DE69031363T2

DE69031363T2 - Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen und Heizvorrichtung zum Verbinden von Kunststoffen

Info

Publication number: DE69031363T2
Application number: DE69031363T
Authority: DE
Inventors: Kotaro Hirayama; Nanao Horiishi; Shigeru Takaragi; Masanori Terasaki; Tetsuro Toda
Original assignee: Toda Kogyo Corp; Dai Ichi High Frequency Co Ltd
Current assignee: Toda Kogyo Corp; Dai Ichi High Frequency Co Ltd
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-14
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2010-06-15
Also published as: DE69031363D1; US5123989A; EP0403276A2; EP0403276B1; EP0403276A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden isolierender Bauteile wie Harzteile in technischem Maßstab und in einem wirtschaftlichen Arbeitsgang. Insbesondere ist sie auf ein Verfahren zum Verbinden eines Harzteus, durch welches die Anwendung einer Heizeinrichtung, die betriebssicher ist, mit gleichbleibender Qualität arbeitet und von welcher keine Gefährdungen durch elektromagnetische Strahlung ausgehen, und die Verwendung einer Hochfrequenzstromquelle für die Erwärmung mit einer relativ niedrigen, leicht verfügbaren Frequenz ermöglicht wird und auf die Heizvorrichtung dafür gerichtet.
Das Erwärmungsverfahren durch Hochfrequenzinduktion als ein Schmelzverbindungsverfahren für Harzteile ist bekannt. Das Verfahren wird in der Industrie in breitem Umfang angewendet, da es in der Lage ist, leitfähige Materialien gleichmäßig zu erhitzen. So wird dieses Verfahren beispielsweise eingesetzt, um leitfähige Erzeugnisse wie Stahlrohre und Stahlplatten mit Isolierteilen aus Gummi oder Kunststoff zu beschichten. Weiterhin wird es angewendet, um Isolierteile, die beide aus Harz hergestellt sind, miteinander zu verbinden. In diesem Fall wird, da Harz ein Nichtleiter ist, ein leitfähiges Verbundmaterial, das eine leitfähige Substanz wie Eisenpulver als "suszeptibles Material" enthält, als Heizmedium zwischen die zu verbindenden Harzteile der Harzartikel eingebaut und ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer hohen Frequenz von 1 bis 13 MHz an dieses Heizmedium angelegt, wodurch das Isolierteil erhitzt und schmelzverbunden wird. Ein derartiges Verfahren ist in US 4 035 547 offenbart.
In JP-A-55-61435 ist die Anwendung eines Hochfrequenzfeldes zum Verbinden von Polyolefinschaum offenbart.
Da in den letzten Jahren die Verwendung unterschiedlicher Harze als Werkstoff zugenommen hat, ist das Bedürfnis nach Verbesserung des Verfahrens zum Schmelzverbinden von Isolierteilen, die beide beispielsweise aus Harz hergestellt sind, stark gewachsen. Insbesondere ist es wichtig geworden, Dicke und Größe des Heizmediums selbst entsprechend der Verringerung von Dicke und Größe und der Kompliziertheit der Geometrie der zu verbindenden Harzartikel zu verringern, weshalb eine große Nachfrage nach einem Heizmedium mit ausgezeichnetem Verbindungseffekt besteht.
Ferner ist eine Verringerung des Gehalts an "suszeptiblem Material", das an den zu verbindenden Teilen (verbundenen Teilen) verbleibt und eine schwärzliche oder bräunliche Färbung verursacht, zur Realisierung einer effektiven Anwendung von Verbindungsverfahren für Harze, an welche verschiedene ästhetische Ansprüche wie ein heller Farbton und Transparenz gestellt werden, dringend erforderlich.
Im Heizmedium, das in dem Verbindungsverfahren durch Hochfrequenz-Induktionsheizung verwendet wird, ist ein leitfähiges Metallpulver enthalten. Als leitfähiges Metallpulver wird üblicherweise Eisenpulver eingesetzt. Im allgemeinen neigt Eisenpulver mit einer kleinen Teilchengröße zum Oxidieren, wodurch Rost gebildet und seine Leitfähigkeit niedriger wird, weshalb relativ große Teilchen verwendet werden, die der Rostbildung widerstehen.
