DE60222566T2

DE60222566T2 - Verschweissungstechniken für ein polymer oder polymerverbundbestandteile

Info

Publication number: DE60222566T2
Application number: DE2002622566
Authority: DE
Inventors: Meng Telopea HOU; Andrew Glebe BEEHAG; Qiang Pendle Hill YUAN
Original assignee: Advanced Composite Structures Ltd
Current assignee: Advanced Composite Structures Ltd
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: TWI269702B; EP1423256B1; KR20040047782A; DE60222566D1; JP4434731B2; ES2294149T3; US20040231790A1; CN1309549C; ATE373688T1; AUPR673101A0; KR100917851B1; EP1423256A1; US20090246548A1; EP1423256A4; WO2003011573A1; US8790486B2; CN1537047A; JP2004535960A; MY132616A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bildung einer neuen funktionalen Oberfläche auf einem Polymer oder einem Polymerverbundbestandteil. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf die Veränderung der Oberfläche eines wärmehärtenden Polymers oder eines wärmehärtenden Polymerverbundstoffes. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Bildung einer Verbindung zwischen einem wärmehärtenden Polymer oder einem wärmehärtenden Polymerverbundbestandteil, das eine modifizierte funktionale Oberfläche hat, und einer zweiten Komponente.
Hintergrund der Erfindung
Thermoplastische Polymere (Thermoplaste) sind eine der Hauptklassen von Polymermaterialien. Ein festes thermoplastisches Polymer kann typischerweise erhitzt werden, um es zu erweichen oder letztendlich zu schmelzen, und dann gekühlt werden, um es in seinen festen Zustand zurückzubringen. Diese temperaturinduzierten Veränderungen sind meistens vollständig reversibel. Thermoplaste können in zwei breite Gruppen unterteilt werden: „amorphe Thermoplaste" und „semi-kristalline Thermoplaste". In festen amorphen Thermoplasten sind alle Polymerketten in einem zufälligen oder ungeordneten Zustand angeordnet: keine der Polymerketten ist in einer kristallinen Struktur angeordnet. In festen semi-kristallinen Thermoplasten ist die Struktur gemischt: in einigen Anteilen des Materials sind die Polymerketten in einer geordneten kristallinen Struktur angeordnet und in einigen Anteilen sind die Ketten in einem amorphen Zustand. „Kristalline Thermoplaste" haben ein höheres Maß an Kristallinität, aber haben noch immer einige amorphe Anteile. Für den Zweck dieser Diskussion werden kristalline Thermoplaste mit semi-kristallinen Thermoplasten gruppiert und der Term „semi-kristalline Thermoplaste” wird auch „kristalline Thermoplaste" einschließen. Zusätzlich für den Zweck dieser Diskussion, beziehen sich „amorphe Polymere" oder „amorphe Thermoplaste" und „halbkristalline Polymere" oder „halbkristalline Thermoplaste" eher auf Typen von thermoplastischen Polymermaterial als auf die lokale Mikrostruktur von jeglichem Anteil thermoplastischen Polymermaterials.
Amorphe Thermoplaste sind durch einen Glaspunkt (T_g) charakterisiert, über dem, bei weiterem Erhitzen, fortschreitende Erweichung auftritt. Bei Temperaturen, die substantiell höher sind als der Glaspunkt, verhalten sich diese Thermoplaste wie eine hoch viskose Flüssigkeit. Die Betriebstemperatur von amorphen Thermoplasten ist unter deren Glaspunkt. Sie sind auch eine Klasse, die allgemein empfindlich für chemische Angriffe und Flüssigkeitsabsorption ist.
Halbkristalline Thermoplaste haben eine distinkte Schmelztemperatur (T_m), über der das Material schmilzt und sich wie eine Flüssigkeit verhält. Mit weiteren Anstiegen der Temperatur fällt die Viskosität schnell ab. Halbkristalline Thermoplaste haben auch einen charakteristischen Glasspunkt, aufgrund ihrer amorphen Anteile oft beträchtlich unter der Schmelztemperatur. Ob der halbkristalline Thermoplast über oder unter seinem Glasspunkt ist, beeinflusst auch einige Eigenschaften dieser Thermoplaste. Dennoch können halbkristalline Thermoplaste oft bei Betriebstemperaturen beträchtlich über deren Glaspunkt verwendet werden, weil deren kristalline Anteile sehr unnachgiebig sind. Typischerweise absorbieren halbkristalline Thermoplaste weniger Flüssigkeit als amorphe Materialien.
Sowohl in amorphen Thermoplasten und halbkristallinen Thermoplasten sind durch Erhitzung oder Abkühlung induzierte Veränderungen für gewöhnlich voll reversibel, es sei denn, die Zersetzungstemperatur, typischerweise viel höher als entweder der Glaspunkt oder die Schmelztemperatur, wird überschritten.
Wärmehärtende Polymere sind eine zweite Klasse von Polymeren, die Epoxide, Bismaleimid- und Vinylesterpolymere einschließt. Ein Additionspolymerisationswärmehärtendes Polymer wie zum Beispiel Epoxid besteht vor der Vernetzung aus (als ein Minimum) einem Harz (Monomer) und einem Härter, welche zusammen reagieren, um ein vernetztes Polymer zu produzieren. Vor der Vernetzung sind das Monomer und der Härter normalerweise in einer flüssigen Form, obwohl deren Viskosität sehr hoch sein kann. Eine Aushärtung kann so ausgelegt werden, dass sie bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen, typischerweise bis zu 180°C für Epoxide geschieht. Während der Aushärtung reagieren das Monomer und der Härter und die Viskosität des Gemisches erhöht sich, bis es ein vernetztes festes Polymer wird. Diese Änderung ist nicht reversibel. Nach Aushärtung hat das wärmehärtende Polymer auch einen charakteristischen Glaspunkt (typischerweise etwas größer als die empfohlene Aushärtetemperatur für Epoxide), über dem eine Aufweichung des wärmehärtenden Polymers erfolgt und das wärmehärtende Polymer verhält sich wie ein Gummi. (Weiteres Erhitzen schmilzt das Polymer nicht – anstelle dessen fängt es typischerweise an sich bei höheren Temperaturen zu zersetzen). Das ist entscheidend für anschließende Verarbeitung wie eine Hochtemperaturverbindung von Bestandteilen, die ein wärmehärtendes Polymer (zum Beispiel ein Kohlenstofffaser/Epoxid-Verbundstoff) enthalten, da eine dimensionale Verformung der Bestandteile auftreten kann, wenn der Glaspunkt des wärmehärtenden Polymers erreicht oder überschritten wird.
Verbundmaterialien sind eine Klasse von Material, welche aus mindestens zwei einzelnen Materialien bestehen, die eng miteinander Verbundstoffen sind, welche sich zusammen wie ein Material mit unterschiedlichen, üblicherweise besseren Eigenschaften verhalten als eines der einzelnen Materialien. Polymerverbundstoffe bestehen aus Polymeren, entweder wärmehärtend oder thermoplastisch, verstärkt durch Fasern oder partikulären Verstärker. Gut bekannte Polymerverbundstoffe beinhalten glasfaserverstärktes Polyesterharz und kohlenstofffaserverstärktes Epoxid. Beide verwenden wärmehärtende Polymere als die Matrix und werden daher oft wärmehärtende Verbundstoffe genannt.
