DE60003783T2

DE60003783T2 - Verbindung mittels eines thermoplastischen-elastomer elementes

Info

Publication number: DE60003783T2
Application number: DE60003783T
Authority: DE
Inventors: Antonio Avides Moreira; Johannes Markus BULTERS
Original assignee: DSM NV
Current assignee: Koninklijke DSM NV
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2020-01-25
Also published as: DE60003783D1; NL1011134C2; AU2467100A; ES2202049T3; EP1147005A1; WO2000044551A1; EP1147005B1

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Komponente, die aus einem thermoplastischen Elastomermaterial hergestellt wird, das über mindestens zwei verschiedene Schmelzpunkte verfügt, die in einer dauerhaften Verbindung zwischen mindestens zwei Komponenten eines Gegenstandes angewendet wird und einem Verfahren zur Bildung dieser Verbindung, bei dem sie einer Temperatur ausgesetzt wird, die zwischen dem niedrigsten und dem höchsten Schmelzpunkt des thermoplastischen Elastomers liegt. Die Erfindung zielt insbesondere auf ein Verfahren, das eine Dichtungsverbindung zwischen zwei Komponenten in einem Gegenstand herbeiführt.
Eine derartige Komponente ist aus DE-A-3142850 bekannt. Dichtungskomponenten aus thermoplastischen Elastomermaterialien sind bekannt und werden breit angewendet, zum Beispiel als Gehäusestopfen, d. h. als Stopfen zur Abdichtung von Löchern, die notwendig waren für die Herstellung z. B. einer Karosserie oder eines Kühlschranks, um das Eindringen von Wasser zu verhindern, als Deckel, Dichtungsringen, Schrumpfhüllen und ähnlichen. Die Verwendung von Dichtungsgegenständen aus thermoplastischem Elastomermaterial bietet große Vorteile, weil es die thermoplastischen Eigenschaften ermöglichen, komplexere Formgegenstände in Massenproduktion auf relativ einfache Weise herzustellen, was bei Gummimaterial nicht möglich ist, da in diesem Fall eine Vulkanisation in der Form stattfinden muß. Die bekannte Dichtungskomponente aus DE-A-3142850 ist ein Gehäusestopfen, der aus einer Mischung von 5–10 Gew.%. eines thermoplastischen Elastomers mit einer Temperaturbeständigkeit bis zu 240°C, 65–80 Gew.%. eines thermoplastischen Elastomers mit einer Temperaturbeständigkeit bis zu 160°C und 15–30 Gew.%. von Kohleschwarz bzw. Ruß hergestellt wurde. Der Gehäusestopfen wird hergestellt, um den Metallkörper anzukleben, indem er auf eine Temperatur zwischen 160 und 240°C erhitzt wird.
Ein Nachteil der bekannten Dichtungs- oder Verbindungsgegenstände ist jedoch, daß sie nur einen beschränkten Deformationsgrad erlauben, wenn sie eingepaßt sind. In der Regel ist ein Deformationsgrad von einigen zehn Prozent nicht vollständig reversibel und führt zu einer endgültigen Deformation. Liegt die anfängliche Deformation bei 100% kann die dauerhafte Deformation häufig bis zu 40% erreichen.
Dies wird als Zugverformungsrest von 40% bezeichnet. Im allgemeinen liegt der Zugverformungsrest bei Gummi unter 10%. In einigen Fällen ist dieses Verhalten aber ungeeignet, aufgrund dieses höheren Zugverformungsrests und auch weil die thermoplastischen Elastomermaterialien normalerweise härter sind, da in der Matrix harte Segmente vorhanden sind. Folglich ist es Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren zur Bildung einer dauerhaften Verbindung zwischen zwei Komponenten eines Gegenstandes, bei dem mindestens eine Komponente mittels Formpressen eines thermoplastischen Elastomermaterials erhalten wird, was zu einer verbesserten Versiegelung führt.
Den Gegenstand der Erfindung erhält man in einem Verfahren, bei dem das thermoplastische Elastomermaterial einen Anteil von über 50 Gew.%. einer Komponente enthält, die den höchsten Schmelzpunkt und einen Anteil von über 4 Gew.%. einer niedrigschmelzenden Komponente (relativ zum gesamten Polymeranteil) enthält.
Thermoplastische Elastomermaterialien werden z. B. in Thermoplastic Elastomers, Zweite Auflage, Herausgeber G. Holden e. a., Hanser Vertag (1996), ISBN 1-56990-205-4 und in der darin zitierten Literatur ausführlich beschrieben.
Ein thermoplastisches Elastomermaterial mit mindestens zwei Schmelzpunkten kann auf unterschiedliche Weise erhalten werden. Ein einfaches Verfahren ist dasjenige, bei dem ein höherschmelzendes thermoplastisches Elastomer vermischt wird mit einem niedrigerschmelzenden thermoplastischen Elastomer. Obwohl alle polymeren Komponenten des thermoplastischen Elastomermaterials mit mindestens zwei verschiedenen Schmelzpunkten vorzugsweise über Elastomereigenschaften verfügen sollten, wird die Verwendung eines oder mehrerer Polymere, die nicht über diese Elastomereigenschaften verfügen, als eine Komponente für das Elastomermaterial des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht ausgeschlossen. In so einem Fall sollte die Nicht-Elastomer-Komponente vorzugsweise die Komponente mit dem niedrigsten Schmelzpunkt sein.
Das thermoplastische Elastomermaterial kann übliche Zusatzstoffe enthalten, z. B. Füllstoffe, wie Kohleschwarz, Talkum, verstärkende Füllstoffe, wie Glimmer, Stabilisatoren, Färbemittel und Verarbeitungshilfsmittel.
Die Auswahl der Komponenten für das thermoplastische Elastomermaterial wird nicht nur von mechanischen Anforderungen bedingt, sondern zum Teil auch durch das Medium, dem die Dichtung ausgesetzt wird, durch die Arbeitstemperatur und die Temperatur, der die Dichtung im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren vorübergehend ausgesetzt wird.
Ein Fachmann wird von Fall zu Fall auf der Basis seines Wissens über die physikalischen und chemischen Eigenschaften der verschiedenen Komponenten entscheiden.
Wird die Dichtungsverbindung als Gehäusestopfen verwendet, wird die Temperatur, der sie vorübergehend ausgesetzt wird normalerweise die gleiche Temperatur sein, die in der Spritzlackierstraße herrscht, in der der Karosserie-Teil, der die Dichtung enthält, farbgespritzt wird. In diesem Fall wird normalerweise die Dauer der vorübergehenden Einwirkung auch mit der Zeit übereinstimmen, die es dauert, bis die Farbe aufgetragen und gehärtet ist. Diese Temperatur liegt normalerweise zwischen 150 und 200°C und der Vorgang dauert zwischen 10 und 2000 Sekunden.
In dem oben erwähnten Fall wird die Auswahl der Komponenten des thermoplastischen Elastomermaterials, das für das erfindungsgemäße Verfahren notwendig ist, angepaßt an die gegebenen Bedingungen der Spritzlackierstraße. In anderen Fällen, in denen z. B. die chemischen Eigenschaften bei der Auswahl der Komponenten für das Dichtungsmaterial eine wichtige Rolle spielen, wird die Temperatur der die Komponente im erfindungsgemäßen Verfahren ausgesetzt wird, durch die Materialauswahl bestimmt. Bei Gehäusestopfen für Karosserieteile ist es häufig eine nachrangige Anforderung, daß die Komponente gut zu lackieren sein muß. In diesem Fall ist ein etwas polares Material zu bevorzugen. In dieser Hinsicht sind Copolyetherester besonders geeignet, die aus harten Polyestersegmenten, abgleitet von Alkylendiolen und aromatischen oder cycloaliphatischen Dicarbonsäuren, zum Beispiel Polyethylennaphthalat, Polypropylenterephthalat und Polybutylenterephthalat und weichen Segmenten abgeleitet von Polyolen auf Alkylenoxid-Basis, wie z. B. Ethylenoxid, Propylenoxid und Butylenoxid oder Kombinationen hiervon, bestehen. Vorzugsweise werden Copolyetherester, basierend auf Polybutylenterephthalat und Polybutylenoxiddiol oder Ethylenoxid-terminiertem Polypropylenoxiddiol verwendet.
Der Anteil der Komponente mit dem höchsten Schmelzpunkt (relativ zum Gesamtanteil des Polymers) wird normalerweise über 50 Gew.% liegen. Der Anteil der niedrigschmelzenden Komponente liegt normalerweise bei mindestens 1 Gew.%., besser ist ein Wert von 4 Gew.%. und noch besser ein Wert von mindestens 10 Gew.%.
Die Komponenten sollten vorzugsweise so ausgewählt werden, daß die Schmelzpunkte der niedrigstschmelzenden und der höchstschmelzenden Komponenten mindestens 30°C auseinander liegen; noch besser ist ein Unterschied von mindestens 40°C und am besten ein Unterschied von mindestens 50°C. In der Praxis scheint ein Minimalunterschied von 10°C für die derzeit möglichen Verfahren notwendig zu sein.
Der Unterschied zwischen der erhöhten Temperatur und dem Schmelzpunkt der niedrigstschmelzenden Komponente wird gewählt abhängig von der Zeitspanne in der die Komponente der Temperatur ausgesetzt wird. Im allgemeinen liegt der Unterschied zwischen 10 und 50°C, wobei ein größerer Temperaturunterschied bei einer kurzen Behandlung vorzuziehen ist und ein kleinerer Temperaturunterschied bei einer längeren Behandlung ausreichend ist.
In der Zeit, in der die Komponente einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, kann es von Vorteil sein, die Komponenten zu pressen, um die Verbindung zwischen den Komponenten mit sanfter Kraft herzustellen. Im allgemeinen wird eine derartige Kraft so gewählt, daß nur geringe Deformationen der Komponenten entstehen, aber dennoch die Verbindung hergestellt werden kann. Ein Fachmann kann dies von Fall zu Fall entscheiden.
Das Formpressen der Komponente ist nicht an irgendein bestimmtes Verfahren gebunden und kann mittels üblicher Verfahren, wie z. B. Spritzguß- und Extrusionsverfahren durchgeführt werden.
Von der Erfindung ebenfalls abgedeckt ist eine thermoplastische Elastomerkomponente, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verbindung herstellen kann.
Ein überraschender Zusatznutzen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Komponenten, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, ist, daß das Aussetzen der Komponenten, die die Verbindung bilden, einer hohen Temperatur im wesentlichen den Zugverformungsrest, da s heißt, eine unter Umständen während des Zusammenfügens der Komponenten auftretende Deformation vollständig verschwinden läßt und so für eine bessere Reproduzierbarkeit der Dichtungsqualität sorgt. Das ist insbesondere bei Gehäusestopfen der Fall, wie sie in dem Beispiel der Karrosseriekomponenten verwendet wurden.
Die Erfindung wird nun verdeutlicht durch die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele. Für Fachleute wird es klar sein, daß die Erfindung nicht auf die gewählten Kombinationen von Materialien und Bedingungen beschränkt ist, sondern daß diese von Fall zu Fall unterschiedlich sein können.
Wenn in der Beschreibung vom Schmelzpunkt die Rede ist, sollte dies verstanden werden als die Spitzentemperatur in der zweiten Wärmekurve, die mittels Differenzialscanningkalorimetrie (DSC) bei einer Tastrate von 20°C/Minute gemessen wird.
Beispiele und Vergleichsexperiment
Verwendete Materialien

– Arnitel PL 380^®: Ein Polyetheresterblockcopolymer, Shore D Härte = 38 und Schmelzpunkt 220°C von DSM, Niederlande.
