DE102004018547A1 - Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs, bei dem eines der zu verbindenden Kunststoffteile im Verbindungsbereich ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die Laserstrahlung absorbierendes Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man als die Laserstrahlung absorbierendes Material mindestens eine nichtionische, gegen die Laserstrahlung resistente Verbindung mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300 DEG C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB¶6¶ von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, einsetzt, DOLLAR A sowie DOLLAR A zur Herstellung von mit Hilfe von Laserstrahlung, deren Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt, schweißverbundenen Kunststoffteilen geeignete Präparationen, enthaltend DOLLAR A a) ein zur Ausbildung der Kunststoffteile geeignetes thermoplastisches Matrixpolymer, DOLLAR A b) mindestens ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die eingesetzte Laserstrahlung absorbierendes, nichtionisches, gegen die Laserstrahlung resistentes Material mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300 DEG C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB¶6¶ von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, DOLLAR A c) ...
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs, bei dem eines der zu verbindenden Kunststoffteile im Verbindungsbereich ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die Laserstrahlung absorbierendes Material aufweist.
- Außerdem betrifft die Erfindung zur Herstellung von mit Hilfe von Laserstrahlung, deren Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt, schweißverbundenen Kunststoffteilen geeignete Präparationen, enthaltend
- a) ein zur Ausbildung der Kunststoffteile geeignetes thermoplastisches Matrixpolymer,
- b) mindestens ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die eingesetzte Laserstrahlung absorbierendes, nichtionisches, gegen die Laserstrahlung resistentes Material mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M,
- c) gewünschtenfalls einen oder mehrere UV-Stabilisatoren und
- d) gewünschtenfalls weitere Additive.
- Das Laserverscheißen von thermoplastischen Kunststoffteilen ist eine neue, wirtschaftlich hochinteressante Methode, um Kunststoffartikel mit komplexer Geometrie zu fertigen. Hierbei werden die zu verbindenden Teile zunächst in der richtigen Endlage zueinander fixiert und die Fügeflächen miteinander in Kontakt gebracht. Dann wird der Verbindungsbereich so lange durch eines der Teile hindurch mit Laserlicht bestrahlt, bis es zumindest bei dem darunter liegenden Teil zu einem oberflächlichen Aufschmelzen und damit zur Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen den Teilen kommt, die sich in der anschließenden Abkühlphase mechanisch verfestigt.
- Zur Absorption der Laserstrahlung und deren Umwandlung in Wärme für den Schmelzprozeß ist der Einsatz absorbierender Materialien erforderlich, die entweder in mindestens eines der Kunststoffteile eingearbeitet oder so auf dieses aufgebracht werden, daß sie sich im Verbindungsbereich zwischen den Kunststoffteilen befinden.
- Typischerweise, so z.B. auch in der
EP-A-159 169 - Neben Ruß wird in der
DE-A-44 32 081 auch Nigrosin als IR-absorbierendes Material für das Schweißverbinden von Kunststoffteilen empfohlen. Nigrosin führt zwar nicht zu einer Verfärbung des Kunststoffs, aufgrund seiner nur geringen Absorption im NIR sind bei den gebräuchlichen Laserwellenlängen von 940 und 1064 nm jedoch vergleichsweise hohe Laserleistungen erforderlich, die leicht zur Verkokung des Kunststoffs führen. Außerdem ist Nigrosin toxisch und kanzerogen. - Aus der
EP-A-126 787 DE-A-198 14 298 ist die Verwendung von Siliciumdioxid als Absorber für das Verschweißen von Polyethylenfolien bzw. die Herstellung eines Kraftstofftanks durch Verschweißen von zwei Kunststoffhohlkörpern bekannt. Aber auch Siliciumdioxid zeigt bei den gebräuchlichen Laserwellenlängen von 808, 940 und 1064 nm keine zufriedenstellende Absorption. - Schließlich wird in den WO-A-00/20157 und 03/59619 ein Verfahren zum Laserverschweißen von Kunststoffteilen beschrieben, bei dem im sichtbaren Bereich im wesentlichen nicht absorbierende Farbstoffe als IR-absorbierende Beschichtung des einen Kunststoffteils eingesetzt werden. Die verwendeten Farbstoffe weisen jedoch keine ausreichende Photostabilität bzw. Strahlungsresistenz auf. In der WO-A-03/59619 wird die Zersetzung des Farbstoffs sogar ausdrücklich erwähnt. Dementsprechend sind weder Mehrpassagenschweißen noch Quasisimultanschweißen, bei denen die Spaltüberbrückung besser ist und weniger Spannungsrisse entstehen, anwendbar, sondern es steht nur das One-Pass-Konturschweißen zur Verfügung. Außerdem reicht die Thermostabilität der genannten Farbstoffe für eine direkte Einarbeitung in die zu verschweißenden Kunststoffteile mittels konventioneller Aufschmelzmethoden, wie Extrusion, Coextrusion, Blasformung oder Spritzgießen, nicht aus. Die Farbstoffe müssen daher in einem zusätzlichen Arbeitsschritt auf eines der Kunststoffteile aufgebracht werden, was kosten- und arbeitsintensiv ist und insbesondere für eine Serienfertigung kleiner oder komplex geformter Teile ungeeignet ist. Zudem sind die verwendeten Farbstoffe und insbesondere ihre photochemischen und thermischen Abbauprodukte chemisch nicht inert und neigen zu unerwünschter Migration im Matrixpolymeren.
- Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den genannten Nachteilen abzuhelfen und ein universell einsetzbares Verfahren bereitzustellen, nach dem Kunststoffteile auf verfahrenstechnisch einfache Weise laserverschweißt werden können.
- Demgemäß wurde ein Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs, bei dem eines der zu verbindenden Kunststoffteile im Verbindungsbereich ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die Laserstrahlung absorbierendes Material aufweist, gefunden, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man als die Laserstrahlung absorbierendes Material mindestens eine nichtionische, gegen die Laserstrahlung resistente Verbindung mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, einsetzt.
- Als die Laserstrahlung absorbierende polycyclische organische Verbindungen eignen sich insbesondere Quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimide und Quaterrylen-3,4-dicarbonsäuremonoimide (zusammen kurz "Quaterrylencarbonsäureimide" genannt) sowie Terrylen-3,4:11,12-tetracarbonsäurediimide und Terrylen-3,4-dicarbonsäuremonoimide (zusammen kurz "Terrylencarbonsäureimide" genannt).
- Die Quaterrylen- und Terrylencarbonsäureimide können an den Imidstickstoffatomen und/oder am Ringgerüst substituiert oder nicht substituiert sein, vorzugsweise tragen sie an den Imidstickstoffen Alkyl- und/oder Arylreste und sind am Ringerüst unsubstituiert oder tragen 2 bis 8 Substituenten. Diese Verbindungen sind aus der
EP-A-596 292 - Besonders bevorzugt sind die Quaterrylencarbonsäureimide, wobei die Quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimide ganz besonders bevorzugt sind.
- Besonders geeignete Quaterrylencarbonsäureimide weisen insbesondere die Formel Iauf, in der die Variablen folgende Bedeutung haben:
Y1, Y2 unabhängig voneinander Wasserstoff, Brom oder Amino; zusammen einen Rest der FormelR1, R2 unabhängig voneinander:
Wasserstoff;
C1-C30-Alkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch Cyano, C1-C6-Alkoxy, Aryl, das durch C1-C18-Alkyl oder C1-C6-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann;
C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann;
Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C1 8-Alkyl, C1-C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4, -NHCOR4 und/oder Aryl- oder Hetarylazo, das jeweils durch C1-C10-Alkyl, C1-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann;
R3 Wasserstoff oder C1-C6-Alkyl;
R4 Wasserstoff; C1-C18-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C6-Alkyl, C1-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann;
X gleich oder verschieden und unabhängig voneinander Halogen; C1-C18-Alkyl; Aryloxy, Arylthio, Hetaryloxy oder Hetarylthio, das jeweils durch C1-C1 2-Alkyl oder C1-C1 2-Alkoxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2-unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch C1-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann;
n 2 bis 12. - Ganz besonders geeignet sind Quaterrylencarbonsäureimide der Formel I, in der die Variablen folgende Bedeutung haben:
Y1, Y2 zusammen einen Rest der FormelR1, R2 unabhängig voneinander:
C1-C30-Alkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkoxy, Aryl, das durch C1-C1 8-Alkyl oder C1-C6-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann;
C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann;
Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C1 8-Alkyl, C1-C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4 und/oder -NHCOR4 ein- oder mehrfach substituiert sein kann;
R3 Wasserstoff oder C1-C6-Alkyl;
R4 Wasserstoff; C1-C1 8-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C6-Alkyl, C1-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann;
X gleich oder verschieden und unabhängig voneinander Halogen; Aryloxy oder Hetaryloxy, das jeweils durch C1-C1 2-Alkyl oder C1-C1 2-Alkoxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch C1-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann;
n 2 bis 8. - Als Beispiele für geeignete Reste R1, R2, R3, R4 und X (bzw. für deren Substituenten) seien im einzelnen genannt:
Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, tert.-Butyl, Pentyl, Isopentyl, Neopentyl, tert.-Pentyl, Hexyl, 2-Methylpentyl, Heptyl, 1-Ethylpentyl, Octyl, 2-Ethylhexyl, Isooctyl, Nonyl, Isononyl, Decyl, Isodecyl, Undecyl, Dodecyl, Tridecyl, Isotridecyl, Tetradecyl, Pentadecyl, Hexadecyl, Heptadecyl, Octadecyl, Nonadecyl und Eicosyl (die obigen Bezeichnungen Isooctyl, Isononyl, Isodecyl und Isotridecyl sind Trivialbezeichnungen und stammen von den nach der Oxosynthese erhaltenen Alkoholen);
Methoxymethyl, 2-Methoxyethyl, 2-Ethoxyethyl, 2-Propoxyethyl, 2-Isopropoxyethyl, 2-Butoxyethyl, 2- und 3-Methoxypropyl, 2- und 3-Ethoxypropyl, 2- und 3-Propoxypropyl, 2- und 3-Butoxypropyl, 2- und 4-Methoxybutyl, 2- und 4-Ethoxybutyl, 2- und 4-Propoxybutyl, 3,6-Dioxaheptyl, 3,6-Dioxaoctyl, 4,8-Dioxanonyl, 3,7-Dioxaoctyl, 3,7-Dioxanonyl, 4,7-Dioxaoctyl, 4,7-Dioxanonyl, 2- und 4-Butoxybutyl, 4,8-Dioxadecyl, 3,6,9-Trioxadecyl, 3,6,9-Trioxaundecyl, 3,6,9-Trioxadodecyl, 3,6,9,12-Tetraoxatridecyl und 3,6,9,12-Tetraoxatetradecyl;
Methylthiomethyl, 2-Methylthioethyl, 2-Ethylthioethyl, 2-Propylthioethyl, 2-Isopropylthioethyl, 2-Butylthioethyl, 2- und 3-Methylthiopropyl, 2- und 3-Ethylthiopropyl, 2- und 3-Propylthiopropyl, 2- und 3-Butylthiopropyl, 2- und 4-Methylthiobutyl, 2- und 4-Ethylthiobutyl, 2- und 4-Propylthiobutyl, 3,6-Dithiaheptyl, 3,6-Dithiaoctyl, 4,8-Dithianonyl, 3,7-Dithiaoctyl, 3,7-Dithianonyl, 2- und 4-Butylthiobutyl, 4,8-Dithiadecyl, 3,6,9-Trithiadecyl, 3,6,9-Trithiaundecyl, 3,6,9-Trithiadodecyl, 3,6,9,12-Tetrathiatridecyl und 3,6,9,12-Tetrathiatetradecyl;
2-Monomethyl- und 2-Monoethylaminoethyl, 2-Dimethylaminoethyl, 2- und 3- Dimethylaminopropyl, 3-Monoisopropylaminopropyl, 2- und 4-Monopropylaminobutyl, 2- und 4-Dimethylaminobutyl, 6-Methyl-3,6-diazaheptyl, 3,6-Dimethyl-3,6-diazaheptyl, 3,6-Diazaoctyl, 3,6-Dimethyl-3,6-diazaoctyl, 9-Methyl-3,6,9-triazadecyl, 3,6,9-Trimethyl-3,6,9-triazadecyl, 3,6,9-Triazaundecyl, 3,6,9-Trimethyl-3,6,9-triazaundecyl, 12-Methyl-3,6,9,12-tetraazatridecyl und 3,6,9,12-Tetramethyl-3,6,9,12-tetraazatridecyl;
Propan-2-on-1-yl, Butan-3-on-1-yl, Butan-3-on-2-yl und 2-Ethylpentan-3-on-1-yl;
2-Methylsulfonylethyl, 2-Ethylsulfonylethyl, 2-Propylsulfonylethyl, 2-Isopropylsulfonylethyl, 2-Butylsulfonylethyl, 2- und 3-Methylsulfonylpropyl, 2- und 3-Ethylsulfonylpropyl, 2- und 3-Propylsulfonylpropyl, 2- und 3-Butylsulfonylpropyl, 2- und 4-Methylsulfonylbutyl, 2- und 4-Ethylsulfonylbutyl, 2- und 4-Propylsulfonylbutyl und 4-Butylsulfonylbutyl;
2-Hydroxyethyl, 3-Hydroxypropyl, 1-Hydroxyprop-2-yl, 2- und 4-Hydroxybutyl, 1-Hydroxybut-2-yl und 8-Hydroxy-4-oxaoctyl;
Cyanomethyl, 2-Cyanoethyl, 3-Cyanopropyl, 2-Methyl-3-ethyl-3-cyanopropyl, 7-Cyano-7-ethylheptyl und 4,7-Dimethyl-7-cyanoheptyl;
Methoxy, Ethoxy, Propoxy, Isopropoxy, Butoxy, Isobutoxy, sec.-Butoxy, tert.-Butoxy, Pentoxy, Isopentoxy, Neopentoxy, tert.-Pentoxy und Hexoxy;
Carbamoyl, Methylaminocarbonyl, Ethylaminocarbonyl, Propylaminocarbonyl, Butylaminocarbonyl, Pentylaminocarbonyl, Hexylaminocarbonyl, Heptylaminocarbonyl, Octylaminocarbonyl, Nonylaminocarbonyl, Decylaminocarbonyl und Phenylaminocarbonyl;
Formylamino, Acetylamino, Propionylamino und Benzoylamino;
Chlor, Brom und Iod;
Phenylazo, 2-Napthylazo, 2-Pyridylazo und 2-Pyrimidylazo;
Phenyl, 1- und 2-Naphthyl, 2- und 3-Pyrryl, 2-, 3- und 4-Pyridyl, 2-, 4- und 5-Pyrimidyl, 3-, 4- und 5-Pyrazolyl, 2-, 4- und 5-Imidazolyl, 2-, 4- und 5-Thiazolyl, 3-(1,2,4-Triazyl), 2-(1,3,5-Triazyl), 6-Chinaldyl, 3-, 5-, 6- und 8-Chinolinyl, 2-Benzoxazolyl, 2-Benzothiazolyl, 5-Benzothiadiazolyl, 2- und 5-Benzimidazolyl und 1- und 5- Isochinolyl;
2-, 3- und 4-Methylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dimethylphenyl, 2,4,6-Trimethylphenyl, 2-, 3- und 4-Ethylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diethylphenyl, 2,4,6-Triethylphenyl, 2-, 3- und 4-Propylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dipropylphenyl, 2,4,6-Tripropylphenyl, 2-, 3- und 4-Isopropylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diisopropylphenyl, 2,4,6-Triisopropylphenyl, 2-, 3- und 4-Butylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dibutylphenyl, 2,4,6-Tributylphenyl, 2-, 3- und 4-Isobutylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diisobutylphenyl, 2,4,6-Triisobutylphenyl, 2-, 3- und 4-sec.-Butylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Di-sec.-butylphenyl und 2,4,6-Tri-sec.-butylphenyl, 2-, 3- und 4-tert.-Butylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Di-tert.-butylphenyl, 2,4,6-Tri-tert.-butylphenyl; 2-, 3- und 4-Methoxyphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dimethoxyphenyl, 2,4,6-Trimethoxyphenyl, 2-, 3- und 4-Ethoxyphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diethoxyphenyl, 2,4,6-Triethoxyphenyl, 2-, 3- und 4-Propoxyphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dipropoxyphenyl, 2-, 3- und 4-Isopropoxyphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diisopropoxyphenyl und 2-, 3- und 4-Butoxyphenyl; 2-, 3- und 4-Chlorphenyl, und 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dichlorphenyl; 2-, 3- und 4-Hydroxyphenyl und 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dihydroxyphenyl; 2-, 3- und 4-Cyanophenyl; 3- und 4-Carboxyphenyl; 3- und 4-Carboxamidophenyl, 3- und 4-N-Methylcarboxamidophenyl und 3- und 4-N-Ethylcarboxamidophenyl; 3- und 4-Acetylaminophenyl, 3- und 4-Propionylaminophenyl und 3- und 4-Butyrylaminophenyl; 3- und 4-N-Phenylaminophenyl, 3- und 4-N-(o-Tolyl)aminophenyl, 3- und 4-N-(m-Tolyl)aminophenyl und 3- und 4-N-(p-Tolyl)aminophenyl; 3- und 4-(2-Pyridyl)aminophenyl, 3- und 4-(3-Pyridyl)aminophenyl, 3- und 4-(4-Pyridyl)aminophenyl, 3- und 4-(2-Pyrimidyl)aminophenyl und 4-(4-Pyrimidyl)aminophenyl;
4-Phenylazophenyl, 4-(1-Naphthylazo)phenyl, 4-(2-Naphthylazo)phenyl, 4-(4-Naphthylazo)phenyl, 4-(2-Pyridylazo)phenyl, 4-(3-Pyridylazo)phenyl, 4-(4-Pyridylazo)phenyl, 4-(2-Pyrimidylazo)phenyl, 4-(4-Pyrimidylazo)phenyl und 4-(5-Pyrimidylazo)phenyl;
