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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkleben von Holzwerkstoffen,
wobei ein 1K-Polyurethan-Klebstoff auf eine Substrathälfte aufgetragen wird
und danach unter Anpressen mit dem zweiten Substrat verklebt wird,
wobei beim Verkleben eine Aktivierung durch erhöhte Temperatur stattfindet.
Dabei wird eine hohe Anfangshaftung erzielt und der Klebstoff zeigt
eine Volumenzunahme, sodass Unebenheiten der verklebten Substratseiten
zueinander ausgeglichen werden und eine glatte Oberfläche erhalten
wird.
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In
der
EP 1366132 werden
zweikomponentige Polyurethan-Klebstoffe beschrieben, die 10 bis
98 % eines oleochemischen Polyols, 1 bis 7,5 % eines Diols mit einer
OH-Zahl von 400 bis 2000, 1 bis 7,5% eines Polyols mit einer OH-Zahl
von 200 bis 2000 und mindestens einem Polyisocyanat beschrieben. In
der
DE 4401 572 A1 werden
zweikomponentige Polyurethan-Klebstoffe zum Verkleben von Holzwerkstoffen
beschrieben auf der Basis einer Isocyanat-Komponente und einer Polyol-Komponente,
welche neben einem oleochemischen Polyol 2 bis 7 Gewichtsprozent,
bezogen auf das oleochemische Polyol, mindestens eines di- und/oder
trifunktionellen Alkohols enthält.
Solche 2K-PU-Klebstoffe erfordern eine genaue Dosierung der Bestandteile
und haben nur eine begrenzte Verarbeitungszeit.
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Es
sind auch Einkomponenten-Polyurethan-Klebstoffe für Holzbauteile
bekannt. So wird in der
DE
44 12 759 A1 ein Klebstoff beschrieben, der sich durch
einen Gehalt an 50 bis 95 Gew.-% eines Isocyanat-haltigen Polyurethan-Prepolymeren, 2
bis 8 Gew.-% eines hydrophoben Siliciumdioxids und 2 bis 6 Gew.-%
eines pulverförmigen
Molekularsiebes sowie gegebenenfalls durch weitere übliche Zusatzstoffe
und/oder Beschleuniger auszeichnet. Die Mindestpreßzeit bis
zum Erreichen der Anfangshaftung beträgt 9 Stunden. Diese ist sehr
lang. Mit Einkomponenten-Polyurethan-Klebstoffen sind im allgemeinen die
kurzen Preßzeiten
zweikomponentiger Klebstoffe auf PU-Basis nicht zu erreichen. In
der
DE 4429679 werden
1K-reaktive PU-Heißschmelz-Klebstoffe
beschrieben, die unter anderem Prepolymere aus Isocyanaten und Polyolen
enthalten, wobei auch Rizinusölderivate
enthalten sein können.
Die Schmelzklebstoffe binden unmittelbar nach dem bei erhöhter Temperatur
durchgeführten
Auftragen ab.
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Nachteile
der bekannten 1K- oder 2K-Polyurethan-Klebstoffe sind verschiedenartig.
2K PU-Klebstoffe müssen
sorgfältig
gemischt werden und haben danach nur eine begrenzte Verarbeitungszeit. 1K-PU-Klebstoffe
reagieren häufig
sehr langsam und benötigen
eine längere
Anpresszeit. Außerdem
sind diese Klebstoffe gegen Feuchtigkeit, auch der Luftfeuchtigkeit,
empfindlich und sind deswegen nach dem Auftragen nur kurzzeitig
lagerfähig.
Sie verlieren bei längerer
Lagerung vor dem Verkleben ihre Haftungseigenschaften und ihre Reaktivität.
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Ein
weiterer Nachteil der bekannten Klebstoffe liegt darin, dass diese
im Allgemeinen in dünner
Schicht aufgetragen werden, um eine gute Kohäsion zu gewährleisten. Wenn die Substrate
dabei deutlich unebene Oberflächen
aufweisen, können diese
Zwischenräume
durch den Klebstoff nicht ohne weiteres gefüllt werden. Bei starren Substraten
verbleiben Hohlräume,
diese schwächen
die Festigkeit der Verklebung. Ist ein Substrat aber dünn und flexibel,
so wird die unebene Oberfläche
bei solchen Substraten häufig
durchgedrückt,
so dass die Unebenheiten des Substrats beispielsweise auf einer
verklebten Folie sichtbar sind. Werden dagegen höhere Mengen des Klebstoffs
aufgetragen, so ergibt sich das Problem, dass der überschüssige Klebstoff
egalisiert werden muss und unter Umständen an den Seiten der Verklebung
austritt. Das verursacht Verunreinigungen des verklebten Gegenstandes
bzw. der benutzten Apparaturen. Außerdem ist die Kohäsion von
di cken Klebstoffschichten – insbesondere
bei geschäumten
Klebefugen – häufig schlecht.
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Aufgabe
der Erfindung war es deswegen ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, das eine einfache Applikation eines ein-Komponenten-Polyurethan-Klebstoffs
ermöglicht,
dabei eine lange Verarbeitungszeit aufweist, sowie mögliche Unebenheiten der
Substratoberfläche
beim Verkleben ausgleichen kann.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
den Patentansprüchen
zu entnehmen. Sie liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens,
bei dem bei einer niedrigen Applikationstemperatur ein feuchtigkeitsvernetzender
1K-Polyurethan-Klebstoffs appliziert wird, der während und nach der Applikation
nur eine geringe Reaktivität
zeigt. Das beschichtete Substrat kann ggf. gelagert werden, nach
dem Verkleben und Verpressen mit einem zweiten Substrat und einer
Vernetzung bei erhöhter
Temperatur ergibt sich dann eine Verklebung mit hoher Festigkeit.
