Vom Kleben
Kleben ist eine sehr alte Fügetechnik. Lange Zeit wusste niemand wirklich zu erklären, warum Klebstoff überhaupt klebt. Erst vor etwa 130 Jahren machten sich Chemiker und Physiker daran, diesem Phänomen auf die Spur zu kommen.
Anlass dafür war der Beginn der industriellen Fertigung, der zu einer massenhaften Herstellung von Gütern führte. Und diese erforderten eine immer kostengünstigere und einfache Möglichkeit der Verpackung. Stärker klebende und schneller zu verarbeitenden Klebstoffe wurden benötigt.
Die wichtigste Aufgabe für Konstruktions-Klebstoffe ist es, zwei Teile - Substrate genannt - zu verbinden.
Dabei sind die so genannten „van-der-Waals Kräfte“ einer der Hauptgründe für die Verklebung von Oberflächen miteinander. Sie beschreiben im Prinzip die Anziehungskräfte, die Moleküle aufeinander ausüben. Allerdings wirken diese Kräfte nur auf extrem kurze Distanzen (ca. 0,5 nm).
Daher haften selbst polierte Oberflächen nicht aneinander, denn unter dem Mikroskop haben sie eine raue, zerklüftete Oberfläche. Sie berühren sich nur an einigen wenigen Punkten. Hier setzt der Klebstoff an. Er füllt die Hohlräume zwischen den beiden Klebepartnern aus, bringt sie sozusagen näher zueinander. Dadurch können die van-der-Waals Kräfte wirken. Diese Fähigkeit, sich an Oberflächen anzuhaften, nennt man Adhäsion.
Mit diesem Wissen lässt sich nun auch besser verstehen, warum Druck beim Verkleben die Haftung verbessert: Durch den Druck verringern sich die Abstände zwischen den Molekülen des Klebstoffes und der Oberfläche. Die für die Verklebung notwendigen Bindungskräfte werden erhöht. Außerdem hat der Klebstoff die Möglichkeit, in Unebenheiten der beklebten Oberfläche "einzufließen".
Doch Adhäsion (z.B. bei Honig) alleine ermöglicht noch nicht eine stabile Klebeverbindung. Es muss die innere Festigkeit des Klebers hinzukommen, damit die Substrate dauerhaft miteinander verbunden werden können. Diese Eigenschaft wird als Kohäsion (z.B. bei Sekundenkleber, der glashart wird) bezeichnet.
Eine optimale Kombination aus Adhäsion und Kohäsion sind solche Kleber, die zunächst flüssig (Adhäsion, Benetzung der Oberfläche) und dann durch Trocknung oder chemische Reaktion fest (Kohäsion, innere Festigkeit) werden.
Allgemein bestehen Klebstoffe im Prinzip aus Kettenmolekülen, die sich ähnlich eines Reißverschlusses mit der Oberfläche der Substrate verhaken. Auch die anderen Eigenschaften wie Elastizität und Festigkeit rühren von diesem Aufbau her. Die miteinander verbundenen Kettenmoleküle ergeben ein elastisches und festes Netz.
Ganz am Produktionsanfang der meisten Kleber stehen die so genannten Monomere (mono=ein; meros = Teilchen) oder Präpolymere. Diese werden durch chemische Reaktionen zu Polymeren (poly=viele) verbunden. Dadurch steigt die Kohäsion (innere Festigkeit) des Klebstoffes erheblich an.
Klebstoffe auf Klebebändern unterscheiden sich von den aushärtenden Klebstoffen (Konstruktionskleber, Reaktionskleber) dadurch, dass sie permanent haften. Auch nach Jahren sollen Klebebänder, von der Rolle abgezogen und aufgeklebt, auf der gewünschten Oberfläche zuverlässig haften. (dass dies am besten mit Druck geschieht, beschreibt die englische Bezeichnung PSA = pressure sensitive adhesive; druckempfindlicher Kleber).
Damit Klebstoff von Klebebändern auch nach Jahren noch funktioniert, muss er dauerhaft die Fähigkeit haben, in die Oberflächenrauhigkeit von Substraten einzufließen. Die Adhäsion (zur Erinnerung: z.B. Honig) muss also gewährleistet sein. Deshalb darf der Kleber keine zu große innere Festigkeit (Kohäsion) aufweisen, da er dann einem festen Stoff gleichen würde.
