DD244758A1 - Verfahren zur stabilisierung von optikklebstoffen und -verklebungen gegen temperaturschockbelastung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilisierung von Optikklebstoffen und -verklebungen gegen Temperaturschockbelastung auf der Basis von Epoxid-Amin-Polymerisationssystemen. Ziel der Erfindung ist die weitere Erhoehung der Temperatur- und Klimabestaendigkeit ohne Beeintraechtigung der chemischen, physikalisch-optischen und technologischen Klebstoffeigenschaften. Die Optikklebstoffe und -verklebungen sollen auf einfache Weise gegen verschaerfte Temperaturschockbehandlung durch Temperaturwechsel von 60C bis 70C stabilisiert werden. Erfindungsgemaess wird zu den homogenisierten Optikklebstoff-Ansaetzen epoxidiertes Rueboel oder epoxidiertes Sojaoel in einer Menge von 1-10 Ma.-% hinzugefuegt. Derartig stabilisierte Optikklebstoffe dienen zum spannungsarmen Verkleben von Optikteilen sowie fuer Halterung empfindlicher optischer Bauelemente hoher Praezision in Metallfassungen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stabilisierung von Optikklebstoffen und -verklebungen auf der Basis von Epoxid-Amin-Polymerisätionssystemen gegen Temperaturschockbelastung durch Zusatz eines Stabilisators.

Die erfindungsgemäß stabilisierten Klebstoffe eignen sich besonders zum Verkleben von optischen Bauelementen in der Kombination Glas/Glas bzw. Glas/Metall untereinander zu optischen Systemen unter Einhaltung hoher Genauigkeitsanforderungen. Insbesondere kommen die Optikklebstoffe gemäß der Erfindung dann zum Einsatz, wenn derartige Verklebungen extremen Temperaturschockbehandlungen ausgesetzt werden müssen, ohne daß die technologischen, physikalischen und optischen Eigenschaften der Klebstoffe und der verklebt optischen Systeme insgesamt nachteilig beeinflußt werden dürfen.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die temperaturschockbeständige Halterung von optischen Bauelementen oder Baugruppen der genannten Art in Fassungen oder auf Unterlagen aus Metall oder Keramik.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Da die Optikklebstoffe selbst als optische Medien betrachtet werden müssen, kommt der Gewährleistung der optischen Reinheit, der Homogenität, einer möglichst geringen Eigenfärbung und einer hohen spektralen Durchlässigkeit große Bedeutung zu. Auch solche Parameter, wie Brechungsindex, v-Wert, Dispersion und eine möglichst geringe Spannungsdoppelbrechung müssen auf die zu verklebenden optischen Bauelemente abgestimmt sein. Eine möglichst geringe Volumenschrumpfung beim Klebe- und Aushärtungsvorgang ist zur Vermeidung von mechanischen Verspannungen wichtig, die zur Deformation der optischen Flächen und zur Spannungsrißbildung in der Klebstoffschicht und damit zur Minderung der abbildungsoptischen Eigenschaften sowie der Klima- und Temperaturbeständigkeit führen. Eine bekannte Möglichkeit, die Volumenschrumpfung zu mindern, besteht in der Zugabe von anorganischen oder organischen Füllstoffen (A.V.Tobolsky, F.Leonhard, G. P. Rolser: J.Polymer Sei. 3 [1984] 604).

Von anwendungstechnischer Bedeutung ist eine funktionsgerechte Temperatur- und Klimastabilität.

Es sind Optikklebstoffe auf der Basis von niedermolekularerraro-rrratischen Epoxidharzen bekannt geworden, die teilweise in hohem Maße mit reaktiven Verdünnungsmitteln bzw. Weichmachern modifiziert worden sind und mit Aminhärtern ausgehärtet werden (DD 131 825, DD 122258, DD130580). Mit diesen bekannten technischen Lösungen können jedoch die genannten Anforderungen nur teilweise erfüllt werden.

