Klebstoffe

Klebstoffe Übung

• Beschreibe die Theorie des Klebens.

  Tipps

  Die Stärke der Kohäsion ist abhängig von dem Molekulargewicht und der Polarität des Klebstoffes.

  Der Zusammenhalt von Wassertropfen und Glasplatten oder Blütenblättern wird durch die Adhäsion (auch Anhangskraft genannt) bedingt.

  Lösung

  Ein Klebstoff ist ein nichtmetallisches Bindemittel, welches über die Adhäsion und die Kohäsion wirkt.

  Adhäsion

  • Adhäsionskräfte sind zwischen dem Klebstoff und der zu klebenden Oberfläche wirksam.
  • Adhäsionskräfte sind schwache Anziehungskräfte, die an den Grenzflächen von Feststoffen auftreten.
  • Die Adhäsion wird unterteilt in die spezifische Adhäsion (zwischenmolekulare Kräfte oder chem. Bindungen) und die mechanische Adhäsion (mechanische Verankerung durch Oberflächenstruktur).

  Kohäsion

  • Die Kohäsionskräfte sind intermolekulare (zwischenmolekulare) Kräfte, die innerhalb des Klebstoffes wirken.
  • Die Kohäsion verleiht dem Klebstoff die innere Festigkeit und wird beeinflusst durch: Molekulargewicht (Je größer das Molekulargewicht, desto stärker sind die Kohäsionskräfte), Anzahl und Größe der Seitengruppen und Polarität (Je polarer der Klebstoff, desto höher ist die innere Festigkeit).

• Erkläre Arten der Aushärtung von Klebstoffen.

  Tipps

  Die Ausbildung von den Disulfidbrücken in Peptiden erfolgt intramolekular.

  Die physikalische Methode wird auch als physikalische Trocknung bezeichnet.

  Lösung

  Es gibt drei Arten, auf die ein Klebstoff aushärten kann:

  1. physikalisch: Lösungsmittel aus dem gelösten Polymer verdunstet, wobei ein fester, quervernetzter Polymerfilm entsteht (physikalische Trocknung).
  2. chemisch: Einzelne Monomere oder kleine Polymere reagieren (z.B. bei Sekundenkleber unter Einwirkung von Luftfeuchtigkeit) zu einem großen, polymeren Netzwerk.
  3. nicht härtend: Wenige Klebstoffe wie z.B. Polyacrylate oder Kautschuk (siehe Abbildung) sind dauerhaft klebrig und werden als wieder ablösbare Klebstoffe verwendet.

• Beschreibe die Aushärtung von Sekundenklebstoffen.

  Tipps

  Obiger Sekundenkleber polymerisiert mittels einer anionischen Polymerisation.

  Bei der anionischen Polymerisation kann nur durch ein Carbanion das Kettenwachstum initiiert werden.

  Lösung

  Sekundenkleber sind das prominente Beispiel für eine anionische Polymerisation. Diese Polymerisationsart bedient sich reaktiver Anionen, wobei die negative Ladung jeweils vom neu addierten Monomer übernommen wird. Für die anionische Polymerisation werden Monomere mit stark elektronenziehenden Gruppen z.B. Ester-, Nitril- oder Nitro-Gruppen verwendet.

  Obiges Molekül enthält sowohl eine Nitril- als auch eine Ester-Funktionalität, wodurch die endständige Doppelbindung stark aktiviert ist (an der endständigen Doppelbindung ist das Monomer partiell positiv geladen, da die Elektronendichte zum Ester und zur Nitril-Gruppe verschoben wird).

  Durch diese Ladungsverteilung kann z.B. das Hydroxid-Ion aus der Luftfeuchtigkeit die Initiierung der anionischen Polymerisation durchführen, indem es an der partiell positiv geladenen Stelle angreift. Dabei wird die positive Ladung zunächst auf das N-Atom des Nitrils verschoben, welches allerdings in Mesomerie mit dem Carbanion steht. Diese Carbanion kann – wie das Hydroxid-Ion – an einem nächsten Monomer angreifen unter Ausbildung einer nächsten anionischen Spezies. Die Reaktion hält sich so lange am Leben, bis keine Monomere mehr vorhanden sind, und wird durch Protonen oder andere Elektrophile abgebrochen.

• Bestimme die beiden Komponenten von folgendem Zweikomponentenklebstoff.

