DE2905127A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundwerkstueckes - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines verbundwerkstueckes

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DE2905127A1 DE19792905127 DE2905127A DE2905127A1 DE 2905127 A1 DE2905127 A1 DE 2905127A1 DE 19792905127 DE19792905127 DE 19792905127 DE 2905127 A DE2905127 A DE 2905127A DE 2905127 A1 DE2905127 A1 DE 2905127A1
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Description

Anmelden'η: Firma Carl Freudenberg, Weinheim/Bergstraße
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstückes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstückes, bei dem zur Ausbildung eines ersten Teiles ein Harz in einem Formwerkzeug auf ein vorgefertigtes zweites Teil aus einem unvernetzten, elastomeren Werkstoff aufgespritzt bzw. aufgegossen und erwärmt wird, wodurch eine Verfestigung und parallel zu der ablaufenden chemischen Reaktion eine feste Haftung zwischen den beiden Teilen erzielt wird.
Das genannte Verfahren ist aus DE-OS 26 16 309 bekannt. Es erlaubt die Herstellung einer Verbindung zwischen artverschiedenen Kunststoffen und einem reaktionsfähigen elastomeren Werkstoff bzw. einem Harz dadurch, daß der Kunststoff in einem schmelzflüssigen Zustand unmittelbar auf eine noch nicht ausreagierte Zone des im übrigen bereits ausgehärteten Formlings aus dem reaktionsfähigen Werkstoff aufgespritzt wird. Durch den sich dabei ergebenden Wärmeübergang von dem schmelzflüssigen Kunststoff auf den reaktionsfähigen elastomeren Werkstoff bzw. das Harz wird
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die darin bereits ablaufende chemische Reaktion in sich abgeschlossen, und die Werkstoffe haften nach der anschließenden Abkühlung und Verfestigung aneinander. Die erzielte Verbindung beruht nach den Angaben des Anmelders wahrscheinlich im wesentlichen auf der Aktivierung von Adhäsionskräften.
Das Verfahren hat sich bis heute in einer großtechnischen Anwendung nicht durchsetzen können, was sehr wahrscheinlich mit darauf zurückzuführen ist, daß die Temperatur des Werkzeuges speziell an jede gewählte Werkstoffpaarung angepaßt werden muß. Innerhalb des Werkzeuges muß ein deutliches Temperature fälle herrschen, um zu erreichen, daß der reagierende Werkstoff im Bereich der Grenzschicht zu dem nicht reagierenden Werkstoff in einem deutlich weniger fortgeschrittenen Aushärtungszustand vorliegt als in den übrigen Bereichen. Je nach Größe der gefertigten Teile erweist sich insbesondere die Erfüllung dieser Forderung oft als schwer bzw. als nicht realisierbar. Wahrscheinlich mit aus diesem Grunde war es bisher nicht möglich, Kombinationswerkstücke gemäß'DE-OS 26 16 309 einer höheren Ansprüchen gerecht werdenden Verwendung zuzuführen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das geschilderte Verfahren weiter zu entwickeln, derart, daß es praxisreif in die Massenfertigung von kleinvolumigen Werkstücken eingeführt werden kann. Die erzielten Festigkeiten zwischen den beiden Zonen der erhaltenen Werkstücke sollen dabei so groß sein, daß die Bruchstelle bei einer gewaltsamen Zerstörung außerhalb der Grenzfläche durch einen der beiden verbundenen Partner verläuft.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst dadurch, daß als elastomerer Werkstoff ein Werkstoff aus der Gruppe der Acrylester-Copolymerisate verwendet wird, der zur Vernetzung Epoxidgruppen enthält. Man kann nach einer anderen Ausführungsform in den elastomeren Werkstoff und/oder das Harz eine Substanz einmischen, die während der Erwärmung an der Grenzschicht durch eine Polyaddition mit dem Werkstoff des jeweils anderen Teils reagiert. Die chemische Reaktion an der Grenzschicht ist somit in beiden Fällen identisch.
Durch die gezielte Herbeiführung einer Polyaddition zwischen Bestand-
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teilen der beiden an der Verbindung beteiligten Stoffe lassen sich ausgezeichnete Haftfestigkeiten erzielen. Dieses Ergebnis ist insofern bemerkenswert, als es zur Herbeiführung der erforderlichen PoIyadditions-Reaktion lediglich der Einmischung an sich bekannter Stoffe unter Anwendung bekannter Methoden bedarf bzw. der Verwendung eines bestimmten Ausgangsmaterials. Bei größerem Verbrauch läßt sich gegebenenfalls ein Teil der benötigten Stoffe in der fertigen Zusammensetzung unmittelbar vom Hersteller beziehen. Die Einführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine Massenfertigung ist deshalb in den meisten Fällen nicht von größeren Investitionen abhängig.
Als elastomere Werkstoffe lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders günstig solche aus der Gruppe der Acrylnitril-Butadien-Copolymerisate oder der Acrylester-Copolymerisate verwenden. Zur Erzielung einer festen Verbindung zu einem wärmehärtbaren Harz, beispielsweise einem Epoxidharz, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in den elastomeren Werkstoff ein Weichmacher mit mehrfunktionellen Endgruppen eingemischt wird, beispielsweise ein Polyesterpolyol. Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, in den elastomeren Werkstoff einen Füllstoff zur Herbeiführung der Verbindung mit dem Harz einzumischen, beispielsweise eine gefällte Kieselsäure.
Unter Berücksichtigung der vorstehenden Angaben läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren am einfachsten durchführen unter Verwendung handelsüblicher Preßmassen aus einem Epoxidharz, die in einem Formwerkzeug mit einer speziell zusammengesetzten Mischung eines Elastomer-Compounds zusammengebracht werden. Es ist dabei grundsätzlich ohne Bedeutung, in welcher Form die beiden Werkstoffe in das Werkzeug eingebracht werden. Denkbar ist beispielsweise das gemeinsame Einspritzen beider Komponenten in flüssiger oder in fügiger Form in das Werkzeug oder das Aufspritzen einer Komponente auf einen vorgeformten Preßling aus der anderen Komponente. Beide Verfahren setzen jedoch die Benutzung relativ aufwendiger Spritzgießmaschinen voraus. Unter wirtschaftlichen Gesichts-
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punkten ist es deshalb günstiger, aus den beiden Komponenten chemisch nicht ausreagierte Vorpreßlinge anzufertigen, die in dem verwendeten Formwerkzeug aufeinander geschichtet und nach dem Schließen der Presse gemeinsam ausgeformt und zur chemischen Reaktion gebracht werden. Für eine solche Vorgehensweise lassen sich in der Massenfertigung gegebenenfalls auch Etagenpressen anwenden. Es muß lediglich gewährleistet sein, daß die eingesetzten Werkzeuge eine gleichmäßige Temperatur zwischen 150 und 190° C aufweisen. Die exakt eingestellte Temperatur ist abhängig von der jeweils eingesetzten Gummimischung. Die auf dem Dichtungssektor angewendeten Gummimischungen lassen sich in den meisten Fällen besonders günstig bei einer Temperatur von 180 C vulkanisieren.
Der Zusatz der bei einer Ausführungsform des dem erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Substanzen zur Herbeiführung der erwünschten PoIyadditi ons-Reaktion führt bei den erforderlichen Mengen zu keiner nachteiligen Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften der elastomeren Werkstoffe. Die erforderlichen Substanzen lassen sich außerdem aus einer Vielzahl von grundsätzlich brauchbaren Stoffen auswählen, und hierdurch besteht eine weitere Möglichkeit, im Einzelfalle nicht auszuschließende Unverträglichkeiten zu umgehen.
Es lassen sich beispielsweise Weichmacher mit Hydroxylgruppen verwenden, wie beispielsweise Polybutandiole mit funktionellen Hydroxylgruppen, und/oder gefällte Kieselsäuren als Füll- und Versteifungsstoffe im Elastomer-Compound. Ebenfalls möglich ist die Verwendung von epoxidgruppen-haltigen Polymeren auf der Basis eines Äthyl- bzw. Butyl acrylates, die durch Amine vernetzt werden. Diese können ohne Zusatz weiterer reaktiver Verbindungen zusammen mit einer härtbaren Preßmasse zu einer nicht mehr lösbaren Verbindung reagieren. Dieser ist in chemischer Hinsicht vollkommen stabil. Auch unter dem Einfluß eine Quellung bewirkender Stoffe findet daher keine Beeinträchtigung der Verbindung statt. In dieser Hinsicht unterscheiden sich die erfindungsgemäß erzielten Verbindungen grundlegend von einer Verbindung nach DE-OS 26 16 309, die im wesentlichen auf der Aktivierung von Adhäsionskräften beruht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders günstig anwenden in Bezug auf die Herstellung von Wellendichtringen. Diese bestehen üblicherweise aus einem Versteifungsring aus Metall, an den ein gummiel astisches Teil mit einer Dichtlippe anvulkanisiert ist. Man hat wiederholt versucht, den Versteifungsring durch ein Kunststoffteil zu ersetzen. Aus Gründen der relativ niedrigen mechanischen Festigkeit und auch aus Preisgründen sind alle diesbezüglichen Versuche jedoch gescheitert. Das erfindungsgemäße Verfahren verspricht eine Lösung dieses Problems.
Die Härtung der Epoxidharze, d. h. die überführung zum Duroplast, erfolgt mittels Zugabe von Karbonsäureanhydriden, von Karbonsäuren oder von Polyaminen (Kunststoffhandbuch Band XI, Karl Hanser Verlag, München, 1971). Man kann dabei von niedermolekularen, flüssigen oder pastösen Epoxiden ausgehen. Für die Herstellung von Preßmassen werden entweder höhermolekulare, bei Raumtemperatur feste Epoxidharze verwendet oder niedermolekulare, flüssige Epoxide, die mit Hilfe geeigneter Härter in den B-Zustand überführt worden sind. Als Härter werden hauptsächlich Polyamine wie Methylendiamiη, m-Phenylendiamin oder auch Bortrifluorid-Komplexe von Aminen eingesetzt. Durch den Zusatz von geeigneten mineralischen Füllstoffen, beispielsweise von Sand oder Glasfasern, von Gleitmitteln für eine Verbesserung der Verarbeitbarkeit und von Trennmitteln für die Entformung werden Preßmassen hergestellt, die in vorkompoundierter, rieselfähiger Form auf dem Markt angeboten werden.
Die verwendbaren elastomeren Zusammensetzungen können auf der Basis eines Natur- oder Synthesekautschuks aufgebaut sein. Die erforderlichen Zuschläge können aus der Gruppe der Füllstoffe, der Weichmacher oder anderer Aditive ausgewählt werden, wie sie zur Erzielung anderer Effekte bisher schon bei der Kompoundierung von Elastomermischungen zur Anwendung kommen. Bei der Auswahl ist es in Hinblick auf das Zustandekommen einer Polyaddition mit Bestandteilen der angrenzenden, aushärtenden Harzschicht wichtig, daß die
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ausgewählten Zuschlagsstoffe chemisch reaktive Endgruppen haben, beispielsweise -NHR, -COOH, -SH, -OH, -NH2 oder Epoxigruppen. Die drei zuletzt genannten Typen chemisch reaktiver Endgruppen haben, sich in Bezug auf das Zustandekommen einer festen Verbindung zwischen dem Teil aus einem elastomeren Werkstoff und demjenigen aus einem Harz als vorteilhaft erwiesen.
In den meisten Fällen ist es nicht notwendig, die gesamte erzielte Festigkeit der Verbindung auf der chemischen Reaktion eines einzigen Zuschlagstoffes aufzubauen, der nur in einem der beiden aneinander grenzenden Teile enthalten ist. Beide aneinander grenzende Teile sind vielmehr im Regelfälle aus einer Mischung verschiedenster Stoffe zusammengesetzt, und es bietet sich dadurch förmlich an, die jeweils im Einzelnen gewählten Zuschlagstoffe durch solche eines vergleichbaren mechanischen Effektes zu ersetzen, die gleichzeitig in eine Polyaddition zu dem Werkstoff des angrenzenden anderen Teiles treten. Auf diese Weise läßt sich ohne eine wesentliche Veränderung der mechanischen Eigenschaften jedes einzelnen der beiden Teile eine hochgradig feste Verbindung erzielen, die auch gewaltsam nicht im Bereich der Grenzfläche zu trennen ist.
Beispiel 1
In eine beheizte Preßform mit einer Temperatur von 180 C wird ein Preßling aus einem unvernetzten elastomeren Werkstoff eingelegt. Die Form wird geschlossen, und in den verbleibenden Hohlraum wird eine vorplastifizierte Epoxidharzmasse eingespritzt, bis an den vorgesehenen Austriebskanal Material austritt. Nach einer Reaktionszeit von 5 Minuten, die abhängig ist von den eingesetzten Mischungen, ist die Härtung des Epoxidharzes und die Vulkanisation des elastomeren Werkstoffes parallel zu einer Polyaddition zwischen Bestandteilen der beiden Werkstoffe abgeschlossen. Das fertige Formteil kann aus dem Werkzeug entnommen werden. Bei einem Zerreißtest kommt es zu einem Bruch außerhalb der Grenzfläche.
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Beispiel 2
Entsprechend den vorstehend geschilderten Bedingungen wird ein Rohling in das Formwerkzeug eingesetzt, der die folgende Zusammensetzung hat:
Acrylnitril-Butadien Copolymer mit 28 % 100 Teile Gefällte Kieselsäure 30 Teile
Calcinierte Kreide 50 Teile
Stearinsäure 2 Teile
Ätherthioäther als Weichmacher 10 Teile
Zinkoxyd 5 Teile
Tetramethylthiuramdisulfid 2,5 Teile
Benzothiazyl-2-Cyclohexylsulfenamid 3 Teile
Schwefel 0,7 Teile
Auf den in das Werkzeug eingelegten Rohling der angegebenen Zusammensetzung wird ein zweiter Rohling aus dem Epoxidharzformstoff aufgebracht. Dieser besteht aus einem höhermolekularen Harz auf Basis Epichlorhydrin und Bisphenol A mit einem Polyamin als Härtungskomponente sowie mineralischen Füllstoffen und Glasfasern als Verstärkungskomponente. Das Werkzeug wird geschlossen -und auf eine Temperatur von 180° C erwärmt. Durch den auf die beiden Rohlinge ausgeübten Druck werden diese im Bereich der Grenzschicht fest untereinander verpreßt. Im Verlauf der anschließenden Reaktion der Werkstoffe beider Teile kommt es zur Ausbildung einer Polyaddition im Bereich der Grenzschicht, an der die Silanolgruppen der gefällten Kieselsäure und die Epoxi gruppen des Formstoffes im Zusammenhang mit der aminischen Härtungskomponente beteiligt sind. Die beiden Werkstoffe sind im Bereich der Grenzschicht fest untereinander verbunden. Auch nach längerer Lagerung in einem quellenden Medium, beispielsweise in erwärmtem öl, läßt sich die erhaltene Verbindung gewaltsam nicht im Bereich der Grenzschicht lösen.
Beispiel 3
Unter den Bedingungen des Beispiels 1 wird ein Rohling aus einem unvernetzten elastomeren Werkstoff eingesetzt, der auf Basis eines Butylacrylates aufgebaut ist und der eine Vernetzungskomponente enthält, die Epoxidgruppen aufweist in der folgenden Zusammensetzung:
03-ö#-33/(K03
2805127
Elastomer 100 Teile
Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von
80 m2/g (HAF-Ruß) 40 Teile
Stearinsäure 2 Teile
Aminischer Vernetzer 1 Teil
Die Formmasse, aus der das zweite Teil gebildet ist, wird entsprechend Beispiel 2 zusammengesetzt.
Die Verarbeitung erfolgt entsprechend Beispiel 1. Die Haftung zwischen den beiden Materialien ist nach dem Erkalten so fest, daß beim Zerreißtest ein Bruch innerhalb des vernetzten elastomeren Werkstoffes auftritt. Die Bindung an der Grenzschicht beruht auf der Polyadditionsreaktion-zwischen dem Epoxidgruppen enthaltenden Elastomer und der aminischen Härtungskomponente, die in der Formmasse enthalten ist.
