DE102017216514A1 - Process for producing an adhesive bond - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Haftverbindung zwischen mindestens zwei Substratoberflächen, wobei zunächst eine selbstorganisierte Monoschicht auf mindestens einem Teil der Substratoberflächen aufgebracht wird. Die selbstorganisierte Monoschicht umfasst dabei Verbindungen der allgemeinen Formel (I), welche in der Lage sind Bindungen mit der Substratoberfläche und einer polymerisierbaren Klebstoffzusammensetzung einzugehen. So wird eine besonders stabile Haftverbindung erzielt.The invention relates to a method for producing an adhesive bond between at least two substrate surfaces, wherein initially a self-assembled monolayer is applied to at least a portion of the substrate surfaces. The self-assembled monolayer comprises compounds of the general formula (I) which are able to form bonds with the substrate surface and a polymerizable adhesive composition. This achieves a particularly stable adhesive bond.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Haftverbindung zwischen mindestens zwei Substratoberflächen, sowie die aus diesem Verfahren erhaltene Haftverbindung.The invention relates to a method for producing an adhesive bond between at least two substrate surfaces, as well as the adhesive bond obtained from this method.
Stand der TechnikState of the art
In modernen Produktionsverfahren werden Bauteile immer häufiger mit Hilfe von Klebstoffen verbunden. Dies hat in der Regel den Vorteil einer einfachen Handhabung und einer einfachen Automatisierung des Verfahrens sowie eines geringen Gewichts des Produkts. Durch moderne Klebstoffe werden zudem in der Regel sehr stabile Haftverbindungen erhalten, die häufig der Stabilität mechanischer Verbindungen gleichen.In modern production processes, components are increasingly connected with the help of adhesives. This usually has the advantage of easy handling and easy automation of the process and low weight of the product. In addition, modern adhesives generally give very stable adhesive bonds which often resemble the stability of mechanical bonds.
Für die Stabilität einer Haftverbindung ist es ausschlaggebend, dass ein guter Kontakt zwischen den zu verbindenden Oberflächen und dem Klebstoff besteht. Dieser Kontakt kann im späteren Gebrauch des verklebten Bauteils durch Umwelteinflüsse verschlechtert werden. Dringen beispielsweise Fremdstoffe, insbesondere Flüssigkeiten wie Wasser oder organische Lösungsmittel, zwischen die Oberfläche und den Klebstoff ein, so führt dies zu einer Reduzierung der Stabilität der Haftverbindung bis hin zum Versagen. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn es sich um Haftverbindungen in sicherheitskritischen Bereichen handelt. Beispielsweise werden Gehäuseteile von Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen, in der Regel verklebt. Die Haftverbindungen stehen dabei von der Innenseite der Batteriezellen her in der Regel mit einem flüssigen Elektrolyten, welcher ein polares organisches Lösungsmittel umfasst, in Kontakt. Von der Außenseite her können die Batteriezellen mit Wasser aus der Umgebung in Kontakt kommen. Beide Flüssigkeiten können die Stabilität der Haftverbindung reduzieren, wenn sie zwischen die Oberfläche der verklebten Bauteile und die Klebstoffschicht eindringen. Dringt Wasser bis in die Batteriezelle vor, so kann dies zum Versagen der Lithium-Ionen-Batterie bis hin zur Selbstentzündung der Batteriezelle führen. Die Stabilität der Haftverbindung gegenüber der Einwirkung von Fremdstoffen, insbesondere Flüssigkeiten, ist daher von außerordentlicher Bedeutung.For the stability of a bond, it is crucial that there is good contact between the surfaces to be bonded and the adhesive. This contact can be degraded by environmental influences in later use of the bonded component. If, for example, foreign substances, in particular liquids such as water or organic solvents, penetrate between the surface and the adhesive, this leads to a reduction in the stability of the adhesive bond up to failure. This is particularly problematic when it comes to adhesive joints in safety-critical areas. For example, housing parts of batteries, in particular lithium-ion battery cells, usually glued. The adhesive compounds are in this case from the inside of the battery cells forth usually with a liquid electrolyte, which comprises a polar organic solvent, in contact. From the outside, the battery cells can come into contact with water from the environment. Both liquids can reduce the stability of the bond when they penetrate between the surface of the bonded components and the adhesive layer. If water penetrates right into the battery cell, this can lead to failure of the lithium-ion battery and to self-ignition of the battery cell. The stability of the adhesive bond against the action of foreign substances, in particular liquids, is therefore of extraordinary importance.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Haftverbindung zwischen mindestens zwei Substratoberflächen, wobei das Verfahren mindestens die nachfolgenden Verfahrensschritte (a) bis (d) umfasst:
- (a) Aufbringen einer selbstorganisierenden Monoschicht einer Verbindung der allgemeinen Formel (I):
R1-(CR3R4)n-R2 (I) - R1
- einen Rest darstellt, welcher mindestens eine funktionelle Gruppe umfasst, die geeignet ist mit der zu beschichtenden Substratoberfläche eine Bindung einzugehen;
- R2
