Klebstoff

mini|Klebstoffaustritt aus einer Tube

Ein Klebstoff, genannt auch Kleber, ist ein nichtmetallischer Prozesswerkstoff, der andere Werkstoffe durch Oberflächenhaftung (Adhäsion) und eigene Festigkeit (Kohäsion) klebend verbindet. Zusätzlich zur Aufnahme von Zug- und Scherkräften können Klebstoffe teilweise auch andere Funktionen übernehmen wie das Dämpfen von Schwingungen, die Abdichtung gegen Flüssigkeiten und Gase, den Ausgleich von Wärmespannungen und Verschiebungen zwischen den verklebten Teilen, sowie gegebenenfalls Schutz vor Korrosion und der Übertragung von Hitze, Kälte, Schall und elektrischer Spannung.

Viele Produkte, insbesondere Verbundwerkstoffe mit verklebten Schichten (Laminate) wie Verbundsicherheitsglas, Sperrholz, Küchenarbeitsplatten mit HPL-Beschichtung, Tetrapaks, Laminat-Fußboden wären ohne Klebstoffe nicht herstellbar.

Manche Materialien lassen sich nur mit einem speziellen Klebstoff oder nur nach spezieller Vorbehandlung verkleben.

Unterschieden werden physikalisch härtende Klebstoffe, die entweder durch Abkühlung nach vorangegangener Erwärmung oder durch Verdunsten eines Inhaltsstoffs (Lösemittel oder Dispersionsmedium) abbinden chemisch abbindende Klebstoffe, bei denen sich die endgültigen Polymerketten bei der Verklebung neu bilden indem zwei Komponenten zusammengemischt werden oder durch äußere Einwirkung wie z. B. Erwärmung, UV-Licht, Aufnahme von Feuchtigkeit oder anderen Stoffen wie Metallionen.

Geschichte Das Kleben ist eine der ältesten und wichtigsten Kulturtechniken der Menschheit. Klebstoffe ermöglichten die Herstellung von Waffen und Werkzeugen und halfen den Frühmenschen, auch in widriger Umgebung zu überleben. Archäologische Funde sind allerdings selten, da die meisten organischen Klebstoffe wenig feuchtebeständig sind und von Bakterien und Pilzen zersetzt werden.

Das älteste von Menschen eingesetzte Bindemittel war wohl tonhaltige Erde, die als Putz- und Mauermörtel verwendet wurde.

Jungsteinzeitmenschen nutzten die Klebkraft von Asphalt (Erdpech), Baumharzen und Holzteer. In Sachsen-Anhalt wurde Birkenpech als Klebemittel von Klingeneinsätzen bei Schäftungen (Messer, Speere) gefunden, das mindestens 115.000 Jahre alt war. In Süditalien stießen Wissenschaftler auf Birkenpech, das an einem mindestens 180.000 Jahre alten Steinwerkzeug haftete. Auch Ötzi hatte die Klinge seiner Axt aus Eibenholz vor über 5000 Jahren mit Birkenpech und Lederriemen befestigt.Unterrichtsmaterial Klebstoffe - Die Kunst des Klebens, Seite 10, Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e. V., November 2015 Dieser frühe Klebstoff wurde aus Birkenrinde durch Trockendestillation hergestellt. Untersuchungen aus dem Jahre 2019 kamen zu dem Schluss, dass brauchbare Mengen an Birkenpech schon durch das reine Verbrennen von Birkenrinde nahe Stein- oder Knochenoberflächen hergestellt werden können. Das Birkenpech kann im Anschluss an die Verbrennung von den Oberflächen abgekratzt werden. Der antike Geschichtsschreiber Herodot berichtet, dass die Mauern Babylons mit Erdpech geklebt wurden.

Um 3500 v. Chr. wurde das Eiweiß im Tierblut als Bindemittel bei Höhlenmalereien verwendet. Etwa 2000 v. Chr. begannen die Menschen in Vorderasien Gelatineleime beim Bau von Möbeln zu verwenden. Die Sumerer stellten Leim durch Auskochen von Tierhäuten her.

Spätestens seit etwa 1500 v. Chr. verwendeten die Ägypter einen Sud aus Sehnen, Knorpel und anderen tierischen Abfällen als Klebstoff für furnierte Schreinerarbeiten. Der so entstandene Klebstoff wurde warm aufgetragen und hat teils mehr als drei Jahrtausende überdauert, wie eine Tafel aus dem Grab Tutanchamuns beweist. Die Ägypter nutzten Bienenwachs für handwerkliche Klebungen, indem sie es mit pulverisiertem Steinmehl vermischten und damit z. B. Metallklingen von Rasiermessern mit ihrem Stiel verbanden.

