Welcher Kleber passt?

03.07.2009 | Veröffentlicht in Ausgabe 07-2009

Kleber, Glas und Holz im Test<br />Schemaskizze des Prüfkörpers für die Festigkeitsversuche der Glas-Holz-Verklebungen. — Kleber, Glas und Holz im Test
Schemaskizze des Prüfkörpers für die Festigkeitsversuche der Glas-Holz-Verklebungen.

Geklebte Verbindungen finden im Bauwesen zunehmend Anwendung: etwa bei Fassaden, Fenstern und im Innenausbau. Im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte untersuchte die Holzforschung Austria (HFA) das Verkleben von Holz und Glas und entwickelte parallel dazu, gemeinsam mit dem ift Rosenheim und der Berner Fachhochschule in Biel, die Richtlinie „Beurteilungsgrundlage für geklebte Verglasungssysteme“. Im Folgenden geben wir einen Überblick über die Ergebnisse und wie diese ermittelt wurden.

Die hier vorgestellte Untersuchung bezieht sich auf das Verkleben von Glas mit Holzfensterkanteln. Die Ergebnisse lassen sich auch auf weitere Anwendungen, etwa im Fassadenbau sowie für die Möbelherstellung oder die Innenraumgestaltung übertragen.

Entwicklung des Testverfahrens

Zu Projektbeginn gab es für die Beurteilung von Holz-Glas-Klebungen (im Fensterbau) keine Regelwerke oder standardisierte Methoden. Hierzu wurde ein Methodenscreening durchgeführt bzw. geeignete Tests entwickelt, welche dann an drei unterschiedlichen Klebstoffsystemen (Acrylat, Silan, Silikon) ausgetestet wurden.

Die Erkenntnisse dieser Versuchsreihe flossen direkt in die Richtlinie „Beurteilungsgrundlage für geklebte Verglasungssysteme“ ein, die in Zusammenarbeit der drei Institute Holzforschung Austria, ift Rosenheim und Berner Fachhochschule – Architektur Holz und Bau, Biel erarbeitet wurde. Die Tests können im Detail in der genannten Richtlinie nachgelesen werden und umfassen unterschiedliche Belastungsarten, verschiedene Belastungsrichtungen sowie unterschiedliche Lagerungsfolgen (die Richtlinie kann bei den genannten Instituten bestellt werden).

Variation des Haftgrundes Holz

Um den Einfluss des Haftgrundes Holz auf den Klebeverbund im Detail zu untersuchen, wurden umfassende Testreihen durchgeführt und folgende Werkstoffparameter variiert: Holzart (Fichte, Lärche, Eiche), Holzfeuchte (6 %, 13 %, 21 %), Untergrundvorbehandlung (geschliffen, gehobelt, sägerau) und Oberflächenbehandlung (unbehandelt, Grundierung, Mittelschichtlasur, Dickschichtlasur). Als Klebstoffe für diese Versuche dienten zwei Silikone, ein Acrylat, ein Silan, ein homogenes und ein mehrschichtiges Klebeband.

Insgesamt haben die Versuche gezeigt, dass vor allem bei Variation der Holzart oder bei Klebung auf ein Beschichtungssystem besondere Vorsicht geboten ist. Die einzelnen Klebstoffsysteme können höchst unterschiedlich auf die Veränderung dieser Parameter reagieren. Beispielsweise wurde bei mehreren Proben zwischen Beschichtung und Holz bzw. zwischen Beschichtung und Klebstoff unerwünschter Adhäsionsbruch festgestellt. Es wird dringend empfohlen, bei einer Änderung der Holzart oder des Beschichtungssystems die Eignung des Klebeverbundes erneut nachzuweisen bzw. auf eine Beschichtung im Bereich der Klebung zu verzichten. Bei der Untersuchung des Einflusses der Holzfeuchte auf eine Holz-Glas-Klebung wurde bestätigt, dass die Festigkeitseigenschaften mit steigender Holzfeuchte geringfügig sinken. Ferner wurde nachgewiesen, dass gehobelte oder geschliffene Oberflächen sägerauen vorzuziehen sind.