In DD 131 623 wird ein Optikklebstoff auf der Grundlage von unmodifizierten, niedermolekularen Epoxidharzen beschrieben, in dem als Härter und zugleich Modifizierungsmittel Ν,Ν'-Dibenzylethylendiamin verwendet wird.

Aus DD 0154867 ist bekannt, daß Optikklebstoffe auf Basis von Epoxid-Amin-Polymerisationssystemen durch Benzylalkohol-Zusatz einem 5maligen Temperaturwechsel zwischen —40⁰C und +50°C in einem Wechsel von jeweils 2 Stunden widerstehen.

Obwohl mit der genannten technischen Lösung die optischen Genauigkeitsanforderungen bei einer Klimabeanspruchung der Optikteile im Temperaturbereich von -40⁰C bis +50⁰C bereits in hohem Maße realisiert werden können, besteht aus anwendungstechnischer Sicht die Forderung nach einem Optikklebstoff, der auch einer Temperaturschockbehandlung in einem ausgedehnteren Temperaturbereich standhält. Wünschenswert ist dabei insbesondere eine erweiterte Klimabeständigkeit im Minustemperaturbereich.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Temperatur- und Klimabeständigkeit der Optikklebstoffe und -verklebungen gegen verschärfte Temperaturschockbelastung bei —60⁰C bis +7O⁰C zu erhöhen. Dabei sollen die in DD 0154867 beschriebenen optimalen chemischen, physikalisch-optischen und technologischen Eigenschaften beibehalten und verbessert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Entsprechend der Zielstetlungrbesteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es ohne zusätzlichen technologischen Aufwand, mit leicht zugänglichen Mitteln sowie ohne Beeinträchtigung der chemischen, physikalischoptischen und technologischen Klebstoffeigenschaften möglich ist, Optikklebstoffe und -verklebungen auf der Basis von Epoxid-Amin-Polymerisationssystemen gegen verschärfte Temperaturschockbehandlung durch Temperaturwechsel von -60⁰C bis +70°C zu stabilisieren.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Stabilisierung von Optikklebstoffen und -verklebungen gegen Temperaturschockbelastung auf der Basis von Epoxid-Amin-Polymerisationssystemen durch Zusatz eines Stabilisators erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Klebstoffansatz nach dem Homogenisieren der Klebstoffkomponenten epoxidiertes Rüböl oder epoxidiertes Sojaöl in einer Menge von 1 bis 10Ma.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Klebstoffansatzes, zugesetzt wird.

Erforderlichenfalls können dem Klebstoffansatz zusätzlich organische und/oder anorganische Füllstoffe beigefügt werden, um insbesondere eine für Präzisionszwecke nicht mehrtolerierbare Verspannungen hervorrufende Volumenschrumpfung >5%zu kompensieren, aber auch die mechanischen Klebstoffeigenschaften, wie Abriebfestigkeit und Scherkraft, zu verbessern. Es ist vorteilhaft, als Füllstoffe insbesondere PAN, TiO₂, Quarzmehl, MoS₂, Ruße, MgO oder FeO-schwarz zu verwenden. Mit den erfindungsgemäß durch den Zusatz von epoxidiertem Soja- oder Rüböl stabilisierten Optikklebstoffen wird eine Halterung von Optikteilen bzw. eine Temperatur- und Klimabestän'digkeit der Verklebung erreicht, die einer Temperaturschockbehandlung von -60^cC bis +70°C widersteht. Auch bei sehr empfindlichen Optikteilen mit einer OberflächengenauigkeitνοΓϊ<-1 Ring rund und einem Mittendicken-Durchmesser-Verhältnis bis 1:15 herabtreten dabei keine Verspannungen auf, die über den Meßfehlern eines Michelson-lnter-ferometers von 0,2 Newton-Ringen hinausgehen.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend wird die Erfindung anhand von 4 Ausführungsbeispielen und 2 Vergleichsbeispielen nach dem Stand der Technik sowie 3 Tabellen näher erläutert.