Ein Hauptunterschied zwischen thermoplastischen und wärmehärtenden Polymeren ist, dass Thermoplaste durch Steigerung und Verringerung der Temperatur geschmolzen und wiederverfestigt werden können, wogegen wärmehärtende Polymere das nicht können. Dieses Charakteristikum wurde für die Verschweißung von thermoplastischen und wärmehärtenden Gemischen genutzt, wogegen wärmehärtende Polymere oder wärmehärtende Verbundstoffe nicht einfach in dieser Art und Weise verbunden werden können.
Wärmehärtende Polymerbestandteile mit thermoplastischen Oberflächen sind attraktiv, einige Vorteile ermöglichen die verbesserten Oberflächeneigenschaften von Thermoplasten und potentiell eine Verschweißung von Komponenten mit ähnlichen Oberflächen. Normalerweise würde dies durch einen Klebe-Verbindungsprozess gemacht. In einem Klebe-Verbindungsprozess wird der Klebstoff in Kontakt mit dem Bestandteil gebracht, muss fließen und den Bestandteil nässen, und wird dann in situ verfestigt. Es ist durchaus üblich eine Klebe-Verbindung zwischen einem wärmehärtenden Polymer und einem thermoplastischen Polymer zu machen. Im gängigsten Verfahren wird ein ungehärtetes wärmehärtendes Polymer, wie zum Beispiel ein Epoxid als Klebstoff verwendet, in Kontakt mit einem festen thermoplastischen Polymer gebracht und anschließend gehärtet. Dies kann als Teil des Prozesses getan werden, um einen wärmehärtenden Verbundbestandteil auszuhärten. Alternativ kann ein thermoplastisches Polymer als Klebstoff verwendet werden, durch Erhitzen zum Schmelzen gebracht werden und in Kontakt mit dem vernetzten wärmehärtenden Bestandteil gebracht werden. Das thermoplastische Harz wird anschließend gekühlt.
Ein besseres Verfahren zur Erreichung einer sehr festen Bindung zwischen wärmehärtenden und thermoplastischen Polymeren ist allerdings die Bildung eines halb gegenseitig durchdringenden Polymernetzwerks. Dies liefert eine Form von einer mechanischen Sperre zwischen den Polymerketten von verschiedenen Polymeren (in diesem Fall wärmehärtenden und thermoplastischen Polymeren) durch gegenseitige Durchdringung der Ketten von einem Polymer zum anderen.
Bisher wurden amorphe thermoplastische Materialien mit wärmehärtenden Verbundstoffen verbunden durch Bildung eines gegenseitig durchdringenden Polymernetzwerks während der Aushärtung des wärmehärtenden Verbundstoffs durch Förderung der Flüssigkeit, nicht gehärtete Bestandteile (Monomer und Härter) des wärmehärtenden Polymers in die amorphen Thermoplast einzuwandern, bevor das wärmehärtende Polymer aushärtet, die geringe Lösungsmittelresistenz der amorphen Thermoplasten ausnutzend. Diese Einwanderung in den amorphe Thermoplast könnte normalerweise unter der Glastemperatur des Thermoplasten geschehen unter Bedingungen, bei denen das Material fest ist. Dies gibt dem ausgehärteten wärmehärtenden Verbundstoff eine thermoplastische Oberfläche, mit der Fähigkeit sich mit einem Material mit ähnlicher Oberfläche unter erhöhter Temperatur und etwas Verbindungsdruck zu verbinden.
Der obige Prozess und der dafür benötigte amorphe Thermoplast haben verschiedene Nachteile. Erstens, die für den in diesem Prozess verwendeten amorphen Thermoplasten benötigte geringe Lösungsmittelresistenz bedeutet, dass die Oberfläche und jegliche von dieser Oberfläche gebildete Verbindung voraussichtlich für Lösungsmittelangriffe anfällig ist. Zweitens, mit diesem Prozess gibt es eine anhaftende Schwierigkeit bei dem Bestreben Materialen auszuwählen, welche einfache und effiziente Beschichtung- und Verschweißungsprozesse sowie Bereitstellung einer hohen Betriebstemperatur für die folgende Schweißverbindung erlauben. Um die zwei Bestandteile mit amorphen thermoplastischen Oberflächen zu verbinden, muss der Glaspunkt des Thermoplasten wesentlich überschritten werden, möglichst um mindestens 50°C, um eine hochqualitative Verbindung in einer angemessenen Zeit zu erreichen. Als ein Ergebnis wird der Glaspunkt des eigentlichen wärmehärtenden Polymers typischerweise überschritten, was zu reduzierter Steifheit und dimensionaler Instabilität des Bestandteils führt. Dimensionale Veränderung der Bestandteile ist wahrscheinlich, es sei denn angemessene Werkzeuge werden verwendet, um den Bestandteil bei der Verbindungstemperatur zu unterstützen, besonders weil hohe Drücke auf die Verbindung ausgeübt werden müssen können, um einen guten Kontakt und ausreichenden Fluss für konsistente hochqualitative Verbindungen zu erhalten. Wenn eine ausreichend hohe Temperatur für den Verbindungsprozess erforderlich ist, kann auch ein Abbau des wärmehärtenden Polymers oder eines wärmehärtenden Verbundstoffs vorkommen. Wenn ein Hochtemperatur-amorpher Thermoplast als Oberflächen-/Verschweißungsmaterial, zwecks Erhöhung der Betriebstemperatur der Schweißstelle, ausgewählt ist, müssen die Oberflächen- und Schweißprozesse im allgemeinen bei höheren Temperaturen durchgeführt werden, unter Riskierung dimensionaler Veränderung oder Abbau des wärmehärtenden Verbundstoffes. Wenn zur leichten Flächenbearbeitung und Verschweißung ein Niedertemperatur-amorpher Thermoplast ausgewählt wird, ist die Betriebstemperatur wahrscheinlich unakzeptabel gering. Letztendlich benötigt die Bindung an einen Hochtemperatur-amorphen Thermoplast oft spezielle, lange und/oder komplexe Vernetzungszyklen, zum Beispiel Vernetzungszyklen beinhaltend Haltezeit zwischen den normalen Vernetzungszyklen, damit das wärmehärtende Monomer und der Härter zu einer Tiefe penetrieren, die für eine Klebestärke ausreicht. Dies kann einige Stunden zu der Verarbeitungszeit eines Bestandteils hinzufügen, resultierend in erhöhten Produktionskosten.
US-Patent 5,643,390 beschreibt einen Prozess zur Bindung einer thermoplastischen Schicht an einen wärmegehärteten Verbundstoff. Das beschriebene Verfahren involviert „Auswahl eines thermoplastischen Materials und eines wärmehärtenden Monomers, worin besagtes wärmehärtendes Monomer ähnliche Löslichkeitsparameter wie das besagte thermoplastische Material hat". „Ähnliche Löslichkeitsparameter" wird in den Begriffen von Hildebrands Löslichkeitstheorie definiert, welche nicht passend ist für die Beschreibung von Polymeren mit substantiell polaren und/oder Wasserstoffbrückenbindungs-Kräften.
Dieses US-Patent ist auf die Verwendung von amorphen Thermoplasten gerichtet. Das Patent lehrt, dass die Beweglichkeit von Eindringmitteln in halbkristalline Polymere extrem klein ist, und dies verhindert die Bildung eines gegenseitig durchdringenden Netzwerks, um Klebe-Stärke zu bieten. Dort gibt es auch keine Diskussion über der Kompatibilität von halbkristallinen thermoplastischen Polymeren.
