Kitabı oku: «Kleben (E-Book)», sayfa 2

2

Warum klebt ein nasses Blatt Papier? – Adhäsion und Kohäsion als entscheidende Kräfte

Bevor Sie die nächsten Seiten lesen, machen Sie doch einfach mal ein Experiment: Befeuchten Sie ein Blatt Papier gleichmäßig mit Wasser und kleben Sie es an eine Türe mit einer glatten Oberfläche (oder an eine Fensterscheibe). Wasser klebt (siehe Experiment 1)!

Wenn Sie nun wissen möchten, warum Ihr erstaunliches Klebeexperiment gelingt, dann setzen Sie sich in Sichtweite zu Ihrem geklebten Blatt und lesen weiter.

Offensichtlich sind drei Materialien erforderlich, damit das Experiment gelingt: Papier, eine glatte Tür und Wasser. Es wäre noch nicht einmal einen Versuch wert, ein Blatt Papier ohne Wasser an eine glatte Fläche zu kleben: Es rutscht ab und landet, der Gravitation folgend, auf Ihrem Fußboden. Es liegt also vor allem am Wasser, dass Papier an glatten Flächen klebt.

Schauen wir uns einmal genau an, wie sich das Wasser zwischen dem Papier und der glatten Fläche verhält.

ADHÄSION – DIE KRAFT ZWISCHEN ZWEI OBERFLÄCHEN

Unter einer stark vergrößernden Lupe betrachtet, sähen wir, dass das Blatt Papier auf der Oberfläche sehr viele Unebenheiten hat, die wir mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmen können. Auch auf der Tür hat es Unebenheiten, wenn auch weniger ausgeprägt: Eine unstrukturierte Berg-, Krater- und Tallandschaft prägt die vermeintlich glatten Flächen. Ohne Klebstoff würden sich die beiden zu verbindenden Oberflächen folglich nur an den herausragenden «Bergspitzen» berühren. Dies ist eindeutig zu wenig Kontakt, um eine stabile Haftung herzustellen. Die Unebenheiten müssen ausgeglichen werden, wozu in der Regel ein flüssiger Klebstoff eingesetzt wird. Wasser, das sich bei Ihrem Experiment augenblicklich zwischen Blatt und Türe befindet, hat genau diese Eigenschaft: Es ist flüssig und dringt in alle Unebenheiten der Oberflächen ein, sodass diese ausgeglichen werden.

1 Kleben ohne Benetzung

Auf diese Weise entstehen durch das Wasser zwei sehr ebene Oberflächen – und somit an fast allen Stellen Kontakt. Dieser ist erforderlich, damit die im Folgenden beschriebenen Adhäsionskräfte wirken können, denn deren Reichweite liegt unter 1 Nanometer. (1 Nanometer entspricht einem milliardstel Meter und verhält sich zu einem Meter wie eine Erbse zum Erdball.)

Die Adhäsionskräfte (lat. adhaerere = anhaften) bewirken eine Haftung zwischen dem Klebstoff – in unserem Fall dem Wasser – und den Oberflächen der zu klebenden Stoffe – in unserem Fall dem Papier und der Türe. Hier handelt es sich vor allem um eine elektrostatische Wechselwirkung, bei der sich positive und negative Teilladungen gegenseitig anziehen. Man unterscheidet im Wesentlichen zwischen Wasserstoffbrückenbindungen, wie sie etwa im Falle von Wasser als Klebstoff vorliegen, und Van-der-Waals-Kräften, wie sie bei organischen Klebstoffen vorkommen.

Da Sie gerade ein Klebstoffexperiment mit Wasser durchführen, befassen wir uns zunächst mit den Wasserstoffbrückenbindungen als Adhäsionskräften.

Wasser besteht aus kleinen H₂O-Molekülen, die als Dipol vorliegen; jedes Molekül weist eine positive und eine negative Teilladung auf. Da sich positive und negative Teilladungen gegenseitig anziehen und die Geometrie des Wassermoleküls eine solche Anziehung ermöglicht, können sich zwischen zwei Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, die sich auch auf der Oberfläche des Papiers und des Fensterglases fortsetzen, wo ebenfalls positive und negative Teilladungen vorliegen.

Bei den Van-der-Waals-Kräften wirken ebenfalls positive und negative Teilladungen, allerdings in der Regel zwischen langkettigen organischen Molekülen. Die vielen subatomaren Elementteilchen (vor allem Elektronen mit negativer Ladung) sind bei ihnen ständig in Bewegung und führen so – je nach ihrer Position – zu einer Ladungsverschiebung, die allerdings nur temporär ist.