- einen Rest darstellt, welcher mindestens eine funktionelle Gruppe umfasst, die geeignet ist mit mindestens einem Bestandteil einer Klebstoffzusammensetzung eine Bindung einzugehen;
- R3
- und R4unabhängig voneinander ausgewählt sind aus: einem Wasserstoffatom; einem Halogenatom, ausgewählt aus F, Cl, Br, I, vorzugsweise F und Cl, insbesondere F; einem linearen oder verzweigten, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit 1 bis 10, insbesondere 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, welche gegebenenfalls mit Halogenatomen, ausgewählt aus F, Cl, Br, I, vorzugsweise F und Cl, insbesondere F, substituiert sein können; einem Cycloalkylrest mit 3 bis 10, insbesondere 5 bis 7 Kohlenstoffatomen, welche gegebenenfalls mit Halogenatomen, ausgewählt aus F, Cl, Br, I, vorzugsweise F und Cl, insbesondere F, substituiert sein können; einem Arylrest mit 5 bis 12, insbesondere 6 bis 9 Kohlenstoffatomen, welche gegebenenfalls mit Halogenatomen, ausgewählt aus F, Cl, Br, I, vorzugsweise F und Cl, insbesondere F, substituiert sein können; einem Oxyalkylrest mit 1 bis 10, insbesondere 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, welche gegebenenfalls mit Halogenatomen, ausgewählt aus F, Cl, Br, I, vorzugsweise F und Cl, insbesondere F, substituiert sein können; und
- n
- eine ganze Zahl zwischen 1 und 30, vorzugsweise zwischen 1 und 20, insbesondere zwischen 2 und 15 ist;
- (b) Aufbringen einer polymerisierbaren Klebstoffzusammensetzung auf mindestens einen Teil der mindestens einen selbstorganisierenden Monoschicht und/oder mindestens einen Teil der zu verbindenden Substratoberflächen;
- (c) Aneinanderfügen der zu verbindenden Substrate; und
- (d) Härten der Klebstoffzusammensetzung, um eine Haftverbindung zwischen den Substratoberflächen zu erreichen.
- (a) applying a self-assembling monolayer of a compound of the general formula (I):
R 1 - (CR 3 R 4 ) n -R 2 (I) - R 1
- represents a radical which comprises at least one functional group which is suitable for binding with the substrate surface to be coated;
- R 2
- a radical comprising at least one functional group capable of binding with at least one component of an adhesive composition;
- R 3
- and R 4 are independently selected from: a hydrogen atom; a halogen atom selected from F, Cl, Br, I, preferably F and Cl, especially F; a linear or branched, saturated or unsaturated alkyl radical having 1 to 10, in particular 1 to 6, carbon atoms which may optionally be substituted by halogen atoms selected from F, Cl, Br, I, preferably F and Cl, in particular F; a cycloalkyl radical having from 3 to 10, in particular from 5 to 7, carbon atoms which may optionally be substituted by halogen atoms selected from F, Cl, Br, I, preferably F and Cl, in particular F; an aryl radical having 5 to 12, in particular 6 to 9 carbon atoms, which may optionally be substituted by halogen atoms selected from F, Cl, Br, I, preferably F and Cl, in particular F; an oxyalkyl radical having 1 to 10, in particular 1 to 6, carbon atoms which may optionally be substituted by halogen atoms selected from F, Cl, Br, I, preferably F and Cl, in particular F; and
- n
- an integer between 1 and 30, preferably between 1 and 20, in particular between 2 and 15;
- (b) applying a polymerizable adhesive composition to at least a portion of the at least one self-assembling monolayer and / or at least a portion of the substrate surfaces to be bonded;
- (c) joining together the substrates to be joined; and
- (d) curing the adhesive composition to achieve an adhesive bond between the substrate surfaces.
Die einzelnen Verfahrensschritte werden nachfolgend näher erläutert. The individual process steps are explained in more detail below.
In einem ersten Verfahrensschritt (a) wird eine selbstorganisierende Monoschicht einer Verbindung der allgemeinen Formel (I) auf mindestens einen Teil mindestens einer Substratoberfläche aufgebracht.In a first process step (a), a self-assembling monolayer of a compound of the general formula (I) is applied to at least one part of at least one substrate surface.
Als zu verbindende Substrate sind prinzipiell sämtliche Werkstoffe geeignet. Üblicherweise werden Werkstoffe verwendet, welche zu verbindende Substratoberflächen aus Metall, Metalloxid oder einem Kunststoff umfassen. Diese werden häufig als Werkstoffe in Bauteilen, insbesondere in Bauteilen für Gehäuse von Batteriezellen verwendet. Häufig werden Bauteile mit Substratoberflächen, umfassend Aluminium, Nickel, Kupfer, Eisen und/oder thermoplastischen Polymeren, wie Polyolefinen, Polyestern, Polystyrolen, Polycarbonaten, Polyamiden, sowie Copolymeren und Mischungen der genannten Polymere eingesetzt und miteinander über eine Haftverbindung, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, verbunden.In principle, all materials are suitable as substrates to be joined. Usually, materials are used which comprise substrate surfaces to be joined of metal, metal oxide or a plastic. These are often used as materials in components, in particular in components for housing of battery cells. Components with substrate surfaces comprising aluminum, nickel, copper, iron and / or thermoplastic polymers, such as polyolefins, polyesters, polystyrenes, polycarbonates, polyamides, as well as copolymers and mixtures of said polymers are frequently used and bonded to one another via an adhesive bond, which is produced by the process according to the invention is received.
Üblicherweise weisen die Substratoberflächen funktionelle Gruppen, insbesondere polare funktionelle Gruppen mit mindestens einer Hydroxyfunktion (OH-Funktion), auf. Diese polaren funktionellen Gruppen führen, sofern eine Klebstoffschicht in herkömmlicher Weise auf die Substratoberfläche aufgebracht wird dazu, dass polare Stoffe, wie z.B. Wasser oder organische Lösungsmittel aus dem Elektrolyten, zwischen die Substratoberfläche und die Klebstoffschicht eindringen. Um dies zu verhindern, wird mindestens ein Teil der Substratoberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Monoschicht aus Verbindungen der allgemeinen Formel (I) versehen. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine selbstorganisierte Monoschicht auf der Substratoberfläche bilden können und über funktionelle Gruppen verfügen, welche in dem Rest R1 enthalten sind und eine Bindung mit den auf der Substratoberfläche vorliegenden funktionellen Gruppen eingehen können.The substrate surfaces usually have functional groups, in particular polar functional groups having at least one hydroxyl function (OH function). These polar functional groups, if an adhesive layer is conventionally applied to the substrate surface, cause polar species, such as water or organic solvents from the electrolyte, to penetrate between the substrate surface and the adhesive layer. To prevent this, at least part of the substrate surface according to the present invention is provided with a monolayer of compounds of general formula (I). These are characterized in that they can form a self-assembled monolayer on the substrate surface and have functional groups which are contained in the radical R 1 and can form a bond with the functional groups present on the substrate surface.
Bei der Bindung, welche zwischen den funktionellen Gruppen, die in dem Rest R1 enthalten sind, und den funktionellen Gruppen, die auf der Substratoberfläche vorliegen, ausgebildet wird, kann es sich prinzipiell um eine kovalente oder ionische Bindung, oder auch um eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung handeln. In Hinblick auf die Stabilität der Bindung und eine bevorzugte Reduzierung freier funktioneller Gruppen auf der Substratoberfläche, insbesondere der Reduzierung freier Hydroxyl-Gruppen auf der Substratoberfläche, ist insbesondere die Ausbildung einer kovalenten Bindung bevorzugt.The bond formed between the functional groups contained in the radical R 1 and the functional groups present on the substrate surface may in principle be a covalent or ionic bond, or else a dipole bond. Act dipole interaction. In view of the stability of the bond and a preferred reduction of free functional groups on the substrate surface, in particular the reduction of free hydroxyl groups on the substrate surface, in particular the formation of a covalent bond is preferred.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt R1 eine funktionelle Gruppe dar, welche in einer Kondensationsreaktion mit einer auf der Substratoberfläche befindlichen funktionellen Gruppe eine Bindung, insbesondere eine kovalente Bindung, ausbilden kann. So wird eine besonders stabile Verbindung zwischen der selbstorganisierten Monoschicht und der Substratoberfläche erzielt.In a preferred embodiment, R 1 represents a functional group which can form a bond, in particular a covalent bond, in a condensation reaction with a functional group located on the substrate surface. Thus, a particularly stable connection between the self-assembled monolayer and the substrate surface is achieved.
In Hinblick auf die Ausbildung einer kovalenten Bindung zwischen der Substratoberfläche und der Monoschicht wird der Rest R1 vorzugsweise so ausgewählt, dass dieser mindestens eine funktionelle Gruppe aufweist, die mit einer polaren funktionellen Gruppe, welche eine Hydroxyfunktion umfasst, auf der Substratoberfläche eine Reaktion eingehen kann. Beispielsweise sind Reste R1 zu nennen, welche mindestens eine funktionelle Gruppe, ausgewählt aus einem Carbonsäurerest (-COOH), einem Carbonsäureesterrest (-COOR6, wobei R6 einen Alkylrest mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen darstellt), einem Phosphonsäurerest (-P(O)(OH)2, einem Thiolrest (-SH), einem Halogensilylrest (-SiX, wobei X ein Halogenatom, vorzugsweise Cl oder Br ist) und/oder einem Alkoxysilylrest (-Si(OR5), wobei R5 ein linearer Alkylrest mit 1 bis 3 Kohlenstoffatomen ist) umfassen bzw. aus diesen bestehen.In view of the formation of a covalent bond between the substrate surface and the monolayer, the radical R 1 is preferably selected such that it has at least one functional group which can react with a polar functional group comprising a hydroxy function on the substrate surface , For example, radicals R 1 which contain at least one functional group selected from a carboxylic acid radical (-COOH), a carboxylic acid ester radical (-COOR 6 , where R 6 is an alkyl radical having 1 to 5 carbon atoms), a phosphonic acid radical (-P (O ) (OH) 2 , a thiol radical (-SH), a halosilyl radical (-SiX, wherein X is a halogen atom, preferably Cl or Br) and / or an alkoxysilyl radical (-Si (OR 5 ), wherein R 5 is a linear alkyl radical 1 to 3 carbon atoms) comprise or consist of these.
