
+N
C17H32(OH)
C17H32(OH)
H
Nun kommt es zu einem nucleophilen Angriff des negativ geladenen Sauerstoffatoms
im Ricinusöl an dem positiv teilgeladenen Kohlenstoffatom einer Isocyanatgruppe im
Diphenylmethan-4,4’-diisocyanat. Zunächst wird ein Urethan gebildet.
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IV. Einteilung der Klebstoffe nach ihrem Abbindemechanismus
C17H32( O - )
O
C
N
N
C
+
O
O
C17H32(OH)
O
C
N
N
C
R
R
-
OH32C17
C17H32(OH)
(HO)H32C17
(HO)H32C17
H
O
C
N
N
C17H32(OH)
O
C17H32(OH)
C
R
OH32C17
O
C
O
N
N
C
R
C17H32(OH)
OH32C17
(HO)H32C17
(HO)H32C17
(HO)H32C17
(HO)H32C17
Da im Urethan sowohl freie Alkoholgruppen als auch eine freie Isocyanatgruppe
vorhanden ist, kommt es zur Bildung eines Polyaddukts.
H
n
O
C
N
N
O
C
R
OH32C17
(HO)H32C17
(HO)H32C17
O
HO
C
H32C17
C17H32 O
HO
H
H
O
R
C
O
N
N
C
H
N
C17H32O
R
C17H32O
R
OH32C17
H32C17
C
O
N
H n
Polyadditionsklebstoffe
Zur Vervollständigung seien an dieser Stelle noch die Polyadditionsklebstoffe genannt.
Bestandteil
Verwendung
Polyimide
Metall
Silicone
Dichtungen, Automobilbau,
Elektrotechnik, Luft- und Raumfahrt
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V. Einsatz von Klebstoffen
V. Einsatz von Klebstoffen
Zur Übersicht noch einmal das breite Anwendungsspektrum von Klebstoffen:

Büro und Haushalt (pro Kopfverbrauch: 6 kg / Jahr)

Nahrungsmittelverpackungen

Medizin

Handwerk

Automobilindustrie

Flugzeugbau und Raumfahrt

Elektrotechnik
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Literaturangaben
[1]
Vollhardt, K. Peter C., Schore, Neil E.: Organische Chemie. 3. Auflage.
Weinheim 2000
[2]
Butenuth, Jörg, Schween, Michael: Skriptum zum Organisch-chemischen
Praktikum für Studierende des Lehramts. Marburg 2001
[3]
Informationsserie des Fonds der Chemischen Industrie 27: Kleben/Klebstoffe,
www.vci.de/fonds
[4]
Klebstoffe, http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/
klebstoffe/klebstoffe.htm
[5]
Schallies, Michael: Kleben und Klebstoffe im Unterricht – eine Einführung. In:
Chem. Exp. Didakt. 1977. 3. Seiten 105 – 110.
[6]
Krebs,
Peter:
Mehrkomponentenklebstoffe
–
Grundlagen
und
Anwendungsgebiete. In: Chem. Exp. Didakt. 1977. 3. Seiten 111 – 116.
[7]
Wistuba, E.: Kleben und Klebstoffe. In: ChiuZ. 1980. 4. Seiten 124 – 133.
[8]
Hennies, Carsten, Imkampe, Karl: Klebstoffe im Chemieunterricht. In: PdN-Ch.
1981. 10. Seiten 301 – 308.
[9]
Hilgers, U.: Reaktivklebstoffe aus Kunst- und Naturstoffen: Einfache
Modellversuche. PdN-Ch. 1995. 7. Seiten 36 – 38.
[10]
Praxis der Naturwissenschaften Heft 7/38. 1989. Themenheft Klebstoffe.
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