Holzfaserverstärkte Thermoplaste sicher kleben

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Zusammenfassend stellt die zweite Tabelle die Verklebungsparameter für verschiedene WPC-Rezepturen in Kombination mit Klebstoff und Oberflächenvorbehandlungsverfahren dar, bei denen die höchsten Kurzzeitfestigkeiten erreicht werden konnten. Auch wenn die Kurzzeieigenschaften sehr hohe Festigkeiten zeigen, könnten jedoch äußere Einflüsse die Festigkeit der Verklebung stark herabsetzen. Strukturelle Klebstoffe schneiden in der freien Bewitterung sowie unter Wassereinfluss dabei deutlich schlechter ab. Die flexiblen Klebstoffe zeigten im Allgemeinen nur geringe Festigkeitseinbußen.

Bild 2 informiert über die per Zugversuch ermittelten Festigkeiten für eine PE-basierte Rezeptur mit 50 % Holzanteil, die mit einem 2K-Acrylat-Klebstoff gefügt wurde. Das Diagramm lässt eine Festigkeitsreduktion durch Freibewitterung sowie eine deutliche Minderung der Festigkeit durch Wasserlagerung erkennen. Vermutlich werden diese Effekte durch eine starke Wasseraufnahme und die damit verbundene Geometrieänderung hervorgerufen. Bei den Schadensbildern ist meist ein spezielles kohäsives Bruchverhalten (SCF) erkennbar.

Für Außenanwendungen witterungsstabile Klebstoffe wählen

Den Alterungseinfluss durch Wasserlagerung sowie Freibewitterung auf PP-basierte WPC-Verbindungen, die mit flexiblem 2K-Polymer-Klebstoff (Silanmodifiziert, MS) ohne Vorbehandlung geklebt wurden, sind in Bild 3 zu sehen. Auch hier verschlechtert das Wasser sowie die Freibewitterung die Festigkeit deutlich. Diese Messungen sind allerdings mit einer hohen Standardabweichung behaftet. Bei den Untersuchungen von Bruchbildern wurde überwiegend ein adhäsives Bruchverhalten (AF) erkennbar.

Bei Klebungen im Multimaterial-Design zeigten die flexiblen Klebstoffe etwas bessere Eigenschaften, weil sie deutlich höhere maximale Bruchdehnung beim Verkleben von Materialien mit großen Unterschieden im Wärmeausdehnungsverhalten ins Feld führen. Letzteres lag für WPC-Werkstoffe mit 50 % Holzgehalt in Abhängigkeit vom Matrixmaterial im Temperaturbereich von -20 °C bis 70 °C im Bereich von 60 bis 80 × 10^-6 K^-1.

Abhängig vom Holzanteil kann WPC relativ viel Wasser aufnehmen. Rezepturen mit 50 % Holzanteil können eine Gewichtszunahme bis 15 % aufweisen, wodurch sich auch die Maße in der gleichen Größenordnung ändern. Das kann sich auch noch nach der Verklebung stark festigkeitsmindernd auswirken. Eine maximale Feuchtigkeitszunahme bis zu 2 % hat keinen negativen Einfluss ausgeübt.

Flexible, witterungsstabile Klebstoffe sind deshalb für Außenanwendungen zu wählen. Die belasteten und anschließend geprüften geklebten Proben zeigten nach Wasserlagerung allerdings auch bei flexiblen Klebstoffen eine deutliche Festigkeitsabnahme. Vermutlich liegt das nicht am Klebstoff, aber durch die starke Maßänderung beim Quellen im WPC-Verbund sowie eine starke Wasseraufnahme des Holzes sinkt die Festigkeit (Ungleichmäßige Geometrieänderung des WPC durch Wasseraufnahme in Bild 4). Die Formänderung kann dabei die maximale Bruchdehnung des Klebstoffs überschreiten, was zu einem Bruch in der Fügeebene führen kann. Nach dem Trocknen behalten manche Proben einen Teil ihrer Deformation.

Kombinierte Vorbehandlungen sind denkbar

Die durchgeführten Untersuchungen haben sowohl die Bedeutung als auch die Notwendigkeit des Einsatzes von geeigneten Klebeparametern sowie der Auswahl der richtigen Klebstoffe für eine stabile, langlebige WPC-Klebung gezeigt. Die Klebbarkeit von WPC wird durch seine thermoplastische Matrix mit geringer Oberflächenenergie wesentlich beeinflusst. Diverse Oberflächenvorbehandlungsmethoden können für WPC nützlich sein. Das Matrixmaterial und die eingesetzte Rezeptur bestimmen die Vorbehandlungsart, die Parameter sowie den Klebstoff. Kombinationen aus mechanischen und physikalischen und/oder chemischen Vorbehandlungen sind dabei denkbar. Für eine langlebige und stabile WPC-Verklebung sollten daher die Randbedingungen (wie etwa Einsatztemperatur, -feuchte, UV-Belastung, mechanische Belastungen) möglichst genau festgelegt werden. MM

Literatur

[1] A. Eder: “Wood-Plastic Composites (WPC) and Natural-Fibre Composites (NFC): European and Global Markets 2012 and Future Trends”, 5. Deutscher WPC-Kongress, Köln, 2013.

[2] I. Radovanovic: „Verarbeitung und Optimierung der Rezeptur von Wood Plastic Composites“, Dissertation, Universität Osnabrück, 2007.

[3] D. Vogt, M. Carus, S. Ortmann, C. Schmidt, A. Pleh: „Studie Wood Plastic Composites (WPC), Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe, Märkte in Nordamerika, Japan und Europa mit Schwerpunkt auf Deutschland, Technische Eigenschaften - Anwendungsgebiete - Preise - Märkte - Akteure“, Nova-Institut, 2006.

[4] M. Carus: “Wood-Plastic Composites (WPC) and Natural-Fibre Composites (NFC): European and Global Markets 2012 and Future Trends”, 5. Deutscher WPC- Kongress, Köln, 2013.

[5] Nova-Institut, http://www.wpc-kongress.de, 04/2010.

[6] IGF-Forschungsvorhaben 15.817N „Untersuchungen zur Schweißbarkeit von hochgefüllten holzfaserverstärkten Kunststoffen – Technologie und Anwendungsentwicklung“, SKZ – Das Kunststoff-Zentrum, Würzburg, 2011.

[7] Teischinger A., Korte H.: Aktuelle Entwicklung der Normung von Wood Plastic Composites (WPC), Universität für Bodenkultur/BOKU, Wien, 2005.

* Dipl-Ing. Eduard Kraus M. Sc., Dr. Benjamin Baudrit und Prof. Dr.-Ing. Martin Bastian und die weiteren Autoren Dr.-Ing. Peter Heidemeyer und Dr.-Ing. Karsten Kretschmer forschen am SKZ – Das Kunststoff-Zentrum in 97076 Würzburg. Weitere Informationen: Tel. (09 31) 41 04-4 80, E.Kraus@skz.de, www.skz.de

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