DE2616309A1 - Verfahren zur direktherstellung von verbundwerkstoffen aus kunststoff - Google Patents

Verfahren zur direktherstellung von verbundwerkstoffen aus kunststoff

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DE2616309A1 DE19762616309 DE2616309A DE2616309A1 DE 2616309 A1 DE2616309 A1 DE 2616309A1 DE 19762616309 DE19762616309 DE 19762616309 DE 2616309 A DE2616309 A DE 2616309A DE 2616309 A1 DE2616309 A1 DE 2616309A1
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Description

Prof. Dr. Helmut Käufer ^
Dipl.-Ing. Michel-Α. Wachsmann 2616309
c/o Kunststofftechnikum
Kaiserin-Augusta-Allee 5
looo Berlin 21 den 3o. März 1976
Beschreibung der Erfindung zur Patentanmeldung
Titel : "VERFAHREN ZUR DIREKTHERSTELLUNG VON VERBUNDWERKSTOFFEN AUS KUNSTSTOFF "
Die Erfindung betrifft das unmittelbare Verbinden eines Gießharzes oder einer Preßmasse im Aushärtungszustand befindlich mit einem schmelzflussigen Piastomeren, Elastomeren oder Duromeren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen bzw. -teilen für verschiedene Anwendungsgebiete der Elektrotechnik, Feinwerktechnik, Maschinenbau, Bauwesen, Sanitärtechnik, im Möbelsektor und Verpackungssektor.
Es ist bekannt, daß Verbundwerkstoffe herstellbar sind, indem ein in geeignete Form gebrachter Plastomer in festem Zustand mit einem gefüllten und verstärkten Gießharz beschichtet wird. Dabei härtet das Harz je nach Verarbeitungsverfahren kalt oder warm aus. Für dieses häufig angewandte Handverfahren eignen sich nur ganz bestimmte Stoffpaarungen. So sind z.B. für den Sanitärbereich Polyester - Plexiglas (UP - PMMA) - Verbundstoffe sowie Polyester - PVC - Rohre in Anwendung usw. In dem bei dieser Erfindung genutzten Verfahren ist eine wesentlich größere Anzahl der Stoffpaarungen möglich. Selbst Polyolefine, die bei den bisher bekannten Verarbeitungsverfahren in Form von Trennfolien verwendet werden, lassen sich durch dieses Verfahren direkt zu Verbundteilen mit anderen Stoffen paaren.
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In der Literatur sind keine Hinweise zu einem solchen Verfahren zu finden, bei dem im Aushärtungszustand befindliche Harze oder Preßmassen mit einem schmelzflüssigen Piastomeren, Elastomeren oder Duromeren direkt verbunden werden. Zuweilen wird sogar eine solche Möglichkeit bei der Verarbeitung von Polyolefinen (PE, PP, PTFE) in Abrede gestellt.
Die physikalischen bzw. chemisch-physikalischen Vorgänge, die bei diesem Verfahren genutzt werden, beruhen im weitesten Sinne auf Adhäsion in ihren verschiedenen Erscheinungsformen. Eine genaue Klärung der in der Grenzfläche zwischen zwei miteinander verbundenen Stoffen wirkenden Mechanismen ist bislang nicht gelungen. Die vorliegenden Adhäsionstheorien weisen jedoch Richtungen.
In diesem Zusammenhang recherchierte Schlegel Cl) und fand, daß ein flüssiger , eine Oberfläche benetzender , Stoff, der durch Kühlung, Verdunstung, Oxydation und dgl. in eine zähe Masse übergeführt werden kann, als Klebstoff für diese benetzte Oberfläche angesehen werden muß. Dabei muß jedoch noch die Voraussetzung erfüllt sein, daß der Kontakt der Stoffe an der Grenzfläche stets erhalten bleibt.
Die besondere Eignung von Kunststoffen zum Verbinden miteinander oder zur Verwendung als Klebstoff aufgrund der relativ hohen Oberflächenenergie gehört zum derzeitigen Wissensstand. Ebenso wie die Tatsache, daß die Partner im Zustand, in dem sie miteinander verbunden werden, einen möglichst großen Unterschied hinsichtlich des Betrags ihrer Oberflächenenergie aufweisen sollten.