Klebstoff für Klebebänder stellt also immer ein Kompromiss dar, da er zwei gegensätzliche Bedingungen erfüllen müssen - und erreicht deshalb nicht die Endfestigkeit von Konstruktionsklebers wie z.B. Zweikomponenten-Kleber.
Kleben als Fügetechnik bietet unter anderem folgend Vorteile:
Der Klebstoff stellt eine stoffbündige Verbindung her. Es kommt nicht wie beim Schrauben oder Nieten zu mechanischen Spitzen. Die Belastung der Verbindung wird auf eine größere Fläche verteilt. Auch kann Klebstoff aufgrund seiner elastischen Eigenschaften (z.B. doppelseitige Klebebänder) mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten reduzieren. Eine weitere Fügetechnik, das Schweißen, belastet die Fügepartner erheblich durch die Temperaturen, die beim Schweißvorgang entstehen. Verklebungen werden dagegen meist bei Raumtemperatur oder nur leicht erhöhter Temperatur ausgeführt. Gleichzeitig kann der Klebstoff auch als Dichtung dienen.
In diesem Artikel sollen vorzugsweise die Klebebänder betrachtet werden, die in der Elektrotechnik Einsatz finden (IEC 60454 Technische Klebebänder; IEC 60085 Klassifizierung nach Wärmeklassen). Die Funktion des Klebers ist in den meisten Fällen der einer Montagehilfe, z.B. die Isolationsfolie auf der Wicklung einer Spule befestigen.
1 Elektroisolierfolien und –bänder
(IEC 60674 Isolierfolien für elektrotechnische Isolierfolien; IEC 60454 Elektrotechnische Klebebänder; IEC 60626 Mehrschicht-Isolationsstoffe)
Die sinnvolle Lösung einer Isolationsaufgabe in der Elektrotechnik setzt voraus, die grundlegenden Eigenschaften der üblichen Isolationsfolie zu kennen. Daher im Folgenden eine (unvollständige) Übersicht:
1.1 Polyvinylchlorid-Folie (PVC)
Acetatseide, Krepppapier
Für einfache Isolationsaufgaben mit geringem Anspruch an die Temperaturfestigkeit setzt man häufig PVC-Weichfolie ein. Sie schmiegt sich dank ihrer Geschmeidigkeit gut an die zu isolierende Oberfläche an. Günstig ist auch die gute UV-Beständigkeit, was einen Einsatz im Außenbereich ermöglicht.
Allerdings ist die Temperaturfestigkeit selbst bei gefüllten PVC-Bändern selten höher als ca. 90°C, weswegen PVC häufig eher als z.B. Kabelisolation eingesetzt wird ohne hohe Temperaturbelastung. Da das Material dehnbar ist, kann die Spannungsfestigkeit ggf. deutlich sinken.
Bei Brand entsteht durch die Abbauprodukte Salzsäure, die in Gebäuden zu erheblichen Schäden führen kann. Dank der sehr günstigen allgemeinen Eigenschaften und des günstigen Preises wird PVC trotz bereits seit Langem bestehender Vorbehalte weiterhin eingesetzt.
Eine weitere günstige Alternative sind Acetatseide-Gewebebänder, einsetzbar bis 120°C. Dank der guten Bedruckbarkeit sind sie ideal als z.B. Abschlussbandagen von Spulen mit Aufdruck.
Für einfache Befestigungsaufgaben während der Montage eignet sich Krepppapier. Dank der speziellen Struktur legt es sich gut über Unebenheiten. Nachträglich mit Tränkharz verfestigte Baugruppen (z.B. Feldspulen von Elektromotoren) können so montagefreundlich vorbereitet werden. Auch sind speziell beschichtete Krepppapier-Klebebänder als Abdeckung bei Pulverbeschichtungen geeignet.
1.2. Polyesterfolie (PETF)
(IEC 60454-3-2, Polyesterklebeband)
Für den Einsatz bei bis zu 130°C Dauertemperatur (Klasse B Material, IEC 60085) setzt man die günstige Standardfolie „Polyester“ ein. Diese Folie ist chemisch und physikalisch mit sehr guten Eigenschaften ausgerüstet und bietet bereits bei einer Stärke von 23µm Isolationsfestigkeiten von 5000Veff. Die Folie wird aufgrund des hervorragenden Preis/Leistungsverhältnisses in den meisten heute üblichen Isolationsanwendungen wie z.B. Zwischenlagen in Transformatorspulen eingesetzt.
