DE3942616A1 - Verkleben von wasserdampfundurchlaessigen substraten mit feuchtigkeitshaertenden schmelzklebstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flächigen Verbinden von feuchtigkeits- und/oder wasserdampfundurchlässigen Substraten mittels feuchtigkeitshärtenden bzw. -nachvernetzenden Schmelzkleb­ stoffen mit einer Viskosität von mindestens 5 Pas bei 90°C durch Aufbringen des geschmolzenen Schmelzklebstoffs bei einer Applika­ tionstemperatur im Bereich von 80 bis 150°C auf mindestens eins der Substrate und anschließendes Zusammenfügen der zu verbindenden Substrate.

Eine wichtige Gruppe reaktiver Schmelzkleber sind die feuchtigkeits­ vernetzenden Schmelzklebstoffe. Hierunter versteht man im allgemei­ nen lösungsmittelfreie thermoplastische Klebstoffe, die nach dem Schmelzauftrag auf ein Substrat ihre Endfestigkeit und Wärmestand­ festigkeit nicht nur durch Erkalten bzw. Erstarren erreichen, sondern durch Nachvernetzung mit Wasser aus der Atmosphäre oder aus dem Substrat aushärten. Die mit Wasser reagierenden Gruppen können NCO-Gruppen sein, wie z. B. in der DE 24 01 320, EP 19 159, DE 32 36 313, DE 33 39 981, US 39 91 025, US 39 31 077, US 41 66 873, EP 1 25 008 und EP 1 25 009 beschrieben.

Feuchtigkeitshärtende Schmelzkleber können auch dadurch erhalten werden, daß man die freien NCO-Gruppen von Präpolymeren z. B. mit Aminoalkyltrialkoxysilanen umsetzt, wobei die Aushärtung dann über die Trialkoxysilanendgruppen erfolgt. Diese sogenannten Silan- Schmelzklebstoffe sind z. B. aus der DE 37 14 763 bekannt.

Ein Nachteil derartiger Klebeverfahren mittels Schmelzklebstoffen besteht jedoch darin, daß die Härtungsreaktion nicht oder nicht vollständig ablaufen kann, wenn die zu verklebenden Substrate feuchtigkeits- und/oder wasserdampfundurchlässig sind. Die nicht vorveröffentlichte deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen P 38 40 220.3 beschreibt ein Verfahren, in welchem man dem Schmelz­ kleber unmittelbar vor der Applikation Substanzen zumischt, die Was­ ser in reversibler chemischer oder absorptiver Bindung bei der je­ weiligen Arbeitstemperatur enthalten. Bei diesem Verfahren beginnt die Aushärtung und d. h. die Reaktion des Wassers mit den wasser­ reaktiven Gruppen bereits vor der Applikation, was bei einigen An­ wendungen durchaus unerwünscht sein kann, z. B. wenn in der industri­ ellen Anwendung es zu einem Verfahrensstop kommt und der Schmelz­ klebstoff in der Auftragsdüse zu vernetzen beginnt.

In der DE 34 12 884 hat man versucht, die genannten Probleme mit Hilfe eines Primers zu bewältigen. Dieser Primer besteht im wesent­ lichen aus einer Lösung von Hexamethylentetramin in Aceton. Der Ein­ satz eines solchen Primers liefert jedoch insbesondere bei silan- oder siloxanvernetzenden Systemen meist unbefriedigende Ergebnisse. Zudem tritt durch das Amin eine in der Praxis störende Geruchsbelä­ stigung auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den vorhandenen Stand der Tech­ nik dahingehend zu verbessern, daß ein einfaches und praktikables Verfahren aufgezeigt wird, mit Hilfe dessen es möglich ist, ohne Geruchsbelästigung und ohne Zumischung von Wasser oder wasserhal­ tigen Substanzen vor der Applikation, wasserdampf- bzw. feuchtig­ keitsundurchlässige Substrate mit Hilfe von feuchtigkeitshärtenden Schmelzklebstoffen flächig zu verbinden und dabei sicherzustellen, daß genügend Feuchtigkeit vorhanden ist, daß der Schmelzklebstoff in ausreichender Weise möglichst schnell und reproduzierbar nachver­ netzen kann und hohe Festigkeiten ergibt.

Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum flächigen Verbinden von feuchtigkeits- und/oder wasserdampfundurch­ lässigen Substraten mittels feuchtigkeitshärtenden bzw. -nachver­ netzenden Schmelzklebstoffen mit einer Viskosität von mindestens 5 Pas bei 90°C durch Aufbringen des geschmolzenen Schmelzklebstoffs bei einer Applikationstemperatur im Bereich von 80 bis 150°C auf mindestens eins der Substrate und anschließendes Zusammenfügen der zu verbindenden Substrate, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eins der Substrate vor dem Aufbringen des Schmelzklebstoffs und/oder vor dem Zusammenfügen an der zu verbindenden Oberfläche befeuchtet wird.

Soll ein geschmolzener Schmelzklebstoff auf ein feuchtes oder be­ feuchtetes Substrat aufgetragen werden, so könnte man vermuten, daß durch die hohe Verdampfungswärme der Feuchtigkeit bzw. des Wassers der Schmelzklebstoff an der dem Substrat zugewandten Seite vorzeitig partiell abkühlt und aushärtet, was zu einer verminderten Haftung am Substrat führen könnte und/oder daß die Feuchtigkeit so schnell und vollständig verdampft, daß diese nicht in ausreichendem Maße für die Nachvernetzung des Schmelzklebstoffes zur Verfügung steht. Überra­ schenderweise wurde nun gefunden, daß ein derartiges Verfahren, bei dem mindestens eines der wasserdampf- und/oder feuchtigkeitsundurch­ lässigen Substrate befeuchtet wird, zu höheren Festigkeiten, z. B. zu höheren Wärmestandfestigkeiten und zu höheren Zugscherstabilitäten führt, als bei gleicher Verklebung ohne vorherige Befeuchtung.

Es gibt mehrere Methoden, ein solches Verfahren mit vorheriger Be­ feuchtung durchzuführen. Eine erste Möglichkeit ist, ein Substrat zu befeuchten und anschließend auf dieses Substrat den geschmolzenen feuchtigkeitshärtenden Schmelzklebstoff aufzubringen und an­ schließend mit einem nicht befeuchteten Substrat zusammenzufügen. Es besteht auch die Möglichkeit, den Schmelzklebstoff auf ein nicht befeuchtetes Substrat aufzubringen und anschließend dieses mit min­ destens einem befeuchteten Substrat zusammenzufügen. Selbstverständ­ lich können auch alle Substrate vorher befeuchtet werden. Dabei müs­ sen natürlich die Substrate nicht vollständig von allen Seiten be­ feuchtet werden, sondern nur an den Oberflächen, die anschließend flächig miteinander verbunden werden sollen.

Die Feuchtigkeit kann durch Bedampfen der Substrate aufgebracht wer­ den. Dabei kann z. B. ein Dampfstrahl auf die zu verbindende Sub­ stratoberfläche gerichtet werden, auf welcher der Dampf dann kon­ densiert. Selbstverständlich muß dabei das Substrat eine Temperatur besitzen, die unterhalb der Verdampfungstemperatur liegt. Die Sub­ strate können aber nicht nur durch Dämpfe, sondern auch direkt mit Flüssigkeit befeuchtet werden, welche z. B. durch Streichen oder Ra­ keln aufgebracht werden kann. Dies kann z. B. unter Zuhilfenahme ei­ nes Pinsels, eines Quasts, einer Bürste oder einer Rolle geschehen. Desweiteren kann die Oberfläche der Substrate durch Bespritzen oder Bedüsen mit Flüssigkeit befeuchtet werden. Beim Spritzen kann das Substrat zum Befeuchten in den Flüssigkeitsstrahl gebracht werden. Beim Bedüsen wird die Flüssigkeit durch eine Düse fein zerstäubt und kann sich dann als Nebel in feinverteilter Form auf der Substrat­ oberfläche niederschlagen.

Unter feuchtigkeitshärtenden bzw. feuchtigkeitsnachvernetzenden Schmelzklebstoffen werden im allgemeinen solche verstanden, die üb­ licherweise mit Luftfeuchtigkeit - also letztendlich mit Wasser - aushärten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren befindet sich die Feuchtigkeit, welche zur Nachvernetzung benötigt wird, auf der Ober­ fläche mindestens eines Substrats bzw. wird dort vorher aufgebracht. Dieses Wasser reagiert mit speziellen reaktiven Gruppen der Schmelz­ klebstoffe ab und führt so zur Vernetzung derselben. Die Substrate werden daher durch Dämpfe und/oder flüssige Zubereitungen befeuch­ tet, die als einen wesentlichen Teil Wasser enthalten.

