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Kleben von WPC Holzfaserverstärkte Thermoplaste sicher kleben

| Autor / Redakteur: Eduard Kraus, Benjamin Baudrit und Martin Bastian / Peter Königsreuther

Wood-Plastic-Composites (WPC) werden immer öfter eingesetzt. Bei Fügeprozessen spielt das Kleben eine große Rolle, das aber durch die Polyolefinmatrix ohne Vorbehandlung kaum sicher funktioniert. Wie es doch gelingen kann, zeigen Untersuchungen am SKZ in Würzburg.

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Bild 1: Einfluss der Oberflächenvorbehandlung bei WPC-Proben auf deren Benetzbarkeit.
Bild 1: Einfluss der Oberflächenvorbehandlung bei WPC-Proben auf deren Benetzbarkeit.
(Bild: SKZ)

In einem kürzlich abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde das Kleben von holzfaserverstärkten Kunststoffen mit dem Schwerpunkt Klebungen für Außenanwendungen untersucht. Hierzu wurden Oberflächen von diversen WPC-Produkten (WPC, englisch: Wood Plastic Composites) und verschiedenen Rezepturen mit Vorbehandlungsverfahren präpariert und mit unterschiedlichen Klebstoffen gefügt.

Nach erfolgter Ermittlung von mechanischen Kurzzeiteigenschaften der gefügten Verbunde wurden die geeignetsten Werkstoff-Vorbehandlung-Substrat-Kombinationen auf ihre Langzeiteigenschaften hin untersucht. Dazu wurden Wasser- und Temperaturlagerungen der geklebten Bauteile sowie auch Freibewitterungsversuche durchgeführt.

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Junge Werkstoffgruppe mit hohem Einsatzpotenzial

Bei Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen handelt es sich um thermoplastisch verarbeitbare, verstärkte Werkstoffe, die aus unterschiedlichen Anteilen von Holz (30 bis 80 %), 20 bis 70 % Kunststoffen wie PP, PE oder PVC sowie Additiven (Haftvermittlern, Stabilisatoren oder Farbmitteln) bestehen und durch Extrusion, Spritzguss oder Presstechniken verarbeitet werden können [1-3]. Das hohe Einsatzpotenzial dieser recht jungen Werkstoffgruppe belegen zahlreiche Marktforschungen [1, 4, 5], in welchen die weltweite WPC-Produktion von 2012 bis zum Jahr 2015 von 2,43 Mio. t auf circa 3,83 Mio. t wachsen soll. Alleine in Europa soll die Produktion jährlich um etwa 10 % ( 350.000 t im Jahr 2015) anwachsen.

Um verkaufsfähige Artikel, wie etwa Fensterrahmen, Gehäuse, Endplatten, Verbindungselemente für den Küchenbereich oder Verkleidungen für die Automobilindustrie, zu produzieren, müssen sehr häufig Fügeverfahren angewendet werden. Für herkömmliche Kunststoffe sind dabei das Schweißen und das Kleben die meistgenutzten Verfahren. Für Holz dagegen wird überwiegend das Kleben verwendet. Für WPC-Teile kann das übliche Schweißen bislang aber noch nicht ohne Weiteres angewendet werden. Allerdings wird diese Thematik am SKZ untersucht [6]. Außerdem eignet sich das Schweißen zum Fügen von unterschiedlichen Materialarten nicht, sodass beispielsweise das Verbinden eines metallischen Elementes mit einem WPC-Bauteil ohne Kleben nur mechanisch erfolgen kann.

Da allerdings der größte Anteil der WPC-Produkte in Deutschland aus einer Polyolefinmatrix besteht, ist auch das Kleben als Alternative ohne besondere Vorbehandlung beziehungsweise spezielle Klebstoffe nicht möglich. Infolgedessen fehlen auch Kleberichtlinien oder Anforderungen an die Qualität der Klebeverbindung für Anwender und Nutzer von WPC-Produkten [7].

Erkenntnisse aus dem Experimentierlabor

Nach der Klebstoffauswahl wurden die Substrate sowie die Klebstoffe auf mechanische, thermische, rheologische sowie physikalische Eigenschaften hin charakterisiert. Es folgte die Ermittlung der Auswirkung der Rezeptur auf die physikalische Eigenschaften der Oberfläche sowie eine Vorauswahl in puncto geeigneter Oberflächenvorbehandlungs-Methoden für die denkbaren Anwendungen bezüglich der Einsatzmöglichkeit (Mobilität, Kosten, Wirkung). Anschließend wurden die Untersuchungen zur Einsatzfähigkeit der ausgewählten Oberflächenvorbehandlungsverfahren zur Steigerung der Oberflächenenergie des Substrats durchgeführt und dabei zahlreiche Probekörper geklebt. Letztendlich wurden die mechanischen Kurzzeiteigenschaften des Verbunds ermittelt.

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