Ausgerüstet mit unterschiedlichen Klebern können diese Folien dank ihrer chemischen Beständigkeit auch gut in Verbindung mit Tränkharzen eingesetzt werden.
Polyester ist sehr alterungsbeständig und reißfest. Für Kennzeichnungsaufgaben ist es bedruckbar. Viele verschiedene Farben sind durch Einfärben des Klebers möglich.
Durch die langsame Versprödung der (Standard-) Folie unter UV-Lichteinfluss ist ein dauerhafter Außeneinsatz jedoch nur in stark beschränktem Umfang möglich.
1.3 Polyethylene naphthalate (PEN)
PEN Folien sind Polyesterfolien mit modifiziertem chemischem Aufbau. Diese Folie hat eine erheblich verbesserte Wärmebeständigkeit und kann als Klasse-F Material (IEC 60085) bis zu 155°C Dauereinsatztemperatur in Motoren oder Transformatoren eingesetzt werden. Außerdem schrumpft die Folie bei Temperaturbelastung nur halb so stark wie herkömmliche PETF-Folie und hat eine wesentlich bessere Chemikalienbeständigkeit. Die Folie hat allerdings auch einen merklich höheren Preis. Dennoch gilt sie angesichts gestiegener Wärmeklassen-Anforderungen heute als die günstigere Lösung gegenüber Polyimiden.
(Polyimidklebeband IEC 60454-3-7)
Diese braun-transparente Folie vereinigt hervorragende Eigenschaften in sich. So ist Kapton® in einem Bereich von -269°C bis 360°C einsetzbar (Temperaturklasse H = 180°C Dauereinsatz und mehr, IEC 60085). Die Folie ist schwer entflammbar und selbstverlöschend (UL 94 V0 bzw. IEC 60674).
Die vorteilhaften Eigenschaften sind über den gesamten Temperaturbereich weitgehend gleichbleibend.
So ist Kapton® in der Elektroindustrie besonders als platzsparende Isolierung mit hoher Durchschlagsfestigkeit ( 10KVeff bei 50µ Folienstärke) im Einsatz. In Verbindung mit einem Hochleistungskleber (Polysiloxan) ist ein Einsatz weit über 200°C möglich. Kapton ermöglicht Isolationssysteme (DIN EN 61857) für höchste Ansprüche in der Wärmeklasse H (180°C Dauertemperatur).
[Nomex®, Teflon® und Kapton® sind eingetragene Warenzeichen der Fa. DuPont]
Durch die hohe mechanische Stabilität auch bei sehr hohen (z.B. Störfall-) Temperaturen und die gleichbleibend gute Spannungsfestigkeit kann mit Kapton-Isolationen eine sehr hohe Energiedichte realisiert werde. Damit sind kleiner Bauformen wie mit anderen Isolationsstoffen möglich. Zudem bleiben die positiven Eigenschaften erheblich länger erhalten (längere Nutzungsdauer der Geräte).
Varianten von Kapton sind z.B. wärmeleitend oder widerstehen Teilentladungsphänomenen erheblich länger. Zu Polyimidfolie von DuPont gibt es erst sein wenigen Jahren Alternativen.
Dieses Material vereinigt ähnliche Eigenschaften in sich wie Kapton®. Ein wesentlicher Unterschied ist der Herstellungsprozeß.
Nomex wird ähnlich wie bei der Papierherstellung aus langen Fasern durch Verfilzung hergestellt.
Die unkalandrierte Form ist relativ locker und damit sehr gut tränkbar mit Tränkharzen. Das verdichtete, kalandrierte Nomex ist ähnlich einer Folie als Isolierung einsetzbar.
Dank der guten Polsterwirkung findet man Nomex® häufig als Nutauskleidung im Elektromaschinenbau.
Die hohe Temperaturfestigkeit (Temperaturklasse H = 180°C Dauereinsatz und mehr; IEC 60085) in Verbindung mit gleichbleibenden mechanischen und elektrischen Werten prädestiniert das Material auch für Stabankerumhüllungen im Traktionsmaschinenbau.