  Tipps

  Die Umsetzung beider Komponenten ist eine Polyaddition.

  Der polymere Klebstoff ist ein Polyurethan.

  Die Wiederholeinheit beginnt links bei der Alkohol-Funktionalität.

  Lösung

  Bei dem obigen Klebstoff handelt es sich um ein Polyurethan. Polyurethane werden aus Diisocyanaten und Diolen in einer Polyadditionsreaktion unter Ausbildung der markanten Carbamat-Gruppe gebildet.

  In der Polyadditionsreaktion werden die Eduktmoleküle zu einem Produktmolekül vereinigt. Im ersten Reaktionsschritt wird das Isocyanat-Kohlenstoffatom nucleophil vom Sauerstoff-Atom des Alkohols angegriffen. Gleichzeitig wird ein Proton auf den Stickstoff übertragen. Bei diesem Schritt wird im Gegensatz zu anderen Polymerisationen (z.B. Polykondensation) kein Wasser oder Ähnliches abgespalten. Nach einer Zusammenlagerung von zwei Molekülen ist die erste Carbamat-Gruppe erzeugt worden. Da jedes Edukt zwei Funktionalitäten trägt, kann die Reaktion mehrmals hintereinander wiederholt werden, bis alle Edukte verbraucht sind.

  Um an der Formel des Polyurethans herauszufinden, dass der Benzolring die Isocyanat-Gruppen trägt und nicht die Hydroxylfunktionalitäten, muss auf die Wiederholeinheit geschaut werden. Diese beginnt links bei der Alkohol-Funktionalität und endet rechts bei der Isocyanat-Funktionalität:

  • ---$NH-C(=O)-[-O-R-O-C(=O)-NH-R^´-NH-C(=O)-]-O$---.

• Bestimme die Zusammensetzung von Zweikomponentenklebstoffen.

  Tipps

  Zweikomponentenklebstoffe brauchen einen Binder und einen Härter.

  Binder und Härter reagieren zum polymeren Netzwerk in einer Polyadditionsreaktion.

  Lösung

  Zweikomponentenklebstoffe setzen sich aus einem Binder wie z.B. einem Harz und einem Härter (meist Amine) zusammen. Durch Vermischen der beiden Komponenten wird sofort die Aushärtungsreaktion gestartet. Die meisten 2-K-Klebstoffe härten durch folgende Polymerisationstypen:

  • Polyaddition: System aus Epoxidharz und Diamin
  • Polykondensation: System aus Polyesterharzen und Diaminen oder Wasser
  • anionische Polymerisation: Methylmethacrylat-Monomer mit einem Peroxid als Radikalbildner und einem Amin als Beschleuniger.

• Finde das Reaktionsprodukt folgender Polymerisation heraus.

  Tipps

  Dieser Zweikomponenten-Klebstoff erzeugt das polymere Netzwerk mittels Aktivierung durch das Dibenzoylperoxid.

  Ethylendiamin beschleunigt die Bildung von Radikalen.

  Methylmethacrylat ist ein Monomer, welches radikalisch polymerisiert wird.

  Lösung

  Obige Substanzen sind die Komponenten eines Zweikomponenten-Methylmethacrylat-Klebstoffes. Bei dem eingesetzten Monomer handelt es sich um das Methylmethacrylat, den Methylester der Methacrylsäure.

  Allerdings gehört das Methylmethacrylat nicht zu den zwei reaktiven Komponenten, diese sind nämlich das Dibenzoylperoxid und Ethylendiamin. Zum Start einer radikalischen Polymerisation wird ein aktives Radikal benötigt, dieses entsteht aus dem Peroxid, wenn ein Beschleuniger (Ethylendiamin) zugesetzt wird.

  Das erzeugte Radikal ($C_6H_6-C(=O)-O\cdot$) greift nun an der endständigen Doppelbindung vom Monomer an, dabei bildet sich ein neues, größeres Radikal aus. Dieses kann weitere Monomere angreifen, sodass die Kette stetig wächst. Ein Abbruch erfolgt entweder durch die Übertragung von einem H-Atom oder durch Rekombination von zwei Radikalen.

  So wird im Klebstoff das Methylmethacrylat (MMA) durch eine radikalische Polymerisation in das polymere Netzwerk Polymethylmethacrylat (PMMA) überführt.