Elektromotor, Bild: iStockBosca

Auch bei Elektromotoren kommen vermehrt HT-Klebstoffe zum Einsatz. Bild: iStockBosca

Die Klebstoffindustrie hat eine Vielzahl an Produkten entwickelt, die strukturelle, Dicht- oder Vergussanforderungen erfüllen. Anwender wollen Klebtechnik für immer höhere Anforderungen nutzen, gerade was Temperaturen angeht. So entstanden in den vergangenen Jahren vermehrt Klebstoffe, die sich auch im Hochtemperaturbereich einsetzen lassen, der je nach Verständnis meist bei 180 °C bis 200 °C beginnt. Dabei ist es wichtig, zu beachten, dass auch ein solcher Klebstoff bei Hitze geringere Festigkeiten als bei Raumtemperatur aufweist. Jedoch bleibt er durch die starke Vernetzung seiner Polymere dauerhaft stabil und erfüllt seine Funktion im Materialverbund.

Viele Anwendungen mit Hochtemperatur-Anforderungen

Einen Bedarf an hochtemperaturbeständigen (HT-)Klebstoffen gibt es in zahlreichen Branchen. Im Automotivebereich werden sie beispielsweise für Sensoren der Motor- und Abgassteuerung in heißen Umgebungen eingesetzt und sind dort zusätzlich noch aggressiven Chemikalien ausgesetzt. Zudem sind sie für weitere Komponenten in Antriebsnähe gefragt, da die Temperaturanforderungen im Motorraum wegen der Einführung eines neuen Kühlsystems zuletzt noch einmal gestiegen sind. Die neue Kühlung ist stärker, erzeugt dadurch aber auch mehr Abwärme und hat so einen stärkeren Einfluss auf andere Komponenten im Motorraum.

Elektromotoren werden immer leistungsfähiger, wodurch mehr Wärme entsteht; gleichzeitig kommt es wegen kompakterer Bauformen verstärkt zu Stauwärme. HT-Klebstoffe sind deshalb für die Verklebung von Magneten oder die Befestigung des Rotors auf der Welle unverzichtbar. Darüber hinaus werden sie im Werkzeugbereich für weitere Anwendungen verwendet: Als Vergussmasse fixieren sie etwa die sich stark aufheizenden Kupferdrähte der Rotoren von Kompaktwinkelschleifermotoren und schützen sie vor Beschädigungen durch Abrasion infolge der eingesaugten, mit Schleifpartikeln angereicherten Luft.

Schließlich finden sich HT-Klebstoffe auch in der Leistungselektronik, zum Beispiel für Schienenfahrzeuge und Ölbohrequipment. Dort fließt so viel Strom, dass sich die elektrischen Komponenten auf über 200 °C erhitzen. Im Luftfahrtbereich dagegen sind hochtemperaturbeständige Klebstoffe angesichts der Umgebungstemperaturen selten gefordert und werden nur in Triebwerksnähe in Betracht gezogen, zum Beispiel für den Einlauf, die Fanschaufeln oder die Vorderleiträder.

Was einen HT-Klebstoff ausmacht

MAP-Sensoren, Bild: Delo
Großer Hitze ausgesetzt: MAP-Sensoren, die der Motorsteuerung die Luftmasse übermitteln. Bild: Delo

Um das Prinzip von hochtemperaturbeständigen Klebstoffen zu verstehen, ist es hilfreich, die Bedeutung von drei Begriffen zu kennen. So sagt die Temperaturbeständigkeit aus, inwieweit die adhäsiven und kohäsiven Eigenschaften auch nach einer Lagerung bei hohen Temperaturen erhalten bleiben. Soll zusätzlich eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen übertragen werden, sind zwei weitere Eigenschaften von Bedeutung.

Die Glasübergangstemperatur gibt bei hochpolymeren Stoffen den Wert an, bei dem sie aus dem glasartigen, starren Zustand in einen weicheren oder unter Umständen elastischeren Zustand übergehen, wobei wesentliche mechanische und physikalische Eigenschaftsänderungen stattfinden. Daraus folgt, dass eine hohe Glasübergangstemperatur – mit Ausnahme der Materialien, die ihre Eigenschaften auch jenseits dieser Schwelle kaum verändern – eine wichtige Voraussetzung für eine hohe Temperaturfestigkeit ist.

Mit diesem Begriff ist die Festigkeit des Klebstoffs gemeint, die er direkt unter Temperatureinfluss erreicht. So besitzt ein wahrer HT-Klebstoff sowohl eine sehr gute Temperaturbeständigkeit als auch eine hohe Temperaturfestigkeit. Positiv für die vielen Anwendungsbereiche lässt sich feststellen, dass insbesondere diese Leistungsfähigkeit unter Hitzeeinfluss in den vergangenen Jahren spürbar verbessert wurde.

