DE1629232C

DE1629232C - Process for improving the adhesive strength of parts made of polymeric plastics that are glued together

Info

Publication number: DE1629232C
Authority: DE
Inventors: Ralph Holm Short Hills Schonhorn Harold New Providence N J Hansen (V St A) B29f3 02
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Publication date: 1972-08-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Klebfestigkeit von miteinander verklebten Teilen aus polymeren Kunststoffen, insbesondere einem Kohlenwasserstoff-, Fluorkohlenstoff- oder Polyamid-Polymerisat, bei dem die Kunststoffteile vor dem Verkleben mit mindestens einem durch elektrische Entladung angeregten, inerten (Jas beaufschlagt werden.The invention relates to a method for improving the adhesive strength of stuck together Parts made of polymer plastics, especially a hydrocarbon, fluorocarbon or Polyamide polymer in which the plastic parts are electrically connected to at least one before gluing Discharge excited, inert (yes be acted upon.

Fs ist bekannt, daß sich polymere Kunststoffe, insbesondere solcher der vorgenannten Art, ohne vorangehende Veränderung der dem Herstellungs-/ustand entsprechenden Oberflächenstruktur, z. H. durch Oxydation, Entlluorisierung od. dgl., die Bildung einer stoffschlüssigen Verbindung unter Verwendung der handelsüblichen Klebstoffe im allgemeinen nicht zulassen. Andererseits führt die als Vorbereitung für das Verkleben durchgeführte Oberflächenveränderung oft zu einer Beeinträchtigung bestimmter erwünschter Eigenschaften der Kunststoffe, so daß die an sich vorteilhafte Klebtechnik für manche Anwendimgsfälle im Bereich der Kunststoffe bisher nicht in Betracht kam.It is known that polymeric plastics, in particular those of the aforementioned type, can be used without previous change in the manufacturing status corresponding surface structure, e.g. H. by oxidation, denaturation or the like, the formation a material bond using commercially available adhesives in general not allow. On the other hand, the surface change carried out in preparation for gluing leads to the result often to an impairment of certain desired properties of the plastics, so that the adhesive technology, which is advantageous per se, has so far been used for some applications in the field of plastics was out of the question.

Im einzelnen ist bereits ein Verfahren der eingangs erwähnten Art bekanntgeworden (britische Patentschrift 'WS 807), welches auf der Behandlung von Kunststoffoberllächen mit durch eine Koronaentladung hoch angeregten bzw. ionisierten Gasen zur Vorbereitung des Verklebens beruht. Hingehende Untersuchungen haben jedoch erwiesen, daß durch die Einwirkung der in einem hohen Anregungszustand befindlichen oder sogar ionisierten Gasmoleküle bzw. Gasatome auf den Kunststoff ebenfalls wichtige Materialeigenschaften, insbesondere die Benetzungsfähigkeit, nachteilig beeinflußt werden, während andererseits eine Verbesserung der Klebfestigkeit, die wesentlich über das mit chemischen Vorbehandlungsnicthoden erzielbare hinausgeht, durchweg nicht feststellbar ist.A method of the type mentioned at the beginning has already become known in detail (British patent specification 'WS 807), which is based on the treatment of Plastic surfaces with gases that are highly excited or ionized by a corona discharge Preparation of gluing is based. In-depth studies have shown that through the effect of the highly excited or even ionized gas molecules or Gas atoms on the plastic are also important material properties, in particular the wettability, are adversely affected, while on the other hand an improvement in the adhesive strength, which is essentially about the chemical pretreatment method achievable goes beyond, is consistently undetectable.

Der Erfindung ist daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Vorbehandlung von Kunststoffen für die Verklebung zu schaffen, welches im Vergleich zu den bekannten Verfahren eine Verbesserung des Verhältnisses der Klebfestigkeit zu dem Grad der Erhaltung der wesentlichen Oherflächen-Materialeigcnschaften ermöglicht, d. h. bei gleicher Klebfcstigkeit eine verminderte Beeinträchtigung dieser Eigenschaften bzw. bei erhöhter Klebfestigkeit einen mit den bisherigen Verfahren vergleichbaren Erhaltimgsgrad dieser Eigenschaften.The invention is therefore the task of a method for the pretreatment of plastics for to create the bond, which compared to the known method an improvement in the ratio the adhesive strength to the degree to which the essential surface material properties are retained enables, d. H. with the same adhesive strength, a reduced impairment of these properties or in the case of increased adhesive strength, a degree of preservation comparable to that of previous processes these properties.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß der Kunststoff vor dem Klebstoffauftragen mit durch elektrische Glimmentladung bei unteratmosphärischem Druck angeregtem, inertem Gas mindestens 1 Sekunde lang beaufschlagt wird.The inventive solution to this problem characterizes in a method of the type mentioned in that the plastic before Applying the adhesive with an electric glow discharge at subatmospheric pressure, inert gas is applied for at least 1 second.

Eingehende experimentelle Nachprüfungen haben ge/eigt, daß bei einer solchen Behandlung des Kunststoffes mit durch Glimmentladung angeregten, inerten Ciaseii im Gegensat/, sowohl zu den bekannten chemischen Behandlungsverfahren wie auch zu dem bekannten Verfallen mit Behandlung durch Korona angeregten Gasen eine wesentlich bessere Erhaltung wichtiger Oberilächen-Materialeigenschaften, insbesondere der kritischen Benet/ungs-Oberflächenspunnunj!, erreicht werden kann, während sich andererseits sogar noch höhere Klebfestigkeilen eigeben, insbesondre wesentlich höhere Werte der Zug-Scherfestigkeit der Klebverbindung. Dabei läßt sich in vielen Fällen auch eine bessere Erhaltung der elektrischen Kennwerte des Kunststoffes feststellen. Als Klebstoffe kommen außer Epoxydharzklebern die üblichen Klebstoffe auf der Basis von Polyamiden, Silikonen, Polysulliden u. dgl. in Betracht.Thorough experimental checks have shown that such a treatment of the plastic with inert Ciaseii excited by glow discharge, in contrast to the well-known chemical ones Treatment method as well as the known decay with treatment by corona excited gases a much better preservation of important surface material properties, in particular the critical wetting surface area! can be achieved, while on the other hand there are even higher adhesive strength wedges, in particular, significantly higher values of the tensile shear strength of the bonded joint. It can be in many cases also find a better preservation of the electrical characteristics of the plastic. When In addition to epoxy resin adhesives, there are the usual adhesives based on polyamides, Silicones, polysullides and the like can be considered.

Die Erfindung wird nun an Hand tier Zeichnung, tue eine beispielhafte Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung zeigt, näher erläutert.The invention will now be based on animal drawings, do an exemplary system for executing the shows method according to the invention in a schematic representation, explained in more detail.

Die Erfindung kann z. B. auf solche Kunststoffe der eingangs genannten Art angewendet werden, die schwache Grenzschichten aufweisen und daher keine hochfesten Klebverbindungen bilden können. Zur Anwendung des erfindungsgeniäßen Verfahrens geeignete Kunststoffe sind z. B. Polyäthylen, Superpolyamide, Tetralliioräthylen, Polyvinylfluorid 11. dgl. Es kann ein handelsüblicher Epoxydharzkleber verwendet werden. Zur Erzielung hoher Festigkeitswerte der Klebverbindung muß der Klebstoff jedoch ausreichende Benetzungsfähigkeit für den verwendeten Kunststoff besitzen und sollte z. B.,eine Oberflächenspannung von weniger als 50 dyn/cm aufweisen. Um Substanzen mit einer höheren Oberflächenspannung verwenden zu können, empfiehlt sich die Benutzung eines Netzmittels, welches die Oberflächenspannung auf einen geeigneten Wert herabsetzt. Ein speziell geeigneter Klebstoff besteht z. B. aus einer Mischung von Diglycidyläther von Bisphenol A und Diäthylaminopropylamin. The invention can e.g. B. be applied to such plastics of the type mentioned that have weak boundary layers and therefore cannot form high-strength adhesive bonds. To the Use of the process according to the invention suitable plastics are, for. B. polyethylene, super polyamides, Tetralliioräthylen, polyvinyl fluoride 11. The like. A commercially available epoxy resin adhesive can be used. To achieve high strength values However, the adhesive must have sufficient wettability for the adhesive used Own plastic and should z. B. have a surface tension of less than 50 dynes / cm. Around We recommend using substances with a higher surface tension a wetting agent which lowers the surface tension to a suitable value. A special one suitable adhesive consists e.g. B. from a mixture of diglycidyl ether of bisphenol A and diethylaminopropylamine.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Anlage wird ein inertes Gas von einem Druckbehälter 11 über einen Mengenmesser 12 und ein Nadelventil 13 einer Vorrichtung zur elektrischen Anregung des Gases zugeführt. Dies ist im Beispielsfall eine elektrische Gas-, entladungsanlage und besteht aus einem Rohr 14 aus Borsilikatglas mit einer Wicklung 19 zur induktiven Einkopplung eines elektrischen Wechselfeldes. Die Wicklung 19 wird von einem Hochfrequenzgenerator 18 etwa mit einer Wechselspannung von 105 bis 125 Volt gespeist. Ein veränderlicher Kondensator 20 dient zur Einstellung der Arbeitsfrequenz auf einen maximale Energieübertragung auf das Gas ergebenden Wert. Das angeregte Gas strömt dann in ein Behandlungsgefäß 16 und beaufschlagt hier ein Kunststoffteil 15. Das verbrauchte Gas wird über eine Vakuumpumpe 17 abgesaugt.In the system shown in the drawing, an inert gas is from a pressure vessel 11 via a Flow meter 12 and a needle valve 13 are supplied to a device for electrical excitation of the gas. In the example, this is an electrical gas discharge system and consists of a tube 14 Borosilicate glass with a winding 19 for the inductive coupling of an alternating electrical field. the Winding 19 is from a high frequency generator 18 with an alternating voltage of about 105 to Powered by 125 volts. A variable capacitor 20 is used to adjust the operating frequency to one maximum energy transfer to the gas resulting value. The excited gas then flows into a treatment vessel 16 and acts here on a plastic part 15. The used gas is via a vacuum pump 17 sucked off.

