Best Practices für das Kleben teilkristalliner Thermoplaste

Best Practices für das Kleben teilkristalliner Thermoplaste

Von Standard- bis Hochleistungstypen lassen sich teilkristalline Polymere nur schwer mit sich selbst und mit artfremden Werkstoffen verkleben. Für die starken molekularen Bindungen, die für die Haftung erforderlich sind, müssen die Substratoberflächen sauber sein (häufig in Verbindung mit einer Vorbehandlung). Die Auswahl des Klebstoffs und die richtige Aushärtung sind entscheidend für das gewünschte Ergebnis.

Im festen Zustand zeigen Polymere grundsätzlich zwei Arten von Morphologie: „amorph“ und „teilkristallin“. Unter bestimmten Bedingungen können manche Polymere beide Morphologien aufweisen. Amorphe Polymere, z. B. Acryl und Polycarbonat, haben keinen echten Schmelzpunkt (sie erweichen allmählich). Die Moleküle sind regellos ausgerichtet und miteinander verschlungen (wie gekochte Spaghetti); das Erscheinungsbild ist glasartig transparent. Teilkristalline Polymere haben einen scharfen Schmelzpunkt, und die Moleküle lagern sich in geordneten Bereichen mit regelmäßiger, linearer Struktur zusammen. Da Kristallite Licht streuen, sind sie in der Regel undurchsichtiger. Teilkristalline Polymere bilden aufgrund der starken intermolekularen Kräfte der dichten Kettenpackung tendenziell zähe Kunststoffe. (Siehe Abbildung 2.)

Teilkristalline Polymere sind von Natur aus schwer zu kleben, weil sie hydrophob und chemisch inert sind und eine schlechte Oberflächenbenetzbarkeit (d. h. niedrige Oberflächenenergie) besitzen. Diese Eigenschaften sind für die Leistungsfähigkeit äußerst wünschenswert, die schlechte Benetzbarkeit stellt Hersteller jedoch beim Kleben vor Herausforderungen. Außerdem nehmen teilkristalline Polymere wie Nylon mehr als drei Prozent ihrer Masse an Wasser aus der Atmosphäre auf. Feuchtigkeit an sich verursacht bereits Haftungsprobleme. Deshalb ist es wichtig, die Klebprozesse so bald wie möglich nach dem Formen durchzuführen oder die Teile dicht in Beuteln ohne Polyolefine und mit Trockenmittel zu verpacken. Ein sachgerechtes Trocknungsverfahren ist für die Verarbeitung und die Bauteilleistung entscheidend.

Das Wichtigste in Kürze

• Die Morphologie bestimmt die Klebbarkeit. Amorphe Polymere wie Acryl und Polycarbonat lassen sich leichter verkleben als teilkristalline.
• Reinigen Sie mit Toluol, Xylol, Aceton oder MEK. Alkohol entfernt nur oberflächlichen Schmutz, keine Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen.
• Silikone, Trennmittel und Gleitmittel verhindern das Kleben und müssen vor der Vorbehandlung entfernt werden.
• Haftungsversagen hat ein sichtbares Erkennungsmerkmal: Klebstoffreste befinden sich nur auf einem Substrat, nicht auf beiden.
• Epoxide, Acrylate und Urethane sind die gängigen Familien von Strukturklebstoffen für diese Polymere.

Häufig gestellte Fragen

Warum sind teilkristalline Polymere schwerer zu kleben als amorphe?

Das liegt an ihrer molekularen Morphologie. Amorphe Polymere wie Acryl und Polycarbonat haben regellos ausgerichtete, verschlungene Moleküle und keinen echten Schmelzpunkt; sie erweichen allmählich. Teilkristalline Polymere haben eine geordnete Struktur, und genau diese Ordnung wirkt der Benetzung entgegen, von der die Haftung abhängt.

Welche Lösungsmittel eignen sich zum Reinigen teilkristalliner Oberflächen?

Toluol, Xylol, Aceton oder MEK in mittlerer bis höherer Stärke, gemäß der betrieblichen Lösungsmittelrichtlinie und den gesetzlichen Vorgaben. Geeignete Reinigungsmittel sind in den Datenblättern der Polymere angegeben. Alkohol ist ein schwaches Lösungsmittel, das oberflächlichen Schmutz entfernt, nicht aber Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen.

Wie unterscheidet man Haftungsversagen von Kohäsionsversagen?

