DE3441988A1

DE3441988A1 - Verfahren zum thermischen verbinden zweier kunststoffteile

Info

Publication number: DE3441988A1
Application number: DE19843441988
Authority: DE
Inventors: Michael 7850 Lörrach Natschke; Werner 7867 Maulburg Sänger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1984-11-16
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1986-05-22
Also published as: DE3441988C2

Description

Verfahren zum thermischen Verbinden
zweier Kunststoffteile Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Verbinden zweier Kunststoffteile an aneinanderliegenden Kontaktflächen, von denen das erste Kunststoffteil aus einem bei Temperaturerhöhung bis zu einer materialbedingten Grenztemperatur formstabilen Kunststoff besteht.
Es ist bekannt, Kunststoffteile, die bei Temperaturerhöhung über ihre Erweichungs- oder Schmelztemperatur ihre Formstabilität verlieren, durch gleichzeitiges gemeinsames Erwärmen zu verschweißen. Dieses Verfahren kann aber bei Kunststoffen, die gegenüber einer Temperaturerhöhung, die bis zu ihrer Zersetzungstemperatur gehen kann, im wesentlichen formstabil bleiben, nicht angewendet werden. Dies gilt insbesondere für Polytetrafluoräthylen (PTFE), das wegen seiner hohen Schmelzviskosität bei den für die Verschweißung noch möglichen Temperaturen nur dadurch verschweißbar ist, daß sehr hohe Drücke für sehr lange Zeiten ausgeübt werden. Nun wird aber gerade Polytetrafluoräthylen wegen seiner großen chemischen Beständigkeit und Temperaturfestigkeit sowie wegen seiner ausgezeichneten mechanischen und elektrischen Eigenschaften auf vielen Gebieten bevorzugt verwendet.
In der DE-PS 23 11 096 ist ein Verfahren zum Verbinden von Polytetrafluoräthylen enthaltenden Formkörpern untereinander oder mit anderen bei Temperaturen bis 4000C beständigen Materialien beschrieben, bei welchem die zu verbindenden Partien der Formkörper mit einer Zwischenlage aus einem Copolymeren aus 90 bis 99,5 Gew.-% Tetrafluoräthylen und 0,5 bis 10 Gew.-% eines Perfluoralkyl-Perfluorvinyläthers der Formel CF2 = CF - OR, worin R eine Perfluoralkylkette mit 1 bis 10 C-Atomen bedeutet, versehen und unter Anwendung eines Druckes von 0,1 bis 20 bar bei einer Temperatur von 320 bis 4000C zusammengepreßt werden. Bei diesem Verfahren bildet die Zwischenlage ein Bindemittel zur thermischen Verbindung der beiden Formkörper. Die Zwischenlage kann in Form eines Granulats, eines Pulvers oder einer Dispersion aufgebracht werden, doch wird das Aufbringen der Zwischenlage in Form einer Folie bevorzugt.
Bei diesem bekannten Verfahren ist es nachteilig, daß zum Verbinden der Formkörper außer der Erwärmung zusätzlich ein Druck aufgebracht werden muß. Die Anwendung des Druckes sowie auch das Aufbringen der Zwischenlage kann bei bestimmten Formen der beiden Formkörper zu erheblichen Schwierigkeiten führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der eine Formkörper rohrförmig ist und den anderen Formkörper umschließt. In diesem Fall muß der Druck allseitig aufgebracht werden, was schwierig ist.
Wenn ferner die Formkörper mit enger Passung ineinandergefügt sind, ist es schwierig, die Zwischenlage zwischen den einander zugewandten Kontaktflächen der Formkörper anzubringen. Wenn umgekehrt die Formkörper mit großem Spiel ineinandergefügt werden, um das Anbringen der Zwischenlage zu erleichtern, ist es noch schwieriger, den erforderlichen Anpreßdruck zu erzeugen, so daß die Gefahr besteht, daß keine durchgehende Schweißverbindung entsteht.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum thermischen Verbinden von Kunststoffteilen der eingangs angegebenen Art, das einfach und billig durchführbar ist und eine durchgehende, sichere thermische Verbindung der beiden Kunststoffteile gewährleistet, die einer Schweißverbindung gleichwertig ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine kapazitive Sonde zur Füllstandsmessung oder zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes mit einem isolierenden Überzug, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, Fig. 2 die Herstellung des isolierenden Überzugs der Sonde nach Fig. 1 durch das erfindungsgemäße Verfahren und Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips, auf dem das erfindungsgemäße Verfahren beruht.
In Fig. 1 ist als Anwendungsbeispiel für das Verfahren zum thermischen Verbinden zweier Kunststoffteile eine kapazitive Sonde 1 zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter dargestellt.
Die Sonde 1 hat ein Einschraubstück 2 mit einem Gewinde 3 und einem Sechskant 4. Mittels des Einschraubstücks 2 ist die Sonde 1 in eine Gewindeöffnung in der nicht dargestellten Wand der Behälters einschraubbar. Das Einschraubstück 2 trägt einen in das Innere des Behälters ragenden metallischen Sondenstab 5, der in Abhängigkeit vom Füllstand im Behälter zeitweise von dem zu messenden Füllgut überdeckt wird. An der Außenseite des Behälters trägt das Einschraubstück 2 einen Sondenkopf 6, in dem eine elektronische Schaltung untergebracht ist, die die vom Füllstand abhängige Kapazität des Sondenstabs 5 gegenüber der Behälterwand mißt und ein elektrisches Meßwertsignal liefert.
Zum Schutz gegen Korrosion und aggressive Füllgüter ist der Sondenstab 5 mit einer rohrförmigen Ummantelung 7 aus Kunststoff überzogen. Die rohrförmige Ummantelung 7 steht an dem dem Einschraubstück 2 abgewandten Ende in axialer Richtung etwas über das Ende des Sondenstabes 5 über und ist dort durch einen zylindrischen Stopfen 8 aus Kunststoff verschlossen.
Die rohrförmige Ummantelung 7 besteht vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) wegen der hervorragenden chemischen, thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieses Materials. Der Stopfen 8 muß sehr fest und absolut dicht mit dem PTFE-Rohr 7 verbunden sein, damit er sich unter den rauhen Betriebsbedingungen nicht löst und auch jegliches Eindringen von aggressiven Medien in das Innere des PTFE-Rohres verhindert wird. Diese Forderung steht der Verwendung von Polytetrafluoräthylen für die rohrförmige Ummantelung 7 entgegen, denn Polytetrafluoräthylen läßt sich mit einem Stopfen 8 aus dem gleichen oder einem anderen Kunststoff nur sehr schwierig verbinden. Ein Verkleben von Polytetrafluoräthylen ist ohne besondere Vorbehandlung nicht möglich, und ein thermisches Verschweißen von Polytetrafluoräthylen nach den für Kunststoffe üblichen Techniken scheitert an seiner hohen Schmelzviskosität.
Fig. 2 zeigt, wie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr feste und dichte Verbindung zwischen dem Kunststoffstopfen 8 und der rohrförmigen Ummantelung 7 hergestellt werden kann, wenn die rohrförmige Ummantelung 7 aus Polytetrafluoräthylen oder einem anderen bis zu einer materialbedingten hohen Grenztemperatur formbeständigen Kunststoff besteht.
Zu diesem Zweck wird der Stopfen 8 aus einem Kunststoff hergestellt, dessen Erweichungs- oder Schmelztemperatur unter der Grenztemperatur liegt, bis zu der das Material der Ummantelung 7 formbeständig ist, und der außerdem die Eigenschaft hat, sich bei einer Temperaturerhöhung über seine Erweichungs- oder Schmelztemperatur mit dem bei dieser Temperatur noch formbeständigen Kunststoff der Ummantelung 7 thermisch zu verbinden. Wenn die Ummantelung 7 aus Polytetrafluoräthylen besteht, ist ein geeignetes Material für den Stopfen 8 beispielsweise das in der DE-PS 23 11 096 angegebene Copolymer aus 90 bis 99,5 Gew.-% Tetrafluoräthylen und 0,5 bis 10 Gew.-% eines Perfluoralkyl-Perfluorvinyläthers der Formel CF2 = CF - OR, worin R eine Perfluoralkylkette mit 1 bis 10 C-Atomen bedeutet.
Dieses Material hat die Eigenschaft, daß es bei Erwärmung über seine Schmelztemperatur, die bei etwa 300 bis 3100C liegt, eine einer Verschweißung vergleichbare thermische Verbindung mit Polytetrafluoräthylen eingeht, obwohl das Polytetrafluoräthylen bei diesen Temperaturen noch formbeständig ist.
Der aus dem angegebenen Kunststoff hergestellte Stopfen 8 wird durch eine spanabhebende Bearbeitung auf das dem Innendurchmesser der Ummantelung 7 entsprechende Außenmaß gebracht. Die spanabhebende Bearbeitung der Umfangsfläche des Stopfens 8 ist so durchzuführen, daß sich eine besonders glatte Oberfläche ergibt. Vorzugsweise wird der Außendurchmesser des Stopfens 8 so gewählt, daß der Stopfen 8 mittels eines strengen Schiebesitzes oder einen leichten Preßsitz in die rohrförmige Ummantelung 7 eingeführt werden kann. Der feste Sitz hält die Teile während der Durchführung des Verfahrens zusammen und gewährleistet eine besonders feste, innige und dichte Verbindung zwischen den aneinanderliegenden Kontaktflächen.
Nach der mechanischen Bearbeitung des Stopfens 8 werden die zu verbindenden Flächen der Ummantelung 7 und des Stopfens 8 chemisch gereinigt, beispielsweise mit einem im Handel erhältlichen Ethylacetat-Reiniger. Die Reste des Reinigers werden sorgfältig entfernt.
Nach dem Einführen des Stopfens 8 in die Ummantelung 7 folgt die thermische Behandlung. Grundsätzlich erfolgt die Erwärmung von der Umfangsfläche der Ummantelung 7 her in der Weise, daß die Erwärmung um den ganzen Umfang möglichst gleichförmig ist und von außen nach innen zur Achse hin ein Wärmegradient entsteht. Die Erwärmung kann durch beliebige Wärmequellen erfolgen, beispielsweise durch Infrarotstrahler oder Heißluft. In Fig. 2 ist als Beispiel der Fall dargestellt, daß eine örtlich konzentrierte Wärmequelle 10 in Form der Gasflamme 11 eines Gasbrenners 12 verwendet wird, die auf die Außenfläche des den Stopfen 8 enthaltenden Endabschnitts der rohrförmigen Ummantelung 7 gerichtet ist. Damit bei einer solchen konzentrierten Wärmequelle eine gleichförmige Erwärmung um den ganzen Umfang erreicht wird, ist die Ummantelung 7 in eine Drehvorrichtung 13 eingespannt, die beispielsweise durch das Spannfutter einer Drehbank gebildet ist. Mittels der Drehvorrichtung 13 wird die Ummantelung 7 während der Erwärmung um die eigene Achse gedreht. Es hat sich gezeigt, daß mit einer Drehzahl von etwa 100 bis 120 U/min eine gleichförmige Erwärmung um den ganzen Umfang erzielt wird.