Literatur : (1) Schlegel, H.
Stand und Grenzen theoretischer Betrachtungen zur Haftung bei Klebverbindungen Plaste und Kautschuk Heft 4 1973
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Gespräche mit erfahrenen Verarbeitern sowie mit namhaften Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Kunststoffverarbeitung ergaben, daß es zumindest nicht als unmöglich betrachtet werden kann, ein solches Verfahren zu finden. Diese Erkenntnis beruht darauf, daß für die zur Anwendung kommenden Grenzflächenmechanismen zwischen zwei Stoffen keine Voraussagen gemacht werden können. Für die Beurteilung dieser Vorgänge stehen nur die Adhäsionstheorien zur Verfügung, so daß von der technologischen Seite her Verbundwerkstoffe realisiert werden müssen, um weitere Möglichkeiten zur Erklärung der Adhäsionsvorgänge aufzuzeigen.
Der Erfindung dieses Verfahrens liegt die Aufgabe zugrunde, Stoffe herstellen zu können, die für Bauteile verwendet werden können, bei denen an jeder Stelle jene Stoffeigenschaft en lokalisiert werden sollen, die von der Anwendung gefordert werden und die von einem Stoff allein nicht erfüllt werden können.
Die Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß für die dem Verbund zuträglichen Adhäsionskräfte jene Mechanismen genutzt werden, die von dem einen Partner im Zustand gerichteter Aushärtung (Reaktion) beigetragen und von dem zweiten Partner im Schmelzenzustand erbracht werden.
Im Hinblick auf Verarbeitungseigenschaften wie Schwindung, Verzug des Teils sowie Verarbextungszyklus ist die Reaktion des aushärtenden Harzes derart geführt, daß die thermische Ausdehnung während der Abkühlung beider Stoffe nach der Reaktion nahezu gleich wird. Damit ist auch für den Gebrauch eine spannungsarme Grenzschicht gewährleistet.
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Bei jeder Werkstoffpaarung ist die chemische Reaktion so zu führen, daß zum einen ein fortgeschrittener und über die Teildicke zum nicht reagierenden Partner hin immer weniger fortgeschrittener Aushärtungszustand vorliegt, zum anderen die verfahrenstechnischen Parameter der zweiten Phase (Druck, Temperatur, Aufbringungsgeschwindigkeit) in Hinblick auf Schwindung und Nachschwindung des zu fertigenden Teils in Abhängigkeit von der thermischen Schwindungskurve dieser zweiten Phase eingestellt werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind wie nachstehend aufgezählt :
1. Ein Verbund zwischen zwei Stoffen in einem Arbeitsgang wird möglich
2. Das Verfahren kann in Verbindung mit fast allen Kunststoffverarbeitungsverfahren angewandt werden, bei denen mit einer Schmelze gearbeitet wird (z.B. Spritzgießen, Extrudieren, Pressen, Kalandrieren, Blasformen)
3. Es kann eine größere Anzahl von Stoffen als bisher ohne Hinzunahme eines dritten Stoffes (etwa Haftvermittler oder Klebstoff) miteinander gepaart und verbunden werden.
4·. Das Verfahren ist sehr wirtschaftlich, da es automatisch oder vollautomatisch arbeitet.
5. Die für das Verfahren benötigten Maschinen und Geräte sind für bisher angewandte Verfahren bereits vorhanden..
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6. Da das Verfahren den Gießprozeß für das meistens flüssige Harz enthält, lassen sich im Hinblick auf Verstärkung und Einlegen von Festteilen die aus der Plastomerverarbeitung bekannten Verfahren wesentlich erweitern.
7. Die Verbundteile enthalten schweißbare und nichtschweißbare Stoffe, so daß über die Beteiligung des Piastomeren bei vielen Teilen und entsprechender Gestaltung eine Verbindbarkeit der Duromeren durch Schweißen erkauft wird.
8· Durch Verwendung einer Kombination von Piastomeren und Duromeren kann ein Teil gasundurchlässig werden.