Diese Tatsache ist beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 52-65 (1977) erwähnt, in welcher festgestellt wird:"Bei den herkömmlichen Heißsiegelverfahren durch Induktion wird Eisenpulver mit relativ großen Teilchen, d.h. Teilchen mit 0,05 bis 20 mils (0,001 bis 0,5 mm) Durchmesser, im allgemeinen als "suszeptibles Material" in der Zusammensetzung des Heizmediums verwendet."
Durch das Rosten der Teilchen werden nachteilige pHänomene wie Verringerung des Wärme erzeugenden Effekts und der Bindefestigkeit hervorgerufen. Deshalb ist von manchen Herstellern ein rostfreies Material wie magnetische Eisenoxidteilchen oder Ferritteilchen als "suszeptibles Material" eingesetzt worden. Wenn man jedoch ein solches "suszeptibles Material" in dem Erwärmungsverfahren durch Hochfrequenzinduktion verwendet, wird es schwierig, einen Wirbelstrom zu erzeugen, da die magnetischen Eisenoxidteilchen oder Ferritteilchen ein Material mit einem hohen spezifischen Widerstand sind, so daß die Heizwirkung der magnetischen Eisenoxidteilchen oder Ferritteilchen im Vergleich zu einem Metallpulver wie Eisenpulver als Heizmedium schlecht ist.
Bei der herkömmlichen Erwärmung durch Hochfrequenzinduktion ist man bestrebt, die angelegte elektrische Energie durch Induktion eines Wirbelstroms im Heizmedium in Wärmeenergie umzuwandeln, so daß es notwendig war, eine hochfrequente (einige MHz) Stromquelle zu verwenden. Auch war es, um einen Wirbelstrom zu erzeugen, wenn ein Heizmedium eingesetzt wurde, das ein magnetisches Verbundmaterial aus Eisenoxidteilchen oder Ferritteilchen und einem Harz enthielt, erforderlich, eine Hochfrequenzstromquelle mit einer höheren Frequenz als der bei Verwendung eines Metallpulvers wie Eisenpulver erforderlichen zu verwenden.
Deshalb haben die herkömmlichen Verfahren auf Grund der hohen für die Hochfrequenzstromquelle erforderlichen Frequenz und der Notwendigkeit, Vorsichtsmaßnahmen zur Verhütung von Gefährdungen durch elektromagnetische Strahlung zu treffen, verschiedene Probleme wie eine ungenügende Betriebssicherheit und Qualität.
Wie aus dieser Feststellung hervorgeht, ist ein Harzverbindungsverfahren, durch welches Nichtleiter wie Harze in kurzer Zeit schmelzverbunden werden können und welches den Einsatz einer Verbindungsvorrichtung ermöglicht, die betriebssicher ist, mit gleichbleibender Qualität arbeitet und von welcher keine Gefährdungen durch elektromagnetische Strahlung ausgehen, und eine für eine solche Harzverbindung verwendete Heizeinrichtung sehr erwünscht.
Ein erster erfindungsgemäßer Aspekt ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Verbinden eines Harzteils, weiches die folgenden Schritte umfaßt: Anordnen eines magnetischen Verbundmaterials, das ein Harz und aus der Eisenoxidteilchen, Ferritteilchen und ein Gemisch davon umfassenden Gruppe ausgewählte magnetische Teilchen umfaßt, als Heizmedium an dem zu verbindenden Harzteil und Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes an das Heizmedium, wobei eine ein Magnetfeld erzeugende Vorrichtung verwendet wird, welche eine Hochfrequenzstromquelle, die in einem Frequenzbereich von 1 bis 400 kHz arbeitet, und eine Heizeinheit umfaßt, die einen elektromagnetischen Kern und eine Erregerspule enthält, wodurch das Heizmedium zur Erzeugung von Wärme für das Schmelzverbinden des Harzteils mit einem anderen Teil veranlaßt wird.
Erfindungsgemäß wird ebenfalls ein Heizmedium zur Verwendung im zuvor beschriebenen Verfahren bereitgestellt, welches ein magnetisches Verbundmaterial umfaßt, das aus einem Harz und magnetischen Teilchen besteht, die aus der Eisenoxidteilchen, Ferritteilchen und ein Gemisch davon umfassenden Gruppe ausgewählt sind, und eine Koerzitivkraft Hc von nicht weniger als 50 Oe aufweist, wobei der Gehalt an den magnetischen Teilchen in dem Heizmedium 0,1 bis 90 Gew.-% beträgt.
Erfindungsgemäß wird auch ein verbundenes Isolierelement bereitgestellt, das ein Harzteil, ein Isolierteil aus Kunststoff, wärmebeständigem faserverstärkten Kunststoff, Holz, Glas oder Keramik und eine Klebeschicht enthält, welche ein magnetisches Verbundmaterial, das ein Harz und magnetische Teilchen umfaßt, die aus der Eisenoxidteilchen, Ferritteilchen und ein Gemisch davon umfassenden Gruppe ausgewählt sind, eingelagert zwischen den anderen zwei Schichten umfaßt, wobei das Teil durch Anordnen des magnetischen Verbundmaterials als Heizmedium an dem zu verbindenden Harzteil und durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes an das Heizmedium hergestellt wird, wobei eine ein Magnetfeld erzeugende Vorrichtung, die eine bei einer Frequenz von 1 bis 400 kHz arbeitenden Hochfrequenzstromquelle und eine einen elektromagnetischen Kern und eine Erregerspule umfassende Heizeinheit umfaßt, verwendet wird.
Als Ergebnis der gründlichen Untersuchungen der Erfinder, um diese Forderungen zu erfüllen, ist festgestellt worden, daß es möglich ist, das gewünschte Verbinden in kurzer Zeit unter Verwendung einer Hochfrequenzstromquelle mit einer relativ niedrigen Frequenz und eines Verfahrens durchzuführen, welches das Anordnen eines magnetischen Verbundmaterials, das aus einem Harz und magnetischen Teilchen besteht, als Heizmedium zwischen einem Harzteil und einem Isolierteil und das Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes an das Heizmedium unter Verwendung eines Magnetfeldgenerators mit einer relativ niedrigen Frequenz als Heizeinheit für das Schmelzverbinden des Harzes, die im wesentlichen aus einem elektromagnetischen Kern und einer Erregerspule besteht, umfaßt, wodurch dieses Heizmedium zur Erzeugung von Wärme veranlaßt wird.
Die Erfindung wird anschließend an Hand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen näher erläutert, worin
- Figur 1 eine perspektivische Teilansicht, die das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulichen soll, zeigt und die
- Figuren 2, 3 und 4 die Beispiele 1, 2 bzw. 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulichen (wobei die Figuren 2 und 4 perspektivische Teilansichten zeigen und Figur 3 eine Teilvorderansicht zeigt).
Das erfindungsgemäße Verbinden wird mittels der Wärme durchgeführt, die durch den vom magnetischen Wechselfeld verursachten magnetischen Hystereseverlust entsteht.
