Klebstoffchemie und -entwicklung

Nanokomposite, Biopolymere und neuartige Rohstoffe für die Entwicklung moderner Klebstoffe

Genauso wenig wie es die „Universal-Schraube“ oder den „Global-Niet“ gibt, gibt es einen „Alleskleber“. Moderne Klebstoffe sind hochspezialisierte Produkte der chemischen Industrie, die für ein spezifisches Spektrum an Anwendungen geeignet sind und eine spezielle Anzahl an Forderungen erfüllen. Die chemische Industrie erhält aus allen Industriebranchen wie etwa der Automobilindustrie, Luftfahrtindustrie, Schiffbau, Schienenfahrzeugbau, Elektronik, Medizintechnik oder dem Bauwesen Herausforderungen und formuliert aus dem breiten Baukasten der Polymerchemie und den notwendigen Zusatzstoffen unterschiedlichste Klebstofftypen sowie hunderttausende Produkte.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich Klebstoffchemie und –entwicklung befassen sich mit allen chemischen Fragen, die sich aus der Anwendung Kleben ergeben und unterstützt dadurch Klebstoffproduzenten und Anwender von Klebstoffen.

Formulierung von Klebstoffen für spezielle Anwendungen

 

Es gibt immer wieder spezielle Anwendungen, für die keine geeigneten Klebstoffe am Markt verfügbar sind: zum einen sind häufig spezielle Formulierungen notwendig, wenn es um eine effektive Produktion und eine hohe Produktsicherheit geht; zum anderen, wenn es um Klebstoffe und andere Reaktivpolymere geht, die nur in kleinen Mengen benötigt werden. In beiden Fällen ist das Fraunhofer IFAM der ideale Entwicklungspartner. Beispiele aus der Vergangenheit sind Klebstoffe für die Medizintechnik, die gegen spezielle Sterilisationsmethoden beständig sind, vorapplizierbare Klebstoffe (PASA®; »Pre-Applicable Structural Adhesives«) für Klebbolzen oder für die lokale Verstärkung von Stahlblech sowie Vergussmassen für die Elektronik mit angepasstem Wärmeausdehnungskoeffizienten und Leitklebstoffe. Zudem wird auch an Haftklebstoffen und Klebstoffen für die Medizin gearbeitet.

Oftmals geht es aber auch darum, neue Prinzipien aufzuzeigen bis hin zur Entwicklung neuer Rohstoffe, um Klebstoffe effektiver zu machen oder neue Funktionen zu integrieren. Hier werden Kenntnisse aus der allgemeinen Polymerchemie übertragen und auf die praktische Anwendbarkeit überprüft. Es handelt sich z. B. um neuartige Katalysatoren, die eine schnelle Klebstoffhärtung bei gleichzeitig verbesserter Lagerstabilität gewährleisten, oder um neue Harzsysteme, wie Benzoxazine oder teilkristalline Harze. Andere Beispiele sind Haftklebebänder, mit denen sich Metalloberflächen lokal beizen oder anodisieren lassen, oder zu einem Strukturklebstoff aushärtbare Haftklebstoffe.

Eigenschaftsverbesserungen durch Nanokomposite

 

Bei Klebverbindungen ist oftmals die Adhäsion größer als die Kohäsion, also die Eigenfestigkeit des Materials. Es stellt sich die Frage, wie sich das bei der Materialentwicklung nutzen lässt. Die Antwort hierauf ist der Einsatz von Nanopartikeln, durch welche eine große Oberfläche in das Polymer gebracht wird. Dabei ist die Oberflächenmodifikation der Partikel für die resultierenden Eigenschaften mindestens so entscheidend wie die richtige Verarbeitungstechnik.

Die modifizierten Partikel werden für die Formulierung von Klebstoffen, Lacken, Matrixharzen für Verbundwerkstoffe oder Vergussmassen verwendet. Durch die Partikel lassen sich Eigenschaftsverbesserungen erzielen wie eine gleichzeitige Verbesserung von Festigkeit und Bruchdehnung, geringer Härtungsschrumpf sowie Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE). Zudem können die rheologischen Eigenschaften und das Brandverhalten mit ihrer Hilfe eingestellt werden.

Klebstoffe aus neuartigen Rohstoffen

 

Bei der Entwicklung neuer Klebstoffe oder Beschichtungsmaterialien wird zunächst geprüft, ob das gegebene Anforderungsprofil mit handelsüblichen Komponenten zu erfüllen ist. Trifft dies nicht zu, entwickeln wir anwendungsbezogen neue Rohstoffe. Hierbei geht es z. B. um neuartige Polymere zur Zähelastifizierung, Brandschutzadditive oder funktionalisierte Füllstoffe. Bei der Zusammenarbeit mit Rohstoffherstellern geht es häufig um die Entwicklung von Musterrezepturen auf der Basis neuer Rohstoffe.

Bei der Entwicklung neuer Additive – wie Katalysatoren für eine beschleunigte Härtung, funktionalisierte Farbstoffe oder Indikatoren für eine Kontrolle des Aushärtungszustands – können bereits mit kleinen Mengen die Klebstoffeigenschaften signifikant verbessert werden. Dies ermöglicht unseren Kunden eine Abgrenzung von Wettbewerbsprodukten.

Bereits bei der Auswahl der zu präparierenden Wirkstoffe und der Synthesewege wird darauf geachtet, dass eine spätere Umsetzung in die industrielle Produktion möglich ist. In diese Betrachtungen gehen sowohl die voraussichtlich benötigte Menge des Rohstoffs und die Komplexität der Fertigung als auch eine erste toxikologische Einschätzung ein.

Neue polymere Werkstoffe: Biobasiert und bioabbaubar

 

Unternehmen verspüren den Druck der Konsumenten und der Politik, ihre Produkte und Halbzeuge nachhaltig herzustellen. Der erste Schritt zu einer besseren Ökobilanz besteht oftmals darin, vorhandene Kunststoffe durch neue Polymere, die biobasiert und/oder bioabbaubar sind, zu ersetzen. Das Fraunhofer IFAM verfolgt oftmals den Ansatz, neue Kunststoffe im Rahmen der von Unternehmen bereits genutzten Polymersystemen zu entwickeln. Das bietet die Vorteile, dass bekannte Materialeigenschaften erhalten bleiben können und Verarbeitungsprozesse nicht umgestellt werden müssen.