kleben, bis das zeug hält

S „Theoretisch könnten wir jetzt auch den Eiffelturm zusammenkle-ben“, sagt Ansgar van Halteren vom Industrieverband Klebstoffe. Kleben ersetzt mittlerweile oft das Schweißen, im Automobilbau bei-spielsweise. Auch der Mikroelek-tronik gab Kleben anstelle von Lö-ten einen Entwicklungsschub. Heute lassen sich Dinge kleben, an die vor zehn Jahren noch niemand gedacht hat.

Dem Normalverbraucher ent-geht diese Entwicklung größten-teils, denn „bei den Klebstoffpro-dukten aus dem Supermarkt und dem Baumarkt hat sich in den letz-ten Jahren wenig geändert“, sagt Andreas Hartwig vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Ifam) in Bremen. Für ihn kleben diese Massenprodukte – beispiels-weise Acrylate oder Epoxidharze (Abbildung 1) – „alles, aber nichts so richtig.“

Hartwig schätzt, dass es in Deutschland im Handel etwa 20 000 Klebstoffe gibt. Genau so viele Produkte würden zusätzlich exklusiv nur für eine ganz be-stimmte Anwendung hergestellt –

oft nur in Grammmengen. Der Trend geht zu Spezialanwendun-gen.

Grüne Kleber

S Die Bundesregierung und die Fachagentur Nachwachsende Roh-stoffe haben dazu aufgerufen, sich mit Projekten für den Förder-schwerpunkt „Klebstoffe und Bin-demittel“ zu bewerben.1) Ziel ist es, biobasierte Klebstoffe für alle An-wendungsbereiche zu finden. Sol-che Klebstoffe basieren beispiels-weise auf Proteinen oder Poly-sacchariden wie Stärke und Cellu-lose. Auch Polyphenole wie Tannin und Lignin sowie Terpenharze sind Kandidaten.

„Kleber aus nachwachsenden Rohstoffen? Kann man machen“, sagt van Halteren. „Aber die Che-mie ist nun mal, wie sie ist.“ Kleb-stoffe seien schließlich ein chemi-sches Produkt. Indem man Kleb-stoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe herstellt, lässt sich der CO2-Fußabdruck des Produkts nur um ein zehntel Prozent reduzieren. „Was bei Klebstoffen zählt, ist die Leistung.“

Auch Jürgen Wegner, Geschäfts-führer der Consulting-Firma Chemquest Europe, glaubt nicht an die grüne Revolution unter den Klebstoffen, denn es sei schwer, Lösungen zu finden, die den harten Bedingungen der Industrieproduk-tion und insbesondere der hoch-gradig automatisierten Serienferti-gung gerecht würden.2) Jede Aufga-be erfordere einen spezifischen

Brigitte Osterath

Biobasierte Klebstoffe sind im Kommen – zumindest in der Forschung. Doch taugen die grünen Kleber

auch für die Industrie?

Kleben, bis das Zeug hält

BKunststoffeV

Mikrohärchen nach dem

Vorbild des Geckos nach Rei-

nigung durch Reibekontakt

mit einer glatten Fläche.

REM-Aufnahme: M. Röhrig, KIT

Methylcyanacrylat

O

O

N OH

*

n

Phenol-Formaldehyd-Harz

O O

OH

O

n

Epoxidharz

Abb. 1. Verbindungen in Klebstoffen.

1179

Nachrichten aus der Chemie| 62 | Dezember 2014 | www.gdch.de/nachrichten

Klebstoff – gerade natürliche Roh-stoffe unterlägen aber immer einer gewissen Variationsbreite.

„Per se ökologisch“

S Einen echten Markt für Kleb-stoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe sieht Andreas Hartwig bei den Massenprodukten für Bau- und Supermarkt, allein aus Marke-tinggründen: Grüne Produkte las-sen sich einfach besser verkaufen. Auch in der Medizin können sie von Vorteil sein, nämlich dann, wenn sie nicht nur biobasiert, son-dern gleichzeitig biokompatibel sind.

Aber gleichgültig, ob ein Kleb-stoff auf nachwachsenden Rohstof-fen basiert oder nicht – „Klebstoffe sind per se ein ökologisch wertvol-les Produkt“, meint van Halteren. Sie machen es erst möglich, ökolo-gische Produkte zu produzieren: Windkrafträder etwa oder leichte-re, spritsparende Autos aus Multi-komponentensystemen statt aus Eisenteilen. Der von der Politik ini-tiierte Trend zur Nachhaltigkeit hat der Klebstoffentwicklung einen Schub gegeben. Allerdings gilt auch bei Klebstoffen: Der Preis muss passen.

Kleben mit Holzabfällen

S Ein hervorragender nachwach-sender Rohstoff wäre Lignin, das massenhaft als Abfall in der papier-

produzierenden Industrie anfällt. Das Projekt Lignoplast, an dem sich drei Fraunhofer-Institute mit ihren Industriepartnern beteiligen, will Lignin nutzbar machen.3) Aro-matische Verbindungen aus Lignin könnten erdölbasierte Substanzen auch in Klebstoffen ersetzen. Die Aromaten in Lignin ähneln den Phenol-Formaldehyd-Harzen. Die-se Kunstharze entstehen durch Po-lykondensation aus Phenolen und Aldehyden und dienen beispiels-weise zum Kleben von Bremsbelä-gen (Abbildung 1, S. 1179).

Die Aromaten aus Lignin zu ge-winnen, ist jedoch keine einfache

Aufgabe, denn es besteht aus einer bunten Mischung von Bausteinen, und es sind selektiv C-C-Bindun-gen zu spalten. „Daran sind bis jetzt alle gescheitert“, sagt Hartwig. Und ob diese Verbindungen dann hinterher tatsächlich auch gute Klebeeigenschaften haben, ist da-bei noch eine ganz andere Frage.

Von der Uni in die Ausgründung

S Ein neuer biobasierter Klebstoff auf Basis von Polysacchariden und natürlichen Fettsäuren entsteht ge-rade an der Universität Jena (Abbil-dung 2). „Unsere Produkte sind Stärke- oder Dextranester“, sagt Biotechnologin Jana Wotschadlo.4) Genaueres will sie nicht verraten, denn sie ist gerade dabei, mit ihren Kollegen Tim Liebert und Susanne Schmidt das Unternehmen Dextri-nova zu gründen und den Klebstoff zur Marktreife zu entwickeln. Da-für erhält das Gründerteam zirka 460 000 Euro Förderung aus dem Exist-Programm des Bundeswirt-schaftsministeriums.

Der Klebstoff ist ein weißes Pul-ver, ein Schmelzkleber. „Je nach Rezeptur können wir die Schmelz-temperatur, die Viskosität und die Haltekraft des Klebers variieren“, erläutert Wotschadlo. Bisher stel-

Abb. 3. Präpolymer aus Glycerin, Sebacinsäure und Acrylat.6) Mit dem Klebstoff der Freibur-

ger Mediziner lassen sich Blutgefäße reparieren. UV-Licht aktiviert das Präpolymer, das da-

raufhin zu einem elastischen Netzwerk polymerisiert.

Grafik: Randal McKenzie / McKenzie Illustrations

Abb. 2. Susanne Schmidt (l.) und Jana Wotschadlo von der Uni Jena entwickeln einen

Schmelzkleber auf Stärkebasis. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

1180 BMagazinV Kunststoffe


len sie und ihre Kollegen den Kleb-stoff im Zwei-Kilo-Maßstab im ei-genen Reaktor her. In Arbeit ist ein Upscaling, um in naher Zukunft im Großmaßstab für die Verpackungs-industrie zu produzieren. Diese nutzt bisher einen Kleber, der bei 140 bis 200 °C geschmolzen wer-den muss. Da der Jenaer Kleber schon bei geringeren Temperaturen schmilzt, könnte die Industrie Energie und somit Geld sparen.

Da der Klebstoff biokompatibel ist, ließen sich mit ihm auch Haar- oder Wimpernverlängerungen an-bringen. Erste Versuche mit den Kunden eines Kosmetikstudios wa-ren erfolgversprechend. Das Team prüft auch Anwendungen in der Medizin, etwa beim reversiblen Fi-xieren von Prothesen in der Zahn-technik. Zahnmediziner der TU Dresden untersuchen gerade, ob sich der Kleber dafür eignet. Insge-samt hat Wotschadlo die Klebstoff-branche bisher als sehr offen erlebt. „Alle sind immer dafür, etwas Neu-es auszuprobieren.“

Einsatzort OP-Saal

S Die Medizin benötigt Kleber nicht unbedingt in großer Masse, stellt aber hohe Ansprüche an die Qualität. Eine Anwendung: Wun-den schließen – nach van Halteren allerdings „ein alter Hut“. Denn be-reits seit den 1960er Jahren nutzen Ärzte dafür Cyanacrylate – also Se-kundenkleber.

Ein französisches Forscherteam um Anne Meddahi-Pellé von der Universität Paris-Nord schließt Wunden jetzt mit Lösungen von Si-lica(SiO2)- oder Eisenoxid(Fe2O3)-Nanopartikeln.5) Der Vorgang nennt sich „Nanobridging“, und knüpft keine chemischen Bindun-gen. Stattdessen sorgen Nanoparti-kel, die auf Gel oberflächen adsor-biert werden, für Adhäsion und wirken so als Bindeglieder. Sogar innere Organe wie die Leber haben die Forscher damit bei Ratten ge-flickt.

Ein anderes Organ, das Herz, will ein Forscherteam um Nora Lang vom Universitäts-Herzzen-

trum Freiburg Bad Krozingen repa-rieren. Ihr Klebstoff bringt im schlagenden Herzen biologisch ab-baubare Flicken an und soll so Herzfehler korrigieren.6) Bisher greifen die Ärzte dafür zu Nadel und Faden. Der Klebstoff besteht aus einem hydrophoben Präpoly-mer aus Glycerin, Sebacinsäure und Acrylat mit einer Molmasse von 5500 g·mol–1 (Abbildung 3). Beigemischt ist ein Fotoinitiator. Das Präpolymer lässt sich über die defekte Stelle im Gewebe streichen und polymerisiert nach UV-Akti-vierung innerhalb von Sekunden zu einem elastischen, aber festen Netzwerk. Auch Blutgefäße lassen sich so flicken (Abbildung 3). Da der Klebstoff hydrophob ist, macht ihm der Kontakt mit Blut nichts aus. Für die Entwicklung holten sich die Freiburger Forscher Inspi-ration von Insekten, die viskose Se-krete produzieren, die an feuchten Oberflächen haften. Experimente an Ratten und Schweinen waren er-folgreich, berichten die Forscher. Ein französisches Start-up-Unter-nehmen hat die Lizenz erworben und möchte den Klebstoff in den nächsten zwei bis drei Jahren auf den Markt bringen.

Bis solche Klebstoffe aber tat-sächlich in die Kliniken kommen, dauert es eine Weile – wenn es denn überhaupt passiert. „Bei me-dizinischen Klebstoffen passiert in der Forschung gigantisch viel“, sagt Andreas Hartwig. „Die wissen-schaftlichen Journale versprechen immer wieder Wunder. Aber in der Praxis kommt davon nur sehr we-nig an.“ Zu unrealistisch seien viele Projekte, zu aufwendig und teuer die klinische Entwicklung oder zu unrentabel schließlich das Endpro-dukt. „Kostet es zu viel, bezahlt das keine Krankenversicherung.“

Der Natur abgeschaut

S Unternehmensberater Jürgen Wegner glaubt, dass Biomimetik helfen wird, um mittel- bis langfris-tig die heute noch bestehenden Leistungslücken und -schwächen der Kleber zu überwinden. „Für die

1181 Kunststoffe BMagazinV


kommende Dekade sehe ich hier aber keinen wirklichen Durch-bruch.“ Hartwig vom Fraunhofer Ifam fügt hinzu, dass Biomimetik vor allem in der akademischen For-schung eine Rolle spiele, aber „das ist nichts für Klebstofffirmen.“

Anschauungsobjekte für akade-mische Klebstoffentwickler sind Miesmuscheln und Seepocken, denn sie produzieren einige der stärksten Klebstoffe überhaupt. Zum Leid der Seefahrer heften die Meerestiere sich damit an Schiffs-rümpfe [Nachr. Chem. 2014, 62, 527]. Diese Klebstoffe bestehen aus Proteinen; bei Miesmuscheln ist die Aminosäure L-Dopa die Hauptkom-ponente.7) Viele Klebstoffforscher experimentieren mit den Substan-zen aus diesen Meeresorganismen.

Nachgeeifert wird auch dem Ge-cko. Das KIT hat gemeinsam mit der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh einen Klebstreifen nach

Vorbild der Geckofüße entwi-ckelt.8) Elastische Mikrohärchen im Nanometerbereich, die dünner sind als die meisten Schmutzparti-kel, sollen garantieren, dass die Klebekraft des Streifens über lange Zeit erhalten bleibt: Die Härchen reinigen sich dann selbst (Abbil-dung, S. 1179 oben).

In der Fertigung gefragt

S Ein Trend in der Industrie sind vorapplizierte Klebstoffe nach Vor-bild der Briefmarken – also Kleb-stoffe, die sich vorher auf Bauteile aufbringen und lange lagern lassen, ohne auszutrocknen. Im Einsatz, sind sie dann blitzschnell aktivier-bar und kleben felsenfest. Das hat den Vorteil, dass man in der Ferti-gung nicht mehr mit flüssigem Klebstoff hantieren muss. Ein sol-ches Produkt hat das Ifam entwi-ckelt (Abbildung 4).9) Um Kleb-

stoffen solche Eigenschaften zu verleihen, dreht man dort nicht mehr an den Basisharzen selbst. Das Geheimnis sind Katalysatoren, die den Klebstoff erst bei höheren Temperaturen aushärten lassen.

In der Industrie sehr gefragt sind auch Klebstoffe mit Farbindikato-ren. Sie lassen anhand ihrer Farbe erkennen, in welchem Zustand sie sind: ob noch flüssig, bereits ausge-härtet oder nicht mehr verwendbar, da sie beispielsweise falsch gelagert wurden. Einen solchen Ampelkleb-stoff hat 3M im September 2013 auf den Markt gebracht. Der Che-miker Adrian Jung hat ihn entwi-ckelt [Nachr. Chem. 2013, 61, 1182]. Ob ein solcher Klebstoff biobasiert ist oder nicht, spielt für den Erfolg mit Sicherheit keine Rolle.

Die promovierte Chemikerin Brigitte Osterath

ist Wissenschaftsjournalistin in Bonn.

www.writingscience.de

Literatur und Anmerkungen

1) www.fnr.de/fileadmin/fnr/pdf/

FSP_Klebstoffe_2014.pdf

2) http://tinyurl.com/kpsuvkg

3) http://tinyurl.com/nzxyugz

4) a) DE 10 2008 024 089 B4; DE 10 2008

003 271 A1; DE 10 2011 005 849 A1;

b) T. Liebert, J. Wotschadlo, P,Laudeley ,

T. Heinze, Biomacromolecules 2011, 12,

3107.

5) A. Meddahi-Pellé, A. Legrand, A. Marcellan ,

L. Louedec, D. Letourneur, L. Leibler,

Angew. Chem. 2014, 126, 6487.

6) N. Lang, M. J. Pereira, Y. Lee et al., Sci.

Transl. Med. 2014, 6, 218ra6.

7) J. H. Waite, M. L. Tanzer,

Biochem. Biophys. Res. Commun. 1980,

96, 1554.

8) Y. Mengüç, M. Röhrig, U. Abusomwan,

H. Hölscher, M. Sitti, J. R. Soc. Interface

2014, 11, 20131205.

9) http://tinyurl.com/ptmlcsy

Abb. 4. Matthias Popp, Andreas Hartwig und Andreas Lühring (v. l.) haben einen Klebstoff

entwickelt, der sich, vorab aufgetragen, kurz vor der Fertigung der Bauteile aktivieren lässt.

Foto: Dirk Mahler/Fraunhofer

1182 BMagazinV Kunststoffe


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kleben, bis das zeug hält

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