{"id":26137,"date":"2015-05-20T03:18:28","date_gmt":"2015-05-20T01:18:28","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=26137"},"modified":"2015-05-19T15:18:35","modified_gmt":"2015-05-19T13:18:35","slug":"kleben-von-wpc-holzfaserverstaerkte-thermoplaste-sicher-kleben","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/kleben-von-wpc-holzfaserverstaerkte-thermoplaste-sicher-kleben\/","title":{"rendered":"Kleben von WPC: Holzfaserverst\u00e4rkte Thermoplaste sicher kleben"},"content":{"rendered":"

Wood-Plastic-Composites (WPC) werden immer \u00f6fter eingesetzt. Bei F\u00fcgeprozessen spielt das Kleben eine gro\u00dfe Rolle, das aber durch die Polyolefinmatrix ohne Vorbehandlung kaum sicher funktioniert. Wie es doch gelingen kann, zeigen Untersuchungen am SKZ in W\u00fcrzburg.<\/strong><\/p>\n

In einem k\u00fcrzlich abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde das Kleben von holzfaserverst\u00e4rkten Kunststoffen mit dem Schwerpunkt Klebungen f\u00fcr Au\u00dfenanwendungen untersucht. Hierzu wurden Oberfl\u00e4chen von diversen WPC-Produkten (WPC, englisch: Wood Plastic Composites) und verschiedenen Rezepturen mit Vorbehandlungsverfahren pr\u00e4pariert und mit unterschiedlichen Klebstoffen gef\u00fcgt.<\/p>\n

Nach erfolgter Ermittlung von mechanischen Kurzzeiteigenschaften der gef\u00fcgten Verbunde wurden die geeignetsten Werkstoff-Vorbehandlung-Substrat-Kombinationen auf ihre Langzeiteigenschaften hin untersucht. Dazu wurden Wasser- und Temperaturlagerungen der geklebten Bauteile sowie auch Freibewitterungsversuche durchgef\u00fchrt.<\/p>\n

Junge Werkstoffgruppe mit hohem Einsatzpotenzial<\/h3>\n

Bei Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen handelt es sich um thermoplastisch verarbeitbare, verst\u00e4rkte Werkstoffe, die aus unterschiedlichen Anteilen von Holz (30 bis 80 %), 20 bis 70 % Kunststoffen wie PP, PE oder PVC sowie Additiven (Haftvermittlern, Stabilisatoren oder Farbmitteln) bestehen und durch Extrusion, Spritzguss oder Presstechniken verarbeitet werden k\u00f6nnen [1-3]. Das hohe Einsatzpotenzial dieser recht jungen Werkstoffgruppe belegen zahlreiche Marktforschungen [1, 4, 5], in welchen die weltweite WPC-Produktion von 2012 bis zum Jahr 2015 von 2,43 Mio. t auf circa 3,83 Mio. t wachsen soll. Alleine in Europa soll die Produktion j\u00e4hrlich um etwa 10 % ( 350.000 t im Jahr 2015) anwachsen.<\/p>\n

Um verkaufsf\u00e4hige Artikel, wie etwa Fensterrahmen, Geh\u00e4use, Endplatten, Verbindungselemente f\u00fcr den K\u00fcchenbereich oder Verkleidungen f\u00fcr die Automobilindustrie, zu produzieren, m\u00fcssen sehr h\u00e4ufig F\u00fcgeverfahren angewendet werden. F\u00fcr herk\u00f6mmliche Kunststoffe sind dabei das Schwei\u00dfen und das Kleben die meistgenutzten Verfahren. F\u00fcr Holz dagegen wird \u00fcberwiegend das Kleben verwendet. F\u00fcr WPC-Teile kann das \u00fcbliche Schwei\u00dfen bislang aber noch nicht ohne Weiteres angewendet werden. Allerdings wird diese Thematik am SKZ untersucht [6]. Au\u00dferdem eignet sich das Schwei\u00dfen zum F\u00fcgen von unterschiedlichen Materialarten nicht, sodass beispielsweise das Verbinden eines metallischen Elementes mit einem WPC-Bauteil ohne Kleben nur mechanisch erfolgen kann.<\/p>\n