Das erfindungsgemäß verwendete Heizmedium ist ein magnetisches Verbundmaterial, das magnetische Teilchen und ein Harz umfaßt. Als magnetische Teilchen können magnetische Eisenoxidteilchen, Ferritteilchen und ein Gemisch davon verwendet werden. Diese magnetischen Teilchen haben eine Koerzitivkraft von nicht weniger als 50 Oe (1 Oe = 10³/4ΠAM&supmin;¹). Es ist bevorzugt, magnetische Teilchen einzusetzen, (1) deren Koerzitivkraft 50 bis 200 Oe und deren Sättigungsmagnetisierung s nicht weniger als 50 emulg (Am²/kg) oder (2) deren Koerzitivkraft mehr als 200 Oe und deren Sättigungsmagnetisierung s nicht weniger als 45 emu/g beträgt. Die Gestalt der erfindungsgemäß verwendeten magnetischen Teilchen unterliegt keiner Einschränkung, wobei kubische, kugelförmige, nadelförmige und hexagonale Teilchen bevorzugt sind. Von den kubischen und kugelförmigen Teilchen sind diejenigen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von nicht weniger als 0,1 µm besonders bevorzugt. Von den nadelförmigen Teilchen sind diejenigen mit einer mittleren Hauptachse von nicht weniger als 0,05 µm und einer mittleren kurzen Achse von nicht weniger als 0,01 µm besonders bevorzugt. Von den hexagonalen Teilchen sind diejenigen mit einem mittleren Teilchendurchmesser von nicht weniger als 0,5 µm besonders bevorzugt.
Als das einen Bestandteil des erfindungsgemäßen Heizmediums bildende Harz können beispielsweise thermoplastische Harze wie Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Propylencopolymer, Ethylencopolymer, Vinylchloridcopolymer und Styrolcopolymer und thermisch härtende Harze wie Melaminharze, Phenolharze, Epoxyharze und ungesättigte Polyester verwendet werden.
Das erfindungsgemäß verwendete Heizmedium ist nicht elektrisch leitfähig und besitzt eine Koerzitivkraft Hc von nicht weniger als 50. Dabei ist ein Heizmedium, das eine maximale magnetische Elußdichte Bm von nicht weniger als 1 000 G und vorzugsweise von nicht weniger als 1 200 G und/oder ein Verhältnis von Remanenz-Flußdichte zu. Koerzitivkraft (Br/Hc) von nicht weniger als 1,3 und vorzugsweise von nicht weniger als 1,5 aufweist, bevorzugt. Eine Koerzitivkraft Hc von weniger als 50 Oe resultiert in einem zu kleinen magnetischen Verlust. Wenn die maximale Flußdichte Bm des Heizmediums weniger als 1 000 G oder das Br/Hc-Verhältnis weniger als 1,3 beträgt, führt das auf Grund des zu geringen magnetischen Hystereseverlustes zu einer ungenügenden Wärmeerzeugung
Das Verhältnis von magnetischen Teilchen zu Harz im erfindungsgemäßen Heizmedium kann derart gewählt werden, daß es eine Koerzitivkraft Hc von nicht weniger als 50 Oe und vorzugsweise eine maximale Flußdichte Bm von nicht weniger als 1 000 und ein Br/Hc-Verhältnis von nicht weniger als 1,3 besitzt, wobei die magnetischen Eigenschaften der magnetischen Teilchen und die Dispergierbarkeit und Fülleigenschaften der magnetischen Teilchen im Harz berücksichtigt werden. Im allgemeinen kann der Gehalt an magnetischen Teilchen im Heizmedium 0,1 bis 90 Gew.-% betragen. Wenn jedoch (1) magnetische Teilchen mit einer Koerzitivkraft von 50 bis 200 Oe verwendet werden, liegt dieser Gehalt an magnetischen Teilchen im Heizmedium vorzugsweise im Bereich von 50 bis 90 Gew.-% und noch bevorzugter von 55 bis 85 Gew.-% und (2), wenn magnetische Teilchen mit einer Koerzitivkraft von mehr als 200 Oe verwendet werden, liegt dieser Gehalt an magnetischen Teilchen im Heizmedium vorzugsweise im Bereich von nicht weniger als 0,1 Gew.-% bis weniger als 50 Gew.-% und noch bevorzugter von 5 bis 30 Gew.-%. Befindet sich der Gehalt an magnetischen Teilchen im Heizmedium unterhalb von 0,1 Gew.-%, ist es kaum möglich, ein Heizmedium mit obengenannten erwünschten Eigenschaften herzustellen, und es kann vorkommen, daß das erhaltene Heizmedium nicht in der Lage ist, in kurzer Zeit in ausreichendem Maße erfindungsgemäß Wärme zu erzeugen. Übersteigt andererseits dieser Gehalt 90 Gew.-%, wird das Füllen und Dispergieren der magnetischen Teilchen im Harz schwierig.
Das erfindungsgemäß verwendete Heizmedium kann entweder in pastöser oder fester Form vorliegen. Wenn das Heizmedium in fester Form verwendet wird, ist seine Gestalt beispielsweise pelletförmig oder bahnförmig und kann entsprechend der Geometrie der zu verbindenden Teile geeignet gewählt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von magnetischen Teilchen als "suszeptibles Material" ist es erforderlich, eine gute Übereinstimmung zwischen den magnetischen Eigenschaften des "suszeptiblen Materials" oder des magnetischen Verbundmaterials, in welchem das "suszeptible Material" dispergiert ist, und der Intensität des Magnetfelds herzustellen, das von der das magnetische Wechselfeld hervorbringenden Stromquelle erzeugt wird. Anders ausgedrückt ist es notwendig, an das Heizmedium ein magnetisches Wechselfeld anzulegen, dessen Intensität größer als die Koerzitivkraft ist, welche das "suszeptible Material" oder das magnetische Verbundmaterial, in welchem das "suszeptible Material" dispergiert ist, besitzt. Durch Anlegen eines Magnetfeldes, das 1- bis 15-mal stärker als die Koerzitivkraft des magnetischen Verbundmaterials ist, ist es möglich, von dem "suszeptiblen Material" einen ausreichenden Hystereseverlust abzuleiten. Beträgt die Intensität des angelegten Magnetfeldes weniger als das 1-fache der Koerzitivkraft des "suszeptiblen Materials", ist der Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung unannehmbar niedrig. Liegt die Intensität des angelegten Magnetfeldes über dem 15-fachen der Koerzitivkraft des "suszeptiblen Materials", wird der Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung wenig beeinflußt. Da man Arbeit sparen und die Vorrichtung vereinfachen will, ist es bevorzugt, ein Magnetfeld anzulegen, dessen Intensität das etwa 2- bis 10-fache und noch bevorzugter das 5- bis 10-fache der Koerzitivkraft des magnetischen Verbundmaterials beträgt.
Erfindungsgemäß ist es zwingend, dieses magnetische Wechselfeld unter Verwendung eines Magnetfeldgenerators als Heizvorrichtung zum Harzverbinden anzulegen, welcher eine Hochfrequenzstromquelle und eine daran angeschlossene Heizeinheit umfaßt, die im wesentlichen aus einem elektromagnetischen Kern und einer Erregerspule besteht.
Anschließend wird die erfindungsgemäße Heizvorrichtung zum Harzverbinden (im folgenden als erfindungsgemäße Vorrichtung bezeichnet) unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen genauer beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht, die ein Beispiel für den konstruktiven Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, um deren Eunktionsprinzip zu veranschaulichen.
Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt beispielsweise eine Heizeinheit, die aus einem Paar zueinander passender E-förmiger elektromagnetischer Kernsegmente 1 und einer Erregerspule 2 besteht, und eine Hochfrequenzstromquelle 5. Die Erregerspule 2 ist über Leiterdrähte an der Hochfrequenzstromquelle angeschlossen.
In den Spalt 4 zwischen den einander gegenüberliegenden Magnetpolen der Heizeinheit, die im wesentlichen aus dem elektromagnetischen Kern 1 und der Erregerspule 2 besteht, werden als zu verbindende nichtleitende Materialien Harzteile 3, zwischen denen ein magnetische Teilchen enthaltendes Heizmedium eingeschlossen ist, eingesetzt. Wird durch die Hochfrequenzstromquelle 5 ein magnetisches Wechselfeld an das Heizmedium angelegt, wird darin ein entsprechendes magnetisches Wechselfeld mit hohem Wirkungsgrad erzeugt. Dadurch ermöglicht diese Vorrichtung die Verwendung einer Hochfrequenzstromquelle mit einer relativ niedrigen Frequenz von nicht mehr als 400 kHz
Die durch die Hysterese erzeugte Heizleistung Hl (W) wird in hohem Maße von der Flußdichte beeinflußt, wie folgende Gleichung zeigt:
Hl = η f Bm1,6 V,
worin
η : Hysteresekoeffizient,
f : Frequenz des magnetischen Wechselfeldes,
Bm : maximale Flußdichte,
V: Volumen des zu erwärmenden Gegenstandes.
