DE2327155A1

DE2327155A1 - Verfahren zum verbinden von verschaeumten polymerisatformteilen

Info

Publication number: DE2327155A1
Application number: DE2327155A
Authority: DE
Inventors: Richard H Immel
Original assignee: Sinclair Koppers Co
Current assignee: Sinclair Koppers Co
Priority date: 1972-05-30
Filing date: 1973-05-28
Publication date: 1973-12-20
Also published as: DE2327155B2; JPS51129469A; FR2186344A1; IT982954B; GB1403326A; FR2186344B1; CA1011070A

Description

PATENTANWÄLTE

DiPL-In₉-RWIRTH-Dr-V-SCHMIED-KOWARZIK Dipl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134

TELEFON C0611)

Eile 72O58D
Wd/Sch

287014

6 FRANKFURTAM MAIN

GR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

Sinclair-Koppers Company Frankfort Road
County of Beaver
Monaca, Pennsylvania 15061 U. S. A.

Verfahren zum Verbinden von verschäumt en Polymerisatformteilen.

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Verbinden verschäumbarer Polymerisatformteile ohne Verwendung eines Bindemittels, insbesondere auf das Verbinden verschäumbarer Polystyrolformteile durch Vervrendung elektrischer Hochfrequenzenergie.

Die Herstellung von integralen polymeren Zellstrukturen mit niederer Dichte aus feinteiligem, verschäumbarem, polymerem Material 1st bekannt. Zu verschäutabaren polymeren Materialien gehören aum Beispiel Polystyrol, Polyäthylen, Polypropylen, durch Alkyl substituiertes Styrol, Polyacrylester, PoIytnethacrylester, Mischpolymerisate von Styrol, Alphamethylstyrol und dergleichen. Diese Materialien können hergestellt werden, indem man aus polymeren Teilchen eine stabile wässrige Suspension bildet und die suspendierten Teilchen mit einem flüchtigen aliphatischen Kohlenwasserstoff, wie Petroläther, Pentan,' Hexan,. Heptan und dergleichen, imprägniert. Die verschäumbaren Materialien enthalten etwa 3 bis 30 G-ev/.-Teile des aliphatischen oder cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffs. Diese verschäumbaren Teilchen werden im allgemeinen als "Kügelchen" bezeichnet und können jede beliebige Form annehmen, z.B. können sie rund, länglich, unregelmäßig usw. sein.

Es wurden bisher verschiedene Methoden angewendet, um diese Kügelchen oder vorverschäumten Kügelchen zu erhitzen und dadurch zu erreichen, daß sie verschäumen oder weiter verschäumen und integrale, polymere Zellstrukturen oder -teile bilden. So wurden zum Beispiel heißes Wasser, Infrarotstrahlen und Dampf verwendet, um die Kügelchen in einer Form zu erhitzen, damit sie verschäumen und sich der Gestalt dieser Form anpassen« In neuerer Zeit wurde jedoch gefunden, daß man verschäumbare Polymerisate, wie Polystyrol, Polyäthylen, Polypropylen und dergleichen, durch Verfahren, die mit elektrischer Hochfrequenzenergie arbeiten, erhitzen kann. Entsprechende Verfahren werden

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in den U.S.-Patentschriften Fr. 2 998 501, 3 010 157,.. 3 060 und 3 242 238 "beschrieben.

Es wurde gefunden, daß sich verschäumbare polymere Strukturen und Materialien von niedriger Dichte für verschiedene Anwendungsgebiete« wie z.B.,zur Verpackung und Isolierung, eignen. Eine bedeutende neue Anwendung von geformten polymeren Materialien mit niedriger Dichte, insbesondere verschäumbarem Polystyrol, sind die Gießverfahren mit verdampfbaren Formmodellen. Derartige Verfahren werden in den U. S. -Pat ent sehr if ten. Hr. 2 830 343, 3 314 Ϊ16 und 3 157 924 beschrieben. Im allgemeinen ist ein derartiges Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß in einem Eormkast-en ein verdampfbares Gießmodell in Sand eingebettet wird. Das Modell ist normalerweise aus verschäumbarem Polystyrol oder einem anderen verdampfbaren, verschämnbaren polymeren Material hergestellt und ist mit einem porösen, hitzebeständigen Überzug versehen. Es wird. 3,n sauberen, trockenen, nicht verbundenen Sand eingebettet, der das Modell ganz einschließt und alle.Hohlräume und Aussparungen des Modells ausfüllt.,Das Modell umfaßt gewöhnlich einen integralen Kanal,um das geschmolzene .Gießmaterial in das eingebettete Modell einzuleiten. Das geschmolzene Gießmaterial wird dann durch den Kanal in das Modell gegossen. Durch die Hitze des geschmolzenen Materials verdampft das polymere Material, und die Gase entweichen durch den porösen,' hitzebeständigen Überzug in den Sand. Auf diese Weise wird ein Gußteil hergestellt, der genau die Form des Modells annimmt. Mit Hilfe dieses Verfahrens können außerordentlich komplizierte Gußteile hergestellt werden, die nicht nur von der Qualität her überlegen sind, sondern auch unter wesentlich geringerem Kostenaufwand, hergestellt werden können, als dies bei den bisher verwendeten Gießverfahren möglich war. Um diese Vorteile auszunutzen, ist es jedoch notwendig, ein Modell aus einem verschäumbaren Polymerisat von hoher Qualität, insbesondere hinsichtlich der Oberflächenqualität und der Abmessungen, zu verwenden.

