Wie lange halten Verbundwerkstoffe?

In Flugzeugen, Bauwerken und der Medizintechnik kommen heute viele Materialien zum Einsatz, die miteinander nur noch verklebt werden können. Doch wie halten die Klebstoffe den Umwelteinflüssen stand? Wie reagieren sie auf Feuchtigkeit, Hitze und starke mechanische Beanspruchung?

Der Saarbrücker Materialforscher Wulff Possart untersucht chemische Veränderungen in Verbundmaterialien, Beschichtungen und verklebten Bauteilen. Sein Ziel ist es, diese Veränderungen zu verlangsamen und die Alterung von Klebstoffen exakt vorherzusagen. Für die Industrie sind solche Prognosen entscheidend, wenn es um die Lebenszeitgarantie von Bauteilen und die Produkthaftung geht.

Als erster deutscher Wissenschaftler wurde Wulff Possart jetzt mit dem renommierten französischen Forschungspreis Prix Dedale ausgezeichnet, der Grundlagenforschung rund um das Thema Klebstoff honoriert.

Zu den Klebstoffen zählen heute längst nicht mehr nur Produkte, die man vom Heimwerken kennt, sondern es geht vor allem um neuartige Verbundwerkstoffe, Beschichtungen und Lacke. Für die Tragflächen eines Flugzeugs werden zum Beispiel faserverstärkte Kunststoffe verwendet, die man auf das Metallgerüst aufklebt.

Gegenüber genieteten Verbindungen haben diese Klebverfahren den Vorteil, dass sie leichter und zugleich wesentlich stabiler sind. „Diese Klebungen müssen aber bei Wind und Wetter nicht nur starke Schwingungen und plötzliche Zugkräfte aushalten, sondern auch hohe Temperaturunterschiede verkraften“, sagt Wulff Possart, Professor für Adhäsion und Interphasen in Polymeren der Universität des Saarlandes. Solchen Umwelteinflüssen sind auch die Rotorblätter von Windkraftanlagen ausgesetzt, die als Verbundmaterialien viel Klebstoff enthalten.

„Bisher werden solche Werkstoffe in Labortests künstlich allen möglichen Belastungen unterworfen, die etwa starken Wind, hohe Temperaturunterschiede oder Regenfälle simulieren sollen. Man versucht dann quasi in Zeitraffer den Verschleiß von Jahrzehnten in wenige Wochen nachzustellen“, erläutert Possart. Daraus ließen sich aber nur bedingt Vorhersagen für die tatsächliche Lebensdauer der Materialien ableiten.

„Wir untersuchen daher vor allem die chemischen Veränderungen in den Werkstoffen und konnten bereits nachweisen, dass sich die Klebstoffe durch den Kontakt mit Oberflächen von Metallen stark verändern. Die Chemie wirkt sehr weit in die Klebstoffe oder in die Strukturen der Verbundwerkstoffe hinein“, sagt der Saarbrücker Professor. Durch den vielfältigen Einsatz von Verbundwerkstoffen werde außerdem die Messlatte immer höher gehängt. Laut Schätzungen gibt es derzeit 250.000 Klebstoff-Formulierungen auf dem Markt.

„Heute werden zum Beispiel chirurgische Instrumente verklebt, die sich während einer Operation natürlich nicht ablösen sollten. Außerdem werden für Prothesen und Implantate Verbundmaterialien eingesetzt, die der aggressiven Umgebung im menschlichen Körper über lange Zeit standhalten müssen. Sie dürfen dabei auch selbst keine gefährlichen Stoffe im Körper absondern“, gibt Possart zu bedenken. In der Medizintechnik kämen außerdem immer mehr elektronische Komponenten zum Einsatz, die durch geklebte Verkapselungen im Körper abgeschirmt werden, etwa bei Herzschrittmachern. Auch diese müssten enorme Belastungen über einen längeren Zeitraum aushalten.

Gemeinsam mit bundesweit acht Forschergruppen hat sich Wulff Possart im Verbundprojekt „BestKleb“ zusammengeschlossen, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen gefördert wird. Darin werden zum einen die chemischen Mechanismen untersucht, die beim Altern von Klebeverbindungen eine Rolle spielen. Darüber hinaus werden Simulationswerkzeuge entwickelt, mit denen man die Lebensdauer von Klebungen berechnen kann.

„Die Industrie muss heute Garantien für die Lebensdauer von geklebten oder beschichteten Produkten geben, die zum Teil über 20 oder 30 Jahre hinausgehen. Dies erhöht nicht nur die Ansprüche an die Verbundwerkstoffe selbst, sondern erfordert auch verlässliche Prognosen“, sagt Possart. Diese seien auch ein Kostenfaktor, da man heute Klebeflächen häufig um das Fünf- bis Zehnfache größer auslege, um auf Nummer sicher zu gehen.

In dem Verbundprojekt werden zudem Klebetechniken für Stahl und Beton erforscht, um neue Wege bei der Sanierung von Stahlbrücken zu beschreiten. „Zahlreiche Brücken in ganz Deutschland sind in die Jahre gekommen. Es wäre viel zu teuer, alle komplett neu zu bauen. Daher benötigen wir dringend langlebige Klebeverfahren, damit diese Brücken noch viele Jahrzehnte dem Verkehr standhalten können“, erklärt der Materialforscher. Damit die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung schnell den Weg in die industrielle Praxis finden, arbeitet Wulff Possart mit verschiedenen Firmen zusammen. Neben der Automobil- und Flugzeugindustrie zählen dazu die Hersteller von Klebstoffen und Verbundwerkstoffen.

Hintergrund: Le Prix Dedale
Bei der Jahrestagung der französischen Adhäsionsgesellschaft (Section Française de l'Adhésion) im Verband für Vakuumtechnik (Société Française du Vide) wurde Professor Wulff Possart der Prix Dedale verliehen. Dieser Forschungspreis wird nur alle zwei Jahre vergeben. Der Saarbrücker Materialforscher ist nach einem australischen, britischen und US-amerikanischen Kollegen erst der vierte ausländische Forscher, dem diese Ehre zuteil wurde. Derzeit lehrt Wulff Possart für einige Wochen als Gastprofessor an der Université de Bordeaux.

Weitere Informationen:
http://vide.org/article/Prix
www.uni-saarland.de/fak8/wwthd

Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Wulff Possart
Lehrstuhl für Adhäsion und Interphasen in Polymeren
Universität des Saarlandes
Mail: w.possart@mx.uni-saarland.de

http://vide.org/article/Prix
http://www.uni-saarland.de/fak8/wwthd