Daran, wo der Klebstoff verbleibt. Haftungsversagen tritt an der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Fügeteil auf; sichtbar sind Klebstoffreste nur auf einer Oberfläche, nicht auf dem zweiten Substrat. Bei Kohäsionsversagen bleibt Klebstoff auf beiden zurück.

Welche Klebstoffe eignen sich für teilkristalline Polymere?

Strukturklebstoffe: Epoxide, Acrylate und Urethane werden häufig eingesetzt. Zweikomponenten-Epoxid entsteht durch Mischen eines Epoxidharzes mit einem Härter; die Verbindungskonstruktion muss Zug-, Druck-, Scher-, Schäl- und Spaltkräfte berücksichtigen, oft in Kombination.

Welche Verunreinigung ruiniert eine Klebung am zuverlässigsten?

Niedermolekulare Stoffe: Silikone, Trennmittel und Gleitmittel. Sie verhindern das Kleben unmittelbar, und keine Vorbehandlung kann dies ausgleichen, solange sie noch auf der Oberfläche vorhanden sind.

Oberflächenreinigung und Vorbehandlung

Die Oberflächenvorbereitung ist entscheidend für eine hohe Klebfestigkeit. Die Oberflächen müssen sauber und frei von Schmutz, Fett und Ölen sein. Niedermolekulare Stoffe (LMWM) wie Silikone, Trennmittel und Gleitmittel verhindern das Kleben. Um teilkristalline Oberflächen ausreichend zu reinigen und LMWM-Stoffe zu entfernen, sollten in der Regel Toluol, Xylol, Aceton oder MEK in mittlerer bis höherer Stärke verwendet werden (gemäß betrieblicher Lösungsmittelrichtlinie und gesetzlichen Vorgaben). Geeignete Reinigungsmittel sind in den Datenblättern der Polymere angegeben. Alkohol ist ein schwaches Lösungsmittel und entfernt nur oberflächlichen Schmutz, nicht aber Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen.

Zu jedem Zeitpunkt ist sauber zu arbeiten, u. a. mit fusselfreien Tüchern und puderfreien Schutzhandschuhen. Überschüssiges Lösungsmittel erzeugt schwache Grenzschichten aus nicht entfernten Chemikalien und hinterlässt einen Schleier, der das Kleben verhindert.

Beim Kleben teilkristalliner Polymere ist häufig unmittelbar nach der Lösungsmittelreinigung eine Plasma-Vorbehandlung erforderlich. Zu den Oberflächenoxidations-Vorbehandlungen in der Gasphase zählen Koronabehandlung, Atmosphärendruckplasma, Luftplasma (elektrische Entladung), Flammenplasma und Niederdruck-HF-Kaltgasplasma. Diese Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sie „Gasplasma“ erzeugen, ein äußerst reaktives Gas aus freien Elektronen, positiven Ionen und anderen Spezies. Zusätzlich findet eine chemische Funktionalisierung der Oberfläche statt. Physikalisch unterscheiden sich die Mechanismen, mit denen diese Plasmen erzeugt werden, ihre Wirkung auf die Oberflächenbenetzbarkeit ist jedoch ähnlich. Jedes Verfahren ist anwendungsspezifisch und hat Vorteile und/oder Einschränkungen.

So entfernen elektrische Vorbehandlungen beispielsweise nicht alle polyaromatischen Kohlenwasserstoffe, weshalb es erforderlich sein kann, die Lösungsmittelreinigung fortzusetzen. Die HF-Kaltgasvorbehandlung entfernt Kohlenwasserstoffe, sodass eine Vorreinigung nicht nötig ist.

Als Faustregel gilt: Eine akzeptable Klebhaftung wird erreicht, wenn die Oberflächenenergie des Substrats etwa 10 dyn/cm über der Oberflächenspannung der Flüssigkeit bzw. des Klebstoffs liegt. Die Oberflächenenergie von unbehandeltem Nylon beträgt etwa 40 dyn/cm. Die angestrebte Oberflächenenergie nach der Behandlung muss daher im Bereich von 50–54 dyn liegen. In diesem Fall benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche („wet out“) bzw. haftet auf ihr. Ein gängiges Verfahren zur Messung der Benetzung ist die Verwendung kalibrierter Dyne-Testflüssigkeiten nach der Prüfmethode ASTM D2578.