Im Gegensatz dazu ist die vorliegende Erfindung ein Prozess, welcher halbkristalline Polymere ausnutzt, vorteilhafterweise einfacheres Schweißen und nachfolgendes Aushärten erlaubt, und die Lösungsmittelresistenz der nachfolgenden Schweißverbindung nicht beeinträchtigt.
US-Patent 5,667,881 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer integralen wärmegehärteten/thermoplastischen Verbundverbindung. Das beschriebene Verfahren benötigt, dass die thermoplastischen und wärmegehärteten Harze sich gegenseitig partiell mischen, oder sich gegenseitig zwischen 10 und 60 % mischen müssen. Das Patent legt auch dar, dass die Härtungstemperatur nicht signifikant die Glastemperatur des thermoplastischen Harzes überschreitet. Bei solchen Temperaturen ist das thermoplastische Polymer fest oder hat eine extrem hohe Viskosität, und Migration von unvernetztem wärmegehärtetem Polymer in ein amorphes thermoplastisches Polymer und Bildung eines halb gegenseitig durchdringenden Netzwerkes ist ziemlich langsam. Dies wird durch die in dem Patent erwähnten langen Härtungszyklen bestätigt.
Des weiteren bezieht sich die in US 5,667,881 beschriebene Erfindung auf die Bildung einer integralen Verbindung mit einem vorgefertigten thermoplastischen Artikel, was Beschränkungen für den Artikeltyp setzt, der unter Verwendung dieser Technik verknüpft werden kann, wenn mit der Bildung einer funktionalen thermoplastischen Oberfläche verglichen wird.
Die vorliegende Erfindung verringert zweckmäßigerweise mindestens einige der Nachteile der oben beschriebenen Prozesse und stellt einen verbesserten Prozess für die Bildung einer thermoplastischen Oberfläche auf einem wärmehärtenden Polymer oder wärmehärtenden Polymerverbund bereit.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ein verbesserter Prozess zur Verbindung eines wärmehärtenden Polymers oder eines wärmehärtenden Polyverbundsbestandteils mit einer thermoplastischen Oberfläche mit einer zweiten Komponente mit einer passenden thermoplastischen Oberfläche.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt zeigt die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines halbkristallinen oder kristallinen thermoplastischen Polymers mit einem wärmehärtenden Polymerbestandteil auf, der Prozess schließt ein:
Auswählen von halbkristallinen thermoplastischen Polymer- und unvernetzten wärmehärtenden Polymerbestandteilen, welche. Hansen-Löslichkeitsparameter aufweisen, die auf die Fähigkeit der halbkristallinen thermoplastischen Polymer- und unvernetzten wärmehärtenden Polymerbestandteile hinweisen, sich gegenseitig zu durchdringen, und worin die Härtungstemperatur des ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteils höher ist als die Schmelztemperatur des halbkristallinen thermoplastischen Polymers;
Inkontaktbringen des thermoplastischen Polymers mit dem ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteil;
Erwärmen des thermoplastischen Polymers und des ungehärteten wärmehärtenden Polymers oder des wärmehärtenden Polymerverbundbestandteils auf die Vernetzungstemperatur des wärmehärtenden Polymers, worin die ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteile und das thermoplastische Polymer, bevor das wärmehärtende Polymer aushärtet, in der Lage sind, sich zumindest teilweise gegenseitig zu durchdringen; und
Kühlen des thermoplastischen Polymers und des gehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteils, so dass das thermoplastische Polymer sehr stark an den gehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteil gebunden ist.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen Prozess zur Verbindung eines halbkristallinen oder kristallinen thermoplastischen Polymers an einen wärmehärtenden Polymerbestandteil auf, der Prozess schließt ein:
Auswählen von halbkristallinen thermoplastischen Polymer- und unvernetzten wärmehärtenden Polymerbestandteilen, welche Hansen-Löslichkeitsparameter aufweisen, die auf die Fähigkeit der halbkristallinen thermoplastischen Polymer- und unvernetzten wärmehärtenden Polymerbestandteile hinweisen, sich gegenseitig zu durchdringen, und worin der ungehärtete wärmehärtende Polymerbestandteil bei oder unterhalb der Härtungstemperatur des wärmehärtenden Bestandteils in das halbkristalline thermoplastische Polymer einwandern kann;
Inkontaktbringen des thermoplastischen Polymers mit dem ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteil;
Erwärmen des thermoplastischen Polymers und des ungehärteten wärmehärtenden Polymers oder des wärmehärtenden Polymerverbundbestandteils auf die Vernetzungstemperatur des wärmehärtenden Polymers, worin die ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteile und das thermoplastische Polymer, bevor das wärmehärtende Polymer aushärtet, in der Lage sind, sich zumindest teilweise gegenseitig zu durchdringen; und
Kühlen des thermoplastischen Polymers und des gehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteils, so dass das thermoplastische Polymer sehr stark an den gehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteil gebunden ist.
In dem zweiten Aspekt der Erfindung kann die Härtungstemperatur der wärmehärtenden Komponente unter der Schmelztemperatur des halbkristallinen thermoplastischen Polymers sein.
In beiden obigen Ausführungsformen der Erfindung kann der wärmehärtende Polymerbestandteil ein wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Polymerverbund sein. Wenn der wärmehärtende Polymerbestandteil ein Verbund ist, können das thermoplastische Polymer und der unvernetzte wärmehärtende Polymerteil des wärmehärtenden Polymerverbunds, wenn sie erhitzt werden, sich mindestens teilweise gegenseitig durchdringen, bevor das wärmehärtende Polymer aushärtet, was zur Bindung des thermoplastischen Polymers an den wärmehärtenden Polymerverbund führt.
Die Verträglichkeit der thermoplastischen und wärmehärtenden Bestandteile zeigt die Fähigkeit der thermoplastischen und wärmehärtenden Bestandteile zur gegenseitigen Durchdringung durch genaue Anpassung ihrer jeweiligen Löslichkeiten an.
Zweckmäßigerweise kann das thermoplastische Polymer ein thermoplastischer Polymerbestandteil oder ein Bestandteil irgendeiner Art mit einer kompatiblen thermoplastischen Polymeroberfläche sein.
Es ist einzusehen, dass mit der Durchdringung zwischen den thermoplastischen und wärmegehärteten Harzen die thermoplastische Polymeroberfläche sehr stark an das wärmehärtende Polymer oder den wärmehärtenden Polymerverbund gebunden wird. Dies sichert, dass die thermoplastische Oberfläche nicht leicht von dem wärmehärtenden Polymer oder dem wärmehärtenden Polymerverbund entfernt werden kann.
Es ist einzusehen, dass ein vernetztes wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Polymerverbund mit einer thermoplastischen Oberfläche gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung hergestellt, an eine weitere Sektion von wärmehärtendem Polymer oder wärmehärtendem Polymerverbund durch einen zweiten Vernetzungsprozess gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung gebunden werden kann.
Vorzugsweise ist das thermoplastische Polymer ein Polyvinylidenfluorid (PVDF), entweder reines PVDF oder das PVDF in Kombination mit anderen Polymeren und/oder konventionellen Additiven enthaltend.
Zusätzlich kann das thermoplastische Polymer eine kleine Menge von zusätzlichem Material, wie zum Beispiel einen leichtgewichtigen gewebten Baumwollstoff enthalten. Alternativ kann das thermoplastische Polymer eine kleine Menge an Material enthalten, das elektrische Leitfähigkeit oder örtlich begrenzte Erhitzung erlaubt, wie zum Beispiel ferromagnetische Partikel oder anderes elektrisch leitendes Material. Das thermoplastische Polymer kann in der Form eines Films oder Puders oder direkt auf der Oberfläche eines Abdrucks oder Werkzeugs aufgetragen sein. Zusätzliches Material, welches nicht an dem Thermoplasten haftet, kann neben dem thermoplastischen Film während der Herstellung platziert werden, um die Oberflächenqualität des Thermoplasten nach der Herstellung zu verbessern.
