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Kleben

Grundlagen des Klebens: Wann Klebverbindungen versagen – und warum

| Autor/ Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Tim Jüntgen* / Katharina Juschkat

Kleben ist ein essentielles Fügeverfahren in der Industrie. Wenn es zum Bruch der Klebverbindung kommt, gilt es zu erkennen, warum und wo die Klebverbindung versagt hat.

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Wenn eine Klebverbindung bricht, gilt es zu untersuchen, woran der Fehler lag.
Wenn eine Klebverbindung bricht, gilt es zu untersuchen, woran der Fehler lag.
(Bild: ©Alexandr Makarov - stock.adobe.com)

Eine Klebverbindung sollte in aller Regel nicht brechen, sondern zwei Teile fest und zuverlässig zusammenfügen. Kommt es dennoch zu einem Bruch, kann man verschiedenste Brucharten unterscheiden, die Aufschluss darüber geben, warum die Verbindung brach.

Ermittelbare Kennwerte aus einer Spannungs-Dehnungs-Kurve – schematisch dargestellt.
Ermittelbare Kennwerte aus einer Spannungs-Dehnungs-Kurve – schematisch dargestellt.
(Bild: Frick, Stern)

Das mechanische Verhalten von Werkstoffen wird häufig mit Hilfe von standardisierten mechanischen Prüfverfahren ermittelt. Für Kunststoffe ist der Kurzzeit-Zugversuch nach DIN EN ISO 527 eine sehr gebräuchliche Methode. Aus der charakteristischen Spannungs-Dehnungs-Kurve lassen sich anhand der Festigkeit, Dehnfähigkeit und Steifigkeit sowie der spezifischen Arbeitsaufnahme bis zum Bruch die mechanischen Eigenschaften des untersuchten Prüfkörpers ermitteln.

Kommt es zur Überschreitung einer Einzelfestigkeit, so wird das Gesamtsystem an der schwächsten Stelle adhäsiv und/oder kohäsiv versagen – je nachdem, wie hoch Adhäsions- und Kohäsionsfestigkeit im Einzelnen ausfallen. Das Versagen des geklebten Verbunds kann bei mechanischer Beanspruchung demnach entweder nur im Klebstoff, ausschließlich im Fügeteilwerkstoff oder sowohl im Klebstoff als auch im Fügeteilwerkstoff erfolgen – dann handelt es sich um einen Mischbruch.

BUCHTIPPWer tiefer in die Thematik der Spannungs-Dehnungs-Kurven bei der Prüfung von Klebverbindungen und weiteren Details zu Klebungen eintauchen will, dem empfehlen wir das Fachbuch „Klebtechnik“, aus dem auch dieser Artikel stammt.

Bei der Beurteilung des Bruchverhaltens von Klebungen sind nach DIN EN ISO 10 365 unter anderem folgende Brucharten zu unterscheiden:

  • Adhäsionsbruch an einem Fügeteil (AF: Adhesive Failure / Fracture),
  • Adhäsionsbruch an beiden Fügeteilen (AF: Adhesive Failure / Fracture),
  • Kohäsionsbruch im Klebstoff (CF: Cohesive Failure / Fracture),
  • Fügeteilbruch (SF: Substrate Failure / Fracture),
  • Substratnaher spezieller Kohäsionsbruch (SCF: Particular Cohesive Failure / Fracture near the Adhesive / Substrate Interface),
  • Adhäsions- und Kohäsionsbruch (Mischbruch) (ACFP),
  • Delaminationsbruch einer aufgetragenen Schicht (DF: Delamination Failure / Fracture),

Die häufigsten Bruchbilder bei Klebverbindungen

Adhäsionsbruch: Ein Adhäsionsbruch ist ein Bruch, der exakt entlang der Phasengrenzfläche zwischen Fügeteiloberfläche und Klebstoff verläuft. Es kommt bei dieser Bruchart zu einer vollständigen Trennung des Klebstoffs von der bzw. den Substratoberflächen. Nach einem 100%igen Adhäsionsbruch weisen das Fügeteil bzw. die Fügeteile keinerlei Klebstoffreste auf und auch die durch den Bruch freigelegten Klebstoffschichten müssen völlig frei von Fügeteilwerkstoffresten sein.