9. Es lassen sich viele elektronische Bauteile im automatischen Betrieb schneller und damit wirtschaftlicher herstellen, weil die Vielfal^Öer Werkstoffverarbeitungsverfahren genutzt wird und dadurch die Anpassung an einen Fertigungsprozeß flexibler wird.
Beschreibung des Verfahrens;
Das Verfahren soll hier am Beispiel der Verwendung des Spritzgießens zum Aufbereiten und Aufbringen der Schmelze veranschaulicht werden.
In dem Hohlraum eines auf unterschiedliche Temperaturen der beiden Hälften eingestellten Werkzeugs wird ein gefülltes und/oder verstärktes Harz bzw. Preßmasse mittels Vakuumgießeinrichtungen, Kolben- oder Schneckenplastifiziereinheiten eingebracht. Im Werkzeug beginnt die Aushärtungsreaktion des Harzes bzw. der Preßmasse derart gerichtet,
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daß von der wärmeren zur kälteren Werkzeughälfte hin der Aushärtungszustand zu jedem Zeitpunkt vor dem Einbringen der Schmelze unterschiedlich ist.
Ist ein von der Art der beteiligten Stoffe abhängiger Zustand erreicht, bei dem die der wärmeren Werkzeughälfte anliegenden Duromerschichten bereits fest sind, während die entgegen gesetzte mit dem Plastomer zu verbindende Grenzschicht einen geringeren Aushärtungsgrad (Gelzustand) aufweist, so kann die Schmelze aufgebracht werden.
Der Werkzeughohlraum wird jetzt vergrößert und in den so entstandenen Hohlraum wird die Schmelze eingebracht. Letzterer Vorgang ist in diesem Fall einem Spritzgießvorgang identisch.
Das Aufbringen der Schmelze veranlaßt den reagierenden Stoff des Duromeren in der Grenzschicht zu beschleunigter Aushärtung, da die Schmelztemperaturen wesentlich höher sind, als die für das Anspringen der Reaktion erforderlichen Temperaturen. Somit setzt auch von dieser Seite her die Aushärtungsreaktion ein, deren zeitlicher Ablauf in die Nachdruck- und Abkühlphase des Spritzgießvorgangs fällt. Kühlt der Plastomer auf Werkzeugtemperatur ab, so kann bereits entformt werden.
Wichtig für das Verfahren ist die von einer Werkzeugwand zur anderen gerichtete Reaktion, was eine Temperaturspreizung der Werkzeughälften bedingt, die je nach verwendetem Aushärtungssystem bis zu 600C erreichen kann. Gleichzeitig kann je nach Teilgestalt und Aushärtungssystem die wärmere Werkzeughälfte eine Temperatur von 900C bis 14o°C annehmen.
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Die Vorgänge unter Verwendung einer aus der Extrusionstammenden Schmelze verlaufen ganz analog. Hier wird jedoch kontinuierlich aus dem Extrusionswerkzeug gearbeitet und die für das Verfahren relevanten Parameter werden hinsichtlich des zeitlichen Ablaufs der Reaktion und der Vereinigung des vernetzenden mit dem schmelzflüssigen zweiten Partners am Werkzeug eingestellt.
Bekanntlich durchläuft ein Reaktionssystem während des Vernetzens vom flüssigen über den Gel-, den Thermoplastischen, Thermoelastischen bis zum Duromerzustand alle Zwischenzustände im Stoffbildungsvorgang. Daher kann das unter Verwendung eines Extrudats erzeugte Produkt vor der endgültigen Aushärtung in jedem gewünschten Stadium verformt und gestaltet werden. Damit kommen den Nachfolgeeinrichtungen einer Extrusionsanlage ganz neue Aufgaben zu, die sie besonders zur Integration in Fertigungs- und Montagestraßen geeignet machen.
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Claims (19)

Patentansprüche zur Anmeldung mit dem Titel : VERFAHREN ZUR DIREKTHERSTELLUNG VON VERBUNDWERKSTOFFEN AUS KUNSTSTOFF Hauptanspruch:
1.] Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerk- ^^ stoffen aus Kunststoffen dadurch gekennzeichnet, daß einerseits chemische Reaktionsablaufe eines oder beider Partner ausgenutzt werden, um eine feste Haftung zu erzielen, andererseits gekennzeichnet durch Ausnutzung der Eigenschaften des einen in schmelzflüssiger Form aufgebrachten Partners ohne Hinzunahme eines sonstigen Hilfsmittels in Form etwa eines Klebstoffes oder Haftvermittlers.