Tabelle 1 zeigt eine vergleichende Übersicht über die Eigenschaften von erfindungsgemäß gegen Temperaturschockbehandlung stabilisierten Optikklebstoffen gemäß Beispiel 1 und 2 und von einem in bekannter Weise mit Benzylalkohol stabilisiertem Optikkleb.stoff gemäß Vergleichsbeispiel A.

Tabelle 2 und 3 enthalten eine vergleichende Übersicht über die Eigenschaften von erfindungsgemäß gegen Temperaturschockbehandlung stabilisierten Optikfassungsklebstoffen gemäß Beispiel 3 und 4 und von einem in bekannter Weise mit Benzylalkohol stabilisiertem Optikfassungsklebstoff gemäß Vergleichsbeispiel B.

Vergleichsbeispiel A zum Feinkitten optischer Bauelemente

5,33g Diandiglycidether (Epoxidäquivalent 177,8) werden nacheinander mit 3,60g Ν,Ν'-Dibenzylethylendiamin und 0,446g Benzylalkohol (Stabilisatorzusatz) in der angegebenen Reihenfolge durch Rühren mit einem Glasstab bei Zimmertemperatur vermischt. Die so hergestellte-Klebstoffmischung hat eine Ausgangsviskosität von ca. 200mPas bei 25⁰C und ist ca. 5 Stunden gebrauchsfähig für Optikteile mit Durchmessern von ca. 30mm.

Mit Hilfe dieses Optikklebstoffes werden interferometrisch vermessene Glasplatten mit einem Durchmesser von 30mm und einer Dicke von 1,5mm aus BK7 auf Glasplatten des Durchmessers 30mm und der Dicke von 10mm aus FK6 aufgekittet. Nach einer Aushärtezeit von 10 Tagen erfolgt eine 5malige Wechselbeanspruchung der gekitteten Teile von —40⁰C und + 55°C (Verweilzeit je 2 Std.).

Nach Temperierung auf Raumtemperatur wird interferometrisch die Passeveränderung Δ1 /3 gegenüber dem Ausgangszustand als ein relatives Maß der Güte der Verkittung bewertet (Ergebnisse s. Tab. 1).

Weitere 10 Versuchsteile werden wie beschrieben verkittet und nach Aushärtung von 10 Tagen einer Temperaturbelastung von 96 Std. bis +55⁰C und 24 Std. bei:-60°C unterzogen. Als Maß der Stabilität des Klebstoffes gegen die Temperaturbeanspruchung wird visuell beurteilt, ob Zerstörungen der Klebstoffschicht nach der Temperaturbehandlung eingetreten sind (Ergebnisse s.

Beispiel 1

5,33g Diandiglycidylether (Epoxidäquivalent 177,8) werden nacheinander mit 3,60g Ν,Ν'-Dibenzuylethylendiamin und erfindungsgemäß zur Stabilisierung gegen Temperaturschockebehandlung mit 0,44g epoxidiertem Rüböl (Type F30 vom VEB Chemiewerk Greiz-Döhlau) bei Zimmertemperatur durch Rühren vermischt und homogenisiert.

Der erfindungsgemäß stabilisierte Optikklebstoff hat bei 20°C eine Viskosität von ca. 200mPas, seine Verarbeitbarkeitsdauer beträgt für Optikteile mit Durchmesser bis 30 mm ca. 6 Stunden.

Beispiel 2

Ein gebrauchsfähiger Optikklebstoff wird hergestellt durch Homogenisierung einer Mischung von 5,33g Diandiglycidether (Epoxidäquivalent 177,8), 1,80g Ν,Ν'-Dibenzylethylendiamin, 1,96g Addukthärter aus 1 Mol Diisopropylentriamin und 2 Mol Isobutylglycidether und von 0,682g epoxidiertem Rüböl (Type F30 vom VEB Chemiewerk Greiz-Döhlau). Der so hergestellte Klebstoff besitzt eine Viskosität von 400 mPas bei 25°C und eine Verarbeitungszeit bei Teiledurchmessern bis 30 mm von ca. 3 Stunden.

Die erfindungsgemäß stabilisieren Optikklebstoffe gemäß Beispiel 1 und 2 wurden in der unter Vergleichsbeispiel A beschriebenen Art und Weise zum Verkleben von planen Glasplatten angewendet. Analog zur Vergleichsbeispiel A wurden interferometrische Messungen der Oberflächenpasse an den Glasplatten vor dem Verkleben und im verklebten Zustand mit ausgehärteter Klebstoffschicht jeweils vor derTemperaturschockbehandlung und nach entsprechender Temperaturschockbehandlung durchgeführt. Außerdem wurden die verklebten Optikteile nach der Temperaturschockbehandlung visuell auf Schaden in der Klebstoffschicht untersucht. Die Meß- und Untersuchungsergebnisse sind aus Tabelle 1 ersichtlich.

Vergleichsbeispiel B zum Einkleben optischer Bauelemente in Metallfassungen Dem Vergleichsbeispiel B liegt ein technisch verwendeter Fassungsklebstoff für Hochleistungsoptik zugrunde (AK821 im Kombinat VEB Carl Zeiss JENA).

Mit diesem Klebstoff werden Planplatten aus BK7 mit einem Mittendicken-Durchmesser-Verhältnis 1:15 in gleichartige Aluminiumfassungen mit einer Klebstoffspalte von 0,3 mm eingeklebt. Mittels Zygointerferometerwird die Oberflächengüte der Planplatten in pV-Werten vor dem Verkleben und im Vergleich dazu nach dem Verkleben nach einer Aushärtezeit von 10 Tagen (also ohne Temperaturschockbelastung) sowie nach einer Temperaturschockbehandlung gemessen. Das Zygointerferometer besitzt eine Meßgenauigkeit von ApV = 0,05λ(λ = 633 nm).

Die ApV-Werte stellen ein relatives Maß für die Spannungsarmut der Klebstoffschicht dar. Die Meßergebnisse sind ausTabelle 3 ersichtlich.

Außerdem werden an BK7/AI-Teilen mit eienr mittleren Klebstoffschichtdicke von 0,1-0,2 nm nach einer Aushärtezeit der Verklebung von 10 Tagen Scherkraftmessungen durchgeführt.

In Tabelle 2 sind die,erhaltenen Scherkraftmeßwerte dargestellt.

Analog dem Vergleichsbeispiel B beschreiben die Beispiele 3 und 4 Klebstoffmischungen, die zum Einkleben von optischen Bauelementen der Hochleistungsoptik in Metallfassungen geeignet sind.

Beispiel 3

Ein Fassungsklebstoff wird hergestellt aus

3,4g Diandiglycidether (Epoxidäquivalent 179)

0,85g Phenylglycidether

0,7g epoxidiertes Rüböl F30 und

2,6g eines Adduktes aus Dipropylentriamin und Isobutylglycidether im Molverhältnis von 5:2 Durch den Zusatz des epoxidierten Rüböls erfährt der Klebstoff eine erfindungsgemäße Stabilisierung gegen Temperaturschockbelastung.

Zu dem homogenisierten Grundansatz werden 10%, bezogen auf die Gesamtmenge des Klebstoffansatzes, Ruß (Orga E vom VEB Rußwerk Oranienburg) und 20% der Gesamtmenge des Klebstoffansatzes Polyacrylnitrilpulver R-8993 vom VEB Chemische Werke Buna zugesetzt. Nach intensiver Vermischung aller Bestandteile miteinander ist der Fassungsklebstoff gebrauchsfertig.