Die Dicke des Thermoplasten kann auf der Oberfläche des Bestandteils variieren.
Das wärmehärtende Polymer ist bevorzugt eine bei einer geeigneten erhöhten Temperatur vernetzte Harz/Härtermischung. Im Fall eines wärmehärtenden Polymerverbunds ist der Verbund ein geeignetes wärmehärtendes Polymer verstärkt mit einem oder mehreren anderen Materialien. Bevorzugter ist das wärmehärtende Polymer ein Epoxid oder ein Bismaleimid.
Der dritte Aspekt der Erfindung nimmt Vorteil aus der Tatsache, dass der erste oder zweite Aspekt der Erfindung ein vernetztes wärmehärtendes Polymer oder vernetzten wärmehärtenden Polymerverbund mit einer halbkristallinen oder kristallinen thermoplastischen Oberfläche bereitstellt.
Entsprechend stellt der dritte Aspekt der Erfindung einen Prozess bereit für die Zusammenführung eines wärmehärtenden Polymers oder eines wärmehärtenden Polymerverbundbestandteils mit einer thermoplastischen Oberfläche, die in Übereinstimmung mit dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung gemacht wurde, mit einer zweite Komponente, die eine thermoplastische Oberfläche besitzt, vor, der Prozess schließt ein:
Positionieren und Halten der thermoplastischen Oberfläche des wärmehärtenden Polymerbestandteils oder des wärmehärtenden Polymerverbundstoffes in engem Kontakt mit der thermoplastischen Oberfläche des zweiten Bestandteils;
Erwärmen der jeweiligen thermoplastischen Oberflächen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Thermoplasten für eine Zeit, so dass die thermoplastischen Oberflächen geschmolzen sind und das Verschweißen der benachbarten thermoplastischen Oberflächen auftritt; und
Abkühlen der geschmolzenen Thermoplasten, um eine starke Bindung zwischen dem wärmehärtenden Polymer oder dem wärmehärtenden Verbundbestanteilen und dem zweiten Bestandteil zu erzeugen.
Zweckmäßigerweise ist die thermoplastische Oberfläche des wärmehärtenden Polymerverbundbestandteils in Übereinstimmung mit entweder den ersten oder zweiten Aspekten der Erfindung hergestellt.
Der wärmehärtende Polymerbestandteil kann ein wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Polymerverbund sein.
Bevorzugt ist der zweite Bestandteil ein wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Polymerverbundbestandteil, das eine solche thermoplastische Oberfläche hat, dass der Prozess des dritten Aspektes der Erfindung verwendet werden kann, um eine Verbindung zwischen zwei wärmehärtenden Polymeren oder wärmehärtenden Verbundbestanteilen mit thermoplastischen Oberflächen zu bilden.
Alternativ kann der zweite Bestandteil ein thermoplastisches Polymer oder ein thermoplastischer Polymerverbund oder jede andere Komponente, die eine passende thermoplastische Oberfläche hat, sein.
Die geschmolzenen thermoplastischen Oberflächen stellen hohen thermoplastischen Polymerfluss bereit, wenn sie in direkter Nähe platziert werden, wodurch jegliche Unregelmäßigkeiten in den gegenüberliegenden Oberflächen gefüllt werden. Der Fluss kann erhöht werden durch Erhöhung der Temperatur und/oder Anwendung von mehr Druck auf die beiden Bestandteile während des Erhitzens oder durch Zulassen von zusätzlicher Verfahrenszeit.
Der Prozess kann weiterhin den Zusatz von weiteren Schichten von halbkristallinem oder kristallinem thermoplastischem Material zwischen den thermoplastischen Oberflächen einschließen, falls erforderlich, um Lücken zu füllen oder hohen thermoplastischen Fluss bereitzustellen. Wo zusätzliches thermoplastisches Material verwendet wird, beinhaltet der Erhitzungsschritt auch Erhitzung des zusätzlichen thermoplastischen Materials auf eine Temperatur über die Schmelztemperatur des Thermoplasten für eine solche Zeit, dass die thermoplastischen Schichten geschmolzen und zusammengeschweißt werden.
Wiedererhitzung der geschweißten thermoplastischen Schichten erlaubt es den Bestandteilen auch nach Bedarf abgebaut und neu zusammengestellt zu werden. Diese können dann wieder in der selben Weise wie oben beschrieben verschweißt werden, mit extra thermoplastischen Material, das zwischen den modifizierten thermoplastischen Oberflächen zugegeben wurde, wenn unzureichendes thermoplastisches Material auf den getrennten Komponenten zurückbehalten wurde.
Wiedererhitzung der geschweißten thermoplastischen Schichten erlaubt den Bestandteilen auch, dass sie erneut durch den Schweißprozess geführt oder neu verschweißt werden können, um die Schweißverbindung in ausgewählten Bereichen zu verbessern.
Bevorzugt findet das Schweißen bei einer Temperatur unter dem Glaspunkt des vernetzten wärmehärtenden Polymers oder des Polymerverbundbestanteils statt. Alternativ kann Schweißen auch bei einer Temperatur stattfinden, die das wärmehärtende Polymer nicht signifikant überhitzt.
Die wärmehärtenden Verbundbestandteile können Eingussteile, Schaumstoff oder Wabenkern, andere thermoplastische Unterbestandteile oder Filme, oder jegliches anderes Material beinhalten, das als ein integraler Teil eines weitgehend wärmegehärteten Verbundbestandteils inkorporiert werden kann.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf wärmehärtende Bestandteile, die eine thermoplastische Oberfläche haben, die in Einklang mit entweder den ersten oder zweiten Aspekten der Erfindung gemacht wurden. Zweckmäßigerweise treffen die bevorzugten Merkmale des Prozesses der ersten oder zweiten Aspekte der Erfindung (wo zutreffend) auf die entsprechende Bestandteile zu, die bei dem Prozess gebildet werden.
Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf die Produkte, die in Einklang mit dem dritten Aspekt der Erfindung gebildet werden. Zweckmäßigerweise treffen die bevorzugten Merkmale des dritten Aspektes der Erfindung (wo zutreffend) auf die entsprechenden Produkte zu, die bei dem Prozess gebildet werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird nun, nur als Beispiele, mit Bezug auf die begleitenden Abbildungen beschrieben, wobei:
1 die Beziehung eines verstärkten wärmehärtenden Polymers, einer thermoplastischen Schicht und dem halb gegenseitig durchdringenden Netzwerk (SIPN), das dazwischen gebildet wird, illustriert;
2 eine schematische Illustration ist, die das Zusammenfügen von zwei wärmehärtenden Polymerbestandteilen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine schematische Illustration ist, die das Zusammenfügen von zwei wärmehärtenden Polymerbestandteilen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein Hansen-Löslichkeitsdiagramm für ein Polymer illustriert, welches verwendet werden kann, um die Eignung eines Lösungsmittels für ein spezielles Polymer zu bestimmen.
Beschreibung der bevorzugen Ausführungsformen
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung und mit Bezug auf 1 wird eine halbkristalline oder kristalline thermoplastische Schicht 10 während der Härtung des wärmehärtenden Bestandteils an die Oberfläche eines wärmehärtenden Polymers 12 oder eines wärmehärtenden Verbundbestandteils gebunden, um ein halb gegenseitig durchdringendes Polymernetzwerk 14 zu bilden. Dies wird durch Auswahl eines halbkristallinen Thermoplasten 10 erreicht, welcher kompatibel zu den ausgewählten wärmehärtenden Monomeren ist. Eine Bestimmung von geeigneten Materialkombinationen kann unter Verwendung von thermodynamischen und Löslichkeitskriterien gemacht werden, welche in dem folgenden Abschnitt diskutiert werden.
Polymerthermodynamik und Löslichkeitskriterien
Die Auswahl von kompatiblen Materialien erfordert eine enge Abstimmung von verschiedenen Löslichkeits-Parametern. Das Prinzip der Materialauswahl für einen kompatiblen amorphen Thermoplasten basiert auf der Gibbs freien Mischungsenergie (ΔG_m), welche aussagt, dass ΔGm = ΔHm – TΔSm ≤ 0 (1)wobei ΔH_m Mischungsenthalpie ist, T Temperatur ist und ΔS_m Mischungsentropie ist. Die Hildebrand-Scatchard-Gleichung kann verwendet werden, um die Mischungsenthalpie zu bestimmen als ΔHm = Vθaθb(δa – δb)2 (2)wobei δ_a und δ_b die Löslichkeitsparameter (auch als die Hildebrandparameter bekannt) der zwei berücksichtigten Spezies sind, zum Beispiel amorphes Polymer und Monomer oder Härter.
Dennoch ist die Verwendung der Hildebrand-Scatchard-Gleichung (obige Gleichung (2)) unangemessen für die Klasse der halbkristallinen Hochleistungs-Thermoplasten, die am günstigsten für die Verbindungsanwendungen sind, da intramolekulare Kräfte wie zum Beispiel polare Kräfte das Löslichkeitsverhalten von diesen Polymeren in hohem Maße beeinflussen. Die Verwendung von Hansen-Parametern, welche bei der Dispersion, polaren und Wasserstoffbindungskräften Beachtung finden, wird als der passendere Ansatz für diese Polymere empfohlen (siehe AFM Barton „CRC Handbook of Solubility Parameters and Other Cohesion Parameters", CRC Press, Boca Raton, 1983). Die Anwendung dieser Parameter bietet einen sinnvollen Leitfaden für Polymer-Lösungsmittel-Verträglichkeit. Ein Verträglichkeits-Radius von Polymer b ist, wie in dem Löslichkeitsdiagramm von 4 gezeigt, durch den Bereich ^bR, definiert. Die Hansen-Löslichkeitsparameter für Dispersion (δ_d), polare (δ_p) und Wasserstoffbindungskräfte (δ_n) für jegliches Lösungsmittel a kann bestimmt und auf dem Diagramm gezeichnet werden. Wo der Punkt auf dem Löslichkeitsbild, lokalisiert durch die drei Hansen-Parameter für Lösungsmittel a (^aδ_d, ^aδ_d und ^aδ_d) innerhalb der durch ^bR definierten Kugel liegt, ist das Polymer in dem Lösungsmittel löslich, das heißt [4(aδd – bδd)2 + (aδp – bδp)2 + (aδh – bδh)2]1/2 < bR (3)wobei das Lösungsmittel in diesem Fall das Monomer oder der Härter ist und ^bR durch die Standardexperimente unter Verwendung üblicher Lösungsmittel mit bekannten Hansen-Parametern bestimmt wird.
Ein vorteilhaftes Merkmal der ersten und zweiten Aspekte der vorliegenden Erfindung ist die Änderung der „effektiven Löslichkeitsparameter" des halbkristallinen Thermoplasten 10. Dies wird durch Erhitzen des Thermoplasten 10 und des Monomers/Härters 12 auf eine ausreichend hohe Temperatur erreicht. In allgemeinen Worten können Lösungsmittel nicht effektiv durch den festen kristallinen Anteil von Polymeren wandern, aufgrund der ungenügenden freien Energie, um die Schmelzwärme des kristallinen Anteils des Polymers zu bewältigen. Durch erhöhte Temperatur des Systems wird die Schmelzwärme überwunden. Unter diesen Umständen sind das Monomer und der Härter fähig, durch das Polymer zu wandern, wogegen das Polymer vorher unlöslich war. Daher wird der „effektive Löslichkeitsparameter" des Polymers durch den Zusatz von Hitze verändert.
Ein Weg, um die schnelle Bildung eines halb gegenseitig durchdringenden Polymernetzwerks 14 zu liefern ist daher, die „effektiven Löslichkeitsparameter" des halbkristallinen Thermoplasten 10 durch Härtung des wärmehärtenden Polymers 12 oberhalb der Schmelztemperatur des halbkristallinen Thermoplasten 10 zu verändern. Dennoch existiert auch noch eine zweite Möglichkeit, wie in Bezug auf den zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben. Durch vorsichtige Paarung des Monomers/Härters 12 und der thermoplastischen Löslichkeitseigenschaften, und bei einer passenden Temperatur kann die Gegenwart des wärmegehärteten Monomers, das als Lösungsmittel fungiert, die Schmelzwärme des kristallinen Polymers bewältigen, was die „Schmelz"-Temperatur auf eine "effektive Schmelztemperatur" erniedrigt, welche von dem involvierten Monomer/Härter abhängt. Unter diesen Umständen sind das Monomer und der Härter fähig, unterhalb der normalen Schmelztemperaturen durch das Polymer zu wandern. Dies wird in der experimentellen Diskussion in diesem Dokument demonstriert.
Es sollte erwähnt werden, dass die Schmelztemperatur oder die hier beschriebene geringere „effektive Schmelztemperatur" eine minimale Betriebstemperatur sein würde, und dass Standard-Vernetzungsbedingungen für das wärmehärtende Polymer eine höhere Betriebstemperatur benötigen würden.
Materialauswahl und Oberflächenintegration
Ein gemäß den obigen Kriterien ausgewähltes halbkristallines thermoplastisches Material 10 kann erfolgreich durch die Bildung eines halb gegenseitig durchdringenden Polymernetzwerks (SIPN) 14 auf die Oberfläche eines wärmehärtenden Polymers oder eines wärmehärtenden Polymerbestandteils 12 integriert werden. Ein Aspekt dieses Prozesse ist die Auswahl eines wärmehärtenden Materials und eines Thermoplasten mit einer durch die Verwendung von Hansen-Parametern bestimmter Löslichkeit und die Auswahl einer Härtungstemperatur/eines Zeitzyklus, dass das wärmehärtende Monomer und der Härter fähig sind, ausreichend in das geschmolzene halbkristalline Polymer zu wandern, oder in den kristallinen Bestandteil des thermoplastischen Polymers durch Überwindung der Schmelzwärme des kristallinen Bestandteils.
Während des Vorgangs „schmilzt" der kristalline Teil des thermoplastischen Polymers in Kontakt mit dem Monomer und Härter, was schnelles diskretes Mischen des unvernetzten wärmehärtenden Harzes und des thermoplastischen Harzes erlaubt. Nach Härtung des Bestandteile ist der thermoplastische Film 10 durch die Verschlingung von molekularen Ketten in der Region der ehemaligen Oberflächen eng an den Bestandteil 12 gebunden, wodurch sich ein halb gegenseitig durchdringendes Polymer-Netzwerk 14 zwischen dem wärmehärtenden Harz und dem thermoplastischen Harz bildet.
Zweckmäßigerweise kann der Bindungsprozess, wenn die obigen Thermodynamik- und Löslichkeitsvereinbarkeitskriterien erfüllt sind, typischerweise ohne jegliche Veränderung zu dem vom Hersteller empfohlenen Härtungszyklus für das wärmehärtende Polymer stattfinden.
Weitere Auswahlkriterien können auch zum Vorteil des nachfolgenden Prozesses des Verschweißens des wärmehärtenden Polymers oder der wärmehärtenden Verbunde 16, 18 angelegt werden, wonach der Schmelzpunkt des halbkristallinen Polymers (T_m) 20 unter dem Glaspunkt (T_g) des gehärteten wärmehärtenden Polymers oder wärmehärtenden Polymerverbundes 16, 18 ist. Die nachstehende Diskussion ist an diesen Fall gerichtet, aber es ist einzusehen, dass diese Erfindung nicht auf diese Materialauswahl beschränkt ist, sondern dass zusätzliche Vorteile aus solch einer geeigneten Auswahl resultieren würden.
Verschweißungstechniken
Die obige thermodynamische Diskussion bezieht sich auf die Auswahl eines halbkristallinen Thermoplasten für die Integration von thermoplastischem Material auf die Oberfläche eines wärmehärtendes Polymers oder eines wärmehärtenden Polymerverbunds. Die Auswahl eines halbkristallinen thermoplastischen Materials mit einer Schmelztemperatur unter der T_g des gehärteten wärmehärtenden Polymers oder der Polymerverbundkomponente, wie im ersten Aspekt der Erfindung, erlaubt deutliche Vorteile beim Schweißen von zwei großteils wärmehärtenden Verbundbestandteilen.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung kann in Übereinstimmung mit dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung gebildetes wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Verbundbestandteil 16 mit einer halbkristallinen thermoplastischen Oberfläche 20 mit einen zweiten Bestandteil 18, der eine passende thermoplastische Oberfläche 22 hat, unter äußerlicher Hitze und Druck (Heizplatte 24), wie in 2 illustriert, verbunden werden. Alternativ kann ein Heizelement 26, wie schematisch in 3 gezeigt, oder anderes Material, das es erlaubt, Hitze auf die Schweißnaht zu fokussieren, verwendet werden, um zwei Bestandteile 16, 18 zu verbinden.
Der zweite Bestandteil kann auch ein wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Verbundbesttandteil mit einer halbkristallinen thermoplastischen Oberfläche sein, und die nachfolgende Diskussion ist auf diesen Umstände gerichtet, aber es ist einzusehen, dass die dritte Ausführungsform der Erfindung nicht darauf beschränkt ist und sich allgemein auf die Bildung einer Bindung zwischen einem wärmehärtenden Polymer oder einer wärmehärtende Verbundkomponenten mit einer gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung geformt halbkristallinen thermoplastischen Oberfläche und jeglicher anderen Komponente mit einer passenden thermoplastischen Oberfläche, erstreckt.
Der Einschluss einer thermoplastischen Polymeroberfläche eins wärmehärtenden Polymers oder eines wärmehärtenden Verbundbestandteils ermöglicht das Verbinden von zwei Bestandteilen, die größtenteils aus verschiedenen wärmehärtenden Polymeren oder wärmehärtenden Polymerverbunden oder anderen Materialen mit ähnlichen Oberflächenmaterialen gemacht sind.
Der Schweißprozess der thermoplastischen Schichten findet unter angelegter Hitze und in den meisten Fällen Druck statt. Die thermoplastischen Schichten werden auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des Thermoplasten und unter dem Glaspunkt des wärmehärtenden Polymers oder wärmehärtenden Verbundbestandteils erhitzt. Wenn der Thermoplast eine Schmelztemperatur unter dem Glaspunkt der wärmehärtenden Bestandteile, die zu verbinden sind, hat, können die Bestandteile unter den richtigen Verhältnissen verbunden werden, ohne die Verwendung von unterstützenden Hilfsmittel, ohne während des Verbinden auftretende permanente Verformung der Komponenten. Des weiteren ist Degradation des wärmehärtenden Polymers oder Verbunds unwahrscheinlich, wenn es einer Temperatur unter dem Glaspunkt des wärmehärtenden Polymers für eine moderate Zeitperiode ausgesetzt wird. Dies reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit für teure oder ausgeklügelten Systeme, um die Hitze nur auf die Fuge zu fokussieren.
Da der Schweißprozess des weiteren oberhalb der Schmelztemperatur des halbkristallinen oder kristallinen Thermoplasten stattfindet, fließt die Thermoplastik während des Schweißens beträchtlich, sogar unter sehr geringen Schweißdrücken. Dieses Maß an Fluss oberhalb ihrer Schmelztemperatur in ein intrinsischer Vorteil von halbkristallinen thermoplastischen Polymeren in dieser Anwendung. Derartiger Fluss erlaubt dem Thermoplast, kleine Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Bestandteile oder kleine Löcher zwischen den Bestandteilen, bedingt durch die normalen Herstellungstoleranzen, zu füllen, und ist sehr wichtig für einen praktischen Schweißprozess. Dies reduziert die Werkzeugkosten für derartige Arbeitsprozesse und reduziert die Möglichkeit, dass großteils wärmegehärtete Verbundkomponenten während des Prozesses deformiert werden.
Die Erfindung erlaubt auch einfaches Entschweißen und Trennung von jeglichen geschweißten Bestandteilen. Die Bestandteile, oder ihre geschweißte Region, kann bis zu einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des halbkristallinen oder kristallinen Thermoplasten erhitzt werden. Ein Vorteil der aktuellen Erfindung ist, dass das wärmehärtende Polymer oder die wärmehärtenden Verbundbestandteile mit externer Hitze, die nahe der Naht appliziert wird, getrennt werden kann, und es gibt kein Erfordernis für ein eingelassenes Element. In diesem Temperaturbereich wird wenig Kraft gebraucht, um die Bestandteile zu trennen. Indem jeder Bestandteil das meiste seiner thermoplastischen Oberflächenschicht zurückbehält, wegen der Bildung eines halb gegenseitig durchdringenden Polymernetzwerks in dem Auftragsschweißprozess, können die getrennten Bestandteile anschließend wieder in der selben Art und Weise wie oben beschrieben geschweißt werden. Wenn nötig, kann eine Extraschicht oder Extraschichten von halbkristallinem oder kristallinem thermoplastischen Material zwischen die modifizierten thermoplastischen Oberflächen zugegeben werden, wenn zu wenig thermoplastisches Material auf den getrennten Bestandteile zurückbehalten wurde.
Alternativ können die Bestandteile, wenn gewünscht, in diesem Temperaturbereich noch mal durch den Schweißprozess geführt oder wiederverschweißt werden, um die Schweißnaht in ausgewählten Regionen zu verbessern.
Während der Großteil der obigen Beschreibung sich auf die Bedeckung der wärmehärtenden Verbunde mit halbkristallinem oder kristallinem thermoplastischen Film für den Zweck der nachfolgenden Bindung wärmehärtender Bestandteile bezieht, kann die Bildung einer thermoplastischen funktionalen halbkristallinen Polymeroberfläche, die sehr eng an ein wärmehärtendes Polymer oder einen Verbundbestandteil gebunden ist, auch zusätzliche verschiedene Vorteile, wie zum Beispiel verbesserte chemische Resistenzen, reduzierte Wasserabsorption, verbessertes Abnutzungs- und Erosionsresistenz, verbessertes Erscheinungsbild der Oberfläche, verbesserte Reibungseigenschaften, verbesserte elektrische Oberflächeneigenschaften, verbesserte Feuerresistenz oder reduzierte Rauchbildung bedingt durch Feuer, verbesserte UV-Resistenz, verbesserte Oberflächenbruchresistenz, verbesserte Biokompatibilität, verbesserte Fähigkeit sterilisiert zu werden oder reduzierte Kerbungssensitivität bieten. Insbesondere kann der Prozess des ersten oder zweiten Aspektes dieser Erfindung verwendet werden, um stark gebundene erosionsresistente Oberflächen für Kohlenstofffaser/Epoxid-Verbunde bereitzustellen.
Es ist auch einzusehen, dass die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit für die Integration eines halbkristallinen Polymers auf der Oberfläche eines Thermoplasten oder eines thermoplastischen Verbundes basierend auf einem unterschiedlichen thermoplastischen Polymer bereitstellt. In diesem Fall würde die Bereitstellung von unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften oder der Fähigkeit, die Bestandteile unter anderen Schweißbedingungen zu verbinden, als es für die das thermoplastische Elternmaterial erforderlich ist, durch diese Technik ermöglicht. Des weiteren würde diese Technik ermöglichen, eine Klasse von Thermoplasten oder thermoplastischen Verbundmaterialien mit wärmehärtenden oder wärmehärtenden Verbundmaterialien, die eine halbkristalline Polymeroberfläche, wie oben diskutiert, haben, zu verbinden.
Experimentelle Diskussion
Bedeckungsprozess
Zwei verschiedene Verbundplatten mit einer halbkristallinen Polymeroberfläche wurden hergestellt. Erstens wurde eine einzelne Schicht eines halbkristallinen, thermoplastischen PVDF-Films mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 170°C (127 μm Dicke) auf einen Stapel von vorimprägnierten einfachen Geweben, T300 Kohlenstofffaser und Hexcel F593 Epoxidharz umfassend, aufgebracht. Der Film wurde vor dem Aufbringen auf den Stapel mit Isopropylakohol gesäubert. Der Stapel wurde auf ein flaches Werkzeug aufgebracht und in einem Vakuumbeutel eingeschlossen. Die Luft im Inneren des Vakuumbeutels wurde evakuiert und der Stapel anschließend bei 177°C und 0,63 MPa externen Druck für 120 Minuten gehärtet. Nach der Härtung war die thermoplastische Schicht vollständig in das Verbundsubstrat integriert. Eine zweite Platte wurde mit einer einzelnen 127 μm Schicht von halbkristallinem thermoplastischem PVDF-Film hergestellt, aufgebracht auf einen Stapel von vorimprägniertem Satingewebe, bestehend aus Glasfasern und Hexcel F155. Der Film wurde vor dem Aufbringen auf den Stapel mit Isopropylalkohol gesäubert. Der Stapel wurde auf einem flachen Werkzeug platziert und in einem Vakuumbeutel eingeschlossen. Die Luft in dem Vakuumbeutel wurde evakuiert, und der Stapel anschließen bei 127°C und 0,32 MPa externem Druck für 120 Minuten gehärtet. Nach Aushärtung war die thermoplastische Oberflächenschicht vollständig in das Verbundsubstrat integriert.
Verbindungsprozess
Zwei Verbundbestandteile mit identischen wärmehärtenden Verbundsubstraten und thermoplastischen Oberflächen wurden mit Isopropylalkohol gereinigt und die thermoplastischen Oberflächen in Kontakt zueinander gebracht. Bei den T300/F593 und GF/F155 Epoxidverbunden wurden die Verbindungslinien auf 185°C erhitzt und Druck von 0,1 MPa für 20 Minuten ausgeübt. Nach dem Halten der Bestandteile auf der benötigten Temperatur und dem benötigten Druck, wodurch komplette Vereinigung stattfand, wurden die Bestandteile abgekühlt während der Druck beibehalten wurde. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur waren die Bestandteile zusammengeschweißt.
Bindungsstärke
Bindungsstärken wurden unter Verwendung einer Testprobe mit einer Breite von 25 mm und einer Verbindungslänge von 12,5 mm mit dem Überlappungsscherfestigkeits-Test bestimmt. Proben wurden bei Umgebungsbedingungen bei einer Geschwindigkeit von 1,25 mm/min getestet. Eine durchschnittliche Bindungsstärke von 29,1 MPa wurde für den T300/F593 Epoxidverbund beobachtet. Dies vergleicht sich mit einer durchschnittlichen Bindungsstärke von 24,4 MPa für ansonsten identische Proben, die unter Verwendung eines Epoxid-Klebefilms verbunden wurden. Zusätzlich wurde eine durchschnittliche Bindungsstärke von 27,6 MPa für den Glasfaser/F155-Verbund beobachtet.
Druckerfordernisse
Versuche unter Verwendung verschiedener Schweißdrücke deuten an, dass hochqualitative Schweißstellen unter Verwendung von Drücken von 50 kPa bis 1 MPa gemacht werden können. Ein bevorzugter Druck ist zwischen 100 kPa und 350 kPa, Dennoch ist der angewendete Druck nicht notwendig zur Sicherstellung der Verschweißung, sondern er wird eher verwendet, um die angrenzenden thermoplastischen Polymeroberflächen in vollen und engen Kontakt zu bringen und etwas Polymerfluss sicherzustellen, In der Herstellungspraxis werden geringfügige Fluktuationen in dimensionaler Toleranz durch die Verwendung von Druck überwunden. In dem Fall dieser thermoplastischen Verbindung ist kein zusätzlicher Druck erforderlich, außer um die Oberflächen in Kontakt zu einander zu bringen, was den Polymerketten erlaubt, über die original Oberfläche zu wandern und dadurch die Schweißnaht zu heilen. Höhere Drücke (1 MPa und größer) können auch verwendet werden, um die gefangene Luft aus der Schweißnaht zu vertreiben. Es sollte erwähnt werden, dass Schweißdrücke etwas des Thermoplasten aus der unmittelbaren Schweißnahtregion quetschen kann.
Verbindungszeit
Die Fähigkeit des Polymers sich selbst zu heilen und die Zeit, die dafür benötigt wird, wobei die molekularen Ketten die original Schweißnahtlinie überqueren und sich mit den Polymerketten von der benachbarten Oberfläche verschlingen, ist abhängig von der Temperatur der thermoplastischen Oberfläche, das heißt dem Aktivitätsniveau der Polymerketten.

Claims

Ein Verfahren zum Verbinden eines halbkristallinen oder kristallinen thermoplastischen Polymers mit einem wärmehärtenden Polymerbestandteil, wobei das Verfahren umfasst: – Auswählen von halbkristallinen thermoplastischen Polymer- und unvernetzten wärmehärtenden Polymerbestandteilen, welche Hansen-Löslichkeitsparameter aufweisen, die auf die Fähigkeit der thermoplastischen Polymer- und unvernetzten wärmehärtenden Polymerbestandteile hinweisen, sich gegenseitig zu durchdringen, und worin die Härtungstemperatur des ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteils höher ist als die Schmelztemperatur des halbkristallinen thermoplastischen Polymers; – Inkontaktbringen des thermoplastischen Polymers mit dem ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteil; – Erwärmen des thermoplastischen Polymers und des ungehärteten wärmehärtenden Polymers oder des wärmehärtenden Polymerverbundbestandteils auf die Vernetzungstemperatur des wärmehärtenden Polymers, worin die ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteile und das thermoplastische Polymer bevor das wärmehärtende Polymer aushärtet in der Lage sind, sich zumindest teilweise gegenseitig zu durchdringen; und – Kühlen des thermoplastischen Polymers und des gehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteils, so dass das thermoplastische Polymer sehr stark an den gehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteil gebunden ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin der wärmehärtende Polymerbestandteil ein wärmehärtendes Polymer ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin der wärmehärtende Polymerbestandteil zunächst ungehärtet ist und Teil eines wärmehärtenden Polymerverbundstoffes ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 3, worin das thermoplastische Polymer und der ungehärtete wärmehärtende Polymerbestandteil des wärmehärtenden Polymerverbundstoffes bei Erwärmung in der Lage sind, bevor das wärmehärtende Polymer vernetzt, sich zumindest teilweise zu durchdringen, und dabei das thermoplastische Polymer an den wärmehärtenden Polymerverbundstoff gebunden wird.
