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Der erste Klebstoff mit farbigem Haltbarkeits- und Aushärte-Indikator: 3M™ Scotch-Weld™ Hybrid-Konstruktionsklebstoff 7270 B/A


Intelligenter Konstruktionsklebstoff für Sicherheit im Produktionsprozess

Dr. Adrian Jung

Um eine Revolution in der Klebstofftechnologie auszulösen, bedarf es einer bahnbrechenden Erfindung. Diese ist mit dem sogenannten „Ampelklebstoff“ gelungen, der vielen Konstrukteuren in der Phase des strukturellen Klebens zu einem entscheidenden Vorteil verhilft. Erstmals signalisiert ein Klebstoff durch einen Farb-Indikator mithilfe der Ampelfarben zuverlässig den genauen Stand des Aushärtungsverlaufes. Zusätzlich gibt ein weiteres optisches Signal Auskunft über die Haltbarkeit des innovativen Produktes. Während die drei Farben Rot, Gelb, Grün den Fortschritt des Klebevorgangs genau anzeigen, zeigt Blau an, dass das Haltbarkeitsdatum überschritten ist und der Klebstoff nicht mehr verwendet werden darf. Neben einer intensiven, langjährigen Forschungsarbeit hat auch eine zufällige Entdeckung im Labor den entscheidenden Hinweis auf die Möglichkeiten des neuartigen 2-KomponentenKonstruktionsklebstoffs gegeben.

Wie bei zahlreichen Erfindungen zuvor, so stand auch bei dieser Entwicklung eine kundenspezifische Anfrage im Raum, die Anlass zu analytischen Überlegungen und Experimenten auf Basis verschiedener Technologieplattformen gab. Ein Yachtbauer aus Italien äußerte den Wunsch, mit einem Klebstoff zu arbeiten, der den Konstrukteuren sichere Informationen über die Haltbarkeit und den Aushärtungsverlauf beim strukturellen Kleben anzeigt. Die Forschungsarbeiten im Labor begannen Ende 2008 mit der Beobachtung, dass eine der zahlreichen Klebstoffkomponenten den hinzugefügten blauen Farbstoff nicht aufnahm und dieser direkt verschwand. Ein instabiles Verhalten von Farbstoffen ist insofern ungewöhnlich, als dass die Anreicherung von Klebstoffen mit Farbkomponenten grundsätzlich als unproblematisch gilt. Was zur Erfindung des neuen Hybrid-Klebstoffs führte, war also der Gedanke, dieses ungewöhnliche Phänomen zu ergründen und das Problem zu lösen. Mittels Kombinatorik wurde mit dem außergewöhnlichen Muster unter Hinzufügen alternativer Klebstoffkomponenten weiter experimentiert. Nach der Aushärtungsphase über Nacht hatten exakt die Proben ihre Farbe verändert, die mit dem farblosen Muster gemischt waren. So ging z. B. aus der Mixtur einer gelben mit der nur scheinbar farblosen Komponente ein grünes Muster hervor. Der Grundstein für den ersten Farb-Indikator in der Klebstofftechnologie war damit entdeckt worden.

Ungewöhnliches Verhalten der Farbstoffmoleküle

Dass sich der zunächst nicht mehr sichtbare blaue Farbstoff offensichtlich durch das Mischen und Aushärten des Klebstoffes wieder zeigte, führte zu einer genaueren Betrachtung des chemischen Vorgangs. Zunächst wurde lediglich die Reaktion des blauen Farbstoffes, der in den Klebstoffkomponenten sofort unsichtbar wurde, getestet. Ein reproduzierbarer Vorgang, denn nach der Aushärtung kehrte die blaue Farbe erneut zurück. Dahinter steckt eine interessante chemische Reaktion, bei der jedes Molekül, das im Verlauf mit dem Klebstoff reagiert, eine Ergänzung durch ein Farbstoffmolekül erhält. Sobald sich Farbstoff und Klebstoff verbinden, verliert der Farbstoff seine Farbigkeit ohne sich aufzulösen. Wird das reaktive Molekül einer Abreaktion mit einer weiteren Klebstoffkomponente ausgesetzt, oder kommt es zu einer direkten Abbaureaktion mit immanent vorliegenden Reaktanden aus der Umgebungsluft (Kohlendioxid oder Wasser), dann wird das reaktive Molekül zerstört und der blaue Farbstoff kehrt zurück. Der Farbumschlag ist also ein Indikator dafür, ob der Klebstoff noch brauchbar ist oder nicht.

