Klebstoffe – Eine Bindung für die Ewigkeit?

Manche Klebstoffe sollen bombenfest halten, andere auf Kommando wieder loslassen: Forscher sind auf der Suche nach dem perfekten Halt – mittels Tricks aus der Chemie und Inspirationen aus der Natur.

Kleben begleitet die Menschheit schon seit grauer Vorzeit. Der erste Universalklebstoff, ein Pech aus Birkenrinde, verlieh Feuersteinklingen an Pfeil und Speer einen sicheren Halt. „Lange bevor Menschen geschraubt, geschweißt oder gelötet haben, klebten sie schon Dinge zusammen“, erzählt Andreas Hartwig. Als Gegenstand von Forschung, Normung und Standardisierung hingegen ist die moderne Klebtechnik noch recht jung.

Andreas Hartwig ist einer von denen, die den Klebstoffen von morgen auf der Spur sind: Der Professor für makromolekulare Chemie leitet die Abteilung Klebstoffe und Polymerchemie am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen. Um das Grundprinzip seines Forschungsbereichs zu erläutern, arbeitet Andreas Hartwig mit zwei Begriffen – Adhäsion und Kohäsion. Die Adhäsion wirkt an der Grenze zwischen Klebstoff und den Materialien, die er zusammenkleben soll, und schafft eine mechanische Verbindung. Die Kohäsion steckt im Klebstoff selbst und beschreibt, wie stark dessen Moleküle zusammenhalten. „Dank Adhäsion hält schon ein dünner Wasserfilm zwei Glasscheiben zusammen“, veranschaulicht Andreas Hartwig. „Doch mit genügend Kraft gegeneinander verschoben, lassen sie sich wieder lösen. Denn flüssiges Wasser hat keine besonders große Kohäsion. Im Eisschrank platziert, härtet unser Klebstoff aber gewissermaßen aus: Das Wasser gefriert und hat jetzt eine sehr viel höhere Kohäsion.“ Die offenen Fragen liegen hingegen im Detail. Zum Beispiel, welche Bindungen und welche Kräfte für den Zusammenhalt sorgen. „Das ist bis heute immer noch nicht vollständig geklärt“, gesteht Andreas Hartwig.

Diese Wissenslücke wollen Klebstoffforscher schließen. Denn Kleben bringt viele Vorteile: Wer klebt, braucht keine Löcher und trägt auch keine übermäßige Wärme in das Material wie etwa beim Schweißen, sodass Struktur und Gefüge erhalten bleiben. Je nach gewähltem Klebstoff hält die Verbindung bombenfest oder bleibt elastisch. Und: Kleben braucht kaum Platz. „Vor allem in modernen Elektrogeräten werden die Verbindungen immer kleiner. Da ist Kleben das Fügeverfahren der Wahl“, erklärt Andreas Hartwig.

Ein Beispiel sind moderne Mobiltelefone. „Smartphones sind geklebt, weil es das schnellste, praktischste und ökonomischste Fügeverfahren für diese Geräte ist“, sagt Christopher Barner-Kowollik, Leiter der Arbeitsgruppe Makromolekulare Architekturen des Instituts für Technische Chemie und Polymerchemie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Wenn wir das Smartphone dann auch noch leicht in seine Einzelteile zerlegen und getrennt recyceln könnten, wäre das eine schicke Sache.“ Und genau dieser Aspekt des Klebens treibt ihn an. „Es gibt viele Anwendungen, bei denen sich Klebungen wieder rückstandsfrei lösen lassen müssen“, erklärt der Wissenschaftler, der hauptamtlich an der Queensland University of Technology (QUT) im australischen Brisbane forscht. Für den löslichen Kleber hat er drei Anwendungsgebiete im Blick: das Recycling, das Werkstoffhandling und die Zahnmedizin. Beim Recycling geht es darum, nicht nur Smartphones, sondern auch mehrlagige Lebensmittelverpackungen in ihre Einzelteile zu zerlegen und wiederzuverwenden. Beim Werkstoffhandling werden Materialien in der Fabrik schonend festgehalten, während sie bearbeitet werden. Und in der Zahnmedizin sollen verschlissene Füllungen ohne nervenaufreibendes Bohren entfernt werden können.

„Ein Klebstoff ist ein Netzwerk von Molekülen“, erklärt Christopher Barner-Kowollik. „Sie sind alle durch kovalente Bindungen miteinander verbunden, welche benachbarte Atome durch Elektronenpaare fest verbinden. Um eine Klebung trotzdem zu lösen, muss man nach einer anderen Verbindung suchen.“ Die hat er zusammen mit Kollegen in einem recht alten und unter Chemikern gut bekannten Prozess gefunden: der Diels-Alder-Reaktion, die in den 1920er- Jahren in Kiel entdeckt wurde und heute vor allem bei der künstlichen Herstellung von Naturstoffen wie etwa Hormonen eine wichtige Rolle spielt. Sie erzeugt Bindungen, die sich durch Hitze wieder öffnen lassen. „Damit bauen wir in unserem Molekülnetzwerk Sollbruchstellen ein, die es uns erlauben, das Netzwerk zu schwächen und den Kleber wieder zu lösen.“ Das Ergebnis ist ein thermolabiler Klebstoff. Die nötige Temperatur können die Forscher in recht feinen Schritten einstellen. Das ist auch sehr wichtig. „Das Mobiltelefon soll beim Recycling in seine Einzelteile zerfallen; nicht aber, wenn es im Sommer mal im Auto liegen bleibt. Der Zahnarzt soll die Füllung durch lokales Erhitzen schnell austauschen können. Eine Tasse heißen Kaffees darf diesen Effekt hingegen nicht bewirken“, erläutert der Chemiker.

Dass Christopher Barner-Kowollik immer wieder auf die Zahnmedizin zu sprechen kommt, hat einen Grund. Vor einigen Jahren trat ein Hersteller von Dentalmaterialien an ihn mit der Idee heran, gemeinsam nach reversiblen Dentalklebern zu suchen. Sie wurden fündig – und zogen damit die Aufmerksamkeit anderer Industriezweige auf sich. Mit ihnen sucht Christopher Barner-Kowollik nun nach konkreten Anwendungen. „Mich fasziniert besonders der Gedanke, der in Australien Circular Economy heißt“, sagt der Wissenschaftler. „Von der Einweggesellschaft wegzukommen und eine zirkuläre Ökonomie aufzubauen, wo das Abfallprodukt eines Prozesses das Startmaterial eines neuen Prozesses ist, finde ich sehr wichtig.“ Da das Auseinandernehmen dafür ein zentraler Teil ist, könnte er mit seiner Technologie einen Beitrag dazu leisten. Ein Knackpunkt indes sind die höheren Kosten für die neuen Klebstoffe.

Doch das ist nicht die einzige Herausforderung, vor der die Klebstoffforschung heute steht. „Da wäre auch der Wunsch nach dem gummielastischen Beton, wie ich ihn nenne“, erzählt Andreas Hartwig vom Bremer Fraunhofer-Institut, „einem System, so fest wie Beton und gleichzeitig so elastisch wie Gummi, also einem System mit großer Reißdehnung bei gleichzeitig hohem Festigkeitsniveau.“ Einen Ansatzpunkt, um die hohe Reißdehnung mit hoher Festigkeit zu kombinieren, hat Andreas Hartwig schon parat.

„Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Morphologie, also die Struktur der Materialien“, ist er sich sicher. Und eben diese will Stanislav Gorb an der Christian-Albrechts-Universität in Kiel ergründen. Dafür schaut der Professor für Funktionelle Morphologie und Biomechanik kleinen Tieren auf die Füße. Von ihnen erhofft er sich Antworten auf die Frage, warum manche Tiere scheinbar mühelos senkrecht und kopfüber auf den verschiedensten Oberflächen vorankommen. Denn einerseits müssen sie dort sicher haften, andererseits ihre Gliedmaßen für den nächsten Schritt auch energiesparend lösen. Zug und Druck wirken also abwechselnd auf ihre Füßchen und erfordern Festigkeit und Elastizität gleichermaßen.

Wie die Natur für Halt sorgt, beschäftigt den Wissenschaftler bereits seit seinem Studium. „Früher habe ich Mikroklettverschlüsse untersucht, mit denen Käfer ihre eingeklappten Flügel fest verschließen“, erzählt er. „Das war recht trivial. Also wollte ich wissen, wie die Fliege über die Decke laufen kann.“ Auf die Fliege folgte der Gecko, dem Stanislav Gorb sein Geheimnis entlocken und in ein Klebetape verwandeln konnte. Nun hat er sich den Spinnen zugewandt. Die nutzen keine Klebeflüssigkeit wie Fliegen, haben aber etwas gröbere Strukturen an den Beinchen als ein Gecko. „Spinnenbeine haben Härchen, die wiederum feinere Härchen haben“, erklärt der Biologe. „Und an deren Spitze sitzen nanometerkleine Spachteln.“ Mit den Mikroskopen an ihrem Institut können die Kieler fast alle dieser Strukturen untersuchen. Nur was auf molekularer Ebene geschieht, blieb den Forschern verborgen. „Dafür brauchen wir die Röntgenstreuung, und deshalb arbeiten wir mit dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) zusammen“, sagt er. Dank dieser Kooperation ist es den Forschern gelungen, die statische Struktur der Spinnenbeine auf Molekülebene zu entschlüsseln. In einem nächsten Schritt wollen sie jetzt erkunden, was an den Spinnenbeinen geschieht, wenn sie in Bewegung sind. Ein bionisches Haftsystem, mit dem vielleicht irgendwann einmal Roboter die Wände hochklettern, hat Stanislav Gorb dabei nicht im Sinn. „Wir wollen zuallererst einmal die verschiedenen Systeme der Natur bis ins Detail verstehen“, fasst er seine Motivation zusammen. „Denn erst dann können wir auch prüfen, ob sie sich technisch und wirtschaftlich umsetzen lassen.“

Am faszinierendsten für ihn sei, fügt er hinzu, dass die Natur für viele Herausforderungen des Alltags oft nur ein oder zwei Lösungsprinzipien gefunden habe, und das unabhängig voneinander über Artengrenzen hinweg. Diese für das Kleben zu finden, könnte der Fügetechnik ungeahnte Möglichkeiten bieten.

27.01.2020 , Kai Dürfeld

Weitere Informationen: https://www.helmholtz.de
Bildquelle: pixabay
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