Beständig gegen Harze, Trafoöle und eine Vielzahl weiterer Substanzen, die Einsatz finden in der Elektrotechnik, ist Nomex® aufgrund seines deutlich geringeren Preises eine sehr gute Alternative zu Kapton®. Allerdings ist die Durchschlagsfestigkeit aufgrund der Ähnlichkeit mit Papier merklich geringer. Nomex® wird wegen seiner Papierstruktur (Luftdurchlässigkeit), der Nicht-Entflammbarkeit und seiner hohe Temperaturbeständigkeit auch als flammfeste Bekleidung bei Feuerwehren eingesetzt.
Auch zu Nomex® gibt es mittlerweile Alternativen, z.B. Glasfaser-Kunststofffaservliese.
1.6 Polyestervlies, streifenbeschichtet
Dieses Material wird durch Verfilzung von Polyesterfasern hergestellt und ist ähnlich dem Nomexpapier sehr aufnahmefähig für Tränkmittel. Ist das Material z.B. mit Kleber nur streifenbeschichtet, kann das Tränkmittel sehr gut durch das Vlies hindurchtreten und so einen innigen Verbund erzeugen.
In dieser Weise vorbehandelt, kann Polyestervlies mit dem richtigen Tränkmittel zusammen bis zur Isolationsklasse F=155°C eingesetzt werden.
Die Isolationswirkung ohne Tränkmittel ist gering.
1.7 Polytetrafluorethylen-Folie (PTFE, Teflon®)
(PTFE-Klebeband IEC 60454-3-14)
PTFE ist eine weiche, recht schmiegsame Folie, die je nach Foliendicke entweder als Gießfolie hergestellt wird oder durch Abschälen von einem massiven Materialblock.
PTFE ist extrem chemikalienfest und temperaturbeständig. PTFE besitzt auch eine hohe Coronafestigkeit, also eine gute Einsetzbarkeit bei Hochspannungsanwendungen.
Aufgrund der abweisenden Eigenschaften ist PTFE sehr gut da einsetzbar, wo es darauf ankommt, dass eine Oberfläche frei von anhaftenden Verschmutzungen bleibt (allgemein bekannt: Bratpfanne mit Teflonbeschichtung).
Häufig findet man PTFE-Folie, ggf. mit Glasfasern verstärkt, als Gleitfolie (z.B. für den Anker in Zugmagneten). Hier verringert PTFE erheblich den Reibungswiderstand. Reines PTFE kann allerdings nicht unter permanentem Druck eingesetzt werden, da das Material dann zu fließen beginnt (Kaltfluß). Dies führt zu einer Verringerung der Spannungfestigkeit durch die Reduktion der Folienstärke.
1.8 Glasgewebe-Klebeband
(Glasgewebeklebeband IEC 60454-3-8)
Obwohl keine Folie im klassischen Sinn, findet Glasgewebe als Klebeband häufig da Einsatz, wo Isolationsfolien nicht die ausreichende Reißfestigkeit mitbringen oder eine sehr hohe Reserve bei Übertemperatur notwendig ist. Glasgewebe hat zwar eine relativ geringe Isolationswirkung, kann aber z.B. beim Bündeln von Kabeln oder Leiterstäben im Großmotorenbau hervorragend als Montagehilfe eingesetzt werden. Außerdem ist Glasgewebe ähnlich der Acetatseide bedruckbar und gut durchtränkbar.
1.9 Metallfolien (Kupfer, Aluminium)
Diese Folien sind naturgemäß extrem temperaturfest. Sie werden jedoch in den seltensten Fällen ohne eine weitere Behandlung eingesetzt.
Eine häufige Anwendung für mit Polyester isolierte Kupferfolie ist der statische Schirm in Sicherheitstransformatoren gemäß EN 61558. Seit Jahren steigt zudem der Anteil an isoliertem Flachkupferband, das als Stromwicklung eingesetzt wird. Vorteile sind eine bessere Stromtragfähigkeit, ein besseres Wärmemanagement und eine geringere Reaktanz.
Ganz allgemein wird klebende Kupferfolie als EMV-Schirm in der Elektrotechnik verwendet.