Ein Adhäsionsbruch schematisch dargestellt.
Ein Adhäsionsbruch schematisch dargestellt.
(Bild: Dorel.de / Sinus electronic GmbH)

Der Adhäsionsbruch ist eine eher idealisierte Form des Bruches und wird in der Praxis selten beobachtet. Bei metallischen sowie anorganischen Klebflächen tritt der Adhäsionsbruch praktisch niemals auf. Strenggenommen reichen nach dem Bruch mikroskopische Reste auf der jeweils anderen Oberfläche aus, damit das Bruchbild nicht mehr als reiner Adhäsionsbruch klassifiziert wird. Demzufolge wird bei der Beurteilung von Bruchbildern in diesem Fall eher von einem „nahezu 100%igen Adhäsionsbruch“ gesprochen, wenn die Bruchflächen im Anschluss nicht mikroskopisch bis auf die letzte Moleküllage untersucht werden.

Bei organischen Klebflächen, zum Beispiel bei besonders niederenergetischen Kunststoffoberflächen, einer schlechten Oberflächenvorbehandlung und/oder der falschen Klebstoffauswahl kann es hingegen durchaus zu einem reinen Adhäsionsbruch kommen. Fast immer sind Adhäsionsbrüche auf eine unsachgemäße oder unzureichende Oberflächenvorbehandlung oder auf die falsche Klebstoffauswahl zurückzuführen.

Kohäsionsbruch: Bei Kohäsionsbrüchen wird grundsätzlich zwischen dem Kohäsionsbruch im Klebstoff und dem Kohäsionsbruch im Fügeteilwerkstoff (Fügeteilbruch) differenziert.

Bei dem Kohäsionsbruch im Klebstoff sind alle Fügeteiloberflächen nach dem Bruch noch gänzlich mit Klebstoff bzw. Klebstoffresten bedeckt. Beim Betrachten der Bruchflächen dürfen demzufolge die Substratoberflächen auch nicht ansatzweise freigelegt sein. Bei einem Kohäsionsbruch im Klebstoff ist die Festigkeit des Klebstoffs kleiner als die Eigenfestigkeit der Substrate, so dass es zu einem Versagen der Klebung im Klebstoff kommt.

Ein Kohäsionsbruch im Klebstoff.
Ein Kohäsionsbruch im Klebstoff.
(Bild: Christoph Haller in Anlehnung an Dorel/Sinus)

Hierbei handelt es sich allerdings um einen Bruchverlauf in dem Bereich des Klebstoffs, der nicht von der Phasengrenze beeinflusst wird. Ein derartiger Kohäsionsbruch bei klebstofftypischen Festigkeitswerten ist ein sehr gutes Anzeichen für eine qualitativ hochwertige Klebung.

Erfolgt der Bruch gänzlich außerhalb der Klebstoffschicht, so ist die Festigkeit des Klebstoffs größer als die Eigenfestigkeit der Fügeteile bzw. des gebrochenen Fügeteils. Dieser Bruch wird als Kohäsionsbruch im Fügeteilwerkstoff oder einfach nur als Fügeteilbruch bezeichnet. In Abgrenzung zum fügeteilseitigen Grenzschichtbruch verläuft ein Fügeteilbruch vollständig durch das von der Klebung unbeeinflusste Material des Fügeteils.