Dabei schäumt der
Klebstoff bei der Vernetzungsreaktion geringfügig auf und ermöglicht so,
dass Höhenunterschiede
zwischen den Substratoberflächen
ausgeglichen werden und eine glatte Oberfläche erhalten wird.
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Ein
weiter Gegenstand der Erfindung sind feuchtigkeitsreaktive 1-K-Polyurethan-Klebstoffe, die nach
Applikation nicht Schäumen,
nach einer thermischen Aktivierung unter Aufschäumen verkleben. Dabei besteht
der 1K-Polyurethan-Klebstoff auf Basis eines Isocyanatgruppen enthaltenden
Prepolymeren als Reaktionsprodukt von
- – 20 bis
50 Gewichtsteilen mindestens eines oleochemischen Polyols,
- – 0
bis 15 Gew.-Teilen eines Polyols auf Basis von Polyethern oder Polyes
tern,
- – 80
bis 40 Gew.-Teilen eines Polyisocyanats,
- – ggf.
Additiven
wobei die Summe der Anteile 100 % ergeben soll. Ein
weiterer Gegenstand sind lagerstabile Klebstoffschichten auf Substraten
aus Holzwerkstoffen unter Verwendung der oben genannten Klebstoffe.
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Unter "oleochemischen Polyolen" sollen Polyole auf
Basis natürlicher Öle und Fette
verstanden werden, z.B. die Reaktionsprodukte von epoxidierten Fettstoffen
mit mono-, di- oder polyfunktionellen Alkoholen oder Glycerinester
langkettiger Fettsäuren,
die zumindest teilweise mit Hydroxylgruppen substituiert sind.
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Eine
Untergruppe dieser Verbindungen sind die Ringöffnungsprodukte epoxidierter
Triglyceride, also epoxidierter Fettsäureglycerinester, bei denen die
Ringöffnung
unter Erhalt der Esterbindungen ausgeführt worden ist. Zur Herstellung
der Ringöffnungsprodukte
kann man von einer Vielzahl epoxidierter Triglyceride pflanzlichen
oder tierischen Ursprungs ausgehen. So sind beispielsweise epoxidierte
Triglyceride geeignet, die 2 bis 10 Gewichtsprozent Epoxidsauerstoff
aufweisen. Derartige Produkte sind durch Eiloxidation der Doppelbindungen
aus einer Reihe von Fetten und Ölen
herstellbar, z.B. Rindertalg, Palmöl, Erdnußöl, Rüböl, Baumwollsaatöl, Sojaöl, Sonnenblumenöl und Leinöl. Besonders
bevorzugte eiloxidierte Triglyceride sind eiloxidiertes Sojaöl und eiloxidiertes
Leinöl.
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Als
Alkohole für
die Ringöffnung
der epoxidierten Triglyceride können
Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Butanol, Hexanol, 2-Ethylhexanol,
Fettalkohole mit 6 bis 22 C-Atomen, Cyclohexanol, Benzylalkohol,
1,2-Ethanol, 1,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol. 1,6-Hexandiol,
Neopentylglykol, Trimethylolpropan, Glycerin, Trimethylolethan,
Pentaerythrit, Sorbit sowie ethergruppenhaltige Hydroxyverbindungen
wie Alkylglykole oder oligomere Glykole sowie oligomere Glycerine
eingesetzt werden.
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Die
Ringöffnungsreaktion
epoxidierter Fettsäureester
oder Triglyceride mit einem Alkohol kann gegebenenfalls von einer
Umesterung mit sich selber oder anderen, nachträglich zugefügten Triglyceriden, wie zum
Beispiel Palmöl,
Erdnußöl, Rüböl, Baumwollsaatöl, Sojaöl, Sonnenblumenöl und Leinöl, gefolgt
sein. Solche oleochemischen Polyole sind z.B. in der deutschen Patentanmeldung
DE-A 41 28 649 beschrieben.
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Eine
weitere Gruppe der oleochemischen Polyole sind Ringöffnungs-
und Umesterungsprodukte von epoxidierten Fettsäureestern niederer Alkohole,
also von epoxidierten Fettsäuremethyl-,
-ethyl-, -propyl- oder -butylestern. Bevorzugt sind hier die Ringöffnungs-
oder Umesterungsprodukte mit Alkoholen der Funktionalität 2 bis
4, insbesondere die Umsetzungsprodukte mit Ethylenglykol, Propylenglykol,
oligomeren Ethylenglykolen, oligomeren Propylenglykolen, Glycerin,
Trimethylolpropan oder Pentaerythrit. Die Herstellung derartiger
Produkte kann nach bekannten Epoxidations- oder Ringöffnungsverfahren
erfolgen, wobei die Umesterung während oder
nach dem Ringöffnungsschritt
durch Entfernen des niederen Alkohols aus dem Reaktionsgleichgewicht
durchgeführt
werden kann. Bevorzugt sind Ringöffnungs-
und Umesterungsprodukte, bei denen ein molares Verhältnis zwischen
epoxidiertem Fettsäureester
und dem zur Umsetzung verwendeten Alkohol von 1: 1 bis 1: 10 angewandt
worden ist.
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Ebenfalls
zu den oleochemischen Polyolen zählen
die Umsetzungsprodukte epoxidierter Fettalkohole mit C2-C8-Alkoholen der Funktionalität 1 bis 10,
insbesondere 2 bis 4, im molaren Verhältnis der Epoxidgruppen zu
den Hydroxylgruppen von 1: 1 bis 1: 10.
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Im
Rahmen der Erfindung ist auch die Verwendung von oleochemischen
Polyolen möglich,
die über
die Umesterung von di- oder polyfunktionellen Alkoholen wie z.B.
dem Additionsprodukt von Ethylenoxid oder Propylenoxid an Glycerin
mit Triglyceriden, wie z.B. Palmöl,
Erdnußöl, Rüböl, Baumwollsaatöl, Sojaöl, Sonnenblumenöl und Leinöl, zugänglich sind.