Da allerdings der gr\u00f6\u00dfte Anteil der WPC-Produkte in Deutschland aus einer Polyolefinmatrix besteht, ist auch das Kleben als Alternative ohne besondere Vorbehandlung beziehungsweise spezielle Klebstoffe nicht m\u00f6glich. Infolgedessen fehlen auch Kleberichtlinien oder Anforderungen an die Qualit\u00e4t der Klebeverbindung f\u00fcr Anwender und Nutzer von WPC-Produkten [7].<\/p>\n

Erkenntnisse aus dem Experimentierlabor<\/h3>\n

Nach der Klebstoffauswahl wurden die Substrate sowie die Klebstoffe auf mechanische, thermische, rheologische sowie physikalische Eigenschaften hin charakterisiert. Es folgte die Ermittlung der Auswirkung der Rezeptur auf die physikalische Eigenschaften der Oberfl\u00e4che sowie eine Vorauswahl in puncto geeigneter Oberfl\u00e4chenvorbehandlungs-Methoden f\u00fcr die denkbaren Anwendungen bez\u00fcglich der Einsatzm\u00f6glichkeit (Mobilit\u00e4t, Kosten, Wirkung). Anschlie\u00dfend wurden die Untersuchungen zur Einsatzf\u00e4higkeit der ausgew\u00e4hlten Oberfl\u00e4chenvorbehandlungsverfahren zur Steigerung der Oberfl\u00e4chenenergie des Substrats durchgef\u00fchrt und dabei zahlreiche Probek\u00f6rper geklebt. Letztendlich wurden die mechanischen Kurzzeiteigenschaften des Verbunds ermittelt.<\/p>\n

Die besten Kombinationen aus Substrat, Oberfl\u00e4chenvorbehandlung und Klebstoff wurden danach erneut untersucht und einer k\u00fcnstlichen Bewitterung, einer Wasser- sowie einer Temperaturlagerung (jeweils 5 Tage Lagerung, anschlie\u00dfend 2 Tage Normklima) f\u00fcr insgesamt 25 Zyklen (etwa 180 Tage) unterzogen. Au\u00dferdem wurde parallel dazu und ebenso lange eine Freibewitterung durchgef\u00fchrt. Aus den erhaltenen Daten und den Pr\u00fcfungsergebnissen zur Ermittlung von Langzeiteigenschaften wurden die empfohlenen Parameter generiert, die eine dauerhafte und stabile Verklebung ergeben.<\/p>\n

Gute Benetzbarkeit ist nicht alles<\/h3>\n

Als Matrixmaterial wurden die Thermoplaste PE, PP und PVC eingesetzt. Exemplarisch wurde auch die Klebbarkeit von WPC mit einer Matrix aus niederschmelzendem Polyamid 12 (mit Tm < 200 \u00b0C) untersucht, weil diese momentan verst\u00e4rkt f\u00fcr WPC eingesetzt wird.<\/p>\n

Erwartungsgem\u00e4\u00df zeigen WPCs eine relativ geringe Oberfl\u00e4chenenergie, die deutlich vom Matrixmaterial und der Rezeptur abh\u00e4ngt. Die erste Tabelle fasst die gemessenen Oberfl\u00e4chenenergien der eingesetzten WPC-Materialien mit 50% Holzgehalt zusammen. W\u00e4hrend die PVC- sowie PA12-basierten Rezepturen keine weiteren Zus\u00e4tze beinhalteten, hatte die dargestellte PP-Rezeptur die typischen 3% Haftvermittler Licomont AR 504 und die PE-basierte Rezeptur mit 1% das Gleitmittel Licowax S beigemischt.<\/p>\n

Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften sollten grunds\u00e4tzlich Probeklebungen durchgef\u00fchrt werden, da eine gute Benetzung eine notwendige, aber nicht hinreichende Voraussetzung f\u00fcr eine optimale Adh\u00e4sion oder Haftung ist.<\/p>\n

Strahlen oder mechanisches Anrauen brachte in vielen Substrat-Klebstoff-Kombinationen, besonders bei relativ geringer Klebstoffviskosit\u00e4t, gute Ergebnisse in Sachen Verbindungsqualit\u00e4t. Wesentlich prozesssicherer wurden die Resultate allerdings, wenn anstatt des mechanischen Aufrauens verschiedene Laserquellen (Nd:YAG sowie CO2) zur Vergr\u00f6\u00dferung der spezifischen Oberfl\u00e4che eingesetzt wurden.<\/p>\n