Ein Kohäsionsbruch im Fügeteilwerkstoff.
Ein Kohäsionsbruch im Fügeteilwerkstoff.
(Bild: Christoph Haller in Anlehnung an Dorel/Sinus)

Wenngleich ein Kohäsionsbruch im Fügeteilwerkstoff die besondere Leistungsfähigkeit des jeweiligen Klebstoffs unterstreicht, so ist dieses Bruchbild in der Regel nicht das erklärte Ziel bei der Bewertung von Klebungen mittels bruchmechanischer Untersuchungen. Letztendlich sind wiederholte Fügeteilbrüche nur ein Indiz dafür, dass der ausgewählte Klebstoff für den jeweiligen Anwendungsfall überdimensioniert ist. Ein etwas weniger leistungsfähiger Klebstoff ist in einem solchen Fall ausreichend. Alternativ können auch die Substratdicken gezielt verringert werden, um beispielsweise den Leichtbaugedanken konsequent weiterzutreiben.

Grenzschichtbruch: Grenzschichtbrüche lassen sich mit bloßem Auge nur sehr schwer eindeutig klassifizieren, da es hier um die Bewertung der extrem dünnen klebstoff- und/oder substratseitigen Phasengrenzen geht. Die Dicke dieser Schichten kann von einer Moleküllage bis zu mehreren Mikrometern reichen. Gelegentlich wird diese Bruchart fälschlicherweise mit Adhäsionsbruch bezeichnet, was jedoch für das Verständnis der Bruchursachen zu ungenau ist.

Ein klebstoffseitiger Grenzschichtbruch schematisch dargestellt.
Ein klebstoffseitiger Grenzschichtbruch schematisch dargestellt.
(Bild: Christoph Haller in Anlehnung an Dorel/Sinus)

Bei dem klebstoffseitigen Grenzschichtbruch ist die Trennung der beiden Substrate in unmittelbarer Nähe des Fügeteils im verfestigten Klebstoff erfolgt. Die Fügeteiloberfläche ist nach dem Bruch immer noch komplett mit einer sehr dünnen Klebstoffschicht bedeckt, so dass die formalen Voraussetzungen für einen Adhäsionsbruch hier nicht gegeben sind. In der englischsprachigen Fachliteratur wird diese dünne Klebstoffschicht häufig als Weak Boundary Layer (WBL) bezeichnet. In der dünnen Schicht in der Phasengrenze zeigt der Klebstoff andere Eigenschaften als in den tieferliegenden Bereichen der Klebstoffschicht. Die Morphologie des Klebstoffs wird von der Phasengrenze in irgendeiner Weise beeinflusst.

In einer dünnen Schicht, die direkt an der Phasengrenze liegt, zeigt der Klebstoff demzufolge andere Eigenschaften als in jenen Bereichen, die tiefer im Klebstoff liegen. In diesem kleinen, aber wichtigen Detail unterscheidet sich der klassische Kohäsionsbruch im Klebstoff, bei dem der Bruchverlauf vollständig durch den unbeeinflussten Bereich des Klebstoffs geht, von dem klebstoffseitigen Grenzschichtbruch, bei dem der Bruch absolut substratnah verläuft.

Bei höherfesten Klebungen sind substratnahe Kohäsionsbrüche nicht untypisch. Diese Bruchart ist dennoch durchaus akzeptabel, sofern die auf dem Substrat verbleibende Klebstoffschicht nicht zu dünn ausfällt.

Ein fügeteilseitiger Grenzschichtbruch.
Ein fügeteilseitiger Grenzschichtbruch.
(Bild: Christoph Haller in Anlehnung an Dorel/Sinus)

Der Bruchverlauf des fügeteilseitigen Grenzschichtbruchs erfolgt in unmittelbarer Nähe der verfestigten Klebschicht vollständig im Substrat. Wiederum scheidet der Adhäsionsbruch aus den zuvor genannten Gründen bei der Bruchbildbewertung aus. In der dünnen Schicht, die direkt an der Phasengrenze liegt, zeigt diesmal der Fügeteilwerkstoff andere Eigenschaften als in den tieferliegenden Bereichen des Substrats. Die Morphologie des Fügeteilwerkstoffs wird in dieser dünnen Schicht von der Phasengrenze in irgendeiner Weise beeinflusst.

