Thermo-hygro-mechanische Charakterisierung und kontinuumsmechanische Modellierung schnell härtender Polyurethan-Klebstoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Dilger; Professor Dr.-Ing. Alexander Lion
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 309311631

In der Industrie werden häufig Polyurethan Klebstoffe eingesetzt, die sich bei Raumtemperatur elastisch verhalten und große Deformationen ertragen können. Neben feuchtigkeitshärtenden einkomponentigen Systemen findet man zweikomponentige Polyurethane. Erstere werden häufig durch eingemischte Feuchtigkeit geboostert und damit ebenfalls zweikomponentig verarbeitet. In feuchtigkeitsvernetzenden Systemen reagiert ein isocyanatterminiertes Präpolymer mit Wasser (aus der Umgebung oder aus dem Booster) über die Carbaminsäure unter Abspaltung von Kohlendioxid zum Amin, das sich mit weiteren Isocyanatgruppen zu Harnstoffgruppen umsetzt. 2K Systeme ohne Feuchtigkeitshärtung bestehen oft aus Polyolgemischen in der Harzkomponente und flüssigen isocyanatterminierten Präpolymeren in der Härterkomponente. Rein feuchtigkeitshärtende Systeme sind diffusionskontrolliert; die Härtung verläuft von außen nach innen, die Härtungsgeschwindigkeit nimmt mit der Zeit ab, vor allem nach der Bildung einer Haut aus vernetztem Polymer. Durch die Einbringung von Boostern startet die Reaktion, wie bei allen 2K Systemen, nach dem Mischen der Komponenten in der gesamten Klebstoffmatrix; die Topfzeit, in der alle klebtechnischen Arbeitsschritte erfolgen müssen, beginnt. Die Härtung und damit die Topfzeit sind von der Temperatur abhängig, so dass sich die Härtungszeiten über die Temperaturführung steuern lassen. In der Industrie liegt reges Interesse vor, die Geschwindigkeit von Aushärteprozessen zu erhöhen. Durch eine reduzierte Topfzeit bei einer Beschleunigung durch Temperaturerhöhung muss der Fügeprozess in einer sehr kurzen Zeit beendet sein, was zu Problemen während der Positionierung der Fügeteile führen kann. Wünschenswert ist es, bei einer langen offenen Zeit (für feuchtigkeitsvernetzende 1K Systeme, vor Bildung der Haut) bzw. langen Topfzeit (bei 2K Systemen) die Reaktionsgeschwindigkeit erst nach erfolgter Positionierung der Bauteile durch gezielte Wärmeeinbringung zu erhöhen. Dabei ist es möglich, die metallischen Fügepartner induktiv in sehr kurzer Zeit auf die notwendige Temperatur zu erwärmen. Es werden Heizraten von 100 K/min bis 150 K/min im Randbereich der Klebung erreicht. Dieses Vorgehen wird als Schnellhärtung bezeichnet. Bedingt durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffe wird sich jedoch ein Temperaturgradient in der bis zu 5 mm dicken Klebschicht einstellen. Das Ziel des Vorhabens ist die Charakterisierung und kontinuumsmechanische Modellierung eines schnell aushärtbaren Polyurethan Klebstoffes unter Berücksichtigung von Zeitabhängigkeiten und Inhomogenitäten mit dem Ziel der Optimierung von Aushärteprozessen. Hierzu müssen neue experimentelle Techniken sowie neue Materialmodelle entwickelt werden, die die Aushärtung unter Einfluss von Feuchte und Wärme darstellen können. Die Validierung wird auf Basis des in ein Finite-Elemente Programm implementierten Materialmodells anhand von Zugscherproben in praxisrelevanten Mischbauweisen durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen