Vernetzung und Alterung eines Epoxidklebstoffs im Kontakt mit Atmosphären und Metallen

Abstract

Die Klebtechnologie ermöglicht maßgeschneiderte Werkstoffverbunde unterschiedlichster Materialien. Die mechanische Festigkeit und Beständigkeit der Klebungen unter Einsatzbedingungen sind dafür essentiell. Diese Eigenschaften werden von der Bildung einer Interphase im Kontakt mit dem Substrat sowie der Alterung unter dem Einfluss von Temperatur, Sauerstoff und Feuchtigkeit beeinflusst. Beides führt zu Klebstoffeigenschaften, die örtlich und zeitlich vom Bulkverhalten abweichen und deshalb verstanden werden müssen. In dieser Arbeit wird eine Vorgehensweise zur Tiefenprofilierung der chemischen, morphologischen und mechanischen Eigenschaften des Klebstoffs eingeführt. Am Beispiel eines Epoxidsystems (DGEBA-DETA) auf den Substraten Gold, Aluminium und Kupfer wird die Tauglichkeit der Methodik bewiesen und die Interphase sowie die Alterung ortsaufgelöst untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass während der Vernetzung die Bildung und Diffusion organometallischer Komplexe zur Entstehung einer chemischen Interphase beiträgt, insbesondere auf Kupfer. Die Alterung des Klebstoffs beruht auf einer Hierarchie von parallelen und sequentiellen Reaktionsmechanismen, die von den klimatischen Bedingungen abhängen. Das in der Interphase gelockerte Netzwerk ermöglicht die beschleunigte Alterung des Epoxids in Substratnähe. Alle Prozesse wirken sich auf die mechanischen Eigenschaften des Klebstoffs und damit auf die Leistungsfähigkeit der Klebung aus.

Adhesive bonding allows different materials to be joined to tailored structures and composites. Mechanical strength and durability under service conditions are crucial factors for safe application. These properties are affected by the formation of an interphase at the contact to the substrate material and by the ageing under the influence of temperature, oxygen and humidity. As the result, the properties of the adhesive differ temporally and locally from the bulk behaviour. Thus, the underlying processes have to be understood. In this thesis, a procedure is presented to profile the chemical, morphological and mechanical properties in depth of the adhesive. An epoxy (DGEBA-DETA) on gold, copper and aluminum is considered to prove the suitability of the approach and to study the interphase and ageing effects locally. It is shown that the formation and diffusion of organometallic complexes adds to the formation of a chemical interphase during cross-linking, in particular on copper. The chemical ageing of the adhesive is based on a hierarchy of parallel and subsequent reaction mechanisms that depend on climatic conditions. The looser network structure of the interphase provokes an accelerated ageing close to the substrate. All processes affect the mechanical properties of the adhesive and thus on the performance of the bond.