Bei den Vorbehandlungen mit hochenergetischen, physikalischen Methoden (Niederdruck-(ND)-, Atmosph\u00e4rendruck-(AD)-Plasma sowie Beflammung) sind \u00dcberbehandlungen m\u00f6glich, die zu einer niedrigenergetischen Oberfl\u00e4che f\u00fchren, welche nicht gut benetzt wird und schlechtere Festigkeiten liefert. Die Polarit\u00e4t sowie die freie Oberfl\u00e4chenenergie nimmt bei den \u00dcbervorbehandlungen (etwa durch niedrige Geschwindigkeiten, geringe Abst\u00e4nde oder zu hohe Leistungen) vermutlich durch eine erh\u00f6hte Temperatur pl\u00f6tzlich ab. So konnte bei einer falsch angewendeten Beflammung eine Oberfl\u00e4che erzeugt werden, die deutlich geringere Energie hat als das vorbehandelte Material und einen deutlich gesunkenen polaren Anteil.<\/p>\n

\u00c4u\u00dfere Einfl\u00fcsse sind zu beachten<\/h3>\n

ND-Plasma k\u00f6nnte zur Vorbehandlung von WPC bei flexiblen Klebstoffen (2K-MS-Polymeren) erfolgreich eingesetzt werden. F\u00fcr die strukturellen Klebstoffe, wie 2K-Epoxidbasis, erzielte eine Fluorierung die h\u00f6chsten Festigkeiten. Diese beiden diskontinuierlichen Batch-Methoden sind aber nur eingeschr\u00e4nkt mobil nutzbar und k\u00f6nnen grunds\u00e4tzlich nur f\u00fcr kleinere Bauteile wirtschaftlich eingesetzt werden.<\/p>\n

F\u00fcr Au\u00dfenanwendungen witterungsstabile Klebstoffe w\u00e4hlen<\/h3>\n

Den Alterungseinfluss durch Wasserlagerung sowie Freibewitterung auf PP-basierte WPC-Verbindungen, die mit flexiblem 2K-Polymer-Klebstoff (Silanmodifiziert, MS) ohne Vorbehandlung geklebt wurden, sind in Bild 3 zu sehen. Auch hier verschlechtert das Wasser sowie die Freibewitterung die Festigkeit deutlich. Diese Messungen sind allerdings mit einer hohen Standardabweichung behaftet. Bei den Untersuchungen von Bruchbildern wurde \u00fcberwiegend ein adh\u00e4sives Bruchverhalten (AF) erkennbar.<\/p>\n

Bei Klebungen im Multimaterial-Design zeigten die flexiblen Klebstoffe etwas bessere Eigenschaften, weil sie deutlich h\u00f6here maximale Bruchdehnung beim Verkleben von Materialien mit gro\u00dfen Unterschieden im W\u00e4rmeausdehnungsverhalten ins Feld f\u00fchren. Letzteres lag f\u00fcr WPC-Werkstoffe mit 50 % Holzgehalt in Abh\u00e4ngigkeit vom Matrixmaterial im Temperaturbereich von -20 \u00b0C bis 70 \u00b0C im Bereich von 60 bis 80 \u00d7 10-6 K-1.<\/p>\n

Abh\u00e4ngig vom Holzanteil kann WPC relativ viel Wasser aufnehmen. Rezepturen mit 50 % Holzanteil k\u00f6nnen eine Gewichtszunahme bis 15 % aufweisen, wodurch sich auch die Ma\u00dfe in der gleichen Gr\u00f6\u00dfenordnung \u00e4ndern. Das kann sich auch noch nach der Verklebung stark festigkeitsmindernd auswirken. Eine maximale Feuchtigkeitszunahme bis zu 2 % hat keinen negativen Einfluss ausge\u00fcbt.<\/p>\n

