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Klebstoffe 06:33 min

Textversion des Videos

Transkript Klebstoffe

Hallo ich bin Mathias. Willkommen zu deinem Chemieunterricht.

Hast du dich schon mal gefragt warum Klebstoff eigentlich klebt und wieso er mal in einer und mal in 2 Tuben ist? Und warum klebt Klebstoff eigentlich nicht in der Tube fest? Dies werde ich dir jetzt in diesem Video über Klebstoffe erklären.

Kommen wir zum Inhalt des Videos. Um überhaupt zu verstehen wie eine klebende Wirkung zustande kommt sehen wir uns die Theorie dahinter an. Dann erkläre ich dir was es mit den Zweikomponentenklebern auf sich hat. Danach kommen wir zu den Sekundenklebern und am Schluß folgt die Zusammenfassung. Warum klebt ein Stoff überhaupt? Als erstes ist für eine feste Verklebung notwendig, dass die Oberfläche gut mit Klebstoff benetzt ist. Beim Aushärten des Klebstoffes bildet sich dann ein makromolekularer Klebstofffilm. Dieser ist quasi ein einziges großes Molekül. Es findet also eine Polymerisation statt. Schematisch sieht eine geklebte Verbindung so aus.Oben und unten befindet sich das zu verklebende Material und in der Mitte ist der Klebstoff. Diese Verbindung wird zusammengehalten durch Kohäsion und Adhäsion. Kohäsion wird bewirkt von Bindungen zwischen dem Material und dem Klebstoff. Kohäsion wirkt hier.
Adhäsion entsteht durch Bindungen innerhalb des Klebstoffes. Adhäsion wirkt hier. Wie härtet denn nun der Klebstoff aus? Da gibt es verschiedene Arten. Zum einen physikalisch. In diesem Fall liegt der Klebstoff als gelöstes Polymer vor. Nachdem er aufgetragen wurde, verdunstet das Lösemittel und ein harter Film entsteht. Man spricht hier von physikalischer Trocknung. Eine andere Möglichkeit ist die chemische Härtung. Der Klebstoff liegt in Form von Monomeren oder kleinen Polymeren vor. Bei der Härtung kommt es zur Reaktion, wodurch ein großes Polymer entsteht. Ausserdem gibt es noch die nicht härtenden Klebstoffe. Sie bestehen aus Kautschuk oder Polyacrylaten. Sie sind dauerhaft klebrig und auch wieder ablösbar. Soweit zur Theorie. Sehen wir uns nun mal einen Klebstoff in 2 Tuben an.

Diese werden Zweikomponentenkleber genannt. Sie bestehen aus einem Binder, dem Harz, und einem Härter. Ein Beispiel für solch einen Klebstoff ist Epoxidharz als Binder und Di- oder Triamine als Härter. Die Epoxi-Gruppe sieht so aus. Diamine haben 2 Amino-Gruppen. Bringt man beide Komponenten aus den verschiedenen Tuben nun zusammen, reagieren beide miteinander. Es kommt zu einer Polyaddition. Bei dieser Reaktion öffnet sich der Ring der Epoxy-Gruppe und es bilden sich zwei Stickstoff-Kohlenstoffbindungen pro Amino-Gruppe, während gleichzeitig aus dem Ring-Sauerstoff eine Hydroxy-Gruppe gebildet wird. Es bildet sich ein Duroplast. Zum Einsatz kommt diese Art von Klebstoff in der Automobilherstellung und dem Modellbau. Du weißt warum es klebt und wie Klebstoffe härten. Ausserdem hast du gelernt warum Klebstoffe manchmal auch in 2 Tuben sind. Aber es gibt doch auch Klebstoff in einer Tube? Ja, zum Beispiel Sekundenkleber. Diese bestehen nur aus einer Komponente. Auch dieser Klebstoff benötigt zum Aushärten eine zweite Komponente, diese muss allerdings nicht in Tuben aufbewahrt werden, im Gegenteil, sie befindet sich überall in unserer Umgebungsluft. Die Aushärtung erfolgt nämlich in Gegenwart von Wasser. Dafür reicht schon die Luftfeuchtigkeit oder etwas Wasser auf dem Material. Sekundenkleber trocknen also nicht, er wird eher nass.
Ein Beispiel für solch einen Klebstoff ist Cyanacrylsäureester. Es besteht aus vielen Methylcyanacralat-Monomeren. Wasser greift an der C-C-Doppelbindung eines Monomeres an. Durch die Öffnung der Doppelbindung reagieren viele Monomere miteinander, wodurch das Polymer entsteht.

Nun weißt du also auch warum ein Klebstoff nicht in der Tube fest klebt. Er braucht entweder einen Reaktionspartner oder das Lösemittel muss verdunsten. Fassen wir das einmal kurz zusammen. Es gibt verschiedene Arten der Härtung. Zum einen die physikalsiche Trocknung, zum anderen die chemische Härtung. Die Klebewirkung kommt durch Kohäsion und Adhäsion zustande. Zweikomponentenkleber bestehen aus einem Binder, dem Harz, und einem Härter. Und Sekundenkleber härten durch die Reaktion mit Wasser.

Vielen Dank für deine Aufmerksamkeit. Bis zum nächsten mal dein Mathias

1 Kommentar
  1. VW: Super hilfreiches Video....tolle Vorbereitung für APT 1 <3

    Von Mechatronikprofi95, vor mehr als 3 Jahren

Klebstoffe Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Klebstoffe kannst du es wiederholen und üben.

  • 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.