15.07.12

Innovation

Neue Superklebstoffe kann man an- und abschalten

Forscher entwickeln neue Kleber, die schon heute den Autobau revolutionieren. Es gibt sogar Klebstoffe, deren Haftkraft sich an- und wieder abschalten lässt. Nur beim demontieren gibt es Probleme.

Von Holger Kroker

Eine Stunde lang schwebte der Zehntonner einen Meter über dem Boden, dann sprach Olaf Kuchenbecker, der Vertreter von Guinness World Records, die erlösenden Worte: "Wir haben einen neuen Weltrekord!" Den Eintrag gab es nicht für das Lkw-Heben an sich, die Helden des Tages schwebten vielmehr etliche Meter über dem Fahrzeug: zwei Stahlbolzen mit sieben Zentimeter Durchmesser, die zuvor mit einem modernen Industrieklebstoff zusammengefügt worden waren, trugen die gesamte Last. 38,5 Quadratzentimeter, mit einer 0,2 Millimeter dünnen Schicht Epoxidharz versehen, reichten aus, um den Lastwagen sicher zu halten.

"So viele Versuche ich dazu auch gemacht habe, ich bin immer wieder beeindruckt, dass es hält", meint Jens Schoene vom Institut für Schweiß- und Fügetechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen – einer der Väter des Weltrekords.

Ein Gramm Kleber für die Tonnenlast

Nur ein Gramm des Kunststoffharzes, hauchdünn aufgetragen, danach eine Stunde bei rund 80 Grad und weitere fünf Wochen bei Raumtemperatur ausgehärtet, reichte für die Tonnenlast. Dabei trug jeder einzelne Quadratzentimeter 260 Kilogramm. "Das war ein handelsübliches Industrieprodukt, mit dem unter anderem die Mikrochips in den Decodern für das Bezahlfernsehen verklebt werden", erklärt Stefan Obermaier, der Produktmanager für Klebstoffe bei der Firma 3M Deutschland in Neuss. Das publikumswirksame Ereignis vor der 3M-Zentrale sollte die Aufmerksamkeit auf eine Technik lenken, die mit dem haushaltsüblichen Leimen und Zusammenpappen nichts mehr zu tun hat.

"Geklebt wird heute überall", erklärt Hermann Onusseit, technischer Direktor in der Klebstoffforschung beim Konkurrenten Henkel im nahen Düsseldorf, "das Kleben ist das Fügeverfahren des 21. Jahrhunderts." Kleben verbindet Teile nicht, indem sie erhitzt und verschmolzen werden wie beim Schweißen. Man braucht auch keine Löcher in eine Struktur zu stanzen wie beim Nieten. Stattdessen werden Bindungen zur Oberfläche der Bauteile aufgebaut, die dann für Haftung sorgen.

"Eigentlich wünscht man sich chemische Bindungen, aber die kommen sehr selten zum Tragen", sagt RWTH-Ingenieur Jens Schoene, "beim Kleben wirken vornehmlich physikalische Bindungen wie Van-der-Waals-Kräfte." Das sind Anziehungskräfte zwischen Atomen von Bauteil und Klebstoff. Sie können sehr wirksam sein – auch Geckos nutzen sie, um mit ihren kleinen "Klebefüßen" an Wänden und Decken entlanglaufen zu können.

Diese Kräfte wirken jedoch nur auf extrem kurze Distanz. Deshalb ist die richtige Vorbereitung der Bauteile wichtig. "Es gibt einen Standardkniff, der fast immer zieht: Entfetten, Aufrauen, Entfetten", sagt Schoene. Das beseitigt vieles, was sich störend zwischen Oberfläche und Klebstoff legen kann und erhöht die Kontaktfläche.

Klebwirkung lässt sich an- und ausschalten

Je vielfältiger die Materialien werden, die in Geräten, Autos, Flugzeugen und Satelliten miteinander verbunden werden sollen, umso gefragter ist die Entwicklung neuer Kleber. Je nach Bedarf sollen die Klebemischungen fest und hart oder eher zäh und elastisch sein, damit sie gleich auch noch als Dichtung fungieren können. Es gibt Klebstoffe auf Polymerbasis, die Säuren oder auch die eine oder andere Lauge aushalten, radioaktive Strahlung ist in Maßen ebenfalls kein Problem. "Ein neuer Ansatz ist ein Klebstoff, dessen Klebwirkung sich wie ein Schalter an- und ausschalten lässt", berichtet Professor Katharina Landfester, Direktorin am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz.

Sogar Feuchtigkeit ist kein Problem: Im Sortiment von 3M gibt es ein Klebeband, das unter Wasser klebt "wie der Teufel". Herausragende Eigenschaften sind aber noch keine Garantie für kommerziellen Erfolg. "Wir warten bis heute auf eine Anwendung", gesteht Rüdiger Frisch, Leiter der Anwendungstechnik Klebstoffe bei 3M ein.

Hervorragend kommen Kleber auf Harzbasis mit Temperaturschwankungen zurecht, engere Grenzen setzt ihnen dagegen die Spitzentemperatur. "Es gibt Systeme, beispielsweise Polyimide, die bis über 400 Grad eingesetzt werden können", sagt Schoene, "doch bei hohen Temperaturen geht irgendwann jeder Kunststoff kaputt." Auch Silikone vertragen höhere Temperaturen, doch mehr als mittlere dreistellige Temperaturen sind nicht drin. Hochtemperatureinsätze könne man, so RWTH-Ingenieur Schoene, nur noch mit anorganischen Pasten wagen. Die härten allerdings spröde aus.

