Die Entwicklung von Klebstoffformeln kann eine unglaubliche Herausforderung darstellen. Das Hauptproblem liegt in der Notwendigkeit gezielter Formulierungen. Um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, müssen viele geeignete Rohstoffe kombiniert werden. Dabei ist ein kontinuierliches Ausprobieren erforderlich, um inhärente Widersprüche zu lösen. Insbesondere bei Engpässen kann die Einführung einer weiteren Option zu einem bedeutenden Durchbruch führen.
Hauptschwierigkeiten bei der Entwicklung von Klebstoffformeln
Die Herausforderungen bei der Entwicklung von Klebstoffformeln lassen sich anhand praktischer Beispiele besser verstehen. Tang Long et al. erforschten eine neuartige Methode zur Entwicklung von Formeln speziell für Polyolkomponenten in Zweikomponenten-Polyurethanklebstoffen. Ihr Ansatz zielte darauf ab, den Leistungskompromiss zwischen geringer Härte und hoher Klebkraft auszugleichen.
Rohstoffoptimierung
Die Autoren verwendeten zunächst ein orthogonales Versuchsdesign, um die verwendeten Rohstoffarten zu optimieren. Dieser Schritt war entscheidend, um die am besten geeigneten Komponenten für die Klebstoffformulierung zu identifizieren.
Feinabstimmung der Verhältnisse
Anschließend nutzten sie das angepasste Versuchsdesign von JMP, um die Verhältnisse der ausgewählten Rohstoffe zu optimieren. Mit dieser Methode wird die häufige Herausforderung umgangen, bei der herkömmlichen Formelentwicklung sowohl Materialarten als auch Verhältnisse gleichzeitig zu berücksichtigen.
Die Ergebnisse ihrer Studie zeigen, dass diese innovative Methode die widersprüchlichen Anforderungen an geringe Härte und hohe Klebkraft bei Klebstoffen erfolgreich bewältigt. Sie entwickelten einen Polyurethanklebstoff, der sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:
- Kolloidhärte: 40D
- Zugscherfestigkeit: 11,34 MPa (Aluminiumblech zu Aluminiumblech)
- Bindungsstärke: 283,5 kPa/D pro Härteeinheit
Ist das Entwicklungsexperiment abgeschlossen? Nicht ganz. Die Autoren stellten fest, dass noch mehrere „Probleme“ bestehen, was die anhaltenden Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Klebstoffformulierungen unterstreicht. Diese Herausforderungen sind oft der Ausgangspunkt für bedeutende Innovationen.
Die Bedeutung der Bewertung der folgenden falschen Annahmen
Interaktion zwischen Hauptkategorien: Der Optimierungsprozess berücksichtigte nicht die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Rohstoffkategorien, die die Testergebnisse erheblich beeinflussen können.
Physikalische Eigenschaften der Rohstoffe: Faktoren wie Reinheit, Feuchtigkeitsgehalt und Gleichmäßigkeit der Rohstoffe wurden bei der Analyse übersehen, was möglicherweise die Ergebnisse verfälscht.
Unabhängigkeit von Rohstoffeffekten: Die Annahme, dass Art und Anteil der Rohstoffe unabhängig voneinander die Testergebnisse beeinflussen, ist falsch, da sich diese Faktoren oft gegenseitig beeinflussen.
Angesichts dieser Unsicherheiten bei der Formulierung ist es von entscheidender Bedeutung, Wege zu finden, um ihre Auswirkungen abzumildern. Eine wirksame Strategie besteht darin, relativ kontrollierbare Faktoren zu nutzen, um diese Unsicherheiten auszugleichen.
Füllstoffe in Klebstoffen nutzen
(1) Auswahl von Mainstream-Füllstoffen
Die Wahl weit verbreiteter Füllstoffe – wie Kalziumkarbonat und Kieselsäure – kann die Klebstoffleistung verbessern. Mineralische Füllstoffe sind nicht nur eine kostengünstige Lösung, sondern bieten auch eine Vielzahl von Funktionen. Sie sind seit Jahren ein fester Bestandteil der Klebstoffformulierung und ermöglichen eine Feinabstimmung der Eigenschaften. Tang Long et al. betonten, dass in ihrer Studie die Auswahl des Matrixharzes und des Kettenverlängerers/Vernetzers den größten Einfluss auf die Testergebnisse hatte. Der rheologische Zusatzstoff hatte einen sekundären Einfluss, während Füllstoffe einen signifikanten Einfluss hatten, der zwischen primären und sekundären Effekten lag.
