Kleben auf Knopfdruck

Mikrokapseln mit reaktivem Zweikomponenten-Klebstoff können Klebprozesse in Industrie und Montage vereinfachen und die Arbeitssicherheit erhöhen: Der Klebstoff ist zunächst sicher in Kapseln eingeschlossen, der Kontakt mit offenen reaktiven Komponenten kann reduziert werden, und die Aktivierung erfolgt erst beim Verpressen bei Raumtemperatur. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP im Potsdam Science Park sucht Partner aus Industrie und Forschung, die konkrete Bauteile, Trägermaterialien oder Montageprozesse für anwendungsnahe Tests einbringen möchten.

Kleben verbindet Bauteile flächig, bringt unterschiedliche Materialien zusammen und ermöglicht leichte Konstruktionen. In der industriellen Praxis ist der Klebstoffauftrag jedoch häufig ein zusätzlicher Prozessschritt: Klebstoffe müssen dosiert, aufgetragen und ausgehärtet werden. Dabei kann der direkte Umgang mit reaktiven Klebstoffkomponenten zusätzliche Anforderungen an Arbeitsschutz, Prozessführung und Schulung stellen. Je nach Materialsystem, Temperatur, Untergrund und Belastung kann sich zudem die Haftwirkung konventioneller Klebebänder verändern.

Wie wird Druck zur Klebkraft?

Ein neuer Ansatz aus der Mikroverkapselung soll diese Schritte vereinfachen. Am Fraunhofer IAP werden im Rahmen des Fraunhofer-Clusters Programmierbare Materialien CPM mikroskopisch kleine Kapseln entwickelt, die Komponenten eines Zweikomponenten-Klebstoffs einschließen.

„Man kann sich die Mikrokapseln wie viele winzige Reservoirs für Klebstoff vorstellen“, sagt Dr. Christian Neumann, Wissenschaftler am Fraunhofer IAP. In jeder Kapsel ist eine der beiden Komponenten eingeschlossen. Solange die Kapseln intakt sind, bleibt das System inaktiv. Wird Druck ausgeübt, zerplatzen die Kapseln. Die Komponenten treffen aufeinander und der Klebstoff vernetzt. So entsteht genau an der Kontaktfläche eine feste Verbindung. „Ein großer Vorteil ist, dass diese Vernetzung bei Raumtemperatur geschieht. Zusätzliche Erwärmung oder weitere Aushärtungsschritte sind also nicht notwendig“, so Neumann.

Die technische Herausforderung liegt dabei in der Verkapselung selbst: Zweikomponenten-Klebstoffe sind reaktive Materialien und können mit den Chemikalien reagieren, die während der Herstellung der Kapselhülle eingesetzt werden. Die Forschenden können die Kapselchemie aber äußerst präzise einstellen. Dadurch bleiben die Klebstoffkomponenten aktiv, werden zuverlässig eingeschlossen, können gelagert und verarbeitet werden und sich beim Verpressen gezielt öffnen.

Welche zwei Faktoren machen die Handhabung des Klebstoffs sicherer?

Für industrielle Klebprozesse verbindet der Ansatz zwei Vorteile: Erstens reduziert die Verkapselung den offenen Umgang mit Klebstoffen: Die reaktiven Komponenten werden erst während des Fügens in der Klebfuge freigesetzt. Das kann die Handhabung vereinfachen und den Arbeitsschutz in der Verarbeitung unterstützen.

Zweitens setzen die Forschenden auf isocyanatfreie Klebstoffsysteme auf Basis von Acrylaten oder Epoxiden. Damit ist das Kapsel- und Trägersystem für Anwendungen interessant, in denen Unternehmen den Einsatz isocyanathaltiger Klebstoffe vermeiden möchten.

Wie wird klebendes Gewebe eingesetzt?

Die Mikrokapseln sollen in einem nächsten Schritt auf flächige Trägermaterialien aufgebracht werden, die sich wie ein Zwischenlagewerkstoff verarbeiten lassen. Geeignet sind etwa textile Träger, Fasergewirke oder andere flächige Materialien. „So wird der Klebstoff zu einem handhabbaren Material: Er lässt sich im Bauteil positionieren und entfaltet seine Wirkung erst durch den Fügeschritt“, erklärt Neumann.

Mögliche Einsatzfelder sind Prozesse, in denen Bauteile flächig, kontrolliert und ohne offenen Klebstoffauftrag verklebt oder gefügt werden sollen. In der Automobilindustrie kommen beispielsweise Batterie-Stacks infrage. Weitere Anwendungsfelder sind der Maschinenbau, die Elektronikfertigung oder mikrostrukturierte Bauteile mit feinen Kanälen, bei denen klassische Dosier- und Auftragsverfahren technisch aufwendig, schwer zugänglich oder wirtschaftlich wenig attraktiv sind.

Für die Entwicklung dieser Klebstofftextile verbindet das Fraunhofer IAP seine Expertise in der Mikroverkapselung mit anwendungsnahen Prüfungen. Die Festigkeit der daraus entstehenden Verbindungen wird gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU untersucht und bildet die Grundlage, um geeignete Einsatzfelder mit Partnern gezielt zu bewerten.

Bereit für den Praxistest?

Jetzt soll der Ansatz in konkrete Anwendungen übertragen werden. Dafür sucht das Fraunhofer IAP Partner aus Industrie und Forschung, die eigene Bauteile, Trägermaterialien oder Montageprozesse einbringen. Besonders relevant sind Unternehmen, die flächige Fügeverfahren vereinfachen, den Umgang mit Klebstoffen sicherer gestalten oder den Klebprozess besser in bestehende Montageabläufe integrieren möchten.

Bringt ein Partner einen geeigneten Anwendungsfall mit, legt das Fraunhofer IAP das Kapsel- und Trägersystem speziell darauf aus. Im Synthesetechnikum des Fraunhofer-Pilotanlagenzentrums für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ des Fraunhofer IAP lassen sich Mikrokapseln zudem bis in den Tonnenmaßstab herstellen. Dadurch stehen ausreichend Materialmengen zur Verfügung, um die Technologie unter anwendungsnahen Bedingungen zu testen.

(Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP)