DE102007047013A1

DE102007047013A1 - Reaktionsharz und Zweikomponentensystem zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102007047013A1
Application number: DE102007047013A
Authority: DE
Inventors: Irene Jennrich; Hans Staudenmaier; Roland Mueller; Gerhard Hueftle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-02
Also published as: WO2009047085A1

Abstract

Es wird ein Reaktionsharz insbesondere zum Verguss elektroakustischer oder mikromechanischer Sensoren beschrieben, das mindestens eine Harzkomponente (A) und mindestens einen mineralischen Füllstoff (B) enthält, wobei das Reaktionsharz eine Dichte von < 0,6 g/cm3 aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Reaktionsharz insbesondere zum Verguss elektroakustischer oder mikromechanischer Sensoren sowie auf ein Zweikomponentensystem zur Herstellung desselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Insbesondere im Rahmen von Kraftfahrzeuganwendungen sind Ultraschallsensoren bekannt, bei denen eine Membran durch Ultraschallwellen zu einer Schwingung angeregt wird. Mittels eines elektroakustischen Wandlers, z. B. eines Piezoelements, werden die Schallwellen in ein elektrisches Signal gewandelt, das als Messsignal ausgewertet werden kann. Dabei ist die Membran bzw. der elektroakustische Wandler in einem Sensortopf platziert, der Membran und elektroakustischen Wandler vor Umwelteinflüssen schützt. Das Innere des Sensortopfs ist mit einer Vergussmasse ausgegossen. Ein derartiger Ultraschallsensor ist beispielsweise aus der DE 10 2005 045 019 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Reaktionsharz bzw. ein Zweikomponentensystem zur Herstellung desselben bereitzustellen, die im ausgehärteten Zustand die Einkopplung insbesondere von Ultraschallwellen nicht behindert und somit für den Verguss elektroakustischer bzw. mikromechanischer Sensoren geeignet ist.
Vorteile der Erfindung
Das der Erfindung zu Grunde liegende Reaktionsharz bzw. das Zweikomponentensystem zur Herstellung desselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüchen löst in vorteilhafter Weise die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe. So umfasst das erfindungsgemäße Reaktionsharz neben einer Harzkomponente mindestens eine Füllstoffkomponente, die ein Schrumpfender Vergussmasse während des Aushärtungsprozesses verhindert. Weiterhin weist das Reaktionsharz eine Dichte von < 0,6 g/cm³ auf, wodurch ein Einkoppeln von Ultraschallwellen in das Material des Reaktionsharzes ermöglicht wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist von Vorteil, wenn als Füllstoffkomponente Glashohlkugeln verwendet werden. Diese weisen beispielsweise eine Dichte von 0,1 bis 0,25 g/cm³ auf. Auf diese Weise ist die Dichte des Reaktionsharzes in bestimmten Grenzen wählbar und kann somit auf den oben genannten vorteilhaften Wert von < 0,6 g/cm³ eingestellt werden.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn als Harzkomponente ein bspw. cycloaliphatisches Epoxidharz, ein Eisphenol A, ein Bisphenol F, ein Cyanatester, ein Polyester und/oder ein Polyurethan verwendet wird. Diese Harzkomponenten sind hochtemperaturstabil und bilden auch bei hohen Füllstoffgehalten schlag- und formfeste Vergusskörper.
Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn das Reaktionsharz zusätzlich eine Modifizierung, beispielsweise in Form von Silikonelastomerpartikeln umfasst. Auf diese Weise wird verhindert, dass bei hohen Füllgraden des Reaktionsharzes in ausgehärtetem Zustand ein spröder Körper entsteht. Somit wird die Schlagfestigkeit des ausgehärteten Reaktionsharzes erhöht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Reaktionsharz als Zweikomponentensystem ausgelegt, wobei eine erste Komponente das Reaktionsharz umfasst und eine zweite Komponente den zur Aushärtung des Harzes benötigten Härter, wobei die zweite Komponente zusätzlich einen Füllstoff enthält. Auf diese Weise können hochgefüllte Systeme erreicht werden, da beide Komponenten vorzugsweise einen hohen Gehalt an Füllstoffen aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel, der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. So zeigt die Figur eine schematische Schnittdarstellung eines Ultraschallsensors, der mit dem vorliegenden Reaktionsharz vergossen ist.
Ausführungsform der Erfindung
Ein Reaktionsharz, insbesondere eine Vergussmasse, gemäß der vorliegenden Erfindung weist zwei Grundkomponenten auf, nämlich eine Harzkomponente A und einen Füllstoff B, welcher in der Harzkomponente A dispergiert ist. Darüber hinaus kann das Reaktionsharz Polymerpartikel C und einen Härter D sowie übliche Additive wie Entschäumer, Sedimentationshemmer und/oder Haftvermittler enthalten.
Als Harzkomponente A kann grundsätzlich eine Vielzahl monomerer, vernetzbarer Verbindungen oder Mischung derartiger Verbindungen verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Verbindungen, die mindestens eine Epoxidfunktion aufweisen, gegebenenfalls in Abmischung mit anderen Verbindungen mit oder ohne Epoxidfunktion. So eignen sich beispielsweise Di-, Tri- oder Tetraepoxide beispielsweise in Abmischung mit Bisphenol A oder Bisphenol F. Als besonders geeignet haben sich cycloaliphatische, vorzugsweise ringepoxidierte Di-Epoxide erwiesen. Im Folgenden sind einige geeignete, kommerziell erhältliche Verbindungen exemplarisch aufgeführt.
Die Harzkomponente A kann eine oder mehrere der Verbindungen I–VII umfassen sowie weitere Harzkomponenten. Alternativ können beispielsweise Harzkomponenten auf der Basis von Bisphenol A, Bisphenol B und/oder Bisphenol F, PUR, Polyester oder auch Cyanatester alleine oder in Mischungen untereinander bzw. mit geeigneten Epoxidharzkomponenten zum Einsatz kommen.
Die Harzkomponente A ist im Reaktionsharz bspw. zu 40 bis 59 Gewichtsprozent, vorzugsweise zu 45 bis 80 Gewichtsprozent, insbesondere zu 50 bis 78 Gewichtsprozent enthalten.
Das Reaktionsharz enthält weiterhin einen Füllstoff B, durch dessen geeignete Wahl ein Schwund des Reaktionsharzsystems in ausgehärtetem Zustand verringert werden kann und die thermische Stabilität bzw. Festigkeit des Reaktionsharzsystems im ausgehärteten Zustand verbessert wird. Um die Gesamtdichte des Reaktionsharzes in ausgehärtetem Zustand beeinflussen zu können, werden als Füllstoff beispielsweise Glashohlkugeln verwendet. Diese weisen eine Dichte von 0,1 bis 0,8 g/cm³, vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 g/cm³ und insbesondere von 0,1 bis 0,3 g/cm³ auf. Dies bietet den Vorteil, dass die Dichte des Reaktionsharzes über die Menge an zugesetztem Füllstoff eingestellt werden kann. Um eine Einkopplung von Ultraschallsignalen in das ausgehärtete Reaktionsharz zu ermöglichen, wird die Dichte des gesamten Reaktionsharzes auf einen Wert < 0,6 g/cm³ eingestellt. Zusätzlich können als Füllstoff B weitere anorganische Füllstoffmaterialien eingesetzt werden wie beispielsweise Aluminiumoxid, Kreide, Siliziumcarbid, Talkum, Quarzmehl bzw. Quarzgut oder Mischung derselben. Weiterhin ist es möglich, die Füllstoffpartikel bzw. Glashohlkugeln oberflächlich zu modifizieren, so dass der Füllstoff B besser an die Harzmatrix des Reaktionsharzes angebunden werden kann. So kann beispielsweise eine Oberflächenmodifizierung mittels Silanisierung erfolgen.
Das Reaktionsharz enthält 10 bis 50 Gewichtsprozent an Füllstoffen, vorzugsweise 15 bis 45 Gewichtsprozent, insbesondere 20 bis 30 Gewichtsprozent.
Als dritte Komponente C kann das Reaktionsharz dispergierte Polymerpartikel aufweisen. Dabei handelt es sich insbesondere um polysiloxanhaltige Polymere, wobei die Komponente C vorzugsweise eine Dispersion oder Emulsion eines oder mehrerer Silikone in der Harzkomponente A darstellt. Als Silikone kommen Silikonöle, Silikonblockcopolymere oder Silikonpartikel in Betracht. Bevorzugt werden Silikonpartikel in Form von Silikonharz- oder Silikonelastomerpartikel mit einem Teilchendurchmesser von 10 nm bis 100 μm verwendet. Die Silikonpartikel können ihrerseits grundsätzlich eine chemisch modifizierte Oberfläche in Form einer Polymerschicht, beispielsweise aus PMMA aufweisen. Alternativ oder zusätzlich sind auch Elastomerpartikel aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) vorgesehen. Das Reaktionsharz enthält bis zu 25 Gewichtsprozent an Polymerpartikeln C, bevorzugt sind es bis zu 10 Gewichtsprozent.