Beispiel 4
Unter den Bedingungen des Beispiels 1 wurde zum Vergleich eine Elastomermischung der folgenden Zusammensetzung in entsprechender Weise eingesetzt:
Acrylnitril-Butadien-Copolymerisat mit 28 % AN 100 Teile
2 Ruß mit einer spezifischen Oberfläche von 40 m /g 70 Teile
Zinkoxyd 5 Teile
Stearinsäure 2 Teile
Weichmacher z. B. Dioctylphthalat 20 Teile
Tetramethylthinramdisulfid 2,5 Teile
Benzothiazyl-2-Cyclohexylsulfenamid 3 Teile
Schwefel 0,7 Teile
Die gesamte weitere Durchführung des Verfahrens entsprach den Bedingungen entsprechend Beispiel 1. Zwischen den beiden aneinander grenzenden Teilen wurde im Bereich der Grenzfläche durch das Fehlen von Komponenten, die eine Polyaddition mit Bestandteilen des gegenüberliegenden Werkstoffes bewirken, keine gute Festigkeit erreicht.. Beim Zerreißtest kam es zu einem Bruch im Bereich der Grenzfläche.
Ö30gö33/04Q3
ΆΑ-
Beispiel 5
In einem weiteren Versuch wurde das Bauteil 1 aus einer elastomeren Zusammensetzung entsprechend Beispiel 2 hergestellt, mit dem Unterscheidungsmerkmal , daß als Weichmacher ein Polyesterpolyol gewichtsgleich eingemischt wird. Die Formmasse für das 2. Bauteil entsprach der angegebenen Zusammensetzung. Die Haftfestigkeit unter den angegebenen Bedingungen entsprach im wesentlichen dem angegebenen Ergebnis.
Beispiel 6
Beispiel 2 wurde mit gleicher Zusammensetzung der beiden Bauteile wiederholt mit dem einzigen Unterscheidungsmerkmal, daß an Stelle des angegebenen Weichmachers ein Polybutadien mit Hydroxylendgruppen eingesetzt wird. Die Haftfestigkeit der Verbindung, die auf der Polyadditionsreaktion zwischen den Silanol-Gruppen der gefällten Kieselsäure, den Hydroxylgruppen des Polybutadienöls auf der einen Seite und der Epoxidgruppen des Formstoffs auf der anderen Seite beruht, entsprach der angegebenen.
- 10 O30O33/O4Ö3

Claims (6)

29051-2? Patentansprüche Λ ν
1.j Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstückes, bei dem zur Aus- ^. bildung eines zweiten Teiles ein gieß- bzw. schmelzbares Harz in einem Formwerkzeug auf ein vorgefertigtes erstes Teil aus einem unvernetzten elastomeren Werkstoff aufgespritzt oder aufgegossen und erwärmt wird, wodurch eine Verfestigung und parallel zu der ablaufenden chemischen Reaktion eine feste Haftung zwischen den beiden Teilen erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als elastomerer Werkstoff ein Werkstoff aus der Gruppe der Acrylester-Copolymerisate verwendet wird, der zur Vernetzung Epoxidgrupppen enthält.
2. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstückes, bei dem zur Ausbildung eines zweiten Teiles ein gieß- bzw. schmelzbares Harz in einem Formwerkzeug auf ein vorgefertigtes erstes Teil aus einem unvernetzten elastomeren Werkstoff aufgespritzt oder aufgegossen und erwärmt wird, wodurch eine Verfestigung und parallel zu der ablaufenden chemischen Reaktion eine feste Haftung zwischen den beiden Teilen erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den elastomeren Werkstoff und/oder das Harz eine Substanz eingemischt wird, die während der Erwärmung an der Grenzschicht durch eine Polyaddition mit dem Werkstoff des jeweils anderen Bauteils reagiert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elastomerer Werkstoff ein Werkstoff aus der Gruppe der Acrylnitril-Butadien-Copolymerisate oder der Acrylester-Copolymerisate verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als eingemischte Substanz des elastomeren Werkstoffes ein Weichmacher mit mehrfunktionellen Endgruppen zur Anwendung kommt, vorzugsweise ein PoIyesterpolyol, oder ein Polybutadiene)! mit Hydroxylgruppen.
- 11 -
030033/0403
ORlGlNALiNSPECTE
-y-i
5. Verfahren nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als eingemischte Substanz des Elastomers ein Füllstoff zur Anwendung kommt, vorzugsweise eine gefällte Kieselsäure.
6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmehärtbares Harz ein Epoxidharz verwendet wird, vorzugsweise ein faserverstärktes Epoxidharz.
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