DVS 2204-1-2011 Adhesive bonding of thermoplastics.pdf

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1、DVS, Ausschuss fr Technik, Arbeitsgruppe Fgen von Kunststoffen“File: D:Eigene DateienKundenDVSRi+Me2204-12204-1_farbig.fmNachdruck und Kopie,auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersDVS DEUTSCHER VERBANDFR SCHWEISSEN UNDVERWANDTE VERFAHREN E.V.Bezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65,

2、40010 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11) 15 91- 150Diese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender muss jeweils prfen, wie weit der Inh

3、alt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vorliegende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.Inhalt:1 Geltungsbereich2 Werkstoffe3 Stand der Technik4 Klebstoffe4.1 Einflussfaktoren5 Klebstoffeinteilung5.1

4、 Physikalisch abbindende Klebstoffe5.1.1 Kontaktklebstoffe5.1.2 Dispersionsklebstoffe5.1.3 Schmelzklebstoffe5.1.4 Diffusionsklebstoffe5.2 Chemisch reagierende Klebstoffe5.2.1 Allgemeines5.2.2 Polymerisationsklebstoffe5.2.3 Polyadditionsklebstoffe 5.2.4 Polykondensationsklebstoffe6 Verbindungsformen7

5、 Fgeteilvorbehandlung7.1 Oberflchenvorbereitung7.2 Oberflchenvorbehandlung7.2.1 Physikalische/Elektrische Vorbehandlungsverfahren7.2.2 Flammvorbehandlung7.2.3 Plasmavorbehandlung7.2.4 Chemische Vorbehandlungsverfahren8 Klebausfhrung8.1 Verbinden mit Lsemittelklebstoffen 8.2 Verbinden mit Kontaktkleb

6、stoffen8.3 Verbinden mit Schmelzklebstoffen8.4 Verbinden mit Zweikomponenten-Reaktionsklebstoffen8.5 Verbinden mit Einkomponenten-Reaktionsklebstoffen9 Prfung9.1 Prfung an Probekrpern9.2 Prfung an Fertigteilen10 Arbeitshygiene, Arbeitssicherheit und Umwelt11 Schrifttum11.1 Normen11.2 Technische Rege

7、lnAnhang 1 Thermoplastische KunststoffeAnhang 2 Klebstoffeinteilung1 Geltungsbereich Diese Richtlinie behandelt das konstruktive Kleben thermoplasti-scher Kunststoffe von unterschiedlichem chemischem Aufbau mit sich selbst oder in Kombination mit anderen Thermoplasten. Andere Vorschriften und Anleit

8、ungen werden durch diese Richt-linie nicht eingeschrnkt. Im Schwerpunkt ist diese Richtlinie auf eine manuelle wie auch maschinelle Verarbeitung ausgerichtet. Das kontinuierliche Her-stellen von Klebeverbindungen wie Flchenbeschichtung, Ver-bundfolienherstellung, Serienfertigungen oder das Kleben vo

9、n Schaumstoffen ist nicht Gegenstand dieser Richtlinie. 2WerkstofeDie Basiswerkstoffe sind Polymere, Co-Polymere sowie deren Mischungen. Eine Auflistung der zu verbindenden Werkstoffe mit Angaben zur Verklebbarkeit findet sich in Anlage 1.Co-Polymere und deren Mischungen weisen vernderte oder genaue

10、r gesagt verbesserte Eigenschaften auf wie z. B. erhhte Schlagzhigkeit, Wrmestandfestigkeit oder Witterungs- und Me-dienbestndigkeit. Die Werkstoffe finden Einsatz in Formteilen sowie als Halbzeuge wie Tafeln, Rohre, Profile oder Folien.3 Stand der TechnikDie Klebetechnik findet immer mehr Bedeutung

11、 bei der industriel-len Fertigung und im Handwerk. Klebstoffverbindungen findet man mittlerweile in allen Bereichen. Hierfr steht eine breite Aus-wahl von Klebstoffen zur Verfgung. Beim Kleben von Kunststoffen ist die Oberflchenenergie (Polari-tt) eine entscheidende Gre. Sie ist fr den Grad der Bene

12、t-zung durch den Klebstoff verantwortlich und kann durch entspre-chende Vorbehandlungsmethoden beeinflusst werden.Oberflchenvorbehandlungen sind jedoch oft nicht so wirksam, sodass keine signifikante Verbesserung der Klebung erzielt wird. Auch ist die Wirksamkeit der Vorbehandlung oft nur temporr, a