Unteransprüche:
1. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden eines gießfähigen, gefüllten und/oder verstärkten Harzes mit einer Plastomerschmelze
2. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden eines gießfähigen, gefüllten und/oder verstärkten Harzes mit einer Elastomerschmelze (vernetzte und unvernetzte Elastomere)
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3. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden eines gießfähigen, gefüllten und/oder verstärkten Harzes mit einer Duromerschmelze, die im AushärtungsVorgang begriffen ist.
M-. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkst of fen gekennzeichnet durch das Verbinden einer aufgeschmolzenen, reagierenden, gefüllten und/oder verstärkten Preßmasse mit einer Plastomerschmelze
5. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden einer aufgeschmolzenen, reagierenden, gefüllten und/oder verstärkten Preßmasse mit einer Elastomerschmelze (vernetzte und unvernetzte Elastomere)
6. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden einer aufgeschmolzenen, reagierenden, gefüllten und/oder verstärkten Preßmasse mit einer anderen reagierenden schmelzflussigen Preßmasse
7. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden eines reagierenden Elastomeren mit einer Plastomerschmelze
8. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden eines reagierenden Elastomeren mit einen aufgeschmol7.f»r.«r_ Elastomeren (vernetzte und unvernetzte Elastomere)
9. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden eines reagierenden geschmolzenen Elastomeren mit einer aufgeschmolzenen reagierenden, gefüllten und/oder verstärkten Preßmasse
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10. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch eine so geartete Reaktionsführung, daß der erste entstehende Verbundpartner im Augenblick des Aufbringens des zweiten "Partners in einem fortgeschrittenen Aushärtungszustand d.h. Vernetzungsgrad vorliegt.
11. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch eine so geartete Reaktionsführung, daß über die Dicke des in der Vernetzungsreaktion befindlichen Verbundpartners, der als erster entsteht, zum Zeitpunkt des Aufbringens des zweiten Partners ein Gefalle unterschiedlich weit fortgeschrittener Vernetzungsreaktion in Richtung auf die Grenzfläche zwischen den Verbundpartnern vorliegt (räumlich gerichtete Reaktionsführung).
12. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch die Werkzeugtemperierung derart, daß die eine VJerkzeugseite, die vom erstangebrachten Verbundteil aus gesehen die der Verbund-Grenzfläche abgekehrten Seite berührt, gegenüber der anderen Werkzeugseite eine höhere Temperatur aufweist.
13. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlraumvergrößerung zum Aufbringen des zweiten Verbundpartners (etwa im Spritzgießwerkzeug) mit Schiebern und/oder beweglichen Kernen realisiert wird.
14·. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlraumvergrößerung zum Aufbringen des zweiten Verbundpartners (etwa im Spritzgießwerkzeug) mittels Wendewerkzeug oder Transferwerkzeug vorgenommen wird.
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15. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch Ausübung eines Drucks im Augenblick des Aufeinandertreffens der Verbundpartner.
16. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch örtliches Durchdringen der Verbundteile durch den Piastomeren zum Zweck der Erstellung von diskreten Stellen zum Verschweißen der Verbundteile.
17. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch das Verbinden der beteiligten Stoffe innerhalb oder gleich hinter dem Extrusionswerkzeug bei der Verwendung der aus dem Extrusionsvorgang gewonnenen zweiten, schmelzflüssigen Phase.
18. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch dünne oder dicke (o,3 mm bis Io mm) Schichten des reaktiven Systems und dünne oder dicke (o,5 mm bis 6 mm) Schichten des schmelzflüssigen Anteils.
19. Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen gekennzeichnet durch die Reaktionsführung derart, daß die Vernetzung an einer Seite der Schicht, an der wärmeren, beginnt und in Richtung auf die Fläche fortschreitet, auf die die zweite Phase aufgebracht werden soll. Dabei wird die Grenzschicht beim Auftreffen der Schmelze im Gel- bzw. einem geladäquaten Zustand angetroffen.
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