Unter Einsatz des physikalischen Analyseverfahrens der Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie), das mit einer infraroten Strahlung und einer Wellenlänge von 800 nm bis 1 mm arbeitet, wurden die Ergebnisse verglichen. Durch Anregung der Energiezustände in den Molekülen ist die quantitative Bestimmung bekannter Substanzen oder die Strukturaufklärung unbekannter Substanzen möglich. Das Ergebnis: Der blaue Farbstoff überwacht das Molekül, das an der Aushärtereaktion beteiligt ist. Das Problem: Die gleiche Farbigkeit zeigte sowohl den Abbau der Reaktivchemie als auch den Aushärtevorgang des Klebstoffs. Die Lösung: In die zweite Komponente des Klebstoffs wird Rot hinzugefügt, sodass nach dem Vermischen der roten und vermeintlich farblosen (blauen) Komponenten Gelb entsteht. Härtet der gelb gefärbte Klebstoff aus, so wird das unsichtbare Blau aktiv und die Farbigkeit schlägt in Grün um.

Farbumschlag für einen sicheren Klebeprozess

Mit der Entwicklung des Ampelklebstoffs konnten neue Maßstäbe in der Klebstofftechnologie gesetzt werden. Der patentierte 3M™ Scotch-Weld™ Hybrid-Konstruktionsklebstoff 7270 B/A ist seit September 2013 auf dem Markt und garantiert Anwendern durch die sichtbar zuverlässige
Anzeige des Aushärtungsverlaufs und der Haltbarkeit einen sicheren Klebeprozess. Das Prinzip des Farb-Indikators funktioniert gemäß der „Ampelsprache“ und ist leicht zu übersetzen: Rot und Weiß zeigen an, dass die Komponenten frisch und einsatzbereit sind. Nachdem sich beide Komponenten in der Mischdüse verbunden haben, beginnt eine chemische Reaktion und führt zu einem Farbumschlag ins Gelbe. Grün gibt das Startsignal für das Erreichen der Handfestigkeit und ein erstes Belasten der Werkstoffe nach dem Fügen. Es ist wichtig zu wissen, dass sich die Farbe in den ersten 30 Minuten nur geringfügig verändert, da die farbliche Änderung nach dem Mischvorgang chemisch direkt mit der Aushärtereaktion verbunden ist. In der ersten halben Stunde laufen weitestgehend kettenverlängernde Polymerisationsreaktionen ab, die nur bedingt zur Kraftaufnahme der Verklebung beitragen - etwa durch die Erhöhung der Viskosität. Erst nach Ende der Verarbeitungszeit von ca. 22 Minuten beginnt der Aufbau eines dreidimensionalen Netzwerks und damit auch der reale Kraftaufbau der Verklebung. Somit zeigt der Farb-Indikator also sinnvollerweise erst ab diesem Punkt den Festigkeitsaufbau optisch an. Ein weiteres Plus an Sicherheit vor der Applikation ist der Haltbarkeitsindikator. Weiß zeigt an, dass der Klebstoff einsatzbereit und frisch ist, eine blau-weiße Färbung bedeutet, dass das Produkt untauglich geworden ist.

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3M™ Scotch-Weld™ Hybrid-Konstruktionsklebstoff 7270 B/A

Produktbeschreibung
• 2-Komponenten-Konstruktionsklebstoff für das EPX System
• Schnelle Anfangsfestigkeit (Acrylat-Technologie)
• Hohe Endfestigkeit (Epoxidharz-Technologie)
• Zähelastisch
• Enthält Glaskugeln zum Einstellen der Klebschichtdicke
• Mischungsverhältnis 1:1
Produktvorteile
• Kurze Verarbeitungszeit von 22 Minuten
• Handfestigkeit nach 4 Stunden
• Spaltfüllend
• Hohe Temperaturbeständigkeit bis 120°C
• Universal einsetzbar für viele Werkstoffe
• Minimale Geruchsentwicklung (im Vergleich zu anderen Acrylat-Klebstoffen)
Nutzen
• Der Klebstoff, der mitdenkt
• Für höchste Sicherheit im Produktionsprozess
• Das Plus an Sicherheit vor der Applikation durch Haltbarkeits-Indikator
• Das Plus an Sicherheit während der Härte-Phase durch Farb-Indikator
• Minimale Geruchsentwicklung
• Hohe Temperaturbeständigkeit erlaubt besonders starke Beanspruchung der Klebung
• Ideal auch für Überkopfklebungen
Einsatzbereiche
• Kleben von Faserverbundwerkstoffen wie CFK / GFK etc.
• Kleben von GFK Blenden auf Metallrahmen
• Dickschichtklebung HPL mit Edelstahl
• Kleben von Carbonteilen
• Kleben von GFK Rohren
• Kleben von Metallen wie Aluminium / Edelstahl / Stahl etc. Kleben von Metalldetektoren
• Anwendungen im industriellen Leichtbau Multimaterial-Mix Klebungen

