Entwicklung von PUR-Schmelzklebstoff-Formulierungen mit erhöhtem polaren Anteil zur dauerhaften Verklebung von Materialien mit unterschiedlichen Materialeigenschaften (PUMA)

Ausgangssituation

Die dauerhafte Verklebung von Holzwerk­stoffen und Aluminium birgt aufgrund der deutlich verschiedenen Ausdehnungs­koeffizienten und der unterschiedlichen Oberflächen­topografie dieser Werkstoffe besondere Heraus­forderungen. Häufig neigen solche Verklebungen unter wechselnder thermischer und luftfeuchte­induzierter Belastung zu Blasen­bildung und Delaminierung. Dies führt in den entsprechenden Anwendungs­bereichen, wie zum Beispiel beim Innenausbau von Schiffen und Caravans sowie bei Möbelsaunen, zu erheblichen Schäden. Als Ursache wird eine für solche Anwendungen unzureichende Abstimmung der Eigenschafts­profile der Substrate und des Klebstoffs angesehen, wobei vor allem die Polarität eine entscheidende Rolle spielt.

Projektziel

Das Forschungsvorhaben hatte deshalb die Entwicklung von Hotmelt-Formulierungen zum Ziel, die eine im Vergleich zu bisher verfügbaren PUR-Hotmelts erhöhte Polarität besitzen, so dass sich ausreichend starke polare Wechsel­wirkungen zwischen den Substraten und dem Klebstoff ausbilden können. Mit den modifizierten Klebstoffen sollten Werkstoff­verbunde realisiert werden, welche bestimmten Gebrauchs­szenarien wie dem Klima­belastungs­test nach der AMK-Güterichtlinie standhalten.

Lösungsweg

Aufbauend auf eine kritische Machbarkeits­analyse wurden am IHD Schmelz­klebstoffe zum Fügen von Furnieren und Aluminium­platten ausgewählt und die methodischen Grundlagen für die Bewertung der entsprechenden Verklebungen erarbeitet. Am FILK wurden zum einen Furnier-Aluminium-Verbunde unter Verwendung von reaktiven Polyurethan-Hotmelts mit unterschiedlichen Eigenschaften angefertigt. Zum anderen wurden zahlreiche thermoplastisch verarbeitbare Folien aus kommerziell verfügbaren Hotmelts hergestellt, die mit speziellen, polaren Polymeren geblendet worden waren. Die so modifizierten Klebstoff­folien wurden am IHD hinsichtlich verarbeitungs­relevanter Eigenschaften untersucht und für das Verkleben von Furnier und Al-Platten verwendet. Alle Verbunden wurden geprüft und bewertet.

Ergebnisse | Nutzen

Für die Bewertung der geklebten Verbunde aus Furnier und Aluminium­platten erwiesen sich insbesondere die Haft­festigkeit und die Klima­wechsel­beständigkeit als aussagefähig. Darüber hinaus wurde eine Korrelation zwischen den Ergebnissen der Klima­wechsel­prüfung und der Komplex­viskosität der Hotmelts in ihrem Erweichungs­bereich gefunden, die Ansatz­punkte für die Erarbeitung einer Screening­methode zur Beurteilung von Kleb­stoffen lieferte.

Die Güte der Verklebung der angefertigten Verbunde wurde vor allem von der Art des Hotmelts – reaktiv oder thermoplastisch – bestimmt. Die aktivierende Vorbehandlung der Aluminium­platten mit Atmosphären­druck­plasma erhöhte die Haft­festig­keit nicht signifikant. Die mit den reaktiven Hotmelts geklebten Verbunde zeigten Haft­festig­keiten von 3 – 3,8 N/mm², bei der Klima­wechsel­prüfung traten keine Fehler auf. Bezüglich der einzelnen PUR-Hotmelts, welche zur Verfügung standen, waren die Eigenschafts­unterschiede gering. Die Modifizierung von thermo­plastischen Hotmelts durch Additivierung mit ausgewählten polaren Polymeren führte zu einem differenzierten Bild: Klebe­folien aus Hotmelt­blends bewirken im Vergleich zu solchen aus reinem EVA- oder Polyolefin-Hotmelt eine niedrigere Haft­festig­keit. Die Fehler­häufigkeit bei der Klima­wechsel­prüfung war bei Blends, welche ein malein­säure­anhydrid­modifiziertes Polyethylen enthielten, verringert. Polyvinylbutyral in den Blends bewirkte in den meisten Fällen eine Verschlechterung der Klimawechselbeständigkeit.

Der Nutzen der neuen Hotmelts mit erhöhtem polarem Anteil zur dauerhaften Verklebung von Werkstoff­verbunden mit unterschiedlichen Material­eigenschaften liegt in der gesteigerten Performance und Lebens­dauer der Produkte. Damit erschließen sich einerseits neue Markt­segmente, wie z. B. im Automobilbau oder der Computer­industrie, andererseits werden Reklamations­kosten in bestehenden Markt­bereichen gesenkt. Die erarbeiteten Ergebnisse weisen ebenso Potential für die Erweiterung der Palette an Kleb­stoffen für Material­verbunde für die Innen­einrichtung von Caravans, Schiffs­kabinen oder auch für Küchen auf.

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