Mischbruch: Ein Mischbruch ist, wie der Name schon andeutet, das Versagen einer Klebung durch adhäsive und kohäsive Bruchanteile. Darüber hinaus können zusätzlich lokale Grenzschichtbrüche auftreten. Das Bruchbild des Mischbruchs zeigt somit auf der geklebten Substratoberfläche örtlich verteilt sowohl saubere Bereiche als auch Bereiche mit Klebstoffresten. Die Klassifizierung der Bereiche als sauber bzw. mit Klebstoff unbedeckt wird nach einer optischen, makroskopischen Begutachtung meist recht willkürlich getroffen. Gelegentlich wird auch beobachtet, dass sich Materialreste des Substrats auf der Bruchfläche des Klebstoffs befinden.

Zur genauen Bezeichnung eines Mischbruchs sollen überdies folgende Präzisierungen getroffen werden:

1: Mischbruch des Klebstoffs.
1: Mischbruch des Klebstoffs.
(Bild: Christoph Haller in Anlehnung an Dorel/Sinus)

  • Bruchverlauf (im Wesentlichen durch den Klebstoff oder im Wesentlichen durch das Fügeteil),
  • auftretende Brucharten (Adhäsions-, Kohäsions- und/oder Grenzschichtbruch),
  • prozentuale Anteile der Brucharten in der Bruchfläche.

In nebenstehendem Bild 1 ist ein Mischbruch aus Kohäsionsbruch im Klebstoff (ca. 86%) und klebstoffseitigem Grenzschichtbruch bzw. Adhäsionsbruch (ca. 14%) dargestellt.

Das Bild 2 hingegen zeigt einen Mischbruch aus Kohäsionsbruch im Fügeteil (ca. 67%) und fügeteilseitigem Grenzschichtbruch bzw. Adhäsionsbruch (ca. 33%).

2: Mischbruch des Fügeteils
2: Mischbruch des Fügeteils
(Bild: Christoph Haller in Anlehnung an Dorel/Sinus)

Die Ursachen für Mischbrüche, speziell für die adhäsiven Bruchanteile, sind fast immer in einer unsachgemäßen oder unzureichenden Oberflächenvorbehandlung und/oder einer unsachgemäßen Klebstoffverarbeitung zu finden.

Ein weiteres Bruchbild stellt der so genannte Delaminationsbruch dar. Diese Bruchart kann beispielsweise auftreten, wenn beschichtete Substrate geklebt und anschließend belastet werden, die Beschichtungen (zum Beispiel Primer, Lacke, galvanische Schichten, …) jedoch nicht ordnungsgemäß auf den Substraten anhaften. So kann es zu einer partiellen oder vollständigen Ablösung der Beschichtung von der Substrat- und/oder Klebstoffoberfläche kommen.

Delaminationsbruch einer aufgetragenen Schicht.
Delaminationsbruch einer aufgetragenen Schicht.
(Bild: DIN EN ISO 10365: 1995-08)

Speziell bei Metallklebungen kann auch der Alterungszustand einen großen Einfluss auf das Bruchverhalten haben. So kann es beispielsweise durch Unterwanderung der Klebschicht zu einem korrosiven Angriff der Substratoberflächen kommen. Dieser Vorgang wird als so genannte Unterrostung bezeichnet. Bruchanteile infolge von Unterrostung sind nicht auf ein direktes Versagen der Adhäsion zurückzuführen. Vielmehr handelt es sich hier um eine Materialzerstörung durch chemische oder elektrochemische Reaktionen.

BUCHTIPPDieser Artikel stammt aus dem Fachbuch „Klebtechnik“, das neben den hier beschriebenen Grundlagen des Klebens auch verschiedene Arten von Klebstoff, die Technologie des Klebens und Anwendungen der Klebtechnik beschreibt.

* Prof. Dr.-Ing. Tim Jüntgen, Professor an der Hochschule Amberg-Weiden (Kunststofftechnik/Kunststoffverarbeitungstechnik, Konstruktion, Werkzeugbau, Klebtechnik)

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