– Arnitel E 40 D^®: ein Polyetheresterblockcopolymer, Shore D Härte = 40 und Schmelzpunkt 150°C von DSM, Niederlande.
– Elvax Low Melt^® Ethylenvinylacetatcopolymer mit einem Schmelzpunkt von 90°C.
– Stahlblech, beschichtet mit einem Grundiermittel (Epoxidharz mit einem anorganischen Füllstoff).
– verzinktes Stahlblech.

Versuchsanordnung
Körnchen der verschiedenen Materialien werden vermischt in unterschiedlichen Zusammensetzungen, die in der Folge in einer Spritzgußmaschine spritzgegossen wurden, die mit einem Einschneckenextruder ausgestattet ist, bei einer Temperatur von 235°C und für den Rest identische Spritzgußbedingungen, um 2 mm dicke Proben zu testen. Die verschiedenen Testproben wurden mit den Stahlblechen 30 Minuten lang bei 180°C in Kontakt gebracht. Ein sanfter Druck von 6 kN wurde angewendet, um einen hinreichenden Kontakt sicherzustellen. Danach wurde die Haftung zwischen den Proben und dem Metallsubstrat mittels 90° Schältest unter Verwendung eines Zwick 1445 Prüfgeräts gemessen. Abmessungen der Probe: Länge = 90 mm, Breite = 30 mm.
Tabelle 1 stellt die getesteten Mischungen und die Meßergebnisse dar.
Wie die oben genannten Ergebnisse zeigen, bewirkt das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr starke Verbindung zwischen der (vorbehandelten) Metalloberfläche und der thermoplastischen Elastomerkomponente, was stark zu einer dauerhaften Versiegelung beiträgt und außerdem ist sie unempfindlich gegenüber mechanischer Belastung, zum Beispiel Schlägen oder Einschlägen.
Thermoplastische Elastomerkomponenten die für die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind, sind ebenfalls Teil der Erfindung.
Die Shore D-Härte der Zusammensetzung ist nicht notwendigerweise begrenzt auf etwa 40, sondern kann von sehr weich bis hart variieren, abhängig von den mechanischen Anforderungen der Dichtungsschicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsverbindung zwischen mindestens zwei Komponenten eines Gegenstands, wobei mindestens eine Komponente erhalten wird mittels Spritzgießen eines thermoplastischen Elastomermaterials, das mindestens zwei verschiedene Schmelzpunkte aufweist und wobei die Komponente beim Anbringen an dem Ort der gewünschten Verbindung einer Temperatur ausgesetzt wird, die zwischen dem niedrigsten und dem höchsten Schmelzpunkt des thermoplastischen Elastomermaterials liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomermaterial einen Anteil von über 50 Gew.%. einer Komponente enthält, die den höchsten Schmelzpunkt hat und einen Anteil von über 4 Gew.%. der niedrigschmelzenden Komponente, im Verhältnis zum gesamten Polymeranteil.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Anteil der niedrigschmelzenden Komponente über 10 Gew.% liegt.
Thermoplastische Elastomerkomponente, die geeignet ist für die Anwendung in dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2.
Gehäusestopfen, geeignet zur Abdichtung von Öffnungen in Karosserieteilen, wobei der Gehäusestopfen durch Formpressen eines thermoplastischen Elastomermaterials erhalten wird, das mindestens zwei Schmelzpunkte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomermaterial einen Anteil von über 50 Gew.%. einer Komponente mit dem höchsten Schmelzpunkt und einen Anteil von über 4 Gew.%. einer niedrigschmelzenden Komponente, im Verhältnis zum gesamten Polymeranteil enthält.
Gehäusestopfen gemäß Anspruch 4, wobei der Anteil der niedrigschmelzenden Komponente über 10 Gew.% liegt.
Gehäusestopfen gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Mischung von mindestens zwei Copolyetherestern mit unterschiedlichen Schmelzpunkten erhalten wird.