Im antiken Griechenland gab es den Berufsstand des Leimsieders, der einen „Kolla“ genannten eiweißhaltigen Leim herstellte. Die Römer bezeichneten ihre aus Mehlkleister, gesäuertem Brot oder Kalk-Kasein hergestellten Leime als „Glutinum“. Angeblich stellten die Römer rund 1000 Jahre vor den Germanen aus Schwimmblasen gewonnenen Fischleim her.

In der nachfolgenden Zeit ist bei Klebstoffen vorerst keine große Entwicklung zu verzeichnen. Erst im Spätmittelalter bildeten sich in Europa nach und nach die ersten eigenständigen Leimsiedereien, da sich die Papierverarbeitung nach der Erfindung des Buchdrucks durch Gutenberg zum Wachstumsmarkt entwickelte. Die immer zahlreicheren Bücher mussten gebunden und mit stabilen Deckeln und Rücken verklebt werden. Das aus Acacia senegal Willd. und anderen Akazienarten gewonnene Gummi arabicum wurde im Mittelalter auch als „kliber von arabia“Otto Beßler: Prinzipien der Drogenkunde im Mittelalter. Aussage und Inhalt des Circa instans und Mainzer Gart. Mathematisch-naturwissenschaftliche Habilitationsschrift, Halle an der Saale 1959, S. 191. bezeichnet. Die Herstellung von Leimen war teilweise eine eintönige Arbeit und die Bezeichnung „Leimsieder“ galt lange Zeit als Schimpfwort für stumpfsinnige Menschen.

Im Zuge der Industrialisierung erfuhr der Berufsstand einen Aufschwung, der sich Hand in Hand mit der Möbel- und Tapetenindustrie vollzog. Rationellere Herstellungsmethoden ermöglichten es auch einfachen Leuten, sich aufwändiger gefertigtes Mobiliar und vornehm gestaltete Wände zu leisten. Die erste Leimfabrik wurde 1690 in Holland gegründet. 1754 wurde in England das erste Patent auf einen Fischleim für die Tischlerei erteilt und 1789 eröffnete die erste Tapetendruckerei Deutschlands in Kassel.

Nachdem 1880 Otto Ring einen gebrauchsfertigen Fischleim „Syndetikon“ und Ferdinand Sichel 1889 einen ebensolchen Pflanzenleim entwickelt hatte, brach 1909, mit dem Patent zur Phenolharz-Härtung von Leo Hendrik Baekeland, das Zeitalter der Klebstoffe auf Basis synthetisch hergestellter Rohstoffe an. Chemiker, Physiker und Ingenieure setzten sich mit den Wirkungen von Adhäsions- und Kohäsionskräften auseinander, erforschten den makromolekularen Aufbau der Klebstoffe, vervollkommneten die bekannten Rohstoffe und fanden schließlich in den Kunstharzen die Ausgangsbasis für immer leistungsfähigere synthetische Klebstoffe.

Der bis heute für die Klebstoffherstellung meist verwendete synthetische Rohstoff, das Polyvinylacetat, wurde 1914 von Rollet und Klatte patentiert. 1928 fand in den USA die erstmalige Produktion von Polyvinylchlorid (PVC) und Polymethylmethacrylat (Plexiglas) statt. 1929 wurde ein Verfahren zur Härtung des 1919 entdeckten Harnstoffharzes entwickelt und machte es somit einsetzbar für Leime.

In den 1930er Jahren gelang die erste technische Herstellung von Polyvinylacetat, Polystyrol und Polyacrylnitril sowie der ersten stabilen Kunststoff-Dispersion auf Basis von Acrylsäureestern und Vinylacetat. Der Schweizer Pierre Castan benutzte die Polyaddition zum Aufbau von Kunststoffen und erfand Epoxidharze, die ihm 1939 patentiert wurden. Neben der Entwicklung des ersten transparenten Klebebandes sind die Herstellung des Rohstoffes Polychlorbutadien und die von Bayer patentierten Polyurethane von großer Bedeutung für die Branche.

Mit der Verwendung von wasserfesten Phenolharz-Polyvinylacetaten und Epoxidharz-Formulierungen hielt der Klebstoff 1943 Einzug in den Flugzeugbau. Mit der Produktion von anaeroben und Cyanacrylat-Klebstoffen ab 1960 gelang der Klebstoffindustrie ein entscheidender Durchbruch im Bereich der Metall- und Kunststoffverbindungen.

Mit der Entdeckung der ersten temperaturfesten Polyimid-Klebstoffe und feuchtigkeitshärtenden Polyurethane erfolgte in den 70er Jahren eine rasche Weiterentwicklung der Polyurethan-Chemie mit vielfältigen 1- und 2-Komponenten-Formulierungen, UV-lichthärtende Acrylat-Formulierungen sowie die Entwicklung von MS-Polymeren. Reaktive Schmelzklebstoffe und anisotrop leitfähige Klebstoffe bezeichnen die größten Errungenschaften der 80er Jahre.