Vorteile für Fertigungsprozesse

Der neue, spaltfüllende Klebstoff bewährt sich grundsätzlich in Anwendungen, die mit Epoxidharz-Klebstoffen gut klebbar sind. Bei Arbeiten mit Multimaterialmixen, wie sie z.B. beim industriellen Leichtbau vorkommen, zeigen sich die Vorteile des Farbumschlages deutlich. Nicht nur profitiert der Nutzer vom Verzicht auf eine die Oberfläche beschädigenden Bohrung, sondern vor allem davon, dass eine verfrühte Belastung verklebter Bauteile verhindert wird. Dadurch lassen sich zusätzliche Kosten für fehlgeschlagene Verklebungen reduzieren. Anwender sind erstmals in der Lage, einzelne Prozessschritte selbst zu begutachten und Anpassungen rechtzeitig vorzunehmen. Der Aushärte-Indikator hat noch einen weiteren Nutzen: Mit der Aushärtereaktion wird zugleich die Umwandlung eines Gefahrstoffs in ein Polymer ohne Gefährdungspotenzial angezeigt. Während der frisch gemischte Klebstoff mit gelber Farbgebung nicht ohne Schutzhandschuhe berührt werden darf, zeigt der ausgehärtete Klebstoff mit Grün an, dass keine Gefährdung mehr vom Produkt ausgeht. Das verklebte Bauteil darf also ohne die Gefahr einer Kontaminierung mit bloßen Händen angefasst werden.

Erste Anwendungserfahrungen stammen z.B. aus der Automobilindustrie. Bei der Verklebung von Spoilern für einen namhaften Automobilhersteller setzt der Zulieferer auf den neuen Ampelklebstoff, um höchsten Design- und Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden. Durch die Verwendung von polymeren Materialien, wie z.B. PC und ABS, und Klebelösungen wird Gewicht zur Senkung des Kraftstoffverbrauches eingespart. Der beispielhaft angeführte Spoiler besteht aus einem Innen- und einem Außenteil. Das innen liegende Stützteil muss der optisch attraktiven Außenschale Halt und vor allem Stabilität geben. Hier unterstützen die hohen Klebkräfte des Ampelklebstoffes und seine optische Signalfunktion einen sicheren Fertigungsprozess. Zudem fungiert der Farbindikator als praktisches Kommunikationsmittel. Verlaufen die Aushärtungsphasen über mehrere Arbeitsschichten, so ist jeder einzelne Arbeiter durch die optischen Signale genau über den Fortschritt der Klebung informiert. Auch in der Bauindustrie gibt es erste Anwendungsbeispiele mit Beton und Holz, die sichere Anwendungen ermöglichen. Hier liegt die besondere Herausforderung in den Temperaturschwankungen bei Außenarbeiten, da die meisten Klebstoffe unter 15°C nicht aushärten. Es lässt sich also im Normalfall mit bloßem Auge nicht einschätzen, ob der Aushärtevorgang abgeschlossen ist oder nicht. In diesem Fall leistet der neue Klebstoff durch die zuverlässige Farbanzeige eine wichtige Hilfe in sensiblen Bereichen des Bauwesens.

Fazit

In der Fertigungsindustrie leistet der Scotch-Weld Hybrid-Konstruktionsklebstoff 7270 B/A mit seinem Farb- und Haltbarkeitsindikator in vielen Anwendungsbereichen einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Produktionsprozesse hinsichtlich Kosteneffizienz, Sicherheit und Qualitätskontrolle.

Der Autor

Dr. Adrian Jung ist Diplom-Chemiker und bei der 3M Deutschland GmbH als Produktentwickler im Bereich Industrieklebstoffe tätig. Das Multi-Technologieunternehmen gibt Mitarbeitern die Möglichkeit, 15 Prozent ihrer Arbeitszeit für die Entwicklung ihrer Ideen bis zur Industriereife zu nutzen.

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