Cyclopentyl, 2- und 3-Methylcyclopentyl, 2- und 3-Ethylcyclopentyl, Cyclohexyl, 2-, 3- und 4-Methylcyclohexyl, 2-, 3- und 4-Ethylcyclohexyl, 3- und 4-Propylcyclohexyl, 3- und 4-Isopropylcyclohexyl, 3- und 4-Butylcyclohexyl, 3- und 4-sec.-Butylcyclohexyl, 3- und 4-tert.-Butylcyclohexyl, Cycloheptyl, 2-, 3- und 4-Methylcycloheptyl, 2-, 3- und 4-Ethylcycloheptyl, 3- und 4-Propylcycloheptyl, 3- und 4-Isopropylcycloheptyl, 3- und 4-Butylcycloheptyl, 3- und 4-sec.-Butylcycloheptyl, 3- und 4-tert.-Butylcycloheptyl, Cyclooctyl, 2-, 3-, 4- und 5-Methylcyclooctyl, 2-, 3-, 4- und 5-Ethylcyclooctyl, 3-, 4- und 5-Propylcyclooctyl, 2-Dioxanyl, 4-Morpholinyl, 2- und 3-Tetrahydrofuryl, 1-, 2- und 3-Pyrrolidinyl und 1-, 2-, 3- und 4-Piperidyl;
Phenoxy, Phenylthio, 1- und 2-Naphthyloxy, 1- und 2-Naphthylthio, 2-, 3- und 4-Pyridyloxy, 2-, 3- und 4-Pyridylthio, 2-, 4- und 5-Pyrimidyloxy und 2-, 4- und 5-Pyrimidylthio;
Dimethylamino, Diethylamino, Dipropylamino, Diisopropylamino, Dibutylamino, Diisobutylamino, Di-tert.-butylamino, Dipentylamino, Dihexylamino, Diphenylamino, Di-o-tolylamino, Di-m-tolylamino, Di-p-tolylamino und Di(4-cyanophenyl)amino. - Die Quaterrylencarbonsäureimide können 2, 4, 6, 8 oder 12 Substituenten X am Ringgerüst tragen. Mögliche Ringpositionen für die Substituenten X sind dabei jeweils: 1,6; 1,7,10,16 bzw. 1,7,11,17 bzw. 1,6,11,16; 1,7,9,11,17,19 bzw. 1,7,9,11,16,18 bzw. 1,6,8,11,16,18 bzw. 1,6,9,11,16,19; 1,6,7,10,11,16,17,20; 1,6,7,8,9,10,11,16,17,18,19,20. Bevorzugt sind bei den Quaterrylen3,4:13,14-tetracarbonsäurediimiden die Tetrasubstitution in den Positionen 1,6,11,16 sowie die Hexasubstitution in den Positionen 1,6,8,11,16,18 bzw. 1,6,9,11,16,19 und bei den Quaterrylen-3,4-dicarbonsäuremonoimiden die Disubstitution in den Positionen 1,6 bzw. 1,7 sowie die Tetrasubstitution in den Positionen 1,6,11,16 bzw. 1,7,10,16 bzw. 1,7,11,17.
- Geeignete Terrylencarbonsäureimide weisen die Formel IIauf, in der die Variablen Y1, Y2, R1, R2, R3, R4 und X die für die besonders geeigneten Quaterrylencarbonsäureimide genannte Bedeutung haben und m für 2 bis 8 steht.
- Besonders geeignet sind ebenfalls die Terrylen-3,4:11,12-tetracarbonsäurediimide, die vorzugsweise an den Imidstickstoffatomen Alkyl- und/oder Arylreste tragen und am Ringgerüst 2 bis 6 Substituenten tragen.
- Die Terrylencarbonsäureimide können 2, 4, 6 oder 8 Substituenten X am Ringgerüst tragen. Mögliche Ringpositionen für die Substituenten X sind dabei jeweils: 1,6; 1,7,9,15 bzw. 1,6,9,14; 1,6,7,9,14,16; 1,6,7,8,9,14,15,16. Bevorzugt ist die Disubstitution in 1,6- und die Tetrasubstitution in 1,6,9,14-Position.
- Als die Laserstrahlung absorbierendes Material sind weiterhin dotierte Zinnoxide und Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M geeignet. Diese anorganischen Absorbermaterialien sind ebenfalls bekannt und z.B. in der
EP-A-1 008 564 beschrieben. - Geeignete Zinnoxide sind vor allem mit Antimon oder Indium dotiertes Zinnoxid (ATO bzw. ITO).
- Als Metallhexaboride MB6 seien insbesondere Yttrium-, Lanthan-, Cer-, Praseodym-, Neodym-, Samarium-, Europium-, Gadolinium-, Terbium-, Dysprosium-, Holmium-, Erbium-, Thulium-, Ytterbium-, Strontium- oder Calciumhexaborid genannt.
- Diese Materialien werden bevorzugt in nanopartikulärer Form eingesetzt, d.h., sie weisen in der Regel mittlere Partikelgrößen von 15 bis 100 nm auf.
- Die erfindungsgemäß zur Absorption der Laserstrahlung eingesetzten Materialien zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus:
Sie sind im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparent und im wesentlichen farblos, so daß sie das Aussehen der verschweißten Kunststoffteile für das bloße Auge nur kaum bis nicht erkennbar verändern. Im IR-Bereich (etwa 700 bis 12000 nm), insbesondere auch im NIR-Bereich von 700 bis 1200 nm, weisen sie dagegen starke Absorptivität auf, so daß sie hervorragend zur Absorption der gängigen Laserwellenlängen verwendet werden können. Die polycyclischen organischen Verbindungen absorbieren insbesondere im Wellenlängenbereich von 700 bis 950 nm, vor allem 750 bis 850 nm, und können daher besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Laser der Wellenlänge 808 nm eingesetzt werden. Die anorganischen Absorbermaterialien sind besonders für den Wellenlängenbereich von 850 bis 1200 nm, vorzugsweise 900 bis 1100 nm, und damit für gängige Laser mit Emissionswellenlängen von 940 und 1064 nm geeignet. - Außerdem sind sie gegen die Laserstrahlung resistent, werden also auch bei mehrfacher Laserbestrahlung nicht abgebaut und eignen sich damit auch für die verfahrenstechnisch günstigen Mehrpassagen- und Quasisimultanschweißverfahren.
- Weiterhin weisen sie eine thermische Beständigkeit von mindestens 300°C auf und können daher ohne Zersetzung nach den gängigen, kostengünstigen und prozeßvereinfachenden Verfahren der Masseadditivierung auch direkt in die zu verschweißenden Kunststoffteile eingearbeitet werden.
- Da sie weder durch thermische Belastung noch durch Bestrahlung abgebaut werden, ermöglichen sie eine genaue Einstellung der zu verschweißenden Kunststoffteile auf einen gewünschten Farbton, der durch das Verschweißen nicht verändert wird. Die Stabilität der erfindungsgemäß eingesetzten Absorbermaterialien erlaubt auch ihren Einsatz für Anwendungen, bei denen die Entstehung undefinierter Abbauprodukte ausgeschlossen werden muß, wie Anwendungen im medizinischen und im Lebensmittelverpackungsbereich.
- Schließlich sind sie in allen gängigen Matrixpolymeren weitestgehend migrationsstabil, was ebenfalls eine Grundvoraussetzung für den Einsatz im medizinischen und im Lebensmittelverpackungsbereich ist.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißverbinden von thermoplastischen Kunststoffteilen kann man also, wie jeweils gewünscht, das die Laserstrahlung absorbierende Material entweder in mindestens eines der zu verschweißenden Kunststoffteile einarbeiten oder über einen Laminierungs- oder Beschichtungsprozeß auf mindestens eines der Teile aufbringen.
- Als geeignete Masseadditivierungsverfahren seien im einzelnen Extrusion, auch Coextrusion (hier beträgt die Dicke der additivierten Coextrusionsschicht in der Regel mindestens 25 μm, typischerweise 50 μm), Spritzguß, Blasformung und Knetung genannt.
- Als geeignete Beschichtungsverfahren seien im einzelnen Folienlaminierung, Rollercoaten, Spincoaten, Siebdruck und Tampondruck genannt.
- Die Einsatzmengen für das die Laserstrahlung absorbierende Material liegen üblicherweise im Bereich von 10 bis 5000 ppm. Je nach der gewählten Verfahrensweise sind in der Regel folgende Absorberkonzentrationen bevorzugt: masseadditivierte Platten und Spritzgußteile: je nach Dicke 10 bis 200 ppm; (auflaminierbare) Flachfolien, Schläuche und blasgeformte Teile: 20 bis 500 ppm; Coextrusionsschichten: 50 bis 1000 ppm; über Sieb- bzw. Tampondruck sowie die obengenannten Coatingprozesse aufgebrachte Schichten: je nach Schichtdicke 100 bis 5000 ppm.
- Die zu verschweißenden Kunststoffteile können eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere kann es sich bei einem oder bei beiden Teilen auch um eine Folie handeln.
- Weiterhin können die zu verschweißenden Kunststoffteile aus demselben oder aus verschiedenen Matrixpolymeren aufgebaut sein. Im einfachsten Fall ist mindestens das Kunststoffteil, das das Absorbermaterial enthält, aus einem thermoplastischen Matrixpolymer aufgebaut. Es kann jedoch auch keines der zu verschweißenden Kunststoffteile aus thermoplastischem Kunststoff bestehen; in diesem Fall ist aber eine Beschichtung mindestens einen Teils mit einem thermoplastischen, das Absorbermaterial enthaltenden Kunststoff erforderlich.
- Die zu verbindenden Kunststoffteile können beispielsweise aus einem Matrixpolymer aufgebaut sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyolefine, Polyolefincopolymere, Polytetrafluoroethylene, Ethylen-Tetrafluoroethylen-Copolymere, Polyvinylchloride, Polyvinylidenchloride, Polyvinylalkohole, Polyvinylester, Polyvinylalkanale, Polyvinylketale, Polyamide, Polyimide, Polycarbonate, Polycarbonat-Blends, Polyester, Polyester-Blends, Poly(meth)acrylate, Poly(meth)acrylat-Styrolcopolymer-Blends, Poly(meth)acrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Polyurethane, Polystyrole, Styrolcopolymere, Polyether, Polyetherketone und Polysulfone und deren Mischungen.
- Bevorzugt sind dabei Matrixpolymere aus der Gruppe der Polyolefine, Polyolefincopolymere, Polyvinylalkanale, Polyamide, Polycarbonate, Polycarbonat-Polyester-Blends, Polycarbonat-Styrolcopolymer-Blends, Polyester, Polyester-Blends, Poly(meth)acrylate, Poly(meth)acrylat-Styrolcopolymer-Blends, Poly(meth)acrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Styrolcopolymere und Polysulfone und deren Mischungen.
- Besonders bevorzugte Polymere sind transparent oder zumindest transluzent. Als Beispiele seien genannt: Polypropylen, Polyvinylbutyral, Polyamid [6], Polyamid [6,6], Polycarbonat, Polycarbonat-Polyethylenterephthalat-Blends, Polycarbonat-Polybutylenterephthalat-Blends, Polycarbonat-Acrylnitril/Styrol/Acrylnitril-Copolymer-Blends, Polycarbonat-Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer-Blends, Polymethylmethacrylat-Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer-Blends (MABS), Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polymethylmethacrylat, schlagzähmodifiziertes Polymethylmethacrylat, Polybutylacrylat, Polymethylmethacrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymere (ABS), Styrol/Acrylnitril-Copolymere (SAN) und Polyphenylensulfon sowie deren Mischungen.
- Die ebenfalls erfindungsgemäßen Präparationen, die zur Herstellung von mit Hilfe von Laserstrahlung, deren Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt, schweißverbundenen Kunststoffteilen geeignet sind, enthalten
- a) ein zur Ausbildung der Kunststoffteile geeignetes thermoplastisches Matrixpolymer,
- b) mindestens ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die eingesetzte Laserstrahlung absorbierendes, nichtionisches, gegen die Laserstrahlung resistentes Material mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M,
- c) gewünschtenfalls einen oder mehrere UV-Stabilisatoren und
- d) gewünschtenfalls weitere Additive.
- Sie können vorteilhaft über einen konventionellen Extrusions- oder Knetprozeß hergestellt werden. Dabei können die Komponenten b) sowie gewünschtenfalls c) und/oder d) von vornherein in dem der gewünschten Endkonzentration entsprechenden Gewichtsverhältnis mit dem Matrixpolymer a) gemischt werden (direkte Compoundierung), oder es kann zunächst eine deutlich höhere Konzentration an b) und gewünschtenfalls c) und/oder d) gewählt werden und das gebildete Konzentrat (Masterbatch) anschließend bei der Fertigung der zu verschweißenden Teile mit weiterem Matrixpolymer a) verdünnt werden.