Dazu wurden die HT-Klebstoffe etwas flexibilisiert, ohne gleichzeitig dem Netzwerk seine Stabilität zu nehmen. Eine gewisse Flexibilität gleicht Spannungsspitzen in der Verklebung aus, die insbesondere bei Schälbelastungen auftreten. Zudem sorgt sie für einen Ausgleich zwischen den Fügematerialien, der infolge häufig unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten sowohl für eine gute Temperaturfestigkeit als auch -beständigkeit notwendig ist.

HT-Klebstoffe, Bild: Delo
HT-Klebstoffe sind auch in der Leistungselektronik gefragt. Bild: Delo

Der richtige Klebstoff für die richtige Anwendung

Wird der Einsatz von Klebstoffen für hohe Temperaturen in Betracht gezogen, kann der Anwender aus verschiedenen Klebstoffgruppen wählen. Die unterschiedlichen Produktgruppen und chemischen Varianten bieten ein reichhaltiges Auswahlspektrum sowie weitere Entwicklungsmöglichkeiten. Polyurethane sind als Konstruktionsklebstoff weit verbreitet, jedoch für den Hochtemperaturbereich auf Dauer weniger geeignet. Sie nehmen nicht nur Feuchte auf, sondern werden unter Hitzeeinfluss auch flexibel und weich. Lichthärtende Acrylate finden sowohl als Dicht- als auch als Klebstoff Verwendung. Die temperaturstabilsten Vertreter dieser Gruppe lassen sich bis 150 °C einsetzen und erfüllen damit nicht ganz die hier vertretene Definition eines HT-Produkts.

Anaerob härtende Klebstoffe auf Methacrylatbasis nehmen diese Hürde knapp und lassen sich bei normalen Anforderungen bis 200 °C verwenden. Ist eine aus Effizienzgründen beliebte Lichthärtungskomponente integriert, liegt die Schwelle bei 180 °C.

Silikone dagegen sind mechanisch über ein breites Temperaturspektrum stabil und finden bis 300 °C Verwendung. Ihre Festigkeit ist jedoch grundsätzlich so gering, dass sie unter solchen Bedingungen nur für Abdichtaufgaben eingesetzt werden. Der Grund für diese Eigenschaften ist übrigens die erwähnte Glasübergangstemperatur. Die liegt bei Silikonen häufig bei -70 °C, weshalb sie im praxisrelevanten Einsatzbereich darüber ihr elastisches Verhalten zeigen. Auf ihre Funktion als Dichtstoff hat das positive Auswirkungen, weil sie auch unterhalb der Frostgrenze noch flexibel bleiben. Limitierungen ergeben sich jedoch aufgrund ihrer langsamen Aushärtung und ihres Quellverhaltens. Ihre hohe Flexibilität ist die Folge eines weitmaschigen Molekülnetzwerks. Das ermöglicht eine gute Beweglichkeit der Polymerketten, erlaubt aber auch die Aufnahme von Fremdmolekülen wie Wasser oder Öl.

Das Mittel der Wahl für Temperaturen über 200 °C sind in den meisten Fällen warmhärtende, einkomponentige Epoxidharzklebstoffe, deren Leistungsfähigkeit die Klebstoffindustrie in den vergangenen Jahren nochmals spürbar verbessert hat. Im Prinzip kann ein Anwender hier zwischen zwei Produktgruppen wählen, die sich in ihren Eigenschaften durch verschiedene Harz-Härter-Kombinationen wesentlich unterscheiden. Für konstruktive Aufgaben sind Epoxidharzklebstoffe mit aminischen Härtern weit verbreitet. Sie sind schlagzäh, was eine wichtige Voraussetzung für dynamische Belastungen ist, wie sie zum Beispiel bei Elektromotoren auftreten, etwa bei der Verklebung von Oberflächenmagneten.

Produkte mit Anhydridhärtern sind nochmals enger vernetzt. Das macht sie härter und weniger spannungsausgleichend. Sie sind für Vergussanwendungen bei hohen Temperaturen prädestiniert. Hierbei spielen sie zusätzlich ihre Stärke aus, extrem widerstandsfähig gegenüber aggressiven Chemikalien wie Benzin, Getriebeöl oder Säuren zu sein. Bei einigen neuen Produkten liegt die Einsatzgrenze bei bis zu 250 °C. Die für eine gute Haftung bei diesen Temperaturen erforderliche Flexibilität und der beschriebene harte Charakter sind nur auf den ersten Blick ein Widerspruch. Tatsächlich reicht eine Reißdehnung im Bereich von fünf Prozent für eine hohe Temperaturfestigkeit bei typischen Anwendungen völlig aus.

Fazit

Die Klebstoffindustrie hat die Grenzen des Temperatureinsatzbereichs immer weiter verschoben, sodass sich heute zahlreiche Hochtemperaturanwendungen erfolgreich mit Klebstoff umsetzen lassen. Ab Temperaturen über 300 °C wird es für organisches Material grundsätzlich schwierig, jedoch entwickelt die Branche weiter Klebstoffe, die zum Beispiel bei Temperaturbeständigkeit, allgemeiner Verbundfestigkeit, Temperaturfestigkeit und Aushärtezeit unter den realen Bedingungen noch bessere Werte sowie neue Funktionalitäten ermöglichen. eh