Ebenso können
Polyole verwendet werden, die nach der Lehre der
DE-A 41 24 665 durch die Umesterung
von polymerisiertem Glycerin mit den vorstehend genannten Triglyceriden
erhältlich
sind. Auch harzmodifizierte oleochemische Polyole können eingesetzt
werden.
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Die
erfindungsgemäß geeigneten
oleochemischen Polyole können
Hydroxylzahlen von 50 bis 400, bevorzugt 100 bis 250 (mg KOH/g Festkörper) aufweisen.
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Besonders
bevorzugt ist die Verwendung von Rizinusöl oder Dimerdiolen als oleochemische Polyole
sowie solchen Polyesterpolyolen, die durch vollständige Ringöffnung von
epoxidierten Triglyceriden eines wenigstens teilweise olefinisch
ungesättigten
Fettsäure-enthaltenden
Fettgemisches mit einem oder mehreren Alkoholen mit 1 bis 12 C-Atomen
und anschließender
partieller Umesterung der Triglycerid-Derivate zu Alkylesterpolyolen
mit 1 bis 12 C-Atomen im Alkylrest hergestellt werden.
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Als
zusätzliche
Polyolkomponente in einem erfindungsgemäß geeigneten Polyurethan-Prepolymer
können
die in der Polyurethanchemie üblichen Di-,
Tri- oder polyfunktionellen Alkohole eingesetzt werden, die dem
Fachmann bekannt sind. Es handelt sich beispielsweise um Polyalkylenglykole,
Polyesterpolyole auf Basis von aliphatischen oder aromatischen Carbonsäuren, OH-funktionelle
Polycaprolactondiole, Polycarbonatdiole, herstellbar beispielsweise
durch Reaktion von niedermolekularen Diolen mit Diarylcarbonaten,
oder OH-Gruppen-haltige Polybutadiene. Solche Polyole können einzeln
oder im Gemisch eingesetzt werden.
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Als
geeignete Polyolkomponente sind beispielsweise Polyetherpolyole
bekannt auf Basis von Umsetzungsprodukten niedermolekularer polyfunktioneller
Alkohole mit Alkylenoxiden. Unter Polyetherpolyolen sind Polyole
mit 2 bis 4 OH-Gruppen pro Molekül
zu verstehen, diese sollen ein MN (zahlenmittleres
Molekulargewicht, wie durch GPC zu bestimmen) von 300 bis 15000
g/mol aufweisen. So können
insbesondere die Umsetzungsprodukte niedermolekularer mehrfunktioneller
Alkohole mit Alkylenoxiden mit bis zu 4 C-Atomen eingesetzt werden. Geeignet
sind beispielsweise die Umsetzungsprodukte von Ethylenglykol, Propylenglykol,
von den isomeren Butandiolen oder Hexandiolen mit Ethylenoxid, Propylenoxid
und/oder Butylenoxid oder Gemischen davon. Ferner können die
Umsetzungsprodukte trifunktioneller Alkohole wie Glycerin, Trimethylolethan
und/oder Trimethylolpropan oder höher funktioneller Alkohole
wie beispielsweise Pentaerythrit oder Zuckeralkohole mit den genannten
Alkylenoxiden eingesetzt werden.
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Weiterhin
sind Polyesterpolyole geeignet, die durch Polykondensation herstellbar
sind. Derartige Polyesterpolyole umfassen bevorzugt die Umsetzungsprodukte
von polyfunktionellen, vorzugsweise difunktionellen Alkoholen, gegebenenfalls
zusammen mit geringen Mengen an trifunktionellen Alkoholen, und
polyfunktionellen, vorzugsweise difunktionellen und/oder trifunktionellen
Carbonsäuren.
Anstatt freier Polycarbonsäuren
können
auch die entsprechenden Polycarbonsäureanhydride oder entsprechende
Polycarbonsäureester
mit Alkoholen mit vorzugsweise 1 bis 3 C-Atomen eingesetzt werden. Zur
Herstellung derartiger Polyesterpolyole geeignet sind insbesondere
Hexandiol, 1,4-Hydroxymethylcyclohexan, 2-Methyl-1,3-propandiol, Butantriol-1,2,4, Triethylenglykol,
Tetraethylenglykol, Ethylenglykol, Polyethylenglykol, Dipropylenglykol,
Polypropylenglykol, Dibutylenglykol und Polybutylenglykol. Die Polycarbonsäuren können aliphatisch,
cycloaliphatisch, oder aromatisch oder beides sein. Sie können gegebenenfalls
substituiert sein, beispielsweise durch Alkylgruppen, Alkenylgruppen,
Ethergruppen oder Halogene. Als Polycarbonsäuren sind beispielsweise Bernsteinsäure, Adipinsäure, Korksäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Trimellithsäure, Phthalsäureanhydrid, Tetrahydrophthalsäureanhydrid,
Hexahydrophthalsäureanhydrid,
Tetrachlorphthalsäureanhydrid,
Endomethylentetrahydrophthalsäureanhydrid,
Glutarsäureanhydrid,
Maleinsäure,
Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Dimerfettsäure oder
Trimerfettsäure oder
Gemische aus zwei oder mehr davon geeignet. Gegebenenfalls können untergeordnete
Mengen an monofunktionellen Fettsäuren im Reaktionsgemisch vorhanden
sein. Im Rahmen der Erfindung besonders geeignet sind Polyesterdiole
aus mindestens einer der genannten Dicarbonsäuren und Diolen, welche endständig OH-Gruppen aufweisen.
Ggf. können solche
Polyester endständig
mit Alkylenoxideinheiten umgesetzt werden. Das Molekulargewicht
soll zwischen 300 bis 5000 g/mol betragen, insbesondere unter 2500
g/mol.