- Als UV-Stabilisatoren können handelsübliche Substanzen zum Einsatz kommen. Neben gebräuchlichen UVB- und UVA-Absorbern sind im UVA-Bereich absorbierende, mono- oder disubstituierte Naphthalimide und ihre Mischungen, z.B. Chimassorb® 81 sowie Tinuvin® P, 326 und 328 (Ciba SC), Cyasorb® UV-1164 und UV-531 (Cytec) und Uvinul® 3030, 3035, 3050 und 3088 sowie Ultraphor® VL (BASF), handelsübliche Hindered Amine Light Stabilizers (HALS) und ihre N-methylierten und N-methoxylierten Derivate und Mischungen davon, z.B. Chimassorb 119 und 944 sowie Tinuvin 123, 622 und 770 (Ciba SC), N 30 (Clariant), Cyasorb 3346, 3529 und 3581 (Cytec) und Uvinul 4050 und 5050 (BASF), und Mischungen dieser Gruppen geeignet.
- Als weitere Additive können die erfindungsgemäßen Präparationen gebräuchliche Kunststoffhilfsmittel, z.B. phosphitische und phenolische Antioxidantien, Prozeßhilfsmittel und Weichmacher, enthalten.
- Weiterhin können die erfindungsgemäßen Präparationen Farbmittel zur Einstellung eines gewünschten Farbtons als Additive enthalten, insbesondere transparente organische Pigmente und vor allem Farbstoffe, z.B. C.I. Pigment Yellow 138, 139, 183 und 185, C.I. Pigment Red 149, 178 und 179, C.I. Pigment Violet 19 und 29, C.I. Pigment Blue 15, 15:1, 15:3 und 15:4, C.I. Pigment Green 7 und 36, C.I. Solvent Yellow 93, C.I. Solvent Red 135 und 195, C.I. Solvent Blue 35, C.I. Solvent Violet 13, C.I. Solvent Green 3 und 5 sowie C.I. Solvent Orange 60 und 163.
- Eine weitere mögliche Additivgruppe stellen ebenfalls den optischen Eindruck, die mechanischen Eigenschaften oder aber die Haptik modifizierende Zuschlagstoffe dar, z.B. Mattierungsmittel, wie Titandioxid, Kreide, Bariumsulfat, Zinksulfid, Füllstoffe, wie nanopartikuläres Siliciumdioxid, Aluminiumhydroxid, Lehm und andere Schichtsilikate, Glasfasern und Glaskugeln.
- Beispiel 1
- Die folgenden thermoplastischen Matrixpolymere wurden unter Additivierung mit NIR-Absorbern aus der Klasse der Quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimide zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die mit Hilfe von Laserstrahlung mit den entsprechenden nichtadditivierten Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden:
- (M1)
- Polypropylen (Metocene® X 50081, Basell)
- (M2)
- Olefin-Copolymer (TPO; Engage® 8401, Exxon Mobil)
- (M3)
- Polycarbonat (Macrolon® 2800, Bayer)
- (M4)
- Polymethylmethacrylat (Plexiglas® 7N, Röhm)
- (M5)
- Polstyrol (Polystyrol 1444 C, BASF)
- (M6)
- Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer (ABS, Terluran® GP 22, BASF)
- (M7)
- Polymethylmethacrylat-ABS-Blend (MABS, Terlux® 2802 TR, BASF)
- (M8)
- Polysulfon (Ultrason® S 2010, BASF)
- (M9)
- Polyethylenterephthalat (PET, Polyclear® T 94, Ter Hell)
- (M10)
- Polybutylenterephthalat (PBT, Ultradur® B 6550 N, BASF)
- (M11)
- Polyamid [6] (Ultramid® BS 700, BASF)
- Dazu wurden die Matrixpolymere (M1) bis (M11) über einen Extrusionsschritt mit jeweils 0,01 Gew.-% (Polysulfon: 0,03 Gew.-%) N,N'-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimid bzw. 0,005 Gew.-% (Polysulfon: 0,015 Gew.-%) N,N'-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,6,11,16-tetra(p-tert.-octylphenoxy)quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimid additiviert und dann unter Standardbedingungen zu Spritzgußplättchen (125 × 42 mm Kantenlänge) mit drei Dickenstufen (1, 2 und 3 mm) weiterverarbeitet.
- Diese Plättchen wurden mit jeweils gleichdimensionierten, 3 mm dicken unadditivierten Plättchen aus demselben Material über alle drei Dickenstufen mit einem Diodenlaser DFx03 mit 808 nm Emissionswellenlänge (Fa. Rofin) unter Anwendung folgender Verfahrensparameter laserverschweißt:
(M3), (M4), (M5), (M9), (M10), (M11):
400 μm Glasfaserkopplung, 60 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 4,8-6,5 Watt, Streckenenergie 1,09 J/mm, Vorschubgeschwindigkeit 6-8 mm/s
(M1), (M6), (M7):
600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 23-25 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 30 mm/s
(M2):
600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 22,5 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 10 mm/s
(M8):
600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 8 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 8-10 mm/s - Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
- Beispiel 2
- Die Matrixpolymere (M1) bis (M11) aus Beispiel 1 wurden unter analog Beispiel 1 vorgenommener Additivierung mit den dort genannten NIR-Absorbern und zusätzlicher Einfärbung mit den im folgenden aufgeführten transparenten organischen Pigmenten bzw. Farbstoffen zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die analog Beispiel 1 mit Hilfe von Laserstrahlung mit nicht mit NIR-Absorber additivierten, farblosen Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden:
(M1), (M2), (M6), (M7):
blau: 0,2 Gew.-% C.I. Pigment Blue 15:1
orange: 0,2 Gew.-% C.I. Pigment Orange 43
rot: 0,2 Gew.-% C.I. Pigment Red 149
grün: 0,2 Gew.-% C.I. Pigment Green 36
(M3), (M4), (M5), (M8), (M9), (M10), (M11):
blau: 0,05 Gew.-% C.I. Solvent Blue 104
orange: 0,05 Gew.-% C.I. Solvent Orange 60
rot: 0,05 Gew.-% C.I. Solvent Red 195
grün: 0,05 Gew.-% C.I. Solvent Green 3 - Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
- Beispiel 3
- Die Matrixpolymere (M3) bzw. (M4) wurden analog Beispiel 1 mit jeweils 0,04 Gew.-% des NIR-Absorbers Lanthanhexaborid (LaB6), das als kommerziell erhältlicher 1 gew.-%iger Batch in PMMA (Sumitomo Metal Mining) eingesetzt wurde, additiviert und analog Beispiel 1 zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die mit Hilfe von Laserstrahlung mit den entsprechenden nichtadditivierten Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden.
