DE10335494A1

DE10335494A1 - Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern

Info

Publication number: DE10335494A1
Application number: DE10335494A
Authority: DE
Inventors: Roman TRUCKENMÜLLER; Patric Henzi; Dirk Herrmann
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 2002-08-16
Filing date: 2003-08-02
Publication date: 2004-03-04
Also published as: WO2004022314A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern, von denen mindestens einer aus einem Polymer besteht. Hierzu erfolgt zunächst eine Degradation des Polymers innerhalb mindestens einer oberflächennahen Schicht in einem ersten Fügepartner. Anschließend folgt das Zusammenfügen des ersten Fügepartners jeweils an der degradierten oberflächennahen Schicht mit einem weiteren Fügepartner bei einer Temperatur, die oberhalb der Erweichungstemperatur des degradierten Polymers und unterhalb der Erweichungstemperatur des nicht degradierten Polymers liegt, sowie unter Druck.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern, von denen mindestens einer aus einem Polymer besteht.
Mit der starken Zunahme von Anwendungen für miniaturisierte Analyse- und Synthesesysteme, insbesondere in den Bereichen Biotechnologie, Pharmazie und Lebenswissenschaften (Life Sciences), steigt der Bedarf an einfachen Verfahren zur stabilen Verbindung von Kunststoffmikrostrukturen für fluidische LOC-Systeme (Lab-on-Chip) bzw. für μTAS (Micro Total Analysis Systems) wie z. B. CE-Systeme (Capillary Electrophoresis).
Bekannte Methoden zum Verbinden von fluidischen Mikrostrukturen aus Kunststoff und hierbei vor allem zum Abdecken bzw. Deckeln von heißgeprägten oder spritzgegossenen mikrofluidischen Polymerstrukturen sind Schweißen (indirektes Heizelementwärmekontaktschweißen, Laserschweißen) bzw. Heißsiegeln, Kleben (Kapillarkleben, Kammerkleben, Kleben nach Aufschleudern von Klebstoff auf den Deckel) und Lösungsmittelschweißen bzw. Diffusionskleben. Ein Verfahren zum Verbinden von mikrostrukturierten Werkstücken aus Kunststoff mittels Lösungsmittelschweißen wird beispielsweise in der DE 198 51 644 beschrieben.
Nachteilig an den angeführten Verfahren ist, dass diese häufig mit einer zumindest teilweisen Zerstörung der Mikrostrukturen beim Verbinden derselben einhergehen. Grundsätzlich verfahrensbedingt oder durch mangelnde Kontrolle über genau einzuhaltende Verfahrensparameter wie Temperatur, Klebstoffmenge, Druck oder Zeit kommt es dabei zu Strukturverlust durch ungesteuertes thermoplastisches Fließen oder Lösungsmittelquellen der Mikrostrukturen oder zum partiellen Zufließen der Mikrostrukturen mit Klebstoff. Weiterhin nachteilig ist die teilweise nur eingeschränkte Biokompatibilität mancher Klebstoffe.
Mit der DE 198 15 632 ist ein Verfahren für klebstofffreie Verbindungen von Polymerbauteilen bekannt, bei dem zumindest ein Fügepartner mindestens auf seine Glasübergangstemperatur erwärmt wird. Vorhandene Mikrostrukturen können dabei jedoch beschädigt werden.
In der makroskopischen Verpackungstechnik werden Kunststofffolien mittels dünner Kunststoffschichten auf den Fügeflächen der Folien miteinander verbunden. Diese sind bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur bzw. der Kristallitschmelztemperatur des amorphen bzw. teilkristallinen Folienkunststoffs siegel- oder schweißbar. Das Beschichten oder Lackieren der niedrig schmelzenden Heißsiegelschichten auf die Folien in einem Fließ- bzw. Endlosprozess erfolgt durch Walzenauftrag, Walzenbeschichtung, Aufkalandrieren, Extrusionsbeschichten usw. Folien aus biaxial orientiertem Polypropylen mit Siegelschichten aus niedermolekularem Polyethylen werden überwiegend durch Koextrusion hergestellt. In der Mikrotechnik ist die Vorgehensweise der Beschichtung von heißgeprägten oder spritzgegossenen Polymerstrukturen mit dünnen siegel- und schweißbaren Schichten wenig praktikabel.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern, von denen mindestens einer aus einem Polymer besteht, bereitzustellen, das bei niedrigen Temperaturen und ohne Klebstoff, Lösungsmittel oder andere Zusatzstoffe durchgeführt wird und bei dem in oder auf den Fügepartnern vorhandene Mikrostrukturen im Wesentlichen erhalten bleiben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Verbindungsverfahrens wird im ersten Verfahrensschritt ein polymerer Fügepartner bereitgestellt, in den im zweiten Verfahrensschritt oberflächennah eine bei niedrigen Temperaturen Siegel- und schweißbare Schicht erzeugt wird. Die Erzeugung einer solchen Schicht im Polymer steht im Gegensatz zur bekannten Beschichtung von polymeren Fügepartnern mit einer zusätzlichen Siegel- und schweißbaren Schicht. Die erfindungsgemäße Schichterzeugung basiert auf der gezielt eingesetzten Degradation von Polymeren, die kontrolliert und definiert in Bezug auf die Stärke und (Eindring-)Tiefe der Degradation eingestellt wird.
Aus B. Dolezel, Die Beständigkeit von Kunststoffen und Gummi, Hanser, München, 1978; N. Grassie and G. Scott, Polymer Degradation and Stabilization, Cambridge University Press, Cambridge, 1988; H.H.G. Jellinek, Aspects of Degradation and Stabilization of Polymers, Elsevier, Amsterdam, 1978 geht hervor, dass Degradation Ab- oder Umbau von Polymeren bezüglich ihrer chemischen und morphologischen Struktur meist unter äußeren Einflüssen wie z. B. kurzwelligem UV-Licht in der freien Umwelt oder hohen Temperaturen etwa bei der industriellen Verarbeitung bedeutet. Dabei kann es zu einer Spaltung der Hauptketten eines thermoplastischen Kunststoffs bzw. der Abspaltung von Seitenketten kommen bzw. zu einer Vernetzung von Ketten. Häufig laufen die konkurrierenden Prozesse Kettenspaltung und -vernetzung parallel zueinander mit verschiedener Geschwindigkeit ab. Eine überwiegende Hauptkettenspaltung führt zu einer Verringerung des Molekulargewichts, eine vorrangige Vernetzung hingegen zu einer Zunahme des Molekulargewichts oder zur Bildung eines unlöslichen Gels. Ein Spezialfall der Polymer-Degradation ist die Depolymerisation. Hierbei wird das Polymer von den Enden der Molekülketten her durch fortlaufende Abspaltung seines Monomers sukzessive abgebaut. Ein geringeres Molekulargewicht eines amorphen Thermoplasten hat die Änderung thermomechanischer Kenngrößen wie zum Beispiel eine sinkende Glasübergangstemperatur zur Folge.
Mit wenigen Ausnahmen, z. B. in der Abfallwirtschaft oder bei der Elektronenstrahl- und Röntgentiefenlithografie in der Mikrotechnik, ist die Degradation von Polymeren unerwünscht. Allerdings führt eine große Zahl von natürlichen oder technischen Prozessen zu einer solchen Degradation, insbesondere
– die photolytische Degradation (Photodegradation, Photolyse),
– die Degradation durch ionisierende Strahlung, d. h. durch kurzwelliges Licht in Form von UV- und Röntgenstrahlung (Photodegradation) oder durch Teilchenstrahlung in Gestalt von Elektronen- und Innenstrahlung,
– die thermolytische Degradation (Thermolyse) und die pyrolytische Degradation (Pyrolyse) (siehe Zersetzungsbereich eines Polymers),
– die mechanische Degradation,
– die oxidative Degradation (Autooxidation),
– die hydrolytische Degradation (Hydrolyse), – die chemische Degradation (Einwirkung gasförmiger oder flüssiger Chemikalien) und
– die Biodegradation.
Darüber hinaus sind gemischte Degradationsformen bekannt wie Photooxidation (Photolyse in sauerstoffhaltiger Atmosphäre) oder Thermooxidation (Thermolyse in sauerstoffhaltiger Atmosphäre).
Im ersten Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens werden die zu verbindenden polymeren Fügepartner bereitgestellt und im zweiten Verfahrensschritt b) an ihren Fügeflächen oberflächennah derart degradiert, dass bei einem amorphen thermoplastischen Polymer die Glasübergangstemperatur (Erweichungstemperatur) in der Nähe der Oberfläche gegenüber der Glasübergangstemperatur des darunterliegenden restlichen, nicht degradierten bzw. unveränderten Ausgangsmaterials der polymeren Struktur verringert ist. Dabei werden die Parameter des Verfahrensschritts b) bezüglich Stärke und Tiefe der Degradation so ausgewählt, dass die Schicht mit der verringerten Glasüber gangstemperatur von der Fügefläche bis zu mindestens einer Tiefe reicht, die die für das Schweißen oder Heißsiegeln im dritten Verfahrensschritt c) notwendige Diffusion von Makromolekülen des Polymers erlaubt.
Die Parameter werden weiterhin so ausgewählt, dass die Glasübertemperatur in dieser Schicht mindestens auf eine Temperatur abgesenkt ist, bei der das nicht degradierte Material unter dem Fügedruck des dritten Verfahrensschritts c) noch formstabil ist. Formstabilität ist bei amorphen Thermoplasten ungefähr unter der Temperatur, die den Beginn des Glasübergangsbereichs kennzeichnet, gegeben. Sie liegt typischerweise etwa 20 K unter der Glasübergangstemperatur. In der Regel ist es notwendig, die Glasübergangstemperatur sogar noch weiter abzusenken, da die für das Schweißen oder Heißsiegeln notwendige Diffusion von Makromolekülen erst im Fließbereich des Polymers oberhalb des Glasübergangsbereichs richtig bzw. zügig abläuft. Weiter wird bei der Wahl der Tiefe der Degradation zum einen die Größenordnung der sich auf dem Fügepartner befindlichen und zu schützenden Mikrostrukturen bzw. -details berücksichtigt. Zum anderen wird die Größenordnung der nicht anders, z. B. durch den hohen Druck eines weichen Druckkissens im dritten Verfahrensschritt c), zu überbrückenden, aus Rauigkeiten, Ebenheits- und Planparallelitätsfehlern resultierenden Abständen zwischen den Fügeflächen berücksichtigt.
Eine unter Vakuum oder an Luft überwiegend als Vernetzung ablaufende Degradation kann unter einer Atmosphäre aus Gemischen von Reaktiv- und Inertgasen bei verschiedenen Partialdrücken vorwiegend als Kettenspaltung laufen. So kann bei der Photolyse durch eine monomerhaltige Atmosphäre zwischen UV-Strahler und Polymer, wobei diese Atmosphäre durch Permeation auch in der oberflächennahen Schicht des Polymers vorhanden ist, die einer Kettenspaltung folgende Vernetzung durch eine Termination unterdrückt werden. Dabei kann das Monomer durch die UV-Strahlung angeregt bzw. aktiviert, ionisiert oder in Radikale aufgespalten vorliegen.
Im Gegensatz zu den nichtvernetzten Thermoplasten (amorph und teilkristallin) sind die schwachvernetzten Elastomere und die stark vernetzten Duroplaste (Duromere) grundsätzlich nicht selbst bzw. direkt schweiß- oder siegelbar. Prinzipiell kann durch Degradation in Form einer überwiegenden Kettenspaltung auch in Elastomeren und Duroplasten oberflächennah eine nicht mehr oder gegebenenfalls nur noch partiell vernetzte und daher schweiß- oder siegelbare Schicht erzeugt werden.
Photolytische Degradation kann z. B. durch UV-Bestrahlung verwirklicht werden. Bekannte UV-Strahler bzw. -strahlungsquellen sind unter anderem (dotierte) Hg-Dampflampen, Gasentladungslampen, Hohlkathodenlampen, Excimer-Laser, Edelgas-Innenlaser, frequenzvervielfachte, sichtbare Laserstrahlung emittierende Laser wie frequenzverdoppelte Farbstofflaser oder Synchrotron-Strahlungsquellen.
Stärke und Tiefe der Photodegradation hängt für ein Polymer mit einer bestimmten spektralen Absorption (des unbestrahlten Materials) von der spektralen Intensität der Strahlung und der Dauer der Bestrahlung ab, wobei die Absorption selbst von der Intensität und der Dauer abhängt. Darüber hinaus hängen die Degradation und deren Fortschreiten von der das Polymer umgebenden bzw. im Polymer gelösten Gasatmosphäre ab. Im Falle von Polymethylmethacrylat (PMMA) muss beispielsweise bei einer Bestrahlung unter Vakuum gegenüber einer unter Luft die Bestrahlungsdauer für die gleiche Absenkung der Glasübergangstemperatur auf das bis zu vierfache angehoben werden. Allerdings wird bei der Degradation ohne den Sauerstoff der Luft und das Ozon oberflächennah im Polymer auch weniger Sauerstoff zum Beispiel in OH-Gruppen gebunden. Die inerten und reaktiven Gase der Gasatmosphäre können die Strahlung auf dem Weg zur Polymeroberflä che absorbieren und dabei selbst ionisiert werden oder Radikale ausbilden.
Die Degradation ist darüber hinaus von weiteren Größen wie der Temperatur abhängig. Durch eine Erhöhung der Temperatur über die Dauer der Bestrahlung kann die so genannte Quantenausbeute, d. h. das Verhältnis der Zahl chemisch umgewandelter Moleküle (z. B. bezogen auf die Kettenspaltung) zur Zahl der absorbierten Lichtquanten, deutlich erhöht und somit die Bestrahlungsdauer vermindert werden.
Wird im Polymer die die Glasübergangstemperatur absenkende Strahlung überwiegend in einem Spektralbereich hoher (niedriger) Absorption, kleiner (großer) Absorptionslänge bzw. optischer Eindringtiefe absorbiert, wird die Degradationstiefe und damit die Dicke der Oberflächenschicht mit erniedrigter Glasübergangstemperatur verringert (vergrößert). Bei Wellenlängen am unteren Ende des Vakuum-UV bzw. am oberen Ende des Röntgen-UV (weiche Röntgenstrahlung), also bei etwa 10 nm, ist die Eindringtiefe in Polymere im Allgemeinen von einer Größenordnung von 10-100 μm, also in der Regel eher zu groß. Bei Wellenlängen im Bereich der maximalen Absorption von z. B. PMMA am unteren Ende des UV-C, d. h. bei etwa 200-220 nm, ist die Eindringtiefe in PMMA von einer Größenordnung von 0,1 μm, also in der Regel eher zu klein. Bei einer Wellenlänge von etwa 240 nm dagegen ist die Eindringtiefe in PMMA von der richtigen Größenordnung von 1 μm.
Neben dem Spektrum kann die Degradationstiefe auch über den Winkel der einfallenden Strahlung zur Oberfläche des polymeren Fügepartners eingestellt werden. Als Funktion des Verhältnisses der Brechzahlen der Bestrahlungsatmosphäre und des Polymers werden mit kleineren Einfallswinkeln als 90° die Degradationstiefen geringer.
Mittels Kaltspiegeln, die nur die kurzwelligen UV-Anteile der Strahlung bzw. Kaltlicht auf die Probe reflektieren, die langwelligen IR-Anteile bzw. Wärmestrahlung jedoch vorbei an der Probe durch den Spiegel transmittieren, kann die Wärmebelastung der Probe vermindert werden. Das ist speziell auch bei Verwendung einer Photomaske wichtig.
Durch das Absorbermuster einer Photomaske lassen sich laterale Bereiche von der Degradation ausblenden. Für den tiefen UV-Bereich eignen sich hierbei vorzugsweise Masken mit Chromabsorbern auf einem UV-transparenten Quarzglas- (SiO₂) oder Flussspatträger (CaF).
Thermolytische Degradation kann durch Wärmeeintrag über Konduktion bzw. Wärmeleitung z. B. mittels heißer Walze (Abrollen relativ zur Polymeroberfläche), Konvektion bzw. Wärmeströmung z. B. mittels heißer inerter Gase (Anströmen der Polymeroberfläche) oder Flüssigkeiten bzw. Schmelzen (Eintauchen der Polymeroberfläche, Prinzip Schwalllöten) oder Wärmestrahlung (z. B. mittels evaneszentem Feld von IR-Strahlen) verwirklicht werden.