Die genannten funktionellen Gruppen können mit den Hydroxy-Gruppen auf der Substratoberfläche in einer Kondensationsreaktion unter Abscheidung von kleinen Molekülen wie Wasser oder Alkoholen reagieren und kovalente Bindungen zwischen den Verbindungen der allgemeinen Formel (I) und der Substratoberfläche ausbilden. Die kovalenten Bindungen werden spontan oder unter geeigneten Bedingungen, insbesondere bei einer Temperatur von 20 bis 120°C ausgebildet.The functional groups mentioned can react with the hydroxyl groups on the substrate surface in a condensation reaction with the deposition of small molecules such as water or alcohols and form covalent bonds between the compounds of general formula (I) and the substrate surface. The covalent bonds are spontaneous or under suitable conditions, formed in particular at a temperature of 20 to 120 ° C.
Die Verbindungen der allgemeinen Formel (I) weisen ferner einen vorzugweise unpolaren Teil auf, welcher durch die Einheit -(CR3R4)n- gebildet wird. Dieser ist auf eine Kettenlänge von 1 bis 30 Kohlenstoffatomen begrenzt, was eine weitgehend lineare Anordnung des Moleküls auf der Substratoberfläche ermöglicht. Idealerweise sind die Moleküle der Verbindung der allgemeinen Formel (I) daher auf der Oberfläche parallel zueinander angeordnet. Auch die endständigen funktionellen Gruppen R2 sind dadurch beieinanderliegend angeordnet.The compounds of the general formula (I) furthermore have a preferably non-polar part, which is formed by the unit - (CR 3 R 4 ) n -. This is limited to a chain length of 1 to 30 carbon atoms, which allows a largely linear arrangement of the molecule on the substrate surface. Ideally, the molecules of the compound of the general formula (I) are therefore arranged on the surface parallel to one another. The terminal functional groups R 2 are thus arranged adjacent to each other.
Die Reste R3 und R4 werden vorzugsweise unabhängig voneinander ausgewählt aus einem Wasserstoffatom und einem linearen oder verzweigten, gesättigten oder ungesättigten Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen. In einer bevorzugten Ausführungsform stellen die Reste R3 und R4 ein Wasserstoffatom oder einen Methylrest dar, insbesondere ein Wasserstoffatom.The radicals R 3 and R 4 are preferably independently selected from a hydrogen atom and a linear or branched, saturated or unsaturated alkyl radical having 1 to 6 carbon atoms. In a preferred embodiment, the radicals R 3 and R 4 represent a hydrogen atom or a methyl radical, in particular a hydrogen atom.
Der Rest R2 dient der Verbindung der selbstorganisierten Monoschicht aus Verbindungen der allgemeinen Formel (I) mit der jeweiligen verwendeten polymerisierbaren Klebstoffzusammensetzung. R2 stellt dabei einen Rest dar, welcher mindestens eine funktionelle Gruppe umfasst, die geeignet ist mit mindestens einem Bestandteil einer Klebstoffzusammensetzung eine Bindung einzugehen.The radical R 2 serves to connect the self-assembled monolayer of compounds of the general formula (I) with the particular polymerizable adhesive composition used. R 2 is a radical which comprises at least one functional group which is suitable for binding with at least one constituent of an adhesive composition.
Bei der Bindung, welche zwischen den funktionellen Gruppen, die in dem Rest R2 enthalten sind, und der Klebstoffzusammensetzung ausgebildet wird, kann es sich prinzipiell um eine kovalente oder ionische Bindung, oder auch um eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung handeln. In Hinblick auf die Stabilität der Bindung ist insbesondere die Ausbildung einer kovalenten Bindung bevorzugt.The bond formed between the functional groups contained in the radical R 2 and the adhesive composition may, in principle, be a covalent or ionic bond, or else a dipole-dipole interaction. In view of the stability of the bond, in particular the formation of a covalent bond is preferred.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Härtung der Klebstoffzusammensetzung durch eine Polymerisationsreaktion. Es ist daher insbesondere bevorzugt, wenn der Rest R2 eine funktionelle Gruppe darstellt, welche an der Polymerisationsreaktion der Klebstoffzusammensetzung als Monomer oder Vernetzungsmittel teilnimmt.In a preferred embodiment of the invention, the curing of the adhesive composition takes place by a polymerization reaction. It is therefore particularly preferred that the group R 2 represents a functional group which participates in the polymerization reaction of the adhesive composition as a monomer or crosslinking agent.
Die Polymerisationsreaktion der Klebstoffzusammensetzung erfolgt vorzugsweise durch eine Kettenwachstumspolymerisationsreaktion, Polykondensationsreaktion und/oder einer Polyadditionsreaktion, insbesondere durch eine Polymerisationsreaktion und/oder einer Polyadditionsreaktion. Um die Ausbildung kovalenter Bindungen der selbstorganisierten Monoschicht zu dem Klebstoff zu erreichen, weist der Rest R2 daher vorzugsweise mindestens eine funktionelle Gruppe auf, die an der Polymerisationsreaktion teilnehmen kann, insbesondere mindestens eine funktionelle Gruppe, die der funktionellen Gruppe mindestens eines der teilnehmenden Monomere entspricht.The polymerization reaction of the adhesive composition is preferably carried out by a chain growth polymerization reaction, polycondensation reaction and / or a polyaddition reaction, in particular by a polymerization reaction and / or a polyaddition reaction. In order to achieve the formation of covalent bonds of the self-assembled monolayer to the adhesive, the radical R 2 therefore preferably has at least one functional group which can participate in the polymerization reaction, in particular at least one functional group corresponding to the functional group of at least one of the participating monomers ,
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Rest R2 mindestens eine funktionelle Gruppe auf Basis von Aminen oder Epoxiden. Dies können vorteilhaft mit Epoxy-Klebstoffen umgesetzt werden, welche durch die Reaktion von Epoxidharzen, z.B. auf Basis von Bisphenol-A, mit Amin-haltigen Vernetzungsmitteln erhalten werden. In diesem Fall kann der Rest R2 anstelle eines Epoxy-Monomers als oder anstelle eines Amin-haltigen Vernetzungsmittels eingebaut werden. Besonders hervorzuheben sind Verbindungen der allgemeinen Formel (I), wobei R2 einen primären Aminrest, einen sekundären Aminrest, einen primären Ammoniumrest, einen sekundären Ammoniumrest, einen Epoxyrest, oder einen Oxyalkylepoxyrest darstellt. Diese können in einer Polyadditionsreaktion in die Polymerkette eingebaut werden.In a particularly preferred embodiment of the invention, the radical R 2 comprises at least one functional group based on amines or epoxides. This can be advantageously implemented with epoxy adhesives, which are obtained by the reaction of epoxy resins, for example based on bisphenol A, with amine-containing crosslinking agents. In this case, the radical R 2 may be incorporated instead of an epoxy monomer as or in place of an amine-containing crosslinking agent. Particularly noteworthy are compounds of general formula (I), wherein R 2 is a primary amine radical, a secondary amine radical, a primary ammonium radical, a secondary ammonium radical, an epoxy radical, or an oxyalkylepoxy. These can be incorporated into the polymer chain in a polyaddition reaction.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rest R2 mindestens eine funktionelle Gruppe, welchen eine olefinische Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung aufweist. Diese lassen sich vorteilhaft in der Polymerisation von Acrylat-Klebstoffe einsetzen und können in einer anionischen und/oder radikalischen Polymerisationsreaktion in die Polymerkette eingebaut werden.In a further preferred embodiment, the radical R 2 comprises at least one functional group which has an olefinic carbon-carbon double bond. These can be used advantageously in the polymerization of acrylate adhesives and can be incorporated into the polymer chain in an anionic and / or free-radical polymerization reaction.
Besonders bevorzugte Reste R2 können ausgewählt werden aus:
Darüber hinaus sind als weitere Klebstoffkomponenten Polyurethane und Polysiloxane zu nennen. Beide können beispielsweise mit Resten R2 umgesetzt werden, welche OH-Gruppen, insbesondere zwei OH-Gruppen, beispielsweise einen Rest R2 = -Si-(OH)2, aufweisen. Diese können vorteilhafterweise an einer Polykondensation teilnehmen.In addition, polyurethanes and polysiloxanes may be mentioned as further adhesive components. Both can be reacted, for example, with radicals R 2 , which OH groups, in particular two OH groups, for example a radical R 2 = -Si- (OH) 2 , have. These can advantageously participate in a polycondensation.
Der Verfahrensschritt (a) des Verfahrens zur Herstellung einer Haftverbindung umfasst vorzugsweise die folgenden Unterschritte:
- (a-1) Bereitstellen einer Verbindung der allgemeinen Formel (I). Um einen möglichst guten Kontakt der Substratoberfläche mit der Verbindung der allgemeinen Formel (I) zu erreichen, wird diese vorzugsweise in Form einer Flüssigkeit oder einer flüssigen Lösung bereitgestellt. Eine Lösung wird vorzugsweise in einem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch bereitgestellt, in welchem die Verbindung der allgemeinen Formel (I) löslich ist und welches einen Dampfdruck aufweist, welcher es ermöglicht, das Lösungsmittel kontrolliert und vollständig zu entfernen, nachdem sich die gewünschte selbstorganisierte Monoschicht ausgebildet hat. Zusätzlich unterstütz das Lösungsmittel vorzugweise die Reaktion zwischen der Substratoberfläche und der Verbindung der allgemeinen Formel (I). Die Löslichkeit der Verbindung der allgemeinen Formel (I) in dem jeweiligen Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch liegt vorzugsweise in einem
Bereich von 0,01 g bis 10 g der Verbindung der allgemeinen Formel (I) pro 1 g Lösungsmittel. Der Dampfdruck des Lösungsmittels bzw. Lösungsmittelgemischs beträgt bei 40°C vorzugsweise mindestens 2 hPa. Als geeignete Lösungsmittel sind insbesondere Wasser, Tetrahydrofuran, Aceton, Cyclohexan und Dimethylformamid zu nennen. - (a-2) Aufbringen der Verbindung der allgemeinen Formel (I) gemäß Schritt (a-1), gegebenenfalls in Form der gemäß Schritt (a-1) erhaltenen Lösung, auf mindestens einem Teil der Substratoberfläche, um eine selbstorganisierte Monoschicht der Verbindung der allgemeinen Formel (I) auf der Substratoberfläche zu bilden. Dies erfolgt vorzugsweise durch eintauchen der Substratoberfläche in die Verbindung der allgemeinen Formel (I) bzw. in die Lösung der Verbindung der allgemeinen Formel (I) über einen Zeitraum von 1 Sekunde bis 24 h, vorzugsweise 1 min bis 10 h, insbesondere 10 min bis 5 h. Vorzugsweise findet dieser Verfahrensschritt bei 10 bis 50°C, insbesondere bei 15 bis 30°C statt.
- (a-3) gegebenenfalls Waschen der Substratoberfläche. Dieser Schritt erfolgt in der Regel nur dann, wenn durch die Reaktion der funktionellen Gruppen auf der Substratoberfläche mit den funktionellen Gruppen des Rests R1 der Verbindung der allgemeinen Formel (I) bereits Bindungen ausgebildet wurden. Dies ist von der Wahl des Lösungsmittels, der Natur der Verbindung der allgemeinen Formel (I) und den Reaktionsbedingungen abhängig.
- (a-4) gegebenenfalls Erwärmen des mit der selbstorganisierten Monoschicht der Verbindung der allgemeinen Formel (I) auf der Substratoberfläche versehenen Substrats auf eine Temperatur, welche die Ausbildung einer Bindung, insbesondere einer kovalenten Bindung, zwischen der Substratoberfläche und der Verbindung der allgemeinen Formel (I) ermöglicht. Die Temperatur liegt beispielsweise in einem Bereich von 20 bis 120°C, vorzugsweise in einem Bereich von 40 bis 100°C, insbesondere in einem Bereich von 50 bis 90°C. Die Reaktionsdauer liegt in einem Bereich von 1 min bis 10 h, insbesondere 2 min bis 180 min. Dieser Schritt kann auch in Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden.
- (a-5) gegebenenfalls Waschen und Trocknen der beschichteten Substratoberfläche, um Reste von nicht umgesetzten Verbindungen der allgemeinen Formel (I) zu entfernen. Dies könnte sonst gegebenenfalls der Haftung abträglich sein.
- (a-1) Providing a compound of the general formula (I). In order to achieve the best possible contact of the substrate surface with the compound of general formula (I), this is preferably provided in the form of a liquid or a liquid solution. A solution is preferably provided in a solvent or solvent mixture in which the compound of general formula (I) is soluble and which has a vapor pressure which allows the solvent to be controlled and completely removed after the desired self-assembled monolayer has formed. In addition, the solvent preferably promotes the reaction between the substrate surface and the compound of the general formula (I). The solubility of the compound of general formula (I) in the respective solvent or solvent mixture is preferably in a range of 0.01 g to 10 g of the compound of general formula (I) per 1 g of solvent. The vapor pressure of the solvent or solvent mixture is preferably at least 2 hPa at 40 ° C. Suitable suitable solvents are, in particular, water, tetrahydrofuran, acetone, cyclohexane and dimethylformamide.
- (a-2) Applying the compound of the general formula (I) according to the step (a-1) optionally in the form of the solution obtained in the step (a-1) on at least a part of the substrate surface to form a self-assembled monolayer of the compound of general formula (I) on the substrate surface. This is preferably done by immersing the substrate surface in the compound of general formula (I) or in the solution of the compound of general formula (I) over a period of 1 second to 24 hours, preferably 1 minute to 10 hours, especially 10 minutes 5 h. This process step preferably takes place at 10 to 50.degree. C., in particular at 15 to 30.degree.
- (a-3) optionally washing the substrate surface. As a rule, this step takes place only when bonds have already been formed by the reaction of the functional groups on the substrate surface with the functional groups of the radical R 1 of the compound of the general formula (I). This depends on the choice of solvent, the nature of the compound of general formula (I) and the reaction conditions.
- (a-4) optionally heating the substrate provided with the self-assembled monolayer of the compound of the general formula (I) on the substrate surface to a temperature which permits the formation of a bond, in particular a covalent bond, between the substrate surface and the compound of the general formula ( I). The temperature is, for example, in a range of 20 to 120 ° C, preferably in a range of 40 to 100 ° C, in particular in a range of 50 to 90 ° C. The reaction time is in a range of 1 min to 10 h, in particular 2 min to 180 min. This step can also be carried out in step (d) of the method according to the invention.
- (a-5) optionally washing and drying the coated substrate surface to remove residues of unreacted compounds of general formula (I). Otherwise, this might be detrimental to liability.
Die so erhaltene selbstorganisierte Monoschicht aus Molekülen der Verbindung der allgemeinen Formel (I) ist an die Substratoberfläche gebunden und weist eine Schichtdicke von vorzugsweise 0,1 bis 10 nm, stärker bevorzugt 0,5 bis 5, und insbesondere 1 bis 2 nm, auf. Vorzugsweise ist die Bindung kovalent.The resulting self-assembled monolayer of molecules of the compound of the general formula (I) is bonded to the substrate surface and has a layer thickness of preferably 0.1 to 10 nm, more preferably 0.5 to 5, and especially 1 to 2 nm. Preferably, the bond is covalent.
In einem zweiten Verfahrensschritt (b) wird eine polymerisierbare Klebstoffzusammensetzung auf mindestens einen Teil der mindestens einen selbstorganisierenden Monoschicht und/oder mindestens eine Teil der zu verbindenden Substratoberflächen aufgebracht. Wie bereits erläutert wurde, handelt es sich hierbei um eine Klebstoffzusammensetzung, die in der Lage ist, mit mindestens einer funktionellen Gruppe des Restes R2 eine Polymerisationsreaktion einzugehen. Vorzugsweise umfasst die polymerisierbare Klebstoffzusammensetzung eine Epoxy-Klebstoffzusammensetzung, eine Acrylat-Klebstoffzusammensetzung, eine Urethan-Klebstoffzusammensetzung oder eine Siloxan-Klebstoffzusammensetzung. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine Epoxy-Klebstoffzusammensetzung oder eine Acrylat-Klebstoffzusammensetzung.In a second process step (b), a polymerizable adhesive composition is applied to at least a portion of the at least one self-assembling monolayer and / or at least a portion of the substrate surfaces to be bonded. As already explained, this is an adhesive composition which is capable of undergoing a polymerization reaction with at least one functional group of the radical R 2 . Preferably, the polymerizable adhesive composition comprises an epoxy adhesive composition, an acrylate adhesive composition, a urethane adhesive composition, or a siloxane adhesive composition. Most preferably, it is an epoxy adhesive composition or an acrylate adhesive composition.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt (c) werden die Substratoberflächen der zu verbindenden Substrate aneinandergefügt, nachdem mindestens ein Teil einer der Substratoberflächen nach dem in Schritt (a) und (b) beschriebenen Verfahren behandelt wurde.In a subsequent process step (c), the substrate surfaces of the substrates to be joined are joined together after at least a portion of one of the substrate surfaces has been treated according to the method described in steps (a) and (b).
Schließlich folgt in Schritt (d) das Härten der Klebstoffzusammensetzung, um eine Haftverbindung zwischen den Substratoberflächen zu erreichen. Dieser Schritt dient der eigentlichen Polymerisationsreaktion der Klebstoffzusammensetzung. Gleichzeitig wird die - vorzugsweise kovalente - Bindung zwischen dem Klebstoff und der selbstorganisierten Monoschicht über die funktionellen Gruppen des Rests R2 ausgebildet. Die Temperatur wird in Verfahrensschritt (d) so gewählt, dass eine rasche und kontrollierte Polymerisation erzielt wird. Die Temperatur liegt beispielsweise in einem Bereich von 20 bis 120°C, vorzugsweise in einem Bereich von 40 bis 100°C, insbesondere in einem Bereich von 50 bis 90°C. Die Reaktionsdauer liegt in einem Bereich von 0,1 min bis 10 h, insbesondere 1 min bis 5 h.Finally, in step (d), the curing of the adhesive composition follows to achieve an adhesive bond between the substrate surfaces. This step serves the actual polymerization reaction of the adhesive composition. At the same time, the - preferably covalent - bond between the adhesive and the self-assembled monolayer is formed via the functional groups of the radical R 2 . The temperature is selected in process step (d) so that a rapid and controlled polymerization is achieved. The temperature is, for example, in a range of 20 to 120 ° C, preferably in a range of 40 to 100 ° C, in particular in a range of 50 to 90 ° C. The reaction time is in a range of 0.1 min to 10 h, in particular 1 min to 5 h.
In einer Ausführungsform werden zwei Substratoberflächen S und S' miteinander verbunden, wobei die Substratoberflächen S und S' unterschiedliche Werkstoffe umfassen. Um eine möglichst gute Verbindung zu erzielen werden die Substratoberflächen S und S' daher mit unterschiedlichen Verbindungen der Formeln (I) bzw. (I') umgesetzt:
Dies unterscheiden sich insbesondere in der Natur des Restes R1', um eine möglichst gute Haftung auf der jeweiligen Substratoberfläche zu erreichen. Die Reste R2 bis R4 haben dieselbe Bedeutung wie zuvor definiert. R1' hat dieselbe, zuvor definierte Bedeutung wie R1, mit der Maßgabe dass die Reste R1 und R1' nicht identisch sind. Vorzugsweise ist sind die Reste R2 jeweils identisch, da diese funktionelle Gruppe jeweils mit derselben Klebstoffzusammensetzung reagieren und Bindungen, vorzugsweise kovalente Bindungen, ausbilden soll. Dies ermöglicht eine möglichst stabile Haftverbindung.This differs in particular in the nature of the radical R 1 ' in order to achieve the best possible adhesion to the respective substrate surface. The radicals R 2 to R 4 have the same meaning as defined above. R 1 ' has the same meaning previously defined as R 1 , with the proviso that the radicals R 1 and R 1' are not identical. The radicals R 2 are preferably identical in each case since these functional groups each react with the same adhesive composition and should form bonds, preferably covalent bonds. This allows a stable as possible adhesive bond.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Haftverbindung zwischen mindestens zwei Substratoberflächen, wobei die Haftverbindung in Kontakt mit polaren Verbindungen aus der Umgebung, wie z.B. Wasser oder organischen Lösungsmitteln, steht.The invention also relates to the use of the method according to the invention for producing an adhesive bond between at least two substrate surfaces, the adhesive bond being in contact with polar compounds from the environment, e.g. Water or organic solvents.