Bei der Auswahl der Füllstoffe besteht ein großer Spielraum, und traditionelle Füllstoffe sind oft die beste Wahl. Ihr langjähriger Einsatz in der Produktion verleiht ihnen eine höhere Kosteneffizienz und Stabilität. Beispielsweise wird Calciumcarbonat – bekannt für seine Feinheit, Gleichmäßigkeit und hohe Weiße – häufig als Füllstoff in Klebstoffen verwendet.
Cui Lidong et al. führten Untersuchungen mit 850 Mesh Calciumcarbonat als Füllstoff in Emulsionsklebstoffen für Holz durch. Sie untersuchten die Auswirkungen unterschiedlicher Zugabeverhältnisse auf die Klebstoffleistung mithilfe einer einfaktoriellen Versuchsmethode. Die Ergebnisse zeigten, dass:
- Viskosität und Härte: Erhöht sich bei höherem Calciumcarbonat-Anteil.
- Bindungsstärke: Zunächst erhöht, dann bei höheren Verhältnissen verringert.
- Stabilität: Verschlechtert sich bei erhöhtem Füllstoffgehalt.
Der Einfluss von Füllstoffen auf die Klebstoffleistung
Zusammenhang zwischen Calciumcarbonat-Zugabeverhältnis und Shore-A-Härte
Zhou Xiao et al. untersuchten den Einfluss von Quarzpulver als Füllstoff in Einkomponenten-Polyurethanklebstoffen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Quarzpulver eine gute Kompatibilität mit Polyurethansystemen aufweist und Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Reißfestigkeit der resultierenden Klebstoffprodukte deutlich verbessert.
(2) Erforschung fortschrittlicher Füllstoffe: Siliziumkarbid und Aluminiumoxid
Li Zhaoyuan et al. verwendeten kubisches Nano-Siliziumkarbid (β-SiC) als Füllstoff, um modifizierte anorganische Klebstoffe zu entwickeln. Ihre Experimente zeigten, dass der Klebstoff mit einem Füllstoffgehalt von 40% bemerkenswerte Leistungskennzahlen erreichte:
- Zugscherfestigkeit: 13,5 MPa
- Ermüdungslebensdauer Iterationsnummer: 67 Zyklen
- Schälfestigkeit: 46,7 N/mm²
Diese Ergebnisse unterstreichen, dass die Modifikation mit Nanopartikeln die Bindungsleistung anorganischer Klebstoffe deutlich verbessern und so für eine höhere Zuverlässigkeit in zahlreichen Anwendungen sorgen kann.
Chen Zeming et al. untersuchten die Auswirkungen verschiedener anorganischer Füllstoffe – darunter Silikapulver, Al₂O₃, Mullit, Bornitrid, Talkumpuder und Glimmer – auf modifizierte Epoxidharzklebstoffe. Ihre Studie untersuchte, wie unterschiedliche Arten und Dosierungen von Füllstoffen die Bindungsstärke und die Bindungsschnittstelle beeinflussten. Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehörten:
Bindungsstärke-Trends: Die Bindungsfestigkeit nahm mit der Füllstoffdosierung zunächst zu, bei höheren Konzentrationen nahm sie dann jedoch ab.
Optimale Füllleistung: Unter den getesteten Füllstoffen lieferten 15 Teile Al₂O₃ die besten Ergebnisse und erreichten Scherfestigkeits- und Schälfestigkeitswerte von 22,42 MPa bzw. 12,84 N/cm.
Die Zugabe des Füllstoffs Al₂O₃ erleichtert die Bildung chemischer Bindungen wie C-Al und Al-OC, die die Kohäsionskraft des modifizierten Epoxidharzes verringern. Diese Verbesserung erhöht die Bindungskraft an der Schnittstelle zwischen Klebstoff und Aluminiumlegierung und verbessert so sowohl die Abzieh- als auch die Scherfestigkeit.
(3) Systematische Untersuchung von Füllstoffen in Klebstoffen
Zweikomponenten-Acryl-Strukturklebstoffe werden häufig zum Verkleben von metallischen und nichtmetallischen Materialien in verschiedenen Branchen verwendet, darunter in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Bauwesen und der Elektronik. Obwohl Füllstoffe aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften in Klebstoffsystemen unlöslich sind, können Modifikationen die Wechselwirkung zwischen Füllstoffen und Klebstoffen verbessern. Diese Wechselwirkung verbessert die mechanischen Eigenschaften der Klebstoffe, erhöht die Viskosität und fördert eine stärkere Haftung auf Substraten.
