Klebstoffe: Klebstoffe für die Filterherstellung verstehen

Jun 26, 2023

Auf und ab der Produktionslinie in Filterfabriken werden Klebstoffe gemischt, extrudiert und auf Komponenten aufgetragen. Angesichts der entscheidenden Rolle von Klebstoffen bei der Filtermontage möchten Filterhersteller mehr über sie erfahren. Hugh Evans von Franklin Adhesives & Polymers liefert einige grundlegende Informationen, die das Verständnis und die Auswahl der richtigen Klebstofftechnologien für spezifische Klebeanwendungen in Filterherstellungsanlagen erleichtern.

Die meisten Menschen kennen „Weißleim“ oder „Gelbkleber“. Doch Klebstoffe unterscheiden sich weit mehr als nur in der Farbe. Eine Reihe physikalischer Eigenschaften, von der anfänglichen Klebrigkeit bis zur Haltbarkeit, zeichnen Klebstoffformulierungen aus und machen einige für bestimmte Anwendungen besser als andere. Als ersten Schritt zur Diskussion von Klebstoffen zur Verwendung bei der Filterherstellung finden Sie im Folgenden Beschreibungen von vier physikalischen Eigenschaften – Härte, Viskosität, Topfzeit und Feststoffanteil –, die für die Verwendung von Klebstoffen bei der Filterherstellung relevant sind.

Die Härte ist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegen das Eindringen einer Kraft in die Oberfläche. Bei Polymeren, einschließlich Klebstoffen, wird die Härte anhand der Eindringfestigkeit gemessen. Mithilfe eines durch eine kalibrierte Feder belasteten Eindringkörpers misst ein sogenanntes Durometer die Eindringtiefe in das Polymer. Das Durometer misst anhand zweier verschiedener Shore-Skalen: A und D. Die Shore-A-Skala testet weiche Polymere wie Gummi auf einer Skala von null bis 100. Ein Autoreifen misst typischerweise etwa 55 bis 70 auf der Shore-A-Skala. Viele Plastisole und weichere Urethane liegen im Bereich A-50 bis A-70. Die Shore-D-Skala misst härtere Polymermaterialien wie starre Kunststoffe und misst auch von null bis 100, wobei sie mit der Shore-A-Skala überlappt. Viele der steiferen Epoxid- und Polyurethanklebstoffe härten auf eine Härte von Shore D-70 bis D-85 aus.

Die Viskosität misst den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit. Wasser ist dünnflüssig, Honig dagegen hochviskos. Die Viskosität wird am häufigsten in Centipoise (cPs) gemessen. Wasser hat 1,0 cPs und Honig 20.000 cPs. Die Viskosität eines Polyvinylacetat (PVA)-Emulsionsklebstoffs, der zum Zusammenbau von Luftfiltern aus Pappe verwendet wird, beträgt etwa 3.000 cPs. Bei 50.000 cPs lässt sich ein Klebstoff nur schwer gießen, und Kitte können leicht 100.000 cPs überschreiten.

Zweikomponentenklebstoffe wie Epoxidharze und einige Polyurethane müssen im Werk gemischt werden. Die Topfzeit (oder Flüssigkeitslebensdauer) gibt an, wie lange diese Zweikomponentenklebstoffe nach dem Mischen verwendbar bleiben. Sowohl die Menge als auch die Temperatur der Klebstoffmischung beeinflussen die Topfzeit. Beispielsweise baut eine Menge Klebstoff in einem Becher Wärme auf und härtet schneller aus – und hat daher eine kürzere Topfzeit – als die gleiche Menge, die zu einem dünnen Film ausgebreitet wird. Eine Erhöhung der Temperatur der Mischung verkürzt auch die Topfzeit.

Klebstoffe können entweder einen relativ geringen oder einen hohen Feststoffanteil aufweisen. Der Feststoffanteil des Klebstoffs besteht aus dem eigentlichen Bindemittel sowie anorganischen Füllstoffen und nichtflüchtigen Zusatzstoffen. Bei den Nichtfeststoffen handelt es sich in der Regel um Wasser oder Lösungsmittel, die beim Aushärten des Klebstoffs verdunsten. Einige Zweikomponentenklebstoffe härten durch die chemische Reaktion zwischen den beiden Teilen aus. Diese Klebstoffe enthalten keine anderen Lösungsmittel oder Träger und gelten zu 100 Prozent als Feststoffe. Da sie weder Wasser noch Lösungsmittel enthalten, schrumpfen sie beim Aushärten kaum. Andere Klebstoffe enthalten nur 10–15 Prozent Feststoffe.

Hersteller verwenden Klebstoffe zur Herstellung zahlreicher Filterkomponenten – um das Filtermedium selbst zusammenzubauen, das Filtermedium in einen Rahmen oder eine Endkappe zu kleben oder die Dichtung zu installieren. Viele dieser Klebstoffe umfassen Dichtstoffe oder Vergussmassen. Einige Montageprozesse erfordern die Eigenschaften eines Klebstoffs und eines Dichtstoffs. (Für die Zwecke hier ist ein Klebstoff eine Substanz, die zwischen zwei Substraten platziert wird, um sie miteinander zu verbinden, wohingegen ein Dichtungsmittel eine Substanz ist, die in einen Hohlraum eingebracht wird, um das Austreten von Flüssigkeit oder Gas zu verhindern.) Wenn beispielsweise gefaltete Medien in einen Metallrahmen geklebt werden oder Bei der Endkappe muss der Klebstoff den Filter zusammenhalten und eine vollständige Abdichtung bieten, um die Flüssigkeit durch und nicht um das Medium herum zu drücken. Kein einzelner Klebstoff könnte auch nur annähernd die zahlreichen Klebe- und Dichtungsanforderungen in der Filterherstellungsanlage erfüllen. Allerdings sollte jeder zur Herstellung von Filtern verwendete Klebstoff oder Dichtstoff, unabhängig von der Art, die folgenden Kriterien erfüllen. Darüber hinaus möchte der Filterhersteller für jede Anwendung den richtigen Klebstofftyp auswählen.

Alle aufgetragenen Kleb- oder Dichtstoffe müssen mit der Endverwendung des Filters kompatibel sein. Der Klebstoff bzw. das Dichtmittel sollte entsprechend der zu filternden Flüssigkeit und der Betriebstemperatur des Filters ausgewählt werden. Der Kleber darf weder erweichen noch sich in der Flüssigkeit auflösen. Ein Schmelzklebstoff könnte in einem Filter mit hoher Betriebstemperatur schwächer werden oder schmelzen.

Der Kleb- oder Dichtstoff muss dort bleiben, wo er sein soll. Wenn der Klebstoff beispielsweise zum Verkleben eines Faltenelements mit einer Endkappe verwendet wird, sollte er sich in der Endkappe und um das Medium herum verteilen und nicht in das Medium eindringen.

Der Kleb- oder Dichtstoff sollte sowohl einfach als auch sicher zu verwenden sein und die Abbindegeschwindigkeit sollte auf die Anwendung abgestimmt sein. Außerdem sollte es gut mit der Ausrüstung zusammenarbeiten, ohne unnötige Wartungsprobleme zu verursachen.

Seit Jahrzehnten sind Klebstoff- und Dichtstoffhersteller eifrig dabei, eine Reihe von Klebstofftechnologien voranzutreiben und zu verbessern. Heute bieten sie Filterherstellern eine beeindruckende Auswahl an Klebstofftypen an, um den unterschiedlichen Anforderungen in der Anlage gerecht zu werden. Hier finden Sie einen kurzen Überblick über mehr als ein Dutzend Klebstofftypen, die bei der Filterherstellung eine Rolle spielen können.

Duroplastische Klebstoffe härten typischerweise durch die chemische Reaktion zweier Komponenten oder durch Hitzeeinwirkung aus. Nach dem Aushärten wird der Klebstoff inert. Diese Klebstoffe weisen in der Regel eine gute Hitze- und Chemikalienbeständigkeit auf und eignen sich gut für Anwendungen, die Festigkeit unter unterschiedlichen Bedingungen erfordern. Zwei gängige Duroplaste sind Epoxidharze und Polyurethane.

Ein- und zweikomponentige Epoxidharze werden häufig in der Filterherstellung für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Die meisten sind im ausgehärteten Zustand sehr steif und haften gut auf Metall. Obwohl sie eine hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit bieten, können Epoxidharze relativ teuer sein und oft langsam aushärten.

Klebstoffhersteller bieten eine breite Palette an Polyurethanklebstoffen in unterschiedlichen Farben, Aushärtegeschwindigkeiten, Viskositäten und Härtegraden an. Obwohl sie in einkomponentigen Formulierungen erhältlich sind, eignen sich zweikomponentige Polyurethane besser für Filteranwendungen. Während einteilige Formulierungen zum Aushärten auf Feuchtigkeit in den Substraten und Luft angewiesen sind, härten zweiteilige Polyurethane durch eine Reaktion aus, wenn die beiden Komponenten kombiniert werden. Die meisten Zweikomponenten-Polyurethane härten bei Raumtemperatur aus, können aber durch Hitze beschleunigt werden. Härtere Polyurethane können verwendet werden, um das Filtermedium in einen Metall- oder Kunststoffrahmen oder eine Endkappe zu montieren oder als diese Komponenten zu gießen. Weichere Versionen können als Dichtung zwischen einem Filter und seinem Gehäuse dienen, sodass keine separate Dichtung erforderlich ist. Polyurethanen ist gegenüber einigen Chemikalien und Lösungsmitteln nicht beständig und eignet sich daher am besten für die Verwendung mit Wasser-, Luft- und Ölfiltern.

Thermoplastische Klebstoffe, einschließlich Plastisole und Schmelzklebstoffe, verändern sich während des Aushärtungsprozesses nicht so stark wie duroplastische Klebstoffe. Insgesamt verfügen diese Klebstoffe nicht über die Chemikalien- und Hitzebeständigkeit sowie die Festigkeit von Duroplasten. Ihre einteilige Formulierung macht sie jedoch erschwinglich und bequem in der Anwendung.

Filterhersteller verwenden seit langem PVC-Plastisole als Klebstoff und zum Vergießen. Sie erfordern kein Mischen und können direkt aus einem Fass gepumpt werden. Sie härten auch aus, indem sie mindestens 10 Minuten lang hoher Hitze ausgesetzt werden – obwohl das Erhitzen dieser Chemikalien ein Risiko für die Umwelt darstellt und die Energiekosten für den Betrieb eines Ofens schnell alle Einsparungen durch die geringeren Kosten von Plastisolen zunichtemachen. Mit einer Shore-A-Härte von 35 bis 45 sorgen sie für eine vollständige Abdichtung im Filtergehäuse. Viele Luft- und Wasserfilter verwenden geformte Plastisol-Endkappen. Plastisole sind in vielen Farben und Härtegraden erhältlich. Sie können für eine bessere Metallhaftung modifiziert werden, um Filtermedien in Metallendkappen zu befestigen, oder für eine verbesserte Öl- und Hitzebeständigkeit.

Herkömmliche Schmelzklebstoffe werden verwendet, um das Metall auf die Medien in Luftfiltern zu laminieren. Wachs oder Kunststoff wird erhitzt und heiß aufgetragen; Die Festigkeit entwickelt sich schnell, wenn die heiße Schmelze auf Umgebungstemperatur abkühlt. Viele Schmelzklebstoffe bestehen aus demselben Material wie eines der im Filter selbst verwendeten Substrate, wodurch Bedenken hinsichtlich der chemischen Verträglichkeit ausgeräumt werden. Herkömmliche Schmelzklebstoffe sind normalerweise nicht für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen geeignet.

Reaktive Polyurethan-Schmelzklebstoffe vereinen die Vorteile schnell abbindender Schmelzklebstoffe mit der Vernetzungssteifigkeit von Polyurethanen. Sie härten schließlich unter Luftfeuchtigkeit aus.

Cyanacrylate sind sehr schnell aushärtende Einkomponentenklebstoffe, die häufig zum Kleben von Gummi- oder Neoprendichtungen auf einen Filter verwendet werden. Sie härten sofort aus, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt werden, füllen jedoch keine Lücken und erfordern daher einen engen Kontakt beider Substrate.