- Dabei wurden jeweils zwei Schweißversuche mit verschiedenen Lasern (Variante A bzw. B) unter Anwendung folgender Verfahrensparameter durchgeführt:
- Variante A:
- Diodenlaser DFx06 mit 940 nm Emissionswellenlänge (Fa. Rofin), 600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 200 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 50-100 mm/s
- Variante B:
- Diodengepumpter Nd:YAG-Laser SWD-Y 75 mit 1064 nm Emissionswellenlänge (Fa. Polyscan), 75 Watt Direktstrahl, 160 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 100 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 5-20 mm/s
- Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
- Beispiel 4
- Die Matrixpolymere (M3) bzw. (M4) wurden unter analog Beispiel 3 vorgenommener Additivierung mit Lathanhexaborid und zusätzlicher Einfärbung mit den im folgenden aufgeführten transparenten organischen Pigmenten zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die analog Beispiel 3 mit Hilfe von Laserstrahlung (jeweils Variante A und B) mit nicht mit NIR-Absorber additivierten, farblosen Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden:
(M3), (M4):
blau: 0,02 Gew.-% C.I. Pigment Blue 15:1
orange: 0,02 Gew.-% C.I. Pigment Orange 43
rot: 0,02 Gew.-% C.I. Pigment Red 149
grün: 0,02 Gew.-% C.I. Pigment Green 7 - Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
- Beispiel 5
- Die Matrixpolymere (M3) bzw. (M4) wurden analog Beispiel 1 mit jeweils 0,05 Gew.-% nanopartikulärem Indium-Zinn-Oxid (ITO) mit einer mittleren Partikelgröße von 35 nm, das als kommerziell erhältliche 10 gew.-%ige Präparation in Triethylenglykol-bis(2-ethylhexanoat) (Mitsubishi Chemicals) eingesetzt wurde, additiviert und analog Beispiel 1 zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die mit Hilfe von Laserstrahlung nach den folgenden Verfahrensparametern mit den entsprechenden nichtadditivierten Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden:
Diodengepumpter Nd:YAG-Laser SWD-Y 75 mit 1064 nm Emissionswellenlänge (Fa. Polyscan), 75 Watt Direktstrahl, 160 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 100 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 5-20 mm/s - Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
- Beispiel 6
- Die Matrixpolymere (M3) bzw. (M4) wurden unter analog Beispiel 5 vorgenommener Additivierung mit Indium-Zinn-Oxid und zusätzlicher Einfärbung mit den im folgenden aufgeführten Farbstoffen zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die analog Beispiel 5 mit Hilfe von Laserstrahlung mit nicht mit NIR-Absorber additivierten, farblosen Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden:
(M3), (M4):
blau: 0,05 Gew.-% C.I. Solvent Blue 104
orange: 0,05 Gew.-% C.I. Solvent Orange 60
rot: 0,05 Gew.-% C.I. Solvent Red 195
grün: 0,05 Gew.-% C.I. Solvent Green 3 - Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
- Beispiel 7
- Wie in der WO-A-02/77081 in Beispiel 6 beschrieben, wurden 0,76 mm dicke, jeweils mit 0,01 Gew.-% N,N'-Bis(2,6-diisopropylphenyl)quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimid (Versuch a), 0,005 Gew.-% N,N'-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,6,11,16-tetra(p-tert.-octylphenoxy)quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimid (Versuch b), 0,04 Gew.-% Lanthanhexaborid (Versuch c) bzw. 0,05 Gew.-% nanopartikulärem Indium-Zinn-Oxid (Versuch d) additivierte Folien aus Polyvinylbutyral (Butvar®, Solutia) hergestellt und mit nichtadditivierten Folien derselben Dicke mit Hilfe von Laserstrahlung unter Anwendung der folgenden Verfahrensparameter schweißverbunden:
- Versuch a) und b):
-
- Diodenlaser DFx03 mit 808 nm Emissionswellenlänge (Fa. Rofin), 600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 8 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 8-10 mm/s
- Versuch c):
-
- Diodenlaser DFx06 mit 940 nm Emissionswellenlänge (Fa. Rofin), 600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 200 Watt, Vorgchubgeschwindigkeit 50-100 mm/s
- Versuch d):
-
- Diodengepumpter Nd:YAG-Laser SWD-Y 75 mit 1064 nm Emissionswellenlänge (Fa. Polyscan), 75 Watt Direktstrahl, 160 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 100 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 5-20 mm/s
- Die Foplien waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen der mit dem NIR-Absorber additivierten Folie, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
Claims (17)
- Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs, bei dem eines der zu verbindenden Kunststoffteile im Verbindungsbereich ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die Laserstrahlung absorbierendes Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man als die Laserstrahlung absorbierendes Material mindestens eine nichtionische, gegen die Laserstrahlung resistente Verbindung mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, einsetzt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als polycyclische organische Verbindungen Quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimide, Quaterrylen-3,4-dicarbonsäuremonoimide, Terrylen-3,4:11,12-tetracarbonsäurediimide oder Terrylen-3,4-dicarbonsäuremonoimide einsetzt.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als polycyclische organische Verbindungen Quaterrylencarbonsäureimide der allgemeinen Formel Ieinsetzt, in der die Variablen die folgende Bedeutung haben: Y1, Y2 unabhängig voneinander Wasserstoff, Brom oder Amino; zusammen einen Rest der Formel
