Kohäsionskraft

Kohäsionsfestigkeit bezeichnet den inneren Widerstand eines Materials gegen das Trennen oder Anziehen durch innere Kräfte. Sie entsteht durch Anziehungskräfte zwischen ähnlichen Teilchen, Molekülen oder Atomen desselben Stoffes (wie z. B. intermolekulare Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen oder metallische Bindungen). Diese Eigenschaft unterscheidet sich von der Adhäsionsfestigkeit, welche die Verbindung zwischen verschiedenen Materialien oder Oberflächen beschreibt.

Die Kohäsionskraft spielt eine entscheidende Rolle in Physik, Chemie, Materialwissenschaft, Geotechnik, Lebensmittelwissenschaft und Klebstofftechnik. Zu ihren Hauptanwendungen zählen:

• Bei Flüssigkeiten und Oberflächenphänomenen beschreibt die Kohäsionskraft (oft einfach Kohäsion genannt) die Anziehungskräfte zwischen Molekülen desselben Stoffes. Sie ist verantwortlich für Phänomene wie:
• Oberflächenspannung: Ermöglicht es Insekten, auf Wassertropfen zu laufen oder kugelförmige Strukturen anzunehmen.
• Die Tendenz von Flüssigkeiten, eher zusammenzukleben als sich auszubreiten.

Wasser besitzt beispielsweise aufgrund starker Wasserstoffbrückenbindungen eine hohe Kohäsionskraft, wodurch Regentropfen statt Nebel fallen. Überwiegen die Kohäsionskräfte die Adhäsionskräfte (Anziehung zu einer anderen Oberfläche), perlen sich Flüssigkeiten ab, anstatt eine Oberfläche zu benetzen. Dies unterscheidet sich von der Adhäsion, bei der sich Moleküle verschiedener Substanzen gegenseitig anziehen.

• Festkörper und Bruchmechanik (Materialwissenschaft): In Festkörpern stellt die Kohäsionsfestigkeit die theoretisch maximale Spannung dar, die erforderlich ist, um Atomlagen zu trennen oder innere Bindungen ohne Defekte zu brechen. Sie ist die ideale Festigkeit, basierend auf interatomaren Kräften. Reale Materialien brechen aufgrund von Defekten (Rissen, Versetzungen) oft bei deutlich geringeren Spannungen, die theoretische Kohäsionsfestigkeit stellt jedoch eine Obergrenze dar. Bei Metallen entspricht sie der metallischen Bindungsfestigkeit.

In Bruchmodellen (z. B. Kohäsionszonenmodellen) dient die Kohäsionsfestigkeit als Parameter zur Steuerung der Rissausbreitung in viskoelastischen oder kriechenden Materialien. Bei Beschichtungen oder Ablagerungen (z. B. Kaltspritzen) misst die Kohäsionsfestigkeit die Bindungen innerhalb der abgeschiedenen Schicht selbst und wird üblicherweise mittels Zugversuchen geprüft.

• In der Boden- und Geotechnik (Bodenmechanik): Hier ist die Kohäsionsfestigkeit eine Komponente der Scherfestigkeit, die unabhängig von Normalspannung und Reibung ist. Sie spiegelt wider, wie gut Bodenpartikel aufgrund folgender Faktoren aneinander haften:
• Elektrostatische Kräfte
• Wasserstoffbrückenbindungen in Tonmineralien
• Zementierung
• Auswirkungen der Luftfeuchtigkeit

Bindige Böden (z. B. Tone) weisen eine ausgeprägte Kohäsion auf. Nichtbindige Böden (z. B. reiner Sand, Kies) besitzen keine Kohäsion und sind weitgehend reibungsresistent. Die Kohäsion ermöglicht es tonreichen Böden, in Baugruben (kurzzeitig) aufrecht zu stehen oder in Fundamenten ein Abrutschen bzw. Umkippen zu verhindern.

• Pulver, die in Lebensmitteln und Klebstoffen verwendet werden:
• Pulvertechnologie: Die Kohäsionsfestigkeit misst den Fließwiderstand eines Pulvers bei der Verdichtung (wichtig für Handhabung, Lagerung und Verarbeitung).
• Lebensmittelrheologie/Textur: Dies beschreibt, wie gut ein Lebensmittel (z. B. Gele, Teig, Käse) sich beim Zusammendrücken/Kauen verformt oder trennt. Sie wird mittels Texturprofilanalyse gemessen.
• Haftklebstoffe: Hohe Kohäsionsfestigkeit verhindert das Verlaufen des Klebstoffs und das Hinterlassen von Rückständen (innere Festigkeit der Klebstoffschicht). Bewertet durch Kriech- und Gleitversuche.

Eine höhere Kohäsionsfestigkeit bedeutet, dass das Material an anderer Stelle versagt, bevor es im Inneren bricht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kohäsionsstärke im Wesentlichen misst, wie gut ähnliche Dinge zusammengehalten werden. Ihr Wert und ihre Bedeutung variieren je nach Kontext.

• Flüssigkeiten: Oberflächenspannung und Tropfenbildung
• Festkörper: Theoretische Bruchgrenze und innere Bindung
• Böden: Gleitwiderstand ohne Reibung.
• Pulver, Klebstoffe, Lebensmittel: Fließfähigkeit, Textur und Stabilität.

Das Verständnis der Kohäsionskraft hilft Ingenieuren, stabile Strukturen zu entwerfen, die Materialverarbeitung zu optimieren, bessere Produkte zu entwickeln und alltägliche Phänomene zu erklären, wie zum Beispiel, warum Wasser auf einem polierten Auto in Tropfenform zurückbleibt.

Die Prüfmethoden zur Bestimmung der Haftfestigkeit variieren je nach Material oder Bindemittel (Erden, Klebstoffe, Beschichtungen, Pulver, Lebensmittel oder andere feste/flüssige Substanzen). Die Haftfestigkeit misst im Allgemeinen die inneren Bindungen innerhalb desselben Materials oder den Widerstand gegen Trennung und wird typischerweise durch mechanische Bruchtests ermittelt, bei denen der Bruch durch Haftung innerhalb des Materials und nicht an der Grenzfläche erfolgt.

Die im Rahmen dieses Projekts angewandten Testmethoden sind wie folgt:

• Bodenkunde und Geotechnik (Kohäsion in der Scherfestigkeit): Die Kohäsionsfestigkeit in Böden (insbesondere Tonen) ist die Scherfestigkeit, die unabhängig von der Normalspannung ist und üblicherweise näherungsweise aus undrainierten Versuchen abgeschätzt wird.
• Unbegrenzte Druckfestigkeitsprüfung: Dies ist die gebräuchlichste und einfachste Methode zur Prüfung bindiger Böden. Eine zylindrische Bodenprobe (unberührt oder umgeformt) wird axial ohne seitliche Einspannung komprimiert und bis zum Bruch geprüft. Die Prüfung erfolgt gemäß der Norm ASTM D2166.
• Triaxiale Druckversuche (unkonsolidiert-undrainiert oder konsolidiert-undrainiert): Die Probe wird einer begrenzten Druck- und Axialbelastung ausgesetzt. Sie erfüllt die vollständigen Scherfestigkeitsparameter (c und φ). Die Normen ASTM D2850 und ASTM D4767 werden eingehalten.
• Direkter Scherversuch: Der Boden wird unter Normalkraft entlang einer vorgegebenen Ebene geschert. Die Fließkurve liefert den Kohäsionskoeffizienten. Es wird die Norm ASTM D3080 eingehalten.
• Flügelscherversuch: Ein vierflügeliger Flügel wird in weichen, bindigen Boden eingesetzt und gedreht, um die undrainierte Scherfestigkeit zu messen. Das Verfahren entspricht der Norm ASTM D8121.
• Klebstoffe, Beschichtungen und Haftklebstoffe: Die Kohäsionsfestigkeit ist die innere Festigkeit der Klebstoffschicht (der Unterschied zwischen Bruch innerhalb des Klebstoffs und Bruch an der Grenzfläche).
• Scher-/Kriech-/Haltefestigkeitsprüfungen: Misst den Widerstand gegen kontinuierliche Scherung (z. B. Überlappungsscherung oder statisches hängendes Gewicht).
• Rheologische/dynamisch-mechanische Analyse: Oszillatorische Scherversuche messen den Speichermodul. Kriechversuche ermitteln direkt die Kohäsionsfestigkeit.
• Zugrelaxations- oder Krafterhaltungstests: Spezielle Methoden (z. B. Gewebeanalysator) messen die Abnahme der Kraft im Laufe der Zeit, um die Kohäsionsfestigkeit zu berechnen.
• Prüfungen zur Entwicklung der Kohäsionsfestigkeit (z. B. für Holzleime): Die schnelle Bindungsbildung wird unter kontrollierten Bedingungen (trocken/nass) bewertet. Die Norm ASTM D7998 wird eingehalten.
• Zug-/Wärmeprüfung (für Beschichtungen/Thermospritzverfahren): Eine mit der Beschichtung verbundene Form wird senkrecht gezogen. Es kommt zu einem Kohäsionsbruch innerhalb der Beschichtung. Die Prüfungen erfolgen gemäß den Normen ASTM C633 und ASTM D4541.
• Pulver und körnige Materialien: Die Kohäsionsfestigkeit misst die Anziehungskraft zwischen den Partikeln, die dem Fließen entgegenwirkt (wichtig für die Handhabung und in Silos).
• Schneidzellentest: Das Pulver wird unter Normalspannung verdichtet und anschließend einem Schneidvorgang unterzogen. Die Prüfung erfolgt gemäß ASTM D6128.
• Messungen der Pulverrheologie/Fließenergie: Eine rotierende Klinge, die durch ein Pulverbett fährt, misst die Fließenergie.
• Lebensmittel, Gele und halbfeste Stoffe (Texturanalyse): Die Kohäsion wird typischerweise aus der Texturprofilanalyse gewonnen.
• Kompressions-/Rückextrusions-/Zylindersondenprüfungen: Die Probe wird komprimiert oder extrudiert, und das Verhältnis der Kräfte ergibt die Kohäsion. Fallgewichts-, Dispersions- oder sensorische Korrelationsmethoden werden ebenfalls angewendet.
• Gewebeanalysesonden (z. B. sphärische oder Kompressionsplatten): Messen die Kraft, die zu einem intrinsischen Bruch führt.

Seit vielen Jahren versteht unser Unternehmen mit seinem kompetenten und erfahrenen Team die Bedürfnisse seiner Kunden, bietet ihnen die benötigten fortschrittlichen Testdienstleistungen und unterstützt sie beim Aufbau, der Implementierung und der Optimierung von Managementsystemen. In diesem Rahmen bieten wir Unternehmen auch Kohäsionsstärketests an.