13、bhngig von Werkstoff und Methode. Im Bereich der leicht zu verklebenden Kunststoffe wie PVC und ABS macht man sich die gute Lslichkeit der Polymere zunutze und verwendet Lsemittel oder lsemittel basierende Klebstoffe. Die Lsemittel dringen in die Fgeflche ein, lsen Molekularbewegungen aus und fhren

14、nach dem Entweichen zu festen, dauerhaften Verbindungen. Es ist zu beachten, dass die Lsemittel die Polymerstruktur und das Gefge in Abhngigkeit von z. B. Polymer, Zeit und Temperatur beeinflussen knnen. Bauteile mit Eigenspannung sind hier be-sonders anfllig und entsprechende Manahmen, z. B. temper

15、n, mssen getroffen werden. Polymere mit erhhten polaren Anteilen wie ABS knnen auch mit rein adhsiv wirkenden Klebstoffen verbunden werden. In jngster Zeit sind sogar Klebstoffe fr Polyolefine (PE/PP) auf den Markt gekommen, die auch ohne besondere Vorbehandlung der Klebeflchen beachtliche Festigkei

16、ten erreichen.Die Auswahl geeigneter Klebstoffe wird durch die Anwendung und die Werkstoffe bestimmt und erfolgt in der Regel in Zusam-menarbeit mit dem Klebstoffanbieter oder durch Empfehlung einer sogenannten Klebstofftabelle.Da die Basiswerkstoffe durch Variation der Komponenten sehr unterschiedl

17、ich sein knnen und die Formteile Additive wie Gleit-mittel enthalten, sind Vorversuche bei der Auswahl des Klebstoff-systems meist zustzlich erforderlich.Kleben von thermoplastischenKunststoffenJanuar 2011RichtlinieDVS 2204-1Ersetzt DVS 2204-3 von April 1981B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0

18、D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 2 zu DVS 2204-14 KlebstoffeAls Klebstoff gilt nach DIN EN 923 ein nichtmetallischer Stoff, der Werkstoffe durch Oberflchenhaftung (Adhsion = Bindekrfte an der Grenzflche zwischen dem zu verklebenden

19、Substrat) so verbinden kann, dass die Verbindung eine ausreichende innere Festigkeit (Kohsion = Bindekrfte der Klebstoffbestandteile un-ter sich) besitzt.Bild 1. Aufbau einer Klebschicht.Grundvoraussetzung fr das Kleben ist, dass der Klebstoff im Applikationszustand flssig oder pasts und im Endzusta

20、nd fest sein muss und die Fgeteile mit dem Klebstoff benetzbar sind. Die Oberflchenenergie des Klebstoffes muss mindestens klei-ner oder gleich gro der Oberflchenenergie des Werkstoffes sein. Eine ideale Benetzung wird erzielt, wenn die Oberflchen-energie des Klebstoffes sehr viel kleiner als die de

21、s Werkstoffes ist.Bild 2. Unterschiedliche Benetzung.4.1 EinflussfaktorenFr ein optimales Klebeergebnis, d. h. eine dauerhafte, kraft-schlssige Verbindung, sind bei der Auswahl des Klebstoffes folgende Faktoren zu bercksichtigen: Die anwendungsbezogene Werkstoffauswahl muss unter Be-rcksichtigung de

22、r mechanischen, thermischen und chemi-schen Anforderungen sowie der Luftfeuchtigkeit stattfinden. Die Werkstoffe sind werkstoffspezifisch vorzubehandeln. Die Klebstoffauswahl erfolgt anwendungsbezogen. Die zu klebenden Oberflchen mssen schmutz-/fettfrei und trocken sein. Die Klebeflchen sind mglichs

23、t groflchig auszulegen. Durch klebstoffgerechte Konstruktionen sind unzulssige Schl-belastungen zu vermeiden bzw. Spannungsspitzen zu reduzie-ren. Die Konstruktion ist so zu whlen, dass daraus vorzugsweise eine Scherbeanspruchung resultiert.Bild 3. Arten der Klebstoffbeanspruchung. eine mglichst hoh

24、e, auf den Klebstoff abgestimmte Passge-nauigkeit der Klebefuge (nach Herstellerangaben oder Nor-men), sachgeme Verarbeitung des ausgewhlten Klebstoffes (Herstellerhinweise beachten), Belastung der Klebeverbindung erst nach weitgehendem Erreichen der Endfestigkeit bzw. der Gebrauchsfestigkeit (Wei-t

25、erverarbeitungshinweise beachten)Weiterhin sind bei der Klebstoffauswahl fertigungstechnische Ab-lufe, Fragen der Wirtschaftlichkeit und die aktuellen Arbeits-schutz- und Sicherheitsbestimmungen zu beachten.5 KlebstoffeinteilungVon der Antike bis zu Beginn des 20. Jahrhunderts basierten die Klebstof

26、fe auf natrlichen Rohstoffen, wie Knochenleim, Kasein oder Strke, die den Markt dominierten. Heute prgen die syn-thetischen Rohstoffe den Klebstoffmarkt. Durch die hieraus resul-tierenden Variationsmglichkeiten stehen dem Anwender eine Vielzahl verschiedenster Klebstoffe zur Verfgung, die sich in ih

27、ren Eigenschaften wie Verarbeitung, Festigkeit, Temperatur- und Medienbestndigkeit oftmals wesentlich unterscheiden.Eine systematische, verbindliche Klebstoffeinteilung existiert bis heute nicht. Die gebruchlichste Klebstoffeinteilung basiert auf dem Abbinde- und Aushrtemechanismus, Anlage 2. Es wir

28、d ein-geteilt in physikalisch abbindende Klebstoffe und chemisch rea-gierende Klebstoffe. Bei den chemisch reagierenden Systemen ist dabei noch zwischen Einkomponenten- und Zweikomponen-ten Systemen (1K/2K) sowie kalt- und warmhrtend zu differen-zieren. Als Variante in dieser Einteilungsform sind di

29、e physika-lisch abbindenden Systeme mit chemischer Verfestigung, z. B. Schmelzklebstoffe mit PUR/EP Nachvernetzung anzusehen. Eine weitere Einteilungsmglichkeit sind die Klebeformen, Anla-ge 2.5.1 Physikalisch abbindende KlebstoffeSie sind dadurch definiert, dass der Abbindeprozess des Kleb-stoffes

30、durch physikalische Vorgnge wie Trocknung, Erstarrung aus Schmelzen oder Diffusionsvorgngen erfolgt, ohne Vernde-rung der Komponenten im chemischen Sinne.5.1.1 KontaktklebstoffeKontaktklebstoffe sind dadurch gekennzeichnet, dass sie hoch-molekulare aber chemisch nicht vernetzte polymere Komponen-ten

31、 (z. B. Polychloropren) enthalten, die durch Zugabe von Lse-mittel in einen Viskosittszustand gebracht werden, der eine opti-male Benetzung der Fgeteiloberflche sicherstellt. Kontaktklebstoffe mssen auf beide Fgeteile aufgetragen wer-den. Der Erstarrungsprozess (Ablftezeit) erfolgt durch Trocknen vo

32、r dem Zusammenfgen. Die Klebeschichten mssen sich trocken anfhlen. Die Fgeteile werden dann unter definiertem Druck innerhalb eines bestimmten Zeitraumes (Kontaktklebezeit) zusammengepresst. Fr die Festigkeit ist die Hhe des Press-druckes entscheidend, nicht die Pressdauer.Whrend und nach dem Presse

33、n luft ein Verzahnungsprozess zwischen den Klebstoffschichten beider Seiten ab, der die Fge-teile fest miteinander verbindet. Eine Verbesserung in der Wr-mebestndigkeit und Kriechfestigkeit wird durch Einsatz von langsam wirkenden Hrtern erreicht, die zu einer rumlich weit-maschigen Vernetzung im La

34、ufe einiger Tage fhren.Aufgrund des hohen Lsemittelanteils (bis zu 80%) der klassi-schen Kontaktklebstoffe werden diese heute, wenn mglich, durch sogenannte Dispersionsklebstoffe ersetzt. Hierbei ist das Polymer (z. B. PU) in Wasser dispergiert. Bei den wssrigen Kontaktklebstoffen sind der deutlich

35、lngere Trocknungsprozess und eine geringe Anfangshaftung von Nachteil.5.1.2 DispersionsklebstoffeHierbei handelt es sich um (synthetische) wasserbasierte Kleb-stoffe auf Basis von z. B. Polyvinylacetat-Dispersionen (Homo-/Copolymere) in Kombination mit Acrylaten oder funktionellen Mo-nomeren. Der Ei

36、nsatzbereich dieser Klebstoffe ist vorrangig das Kleben von Holz. Wie bei den Schmelzklebstoffen, gibt es auch hier eine chemisch abbindende Variante, siehe Abschnitt 5.2.k skeine Benetzung( = 180o)k = sunzureichende Benetzung( = 90o)k sideale Benetzung( 45o)Zugscherbeanspruchungsehr gnstigZugbeansp

37、ruchunggnstigSchlbeanspruchungzu vermeidenB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Seite 3 zu DVS 2204-15.1.3 SchmelzklebstoffeSchmelzklebstoffe sind lsemittelfreie Systeme, vorzugsweise aufBasis von Ethy