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Polymerisatsstrukturen oder -modeile mit niedriger Dichte müssen im allgemeinen in einer Form nach herkömmlichen Form preß verfahren hergestellt werden. Viele der Gußteile, für die Modelle angefertigt werden, sind jedoch außerordentlich kompliziert in der Form, wie Motorblöeke, Leitungen, Bremsanordnungen und dergleichen. Aufgrund dieser komplizierten Form lassen sich Modelle aus verschäumbaren Polymerisäten nicht ohne erheblichen Zeit— und Kostenaufwand in herkömmlichen Formverfahren formpressen. Um diese Schwierigkeiten bei der Herstellung komplizierter Modelle in herkömmlichen Formpreßverfahren zu umgehen und dennoch Modelle hoher Qualität zu erhalten, wurde vorgeschlagen, die komplizierten Modelle in mehrere Teilelemente zu zerlegen, die dann relativ einfach zu formen sind. .; Diese Teilelemente werden dann zu komplizierten Modellen verbunden.

Obwohl keine sehr starke Verbindung erforderl ich ist, muß sie doch stark genug sein, um den Zusammenhalt des Modells während der normalen Handhabung,bei der Produktion zu gewährleisten, wie zum Beispiel beim Einführen in den Formkasten und bei der Belastung durch Vibrationskräfte, die angewendet werden, damit sich der Sand setzt und alle Hohlräume ausfüllt. Außerdem sollte das Bindematerial im wesentlichen bei der gleichen Temperatur und zur gleichen Zeit wie das polymere Material verdampfen, da sonst Ungleichmäßigkeiten in oder auf dem Gußtell entstehen wurden. Die Verwendung von Bindemitteln hat den Nachteil, daß sich eine Bindemittellinie bildet und aufgrund ihrer relativ hohen Dichte und Beständigkeit gegenüber Verdampfung als teilweise Sperre wirkt, wenn das geschmolzene Gießmaterial einfließt, und dadurch Ungleichmäßigkeiten in dem Gußteil bewirkt. Außerdem hinterlassen auch viele Bindemittel unerwünschte Rückstände in dem Gußteil, und Bindemittel benötigen Zeit zum Erstarren oder Aushärten, Man hat heißes Wachs als Bindemittel verwendet, erhielt damit jedoch keine allgemein zufriedenstellenden Ergebnisse. Es ist nicht nur zu schwach als Bindemittel, sondern auch schwierig zu handhaben aufgrund seiner sehr raschen Erstarrungcseit. Es ist daher

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außerordentlich schwierig und/oder kostspielig, unter Anwendung herkömmlicher Verbindungsverfahren aus Einzelteilen ein kompliziertes Modell herzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Verbinden von verschäumbaren Polymerisat formteilen ohne Verwendung eines Bindemittels. Außerdem wird erfindungsgeraäß ein Verfahren geschaffen, mit dessen Hilfe man Verbindungsnähte erhält, deren Oberfläche im- wesentlichen der Qualität der Oberfläche der yerschäumten !eile entspricht. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für billige Massenproduktionsverfahren und schaltet die Nachteile der herkömmlichen Verbindungsverfahren aus.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum - ■· Verbinden von verschäumbaren Polymer isatformt eil en ohne Verwendung eines Bindemittels, das dadurch gekennzeichnet ist, daß entweder eine oder mehrere der zu verbindenden Oberflächen angefeuchtet werden und die Teile, die passend zusammen- · gefügt sind, elektrischer Hochfrequenzenergie, vorzugsweise Radiofrequenzenergie, unterworfen werden. Um gleichmäßig verlaufende Oberflächen von guter Qualität der aneinandergefügten Teile zu erhalten , werden die Einzelteile, nachdem die Oberflächen angefeuchtet worden sind, vorzugsweise in eine Torrn oder Einspannvorrichtung gegeben, die die Oberfläche der Verbindungsnaht ganz umschließt.

Im allgemeinen besitzen aufgeschäumte oder versehäumbare polymere Materialien keinen hohen Energieverlustfaktor, der eine dielektrische Erhitzung hervorrufen würde. Wenn man jedoch die aufgeschäumten Oberflächen mit einer wässrigen Lösung bedeckt, die einen hohen Energie Verlustfaktor besitzt, wird die.elektrische Hochfrequenzfeldenergie absorbiert und in Wärmeenergie umgewandelt. Die Wärmeenergie erhitzt die ■ zusammengefügten Oberflächen der verschäumbaren Polymerstruktur und bewirkt, daß sie weiter, und zwar ineinander, verschäumen und eine Verbindung von ausreichender Stärke und

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einer Dichte, die nur um weniges geringer als die Dichte der !eile selber ist, herstellen. Die zu verbindenden Teile sollten vorzugsweise erst kurz zuvor formgepreßt worden sein, beispielsweise innerhalb der. drei vorangegangenen Monate, mn einen eventuell noch vorhandenen Blähmittelrest in "der aufgeschäumten Zellstruktur an der Oberfläche auszunutzen. Falls kein restliches Blähmittel vorhanden ist, muß die Luft in der Zellstruktur der Teile zum Ineinander schäumen der Oberflächen verwendet werden.

Die wässrige Lösung umfaßt vorzugsweise ein Netzmittel oder ein Detergens.-Für die vorliegende Erfindung kann praktisch jede Art-von Netzmittel verwendet werden; Alkylarylsulfonat, das unter der Bezeichnung "Nacconol NRSF" im Handel erhältlich ist, wird jedoch bevorzugt. Auch das Waschmittel "Joy " hat sich als gut verwendbar erwiesen. Andere geeignete Netzmittel sind zum Beispiel tert.-Aminsalze von Fettsäuren, Alkylarylpqlyätheralkohole, Polyglykolester, Dialkylester von SuIf ο bernsteinsäuren, sulfonierte Fettsäureester, sulfatisierte Fettsäureester, Fettamide und -polyamide, Salze von Sulfatestern von Alkylphenoxy, polyoxyäthylenalkänolenilangkettige Kohlenwasserstoffnatriumsulfonate, Fettalkylolamidkondensate und dergleichen. Wässrige Lösungen von Alkylarylsulfonaten, die "bevorzugt verwendet werden, ergeben einen ausgezeichneten hohen Energieverlustfaktor, um Hochfrequenzenergie in Wärmeenergie umzuwandeln, . .

Wie oben bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, die Teile an— einanderzusetzen , indem die Verbindungsstellen von einer Form oder Einspannvorrichtung umschlossen sind. Durch das Umschließen der Verbindungsstelle wird ein nachträgliches Aufschäumen und die dadurch verursachte Verzerrung der Verbindungsnaht verhindert. Außerdem werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Oberflächenunebenheiten entlang der Verbindungslinie ausgefüllt. Dadurch erhält man eine gleichmäßige Oberfläche des gesamten Teils.

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Die Form oder Einspannvorrichtung ist vorzugsweise aus einem nicht leitenden Material mit einem niedrigen Energieverlustfaktor, wie Epoxy, Polyäthylen, Polypropylen und dergleichen, hergestellt. Bei einer leitfähigen oder Metallform würde sich ein HoehspannungslLchtbogen von der elektrischen Hochfrequenzenergiequelle "bilden.

Das Hochfrequenzfeld hat vorzugsweise eine Kapazität von etwa 5 bis 2000 MHz, worunter sowohl Radiofrequenzen als auch Mikrowellen fallen, und insbesondere von etwa 13 bis 75 IiHz. Die zur Herstellung einer ausreichend starken Verbindung benötigte Energie hängt von der Größe und Anzahl der zu verbindenden Teile, vom Elektrodenabstand und dergleichen ab. Bei Anwehdung von.nicht ausreichender Energie kann die wässrige Lösung verdampfen, ohne daß die für die Verbindung, notwendige Wärmeenergie erzeugt wird. Bei kleinen Einzelteilen, wie einem Bremsvorrichtungsmodell ,' bei dem zwischen den Elektroden keine großen Abstände sind, hat sich eine Energie von 5 W als geeignet erwiesen, Beim Verbinden von Teilen in Massen- . ' produktion kann jedoch eine wesentlich höhere Energie, beispielsweise von etwa 200 — 400 kW, notwendig sein.

Man erreicht die wirkungsvollste Verbindung von Oberflächen, wenn die Richtung des elektrischen Feldes parallel zu der Verbindungsnaht verläuft, ,In einigen Fällen"ist dies jedoch nicht praktisch durchführbar, da der Abstand zwisehen den Elektroden aufgrund der.Größe des Teils so groß wäre, daß eine außerordentlich hohe Energie notwendig wäre, um die gesamte Länge der Teile zu verbinden.

Die für das Verbinden notwendige Zeit ist äußerst kurz, z.B. etwa 5 bis 10 Sekunden; bei älteren Teilen sind etwas längere leiten erforderlich. Die Anwendung von zu hoher Energie auf die Teile hat kein Verkohlen oder andere schädliche Erscheinungen- zur Folge. Die Zeitdauer, in der die Teile der Eo chfrequenzenergie unterworfen werden, kann deshalb dein Produktions-

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ablauf, entweder einem ansatzweisen oder kontinuierlichen Verfahren, angepaßt werden.

Die mit einer wässrigen Lösung behandelten Teile brauchen außerdem nicht sofort der Hochfreq\ienzenergie ausgesetzt zu werden. Es wurde gefunden - insbesondere im Fall von wässrigen Lösungen, die ein Netzmittel enthalten - daß selbst nach Ablauf einer gewissen Zeit, z.B. 10 Minuten oder mehr, eine ■ starke Verbindung hergestellt v/ird. Deshalb eignet sich dss erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung τοη Teilen in Massenproduktionsverfahren.

Aufgeschäumte Polystyrolteile wurden verbunden, indem man entweder eine oder beide Oberflächen mit Wasser oder einer wässrigen Lösung mit einem Alkyiarylsulfonatdeter-gens. (1,0 ^) beschichtete. Die beschichteten Teile wurden dann in eine Fora gegeben, in" der die zu verbindenden Flächen aneinandcrgelegt und so festgehalten wurden und die Oberfläche der Verbindungsnaht umschlossen.wurde. Die Teile wurden mit der Form in einen thermalelektronischen Hitzegenerator Typ 54ALH (der Firma ¥.T. LaRose & Assoc.) gegeben, und es wurde etwa 5 bis 10 Sekunden lang Hochfrequenzenergie von 5 kW bei 75 MHz durchgeleitet. Bevor die Teile aus der Form entfernt wurden, ließ man sie etwa 15 Sekunden lang abkühlen, um ein nachträgliches Aufschäumen an der Oberfläche der Verbindungsnaht zu verbinden:;. Die Teile wiesen eine starke, gleichmäßige Verbindung mit einer gleichmäßig verlaufenden Oberfläche auf, d.h. ohne sichtbare Verbindungsnaht, und sie eigneten sich zur Verwendung als Qualitätsgießmodelle.

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Claims

at e nt s η s j* g ü s, h e t .....--«s

1. Verfahren züi& Verbinden von verschäumten PolymerIsatforrateilen* dadurch gekennzeichnet., da-ß es die folgenden Stufen

. a) Aufbringen einer wässrigen Edsang' auf wenigstens" eine der zn y&t bind enden Oberflächen; .

It) Aneiiiandersetzen der zu verbindenden- Oberflächen; und '

&) Inlegen einer hochfre(|uenten Spannung an die an einanderliegenden Oberfla.ch.en«. ■ .'"■""

2» Yerfanren nach Anspruch 1, "dadurch gekennzeichnet, daß die wässrige lösung ein Netzmittel enthält·*

3* ¥erfahreit nach Anspruch 1 - 2, dadurch gelcennzeichnet, daß die Außenkanten der aneirtanderliegenden Oberflächen umschlossen sind*

4» "Verfahren, nach Anspruch \ - 3» dadurch gekennzeichnet,; daß die Spannung eine Pre^uenz von etwa !> bis 2000 KHz hat.

5. Verfahren nach Anspruch t - 4» dadurch gekennzeichnet, daß der verschäumte Polymerisatformteil aus Polystyrol besteht.

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