Klebstoffe und Aushärtung

Per Definition tritt „Haftungsversagen“ an der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Fügeteil (Substrat) auf. Sichtbar sind Klebstoffreste an beliebiger Stelle nur auf einer Oberfläche und nicht auf dem zweiten Fügeteil. Eine optimale Verbindungskonstruktion ist bei jeder Klebanwendung entscheidend. Klebverbindungen können Zug-, Druck-, Scher-, Schäl- oder Spaltkräften ausgesetzt sein, oft in Kombination.

Für viele Klebanwendungen mit teilkristallinen Polymeren werden Strukturklebstoffe (u. a. Epoxide, Acrylate und Urethane) eingesetzt. Zweikomponenten-Epoxid entsteht durch Mischen eines Epoxidharzes mit einem Härter oder durch den Einsatz von „Duo-Pak“-Applikatoren. Eine gleichmäßig dünne Klebschichtdicke (0,002 bis 0,007 Zoll) ist für optimale Scher- und Zugfestigkeit zu bevorzugen. Die vollständige Aushärtezeit liegt typischerweise bei sieben Tagen bei 75 °F, variiert aber je nach Anwendung und Umgebungsbedingungen. Die Aushärtung lässt sich durch Wärmezufuhr (120–210 °F) beschleunigen, was zu zusätzlicher Polymerisation führt und dem Epoxid bessere Eigenschaften verleihen kann. Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur des Polymers ist in der Regel die Obergrenze für die Wärmezufuhr bei der Nachbearbeitung nach dem Formen. Backzeit und -temperatur sind anwendungsspezifisch.

Ein verbreiteter Fehler ist es, zusätzlichen Klebstoff aufzutragen, um die Klebfestigkeit zu verbessern. Zu viel Klebstoff ist schädlich und eine der häufigsten Ursachen für Klebverbindungsfehler. Epoxidklebstoffe haben beispielsweise relativ hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Klebschichten müssen dünn und gleichmäßig in der Dicke gehalten werden (typischerweise 3–5 mil für maximale Scherfestigkeit). Der Klebstofflieferant kann Hinweise zur optimalen Klebschichtdicke für die jeweilige Anwendung geben. Vordosierte „Duo-Pak“-Applikatoren beseitigen Mischprobleme und sorgen für ein genaueres Mischungsverhältnis. Sie liefern zudem stöchiometrisch bessere chemische Reaktionen, was zu besserer Festigkeit und besserem Ausgasungsverhalten führt.

Zur Oberflächenstruktur des zu klebenden Teils: Eine texturierte Oberfläche, wie sie beim Formen entsteht, erhöht zusätzlich zur Lösungsmittelreinigung und Plasma-Vorbehandlung die Haftung durch mechanische Verzahnung. Die Textur kann im Formwerkzeug erzeugt oder manuell mit einem Scotch-Brite-Pad aufgebracht werden. So verbessert beispielsweise die NTMA-Formnestoberfläche „40-Diamond buffed 1200 Grit“ voraussichtlich die Klebfestigkeit im Vergleich zur Oberfläche „10-Fine Diamond 8000 Grit“ (Bereich 0–3 Mikrometer). Selbst leicht texturierte Oberflächen sind von Vorteil. (Siehe Abbildung 3.)

Zusammengefasst werden für hochfeste Klebverbindungen teilkristalliner Polymere folgende Maßnahmen empfohlen:

• Stellen Sie sicher, dass das Harz vor dem Formen ordnungsgemäß getrocknet wurde.
• Führen Sie den Klebprozess so bald wie möglich nach dem Formen durch.
• Reinigen Sie die Bauteiloberfläche mit Lösungsmittel, um Oberflächenverschmutzungen und Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen zu entfernen.
• Erwägen Sie eine Plasma-Oberflächenvorbehandlung, um Benetzung und chemische Funktionalisierung der Oberfläche zu verbessern (zusätzlich zur Lösungsmittelreinigung).
• Tragen Sie eine dünne, gleichmäßige Klebschicht auf. Zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn das Produkt eine texturierte Oberfläche hat.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident der The Sabreen Group, Inc., eines Ingenieurunternehmens, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung, Laserbeschriftung und Produktsicherheit. Er entwickelt seit über 30 Jahren neue Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen Sabreen unter 972.820.6777 oder über www.sabreen.com bzw. www.adhesionbonding.com.

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