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Besonders
geeignet sind jedoch Polyetherpolyole mit einem Molekulargewicht
von 300 bis 10000 g/mol, vorzugsweise 500 bis 5000 g/mol. So können – je nach
gewünschtem
Molekulargewicht – Anlagerungsprodukte
von nur wenigen Mol Ethylenoxid und/oder Propylenoxid pro Mol oder
aber von mehr als hundert Mol Ethy lenoxid und/oder Propylenoxid
an niedermolekulare mehrfunktionelle Alkohole eingesetzt werden.
Insbesondere bevorzugt sind Diole oder Triole. Insbesondere sind
Polypropylenglykole oder Polyethylenglykole geeignet. Unter den
genannten Polyetherpolyolen sind die Umsetzungsprodukte von mehrfunktionellen
niedermolekularen Alkoholen mit Propylenoxid unter Bedingungen,
bei denen zumindest teilweise sekundäre Hydroxylgruppen entstehen,
besonders geeignet.
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Die
Menge des oleochemischen Polyols soll zwischen 20 bis 50 Gew.-Teile
betragen. Die Menge der Polyetherpolyole oder Polyesterpolyole kann
zwischen 0 bis 15 Gew.-Teile betragen, bezogen auf die Menge aller
Prepolymerbestandteile. Über
die Menge der zusätzlichen
Polyole kann auch die Dauer der möglichen Lagerung vor einer
Verklebung und Aktivierung beeinflusst werden.
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Weiterhin
kann in einem erfindungsgemäßen Klebstoff
auch mindestens einen höherfunktioneller niedermolekularer
Polyol enthalten sein. Unter niedermolekular sollen Polyole mit
einer Molmasse zwischen 80 bis zu 500 g/mol verstanden werden, insbesondere
bis zu 300 g/mol, wobei die Funktionalität zwischen 3 bis 10 betragen
soll. Es handelt sich dabei Polyole, die eine höhere Vernetzung des Polymeren
ergeben. Dadurch kann ggf. die Kohäsion des Klebstoffs beeinflusst
werden. Die Menge soll bevorzugt unterhalb von 5 Gew.-Teile betragen
, sie wird so gewählt,
dass das Prepolymer bei der Herstellung nicht vorzeitig geliert.
Beispiele dafür
sind Glycerin, Trimethylolethan oder Trimethylolpropan, Pentaerythrit,
Zuckeralkohole oder Gemische daraus.
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Die
Polyisocyanate sind mehrfunktionell. Vorzugsweise enthalten die
geeigneten mehrfunktionellen Isocyanate im Mittel 2 bis höchstens
5, vorzugsweise bis 4 und insbesondere 2 oder 3 NCO-Gruppen. Beispiele
für geeignete
Isocyanate sind Phenylisocyanat, 1,5-Naphthylendiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat
(MDI), hydriertes MDI (H12MDI), Xylylendiisocyanat
(XDI), m- und p-Tetramethylxylylendiisocyanat (TMXDI), 4,4'-Diphenyldimethylmethandiisocyanat,
Di- und Tetraalkyldiphenylmethandiisocyanat, 4,4'-Dibenzyldiisocyanat, 1,3-Phenylendiisocyanat,
1,4-Phenylendiisocyanat, die Isomeren des Toluylendiisocya nats (TDI),
gegebenenfalls in Mischung, 1-Methyl-2,4-diisocyanato-cyclohexan,
1,6-Diisocyanato-2,2,4-trimethylhexan, 1,6-Diisocyanato-2,4,4-trimethylhexan,
1-Isocyanatomethyl-3-isocyanato-1,5,5-trimethyl-cyclohexan
(IPDI), phosphorhaltige Diisocyanate, Tetramethoxybutan-1,4-diisocyanat,
Butan-1,4-diisocyanat, Hexan-1,6-diisocyanat
(HDI), Dicyclohexylmethandiisocyanat, Cyclohexan-1,4-diisocyanat,
Ethylen-diisocyanat, Phthalsäure-bis-isocyanatoethylester
oder 1,12-Diisocyanatododecan
und Dimerfettsäure-diisocyanat.
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In
einer Ausführungsform
kann die Isocyanatkomponente mindestens anteilsweise Dimerfettsäureisocyanat,
hergestellt aus Gemischen von überwiegend
C36-Dicarbonsäuren umgesetzt
zu Dimerfettsäureisocyanaten,
enthalten. Weiterhin können
niedermolekulare Umsetzungsprodukte des MDI bzw. des TDI mit niedermolekularen
ein bis 4-wertigen Alkoholen mit einer Molmasse unterhalb von 300,
wie z.B. Ethylenglykol, Diethyenglykol, Glycerin, Dimethylolpropan,
Propylenglykol, Dipropylenglykol oder Triethylenglykol, verwendet
werden.
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Als
Di- oder Polyisocyanate werden vorzugsweise aromatische Isocyanate
verwendet mit einer Funktionalität
von ca. 2 bis 6, z.B. Diphenylmethandiisocyanat, entweder in Form
der reinen Isomeren, als Isomerengemisch der 2,4'-/4,4'-Isomeren oder auch das mit Carbodiimid
verflüssigte
Diphenylmethandiisocyanat (MDI), sowie das sogenannte "Roh-MDI", d.h., die Isomeren/Oligomerenmischung
des MDI. Ebenso können
oligomerisierte NCO-endständige Addukte
aus den oben genannten Isocyanaten und entsprechend mit mehrfach
funktionellen niedermolekularen Polyolen, Polyaminen oder Aminoalkoholen
eingesetzt werden. Es können
auch monomerarme MDI-Zubereitungen eingesetzt werden.
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Die
Menge der Isocyanatkomponente beträgt mehr als 40 Gew.-Teile bis
zu 80 Gew.-Teile aromatischer Isocyanate, insbesondere zwischen
50 bis 75 Gew.-Teile.
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Das
Verhältnis
der in der Isocyanatkomponente enthaltenen Isocyanatgruppen zu den
in der Polyolkomponenten enthaltenen OH-Gruppen ist so zu wählen, dass ein
NCO-Gruppen haltiges Prepolymer erhalten wird. Dabei soll das entstehende
Prepolymer zwischen 5 % bis zu 30 Gew.-% NCO-Gruppen enthalten.
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Die
erfindungsgemäßen 1K-PU-Klebstoffe können weiterhin
Hilfsstoffe und Additive enthalten. Darunter werden Stoffe verstanden,
die in der Regel in kleinen Mengen zugesetzt werden, um die Eigenschaften
des Klebstoffs in gewünschter
Richtung zu verändern,
z.B. deren Verarbeitbarkeit, Lagerfähigkeit und auch Gebrauchseigenschaften
dem konkreten Anwendungsgebiet anzupassen. Geeignete Hilfsstoffe
können
sein: Füllstoffe,
Verlaufsmittel, Entlüfter,
Thixotropiermittel, Katalysatoren, Alterungsschutzmittel, Farbstoffe,
Trockenmittel, Flammschutzmittel, Lösungsmittel und Netzmittel.
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Als
Füllstoffe
geeignet sind gegenüber
Isocyanaten nicht reaktive anorganische Verbindungen wie Kreide,
beschichtete Kreide, Kalkmehl, Calcium-Magnesium-Carbonate, Aluminiumoxide und -hydroxide,
gefällte
Kieselsäure,
Zeolithe, Bentonite, Glas, Hohlkugeln oder gemahlene Mineralien.
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Das
Verlaufmittel soll das Verlaufen des Klebstoffs beim Auftrag fördern, d.h.
seine Fähigkeit, beim
Auftragen entstehende Unebenheiten, Streifen, Blasen, Krater usw.
auszugleichen. Als Verlaufmittel eignen sich nicht reaktive Verbindungen
wie Glykolether, Silikonöle,
Acrylatcopolymere, Polyvinylderivate.
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Die
erfindungsgemäßen 1K-Polyurethan-Klebstoffe
können
auch Katalysatoren enthalten, die die Reaktion der OH-Gruppe mit
den NCO-Gruppen beschleunigen, vor allem metallorganische Verbindungen,
z.B. Blei-phenyl-ethyl-dithiocarbaminat, Di-n-octyl-Zinn-mercaptid,
-bisdodecyl-mercaptid, -dichlorid, insbesondere Zinn(II)salze von
Carbonsäuren,
wie Dibutylzinn-maleat, -diacetat, -dilaurat, Zinn-II-acetat, -ethylhexoat
und -diethylhexoat oder starke Basen wie Alkali-Hydroxide, -Alkoholate
und -Phenolate.
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Ebenfalls
geeignet sind auch aliphatische tertiäre Amine insbesondere bei cyclischer
Struktur. Unter den tertiären
Aminen sind auch solche geeignet, die zu sätzlich noch gegenüber den
Isocyanaten reaktive Gruppen tragen, insbesondere Hydroxyl- und/oder
Amino-Gruppen. Beispiele dafür
sind Dimethylmonoethanolamin, Diethylmonoethanolamin, Methylethylmonoethanolamin,
Triethanolamin, Trimethanolamin, Tripropanolamin, Tributanolamin,
Trihexanolamin, Tripentanolamin, Tricyclohexanolamin, Diethanolmethylamin,
Diethanolethylamin, Diethanolpropylamin, Diethanolbutylamin, Diethanolpentylamin,
Diethanohexylamin, Diethanolcyclohexylamin, Diethanolphenylamin
sowie deren Ethoxylierungs- und Propoxylierungs-Produkte, Diaza-bicyclo-octan (DABCO),
Triethylamin, Dimethylbenzylamin, Bis-dimethylaminoethylether, Tetramethylguanidin,
Bis-dimethylaminomethyl-Phenol, 2,2'-Dimorpholinodiethylether, 2-(2-Dimethylaminoethoxy)ethanol,
2-Dimethylaminoethyl-3-dimethylaminopropylether, Bis(2-dimethylaminoethyl)ether,
N,N-Dimethylpiperazin, N-(2-hydroxyethoxyethyl)-2-azanorborane, Texacat
DP-914, N,N,N,N-Tetramethylbutan-1,3-diamin, N,N,N,N-Tetramethylpropan-1,3-diamin
und N,N,N,N-Tetramethylhexan-1,6-diamin.
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Solche
Amin-Katalysatoren können
auch in oligomerisierter oder polymerisierter Form vorliegen, z.B.
als Stickstoff-methyliertes Polyethylenimin. Es können ggf.
auch Gemische der verschiedenen Katalysatoren eingesetzt werden.
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Als
weitere Additive können
auch Harze natürlichen
oder synthetischen Ursprungs zugesetzt werden. Die natürlichen
Harze können
sowohl pflanzlicher als auch tierischer Herkunft sein, wie Schellack
und Kolophonium, Tallharze, Balsamharze oder Wurzelharze. Nicht
nur die nativen natürlichen Harze,
sondern vor allem deren Derivate sind brauchbar, sei es, daß sie durch
Disproportionierung, Dimerisierung, Hydrierung, Polymersation, Veresterung,
Salzbildung oder durch Addition ungesättigter Verbindungen, z.B.
von Maleinsäure
erhältlich
sind.
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Die
synthetischen Harze werden im Allgemeinen durch Polymerisation oder
Polykondensation gewonnen. Sie haben charakteristischerweise keinen
scharfen Schmelz- oder Erweichungspunkt. Beispiele dafür sind Kohlenwasserstoff-,
Terpen-, Cumaron/Inden-, Furan-, Alkyd-, Aldehyd-, Keton-, Phenol-,
Glycerinester-, Polyester-, Epoxid-, Harnstoff-, Melamin-, Polyamid-
und Isocyanat-Harze.
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Die
Menge der Additive soll unter 10 Gew.-Teile betragen.
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Aus
den oben erwähnten
Polyolen auf olechemischen Basis, den zusätzlichen Polyolen auf Polyether-
oder Polyesterbasis und den entsprechenden Polyisocyanaten können auf
dem Fachmann bekannte Art und Weise erfindungsgemäße Klebstoffe
hergestellt werden. Dabei werden im Allgemeinen die Polyole einzeln
oder im Gemisch vorgelegt und gegebenenfalls getrocknet. Das kann durch
abdestillieren durchgeführt
werden, beispielsweise auch im Vakuum. Weiterhin ist es möglich durch
wasserentfernende Substanzen, wie beispielsweise Molekularsiebe,
Wasser aus den Polyolen zu entfernen. Geringe Restmengen von Wasser
kleiner 500 ppm, sind nicht weiter störend, da im Allgemeinen mit
einem Überschuss
an Isocyanat gearbeitet wird. Zu der so im Wesentlichen wasserfrei
gemachten Polyoff-Mischung wird dann das Isocyanat oder eine Mischung
mehrerer Isocyanate zugesetzt. Dabei ist für eine gute Durchmischung der
Komponenten Sorge zu tragen. Die Reaktion zwischen den OH-Gruppen
und den Isocyanatgruppen beginnt üblicherweise spontan, sie kann
gegebenenfalls durch Erwärmen
unterstützt
werden oder es wird eine geringe Menge eines Katalysators zugesetzt.
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Das
entstehende Prepolymer ist NCO-haltig. Gegebenenfalls ist es möglich zu
dieser Mischung weitere Additive zu geben. Dabei ist darauf zu achten,
dass diese Additive keine mit den Isocyanatgruppen reaktiven Gruppen
enthalten. Der fertige Klebstoff soll eine Viskosität zwischen
500 bis 150000 mPas bei Applikationstemperatur, beispielsweise bei 30°C aufweisen,
insbesondere zwischen 1000 bis zu 50000 mPas (gemessen mit Brookfield
RVT, 30°C EN
ISO 2555 ). Er ist unter Ausschluss von Wasser längere Zeit lagerstabil. Mit
dem erfindungsgemäßen Klebstoff
ist es möglich,
dünne Klebstoffschichten
auf ein Substrat aufzutragen, die danach bei Raumtemperatur bis
zu 24 Stunden lagerfähig
sind, ohne ihre Klebstoffeigenschaften zu verlieren. Solche dünnen Schichten
können
danach mit anderen Substraten zusammengefügt werden und mit einer Aktivierung durch
erhöhte
Temperatur vernetzt werden. Dabei wird dann das in der Umgebung
oder im Klebstoff vorhandene Wasser/ die Feuchtigkeit mit den Isocyanatgruppen
umge setzt und es findet schnell der Haftungsaufbau statt. Überrschenderweise
findet diese Reaktion in dünnen
Schichten des Klebstoffs ohne thermische Aktivierung nicht statt,
obwohl ausreichend Luftfeuchtigkeit vorhanden ist.
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Die
erfindungsgemäßen 1K-Polyurethan-Klebstoffe
sind zum Verbinden einer Vielzahl von festen oder flexiblen Substraten
geeignet. So können
Kunststoffe, Metalle, Glas, insbesondere Holz und Holzwerkstoffe
(Spanplatten, MDF-Platten) verklebt werden. Insbesondere können unflexible Substrate
miteinander verklebt werden oder es werden auf solche festen Substrate
flexible folienförmige Substrate
verklebt werden. Als flexible Substrate sind beispielsweise Holzfurniere,
Furnierfolien oder Mehrschichtfolien geeignet. Der Wassergehalt
der Substrate ist in der Regel nicht kritisch, die an der Oberfläche vorhandene übliche Feuchtigkeit
ist für
eine gute Haftung und Vernetzung positiv. Bei porösen Holzwerkstoffen
kann der Feuchtigkeitsgehalt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 20
Gew.% liegen, insbesondere im Bereich von 4 bis 16 Gew.%.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird auf ein Substrat ein erfindungsgemäß geeigneter 1K-PU-Klebstoff
aufgetragen. Das kann durch die bekannten Verfahren geschehen, beispielsweise
durch Rakeln, Sprühauftrag,
Walzenauftrag, Düsenauftrag
oder andere Verfahren. Die Viskosität des Klebstoffs soll so ausgewählt werden,
dass das Applikationsverfahren eine gleichmäßige Schicht ergibt. Dabei
ist für
niedrigere Viskositäten
insbesondere ein Walzenauftrag geeignet, bei hohen Viskositäten ist
ein Auftragen durch Düsen
vorteilhafter. Das Auftragen kann gegebenenfalls durch ein Erwärmen des
Klebstoffs unterstützt
werden. Gegebenenfalls ist es auch möglich inerte Lösemittel
zuzusetzen, um die Viskosität
zu beeinflussen, diese Arbeitsweise ist aber weniger bevorzugt.
Die Temperatur bei der Applikation soll unterhalb 50°C liegen,
besonders unter 40°C,
insbesondere ungefähr
bei Raumtemperatur von 15 bis 30°C.
Die Schichtdicke kann bis zu 750 μm
betragen, insbesondere zwischen 10 bis 250 μm.
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Nach
dem Auftragen des flüssigen
Klebstoffs auf diese Substratoberfläche kann die Schicht gegebenenfalls
abkühlen
und ggf. gelieren. Es entsteht eine dünne Beschichtung, die bei Raumtemperatur, d.h.
bei Temperaturen unterhalb von 30°C
praktisch keine Vernetzungsreaktion zeigt oder Blasen bildet und
für einen
Zeitraum zwischen 30 min. bis 24 Stunden lagerfähig ist, insbesondere ist diese
Klebstoffschicht mehr als 3 Stunden lagerfähig. Die Lagerbedingungen sind
variabel. Die Luftfeuchtigkeit bei der Lagerung kann bis zu 95 %
Luftfeuchtigkeit betragen. Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein,
um Verunreinigungen der mit dem Klebstoff beschichteten Oberfläche während der
Lagerung zu vermeiden, diese mit nicht haftenden Schutzfolien, z.B.
auf Polymerbasis oder mit anti-haft beschichtetem Papier, abzudecken.
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Bei
der erfindungsgemäßen Arbeitsweise wird
nach dem Beschichten des Substrats ein zweites Substrat, beispielsweise
ein weiteres festes Holzsubstrat oder bevorzugt ein flexibles Substrat,
insbesondere eine Holz- oder Kunststofffolie, aufgebracht. Dazu
wird in einer Anpressvorrichtung das zu verklebende Substrat auf
die mit dem Klebstoff beschichteten Substratoberfläche aufgebracht.
Der Verbund wird gepresst, vor dem Aufbringen oder bevorzugt gleichzeitig
wird der Klebstoff aktiviert. Die Aktivierung geschieht durch Erwärmen auf
eine Temperatur oberhalb von 50°C,
bevorzugt mehr als 70°C,
insbesondere oberhalb von 80°C.
Temperaturen oberhalb von 250°C
sind im Allgemeinen ungeeignet, da sie zu einer Schädigung der
Substrate führen
können
und unnötig
Energie benötigen,
insbesondere soll die Temperatur unter 200°C liegen. Druck und erhöhte Temperatur
werden für
einen Zeitraum zwischen 10 Sekunden und 30 Minuten gehalten, insbesondere zwischen
1 min bis zu 15 min. Innerhalb dieser Zeit findet eine Reaktion
der Klebstoffschicht mit dem im Klebstoff aufgenommenen Wasser,
der Feuchtigkeit der Substrate bzw. Luftfeuchtigkeit statt. Danach kann
Druck und erhöhte
Temperatur entfernt werden, die Substrate sind fest verklebt und
können
danach gelagert werden. Die Festigkeit und Formstabilität der so
hergestellten Verbunde ist schon bei Presstemperatur gegeben, ein
Rückkühlen und
physikalisches Abbinden zur Erreichung ausreichender Festigkeitswerte
ist nicht erforderlich.
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Eine
andere erfindungsgemäße Arbeitsweise
fügt mehrere
verschiedene oder gleiche Substratschichten zusammen, die auf einer
Seite eine Klebstoffschicht entsprechend dem Verfahren aufweisen, die
dann zusammen verpresst und verklebt werden. Dabei können dann
Schichtholzformkörper
entstehen.
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Die
erfindungsgemäße Klebstoffschicht
zeigt nach dem Auftragen auf einer Substratoberfläche bei einer
Lagerung unterhalb von 40°C,
insbesondere 30°C,
keine Vernetzungsreaktionen oder eine Blasenbildung als störende Nebenreaktion.
Die nichtaktivierte Klebstoffschicht verliert in einer Lagerung nicht
ihre Klebstoffwirkung, d.h. die offene Zeit des Klebstoffs bis zur
endgültigen
Verklebung ist groß.
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Erfindungsgemäß ist jedoch
notwendig, dass nach dem Erwärmen
auf die Aktivierungstemperatur und dem dabei durchgeführten Pressvorgang
der Klebstoff bei der Vernetzung aufschäumt. Das Schaumvolumen ist
nur gering und sollte insbesondere unter 50 Volumen-% des Klebstoffs
liegen. Während
der erfindungsgemäße nicht
geschäumte Klebstoff üblicherweise
eine Dichte von ca. 1,00 bis 1,20 g/cm3 aufweist,
kann der vernetzte Klebstoff eine geringere Dichte aufweisen. Das
Schaumvolumen kann über
die Dichte des vernetzten Klebstoffs bestimmt werden. Die Dichte
soll zwischen 1,10 bis zu 0,3 g/cm3 betragen,
insbesondere zwischen 0,5 bis zu 0,95 g/cm3.
Das geringfügige
Aufschäumen
eines erfindungsgemäß geeigneten
Klebstoffs führt überraschenderweise
nicht zu einer Verminderung von Kohäsion oder Adhäsion des
Klebstoffs zu den Substraten. Die Haftfestigkeit der verklebten
Flächen ist
hoch.
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Insbesondere
ist das erfindungsgemäße Verfahren
zum Verkleben von dünnen
flexiblen Substraten auf einem starren Substrat geeignet, beispielsweise
von Folien auf Basis von Polymeren, Holz oder Verbundmaterialien,
auf starren, festen Kunststoff-, Metall– oder Holzsubstraten geeignet,
es können
jedoch auch zwei oder mehrere gleichartige Substrate verklebt werden.
Dabei braucht die Oberfläche
festen Substrats nicht besonders geglättet oder vorbehandelt werden.
Möglich
Unebenheiten oder Hohlstellen der Oberfläche, beispielsweise mit einer
Tiefe von bis zu 1mm, werden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren
mit einem geeigneten Klebstoff überbrückt oder
aufgefüllt.
Es wird auf diese Art und Weise eine Verklebung eines dünnen, flexiblen
Substrats zu einer glatten Oberfläche erzielt, die Festigkeit
wird nicht durch den Schaumanteil in dem ausgehärteten Klebstoff beeinträchtigt.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Auftragen
von dünnen
reaktiven Klebstoffschichten auf Substrate mittels Walzen, Rollen
oder Rakein, wobei die Auftragstemperatur unter 50°C, insbesondere
unter 40°C
beträgt.