Regulierung mechanischer Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften sind entscheidend für die Leistung von Acrylstrukturkunststoffen Klebstoffe in verschiedenen Anwendungen. Forscher haben mehrere Strategien zur Verbesserung dieser Eigenschaften vorgeschlagen, darunter die Einarbeitung thermoplastischer Verbindungen und anorganischer Füllstoffe.
Regulierung der Wärmeleitfähigkeit
Durch die Einarbeitung geeigneter anorganischer Füllstoffe mit elektrisch isolierenden Eigenschaften kann die Wärmeleitfähigkeit von Acrylatklebstoffsystemen deutlich verbessert werden. Zu den geeigneten Füllstoffen zählen:
- Aluminiumhydroxid
- Magnesiumhydroxid
- Aluminiumoxid
- Magnesiumoxid
- Zinkoxid
- Siliziumdioxid
- Titandioxid
- Kalziumsilikat
- Aluminiumsilikat
- Kalziumkarbonat
- Siliziumnitrid
- Siliziumkarbid
- Aluminiumborat
Darüber hinaus können Whisker aus Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder Aluminiumborat die Wärmeleitfähigkeit und Flammhemmung des Klebstoffs verbessern, während gleichzeitig seine mechanischen und Härtungseigenschaften erhalten bleiben.
Regulierung von Feuchtigkeit und Hitzebeständigkeit
Liu Chengliang et al. stellten in ihrem Patent ein Verfahren zur Herstellung hochwetterbeständiger Acryl-Strukturklebstoffe vor. Durch Zugabe von 0 bis 30 Teilen anorganischer Füllstoffe wie pyrogener Kieselsäure, Calciumcarbonat und Nano-Aluminiumoxid zu den Komponenten A und B zeigte der Klebstoff eine beeindruckende Leistung:
- Zugscherfestigkeit bei Raumtemperatur: 9,36 MPa (Edelstahl/PMMA) und 10,35 MPa (Magnesium/PMMA).
- Zugscherfestigkeit nach Alterung: Beibehaltene Werte von 9,83 MPa und 9,64 MPa nach 2 Wochen bei 85 °C und 85% Luftfeuchtigkeit, mit Retentionsraten von 105% bzw. 93%.
Regelung der Korrosionsbeständigkeit
Durch die Verwendung von Acryl-Strukturklebstoffen können kostspielige Nachbearbeitungsvorgänge wie Nieten und Schweißen reduziert oder vermieden werden. Das Ergebnis ist ein ästhetisch ansprechenderes Erscheinungsbild mit weniger korrosionsgefährdeten Löchern oder Spannungspunkten. Verschiedene Metalle können mit einem geringeren Risiko galvanischer Korrosion verbunden werden. Die Korrosionsbeständigkeit kann durch die Zugabe von Mischungen aus Metallmolybdaten (z. B. Zinkmolybdat, Calciummolybdat, Bariummolybdat oder Strontiummolybdat) und inerten Füllstoffen wie Zinkphosphat, Calciumphosphat und Magnesiumphosphat verbessert werden.
Regulierung anderer Immobilien
Einige anorganische Füllstoffe verbessern nicht nur die mechanischen und thermischen Eigenschaften, sondern spielen auch eine wichtige Rolle als Thixotropiermittel, Verdickungsmittel und Verstärkungsmittel. Sie können verschiedene Eigenschaften von Zweikomponenten-Strukturklebstoffsystemen auf Acrylbasis, darunter Dichte, Viskosität und Thixotropie, wirksam verändern. Liu Suyu et al. entwickelten eine Methode zur Herstellung eines Acrylklebstoffs, der speziell für die Verklebung von Fahrzeugverkleidungen entwickelt wurde. In dieser Formulierung wurde Calciumcarbonat als primärer Füllstoff verwendet. Die Einbeziehung von Calciumcarbonat führte zu mehreren positiven Ergebnissen:
- Reduzierte Thixotropie: Der Klebstoff ließ sich leichter auftragen und abkratzen.
- Niedrigere exotherme Temperatur: Die exotherme Temperatur wurde von 115 °C auf unter 85 °C gesenkt, was eine stabilere Aushärtung ermöglicht.
- Minimierte Aushärtungsschrumpfung: Die Aushärtungsschrumpfung wurde unter 1% gehalten, wodurch die Bauzeit effektiv verkürzt wurde.
Abschluss
Wenn Sie vor Herausforderungen bei der Formulierung von Klebstoffen stehen, sollten Sie den Einsatz anorganischer Füllstoffe in Betracht ziehen. Ihre Vielseitigkeit kann wirksame Lösungen für verschiedene Probleme bieten.