R1, R2 unabhängig voneinander: Wasserstoff; C1-C30-Alkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch Cyano, C1-C6-Alkoxy, Aryl, das durch C1-C1 8-Alkyl oder C1-C6-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C18-Alkyl, C1-C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4, -NHCOR4 und/oder Aryl- oder Hetarylazo, das jeweils durch C1-C10-Alkyl, C1-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; R3 Wasserstoff oder C1-C6-Alkyl; R4 Wasserstoff; C1-C1 8-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C6-Alkyl, C1-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann; X gleich oder verscheiden und unabhängig voneinander Halogen; C1-C1 8-Alkyl; Aryloxy, Arylthio, Hetaryloxy oder Hetarylthio, das jeweils durch C1-C1 2-Alkyl oder C1-C1 2-Alk-oxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch C1-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; n 2 bis 12.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als polycyclische organische Verbindungen Quaterrylencarbonsäureimide der allgemeinen Formel I einsetzt, in der die Variablen folgende Bedeutung haben: Y1, Y2 zusammen einen Rest der FormelR1, R2 unabhängig voneinander: C1-C30-Alkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkoxy, Aryl, das durch C1-C1 8-Alkyl oder C1-C6-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C1 8-Alkyl, C1-C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4 und/oder -NHCOR4 ein- oder mehrfach substituiert sein kann; R3 Wasserstoff oder C1-C6-Alkyl; R4 Wasserstoff; C1-C1 8-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C6-Alkyl, C1-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann; X gleich oder verschieden und unabhängig voneinander Halogen; Aryloxy oder Hetaryloxy, das jeweils durch C1-C12-Alkyl oder C1-C1 2-Alkoxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch C1-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; n 2 bis 8.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als polycyclische organische Verbindungen Terrylencarbonsäureimide der allgemeinen Formel IIeinsetzt, in der die Variablen folgende Bedeutung haben: Y1, Y2 unabhängig voneinander Wasserstoff, Brom oder Amino; zusammen einen Rest der Formel
R1, R2 unabhängig voneinander: Wasserstoff; C1-C30-Alkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch Cyano, C1-C6-Alkoxy, Aryl, das durch C1-C1 8-Alkyl oder C1-C6-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C1 8-Alkyl, C1-C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4, -NHCOR4 und/oder Aryl- oder Hetarylazo, das jeweils durch C1-C10-Alkyl, C1-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; R3 Wasserstoff oder C1-C6-Alkyl; R4 Wasserstoff; C1-C1 8-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C1-C6-Alkyl, C1-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann; X gleich oder verschieden und unabhängig voneinander Halogen; C1-C18-Alkyl; Aryloxy, Arylthio, Hetaryloxy oder Hetarylthio, das jeweils durch C1-C1 2-Alkyl oder C1-C1 2-Alk-oxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch C1-C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch C1-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; m 2 bis 8.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als dotierte Zinnoxide nanopartikuläre mit Antimon oder Indium dotierte Zinnoxide einsetzt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Hexaboride von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen MB6 nanopartikuläres Yttrium-, Lanthan-, Cer-, Praseodym-, Neodym-, Samarium-, Europium-, Gadolinium-, Terbium-, Dysprosium-, Holmium-, Erbium-, Thulium-, Ytterbium-, Strontium- oder Calciumhexaborid einsetzt.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Laserstrahlung absorbierende Material in das Kunststoffteil eingearbeitet oder auf das Kunststoffteil aufgebracht worden ist.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die Laserstrahlung absorbierende Material über einen Extrusions-, Spritzguß-, Blasformungs- oder Knetprozeß in das Kunststoffteil eingearbeitet worden ist.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die Laserstrahlung absorbierende Material über einen Laminierungs- oder Beschichtungsprozeß auf das Kunststoffteil aufgebracht worden ist.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der zu verbindenden Kunststoffteile eine Folie ist.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Kunststoffteile aus einem Matrixpolymer, ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine, Polyolefincopolymere, Polytetrafluoroethylene, Ethylen-Tetrafluoroethylen-Copolymere, Polyvinylchloride, Polyvinylidenchloride, Polyvi nylalkohole, Polyvinylester, Polyvinylalkanale, Polyvinylketale, Polyamide, Polyimide; Polycarbonate, Polycarbonat-Blends, Polyester, Polyester-Blends, Poly(meth)acrylate, Poly(meth)acrylat-Styrolcopolymer-Blends, Poly(meth)acrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Polyurethane, Polystyrole, Styrolcopolymere, Polyether, Polyetherketone und Polysulfone und deren Mischungen, aufgebaut sind.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Kunststoffteile aus einem Matrixpolymer, ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine, Polyolefincopolymere, Polyvinylalkanale, Polyamide, Polycarbonate, Polycarbonat-Polyester-Blends, Polycarbonat-Styrolcopolymer-Blends, Polyester, Polyester-Blends, Poly(meth)acrylate, Poly(meth)acrylat-Styrolcopolymer-Blends, Poly(meth)acrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Styrolcopolymere und Polysulfone und deren Mischungen, aufgebaut sind.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Kunststoffteile aus einem Matrixpolymer, ausgewählt aus der Gruppe Polypropylen, Polyvinylbutyral, Polyamid [6], Polyamid [6,6], Polycarbonat, Polycarbonat-Polyethylenterephthalat-Blends, Polycarbonat-Polybutylenterephthalat-Blends, Polycarbonat-Acrylnitril/Styrol/Acrylnitril-Copolymer-Blends, Polycarbonat-Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer-Blends, Polymethylmethacrylat-Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer-Blends (MABS), Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polymethylmethacrylat, Polybutylacrylat, Polymethylmethacrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymere, Styrol/Acrylnitril-Copolymere und Polyphenylensulfon, aufgebaut sind.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis 12000 nm verwendet.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis 1200 nm verwendet.
- Zur Herstellung von mit Hilfe von Laserstrahlung, deren Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt, schweißverbundenen Kunststoffteilen geeignete Präparationen, enthaltend a) ein zur Ausbildung der Kunststoffteile geeignetes thermoplastisches Matrixpolymer, b) mindestens ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die eingesetzte Laserstrahlung absorbierendes, nichtionisches, gegen die Laserstrahlung resistentes Material mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, c) gewünschtenfalls einen oder mehrere UV-Stabilisatoren und d) gewünschtenfalls weitere Additive.
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