Kleben

– an dieser Stelle geht es um das Schweißen und Kleben von Kunststoffen. Biokunststoffe finden ihre Verwendung in erster Linie in der Verpackungsindustrie, dem Garten- und Landschaftsbau und der Medizintechnik.

Ihre Anwendungsvielfalt und ihr Markt anteil wachsen jedoch zunehmend. Sie werden auch immer häufiger als beständige Polymerwerkstoffe für technische Anwendungen nachgefragt. Um die Biokunststoffe erfolgreich sowohl als Verpackungsmaterialien als auch als technische Werkstoffe anwenden zu können, müssen diese Werkstoffe u. a. über eine gute Schweiß- und Klebbarbarkeit verfügen.

Materialien

Bei den im Kapitel Verbindungstechnik untersuchten Biokunststoffen handelt es sich um kommerziell erhältliche Biokunststoffe mit entsprechender Marktrelevanz. Die untersuchten Materialien sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Übersicht der im Abschnitt Verbindungstechnik untersuchten Materialien

Materialklasse	Hersteller	Typ
PLA	NatureWorks	Ingeo 3251D
PLA	NatureWorks	Ingeo 4032D
PLA	NatureWorks	Ingeo 4043D
PLA	NatureWorks	Ingeo 4060D
PLA	Simona	SimoGreen natur
PLA	Simona	SimoGreen grün
PHB	Metabolix	Mirel P1004

Kleben

Die Oberfläche der Biokunststoffe PLA und PHB zeigt bedingt durch ihre relativ hohe Polarität grundsätzlich eine gute Benetzung mit Farben, Lacken und Klebstoffen. Durch die Auswahl des richtigen Klebstoffs bzw. Lacks können eine gute Adhäsion und eine entsprechend hohe Verbundfestigkeit erreicht werden.

Ist der Anwender an eine bestimmte Farbe oder einen bestimmten Klebstoff gebunden, kann die Oberfläche der Biokunststoffe gezielt modifiziert werden. So lassen sich die Biokunststoffe PLA und PHB sehr gut mit herkömmlichen Oberflächenvorbehandlungsanlagen wie z. B. Corona, Atmosphärendruck- oder Niederdruckplasma aktivieren. Hierdurch können die resultierende Adhäsion und die Haftung zwischen dem Biokunststoff und dem Klebstoff oder der Farbe deutlich gesteigert werden.

Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden vier verschiedene Biokunststoffe (drei verschiedene PLA-Typen und ein PHB) auf ihre Klebbarkeit hin untersucht. Unter Berücksichtigung der relativ hohen Festigkeit der eingesetzten PLA-Kunststoffe (Ingeo 3251D, SimoGreen natur sowie SimoGreen grün) sind prinzipiell strukturelle Klebstoffe in der Anwendung als vorteilhaft anzusehen. Mirel P1004 besitzt hingegend eine etwas geringere Zugfestigkeit und höheres Dehnvermögen. Für eine klebtechnsiche Anwendung mit Mirel P1004 wäre daher ein flex ibler Klebstoff zu bevorzugen.

Die klebtechnischen Prozesse in der Kunststofftechnik beinhalten im Wesentlichen vier Verarbeitungsschritte:

• Vorbereitung (reinigen, passend machen usw.)
• Vorbehandlung (Einsatz von spezifischen Vorbehandlungsmethoden oder Primern)
• Kleben (Auftragen des Klebstoffes sowie Fügen)
• Aushärten

Zu Beginn wurden daher die eingesetzten Materialien auf die Verträglichkeit mit typischen Reinigungsmitteln geprüft. Dabei stellte sich heraus, dass Reinigungsmittel mit Keton-Gruppen wie beispielsweise Methylethylketon oder Aceton eine Änderung an den Substratoberflächen durch Löseeffekte hervorrufen können. Diese sind daher für eine Reinigung als kritisch anzusehen. Die typischen Kunststoffreinigungsmittel auf Alkohol-Basis zeigten hingegen eine gute Eignung zum Entfetten der zu klebenden Oberfläche und sollten für diese Aufgabe eingesetzt werden.

Die verwendeten Klebstoffe, die auf Grundlage der Anforderungen sowie der gemessenen Oberflächenenergien vorausgewählt wurden, konnten ohne Oberflächenvorbehandlung mit unterschiedlichem Erfolg verwendet werden. So haben die durchgeführten Untersuchungen gezeigt, dass z. B. die eingesetzten Biokunststoffe sich mit zweikomponentigen raumtemperaturhärtenden Polyurethan-Klebstoffen ohne Vor behandlung mit relativ hohen Festigkeiten (mindestens 5,5 MPa) kleben lassen. Für verwendete zweikomponentige raumhärtende Methacrylat-Klebstoffe lagen die ermittelten Festigkeiten sogar im Bereich von 8,3 MPa. Diese hohen Festigkeiten konnten auch mit entsprechenden Bruchbildern (Kohäsions- oder Substratbruch nach DIN EN ISO 10365) belegt werden.

Die eingesetzten physikalischen Oberflächenvorbehandlungsmethoden (Atmosphärendruckplasma sowie Niederdruckplasma) haben zu einer deutlichen Steigerung der Oberflächenenergie sowie einer Verbesserung der Klebefestigkeit für zweikomponentige raumtemperaturhärtende Epoxy-Klebstoffe (mindestens 5,3 MPa für PLA und 4,3 MPa für PHB) geführt. Dabei sind die Probekörper im Substrat gebrochen. Der Einsatz des Atmosphärendruckplasmas führte außerdem zur deutlichen Verbesserung der mechanischen Zugscherfestigkeit der PHB-Klebung mit silanmodifizierten Polymerklebstoffen (MS-Polymer) von 0,6 auf 1,7 MPa. Hierbei konnte ein kohäsives Bruchbild beobachtet werden.

Das Anschleifen (als Methode zur Verbesserung der mechanischen Adhäsion) zeigte allerdings keine eindeutige Verbesserung der mechanischen Eigenschaften im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen. Diese Methode kann daher als nicht empfehlenswert betrachtet werden. Für eine eindeutige Aussage sollen an dieser Stelle weitere Untersuchungen durchgeführt werden.

Zusammenfassung

Zur Vorbereitung der Klebefläche der Biokunststoffe PLA und PHB sollten alkoholische Reinigungsmittel verwendet werden, um Löseeffekte zu vermeiden. Das Kleben von PLA-Werkstoffen ohne Oberflächenvorbehandlung kann mit Polyurethan- sowie Methylmethacrylat-Klebstoffen erfolgen. Beim Einsatz von Epoxid-Klebstoffen sollte die Substratoberfläche mit physikalischen Oberflächenvorbehandlungsmethoden (wie z. B. Corona oder Plasma) vorbereitet werden. Für PHB können aufgrund der Werkstoffeigenschaften die flexiblen Klebstoffe (1K-Polyurethane oder MS-Polymere) ebenso in Kombination mit physikalischen Oberflächenvorbehandlungsmethoden eingesetzt werden. In jedem Fall sollten nach der Klebstoffauswahl statistisch abgesicherte Probeklebungen zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften durchgeführt werden, um unerwünschte Effekte wie z. B. „kissing bonds“ oder „weak layers“ weitestgehend zu vermeiden.

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