Um zu gewährleisten, dass das Reaktionsharzsystem als Zweikomponentensystem verarbeitbar ist, wird zur Herstellung eines Reaktionsharzes eine Mischung einer ersten harzhaltigen Komponente mit einer zweiten härterhaltigen Komponente vorgesehen, die ein Zweikomponentensystem bilden. Die zweite, härterhaltige Komponente umfasst als Härter beispielsweise einen Anhydridhärter wie beispielsweise Hexahydrophthalanhydrid oder Methylnadicsäureanhydrid (MNSA). Der Härter ist in der zweiten, härterhaltigen Komponente des Zweikomponentensystems zu 60 bis 90 Gewichtsprozent, vorzugsweise zu 70 bis 85 Gewichtsprozent, insbesondere zu 75 bis 80 Gewichtsprozent enthalten.
Das vorliegende Reaktionsharz ist vorteilhaft geeignet zum Verguss von elektroakustischen bzw. mikromechanischen Bauteilen bzw. Sensoren. So ist in 1 ein Ultraschallsensor 1 gezeigt, der mit dem vorliegenden Reaktionsharz vergossen ist. Der Ultraschallsensor kann bspw. als Parksensor eines Automobiles ausgestaltet sein oder als Sensor zur Detektion der Eigenschaften von Fluiden wie Konzentration, Durchflussmenge etc..
In 1 ist ein Ultraschallsensor 1 gezeigt, der in einem Stoßfänger 2 eines Kraftfahrzeugs derart montiert ist, dass eine Membran 3 zum Empfangen und bevorzugt auch zum Aussenden von Ultraschallsignalen zur Außenseite des Kraftfahrzeugs zeigt. Auf der Innenseite des Stoßfängers 2 sind Halterungen 4 an den Stoßfänger 2 angeformt, die den Ultraschallsensor 1 ringförmig umgeben und bevorzugt mittels an den Halterungen 4 angeformten Rasthaken 5 an dem Stoßfänger 2 halten. Der Ultraschallsensor 1 weist ein Gehäuse 6 auf, in dem eine Leiterplatte 7 angeordnet ist. Ferner weist das Gehäuse 6 auf der dem Stoßfänger 2 zugewandten Seite Halteelemente 8 auf, die einen Sensortopf 9 umgreifen. Zwischen den Halteelementen 8 und dem Sensortopf 9 ist bevorzugt ein Entkopplungsring 11 angeordnet, in den Vorsprünge 12 des Sensortopfes 9 eingreifen. Damit wird der Sensortopf 9 in dem Entkopplungsring 11 gehalten. Eine Haube 13 umgibt dabei ringförmig den Entkopplungsring 11, so dass der Sensortopf 9 in dem Entkopplungsring 11 gehalten wird, der wiederum an den Halteelementen 8 durch die ihn umgreifende Haube 13 gehalten wird.
Der Sensortopf 9 weist Topfwände 14 auf, die im Allgemeinen um ein Vielfaches dicker sind als die Membran 3, und an die die Vorsprünge 12 angeformt sind. Der Sensortopf 9 weist ein Topfinneres 10 auf, das einen runden, elliptischen, gegebenenfalls aber auch rechteckigen Querschnitt aufweist. In dem Topfinneren 10 ist an der Membran 3 ein elektroakustischer Wandler angeordnet, insbesondere ein Piezoelement 15. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Topfinnere 10 mit dem vorliegenden Reaktionsharz in Form einer Vergussmasse ausgefüllt, die in der 1 gepunktet dargestellt ist. Das Piezoelement 15 ist über elektrische Kontaktleitungen 17 mit der Leiterplatte 7 verbunden. Auf der Leiterplatte 7 sind elektronische Bauteile 18, 19 angeordnet, die einerseits dazu dienen das Piezoelement 15 zu einer Schallaussendung anzusteuern, um die Membran 3 zu einer Schwingung und damit zu einer Aussendung von Ultraschallsignalen anzuregen. Ferner sind die elektronischen Bauteile 18, 19 dazu ausgelegt, die von dem Piezoelement 15 ausgegebenen Schallsignale infolge einer Anregung der Membran 3 zu einer Schwingung infolge von empfangenen Ultraschallsignalen auszuwerten. Eine Spannungsversorgung des Ultraschallsensors 1 erfolgt über einen Steckeranschluss 20. Der Steckeranschluss 20 ist dabei derart ausgelegt, dass auch eine Steuerung des Ultraschallsensors 1 bzw. eine. Messdatenübertragung über den Steckeranschluss 20 erfolgen kann.
Bei Verwendung des vorliegenden Reaktionsharzes in Form einer Vergussmasse ist eine ausreichende Einkopplung der mittels des Ultraschallsensors 1 zu detektierenden Ultraschallsignale gewährleistet.

