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Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes hitzeaktivierbares und faserverstärktes Klebemittel in Form eines Klebebandes bzw. einer Klebefolie insbesondere zum Spleißen von Schleifbändern. Das erfindungsgemäße Spleißmittel erlaubt eine gegenüber bisher bekannten Spleißbändern oder -folien einfachere Handhabung bei gleichzeitiger Sicherstellung einer hervorragenden Materialqualität (Beständigkeit, Haltbarkeit, Biegesteifigkeit, Zugfestigkeit etc.).
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Spleißbänder dienen dem Verbinden des Endes einer Materialeinheit (in der Regel eines Rollenendes) mit dem Anfang einer neuen Materialeinheit (in der Regel dem Anfang einer neuen Rolle) in Form einer Stoßspleißung, einer überlappenden Spleißung oder einer Spleißung für einen fliegenden Rollenwechsel, aber auch Rollenenden werden gespleißt und damit geschlossen. In Abhängigkeit der zu verbindenden Materialien werden unterschiedliche Anforderungen an ein Spleißband gestellt, so z. B. in Bezug auf Soforthaftung, Zugscherfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Nassfestigkeit oder Reißkraft bzw. Reißdehnung. So ist beispielsweise beim Spleißen von Magnetbändern eine hohe Scherfestigkeit bei erhöhten Temperaturen wichtig, während beim Spleißen von Geweben ein hoher Klebstoffauftrag notwendig ist, da die Verankerung des Klebstoffes in der Gewebestruktur erfolgen muss. Bei der in der vorliegenden Anwendung beanspruchten Ausgestaltung eines Endlosschleifbandes sind die unterschiedlichen Anforderungen so hoch, dass ein herkömmliches Haftklebeband sie nicht erfüllen kann.
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Als Trägermaterialien für Spleißbänder kommen in Abhängigkeit von den zu erfüllenden Anforderungen eine Vielzahl der üblicherweise bei Klebebändern verwendeten Materialien in Frage, d. h. Papiere, Folien, Gewebe bzw. Vliese etc. oder Kombinationen daraus. Bei den eingesetzten Klebstoffen sind in der Regel die herkömmlich bekannten Acrylat-, Kautschuk- oder Silikonklebstoffe zu finden, jeweils in Abhängigkeit der für die individuelle Anwendung geforderten Eigenschaften wie z. B. einer sehr hohen Anfangs- und Dauerklebkraft, einer hohen Anfaßklebrigkeit (Tack) und Scherfestigkeit sowie einer möglichst großen Hitze- und Weichmacherbeständigkeit. Je nach vorgesehener Nutzungsdauer ist auch eine gewisse Alterungsbeständigkeit unbedingt notwendig.
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Schleifmittel in Form von Hartstoffkörnern zur Erzielung eines Werkstoffabtrags werden in Abhängigkeit von den zu schleifenden Materialien in einer großen Substratvielfalt hergestellt, z. B. in Form von Schleifpapieren, Schleifgeweben, Schleifbürsten oder auch Schleifscheiben. Allgemeine Anforderungen an Schleifmittel sind neben einem möglichst harten und zähen, natürlichen oder synthetischen Kornwerkstoff zur Erzielung des gewünschten Werkstoffabtrags insbesondere die thermische Beständigkeit des Schleifmittels, das infolge der mit der Schleifarbeit verbundenen Reibung und dadurch gegebenen beträchtlichen Hitzeentwicklung sowohl hohen Bearbeitungstemperaturen als auch schneller Abkühlung nach Ausbleiben der Reibung und somit raschen Temperaturwechseln standhalten muss. Darüberhinaus muss das Schleifmittel chemisch beständig sein, damit auch bei höheren Drücken und Temperaturen im Zusammenwirken mit Luft, Kühlschmierstoffen oder unterschiedlichen Werkstückstoffen keine chemischen Verbindungen entstehen, die das Korn schwächen könnten.
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Schleifbänder sind sowohl aus der industriellen Anwendung als auch aus der allgemeinen Literatur und speziell aus der Patentliteratur bekannt. So geben
EP 0619769 B1 ,
EP 0777555 B1 als auch
EP 0843611 B1 einen umfassenden Überblick über den zum Zeitpunkt der jeweiligen Anmeldung bestehenden Stand der Technik. EP 0619769 B1 beansprucht ein Schichtschleifband mit einem ein organisches, polymeres Bindemittel umfassenden Träger. EP 0777555 B1 beschreibt eine Spleißeinrichtung, bei der mittels eines reaktiven Schmelzpolyurethanklebstoffsystems Fasern als Verstärkung auf der Oberfläche einer polymeren Trägerfolie befestigt werden, die eigentliche Spleißung der beiden freien Enden des Schleifartikels erfolgt mit Hilfe eines nicht näher beschriebenen Spleißklebstoffes. EP 0843611 B1 beansprucht ein Verfahren zur Herstellung eines endlosen Schleifbands unter Verwendung eines endlosen Langfaserverstärkungsmaterials, das mittels eines durch z. B. Wärme- oder Strahlungsenergie ausgehärteten Bindemittelvorläufers auf dem bereits als endlose Schleife vorliegenden Trägermaterial, bevorzugt einem Textil, befestigt wird.
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EP 1294540 B1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines spiralförmig gewickelten Endlos-Schleifbands, wobei mehrere versetzt nebeneinander liegende langgestreckte Bahnmaterialien über eine Klebstoffschicht entlang jeweils einer der Seitenkanten der Bahnmaterialien verbunden werden.
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In
US 5,256,227 wird das Spleißen von Schleifbändern durch Aufbringen einer Klebemitteldispersion aus einem Polyurethan, vorzugsweise einem Polyesterpolyurethan und einem Polyisocyanat-Vernetzer in eine z. B. infolge eines Fräsvorgangs gegenüber dem eigentlichen Schleifband dünnere Stelle am Ende des Bandes und anschließende Aushärtung des Klebstoffes beschrieben.
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DE 2228975 thematisiert die Anwendung eines getrockneten, teilweise gehärteten und durch Wärme z. B. in einer Presse aktivierbaren Polyurethan-Kleberfilms.
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Gegenüber den im Stand der Technik ermittelten Schriften besitzt das erfindungsgemäße Spleißband durch die besonderen Eigenschaften des verwendeten hitzeaktivierbaren Klebstoffes in Verbindung mit den in das Band eingearbeiteten, den Verbund verstärkenden Fasern den Vorteil einer einfacheren und damit auch kostengünstigeren Handhabbarkeit gegenüber bekannten Spleißbändern in diesem Bereich bei gleichzeitiger vollständiger Erfüllung der o. g. Aufgaben eines Spleißbandes für Schleifbänder.
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Hitzeaktivierbare Klebebänder sind in der Literatur vielfach erwähnt und es existieren auch zahlreiche Patentschriften zu diesem Thema. Ein latent reaktiver, hitzeaktivierbarer Klebstoff zur Herstellung semi-struktureller, latent-reaktiver, aber bereits bei Raumtemperatur leicht haftklebriger Klebefolien, die darüber hinaus auch nach ihrer Erwärmung und anschließenden Abkühlung noch für einen gewissen Zeitraum klebrig bleiben, bevor sie langsam endgültig aushärten, ist z. B. in
DE 10 2010 013 145.8 der Anmelderin beschrieben. Basis dieses Klebstoffs ist eine wässrige Dispersion auf Basis Polyesterurethan in Polyetherurethan, wobei im Polyesteranteil eine Säure auf Basis nachwachsender Rohstoffe (dimere Fettsäure) enthalten ist.
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Im Unterschied dazu handelt es sich beim erfindungsgemäßen hitzeaktivierbaren Klebstoffsystem um einen „trockenen” hitzeaktivierbaren latent-reaktiven einkomponentigen Polyurethanfilm, der bei Raumtemperatur keinerlei Klebkraft aufweist und auch nach Erwärmung und anschließender Abkühlung nicht mehr klebrig ist. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Systems liegt in der Möglichkeit, Substratoberflächen lagerstabil mit einer reaktiven Klebstoffschicht auszurüsten, d. h. der Klebstoffauftrag lässt sich aus dem eigentlichen Herstellungsprozess des gewünschten Endprodukts auslagern. Prozessabläufe werden so vereinfacht und damit auch kostengünstiger.
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Basis des vorliegenden Klebstoffsystems ist eine anionische hochmolekulare Polyurethan-Dispersion. Ausgangsprodukte dieser anionischen Dispersion sind aus Polyolen und Diisocyanaten hergestellte Urethan-Prepolymere mit endständigen Isocyanat-Gruppen, die in Aceton gelöst werden. Diese Urethan-Prepolymere werden anschließend mit der wässrigen Lösung eines Alkalisalzes einer Diaminocarbonsäure oder auch Diaminsulfonsäure versetzt, um so den ionomeren Charakter der Lösung zu erhalten. Auf diese Weise bildet sich ein hochmolekulares Hydroxyl-Polyurethan, die anionischen Carboxyl-Gruppen werden gleichzeitig in die Polymerkette eingegliedert, was die Selbstdispergierbarkeit des Polymers als Folge seiner negativ-ionischen Ladung bewirkt. Durch Zugabe von Wasser zu dieser Lösung bildet sich die Dispersion, das Aceton wird aus dem System herausdestilliert.
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Polyurethan-Dispersionen zeichnen sich allgemein wegen der hohen Polarität der Polymermoleküle und der teilweise kristallinen Struktur innerhalb der Polymerketten durch sehr gute Haftungseigenschaften auch auf ansonsten schwierig zu verklebenden Oberflächen aus, sie sind von hoher Beständigkeit gegenüber Weichmachern, Ölen, Fetten, Feuchtigkeit, Wärme und z. T. auch Lösungsmitteln. Weitere Vorteile des vorliegenden einkomponentigen Systems sind seine sofortige Nutzbarkeit, d. h. ein Mischen vor Komponenten unmittelbar vor der Anwendung entfällt, ebenso wie eine Topfzeit bis zur endgültigen Aushärtung. Dabei entspricht die Klebkraft der einkomponentigen, latent-reaktiven Systeme durchaus derjenigen von Zweikomponent-Systemen.
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Die Dekristallisation, d. h. die thermische Aktivierung kann bei der vorliegenden Dispersion bereits bei relativ niedrigen Temperaturen ab ca. 50°C. erfolgen. Diese niedrige Temperatur ergibt insbesondere bei der Verklebung von Kunststoffen erheblich Vorteile, da Kunststoffe thermolabil sind und daher den hohen Temperaturen nicht ohne Beschädigungen standhalten würden. Die ideale Aktivierungstemperatur liegt im Bereich zwischen 80 und 100°C.
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Eröffnet wird diese Möglichkeit durch die Verwendung blockierter, dispergierter, fester Isocyanatpartikel, d. h. freiliegende Isocyanatgruppen innerhalb der Polyurethane werden durch Zugabe einer Blockierreagenz passiviert, ein an sich bekanntes und vielfach angewendetes Verfahren. Dabei wird durch diese Addition eine vorzeitige Reaktion der Isocyanatgruppe ausgeschlossen. Bei einer entsprechenden Temperatur spaltet sich dann das Blockierreagenz wieder ab und das Isocyanat kann reagieren. Eingesetzt als Blockierreagenzien werden z. B. Acetessigester oder Nonylphenol. Bei aliphatischen blockierten Isocyanaten kann die Temperatur, die zur Separierung führt, bis zu 160°C. betragen und sie ist damit viel zu hoch für thermosensible Substrate. Außerdem liegen dann in dem System immer noch die abgespaltenen Blockierreagenzien vor, welche unerwünschte Nebenreaktionen auslösen können.
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Zur Umgehung solcher Probleme wird deshalb im vorliegenden Falle dimeres Toluylendiisocyanat (TDI) als Vernetzer verwendet, welches mikronisiert als Dispersion vorliegt. Hierbei handelt es sich um ein latent blockiertes TDI: Es ist umgeben von einer Hülle aus blockierten Isocyanaten und einer zusätzlichen Hydrathülle. Die Hülle aus Isocyanaten soll verhindern, dass der Vernetzer in Kontakt mit Wasser kommt und dann abreagiert. Des Weiteren werden die Hüllen zwingend benötigt, um das TDI in dieser Form im Wasser zu dispergieren. Während des Aufschmelzens im Zuge der Hitzeaktivierung wird die Hülle um den Vernetzer zerstört und letzterer reagiert mit dem PU. Diese Reaktion dauert vergleichsweise lange und dementsprechend länger dauert es auch, bis die Verbindung belastbar ist. Da die Vernetzungsreaktion bereits ab einer Temperatur von ca. 25°C. beginnen kann, sollte der Vernetzer immer kühl gelagert werden. TDI hat eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit als andere Isocyanate und gilt als ideale Ausgangssubstanz für Polyadditionsreaktionen.
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Die gewünschten Eigenschaften des Klebstoffsystems werden wesentlich durch den Zusatz von 5–15 Gewichtsprozent dieses wasseremulgierbaren Vernetzerisocyanats erreicht. Weitere anwendungsspezifische oder klebtechnisch erforderliche Eigenschaften des Klebstoffsystems können durch zusätzliche Einarbeitung von z. B. Harzdispersionen, Emulgatoren oder Rheologieadditiven bewirkt werden.
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Die Erwärmung der hitzaktivierbaren Schicht des Klebebandes auf eine Temperatur von idealerweise 80–100°C. erfolgt in wenigen Sekunden z. B. durch Heißpressen unter hohem Druck, aber auch alle anderen bekannten Arten der Erwärmung sind denkbar. Infolge der Kristallisation des Klebstoffes ist der Verbund bereits nach kurzer Zeit – maximal 10 sec – belastbar und verrutscht nicht mehr. Eine vollständige Vernetzung und damit Aushärtung und Belastbarkeit ist nach ca. 24 h gegeben.
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Die Eigenschaften dieses hitzeaktivierbaren PU-Klebstoffes lassen sich weiter verbessern durch Zugabe weiterer Stoffe. So führt z. B. zugesetzter roter Farbstoff unter IR-Strahlung zu einer besseren Wärmeaufnahme in kürzerer Zeit, Füllstoffe in Form einer anionischen, kolloiddispersen Lösung von amorphem Siliziumdioxid erhöhen die Wärmebeständigkeit des Klebstoffs.
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Das Spleißmittel an sich muss sehr dünn sein, da sein vorgesehener Platz im Schleifband insofern vorbehandelt wurde, als an dieser Stelle die Dicke des Schleifbandes z. B. durch einen Fräsvorgang so reduziert wurde, dass nach Aufbringen des Spleißmittels auf diese dickenreduzierte Stelle die Spleißstelle in ihrer Dicke dem eigentlichen Schleifband entspricht. Wäre die Spleißstelle dicker, so würde sie eine Unebenheit erzeugen, die sich in Form von „Riefen” negativ auf die Schleifqualität auswirken würde. Das Material muss also bei geringer Dicke enorme Zugkräfte aufnehmen, ohne zu reißen oder sich zu dehnen, bei einer Dehnung des Materials würden ebenfalls Unebenheiten in Form einer Lücke entstehen.
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Ein reiner Folienträger, auch in Form einer gereckten Folie scheidet als Trägermaterial aus, da sich eine Folie bereits bei mittelstarker Zugbelastung dehnt, was zum „Abplatzen” des Klebstoffes vom Folienträger führt. Aus diesem Grunde wird die Trägerfolie durch damit verbundene, sich nicht dehnende Fasern verstärkt, das gesamte Trägersystem kann dadurch wesentlich mehr Kraft aufnehmen, ehe es z. B. reißt.
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Angesichts der nur eingeschränkt möglichen Dicke des Bandes werden polymere Folien als Trägermaterialien bevorzugt. In Frage kommen hier insbesondere Folien aus Polyimid, Polyester, Polyamid, Polyetherketon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyvinylchlorid, Polystyrol oder Polycarbonat. Da beim vorliegenden Klebeband auf den Einsatz eines Release Liners verzichtet wird, ist das Folienträgermaterial einseitig silikonisiert. In den Fällen, in denen eine geringe Haftfähigkeit des Klebstoffes auf der nicht-silikonisierten Folienoberfläche gegeben ist, wird die Haftung durch Vorbehandlungen wie Ätzen, Beflammen, Corona, Beschichten mit Haftvermittler oder Plasma verbessert. Die einsetzbaren Trägerfolien sollten eine Temperaturstabilität von mindestens 150°C. besitzen und möglichst dünn sein, bevorzugt nicht dicker als 50 μm.
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Im Hinblick auf die gewünschten Eigenschaften der geringen Dicke, der Nicht-Dehnbarkeit und der geringen Reißneigung bei vorliegender Erfindung einsetzbare Fasern sind wahlweise solche aus Polyvinylalkohl, Glas, Polyester, Stahl, Baumwolle, Kohlenstoff, Polyamid und Polyethylenterephthalat, es können auch unterschiedliche Mischungen von Fasern eingesetzt werden. Jede dieser Fasern kann als nicht mit anderen Fasern in irgendeiner Form verbundene Einzelfaser vorliegen, es kann aber durchaus auch ein Faserverbund verwendet werden. Die Orientierung der Einzelfasern erfolgt bei der Herstellung des Klebemittels in Laufrichtung der Folie, im fertigen Produkt wird sie in der von der ursprünglichen Orientierung unterschiedlichen Spleißrichtung sein. Besonders bevorzugt werden Fasern aus Polyethylenterephthalat, Fasern aus Aramid haben zwar eine noch höhere Reißkraft, scheiden aber wegen der fehlenden Verschweißbarkeit aus.
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Die Herstellung des folienverstärkten Trägermaterials erfolgt durch Beschichtung der Folie mit einem Klebstoff, auf den dann die möglichen Verstärkungsfasern aufgebracht werden. Bei den im vorliegenden Zusammenhang verwendbaren Faserklebstoffen sind im Prinzip alle gängigen und bekannten Klebstoffe verwendbar, die mit dem Folienträgermaterial kompatibel und geeignet zur Verklebung der Verstärkungsfasern sind, beispielhaft seien hier genannt Klebstoffe auf Basis duroplastischer, thermoplastischer oder elastomerer Klebharze bzw. Mischungen davon.
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Die Verstärkungsfasern befinden sich im fertigen Klebemittel in exakt dem Winkel, der dem der späteren Stoßspleißung entspricht. Dies wird dadurch erreicht, dass nach der Bestückung der nicht-silikonisierten Seite der Trägerfolie mit einem geeigneten Faserklebstoff auf diesen die Fasermaterialien in Laufrichtung der Folie aufgebracht werden, danach erfolgt das Aufbringen der hitzeaktivierbaren Kleberschicht auf die Fasermaterialien, die Laminierung erfolgt bei einer Temperatur von 50 bis unter 80°C., bevorzugt bei etwa 60°C.. Es erfolgt keine Aktivierung des Klebstoffes. Die derart beschichtete Klebstofffolie wird mittels Ultraschall zu einem Schlauch zusammengeschweißt und dieser schließlich in der Weise spiralförmig schräg geschnitten, dass die beim Aufbringen noch in Laufrichtung der Folie befindlichen Verstärkungsfasern nach dem Schneiden des Schlauchbandes in Schmalrollen in dem Winkel zur Laufrichtung stehen, der exakt dem Winkel der späteren Stoßspleißung entspricht.
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Die hitzeaktivierbare Kleberschicht ist im fertigen Klebemittel also nicht klebrig, sie wird erst bei der späteren eigentlichen Herstellung des Spleißes mittels einer Temperatur von 80–150°C. aktiviert. In diesem Temperaturbereich werden dann die beiden zu verbindenden Schleifbandenden unter hohem Druck (mindestens 60 bar) für maximal 10 Sekunden mit dem Spleißband verpresst, nach vollständiger Vernetzung und Aushärtung innerhalb von ca. 24 h ist schließlich die hochfeste Verbindung der beiden Schleifbahnenden gegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0619769 B1 [0005]
- EP 0777555 B1 [0005]
- EP 0843611 B1 [0005]
- EP 1294540 B1 [0006]
- US 5256227 [0007]
- DE 2228975 [0008]
- DE 102010013145 [0010]