Beispiel 4

Für die Herstellung eines Fassungsklebstoffes wird der gleiche Grundansatz wie in Beispiel 3 verwendet. Als Füllstoffe werden 50%, bezogen auf die Gesamtmenge des Grundansatzes, einer Mischung aus 10 Teilen Titandioxid, 1 Teil Orga Ε-Gasruß und 1 Teil Molybdändisulfat in den Klebstoffansatz für den Fassungsklebstoff eingearbeitet, der damit gebrauchsfertig ist. Zur Charakterisierung der erfindungsgemäß stabilisierten Klebstoffe nach Beispiel 3 und 4 und zum Vergleich mit dem Fassungsklebstoff gemäß Vergleichsbeispiel B wurden diese in der gleichen Weise, wie im Vergleichsbeispiel B beschrieben, untersucht. Die Ergebnisse der Scherkraftmessungen und der interferometrischen Messungen mittels Zygointerferometer sind in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt.

Beim Beispiel 2 wurde mittels Zygointerferometer ein ApV-Wert der verklebten, nicht temperaturschockbehandelten Glasteile von 0,001-0,05λ ermittelt (λ = 633nm).

Tabelle 1

Eigenschaftsvergleich von erfindungsgemäß gegen Temperaturschockbehandlung stabilisierten Optikklebstoffen entsprechend Beispiel 1 und 2 mit in bekannter Weise benzylalkoholstabilisiertem Optikklebstoff gemäß Vergleichsbeispiel A

	Passeänderungen in	mit Klima	Schaden in der
	Ringen	1 η	Kittschicht bei %
		I1U -	der beanspruchten
		0,3	Teile
Beispiel A	ohne Klima	0,3	60
	η ι
Beispiel 1	0,5	10
Beispiel 2	0,4	10

Tabelle 2

Vergleich von erfindungsgemäß stabilisierten Optikfassungsklebstoffen entsprechend Beispiel 3 und 4 mit einem in bekannter Weise mit Benzylalkohol stabilisiertem Klebstoff gemäß Vergleichsbeispiel B bezüglich der Scherkraft der ausgehärteten Klebstoffschicht

	Beispiel	ohne Klima	Scherkraft kp/cm2	-6O0C	+7O0C
; *& & ι*Λ,"· -
			nach Temperaturschockbehandlung	22,4	57,3
			5 x Wechsel	—	—
		26,8	! -40/+55 0C	67,0	53,0
	Beispiel B	30 + 4	(je 2 h)
	Beispiel 3 -	52,4	42,7
	Beispiel 4	—
	61,0

Tabelle

Vergleich von erfindungsgemäß stabilisierten Optikfassungsklebstoffen entsprechend Beispiel 3 und 4 mit Vergleichsbeispiel B bezüglich Verspannung der ausgehärteten Klebstoffschicht

Beispiel Verspannung (ApV in λ)

ohne Klima	nach Temperaturschockbehandlung	-6O0C	+7O0C
	:-40/+55°C	(24 h)	(24 h)
	(je 2 h)	0,014-0,115	0,006-0,050
0,01-0,187	0,00-0,04	0,021-0,018	—
0,04-0,08	0,018-0,005	0,009-0,034	0,007-0,043
0,001-0,048	0,001-0,004

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   T. Verfahren zur Stabilisierung von Optikklebstoffen und -verklebungen'gegen Temperaturschockbelastung auf der Basis von Epoxid-Amin-Polymerisationssystemen durch Zusatz eines Stabilisators, gekennzeichnet dadurch, daß zum Klebstoffansatz nach dem Homogenisieren der Klebstoffkomponenten epoxidiertes Rüböl oder epoxidiertes Sojaöl in einer Menge von 1 bis 10-Ma.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Klebstoffansatzes, zugesetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Klebstoffansatz zusätzlich organische und/oder anorganische Füllstoffe beigefügt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Füllstoffe insbesndere PAN, TiO₂, Quarzmehl, MoS₂, Ruße, MgO oder FeO-schwarz verwendet werden.