Ein Verfahren zum Verbinden eines halbkristallinen oder kristallinen thermoplastischen Polymers mit einem wärmehärtenden Polymerbestandteil, wobei das Verfahren umfasst: – Auswählen von halbkristallinen thermoplastischen Polymer- und ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteilen, welche Hansen-Löslichkeitsparameter aufweisen, die auf die Fähigkeit des thermoplastischen Polymer- und des ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteils hinweisen, sich zu durchdringen, und worin der ungehärtete wärmehärtende Polymerbestandteil in das halbkristalline thermoplastische Polymer bei der Härtungstemperatur oder niedriger des wärmehärtenden Bestandteils einwandern kann; – Inkontakbringen des thermoplastischen Polymers mit dem ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteil; – Erwärmen des thermoplastischen Polymers und des ungehärteten wärmehärtenden Polymers oder des wärmehärtenden Polymerverbundstoffbestandteils auf die Härtungstemperatur des wärmehärtenden Polymers, wobei die ungehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteile und das thermoplastische Polymer zumindest teilweise in der Lage sind, bevor das wärmehärtende Polymer aushärtet, sich zu durchdringen; und – Abkühlen des thermoplastischen Polymers und des gehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteils, so dass das thermoplastische Polymer sehr stark mit dem gehärteten wärmehärtenden Polymerbestandteil verbunden ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 5, worin die Härtungstemperatur des wärmehärtenden Bestandteils niedriger ist als die Schmelztemperatur des halbkristallinen thermoplastischen Polymers.
Ein Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, worin der wärmehärtende Polymerbestandteil ein wärmehärtendes Polymer ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, worin der wärmehärtende Polymerbestandteil zunächst ungehärtet ist und Teil eines wärmehärtenden Polymerverbundstoffes ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, worin das thermoplastische Polymer und das ungehärtete wärmehärtende Polymer, welches Teil des wärmehärtenden Polymerverbundstoffes ist, bevor das wärmehärtende Polymer aushärtet in der Lage sind, zumindest teilweise, wenn sie erwärmt werden, sich zu durchdringen, wobei das thermoplastische Polymer an den wärmehärtenden Polymerverbundstoff gebunden wird.
Ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, worin das thermoplastische Polymer ein thermoplastischer Polymerbestandteil oder ein Bestandteil mit einer kompatiblen thermoplastischen Polymeroberfläche ist.
Ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, worin das thermoplastische Polymer eines aus entweder einem reinem Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder einem thermoplastischen Polymer, welches PVDF in Kombination mit anderen Polymeren und/oder Additiven enthält, ist.
Ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, worin das thermoplastische Polymer kleine Mengen eines leichtgewichtigen gewebten Baumwollstoffes enthält,
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das thermoplastische Polymer Material enthält, welches eine elektrische Leitfähigkeit oder ein lokalisiertes Erwärmen ermöglicht, wie ferromagnetische Partikel oder ein anderes elektrisch leitfähiges Material.
Ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, worin das thermoplastische Polymer in der Form eines Filmes oder Pulvers vorliegt oder direkt auf die Oberfläche einer Form oder eines Werkzeuges beschichtet ist.
Ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, worin das wärmehärtende Polymer ein Epoxy oder ein Bismaleimid ist.
Ein gehärtetes wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Polymerverbundstoffbestandteil mit einer halbkriistallinen oder kristallinen thermoplastischen Oberfläche, welches gemäß einem der vorherigen Ansprüche hergestellt wird.
Ein Verfahren zum Verschweißen eines wärmehärtenden Polymers oder eines wärmehärtenden Polymerverbundstoffbestandteils mit einer thermoplastischen Oberfläche, welches gemäß dem Verfahren gebildet wird, welches in einem der Ansprüche 1 bis 15 beschrieben ist, mit einem zweiten Bestandteil, welcher eine thermoplastische Oberfläche aufweist, wobei das Verfahren umfasst: – Positionieren und Halten der thermoplastischen Oberfläche des wärmehärtenden Polymerbestandteils oder des wärmehärtenden Polymerverbundstoffes in engem Kontakt mit der thermoplastischen Oberfläche des zweiten Bestandteils; – Erwärmen der jeweiligen thermoplastischen Oberflächen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Thermoplasten für eine Zeit, so dass die thermoplastischen Oberflächen geschmolzen sind und das Verschweißen der benachbarten thermoplastischen Oberflächen auftritt; und – Abkühlen der geschmolzenen Thermoplasten, um eine starke Bindung zwischen dem wärmehärtenden Polymer oder dem wärmehärtenden Verbundbestandteilen und dem zweiten Bestandteil zu erzeugen.
Ein Verfahren nach Anspruch 17, worin der zweite Bestandteil ein wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Polymerverbundstoffbestandteil mit einer thermoplastischen Oberfläche ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 18, worin der zweite Bestandteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 gebildet wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 17, worin der zweite Bestandteil ein thermoplastisches Polymer oder ein thermoplastischer Polymerverbundstoff oder ein beliebiger Bestandteil mit einer thermoplastischen Oberfläche ist.
Ein Verfahren nach einen der Ansprüche 17 bis 20, worin der Fluss der geschmolzenen thermoplastischen Oberflächen durch Erhöhen der Temperatur und/oder Einwirken von höherem Druck auf die beiden Bestandteile während dem Erwärmen oder durch Bereitstellen von zusätzlicher Verarbeitungszeit erhöht wird.
Ein Verfahren nach einen der Ansprüche 17 bis 21, welches darüber hinaus umfasst die Zugabe von weiteren Schichten an halbkristallinem oder kristallinem thermoplastischen Material zwischen den thermoplastischen Oberflächen wie erforderlich, um Lücken auszufüllen oder einen hohen thermoplastischen Polymerfluss bereitzustellen.
Ein Verfahren nach Anspruch 22, worin der Schritt des Erwärmens darüber hinaus das Erwärmen des zusätzlichen thermoplastischen Materials auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten für eine Zeit umfasst, so dass die thermoplastischen Schichten geschmolzen sind und miteinander verschmelzen.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, worin das Verschweißen bei einer Temperatur niedriger als der Glasübergangstemperatur des gehärteten wärmehärtenden Polymers oder des wärmehärtenden Polymerverbundstoffbestandteils erfolgt.
Ein wärmehärtendes Polymer oder ein wärmehärtender Polymerverbundstoffbestandteil mit einer thermoplastischen Oberfläche, welches/welcher nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 hergestellt wird und mit einem zweiten Bestandteil mit einer thermoplastischen Oberfläche gemäß dem Verfahren, welches in einem der Ansprüche 17 bis 24 beschrieben ist, verschweißt wird.