Eine kombinierte Photo-/Thermolyse von Polymeren lässt sich durch leistungsstarke Lichtquellen (Laser) im fernen UV unteroder oberhalb der Ablationsschwelle (z. B. durch Laserablation von Polymeren mit Excimer-Lasern) realisieren.
Mechanische Degradation kann z. B. durch Beaufschlagung mit Ultra- oder Megaschall über ein flüssiges Koppelmedium oder eine Sonotrode realisiert werden, hydrolytische Degradation durch überhitzten Wasserdampf.
Im dritten Verfahrensschritt c) werden die an ihren Fügeflächen oberflächennah degradierten Fügepartner unter Wärme und Druck zusammengefügt. Hierbei liegt die Fügetemperatur oberhalb der abgesenkten Erweichungstemperatur (Glasübergangstemperatur) der degradierten Schicht an der Oberfläche der Polymerstruktur und unterhalb der Erweichungstemperatur (Glasübergangstemperatur) des darunter liegenden restlichen, nicht degradierten Fügepartners mit den gegebenenfalls darin enthaltenen Mikrostrukturen. Im Fall von zwei Fügepartnern aus identischen oder mischbaren Kunststoffen liegt dann eine echte Schweißverbindung vor, im Fall von Fügepartnern aus verschiedenen, nicht mischbaren Kunststoffen bzw. einem Kunststoff und einem Nichtkunststoff eine Heißsiegelverbindung.
Gemäß Verfahrensschritt d) können die verbundenen Fügepartner abschließend entnommen werden. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird Verband aus den Fügepartnern nach dem Zusammenfügen, d.h. vor, während oder nach Verfahrensschritt d), in eine Flüssigkeit (auch Gemisch oder Lösung) oder eine Gasatmosphäre aus Reaktiv- und/oder Inertgasen eingebracht. Dadurch lässt sich die zuvor erniedrigte Erweichungstemperatur wieder anheben, zum Beispiel auf die Erweichungstemperatur des restlichen, nicht degradierten Polymers. Im Falle von PMMA ist hierfür beispielsweise eine Brom-Hexan-Lösung, in die der Verbund eingebracht wird, geeignet.
Bekannte Schweißverfahren, welche im dritten Verfahrensschritt c) Anwendung finden können, sind insbesondere
– das indirekte Heizelementwärmekontaktschweißen unter einer Thermode oder zwischen zwei Backen einer beheizten Presse,
– das Hochfrequenzschweißen in einer Mikrowelle,
– das Ultraschallschweißen unter einer Sonotrode und
– das Laserdurchstrahlschweißen im nahen IR-Bereich, mit z. B. einem CO₂-Laser.
Das Heizelementwärmekontaktschweißen ist hierbei wegen seiner einfachen Durchführbarkeit zu bevorzugen. Im Gegensatz zum Heizelementwärmekontakt- und Hochfrequenzschweißen sind das Ultraschall- und Laserdurchstrahlschweißen tiefenselektiv, d.h.
zusätzlich zur lokalen Glasübergangstemperaturabsenkung bewirken sie eine, hier aber eigentlich nicht notwendige, lokale Wärmeeinbringung.
Weniger vorteilhaft ist es, an Stelle des thermischen Schweißens im zweiten Verfahrensschritt das Lösungsmittelschweißen einzusetzen. Die oberflächennahen Makromoleküle zeigen gegenüber den darunter liegenden Makromolekülen neben einer erhöhten Beweglichkeit unter Wärmeeinfluss jedoch auch eine erhöhte Beweglichkeit unter Lösungsmitteleinwirkung.