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Herstellung sicherheitsrelevanter Haftverbindungen verwendet, insbesondere zur Herstellung von Haftverbindungen zwischen Gehäuseteilen einer Batteriezelle, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batteriezelle.In a preferred embodiment, the method is used for the production of security-relevant adhesive bonds, in particular for the production of adhesive bonds between housing parts of a battery cell, in particular a lithium-ion battery cell.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung eine Batteriezelle, deren Gehäuse mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.Furthermore, the subject matter of the invention is a battery cell whose housing has been produced by means of a method according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren biete den Vorteil, dass eine Haftverbindung zwischen zwei Substratoberflächen hergestellt werden kann, welche sich dadurch auszeichnet, dass zwischen den Substratoberflächen und der Klebstoffschicht eine gleichmäßige und flächendeckende selbstorganisierte Monoschicht angeordnet ist, welche an die Substratoberfläche und an die Klebstoffschicht gebunden ist. So wird eine besonders stabile Verbindung erhalten, welche auch das Eindringen von Fremdstoffen wie z.B. Wasser oder Elektrolyt zwischen Substrat und Klebstoff unterbindet. Darüber hinaus sind die an der Substratoberfläche befindlichen Hydroxyl-Gruppen ganz oder wenigstens überwiegend umgesetzt und können so nicht mehr an unerwünschten chemischen oder elektrochemischen Reaktionen teilnehmen. Der hydrophobe Teil -(CR3R4)n- bildet dabei eine Barriere, die das Eindringen polarer Verbindungen, insbesondere polarer Flüssigkeiten zwischen die Klebstoffschicht und die Substratoberfläche verhindert.The inventive method offers the advantage that an adhesive bond between two substrate surfaces can be produced, which is characterized in that between the substrate surfaces and the adhesive layer, a uniform and area-covering self-assembled monolayer is arranged, which is bonded to the substrate surface and to the adhesive layer. Thus, a particularly stable compound is obtained, which also prevents the penetration of foreign substances such as water or electrolyte between the substrate and adhesive. In addition, the hydroxyl groups located on the substrate surface are completely or at least predominantly reacted and can thus no longer participate in undesired chemical or electrochemical reactions. The hydrophobic part - (CR 3 R 4 ) n - forms a barrier which prevents the penetration of polar compounds, in particular polar liquids, between the adhesive layer and the substrate surface.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.
Es zeigt:
-
1 Eine beispielhafte Auswahl möglicher Ausführungsformen der Verbindungen der allgemeinen Formel (I). -
2 Die Bildung einer selbstorganisierten Monoschicht einer Ausführungsform der Verbindung der allgemeinen Formel (I) auf einer Substratoberfläche. -
3 Die graphische Darstellung der Scherfestigkeit verschiedener verklebter Bauteile.
-
1 An exemplary selection of possible embodiments of the compounds of general formula (I). -
2 The formation of a self-assembled monolayer of one embodiment of the compound of general formula (I) on a substrate surface. -
3 The graphic representation of the shear strength of various bonded components.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Substratoberfläche mit einfachen Mitteln und stabil gegenüber der Einwirkung von Fremdstoffen miteinander zu verbinden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Oberflächen mit selbstorganisierten Monoschichten versehen werden, welche aus Verbindungen bestehen, die kovalent an die Substratoberflächen und an die Klebstoffschichten gebunden sind. Eine Auswahl geeigneter Verbindungen der allgemeinen Formel (I), d.h. Verbindungen, welche die selbstorganisierte Monoschicht auf der Substratoberfläche bilden, ist in
Im Gegensatz hierzu zeigt Balken (c) die Schwerfestigkeit S (ermittelt gemäß
Aluminiumbleche (Al 3.3547) wurden gereinigt, in eine Lösung aus 0,2 mL [3-(2,3-Epoxypropoxy)propyl]trimethoxysilan in 200 mL Aceton gegeben und 20 min ohne Rühren bei Raumtemperatur stehen gelassen. Es bildet sich eine selbstorganisierte Monoschicht auf der Oberfläche der Aluminiumbleche. Die Bleche werden anschließend aus der Lösung genommen und in einem Ofen 40 Minuten bei 80°C gebacken. So wird die Ausbildung kovalenter Bindungen zwischen der Monoschicht und der Oberfläche des Aluminiumblechs unterstützt, sowie das Lösungsmittel und die Kondensationsprodukte (insbesondere Methanol) entfernt. Schließlich wurde auf einer der so erhaltenen Oberflächen eine Epoxy-Klebstoffzusammensetzung, umfassend ein Epoxid und ein Aminhaltiges Vernetzungsmittel, aufgetragen, ein zweites Aluminiumblech aufgelegt und die Epoxy-Klebstoffzusammensetzung im Ofen bei 80°C für eine Dauer von 180 min gehärtet. Das erhaltene Bauteil wurde anschließend 1 Woche bei 85°C und 85% relativer Feuchtigkeit gelagert und die maximale Scherfestigkeit S gemäß
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2004/0043146 A1 [0004]US 2004/0043146 A1 [0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- DIN EN 1465:2009-07 [0039, 0040, 0041]DIN EN 1465: 2009-07 [0039, 0040, 0041]
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