Standfest durch HDK^®

Damit Industrieklebstoffe in automatisierten Prozessen appliziert werden können, müssen sich ihre Fließeigenschaften exakt einstellen lassen. Eine neue pyrogene Kieselsäure von WACKER verbessert die Viskosität des Klebstoffs und zudem den Herstellprozess. Trotz ausgeprägter Hydrophobie lässt sich HDK^® H21 zügig und problemlos in flüssige Klebstoffe einarbeiten.

Ohne Kleben kein Strom aus Wind: Die Rotorblätter, die bein eueren Onshore-Windkraftanlagen bis zu 80 Meter lang sind, bestehen aus zwei Halbschalen, die zusammen mit Versteifungsstegen hochfest verklebt werden. Diese Klebungen sind in der Lage, die gewaltigen Kräfte zu übertragen, die im Windbetrieb auftreten. Aber auch andere Industrien setzen in der Fügetechnik zunehmend auf moderne Hochleistungsklebstoffe: Die Autoindustrie verklebt verschiedenartige Materialien miteinander und benötigt crashfeste Klebungen. Die Baubranche ersetzt herkömmliche Dübel durch chemische.

Ein engmaschiges Netzwerk hält naturgemäß Scherkräften besser stand als ein weitmaschiges, locker geknüpftes Netzwerk, weshalb sich die Kieselsäure zur Einstellung der Fließeigenschaften von flüssigen Produkten nutzen lässt.

Die Größe der spezifischen Oberfläche spiegelt sich zudem in vielen weiteren Produkteigenschaften wider. HDK^® H18 und HDK^® H21 basieren auf Partikeln mit hohen spezifischen Oberflächen. Bereits wenige Gramm dieser Typen repräsentieren die Fläche eines Fußballfeldes.

Auf der Oberfläche von Kieselsäurepartikeln aus dem Flammhydrolyseprozess finden sich Silanolgruppen. Sie verleihen den Partikeln einen polaren und zunächst hydrophilen Charakter. Die Reaktivität der Silanolgruppen ermöglicht eine gezielte Modifizierung der Partikel mit siliciumorganischen Verbindungen. Die Oberfläche der Kieselsäure wird in solchen Verfahren hydrophobiert und wird unpolar – sie erhält wasserabweisende Eigenschaften. In der Folge verringert sich die Zahl der für reaktive Klebstoffsysteme zugänglichen Silanolgruppen. Die Hydrophobierung der Kieselsäureoberfläche schützt vor Reaktionen mit Klebeharzen und trägt dadurch zu ihrer Lagerbeständigkeit bei.

Eine hydrophobe HDK^® wird stets in einem dem Flammenprozess nachgelagerten Prozess erzeugt – etwa durch Behandlung mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS), wie sie WACKER bei der Herstellung von HDK^® H21 und HDK^® H18 durchführt. Ein Maß für die dadurch erreichte Hydrophobierung ist der Kohlenstoffgehalt, der durch die Methylgruppen des PDMS in die Kieselsäure eingebracht wird. Die Type HDK^® H21 erreicht einen Kohlenstoffgehalt von etwa 5,5 Prozent. „Auch für eine Kieselsäure mit einer großen spezifischen Oberf läche ist dieser Wert hoch – das macht HDK^® H21 zu einer hochhydrophoben Type“, betont Dr. Ingmar Piglosiewicz. „Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um die Fließeigenschaften polarer Klebstoffe effizient steuern zu können.“

Hochhydrophobe und damit unpolare Kieselsäuren sind effektive Rheologieadditive für polare Klebstoffsysteme. Die Polaritätsdifferenz zwischen hydrophober, unpolarer Kieselsäure und dem polaren Klebstoffsystem führt dazu, dass die Kieselsäureaggregate bevorzugt untereinander wechselwirken und weniger mit der Klebstoffmatrix. Durch die interpartikulären Wechselwirkungen entstehen stabile Agglomeratsnetzwerke, die letztlich die gewünschten Rheologieeffekte hervorrufen.

Auf der anderen Seite lassen sich hochhydrophobe Kieselsäuren nur schwer durch polare Klebstoffsysteme benetzen. Die Polaritätsdifferenz führt in der Regel zu einer signifikanten Einarbeitungszeit der Kieselsäure in das Klebstoffsystem und erfordert geeignete Apparate. Somit bringt der notwendige Einsatz hydrophober Kieselsäuren für den Hersteller auch Herausforderungen mit sich.

„Die Bildung reversibler Kieselsäurenetzwerke in Klebstoffsystemen verursacht und ermöglicht somit beides“, erklärt Dr. Piglosiewicz: „eine hohe Viskosität flüssiger Formulierungen im Ruhezustand und eine niedrige Viskosität während Verarbeitung und Anwendung.“ Dieses Verhalten nennt der Chemiker Scherverdünnung oder Strukturviskosität, auch als Thixotropie ist es bekannt.

Als Folge der Thixotropierung gelingt die Klebung auch dann zuverlässig und fehlerfrei, wenn die Fügeflächen geneigt sind, wie es in einigen Abschnitten der Rotorblatthalbschalen von Windkraftanlagen oder bei der Fertigung von Automobilkarosserien der Fall ist – der Klebstoff fließt nicht von den Fügeflächen herunter. Ähnlich bei chemischen Dübeln, die zum Verbinden schwerer Gebäudeteile eingesetzt werden: In das tragende Gebäudeteil werden Löcher gebohrt, in die sogenannte Ankerstangen eingeklebt werden. Sie wiederum dienen als Befestigungselemente für das anzubringende Teil, etwa einen Balkon. Ist die Rheologie des verwendeten Strukturklebstoffs korrekt eingestellt, läuft kein Klebstoff aus den Bohrlöchern heraus, sodass die Stangen nach dem Aushärten stets fest in den Löchern verankert sind.

Soll eine starke Thixotropierung erreicht werden, müssen sich die flüssige Phase und die HDK^® in ihrer Polarität deutlich unterscheiden. Der Grund: Bei großen Polaritätsunterschieden sind die Aggregatteilchen der HDK^® bestrebt, relativ scherstabile Agglomeratsnetzwerke zu bilden. Die Aggregate wechselwirken dann bevorzugt mit ihresgleichen – und nicht mit den physikalisch andersartigen Molekülen der flüssigen Phase. Es ergeben sich signifikante Viskositätsdifferenzen zwischen hoher Scherrate, bei der kein HDK^®-Agglomeratsnetzwerk besteht, und niedriger Scherrate, bei der sich Netzwerke aufbauen. Das Ausmaß der rheologischen Wirkung kann der Formulierer präzise justieren, indem er die Einsatzmenge der HDK^® variiert.

Um die Fließeigenschaften eines polaren Industrieklebstoffs effizient einstellen zu können, wird somit eine unpolare und damit eine hochhydrophobe Type wie HDK^® H21 benötigt. „Weil HDK^® H21 in so hohem Maß rheologisch wirksam ist, erlaubt es diese Type zudem in hochpolaren Formulierungen, die Kieselsäurekonzentration zu reduzieren“, erklärt Dr. Ingmar Piglosiewicz. Dies könne mit einer Kostenersparnis einhergehen.