Bekannte 1K-Polyurethan-Klebstoffe weisen im allgemeinen eine kurze
offene Zeit auf, d.h. der Klebstoff reagiert auch bei Raumtemperatur
mit der Umgebungsfeuchtigkeit. Durch Verwendung eines erfindungsgemäßen 1K-PU-Klebstoffs
mit einer langen Offenen Zeit ist es möglich, dass die Auftragswerkzeuge,
beispielsweise die Auftragswalze, für einen längeren Zeitraum kontinuierlich
betrieben werden kann, ohne dass eine Reinigung notwendig ist. Gemäß dieser
Arbeitsweise kann die Auftragsvorrichtung längere Zeit, z.B. bis zu 24
Stunden, mit dem erfindungsgemäßen Klebstoff unter üblichen
Bedingungen in Kontakt kommen. Dabei wird der Klebstoff nicht mit
der Feuchtigkeit der Umgebung reagieren, es treten keine vorzeitigen Vernetzungsreaktionen
auf und die Auftragsvorrichtung wird nicht verunreinigt. Es ist
ausreichend in größeren Zeitabständen eine
Reinigung vorzunehmen, da keine Gel- oder Stippenbildung in dem
feuchtigkeithärtenden
Klebstoff auftritt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist also insbesondere
für ein
kontinuierliches Auftragsverfahren geeignet.
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Die
Verklebungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeichnen sich
durch eine außergewöhnliche
hohe Festigkeit sowie Beständigkeit
der Festigkeit gegenüber
Feuchteinwirkung aus. Möglichen
Unebenheiten einer Substratoberfläche werden durch eine erfindungsgemäße Arbeitsweise
ausgeglichen und eine zweite dünne
flexible Substratschicht kann auf das erste unebene Substrat verklebt werden.
Die verklebten Substrate weisen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine sehr glatte Oberfläche
auf. Durch die lange Offene Zeit treten keine Verunreinigungen an
der Auftragsvorrichtung auf. Weiterhin sind keine vorzeitige Gelerscheinungen
im Klebstofffilm zu beobachten.
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Beispiele
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Beispiel 1
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10
Teile eines Polyetherdiols auf Basis Propylenglykol mit einem MN von ca. 2000 werden unter Vakuum getrocknet.
Zu diesem Diol werden weiterhin 30 Teile eines oleochemischen Polyols
mit einem MN von ca. 1000 und einer OH-Zahl
von ca. 200 gegeben. In die Mischung werden 60 Teile Roh-MDIs (Isonate
143 L) gegeben. Die Mischung wird homogenisiert und bei einer Temperatur
von 75°C
für 30
Minuten gerührt.
Es entsteht ein Klebstoff mit einem NCO-Gehalt von 16 % und einer
Viskosität
von 10.000 mPas bei 30°C.
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Beispiel 2
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39,5
Teile eines oleochemischen Polyols mit einem MN von
1000 und einer OH-Zahl
von 200 werden im Vakuum entwässert.
Es werden 0,5 Teile Pentaerythrit zugegeben. Dazu werden 60 Teile
Roh-MDI gegeben. Es werden 0,01 % DBTL als Katalysator zugesetzt,
die Mischung homogenisiert und für
eine Zeit von einer Stunde bei 50°C
abreagiert.
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Es
entsteht ein Klebstoff mit einer Viskosität von 50.000 mPas bei 30°C und einem
Isocyanatgehalt von 17 % NCO.
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Beispiel 3
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25
Teile eines oleochemischen Polyols mit einem MN von
ca. 1000 und einer OH-Zahl
von ca. 200 werden getrocknet. In die Mischung werden 75 Teile Roh-MDIs
(Isonate 143 L) gegeben. Die Mischung wird homogenisiert und bei
einer Temperatur von 75°C
für 30
Minuten gerührt.
Es entsteht ein Klebstoff mit einem NCO-Gehalt von 20 % und einer Viskosität von 20.000
mPas bei 30°C.
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Verklebung:
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1)
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Ein
Buchenholzkörper
wird von anhaftenden Staubbestandteilen gereinigt. Danach wird mit
einem Rakel ein Klebstoff gemäß Beispiel
1 bis 3 mit einer Schichtdicke von ca. 50 μm bei Raumtemperatur ( 25°C) aufgetragen.
Nach dem Abkühlen
des Substrats wird eine lagerstabile Schicht erhalten. Analog wird
ein Aluminiumprobekörper
beschichtet.
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Die
so beschichteten Substrate werden mit einem entsprechenden Substrat
verklebt. Die verklebten Substrate werden in einer Presse einem Druck
von 10-100 kg/m2 ausgesetzt, gleichzeitig
wird das Werkstück
auf 150°C
erwärmt.
Druck und Temperatur bleiben bei einer Zeit von 10 Minuten bestehen.
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Die
verklebten Produkte zeigen eine Zugscherfestigkeit von über 6 N/mm2. Es ergeben sich ähnliche Werte, wenn die Prüfkörper vor
dem Verkleben 5 Stunden bei Raumtemperatur gelagert werden. Die
Klebstofffläche
ist dabei nicht aufgeschäumt.
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2)
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Die
oben genannten Holzprüfkörper werden analog
beschichtet. Es wird eine Papier- oder CPL-Folie aufgebracht und
der verklebte Körper
5 min. bei 100°C
gepresst und erwärmt.
Das entstehende Produkt zeigt eine glatte Oberfläche, Unebenheiten des Substrats
bilden sich nicht ab.
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In
einem Vergleichsversuch wurden ein handelsüblicher Klebstoff vom Typ Macromelt
UR 7221 (Henkel KGaA) auf Basis eines Isocyanat-vernetzenden Polyurethans
aufgetragen. Die Schichtdicke auf dem Holzprüfkörper betrug ebenfall 50 μm.
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Nach
Lagerung mit offener Oberfläche
zeigt sich nach 2 Stunden eine Schaumbildung an der Oberfläche.
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Das
Substrat wurde nach der Lagerung mit einem Holzkörper verklebt bei 10 min 150°C, die Zugscherfestigkeit
beträgt
unterhalb von 4,0 N/mm2.
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Es
wurde eine entsprechenden Papier- oder CPL-Folie verklebt, verpresst
und erwärmt.
Die Oberflächenfehler
zeichnen sich ab.