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Isocyanatfrei kaschieren ohne Vorbehandlung Die bisher zum Kaschieren von Fahrzeuginnenteilen eingesetzten 1K-Klebstoffe stoßen dann an ihre Grenzen, wenn isocyanatfreie Systeme verlangt werden, die einfach zu handhaben sind und noch dazu ohne Vorbehandlung auskommen. Die im Folgenden beschriebene 1K-Technologie erfüllt diese Forderungen und bietet dem Anwender neue Perspektiven in der Prozessführung.

Martin Linnenbrink, Hendrik Balcke, Kai Paschkowski

Stand der Technik Kaschierklebstoffe werden heute insbesondere in der Automobilindustrie für die Fertigung von Dekorteilen im Fahrzeuginnenraum eingesetzt, wie z. B. Tür- und Seitenverkleidungen, Instrumententafeln, Säulen, Konsolen, Brüstungen und Dachhimmel. Als Kaschierklebstoffe dienen Lösungsmittelsysteme, Dispersionen und Hotmelts, wobei es sich üblicherweise um 2K-Polyurethane und Hotmelts handelt. In der Praxis werden hierbei verschiedenste Trägermaterialien mit hochwertigen Dekormaterialen wie z. B. Folien, Textilien mit Schaumrücken und auch Leder kaschiert. Die Trägermaterialien basieren häufig auf ABS, ABS/PC-Blends oder auch PP bzw. auf einer Kombination aus Faserstoffen und Harzen als Bindemittel. Besonders geeignete Fasermaterialien sind Naturfasern, als Bindemittel werden bevorzugt Phenolharze, Polyurethane, Epoxidharze oder auch Polypropylene eingesetzt. Um die unterschiedlichen Anforderungen an die fertigen Fahrzeuginnenteile und eine lange Gebrauchsfähigkeit sicherzustellen, bedarf es OEM-spezifischer Prüfungen an dem fertig kaschierten Bauteil (Bild 2). Bei diesen Prüfungen treten extrem hohe Belastungen in der Klebverbindung auf, insbesondere erzeugen hohe Temperaturen in Kombination mit einer hohen Luftfeuchtigkeit eine insgesamt starke Materialbelastung. Aus diesem Grund erfüllen nur nachvernetzende Klebstoffe die hohen Anforderungen.

Bild 1: Kaschieranwendungen am Beispiel einer Fahrzeugtür

Bevorzugt werden für diese Anwendungen deshalb bei den Dispersionsklebstoffen zweikomponentige Polyurethane und bei den Hotmelts feuchtigkeitsvernetzende Systeme. Beiden Klebstofftypen gemeinsam ist die Verwendung von Isocyanaten, die eine Nachvernetzung des jeweiligen Systems gewährleisten.

Nachteile herkömmlicher Dispersionen Zur Kaschierung von Fahrzeuginnenraumteilen werden seit mehreren Jahren Polyurethandispersionen eingesetzt. Die hohen Anforderungen wie z. B. Alterungsbestän-

digkeit gegenüber hohen Temperaturen und Luftfeuchte werden heute von zweikomponentigen Polyurethan-Dispersionsklebstoffen erfüllt. Allerdings müssen bei Einsatz der 2K-Dispersionen die folgenden Grenzen und Schwachstellen in Kauf genommen werden: 1. Zugabe einer Vernetzerkomponente: Zweikomponentige Systeme weisen den großen Nachteil auf, dass nach der Zugabe einer isocyanathaltigen, vernetzend wirkenden Komponente der Klebstoff erst gemischt werden muss, um ein gebrauchsfertiges System zu erhalten.

Bilder 02 – 03

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mit einem isocyanatfreien latent-reaktiven Vernetzer ausgestattet ist. Der Vernetzungsmechanismus startet bei dem Kaschierprozess. Die hohen Endfestigkeiten und Beständigkeiten werden so innerhalb kurzer Zeit erreicht. Der neue Klebstoff erfüllt die hohen Anforderungen der Automobil-Normen bezüglich Wärme- und Klimawechseltest und ist frei von Inhaltsstoffen, die als verbotene Inhaltsstoffe bei den Automobilherstellern gelistet sind.

Welche Vorteile ergeben sich für den Anwender? Bild 2: Beispiel eines Klimawechseltests; Prüfdauer: 10 Tage

Bild 3: Zentrale Klebstoffversorgung

2. Begrenzte Topfzeit: Dieser gemischte Klebstoff besitzt eine Topfzeit, das heißt der Zeitraum, in dem der Klebstoff verarbeitet werden kann, ist eng begrenzt. 3. Notwendige zusätzliche Arbeitsschritte: Außerdem sind zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich, um diese Klebstoffsysteme sicher zu verarbeiten. Zunächst müssen die Klebstoffkomponenten durch den Anwender exakt im richtigen Mischungsverhältnis homogen gemischt werden. Dieser Arbeitsschritt kann mit Fehlern behaftet sein, was zu späteren Qualitätseinbußen führen würde. Um die richtige Klebstoffmenge anzumischen, muss der Klebstoffbedarf des Zeitraumes bekannt sein, die der Topfzeit entspricht. Andernfalls ist der überschüssige Klebstoff teuer zu entsorgen. Beim Erreichen der maximalen Topfzeit ist es notwendig, das Auftragsequipment gründlich zu reinigen. Die begrenzte Weiterverarbeitung der mit Klebstoff beschichteten Bauteile muss innerhalb der Offenzeit erfolgen. 4. Kennzeichnung von Isocyanaten: Als Vernetzerkomponente werden hydrophilierte Isocyanate verwendet, in der Regel aliphatische Systeme. Generell ist auf eine

Einhaltung der Arbeitsplatzhygiene zu achten, wenn mit isocyanathaltigen, kennzeichnungspflichtigen Substanzen gearbeitet wird.

Die Lösung: einkomponentige, isocyanatfreie PU-Dispersion Die Ziele bei der Entwicklung einer einkomponentigen-isocyanatfreien, latent-reaktiven Polyurethandispersion sind nach den oben aufgeführten Nachteilen klar definiert: ● Nachvernetzung durch latent reaktive isocyanatfreie Härterkomponenten ● Vereinfachung des Produktionsprozesses (Kostenreduzierung) ● Prozesssicherheit ● Einhaltung der Kundenanforderungen (z. B. Klimawechseltest, VOC, FOG, verbotene Inhaltsstoffe) ● Abfallvermeidung Mit der Entwicklung einer 1K-Dispersion konnten diese Zielsetzungen erfolgreich umgesetzt werden. Das neue Klebstoffsystem basiert auf einer umweltfreundlichen wässrigen Polyurethandispersion, welche

Der Einsatz der einkomponentigen Kaschierdispersion ermöglicht eine zentrale Klebstoffversorgung (Bild 3). Das Material wird gebrauchsfertig angeliefert und kann über eine Membranpumpe problemlos aus dem Originalgebinde heraus gefördert werden. Somit besteht die Möglichkeit, mehrere Spritzstellen zentral zu versorgen, und ein Umfüllen erübrigt sich. Außerdem sind somit mögliche Verunreinigungen durch Materialreste oder von außen eingebrachte Fremdstoffe ausgeschlossen. Der Klebstoff lässt sich mit den üblichen Applikationsgeräten wie Spritzpistole, Rakel- oder Walzenanlage verarbeiten. Da das Vernetzungssystem latent-reaktiv vorliegt, besitzt das flüssige Klebstoffsystem eine lange Verarbeitungszeit, die lediglich durch die Klebstoffhaltbarkeit begrenzt ist. Auch die Gefahr, dass der Klebstoff in den Versorgungseinrichtungen anfängt zu reagieren, besteht nicht, und das Spülen der Versorgungseinrichtungen vor langen Standzeiten entfällt. Der Klebstoff kann selbst bei Produktionsunterbrechungen am Wochenende oder Feiertagen in den Leitungen verbleiben. Es wird bei der Verarbeitung des Klebstoffes nur die Menge aus dem Gebinde entnommen, die gerade benötigt wird. Ein Verwerfen von Klebstoffansätzen ist somit ausgeschlossen, sodass sich eine erhebliche Reduzierung von Sondermüll ergibt. Der Vernetzungsprozess startet erst, nachdem der abgetrocknete Klebstofffilm bei Temperaturen größer 50 °C aktiviert wurde. Somit ergibt sich eine sehr lange Offenzeit der beschichteten Bauteile. Hierdurch resultiert eine Steigerung der Produktionsmenge, da zu Produktionsbeginn bereits vorbeschichtete Bauteile bereitliegen können. Es ist somit nicht notwendig, erst Klebstoff zu mischen, die Bauteile mit Klebstoff zu beschichten und zu trocknen. Dies kann mit der einkomponentigen Dis-

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persion bereits lange vor Produktionsanfang erfolgen. Die vorbeschichteten Bauteile lassen sich problemlos bei niedrigen Temperaturen über eine längere Zeit zwischenlagern.

Die Vorteile der neu entwickelten 1K-Dispersionsgruppe auf einen Blick ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Keine Vernetzerzugabe notwendig Kein Mischvorgang erforderlich Isocyanatfrei und latent reaktiv Lösungsmittelfrei Einhaltung der niedrigen Foggingund Emissionswerte Frei von verbotenen Inhaltsstoffen (z. B. TEA) Keine Topfzeit Lange Offenzeit Sicheres Arbeiten Hohe Festigkeit und Wärmebeständigkeit gemäß den Spezifikationen der Automobilindustrie

Diese einkomponentigen Kaschierdispersionen lassen sich je nach Anwendungsfall einseitig oder im Kontaktverfahren verarbeiten und empfehlen sich für den Einsatz bei allen gängigen Kaschierverfahren. So können PVC- und TPO-Folien im Vakuumtiefziehverfahren ebenso wie Textilien mit oder ohne Schaumrücken im Presskaschierverfahren oder Leder und Kunstleder von Hand vorgelegt und durch anschlie-

ßende Membrankaschierung verarbeitet werden. Die Kaschierungen sind bei niedrigen Temperaturen von > 60 °C sicher durchführbar; ein materialschonender Fertigungsprozess ist also gewährleistet. Dank der langen Offenzeit können die Trägermaterialien vorbeschichtet werden, sodass sich der Fertigungsablauf flexibel gestalten lässt. Speziell für die Lederkaschierung wurde ein System entwickelt, das der besonderen Verarbeitung von Lederbezügen gerecht wird. Die hervorzuhebenden Merkmale der niedrigen Aktiviertemperatur von ca. 55 °C und einer Tack-freien Oberfläche bei Raumtemperatur ermöglichen eine genaueste Positionierung von Lederbezügen. Bereits durch eine geringfügige Reaktivierung, z. B. Anfönen, ist ein Fixieren der Bezüge möglich.

Vor- und Nachteile herkömmlicher Reaktivhotmelts Als Hotmelts werden bisher beim Kaschieren thermoplastische und auch reaktive Systeme eingesetzt. Üblicherweise findet man thermoplastische Systeme auf Kautschuk-, Polyolefin-, Polyester- oder Polyamidbasis eher bei der Kaschierung von zweidimensionalen, also flachen Bauteilen. Besonders bei der Kaschierung von dreidimensionalen Bauteilen ist wie bei den Dispersionsklebstoffen eine hohe Kohäsion im Klebstoff auch bei erhöhter Umgebungstemperatur notwendig, sodass hier der Einsatz eines reaktiven Hotmelts (RHM) erforderlich ist. Bild 4 beschreibt den prinzipiellen Festig-

Bild 4: Festigkeitsaufbau reaktiver Hotmelts und thermoplastischer Hotmelts im Vergleich

keitsaufbau für reaktive Hotmelts im Vergleich zu den nicht chemisch härtenden, thermoplastischen Hotmelts. Die bekannteste Gruppe der reaktiven Hotmelts sind PUR-Hotmelts, die auf der Basis von Polyester- und Polyetherpolyolen aufgebaut sind. Als reaktive Gruppe werden endständige Isocyanatgruppen eingesetzt, die nach der Klebstoffapplikation mit Luftfeuchtigkeit reagieren und eine Vernetzung bewirken. Nach vollständiger Aushärtung wird somit im Vergleich zu thermoplastischen Hotmelts ein deutlich höheres Festigkeitsniveau, insbesondere bei erhöhter Temperatur, erreicht. Derartige Festigkeiten werden z. B. in der Automobilindustrie gefordert, da Langzeitlagerungen der Bauteile bei Temperaturen von bis zu 120 °C geprüft werden. Der reaktive PUR-Hotmelt bietet nicht nur den Vorteil der Klebstoffaushärtung mit dem Übergang vom Thermoplasten zum Elastomer: Er zeichnet sich auch durch ein breites Haftungsspektrum aus, insbesondere für polare Substrate. Neben diesen Vorteilen gibt es aber auch die folgenden Grenzen und Schwachstellen beim Einsatz der reaktiven PUR-Hotmelts: 1. Notwendige Vorbehandlung bei der Kaschierung mit PUR-Hotmelts: Bei der Kaschierung unpolarer Substrate ist eine Vorbehandlung mittels Corona, Plasma oder Beflämmung üblich. Die Vorbehandlung der Kaschiersubstrate erfordert neben der notwendigen Investition auch einen zusätzlichen Arbeitsschritt. Dieser bedeutet

Bild 5: Vergleich der Aushärtung des neuen reaktiven APAO Hotmelt mit bekannten reaktiven PUR-Hotmelts (Presskaschierung von Holzfaserträger und PU-Schaumtextil mit 100 μm Klebstoffschicht; Aushärtung bei 20°C und 55 % rel. Luftfeuchte; statischer Schältest mit 45° Winkel und 300 g/5 cm Belastung)

Die Ziele bei der Entwicklung eines Reaktivhotmelts auf der Basis APAO (ataktisches Poly-α-olefin) sind: ● Nachvernetzung durch reaktive isocyanatfreie Härterkomponenten ● Kleben auf unpolaren Oberflächen ohne Vorbehandlung ● Vereinfachung des Produktionsprozesses (Kostenreduzierung) ● Prozesssicherheit ● Einhaltung der Kundenanforderungen (z. B. Klimawechseltest, VOC, FOG, verbotene Inhaltsstoffe) Mit der Entwicklung der neuen reaktiven APAO Technologie stehen dem Anwender jetzt neue reaktive Kaschierhotmelts auf olefinischer Basis zur Verfügung.

Vorteile für den Anwender Diese Klebstoffe zeigen besonders gute Haftungseigenschaften auf olefinischen Untergründen und ermöglichen so, auch ohne aufwändige Vorbehandlung, z. B. eine Kaschierung von dreidimensionalen Polypropylenträgern. Darüber hinaus bietet der reaktive APAO Hotmelt den Vorteil, dass keine Isocyanate eingesetzt werden. Der Klebstoff ist kennzeichnungsfrei, da für die Nachvernetzung mit Luftfeuchte reaktive Silane eingesetzt werden. Einen Vergleich dieses reaktiven APAO Hotmelts mit bekannten reaktiven PURHotmelts hinsichtlich der Aushärtegeschwindigkeit zeigt Bild 5. Dargestellt ist der Wärmestand in der Klebschicht als Funktion der Aushärtezeit. Der neue reaktive APAO Hotmelt zeigt bereits direkt nach der Applikation, also noch in seinem thermoplastischen Zustand, einen höheren Wärmestand als ein handelsüblicher PUR-Reaktivhotmelt. Grund dafür ist der höhere Erweichungspunkt des reaktiven APAO Hotmelts. Die Aushärtungsgeschwindigkeit ist bei beiden Kleb-

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Zusammenfassung Die Fertigung anspruchsvoller Fahrzeuginnenbauteile in der Automobilindustrie durch immer komplexere Fertigungsschritte erfordert neue Klebstoffentwicklungen. Von größtem Interesse sind hierbei kennzeichnungsfreie Klebstoffe, die möglichst einkomponentig verwendbar sind und keiner zusätzlichen Vorbehandlungsschritte bedürfen. Die vorgestellten neuen 1K-Dispersionen, aus der Produktgruppe SikaTherm-4100, sind isocyanatfrei ausgeführt, werden als Kaschier- und Laminierklebstoff den Anforderungen der Automobilindustrie gerecht und ermöglichen dem Anwender neue Prozessvorteile. Ebenfalls neu auf dem Markt ist die Hotmelttechnologie SikaMelt-9181, ein isocyanatfreier reaktiver Hotmelt, der sich als Montage- oder Kaschier- und Laminierklebstoff ohne Vorbehandlung für unpolare Oberflächen empfiehlt und eine optimale Ergänzung zu den bisher verfügbaren reaktiven PUR-Hotmelts darstellt. Die Serientauglichkeit in der Fahrzeugindustrie konnte bereits für beide Klebstoffsysteme unter Beweis gestellt werden und bietet sich nun auch allgemein für andere Anwendungen außerhalb der Automobilfertigung an. π

Autoren Dr. Martin Linnenbrink (+49/40 54 00 22 52, [email protected]) ist Product Technology Director Structural Adhesives bei der Sika AG und Leiter Forschung und Entwicklung bei der Sika Automotive GmbH. Hendrik Balcke (+49/1 70/2 02 46 04, [email protected])ist Product Manager bei der Sika Automotive GmbH. Kai Paschkowski (+49/40 54 00 23 32, [email protected]) leitet bei der Sika Automotive GmbH die Abteilung Entwicklung Hotmelt.

2K Klebstoff-Kartusche passend fu¨r die Standard-Dichtpistole

Die Lösung: ein neuer Reaktivhotmelt

stoffen vergleichbar und zeigt nach einigen Tagen die notwendige Vernetzung und damit einen ausreichenden Wärmestand.

Cartridge™ System

nicht nur einen höheren Aufwand bei der Bauteilherstellung: Kritischer ist vielmehr die möglicherweise fehlerhafte Vorbehandlung, wenn z. B. ungleichmäßige Oberflächenspannungen erzeugt werden. Derartige Fehler sind bei einer Endkontrolle der Bauteile kaum feststellbar. 2. Kennzeichnung von Isocyanaten: Als Vernetzerkomponente werden kennzeichnungspflichtige, in der Regel aromatische Isocyanate verwendet.