Folgt Verfahrensschritt c) unmittelbar auf Verfahrensschritt b), kann zusätzlich zur thermischen Mobilität gegebenenfalls noch von einer durch Quellung des Polymers mit seinen eigenen stark niedermolekularen Spaltprodukten (z. B. Monomere und niedere Oligomere) erhöhten Mobilität profitiert werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass über die Stärke und Tiefe der Degradation die Dicke der Schicht bestimmt werden kann, die sich beim Zusammenfügen der Fügepartner bei einer bestimmten Höhe und Dauer von Temperatur und Druck verformen kann. So wird einerseits erreicht, dass unerwünschte Unebenheiten der Fügepartner, die bei der Herstellung der Fügepartner entstanden sind, bei der Verbindung eingeebnet werden und so die Fügepartner über ihre Fügeflächen vollständig in Kontakt kommen können. Andererseits wird verhindert, dass in oder auf den Fügepartnern vorhandene Mikrostrukturen über ein tolerierbares Maß hinaus verformt werden. So ist es z. B. möglich, Unebenheiten auf der Oberfläche der Fügepartner mit einer Höhe von bis zu 1 μm einzuebnen und dabei Mikrokanäle mit einer Tiefe von 10 μm kaum zu deformieren. Die oberflächennah degradierte Schicht wird vorzugsweise von der Fügefläche bis in eine Tiefe zwischen 10 nm und 1 mm, bevorzugt zwischen 100 nm und 100 μm und besonders bevorzugt zwischen 1 μm und 10 μm eingestellt.
Weiter besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung auch darin, dass die Erniedrigung der Erweichungstemperatur stufenlos und dies teilweise, z. B. bei der Photodegradation von PMMA, bis in die Nähe der Raumtemperatur eingestellt werden kann. Dadurch kann zum einen der Fakt berücksichtigt werden, dass die Einsatztemperatur des Fügepartnerverbunds unter Belastung nicht höher als die Fügetemperatur der Fügepartner liegen kann und daher letztere eher hoch zu wählen ist. Zum anderen kann der Fall berücksichtigt werden, dass Mikrokavitäten vor ihrer Deckelung mit temperaturempfindlichen organischen Substanzen beschichtet wurden und daher die Fügetemperatur eher niedriger zu wählen ist.
Schließlich besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung auch darin, dass über den Einsatz von Masken die Degradation der Schicht strukturiert erfolgen kann.
Das Evakuieren der Fügepresse und somit des Volumens zwischen den Fügepartnern vor deren Zusammenpressen verhindert unerwünschte Lufteinschlüsse zwischen den Fügeflächen. Lufteinschlüsse lassen sich auch durch ein spezielles Design der Fügepartner und durch ein Zusammenpressen der Fügepartner, bei dem diese aufeinander abgerollt werden und damit die Luft zwischen den Fügeflächen definiert verdrängt wird, vermeiden.
Durch Degradation nicht nur der Seiten der Fügeflächen, sondern auch der gegenüberliegenden Seiten der Fügepartner, können Verzüge bzw. Durchbiegungen der verbundenen bzw. der unverbundenen Fügepartner vermieden werden. Durch Degradation nur der Seiten der Fügeflächen entsteht ein Bimorph mit inneren Zugspannungen durch Volumenschrumpf bzw. -schwindung der dünnen degradierten Schicht. Weiter können dadurch aus noch rauen, matten Oberflächen auf den den Fügeflächen gegenüberliegenden Seiten vor dem Verbinden der Fügepartner glatte, glänzende Oberflächen nach dem Verbinden über den Andruck der spiegelnden Backen einer beheizten Presse erhalten werden. Die rauen Oberflächen können z. B. von der zur Übertragung der Entformkräfte beim Heißprägen rauen Substratplatte herrühren. Glatte, glänzende Oberflächen lassen sich auf dem Grund vertiefter Mikrostrukturen auf den bestrahlten Seiten der Fügeflächen auch ohne Andruck von Pressenbacken allein über die wirksame Oberflächenspannung des Polymers nach Überschreiten seiner Glasübergangstemperatur erhalten. Schließlich können z. B. sich mit jedem Fügepartnerverbund ändernde und deswegen noch nicht in einem Spritzgießwerkzeug integrierte Details auf den den Fügeflächen der Fügepartner gegenüberliegenden Seiten wie etwa fortlaufende hochzuzählende Seriennummern mit Thermoden schonend und definiert eingeprägt werden.
Für das Verbinden oder Beschichten von polymeren Fügepartnern und auch das dem Verbinden derselben vorausgehende Reinigen der Fügeflächen ist eine größere Zahl an Verfahren bekannt, die auf einer Plasmabehandlung der Fügeflächen, wie z. B in der DE 198 10 680 A1 und der DE 101 46 295 A1 beschrieben, bzw. einer UV-Bestrahlung der Fügeflächen unter Vakuum oder einer Atmosphäre aus Reaktiv- und/oder Inertgasgemischen, wie z. B. in der DE 41 13 523 A1 beschrieben, basieren. Moleküle der Gasgemische können dabei durch die UV-Strahlung angeregt, ionisiert oder in Radikale aufgespalten vorliegen. Die Verbindungsverfahren gründen sich im Wesentlichen auf die Bildung freier Radikale an der unmittelbaren Polymeroberfläche oder eine weitergehende chemische Modifizierung der Oberfläche beispielsweise durch das Anbinden reaktiver und/oder polarer Gruppen.
Wie z. B. in der US 6,126,776 A beschrieben, ist dabei, im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verbindungsverfahren, eine nennenswerte Degradation bzw. Depolymerisation des Polymers unerwünscht und durch entsprechende Wahl der Verfahrensparameter zu vermeiden. Die Verbindung der Fügepartner kommt über Atombin dungen bzw. zwischenmolekulare Kräfte an der Grenzfläche zwischen den sich berührenden Fügepartnern zustande. Eine breitere Diffusionszone bei sich auflösender Grenzfläche zwischen Fügepartnern aus identischen oder mischbaren Kunststoffen entsteht hierbei, im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren, nicht. Ebenso entsteht hierbei, auch im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren, kein Formschluss zwischen dem aufgeschmolzenen Kunststoff eines ersten Fügepartners und der rauen Oberfläche eines zweiten Fügepartners, welcher mit dem ersten nicht identisch oder mischbar ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Fügepartner zwischen der Degradation im Verfahrensschritt b) und dem Fügen unter Wärme und Druck im Verfahrensschritt c) eine mehr oder weniger beliebig lange Zeit zum Beispiel in einem Zwischenlager liegen kann. Dies steht im Gegensatz zu beispielsweise plasmabasierten Verbindungsverfahren mit kurzlebigen freien Radikalen. Dort muss in er Regel unverzüglich nach der Plasmabehandlung gefügt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von acht Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Im ersten Ausführungsbeispiel werden CE-Strukturen aus PMMA mit Kanälen mit einer Breite und einer Tiefe von jeweils 100 μm und mit Reservoirs durch Heißprägen einer Platte hergestellt. Ein zugehöriger Deckel ebenfalls aus PMMA wird durch Bohren einer Platte gefertigt. Die mit CE-Strukturen versehene Platte auf ihrer strukturierten Seite und der Deckel werden mit UV-C-Licht aus einem Kaltlichtstrahler bei 240 nm mit einer Leistung von 2,4 mW/cm² für ca. 0,5 h, also mit einer Energie(dosis) von 4,3 J/cm² bestrahlt. Die mikrostrukturierte Platte und der Deckel werden in eine heizbare und evakuierbare Presse eingelegt, wobei die bestrahlte Seite des Deckels auf der bestrahlten Seite der Platte liegt und dabei durch integrierte Führungen die Bohrungen über den Reservoirs zu liegen kommen. Die Presse wird evakuiert, auf 30 bar zugefahren und auf 80°C aufgeheizt. Nach 5 min wird die Presse abgekühlt und bei 40°C aufgefahren und die mit dem Deckel verbundene mikrostrukturierte Platte bzw, das CE-Chip entnommen. Bei Versuchen mit eingefärbtem Wasser zeigen sich die gedeckelten fluidischen Strukturen gleichmäßig durchgängig und dicht. Bei Untersuchungen von Kanalquerschnitten im Rasterelektronenmikroskop zeigt sich, dass die Querschnitte formgetreu und maßhaltig sowie ohne verbliebene Fügespalte sind.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wird statt der mikrostrukturierten Platte und dem Deckel nur der Deckel bestrahlt. Ansonsten ist das zweite mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch.
Im dritten Ausführungsbeispiel besitzen die mikrostrukturierte Platte und der Deckel zusätzlich jeweils 200 nm dicke Dünnschichtelektroden aus Gold. Ansonsten ist das dritte mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch.
Im vierten Ausführungsbeispiel wird für die Röntgentiefenlithografie ein 100 μm dickes, bestrahltes Resistplättchen aus PMMA mit einem Wafer aus Aluminiumoxidkeramik über eine auf diesem befindliche 3 μm dicke, mikroraue Schicht aus nasschemisch oxidiertem Titan verbunden. Ansonsten ist das vierte mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch. Mit der Notwendigkeit der Klebung des Plättchens entfällt auch die Notwendigkeit einer Randbestrahlung zur Entfernung von Klebstoff, der aus der Klebefuge zwischen Plättchen und Substrat ausgetreten ist.
Im fünften Ausführungsbeispiel werden spritzgegossene Ventilgehäusehälften aus PMMA und eine durch Aufschleudern oder Gießen zwischen Platten hergestellte Ventilmembran aus PMMA miteinander verbunden. Durch Verwendung einer Photomaske werden auf den Gehäusehälften und auf der Membran die Bereiche der Ventilkammereinfassungen bestrahlt, die Ventilsitzbereiche aber nicht. Dadurch wird die Membran mit den Ventilkammereinfassungen verschweißt, nicht jedoch mit den Ventilsitzen. Ansonsten ist das fünfte mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch. Bei einem gewissen Volumenschrumpf der bestrahlten Bereiche und nahezu verschwindender Deformationsfähigkeit der nicht bestrahlten Bereiche beim Schweißen wird ein ausreichender Anpressdruck in den bestrahlten Bereichen durch ein weiches Druckkissen oder ein strukturiertes Werkzeug, welches nur in den bestrahlten Bereichen unterstützt, erreicht.
Im sechsten Ausführungsbeispiel werden 50 mit Mikrokanalstrukturen versehene, spritzgegossene, quadratische dünne Plättchen aus PMMA zu einem Mikrowärmetauscher verbunden. Die Plättchen werden beidseitig bestrahlt, anschließend um jeweils 90° zueinander verdreht aufeinander gestapelt und schließlich alle auf einmal verbunden. Ansonsten ist das sechste mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch.
Im siebten Ausführungsbeispiel sind die Plättchen statt aus PMMA aus Polyalphamethylstyrol. Ansonsten ist bis auf die Bestrahlungsdosis und die Fügetemperatur das siebte mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch.
Im achten Ausführungsbeispiel sind die Plättchen statt aus PMMA aus Polyoxymethylen (Polyacetal). Ansonsten ist bis auf die Bestrahlungsdosis und die Fügetemperatur das achte mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch.

Claims

Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern, von denen mindestens einer aus einem Polymer besteht, mit den Verfahrensschritten: a) Bereitstellen eines ersten Fügepartners, der aus einem Polymer besteht, b) Degradation des Polymers innerhalb mindestens einer oberflächennahen Schicht im ersten Fügepartner, c) Zusammenfügen des ersten Fügepartners jeweils an der degradierten oberflächennahen Schicht mit einem weiteren Fügepartner bei einer Temperatur, die oberhalb der Erweichungstemperatur des degradierten Polymers und unterhalb der Erweichungstemperatur des nicht degradierten Polymers liegt, und unter Druck, d) Entnehmen des Verbunds aus Fügepartnern.
Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der oberflächennahen Schicht zwischen 10 nm und 1 mm, bevorzugt zwischen 100 nm und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 1 μm und 10 μm beträgt.
Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner aus dem gleichen Polymer bestehen.
Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Fügepartner im Bereich der Fügefläche strukturiert ist.
Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Degradation des Polymers mittels einer Maske auf einen Teil des Fügepartners aus Polymer beschränkt wird.
Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Degradation des Polymers photolytisch und/oder thermolytisch und/oder mechanisch und/oder chemisch erfolgt.
Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Degradation des Polymers in einer Flüssigkeit oder unter einer Gasatmosphäre erfolgt.
Verfahren zum Verbinden von Fügepartnern nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus Fügepartnern nach dem Zusammenfügen in eine Flüssigkeit oder eine Gasatmosphäre eingebracht wird.