38、len-Vinylacetat Copolymerisaten (EVA) oder Poly-amid (PA), die aus der Schmelze heraus verarbeitet werden und durch eine gute Benetzung mit dem zu klebenden Fgeteil gute Adhsionseigenschaften ausbilden. Nach dem Abkhlen erstar-ren die Klebstoffe mit entsprechenden Kohsionseigenschaften.Fr Spezialanw

39、endungen stehen noch Schmelzklebstoffe auf Basis gesttigter Polyester, Polyimide, Blockcopolymere Styrol-Butadien-Styrol SBS oder Styrol-Isopren-Styrol SIS zur Ver-fgung. Neben diesen rein physikalisch abbindenden Schmelzklebstof-fen, die als Thermoplaste einzustufen sind, ist eine zweite Kate-gorie

40、 von Schmelzklebstoffen im Markt, die ber eine chemische Nachvernetzung (siehe Abschnitt 5.2) Duroplaste ausbilden.5.1.4 DiffusionsklebstoffeHierunter werden lsemittelbasierte Klebstoffe (Klebstofflsun-gen) verstanden, die in der Regel ein gelstes Polymer enthal-ten, das dem zu klebendem Grundmateri

41、al entspricht. Der Kleb-stoffauftrag erfolgt beidseitig, das Fgen der Teile innerhalb der vorgegebenen Verarbeitungszeit.Das Klebeprinzip beruht auf einem Quell- und Lseprozess der Fgeteile. Die Eigenschaften des abgebundenen Klebstoffes (thermisch, chemisch, mechanisch) entsprechen daher weitest-ge

42、hend dem des Grundmaterials. 5.2 Chemisch reagierende Klebstoffe5.2.1 AllgemeinesChemisch reagierende Klebstoffe sind ber unterschiedliche Hrtungsmechanismen (Anlage 2) differenzierbar. Sie knnen als 1K-(einkomponentig) oder 2K-(zweikomponentig)Systeme vorliegen. Eine Kalt- bzw. Warmhrtung ist mglic

43、h.Polymerisationreaktionen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbildung aus gleichem/hnlichem Monomeren/Prepoly-meren heraus erfolgt. Der Polymerisationsprozess wird je nach Klebstoffart durch Luftfeuchtigkeit, UV-Licht, unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob) oder durch Zugabe organischer

44、 Per-oxide ausgelst. Die aus dieser Reaktion resultierende Topfzeit (Potlife) betrgt vorzugsweise weniger als 30 Minuten. PolyadditionsreaktionenSie sind dadurch gekennzeichnet, dass zwei verschieden aufge-baute Komponenten, Harz A und Hrter B, sich zu der Kompo-nente AB (Klebstoff) addieren. Das zu

45、 whlende Mischungsver-hltnis ist abhngig von der Art und Menge der Reaktivgruppen der beiden Ausgangskomponenten. Die Einhaltung der Herstel-lerangaben zum Mischungsverhltnis ist zwingend notwendig, da ansonsten eine nicht vollstndige Aushrtung bzw. Versprdung der Klebfuge eintreten kann. Polykonden

46、sationsreaktionenSie sind dadurch gekennzeichnet, dass bei Reaktion der Kompo-nenten A+B Spaltprodukte, wie z. B. Wasser oder Kohlendioxid, entstehen. Die chemischen Hrtungsprozesse verlaufen je nach Reaktionsmechanismus mehr oder weniger intensiv exotherm, d. h., der Reaktionsprozess setzt Wrme fre

47、i und verndert damit in Abhngigkeit von der Ansatzgre die Topfzeit. Dies ist bei der Verarbeitung zu bercksichtigen. Nach Ablauf der Topfzeit darf der Klebstoff nicht mehr verarbeitet werden. Die gefgten Klebeverbindungen drfen bis zur Aushrtung nicht mechanisch belastet werden (siehe Herstelleranga

48、ben zu Handfestigkeit und Endfestigkeit). Die nachfolgenden Klebstoffbeschreibungen ge-ben einen berblick ber die verschiedenen Mglichkeiten der chemischen Ausgangsbasis. Hierin werden lediglich die grund-stzlichen Eigenschaften dargestellt, sie erheben keinen An-spruch auf Vollstndigkeit.5.2.2 Poly

49、merisationsklebstoffeDiese Systeme eignen sich besonders fr thermoplastische Kunst-stoffe, die ein Anlseverhalten gegenber Lsemittel/Monomere aufweisen. Kurze Topfzeit/Aushrtungszeiten sowie hohe Festig-keiten sind die Merkmale solcher Klebstoffe. Typische Vertreter sind ungesttigter Polyester verdnnt mit Styrol oder Methacryl-sureester und Polymethylmethacrylate, als spaltf