Ab 1990 beginnt die Entwicklung von Klebstoffen mit neuen Härtungsmechanismen, die etwa auf Luftfeuchtigkeit, Sauerstoff oder UV-Licht angewiesen sind und sich teilweise sehr gut steuern lassen. Die 1995 entwickelten silanvernetzenden Polyurethan-Prepolymeren (S-PUR) zeigen eine verbesserte Balance zwischen Reaktivität und Lagerstabilität, schäumen nicht auf und basieren nicht auf Isocyanat. Im Jahre 2000 begann die Entwicklung wiederlösbarer Klebstoffsysteme für Reparatur und Recycling, basierend auf den Methoden Temperatur-, Spannung-, Strom- und pH-Wert-Änderung.

Trotz der wirtschaftlichen Dominanz von petrochemischen Kunststoff-Produkten, haben biogene Klebstoffe in Spezialanwendungen ihre Bedeutung immer behalten, zum Beispiel Stärke-Kleber für Flaschenetiketten, Methylzellulose in Tapetenkleister oder Kollagen für Musikinstrumente. Heute finden „Bio-Klebstoffe“ neues Interesse, die zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gefertigt werden und im Idealfall auch ungiftig, lösungsmittelfrei, emissionsarm und am Ende ihres Lebenszyklus biologisch abbaubar sind.

Der Bedarf an Klebstoffen wird in Zukunft noch zunehmen. Eine genauere Fertigung von Kontaktflächen ermöglicht belastbarere Klebeverbindungen. Durch Leichtbau und Miniaturisierung elektronischer Bauteile gibt es neue Anwendungsfelder.

Wirtschaftliche Bedeutung In Deutschland werden jährlich ca. 1,5 Millionen Tonnen Kleb-, Dicht- und zementäre Bauklebstoffe sowie 1 Milliarde Quadratmeter trägergebundene Klebstoffe (Klebebänder/Klebefolien) produziert und damit ein Gesamtbranchenumsatz von 3,7 Milliarden Euro erzielt. Die durch den Einsatz von Klebtechnik generierte Wertschöpfung beträgt – konservativ gerechnet – deutlich über 360 Milliarden Euro. Dieser Betrag entspricht rund 50 % des Beitrages des produzierenden Gewerbes und der Bauwirtschaft zum deutschen Bruttoinlandprodukt (BIP). Somit stehen rund 50 % der in Deutschland produzierten Waren und Baudienstleistungen mit Klebstoffen in Verbindung.

Interessant ist eine vergleichende Betrachtung der Entwicklung des Bruttoinlandprodukts und des Wachstums der Klebstoffindustrie. Über die letzten zehn Jahre ist deutlich zu beobachten, dass auch die Klebstoffindustrie den gesamtwirtschaftlichen Konjunkturzyklen unterliegt – allerdings mit Wachstumsraten, die im Durchschnitt 2,5–5 % über den Wachstumsraten des BIP liegen.

Das globale Marktvolumen für Klebstoffe für 2016 wird auf 49,5 Milliarden USD geschätzt. Papier und Verpackung war 2015 das größte Anwendungssegment des Marktes für Kleb- und Dichtstoffe. Von den verschiedenen Klebstofftechnologien stellten die wasserbasierten Klebstoffe 2015 sowohl wert- als auch mengenmäßig das größte Segment. Wachsende Bevölkerungszahlen und die steigende Nachfrage nach Konsumgütern in mehreren Ländern rund um den Globus sind ein Schlüsselfaktor, der das Wachstum der Klebstoffindustrie in den kommenden Jahren weiter vorantreiben wird. Länder wie China, Japan und Indien werden weiter an Bedeutung gewinnen. Für 2021 wird erwartet, dass der globale Umsatz an Kleb- und Dichtstoffen gut 63 Milliarden USD betragen wird.

Einteilung

Nach den eingesetzten Bindemitteln können Klebstoffe unterschieden werden in: organisch – anorganisch organisch – Klebstoffe im engeren Sinn basieren auf organischen (kohlenstoffhaltigen) Verbindungen, die Polymere bilden, dazu zählen auch Natur- und Kunstharze anorganisch – im weiteren Sinne können auch anorganische Substanzen als Klebstoffe bezeichnet werden, die etwa als Kitt verwendet werden; insbesondere Kitte und Mörtel, die Silikate wie Wasserglas enthalten, werden auch als mineralisch oder silikatisch bezeichnet Klebstoffe auf der Basis von Silikonen spielen eine Sonderrolle – Reine Silikone enthalten keine Kohlenstoffverbindungen. Dennoch werden sie teilweise zur organischen Chemie gerechnet und verhalten sich teilweise auch ähnlich den organischen Klebstoffen.