Exemplarisch werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von Reaktionsharzen bzw. ihrer Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) dargestellt. Zusammensetzung 1:

Komponente 1 (harzhaltige Komponente)
Harzkomponente A Bisphenol A Epoxid	40–70 Gew.%
Harzkomponente B Modifiziertes Bisphenol A Epoxidharz	2–10 Gew.%
Harzkomponente C Silikonmodifiziertes Bisphenol A Epoxidharz	2–10 Gew.%
Füllstoff Glashohlkugeln	25–30 Gew.%
Additive	0.5–1 Gew.%

Komponente 2 (härterhaltige Komponente)
Härterkomponente: Anhydridhärter	75–80 Gew.%
Füllstoff: Glashohlkuglen	19–24 Gew.%
Additive	0.5–1 Gew.%

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005045019 A1 [0002]

Claims

Reaktionsharz, insbesondere zum Verguss elektroakustischer oder mikromechanischer Sensoren, enthaltend mindestens eine Harzkomponente (A) und mindestens einen mineralischen Füllstoff (B), dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsharz eine Dichte von < 0.6 g/cm³ aufweist.
Reaktionsharz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff (B) Glashohlkugeln umfasst.
Reaktionsharz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glashohlkugeln eine Dichte von 0.1 bis 0.25 g/cm³ haben.
Reaktionsharz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzkomponente (A) ein Epoxidharz, ein Bisphenol A und/oder ein Bisphenol F enthält.
Reaktionsharz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxidharz ein Harz auf der Basis eines bis- oder höher funktionellen Epoxids ist.
Reaktionsharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzkomponente (A) einen Cyanatester und/oder ein Polyurethan enthält.
Reaktionsharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsharz als Zweikomponentenmasse ausgeführt ist.
Reaktionsharz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsharz Polymerpartikel (C) in Form von Silikonelastomerpartikeln enthält.
Zweikomponentensystem zur Herstellung eines Reaktionsharzes nach einem vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine erste, harzhaltige Komponente und eine zweite, eine Härter enthaltende Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente einen Härter sowie mindestens einen Füllstoff enthält.
Zweikomponentensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Füllstoff zu 20 bis 25 Gew.% in der zweiten Komponente enthalten ist.
Elektroakustischer Sensor, insbesondere Ultraschallsensor, umfassend eine schallerzeugende Membran sowie ein Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses ein Reaktionsharz oder ein Zweikomponentensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist.