Stärkeres Klebeband, hergestellt durch die Kunst des Schneidens

Das Team von Michael Bartlett an der Virginia Tech hat Kirigami, die alte japanische Kunst des Papierschneidens, in eine Methode umgewandelt, mit der sich die Klebekraft von gewöhnlichem Klebeband um das 60-fache erhöht.

22. Juni 2023

Klebeband erfüllt viele Zwecke, von der schnellen Befestigung von Haushaltsgeräten bis hin zur zuverlässigen Versiegelung eines Versandpakets. Wenn Sie Klebeband mit einer starken Bindung verwenden, ist das Entfernen möglicherweise nur durch Kratzen und Hebeln an den Ecken des Klebebands möglich, in der verzweifelten Hoffnung, dass Oberflächenteile nicht mit dem Klebeband abreißen.

Aber was wäre, wenn Sie Klebstoffe sowohl stark als auch leicht entfernbar machen könnten? Diese scheinbar paradoxe Kombination von Eigenschaften könnte Anwendungen in den Bereichen Greifroboter, Wearables zur Gesundheitsüberwachung und Fertigung für Montage und Recycling dramatisch verändern.

Die Entwicklung solcher Klebstoffe ist laut der neuesten Forschung des Teams von Michael Bartlett, Assistenzprofessor am Department of Mechanical Engineering der Virginia Tech, und am 22. Juni in Nature Materials veröffentlicht, möglicherweise noch nicht so weit entfernt.

Klebebänder wurden erstmals in den 1920er Jahren entwickelt, um den Bedarf von Autolackierern zu decken, die bessere Möglichkeiten für die zweifarbige Lackierung von Autokarosserien suchten. Seit der Einführung des ersten Abdeckbandes sind viele weitere Variationen entstanden. Fabriken haben unsichtbares Klebeband zum Verpacken von Geschenken, Isolierband zum Abdecken von Drähten und Panzerband für mehr Verwendungszwecke auf den Markt gebracht, als es jemals erfüllen sollte.

Wenn Klebebänder abgezogen werden, trennen sie sich normalerweise in einer geraden Linie entlang der Länge des Streifens, bis das Klebeband vollständig entfernt ist. Starke Klebstoffe erschweren das Abziehen, während wiederverwendbare Klebstoffe die festigkeitsbegrenzende Trennung fördern.

Bartletts Team stellte die Theorie auf, dass Klebstoffe möglicherweise sowohl stark als auch entfernbar gemacht werden könnten, wenn der Trennweg kontrolliert würde. Sie machten sich die Methoden einer 2.000 Jahre alten japanischen Kunstform zunutze, um herauszufinden, wie es geht.

Die Kunstform Kirigami kann durch Falten und Schneiden ein flaches Blatt Papier in eine Form oder sogar ein dreidimensionales Objekt verwandeln. Kinder verwenden oft eine Grundform dieser Methode, wenn sie Papierschneeflocken herstellen.

Aber das Forschungsteam stellte mehr als nur Schneeflocken her. Aufgrund des kunstvollen Ursprungs von Kirigami bot die Methode einen Rahmen für die Herstellung von Scheiben oder Schnitten auf einem Kleber. Bartletts Team nutzte diese Prinzipien, um eine Reihe U-förmiger Schnitte zu entwickeln.

„Wir haben erkannt, dass wir durch die Verwendung von Schnitten steuern können, wie sich ein Klebstoff trennt“, sagte Bartlett. „Ein technischer Schnitt kann dazu führen, dass der Klebstofftrennweg an bestimmten Stellen rückwärts verläuft, was wir als umgekehrte Rissausbreitung bezeichnen, wodurch der Klebstoff sehr stark wird. Beim Schälen in die entgegengesetzte Richtung geht es jedoch immer nach vorne, sodass es sich leicht entfernen lässt. Das ist ein recht ungewöhnliches Verhalten, aber es ist sehr nützlich, um starke und dennoch wiederablösbare Klebstoffe herzustellen.“