Dem Klebstoff gehört die Zukunft

Unterhalb von hohen Temperaturen wird künftig die Klebetechnik dramatisch an Bedeutung gewinnen. "Gerade bei den Leichtbauteilen, allen glasfaser- oder karbonfaserverstärkten Produkten, macht es eigentlich am meisten Sinn, die über Klebstoffe zu verbinden", erklärt Frisch. Schon 2007 gehörte ein Set mit Klebstoffen zur Notfall-Ausrüstung der Rennfahrer auf der Rallye Dakar. Inzwischen ist Leichtbau auch bei normalen Autos ein Thema.

Die Unternehmensberater von McKinsey gehen davon aus, dass bei Autos der Anteil von Leichtbauteilen bis 2030 von 30 auf 70 Prozent wachsen wird. Damit soll dem steigenden Gewicht durch die vielen Sicherheits- und Komfortsysteme entgegengewirkt werden. Zum Beispiel bringt ein aktueller Golf fast 500 Kilogramm mehr auf die Waage als das Urmodell – eine Steigerung um fast zwei Drittel. Gewicht aber treibt den Spritverbrauch in die Höhe. Je 100 zusätzliche Kilogramm verursachen einen Mehrverbrauch von 0,4 Liter auf 100 Kilometer. Elektroautos haben ein ähnliches Problem: Wenn kein Entwicklungswunder geschieht, werden sie sehr schwere Batterien mitschleppen müssen. Leichtbau und Kleben könnte da zumindest ein wenig helfen.

Ein geklebtes Auto schneidet überdies im Crashtest besser ab als ein genietetes oder geschweißtes. "Da die Klebefuge sich bei einem Aufprall verformen kann, schluckt sie einen Teil der Aufprallenergie", erklärt Henkel-Eperte Onusseit. Da die Windschutzscheibe bei Autos eingeklebt ist, ist die Karosserie insgesamt steifer. Klebstoffe sind zudem multifunktional. Sie erhöhen nicht nur die Steifigkeit der Karosserien, sie dichten auch Nähte ab, verringern die Anzahl der Schweißpunkte und machen Autos korrosionsbeständiger. Spezialmischungen reduzieren sogar den Geräuschpegel.

Beim Demontieren wird es schwierig

Das Kleben habe allerdings auch Nachteile, sagt Onusseit: "Das Demontieren von geklebten Teilen kann schwieriger sein als bei anderen Fügeverfahren."

Sehr großes Zukunftspotenzial haben die Klebstoffe auch im Flugzeugbau, denn auch hier kommt es auf jeden Liter Kerosin an. Schon jetzt werden viele Teile in Leichtbauweise gefertigt. Moderne Flugzeuge wie zum Beispiel die Langstreckenjets A350 von Airbus und B787 von Boeing bestehen bereits zur Hälfte aus karbonfaserverstärkten Kunststoffen, und da ist Kleben das Verfahren der Wahl. "Möglicherweise wird irgendwann sogar der Flügel eines Flugzeuges vollständig geklebt", sieht MPI-Forscherin Katharina Landfester voraus.

Je mehr sich Verbundmaterialien und Leichtbau in der Automobil- und Luftfahrtindustrie durchsetzen, umso gefragter sind natürlich die Klebstoffentwickler. Schon heute werden weltweit cirka 250.000 verschiedene Klebstoffe verwendet. Es gibt sogar Spezialkleber für Teflon-Oberflächen, an denen sonst alles abperlt. "Die nutzen jedoch einen Trick, sind aggressiver und lösen die Oberfläche etwas an", verrät Schoene.

Klebstoffe für alle Lebenslagen

Angesichts dieser Vielfalt ist es sehr wichtig, einen Klebstoff sehr genau im Hinblick auf seine konkrete Aufgabe auszuwählen. "Es gibt nicht einen Klebstoff, der für alles geeignet ist", erklärt Frisch, "es ist gerade die Kunst, dass man für die jeweilige Anwendung das passende Produkt aussucht." So war es die besondere Spezialität des beim Lkw-Schwebe-Weltrekord eingesetzten Epoxidharzes, dass es sehr hart wird und Temperaturen bis zu 260 Grad Celsius aushält. Bei den Pay-TV-Decodern dienen diese Eigenschaften dem Schutz vor Manipulationen. "Um den Chip von der Platine zu lösen, müsste ich mit dem Bunsenbrenner drangehen", erklärt Obermaier, "das würde auch den Chip zerstören."

Die große Festigkeit des Rekordklebers kommt durch die Struktur seiner Moleküle zustande. "Das ist ein sogenanntes Duromer", erklärt Frisch, "die Moleküle sind chemisch räumlich vernetzt und bilden nicht nur einfache Ketten." Nach Abschätzungen der beteiligten Ingenieure hätten die geklebten Bolzen durchaus noch etwas mehr als zehn Tonnen halten können, zumal das Wetter mit etwas über 20 Grad, nur wenig Wind und einem Sonne-Wolken-Mix geradezu mustergültig mitspielte.