Festigkeitseigenschaften

Für die Klebung von Holz mit Glas gibt es Klebstoffsysteme auf unterschiedlichster chemischer Basis und mit entsprechend verschiedenartigen (Festigkeits-) Eigenschaften auf dem Markt. Mit dem Ziel sowohl die einzelnen Produkte als auch „Klebstoffgruppen“ (Silikone, semi-elastische Klebstoffsysteme, Klebebänder) zu charakterisieren, wurden umfangreiche Untersuchungen an 10 Klebstoffsystemen durchgeführt. Hier handelte es sich um drei Silikone, ein Acrylat, zwei Silane sowie zwei homogene und zwei mehrschichtige Klebebänder. Die genaue Charakterisierung eines Klebstoffsystems dient der Beschreibung der Eigenschaften (z.B.: Festigkeiten, UV-Beständigkeit, Wasserresistenz,…) und somit der Definition des Anwendungsbereichs (z.B.: Klebstoffsystem für die Klebung im direkt bewitterten Bereich geeignet/nicht geeignet).

Die Silikone erwiesen sich für die Verklebung von Holz und Glas als sehr robust. Bei den Untersuchungen stellte man meistens den gewünschten kohäsiven Bruch im Klebstoff fest. Kritischer Adhäsionsbruch trat so gut wie nie auf. Es wurden mittlere maximale Spannungen von rund 0,8 N/mm² bis 1,6 N/mm² ermittelt. Die Festigkeits eigenschaften veränderten sich bei unterschiedlichen Umwelteinflüssen (z.B. UV-Bestrahlung, Wasserkontakt, …) grundsätzlich relativ wenig.

Die semi-elastischen Klebstoffsysteme erreichten mittlere maximale Spannungen von 3,0 N/mm² bis 4,9 N/mm². Diese Werte sind in etwa drei Mal so hoch wie die der Silikone. Die Versuche zeigten, dass semi-elastische Klebstoffsysteme auf bestimmte Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel erhöhte Temperatur, relativ sensibel reagieren können, was sich kritisch auf die Festigkeiten und das Bruchbild (höherer Anteil an unerwünschtem Adhäsionsbruch) auswirkte. Die stark reduzierten Festigkeitseigenschaften waren aber auch nach künstlicher Alterung höher als jene aller anderen Klebstoffsysteme. Da das Bruchbild bei semi-elastischen Klebstoffsystemen meistens Holzbruch zeigt, sind ihre Festigkeitseigenschaften auch stark von der Qualität des Holzes abhängig.

Klebebänder erreichten mittlere maximale Spannungen von etwa 0,2 N/mm² bis 0,6 N/mm². Das ist etwa ein Drittel der mittleren maximalen Spannung der Silikone. Bei den Klebebändern wurden, abgesehen vom relativ niedrigen Festigkeitsniveau, keine einheitlichen Ergebnisse erzielt. Bei den meisten getesteten Bändern trat häufig unerwünschter adhäsiver Bruch auf. Nur ein mehrschichtiges Klebeband zeigte vorwiegend kohäsiven Bruch im Klebstoff. Mehrmals wirkten sich die Lagerungsfolgen (z.B.: Reinigungsmittelkontakt) kritisch auf die Festigkeit und das Bruchverhalten der Klebebänder aus.

Die Beurteilung der Klebstoffsysteme erfolgte nach folgenden Kriterien: Ein Festigkeitsverlust aufgrund von Klimaeinflüssen von über 50 % im Vergleich zur Referenz wird kritisch bewertet; ebenso ein Anteil an adhäsivem Bruch von mehr als 25 % (Einzelwert) bzw. 10 % (Mittelwert). Diese Grenzwerte wurden auch in die Richtlinie „Beurteilungsgrundlage für geklebte Verglasungssysteme“ übernommen.