Gute Festigkeiten erreicht man insbesondere dann, wenn die aufge­ brachte Feuchtigkeit eine Temperatur von 20 bis 100°C, insbesondere 80 bis 95°C, aufweist, wenn sie mit dem Schmelzklebstoff in Kontakt gebracht wird. Dieser Temperaturbereich kann insbesondere gut ein­ gehalten werden, wenn die Temperatur des befeuchteten Substrats im gleichen Bereich liegt.

Die polymeren bzw. präpolymeren Bestandteile der Schmelzklebstoffe können unterschiedliche molekulare Grundgerüste aufweisen. Geeignet sind Polymere, die ein thermoplastisches Verhalten aufweisen. Damit sind im allgemeinen solche Polymeren oder Kunststoffe gemeint, die oberhalb einer bestimmten Temperatur bzw. in einem bestimmten Temperaturbereich sich plastisch verformen bzw. aufschmelzen lassen, ohne daß sie sich dabei wesentlich chemisch verändern oder sich gar zersetzen.

Sie unterscheiden sich dabei von Klebstoffen oder Systemen, die den Schmelzklebern zwar chemisch ähnlich sein können, aber grundsätzlich den Flüssigkeiten zuzuordnen sind. Diese werden zwar in einigen Fällen auch vor der Applikation erwärmt, jedoch aus anderen Gründen als bei den Schmelzklebern, z. B. um die Pumpfähigkeit zu erhöhen oder den Klebstoffauftrag zu verbessern bzw. zu beschleunigen. Wie der Name schon sagt, schmelzen Schmelzkleber dagegen erst bei hö­ heren Temperaturen und werden damit applizierbar. Die erfindungs­ gemäß einsetzbaren Schmelzkleber weisen bei der Applikation eine Temperatur von 80°C bis 150°C, vorzugsweise von 100 bis 130°C, auf. In diesem Bereich führt die Kombination zwischen den bekannten Schmelzklebereigenschaften und der Nachvernetzung infolge der auf­ gebrachten Feuchtigkeit zu besonders guten Klebeerfolgen. Beste Ergebnisse werden erzielt, wenn die Viskosität des Schmelzklebers bei der Applikation nicht mehr als 50 Pas, bevorzugt 15 Pas und weniger aufweist. Allerdings sollte der Schmelzkleber auch nicht so niedrigviskos sein, daß er bei Verklebungen an senkrechten Flächen abläuft. Erfindungsgemäß geeignete Schmelzkleber weisen deshalb bei 90°C eine Viskosität von mindestens 5 Pas auf. Bevorzugt werden Schmelzkleber, die über 10 Pas, vorzugsweise 15 Pas und mehr, aufweisen.

Geeignete Schmelzkleber sind bestimmte Thermoplaste, z. B. die den Polyurethanen und/oder den Polyamiden zuzuordnen sind. Unter Polyamiden versteht der Fachmann Polykondensationsprodukte aus Carbonsäuren und Aminen, die jeweils mindestens difunktionell sind. Geeignete Polyamidschmelzkleber können auf Dimerfettsäure als di­ funktionelle Carbonsäure basieren und z. B. auf Ethylendiamin als difunktionelles Amin. Feuchtigkeitsvernetzende Polyamid-Schmelz­ kleber werden beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 37 14 763 beschrieben.

Bevorzugt werden Schmelzklebstoffe mit einem molekularen Grundgerüst aus Polyesterpolyurethanen. Ebenfalls gut geeignet sind Polyether­ polyurethane. Selbstverständlich können im Sinne der Erfindung auch Mischungen der beiden eingesetzt werden. Ebenfalls geeignet sind Polyetherpolyesterpolyurethane.

Hergestellt werden Polyurethanschmelzklebstoffe üblicherweise durch Umsetzung von Polyolen mit einem Überschuß an Diisocyanaten unter Ausschluß von Feuchtigkeit. Als Diisocyanatkomponente werden mei­ stens aromatische Diisocyanate verwendet wie z. B. die Isomeren des Toluylendiisocyanats und des Diphenylmethandiisocyanats (MDI). Es können auch aliphatische Diisocyanate wie 1,6-Hexandiisocyanat und auch Triisocyanate wie das Triphenylmethantriisocyanat verwendet werden.

Als Polyole mit höherem Molekulargewicht werden üblicherweise Poly­ ether- und/oder Polyesterpolyole verwendet. Ausgangssubstanzen zur Darstellung von Polyesterpolyolen sind beispielsweise Adipinsäure, Phthalsäure, Butylenglykol, Glycerin und Hexantriol. Lineare Poly­ esterpolyole können z. B. durch Umsetzung von Adipinsäure mit Ethy­ lenglykol dargestellt werden. Eine weitere Klasse von Polyesterpoly­ olen ist auf der Basis von hydroxylhaltigem Polyacrylat zugänglich. Polyetherpolyole können durch Umsetzung von Epoxiden mit Alkoholen dargestellt werden. Als Alkohole können z. B. Ethylenglykol, Diethy­ lenglykol, Propylenglykol, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaere­ trit, Sorbit, Mannit, Saccharose und Alkylglykoside eingesetzt wer­ den. Geeignete Epoxide sind beispielsweise Ethylenoxid, Propylen­ oxid, Butylenoxid, Styroloxid, Cyclohexenoxid, Trichlorbutylenoxid und Epichlorhydrin. Anstelle eines Epoxids kann aber auch Tetra­ hydrofuran eingesetzt werden. Neben Polyethern und/oder Polyestern können auch Naturstoffe als Polyolkomponente eingesetzt werden wie beispielsweise Rizinusöl. Als niedermolekulare mehrfunktionelle Alkohole sind auch Glykole, Glycerin, Butandiol und Trimethylol­ propan geeignet.

Die in den erfindungsgemäß einsetzbaren Schmelzklebstoffen enthal­ tenen reaktiven Gruppen, die mit Wasser unter Vernetzung der Schmelzklebstoffe abreagieren können, sind insbesondere NCO-Gruppen und/oder Alkoxysilangruppen. Diese Schmelzklebstoffe sind für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet. Bei den Alkoxysilan­ gruppen handelt es sich vorzugsweise um Trialkoxysilangruppen. Die mit Wasser reaktiven Gruppen können in unterschiedlicher Anzahl und Position mit dem Polymerengrundgerüst verknüpft sein. So sind z. B. Schmelzklebstoffe mit durch Pfropfung seitenständig angeordneten feuchtigkeitsreaktiven Gruppen für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet. Vorzugsweise sind jedoch sowohl die NCO-Gruppen als auch die Alkoxysilangruppen terminal angeordnet.

Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zum flächigen Verbinden von feuchtigkeitsundurchlässigen Substraten aus organi­ schen Polymeren, aus Metallen bzw. Legierungen und/oder aus anor­ ganischen Gläsern. Unter organischen Polymeren werden hier gängige Kunststoffe verstanden, z. B. solche auf Basis von Polyurethan, Po­ lyvinylchlorid, Polyacrylat, Polyamid oder Polyester. Unter den vielen möglichen Metallen bzw. Legierungen, die mit diesem Verfahren verklebt werden können, seien beispielhaft als wichtigste Substrate die Stähle genannt, insbesondere in Form von Stahlblechen. Auch an­ organische Gläser können mit diesem Verfahren miteinander verbunden werden. Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dabei nicht nur Gläser als solche geeignete Substrate sondern auch Werkstoffe mit glasierten oder emaillierten Oberflächen.

Besonders bewährt hat sich ein Verfahren, bei dem der Schmelzkleb­ stoff zunächst auf ein nicht befeuchtetes Substrat aufgetragen wird. Dieses wird dann mit mindestens einem vorher befeuchteten Substrat zusammengefügt. Diese Verfahrensvariante wird besonders bevorzugt, da sie zu besonders guten Ergebnissen führt und sich als sehr prak­ tikabel erwiesen hat.

Die Erfindung soll durch die nachfolgenden Beispiele verdeutlicht werden.

Beispiele

Es wurden drei nachvernetzende Schmelzklebstoffe getestet. Klebstoff Nr. 1 ist ein NCO-terminiertes Polyesterpolyurethan, das im Handel als Makroplast® QR3460 zu erhalten ist.

Klebstoff Nr. 2 ist ein Alkoxysilan-terminiertes Polyesterpolyether­ polyurethan, hergestellt aus 195 g Polyester, 30 g Polypropylengly­ kol, 21 g Toluylendiisocyanat, 2,8 g Dibutylzinndilaurat und 26 g eines 1 : 1 Addukts aus Isophorondiisocyanat und γ-aminopropyl­ triethoxysilan.

Klebstoff Nr. 3 ist ein alkoxysilanterminiertes Polyamid, herge­ stellt aus 37,5 g Dimerfettsäure (Pripol 1013), 10,4 g Azelainsäure, 8,9 g Piperazin, 2,5 g Ethylendiamin und 12,7 g eines 1 : 1-Adduktes aus Isophorondiisocyanat und γ-Aminopropylmethyldiethoxysilan und 0,7 g Dibutylzinndilaurat. Zur Senkung der Schmelzviskosität wurden 20% eines 1 : 1 : 1-Adduktes aus Hexanol, Isophorondi­ isocyanat und γ-Aminopropylmethyldiethoxysilan zugefügt.

Zur Herstellung der Verklebung wurde der Schmelzkleber einseitig auf ein unvorbehandeltes Substrat aufgebracht und mit einem zweiten be­ feuchteten Substrat zusammengefügt. Dieses zweite Substrat wurde vor dem Zusammenfügen mittels eines Dampfstrahls befeuchtet. Es ergaben sich folgende Wärmestandfestigkeiten und Zugscherfestigkeiten.

Tabelle 1

Claims (14)

1. Verfahren zum flächigen Verbinden von feuchtigkeits- und/oder wasserdampfundurchlässigen Substraten mittels feuchtigkeitshär­ tenden bzw. -nachvernetzenden Schmelzklebstoffen mit einer Viskosität von mindestens 5 Pas bei 90°C durch Aufbringen des geschmolzenen Schmelzklebstoffs bei einer Applikationstemperatur im Bereich von 80 bis 150°C auf mindestens eins der Substrate und anschließendes Zusammenfügen der zu verbindenden Substrate, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eins der Substrate vor dem Aufbringen des Schmelzklebstoffs und/oder vor dem Zusammenfügen an der zu verbindenden Oberfläche befeuchtet wird.

2. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Substrate durch Bedampfen befeuchtet wer­ den.

3. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Substrate durch Streichen oder Rakeln be­ feuchtet werden.

4. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Substrate durch Bedüsen oder Bespritzen befeuchtet werden.

5. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Ansprüchen 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Substrate mittels wasserhaltigen Dämpfen und/oder Zubereitungen befeuchtet werden.

6. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Ansprüchen 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte Feuchtigkeit beim in Kontakt bringen mit dem Schmelzklebstoff eine Temperatur von 20 bis 100°C, bevorzugt 80 bis 95°C aufweist.

7. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schmelzkleber aufgebracht werden, die eine Viskosität bei 90°C von über 10 Pas, insbesondere mehr als 15 Pas, aufweisen.

8. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Ansprüchen 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schmelzkleber mit einer Applika­ tionstemperatur im Bereich von 100 bis 130°C aufgebracht werden.

9. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Ansprüchen 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß Schmelzkleber aufgebracht werden, die bei der Applikationstemperatur eine Viskosität von nicht mehr als 50 Pas, bevorzugt etwa 15 Pas und weniger aufweisen.

10. Verfahren zum flächigen Verbinden nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Schmelzklebstoffe mit einem mo­ lekularen Grundgerüst aus Polyester- und/oder Polyetherpolyure­ thanen auf das Substrat aufgebracht werden.

11. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Ansprüchen 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß über Alkoxysilan- und/oder NCO-Gruppen feuchtigkeitshärtende Schmelzkleber auf das Substrat aufgebracht werden.

12. Verfahren zum flächigen Verbinden nach Ansprüchen 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß Schmelzklebstoffe mit terminalen NCO- Gruppen und/oder terminalen Alkoxysilangruppen auf das Substrat aufgebracht werden.

13. Verfahren zum flächigen Verbinden nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzklebstoffe auf Sub­ strate aus feuchtigkeitsundurchlässigen organischen Polymeren, Metallen bzw. Legierungen und/oder anorganischen Gläsern aufge­ bracht werden.

14. Verfahren zum flächigen Verbinden nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzklebstoff auf ein nicht befeuchtetes Substrat aufgebracht wird und dieses an­ schließend mit einem an der zu verbindenden Oberfläche befeuch­ teten Substrat zusammengefügt wird.