Aluminiumfolie dient als Leitfolie, sei es zum Ableiten elektrostatischer Aufladung oder als Wärmeleiter. Auch als Wärmereflektor ist Aluminiumfolie einsetzbar. Eine weitere Anwendung von Aluminium-Folien ist als Dampfsperre, da selbst dünnste Metallfolien gegenüber Kunststofffolien hervorragende Dampf-sperrende Eigenschaften haben.
2 Polypropylen-Folien mit Flammschutz
(Polypropylenklebeband IEC 60454-3-12)
Formex® ist eine günstige Isolationsfolie mit guter Temperaturbeständigkeit (bis 115°C). Durch den zusätzlichen Flammschutz wird eine hervorragende Selbstverlöschung erreicht.
Aufgrund der vielen verschiedenen verfügbaren Materialstärken kann die Folie besonders dazu eingesetzt werden, normgerecht eine ausreichend starke, flammwidrige Isolationssperre zwischen unter Betriebsspannung stehenden und geerdeten (z.B. Gehäuseteilen) Bauteilen zu bilden. Dies ist insbesondere wichtig, wenn der Hersteller des Gerätes in den durch die UL Normen regulierten US-Markt liefern will.
2.1 Polyetherimid-Folien
Eine weniger häufig verwendete Isolationsfolie. Aufgrund der technischen Nachteile (in gewissen Lösemitteln löslich) und des relativ hohen Preises wird das Material selten als Isolationsfolie eingesetzt. Polyetherimid ist bis zu 180°C beständig.
Es sind noch eine Vielzahl weiterer Folien im Einsatz, die durch ihre speziellen Eigenschaften sich mehr als die hier aufgezählten Beispiele für bestimmte Aufgaben eignen. So z.B. solche aus EPDM, PEEK, PES, PPS, PPSU, Polyethylen (ab ca. 2µm Folienstärke für Kondensatoren verfügbar) und Polycarbonat. Viele der Hochleistungs-Polymere sind extrem Hydrolyse-stabil.
3 Laminates
Meist werden die Elektroisolierfolien so verwendet, wie sie vom Hersteller geliefert werden. Auf der Suche nach immer leistungsfähigeren Materialien kam man bereits früh auf die Idee, Werkstoffe zu kombinieren. Diese Laminate vereinigen dann die Summe der vorteilhaften Eigenschaften der Grundstoffe.
Hergestellt werden Laminate zumeist durch dauerhafte Verklebung mit einem vollständig abbindenden Kleber oder mittels Heißsiegelkleber.
3.1 Polyester/Krepp-Laminat
Die gute Polsterwirkung des Kreppapier vereinigt sich hier mit der hohen Reißfestigkeit und Durchschlagsfestigkeit des Polyesters. Eine gute Tränkmittelaufnahme durch das Papier verbessert die Integration des Laminates in das Gesamtisolationssystem.
2.2 Polyester/Glasgewebe-Laminat
Reiß- und stoßfeste Bandagen mit guter Isolationswirkung sind bei dieser Kombination die Haupteinsatzgebiete. Der mechanische Schutz gegen Unebenheiten und Grate ist dank des Glasgewebes sehr gut.
2.3 Nomex/Glasgewebe-Laminat
Hohe mechanische Festigkeit in Verbindung mit einer sehr guten Isolationswirkung und Temperaturbeständigkeit prädestinieren dieses Laminat für den Elektrogroßmaschinen- und Traktionsmaschinenbau.
Viele weitere Laminate mit unterschiedlichen Kombinationen der angesprochenen Folien werden von der CMC Klebetechnik angeboten. Es kommt auf den Einsatzfall an, welcher Kombination man den Vorzug gibt.
Lösungen für die Elektrotechnik und darüber hinaus
Die CMC Klebetechnik ist seit über 50 Jahren der zuverlässige Lieferant eines breiten Spektrums an Elektroisolier-Klebebändern. Viele davon sind bei UL gelistet und erleichtern somit die Zulassung von Komponenten und Geräten für den amerikanischen Markt. Als Beschichter von technischen Folien liefert Ihnen die CMC Klebetechnik bei Bedarf auch Klebebänder und klebende Stanzteile auf Basis vieler weiterer Polymer-Folien.
Klebende Elektroisolationsfolien