Flexible, witterungsstabile Klebstoffe sind deshalb f\u00fcr Au\u00dfenanwendungen zu w\u00e4hlen. Die belasteten und anschlie\u00dfend gepr\u00fcften geklebten Proben zeigten nach Wasserlagerung allerdings auch bei flexiblen Klebstoffen eine deutliche Festigkeitsabnahme. Vermutlich liegt das nicht am Klebstoff, aber durch die starke Ma\u00df\u00e4nderung beim Quellen im WPC-Verbund sowie eine starke Wasseraufnahme des Holzes sinkt die Festigkeit. Die Form\u00e4nderung kann dabei die maximale Bruchdehnung des Klebstoffs \u00fcberschreiten, was zu einem Bruch in der F\u00fcgeebene f\u00fchren kann. Nach dem Trocknen behalten manche Proben einen Teil ihrer Deformation.<\/p>\n

Kombinierte Vorbehandlungen sind denkbar<\/h3>\n

Die durchgef\u00fchrten Untersuchungen haben sowohl die Bedeutung als auch die Notwendigkeit des Einsatzes von geeigneten Klebeparametern sowie der Auswahl der richtigen Klebstoffe f\u00fcr eine stabile, langlebige WPC-Klebung gezeigt. Die Klebbarkeit von WPC wird durch seine thermoplastische Matrix mit geringer Oberfl\u00e4chenenergie wesentlich beeinflusst. Diverse Oberfl\u00e4chenvorbehandlungsmethoden k\u00f6nnen f\u00fcr WPC n\u00fctzlich sein. Das Matrixmaterial und die eingesetzte Rezeptur bestimmen die Vorbehandlungsart, die Parameter sowie den Klebstoff. Kombinationen aus mechanischen und physikalischen und\/oder chemischen Vorbehandlungen sind dabei denkbar. F\u00fcr eine langlebige und stabile WPC-Verklebung sollten daher die Randbedingungen (wie etwa Einsatztemperatur, -feuchte, UV-Belastung, mechanische Belastungen) m\u00f6glichst genau festgelegt werden.<\/p>\n

 <\/p>\n

Literatur<\/h3>\n

[1] A. Eder: \u201cWood-Plastic Composites (WPC) and Natural-Fibre Composites (NFC): European and Global Markets 2012 and Future Trends\u201d, 5. Deutscher WPC-Kongress, K\u00f6ln, 2013.<\/em>
\n[2] I. Radovanovic: \u201eVerarbeitung und Optimierung der Rezeptur von Wood Plastic Composites\u201c, Dissertation, Universit\u00e4t Osnabr\u00fcck, 2007.<\/em>
\n[3] D. Vogt, M. Carus, S. Ortmann, C. Schmidt, A. Pleh: \u201eStudie Wood Plastic Composites (WPC), Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe, M\u00e4rkte in Nordamerika, Japan und Europa mit Schwerpunkt auf Deutschland, Technische Eigenschaften – Anwendungsgebiete – Preise – M\u00e4rkte – Akteure\u201c, Nova-Institut, 2006.<\/em>
\n[4] M. Carus: \u201cWood-Plastic Composites (WPC) and Natural-Fibre Composites (NFC): European and Global Markets 2012 and Future Trends\u201d, 5. Deutscher WPC- Kongress, K\u00f6ln, 2013.<\/em>
\n[5] Nova-Institut, http:\/\/www.wpc-kongress.de, 04\/2010.<\/em>
\n[6] IGF-Forschungsvorhaben 15.817N \u201eUntersuchungen zur Schwei\u00dfbarkeit von hochgef\u00fcllten holzfaserverst\u00e4rkten Kunststoffen \u2013 Technologie und Anwendungsentwicklung\u201c, SKZ \u2013 Das Kunststoff-Zentrum, W\u00fcrzburg, 2011.<\/em>
\n[7] Teischinger A., Korte H.: Aktuelle Entwicklung der Normung von Wood Plastic Composites (WPC), Universit\u00e4t f\u00fcr Bodenkultur\/BOKU, Wien, 2005.<\/em><\/p>\n

* Dipl-Ing. Eduard Kraus M. Sc., Dr. Benjamin Baudrit und Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian und die weiteren Autoren Dr.-Ing. Peter Heidemeyer und Dr.-Ing. Karsten Kretschmer forschen am SKZ \u2013 Das Kunststoff-Zentrum in 97076 W\u00fcrzburg.<\/p>\n

Kontakt:
\nTel. (09 31) 41 04-4 80
\nE.Kraus@skz.de<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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