Bartletts Team, dem auch außerordentlicher Professor Rong Long von der University of Colorado Boulder und Assistenzprofessor Eric Markvicka von der University of Nebraska Lincoln angehörten, stellte fest, dass die Anwendung dieser Schnitte die Bindung des Bandes um den Faktor 60 fester machte und gleichzeitig eine einfache Verbindung ermöglichte Entfernung durch Abziehen in die entgegengesetzte Richtung. Das Team stellte außerdem fest, dass die Art des Bandes keine Rolle spielte. Kirigami erhöhte die Bindung aller getesteten Klebebandtypen, von Verpackungsbändern bis hin zu medizinischen Bändern. In allen Fällen werden starke Klebeverbindungen noch stärker und auch die normalerweise schwächeren Klebstoffe nehmen an Festigkeit zu.

„Was wirklich zählt, ist die Form und Größe des Schnitts“, sagte der ehemalige Doktorand Dohgyu Hwang. „Wir müssen uns nicht auf das spezifische Klebstoffmaterial verlassen, aber solange die Schnitte in einer charakteristischen Größe ausgeführt werden, die durch die Physik des Klebstoffs definiert wird, haben wir festgestellt, dass dies die Haftung bei jedem System, das wir ausprobiert haben, verbessert.“

Das andere interessante Ergebnis dieses Ansatzes ist, dass er in hohem Maße individuell angepasst werden kann.

„Indem wir die Schnitte an bestimmten Stellen platzieren, können wir diese umgekehrte Rissausbreitung aktivieren, um die Haftfestigkeit an jeder Folienstelle abzustimmen, und es ermöglicht darüber hinaus die gleichzeitige Programmierung der Haftfestigkeit in zwei Richtungen in einem einzigen Bereich einer Folie. Wir verwenden außerdem einen schnellen digitalen Fertigungsansatz, sodass wir schnell hochgradig anpassbare Klebstoffe mit einstellbarer Stärke herstellen können. „Das ist eine sehr spannende Methodik für die Entwicklung zukünftiger Klebstoffe“, sagte Bartlett.

In einem dramatischen Anwendungstest brachte das Team die gleiche Art von Klebeband auf zwei Kartons an und versiegelte sie so, als würde man sie für den Versand verschließen. Auf einem der Bänder waren Kirigami-Schnitte angebracht, auf dem anderen nicht. Anschließend ließen die Forscher einen Ziegelstein auf den Deckel jeder Schachtel fallen. Bei dem unveränderten Klebeband brach die Verbindung nach zwei Tropfen, wodurch der Deckel der Schachtel zusammenbrach und der Ziegel eindringen konnte. Allerdings hielt das veränderte Klebeband den Stürzen stand und beim dritten Versuch prallte der Stein sogar vom Deckel ab.

„Das war ein sehr aufregendes Ergebnis“, sagte Doktorand Chanhong Lee. „Wir können normale Verpackungsbänder verwenden und sie bei Bedarf stärker machen, sie aber trotzdem lösen. Dies ist sehr nützlich für Verpackungen, die auch wiederverwendbar sind und möglicherweise einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten.“

In einem anderen Test steigerte das Team die Klebekraft anderer Objekte als Klebebänder. Nachdem Lee Kirigami-Schnitte an einem Handschuh angebracht hatte, mit dem Fußballspieler den Ball fangen, legte er seine behandschuhte Hand flach auf eine Plastikfolie. Sowohl ein veränderter als auch ein unveränderter Handschuh waren so abrasiv, dass der Forscher den Kunststoff in einem 90-Grad-Winkel halten konnte, aber der unveränderte Handschuh verlor nach einigen Sekunden seine Bindung. Der veränderte Handschuh hielt das Plastik weiterhin fest, bis der Forscher es schließlich ablegte.

„Es ist üblich, Klebeverbindungen stärker zu machen, sie aber schwerer zu entfernen“, sagte Bartlett. „Es ist auch üblich, diese Bindungen weniger stark, aber leicht zu entfernen zu machen. Die Herausforderung besteht darin, es sowohl stärker als auch leicht zu entfernen zu machen, und das ist uns gelungen.“

Suzanne Miller

540-267-4375