Lösungsmittel- und wasserbasierte Klebstoffe sind in der Filterfertigung ebenso ein alltäglicher Anblick wie in den Regalen der Baumärkte. Ein paar Vor- und Nachteile: Produkte auf Lösungsmittelbasis trocknen schnell und die Lösungsmittel sorgen für eine gute Haftung auf vielen Untergründen. Sicherheits- und Umwelteinschränkungen sind zwei Nachteile brennbarer Lösungsmittel. Die meisten sind mit brennbaren Lösungsmitteln formuliert, deren Verwendung Vorsicht erfordert und möglicherweise einen hohen VOC-Gehalt aufweist. Produkte auf Wasserbasis sind eine attraktive Alternative zu lösungsmittelbasierten Klebstoffen. Obwohl herkömmliche Produkte auf Wasserbasis langsamer trocknen als Produkte auf Lösungsmittelbasis, können spezielle Geräte die Trocknungszeit beschleunigen. Und einige neuere Formulierungen verbinden sich sofort.

Filterhersteller verwenden in der Regel Klebstoffe, um Gummi- oder Pappdichtungen an Metallrahmen oder Endkappen anzubringen. Der Kleber wird auf beide Klebeflächen aufgetragen, die während des Trocknens des Klebers getrennt bleiben. Sobald sich der Kleber trocken anfühlt, müssen die Untergründe zusammengefügt werden. Aufgrund dieses Prozesses funktionieren Kontaktzemente am besten auf nicht porösen Materialien. Sie sind sowohl in wasser- als auch lösungsmittelbasierten Formulierungen erhältlich, obwohl Lösungsmittel bestimmte Substrate angreifen können.

Diese Gruppe von Einkomponentenklebstoffen kann für Luftfilter und zum Einbau von Dichtungen verwendet werden. Die Untergründe müssen verbunden werden, wenn der Klebstoff nass ist, und mindestens ein Untergrund sollte die Lösungsmittel zum Aushärten passieren lassen.

Dichtungsmassen und Kitte sind hochviskose, aber langsam trocknende Produkte mit hervorragenden spaltfüllenden Eigenschaften. Sie bilden sofortige, starke Bindungen für die Verklebung von plissiertem Papier- oder Glasmaterial an Lufteinlassfiltern. Das dicke Dichtmittel wird in die Wanne des Rahmens aufgetragen und die Baugruppe wird um das gefaltete Medium gewickelt.

Haftklebstoffe (PSAs), erhältlich in Formulierungen auf Wasser- und Lösungsmittelbasis, werden verwendet, um zwei Arten von Filtermedien zusammenzulaminieren oder Filtermedien für eine verbesserte Lufteffizienz klebrig zu machen. Im Gegensatz zu Kontaktzementen werden sie auf eine Oberfläche aufgetragen und können jederzeit nach dem Trocknen zusammengesetzt werden. Manchmal werden sie bevorzugt, wenn Dichtungen auf Filter geklebt werden.

PVAs sind kostengünstig, einfach zu verwenden und sicher. Sie basieren auf Wasser, sind also lösungsmittelfrei und mit Wasser reinigbar. Sie eignen sich gut zum Verkleben von zellulosehaltigen Bauteilen. Die Untergründe müssen verbunden werden, solange die PVA-Folie noch feucht ist und bis zum Trocknen des Klebers unbeweglich bleiben. Einige PVAs sind vernetzt und sorgen so für Wasserbeständigkeit. Teurere Produkte verbinden sich sofort, während weniger teure Produkte eine gewisse Klemmzeit erfordern. Viele sind formaldehydfrei und werden in Leimauftragsgeräten zum Verkleben von Luftfilterrahmen verwendet.

Das Auftragen von Klebstoffen für industrielle Zwecke ist nicht immer so einfach wie das Aufheben einer Flasche Klebstoff und das Auspressen. Zweikomponentenklebstoffe müssen gemischt werden, und viele Klebstoffe, die bei der Filterherstellung verwendet werden, erfordern separate Spender.

Im Folgenden werden drei Methoden zum Mischen und Auftragen von Zweikomponentenklebstoffen beschrieben.

Die einfachste Methode besteht darin, die beiden Komponenten sorgfältig nach Gewicht oder Volumen abzumessen, um genau die benötigte Menge zu mischen.