Wie bei den Wasserstoffbrückenbindungen setzen sich auch hier die Kräfte auf der Oberfläche der zu klebenden Stoffe fort, was im Falle von Van-der-Waals-Kräften ganz besonders gut an organischem Material wie Kunststoff gelingt.

Papier und Glas verfügen zwar auch über Teilladungen, die allerdings deutlich besser Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Daher habe ich Ihnen für Ihr erstes Klebstoffexperiment auch Wasser und nicht Motor- oder Speiseöl als Klebstoff für Papier auf Ihrer Türe empfohlen – zumal ich Ihnen auch die Schmiererei ersparen wollte …

2Adhäsionskräfte: Wechselwirkung zwischen Klebstoff und den Oberflächen

3Wassermolekül mit Bindungswinkel und Teilladungen	4Wasserstoffbrückenbindungen (rot gestrichelte Linie) zwischen Wassermolekülen
5Wasserstoffbrückenbindung zwischen Wasser und Papier oder Glas	6Van-der-Waals-Kräfte

In Ausnahmefällen können sich neben den physikalischen Adhäsionskräften auch chemische Bindungen zwischen Klebstoff und Fügeteil ausbilden, die deutlich stärker als die physikalischen Wechselwirkungen und neben höheren Festigkeiten auch haltbarer und beständiger gegenüber Feuchtigkeit sind. Solche chemischen Bindungen zusätzlich zu den Adhäsionskräften werden beispielsweise zwischen Silikonklebstoff und Glas oder Polyurethanklebstoff und Holz ausgebildet.

KOHÄSION – HÄLT DEN KLEBSTOFF ZUSAMMEN

Die Anziehungskräfte zwischen zu klebender Oberfläche und Klebstoff (Adhäsion) allein reichen zum Kleben nicht aus, auch der Klebstoff selbst muss stabil vernetzt sein, damit er nicht reißt oder auseinanderfällt. Dabei wirken Kohäsionskräfte (lat. cohaerere = zusammenhängen). Indirekt haben wir sie vorhin schon behandelt. Im Fall von Wasser wirken die Wasserstoffbrückenbindungen in der Flüssigkeit untereinander und halten die einzelnen Wassermoleküle zusammen. Ebenso wirken die Van-der-Waals-Kräfte auch innerhalb des Klebstoffs. Darüber hinaus führen chemische Reaktionen des Klebers zur Erhöhung der Kohäsionskraft. So wird eine Polymerisation ausgelöst, wenn die Cyanacrylsäureester im Sekundenkleber mit Luftfeuchtigkeit in Kontakt kommen. Auch wenn Lösungsmittel aus dem Kleber entweicht, steigt seine innere Festigkeit an.

Nach so viel Theorie ist es Zeit, wieder einen Blick auf Ihr Papier an der Fensterscheibe zu werfen. Ich vermute, es ist inzwischen heruntergefallen. Wir wissen nun auch warum: Das Wasser ist verdunstet und wirkt zum einen nicht mehr benetzend zwischen den unebenen Oberflächen, kann zum anderen aber auch nicht mehr Adhäsions- und Kohäsionskräfte entwickeln. Es ist also wichtig, dass der Klebstoff dauerhaft seine Funktion ausübt und nicht entweicht.

7Adhäsion mit physikalischen und chemischen Kräften

8Kohäsionskraft innerhalb des Klebstoffs

BESTANDTEILE VON KLEBSTOFFEN

Woraus werden Klebstoffe hergestellt, damit sie zuverlässig und lange ihre Funktion ausüben können? Wie wir gesehen haben, ist Wasser kein geeigneter Klebstoff.

Unterteilt werden Klebstoffe in anorganische und organische Verbindungen, zudem bilden Silikone eine eigene Verbindungsklasse, da sie sowohl anorganische als auch organische Bestandteile haben.

Die mit Abstand bedeutendste und vielfältigste Klebstoffklasse sind organische Verbindungen auf künstlicher Basis, sogenannte Polymere, auf die im Folgenden näher eingegangen werden soll.

Polymere (gr. poly = viel;meros = Teil) sind aus vielen einzelnen Bausteinen, den sogenannten Monomeren (gr. monos = ein), aufgebaut, die über eine chemische Reaktion miteinander reagiert haben. Aufgrund ihrer langen Ketten bilden sich gerade bei diesen Polymerkunststoffen die oben beschriebenen Van-der-Waals-Kräfte besonders gut aus.