Vor dem Einsetzen in das Behandlungsgefäß 16 wird der Kunststoff zur ,Beseitigung von Oberflächenverunreinigungen mit einem üblichen Lösungsmittel behandelt. Dann wird die Anlage durch die Pumpe 17 auf einen Druck in der Größenordnung von 0,1 mm Quecksilbersäule evakuiert. Sodann wird das inerte Gas mit einer der Pumpkapazität entsprechenden Geschwindigkeit unter Aufrechterhaltung eines Partialdruckes von etwa 1 mm Quecksilbersäule zugeführt. Unter inertem Gas im Sinne der Erfindung sind alle gasförmigen Stoffe zu verstehen, die unter gewöhnlichen Umständen mit dem jeweiligen Kunststoff nicht reagieren und in angeregtem Zustand versetzbar sind. Edelgase wie Helium, Argon, Neon, Krypton und Xenon sind ebenso geeignet wie Stickstoff und Wasserstoff oder Mischungen der letzteren untereinander oder mit Edelgasen.Before it is inserted into the treatment vessel 16, the plastic is used to remove surface contaminants treated with a common solvent. Then the system is powered by the pump 17 evacuated to a pressure of the order of 0.1 mm of mercury. Then it becomes inert Gas with a speed corresponding to the pumping capacity while maintaining a partial pressure fed by about 1 mm of mercury. Under inert gas within the meaning of the invention to understand all gaseous substances, which under normal circumstances with the respective plastic do not react and can be moved in an excited state. Noble gases such as helium, argon, neon, krypton and xenon are just as suitable as nitrogen and hydrogen or mixtures of the latter with one another or with noble gases.

Cj Die Niederdruck-Gasfüllung des Entladungsrohrs wird durch die im Betrieb sich einstellende Gasentladung, vorzugsweise eine sichtbare Glimmentladung, in stark angeregten Zustand versetzt. Die Einwirkungs-Cj The low pressure gas filling of the discharge tube is caused by the gas discharge that occurs during operation, preferably a visible glow discharge, put in a strongly excited state. The impact

Claims

3 43 4

time of at least 1 second results from reasons of water and drying in a forced air

practical operational management. An upper rotary oven. The connectors were then in

There is no time limit for the treatment, but a desiccator is kept until use,

results in a treatment time of more than 1 minute

in the case of polyethylene and of more than 10 minutes 5 corresponding device a composite

in the case of fluorocarbon polymers no noticeable test piece with aluminum-epoxy resin adhesive-polyethylene-

improvement. In addition, other len epoxy resin adhesive Aliiminiuni compounds from

known (iasentladungseinrichtiingen for excitation "each 1.3 cm overlap was made."

be used, e.g. IJ. Tesla coils and the like by inserting wires with 1.6 · K) " ³ cm diameter

After removal from the treatment device.} And to messer a constant adhesive layer thickness is ensured, suitable determination of the electrical properties. B. a strip of epoxy resin-coated polyethylene was made of a Huorkohlcnstoff- or hydrocarbon poly with a heat treatment at 70 "C for 16 hours, evenly with an epoxy resin adhesive at a contact pressure of 1.41 kp / cm ^2. This also layers and for a period of time sufficient to cure the adhesive, forced air circulation took place at a temperature between the oven at a rate of expansion of 0.25 cm / min, the desired material bond forms

In the following some according to the invention 20 of about 140.6 kg / cm ² at 23 "C.

performed sample tests are described. ,,, "

Experiment II

^ersuc In the case of the remainder of Experiment I, the corresponding

A 2.5-1.6 cm sheet of polyethylene drive was used as the inert gas helium,

Commercial quality was after washing in 25 Here too, the electrical characteristics and the

Acetone and air drying in one of the shown wettability compared to the initial state

Facility similar facility treated. According to Eva- changes. The tensile shear strength of the test piece was

The measurement to 0.1 mm of mercury was 175.8 kg / cm ³ at 23'C.

90 ° / o-10% mixture of helium / hydrogen in one '

Amount of 4 cm ² / min while maintaining a 30 trial

The method according to Experiment I was carried out with a partial pressure of about 1 mm of mercury. After passing through a glow discharge exposure time by the excited gas of purple color at a voltage of 10 minutes applied to polytetrafluoroethylene. The excited gas was 110 volts for 1 second. Subsequently, the initial state were unchanged. The tensile / shear strength electrical data, in particular the surface area, was 10.3 kp / cm ² at 23 ° C.
resistance, and the wettability of the plastic

measure and try as compared to the initial state

found changed. 40 The procedure according to experiment II with a loading

To produce the adhesive, an epoxy impact time of 10 minutes was applied to poly

resin, namely digiycidyl ether of bisphenol A, tetrafluoroethylene applied. With unchanged elec-

turns. The commercially available resin had equivalent characteristics and wettability

A valent epoxy weight of 179, a total tensile shear strength of 70.3 kp / cm ²

Chloride content of less than 0.1 percent by weight 45 at 23 ° C.

and a viscosity of 640OcP at 25 "C. Experiment V

Commercial grade diethylaminopropylamine

was carried out under nitrogen through a 15 cm Vigreux column. The method according to Experiment I was based on poly

distilled and the first fraction removed. The er vinyl fluoride applied. With unchanged identification

held product, boiling point 68 ° C. at 26 mm mercury values resulted in a tensile shear strength of

silver salts, was in a dark container to 175 kp / cm ² at 23 ⁰ C.
preserved. The adhesive was made by mixing

100 parts by weight of the aforementioned resin with 7 Ge Experiment Vl
prepared by weight diethylaminopropylamine. The process according to Experiment I was applied to a mixture, carefully stirred until a uniform polymeric plastic of hexafluoropropylene-tetra-composition was obtained, and fluoroethylene was used immediately. With unchanged Kennauf applied to the plastic surface. This was followed by a tensile shear strength of a temperature treatment of 16 hours at 70.degree. ¹ st, 4 kp / cm ² at 23 ¹ C.

The tensile shear strength of the adhesive bond obtained

Dung was determined as follows: The surface of 60 Experiment VIl

Commercial standard aluminum fittings - The procedure according to Experiment U was carried out on a

quality was achieved by steam treatment in trichloro commercially available super polyamide plastic (nylon)

Ethylene degreased in the usual way and then applied. A tensile shear strength resulted

For 7 minutes at 65 ° C in a solution of 1 (ic- the test piece of 225 kp / cm ³ at 2.VC.

part by weight sodium dichromate and 10 parts by weight 65

95% sulfuric acid in 30 parts by weight of water.

etched. This was followed by 5 minutes of rinsing in 1st method for improving the bond strength

Tap water and 1 minute in flowing distilled parts made of polymeric material that are glued together

Plastics, especially a hydrocarbon, Fluorocarbon or polyamide polymer in which the plastic parts are glued together are exposed to at least one inert gas excited by an electrical discharge, characterized in that the Plastic before the adhesive is applied with by means of an electric glow discharge in the case of subatmospheric Pressurized, inert gas is applied for at least 1 second.

2. The method according to claim 1, characterized in that helium is used as the inert gas will.

3. The method according to claim !, characterized in that the inert gas is a mixture of helium and hydrogen is used.

1 sheet of drawings