Das Erwärmen des Endabschnitts der Ummantelung 7 mit dem darin angeordneten Stopfen 8 muß in einer genau definierten Weise erfolgen, die anhand von Fig. 3 erläutert wird.
Fig. 3 zeigt eine zum Teil abgebrochene Stirnansicht der rohrförmigen Ummantelung 7 mit dem darin angeordneten Stopfen 8. Der Radius der Ummantelung 7 ist mit R7 und der Radius des Stopfens 8 mit R8 bezeichnet. Die Gasflamme 11 ist in einem solchen Abstand von der Außenfläche der Ummantelung 7 angeordnet, daß die höchste Temperatur in der Ummantelung 7 die Grenztemperatur, bis zu der das Material der Ummantelung 7 noch formstabil ist, nicht überschritten wird. Diese höchste Temperatur besteht an der Außenfläche der Ummantelung 7, während radial nach innen in der Ummantelung 7 und im Stopfen 8 ein abfallender Temperaturgradient besteht. Dieser Temperaturgradient ist im unteren Teil von Fig. 3 als Funktion des Radius dargestellt. Es ist unmittelbar zu erkennen, daß unter der angegebenen Voraussetzung im Innern der Ummantelung 7 und insbesondere auch an der zu verbindenden inneren Kontaktfläche nur Temperaturen herrschen, die unter der materialbedingten Grenztemperatur liegen, bis zu der das Material formstabil ist.
Durch geeignete Durchführung der Erwärmung wird der Temperaturgradient so eingestellt, daß die Temperatur im Innern des Stopfens 8 nur in einer Randzone 9 verhältnismäßig geringer Tiefe die Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur des Kunststoffes, aus dem der Stopfen 8 besteht, übersteigt. Dadurch behält der Kern des Stopfens 8 seine Formstabilität, während in der Randzone 9 und insbesondere an der zu verbindenden Kontaktfläche der Kunststoff des Stopfens 8 vom formstabilen in den flüssigen Zustand übergeht, der eine thermische Verbindung mit dem Kunststoff der Ummantelung 7 ergibt. Es genügt, wenn die Randzone 9 eine Tiefe von etwa 2 mm hat.
Die Zahlenwerte des Diagramms im unteren Teil von Fig. 3 gelten für den Fall, daß die Ummantelung 7 aus Polytetrafluoräthylen und der Stopfen 8 aus dem zuvor angegebenen Copolymer bestehen. Die Grenztemperatur, bis zu der Polytetrafluoräthylen formstabil ist, liegt über etwa 4000C, so daß diese Temperatur an der Außenfläche der Ummantelung 7 erreicht werden darf. Die Schmelztemperatur des Copolymers des Stopfens 8 beträgt etwa 3000C, so daß diese Temperatur im Innern des Stopfens 8 die Breite der Zone 9 bestimmt.
Durch die Verflüssigung des Kunststoffs in der sich an die Kontaktfläche anschließenden Randzone des Stopfens 8 wird beim anschließenden Abkühlen zwischen der Ummantelung 7 und dem Stopfen 8 eine nicht lösbare und dichte thermische Verbindung hergestellt, die einer Verschweißung vergleichbar ist.
Das Verfahren läßt sich sehr einfach durchführen, weil nur eine Erwärmung erforderlich ist; insbesondere entfällt die Notwendigkeit einer Druckanwendung. Bei dem angegebenen Anwendungsbeispiel besteht ein besonderer Vorteil darin, daß das Verschließen der Ummantelung 7 durch den Stopfen 8 erfolgen kann, während sich der Sondenstab 5 in der Ummantelung befindet. Schließlich läßt sich das Verfahren in verhältnismäßig kurzer Zeit durchführen; selbst bei Verwendung einer einfachen Gasflamme wird der angegebene Temperaturgradient in etwa 10 min erreicht, und nach einer Abkühlzeit von etwa 15 min kann die dicht verschlossene Stabsonde aus der Drehvorrichtung 13 entnommen werden.
Bedingt durch das Prinzip der thermischen Verbindung der beiden Kunststoffteile ist zwangsläufig das Material des Stopfens 8 von dem Material der rohrförmigen Ummantelung 7 verschieden. Die Güte des Gesamtüberzugs des Sondenstabs 5 wird dadurch jedoch nicht beeinträchtigt. Einerseits ist der Stopfen 8 sehr geschützt angeordnet, sehr massiv und nur an seiner verhältnismäßig kleinen Stirnfläche einem Angriff durch aggressive Medien ausgesetzt.
Andererseits gibt es für den Stopfen 8 Kunststoffe, die zwar hinsichtlich der niedrigeren Schmelztemperatur und Verbindungsfähigkeit mit dem Material der Ummantelung die geforderten Eigenschaften haben, hinsichtlich der übrigen Eigenschaften, wie der chemischen Beständigkeit und mechanischen Festigkeit, durchaus mit dem Material der Ummantelung vergleichbar sind. So weist insbesondere das zuvor angegebene Copolymer, das bevorzugt zusammen mit Polytetrafluoräthylen verwendet wird, nahezu die gleiche chemische Beständigkeit und mechanische Festigkeit wie dieses auf. Somit wird bei Verwendung dieser Materialien durch ein sehr einfaches Verfahren ein Sondenstab-Überzug erhalten, der weitgehend mit einem einstückigen Überzug aus Polytetrafluoräthylen vergleichbar ist.