Kriechverhalten

Ist bei einer geklebten Fensterkonstruktion keine Klotzung zur Lastabtragung vorhanden, und somit das Klebstoffsystem für die Lastabtragung des Eigengewichts des Isolierglases verantwortlich, spielt das Kriechverhalten des Klebstoffsystems eine wesentliche Rolle. Besonders bei Konstruktionen, bei denen das Isolierglas nicht z.B. durch eine vorgesetzte Aluminiumschale zusätzlich vor einem Absturz gesichert wird, müssen die Klebungen in Anbetracht der Nutzungssicherheit unbedingt und dauerhaft den beaufschlagten Lasten standhalten. Um jene Klebstoffsysteme zu identifizieren, die für die Lastabtragung geeignet sind, wurden während der drei Forschungsjahre rund 270 Proben dem 90-tägigen Langzeitbelastungsversuch zur Untersuchung des Kriechverhaltens unterzogen.

Die zehn Klebstoffsysteme testete man in unterschiedlichen Belastungsrichtungen (Schub längs und Schub quer zur Klebefuge), auf verschiedenen Haftgründen (Fichte, Lärche, Eiche) und in zwei unterschiedlichen Klimaten (20 °C/65 % und 55 °C) . Die Proben wurden mit definierten Spannungen laut Herstellerangaben beaufschlagt, wobei die Spannungen von Klebstoffsystem zu Klebstoffsystem unterschiedlich waren (siehe Tabelle). Da das Kriechverhalten aber direkt von der beaufschlagten Spannung (bzw. dem Verhältnis dieser Spannung zur mittleren maximalen Spannung aus den Bruchversuchen) abhängig ist, ist es schwierig, objektive Aussagen beim Vergleich der Klebstoffsysteme zu treffen. Trotzdem wird nachfolgend eine kurze Gegenüberstellung der Klebstofftypen versucht. Das wichtigste Beurteilungskriterium ist hier die maximale Auslenkung einer Klebefuge am Ende des Langzeitbelastungsversuchs (Anforderung < 1,50 mm). Ferner wird der Bruch einer Probe während des Versuchs, also ein Versagen der Klebung, negativ beurteilt.

Die Silikone zeigten durchweg maximale Auslenkungen kleiner 1,5mm. Keine der Proben versagte während des Tests.

Bei den zwei Silanklebstoffen trat im Wesentlichen keine Verformung größer 1,5 mm und kein Versagen der Proben auf. Die Proben des Acrylatklebstoffes versagten hier vor allem bei erhöhter Temperatur und Schubbelastung quer zur Klebefuge.

Die Klebebänder versagten meist nach kurzer Zeit und vor allem die homogenen Klebebänder hatten extrem hohe Auslenkungen. Nur bei einem mehrschichtigen Klebeband wurden Auslenkungen kleiner 1,50 mm und kein Versagen der Proben festgestellt.

Ausblick

Zusammenfassend ist es in diesem 3-jährigen Forschungsprojekt gelungen, aussagekräftige Methoden für die Bestimmung der Eigenschaften von Klebstoffsystemen zu entwickeln und in einer Richtlinie zu definieren. Es wurden Untersuchungen zur Variation der Parameter des Haftgrundes Holz durchgeführt, die zeigten, dass das Holz grundsätzlich gut als Haftgrund geeignet ist, aber einen Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften von Klebstoffsystemen haben kann.

Schließlich wurden zehn verschiedenartige Klebstoffsysteme in Bezug auf ihre Festigkeit und ihr Kriechverhalten charakterisiert. Grundsätzlich zeigte sich, dass jedes der getesteten Klebstoffsysteme zur Verklebung von Glas und Holz für bestimmte Anwendungen geeignet ist. Entscheidender Faktor dabei ist, festzulegen, welche Anforderungen seitens der Konstruktion an die Klebefuge und somit an den Klebstoff gestellt werden (z.B.: Statik, klimatische Bedingungen, etc.). Eine pauschale Antwort, welches Klebstoffsystem für den Fensterbau und für andere Anwendungen am besten geeignet ist, kann nicht gegeben werden, dies ist für den jeweiligen Konstruktionstyp und dessen Einsatzgebiet (z.B.: Vorhandensein von Wasser, UV-Bestrahlung, etc.) im Einzelfall zu entscheiden.—