Grundlegendes Verständnis der chemischen Alterungsmechanismen und der mechanischen Eigenschaften von Klebungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Fortschritt in der Klebtechnologie hängt heute von der Fähigkeit ab, die Lebensdauer von Klebungen zu prognostizieren. In Polymeren wird die Alterung seit langem untersucht, darunter auch für die Polymerklassen der Epoxide (EP) und Polyurethane (PU) als Grundkomponenten wichtiger Klebstofftypen. Am Kontakt zwischen Fügeteil und reaktivem Klebstoff liegen die Dinge jedoch anders, weil sich eine spezifische Interphase ausbildet, deren Struktur und Eigenschaften vom Bulk des Klebstoffpolymers abweichen. Die Alterung in der Klebfuge entwickelt sich zudem unter der Einwirkung des angrenzenden Substrats. Dies für Epoxide und Polyurethane zu verstehen, ist Ziel des Projektes. Erhaltene Resultate und Folgerungen: Die betrachteten Klebstoffe bilden keine Barriere gegen die Permeation von Wasser, O2 u. a. Stoffen. Deshalb muß das Metall in der Klebfuge mittels geeigneter Klebstoffkomponenten oder anderer Maßnahmen geschützt werden, um korrosive Unterwanderung infolge des eindiffundierenden Wassers hinreichend zu verzögern. Aminisch vernetzende Epoxide und PU-Klebstoffe auf Basis von Polyetherpolyol-MDI zeigen sehr gute chemische Alterungsbeständigkeit im mitteleuropäischen Klima, falls sie vollständig vernetzt sind. Die im Projekt gewählten Regimes der künstlichen Alterung bilden die Freibewitterung adäquat ab. Künstliche Alterungstests können also die Alterung beschleunigen, aber die Parameter dürfen nur soweit schärfer als die Parameter der realen Anwendungsumgebung sein, als sie die chemischen Alterungsreaktionen in der Klebung nicht qualitativ ändern. Genaue Kenntnis dieser Reaktionen ist hier vonnöten. Das von den vollständig vernetzten Klebungen aus der Umgebung diffusionsgesteuert aufgenommene Wasser reduziert durch Weichmachung den viskoelastischen Modul signifikant, und der Glasübergangsbereich verschiebt sich zu niedrigeren Temperaturen. Neben der Temperatur beeinflußt also vor allem das Wasserprofil das quantitative mechanische Materialgesetz der alternden Klebfuge. Für den untersuchten EP-Basisklebstoff muß auch der Einfluß der Schichtdicke auf das mechanische Verhalten der Klebung von elektroverzinktem Stahl berücksichtigt werden („dünner ist nachgiebiger“), was ein Beispiel für die Wirkung der Interphase gibt. Da andererseits die chemische Alterung unter moderaten Umweltbedingungen sehr viel langsamer fortschreitet als diese Weichmachung, erweist sich die oft vertretene Ansicht, daß die Änderung der mechanischen Performance einer Klebung direkte Folge chemischer Alterung sei, als nicht zutreffend für „kalthärtende“, ausvernetzte PU und EP. Nicht vollständig ausreagierte Klebstoffe altern anders, schneller und intensiver. Das im Projekt entwickelte experimentelle Vorgehen kann auf technische Klebungen angewandt werden. Koppelt man es mit einer erweiterten kontinuumsmechanischen Modellierung, so kann man mit den viskoelastischen Materialgesetzen die zeitliche Entwicklung der mechanischen Eigenschaften der realen Klebfuge in der Freibewitterung simulieren und folglich ihre konstruktive Auslegung verbessern. Quantifiziert man in künftigen, längeren Untersuchungen auch die chemischen Alterungsprozesse, spezifiziert sie für die Interphasen und bindet sie in die mechanischen Materialgesetze ein, so erscheint eine realistische, experimentell basierte Lebensdauerprognose möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Ageing Mechanisms of Polyurethane Adhesive/Steel Interfaces“, Int. J. Adhesion & Adhesives 70 (2016) 167-175
J. Weiß, M. Voigt, C. Kunze, J. E. Huacuja-Sanchez, W. Possart, G. Grundmeier
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„Water Diffusion in a Crosslinked Polyether-based Polyurethane”, Int. J. Adhesion & Adhesives 66 (2016) 167-175
Huacuja-Sánchez J.E., Müller K., Possart W.