Claims

Patentansprüche .

Verfahren zum thermischen Verbinden zweier Kunststoffteile an aneinanderliegenden Kontaktflächen, von denen das erste Kunststoffteil aus einem bei Temperaturerhöhung bis zu einer materialbedingten Grenztemperatur formstabilen Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kunststoffteil aus einem Kunststoff besteht, dessen Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur unter der Grenztemperatur des ersten Kunststoffteils liegt und der beim überschreiten der Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur einen Zustand annimmt, in dem er sich mit dem Kunststoff des ersten Kunststoffteils thermisch verbinden kann, und daß die beiden Kunststoffteile durch das erste Kunststoffteil hindurch derart erwärmt werden, daß ein Temperaturgradient besteht, bei welchem die Temperatur im ersten Kunststoffteil unter dessen Grenztemperatur bleibt und die an die Berührungsfläche angrenzende Randzone des zweiten Kunststoffteils eine dessen Erweichungs-bzw. Schmelztemperatur übersteigende Temperatur erreicht, während die Temperatur im übrigen Teil des zweiten Kunststoffteils unter der Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Berührungsflächen der beiden Kunststoffteile vor dem Zusammenfügen chemisch gereinigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Berührungsflächen der beiden Kunststoffteile vor dem Zusammenfügen zur Erzielung einer guten flächenhaften Berührung bearbeitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das erste Kunststoffteil rohrförmig ist und das zweite Kunststoffteil umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kunststoffteil unter leichtem Preßsitz in das rohrförmige erste Kunststoffteil eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das zweite Kunststoffteil koaxial im Innern des rohrförmigen ersten Kunststoffteils angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch wenigstens eine auf die Außenseite des rohrförmigen ersten Kunststoffteils gerichtete Wärmequelle erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kunststoffteile während der Erwärmung um ihre gemeinsame Achse gedreht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kunststoffteil aus Polytetrafluoräthylen besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kunststoffteil aus einem Copolymeren aus 90 bis 99,5 Gew.-% Tetrafluoräthylen und 0,5 bis 10 Gew.-% eines Perfluoralkyl-Perfluorvinyläthers der Formel CF2 = CF - OR, worin R eine Perfluoralkylkette mit 1 bis 10 C-Atomen bedeutet, besteht.