Beide Komponenten sind in einer Einwegkartusche vorverpackt und werden durch eine Spitze am Ende jeder Kartusche extrudiert. Das Kartuschenmaterial sollte mit dem Inhalt kompatibel sein und ihn vor Licht und Feuchtigkeit schützen. Wie Kartuschenkartuschen erfordern diese Kartuschen Dosierpistolen, die manuell oder angetrieben (normalerweise pneumatisch) sind. Pistolen und Kartuschen gibt es in verschiedenen Mischungsverhältnissen, und die pneumatischen Pistolen können so modifiziert werden, dass sie Fußschalter und Timer in bestehende Herstellungsprozesse integrieren.

Dieses Gerät dient zum präzisen Mischen und Dosieren von Klebstoffen. Einige Maschinen dosieren nur ein Mischungsverhältnis, während andere einen Bereich von Mischungsverhältnissen abdecken können. Obwohl das kostengünstigste Meter-Mix-System Tausende kosten kann, amortisiert der Filterhersteller die Investition schnell durch Einsparungen beim Kauf von Klebstoffen in großen Mengen.

Einkomponentige Klebstoffe sind in der Regel bequemer zu verwenden, müssen jedoch in den meisten Fällen über separate Geräte aufgetragen werden.

Sprühgeräte eignen sich gut zum Auftragen von Haftklebern und Kontaktzementen. Die Ausstattung reicht von kleinen Handpumpen und Sprühflaschen bis hin zu größeren Airless-, HVLP- und herkömmlichen Sprühgeräten.

Drucktöpfe nutzen Luftdruck, um den PVA-Klebstoff durch eine Flüssigkeitsleitung zu einem Dosierkopf oder einer Pistole zu drücken.

Automatische Leimverteiler und Rollbeschichtungsgeräte übertragen Klebstoffe direkt auf die Substrate und vermeiden so Abfall und Schmutz.

Eine Hochleistungspumpe wird in ein Fass mit Klebstoff eingesetzt und gibt den Klebstoff unter Druck an eine Pistole oder einen Extruderkopf ab.

Schmelzklebstoffe sind häufig für die Verwendung in speziellen Dosiergeräten konzipiert. Daher kann es am besten sein, zuerst die Ausrüstung auszuwählen und einen dafür empfohlenen Klebstoff zu verwenden.

Abgesehen von den oben genannten Informationen kann der Filterhersteller am Ende mit der Auswahl des Klebstoffs beginnen, indem er fünf einfache Fragen beantwortet:

Jeder bei der Filtration verwendete Klebstoff sollte mit der zu filtrierenden Flüssigkeit kompatibel sein. Betriebstemperatur und Lebensdauer sind zwei weitere Überlegungen.

Der Filterhersteller spart Geld beim Kauf von Klebstoffen in großen Mengen statt in kleineren Behältern. Je mehr Klebstoff verwendet wird, desto kürzer ist die Amortisationszeit der Auftragsgeräte. Massenklebstoffe erfordern jedoch eine Art Dosiergerät. Für Fässer und Behälter sind möglicherweise auch Materialtransportgeräte erforderlich.

Viele Klebstoffe enthalten Lösungsmittel, die bei unsachgemäßer Verwendung gefährlich sein können. Auch VOC-Vorschriften und die Energiekosten für Härtungsöfen sind zu berücksichtigen.

Einige Klebstoffunternehmen verfügen über Labore zur Bewertung ihrer Produkte. Auch einige Filterfirmen unterhalten solche Anlagen. Filterhersteller sollten sich bei der Einführung neuer Klebstoffe in der Anlage auf Tests verlassen. Sie können auch einen Probelauf durchführen, um die komplette Filterbaugruppe unter „realen“ Bedingungen zu testen.

In vielen Fällen sind mehrere Klebstoffarten eine sinnvolle Alternative für eine Anwendung. Einige Klebstoffe sind möglicherweise deutlich kostengünstiger als andere, erfordern jedoch Hochtemperaturöfen, deren Anschaffung und Betrieb teuer sind. Für andere Klebstoffe ist möglicherweise die Anschaffung von Dosiergeräten erforderlich. Die Wahl des Klebstoffs kann von der vorhandenen Ausrüstung abhängen.