Somit wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, in welcher eine Heizeinheit verwendet wird, die einen elektromagnetischen Kern und eine Erregerspule umfaßt, das erzeugte magnetische Wechselfeld durch eine magnetische Substanz wie den elektromagnetischen Kern zusammengeführt, wobei sich der magnetische Fluß des an das Heizmedium angelegten Magnetfeldes erhöht, was in kurzer Zeit eine hocheffiziente Wärmeerzeugung ermöglicht. Wenn für die Heizeinheit ein elektromagnetischer Kern verwendet wird, vergrößert sich das erzeugte Magnetfeld mit einem mehrfachen Verhältnis zur relativen Permeabilität, die bei der herkömmlichen Induktionserwärmung nicht genutzt wird. Deshalb kann erfindungsgemäß die für die Hochfrequenzstromquelle erforderliche Frequenz mit 1 bis 400 kHz niedrig sein und als ein Ergebnis eine Heizvorrichtung zum Harzverbinden bereitgestellt werden, die im wesentlichen keine Gefährdungen durch elektromagnetische Strahlung und eine verbesserte Betriebssicherheit aufweist, wobei das gesamte System einschließlich der Stromquelle kleinformatig ist, dadurch die Herstellungskosten verringert werden, und eine geringe Impedanz besitzt.
Anschließend wird ein weiteres Beispiel für die erfindungsgemäße Heizvorrichtung zum Harzverbinden beschrieben.
Fig. 2 ist eine perspektivische Teilansicht dieser Vorrichtung. Die Vorrichtung umfaßt ein Paar elektromagnetischer Kerne 1, die sich jeweils aus drei gleichen Segmenten zusammensetzen, die ihrerseits jeweils aus zwei U-förmigen elektromagnetischen Kernteilen (Material H7C4, Typ UU80, hergestellt von TDK Corporation) bestehen. An einem der elektromagnetischen Kerne 1 des Paares ist ein Kupferrohr mit einem Durchmesser von 4 mm siebenmal um die mittleren Schenkel gewickelt, wodurch die Erregerspule 2 gebildet wird. Danach werden die beiden elektromag netischen Kerne 1 des Paares einander gegenüber angeordnet, wobei sich die in Fig. 2 gezeigte integrale Heizeinheit bildet. Die Maße des in der Mitte dieser Heizvorrichtung zwischen den Polen gebildeten Spalts 4 betragen 40 mm in der Breite der Polfläche, 90 mm in der Länge und 20 mm in der Höhe zwischen den einander gegenüberliegenden Polen. Bei dieser Heizvorrichtung sind beide Enden des die Erregerspule 2 bildenden Kupferrohrs unter Verwendung von Leiterdrähten an eine Hochfrequenzstromquelle (HI-HEATER 1050, hergestellt von Daiichi High Frequency Co., Ltd.) angeschlossen.
Fig. 3 ist eine Teilvorderansicht der Heizvorrichtung in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform Diese Vorrichtung umfaßt eine Kombination aus einem U-förmigen und einem I-förmigen elektromagnetischen Kern 1 (Material H7C4, Typ UI80, hergestellt von TDK Corporation). Um den Mittelteil (in der Figur oberen Teil) des U-förmigen Kerns ist zwölfmal ein Kupferrohr mit einem Durchmesser von 4 mm gewickelt, und gegenüber dem U- förmigen Kern ist ein I-förmiger Kern angeordnet, wodurch die Heizeinheit gebildet wird. Bei dieser Heizeinheit betragen die Maße der Polfläche des U-förmigen Kerns 20 mm x 30 mm, und die Länge des Spalts 4 zwischen den einander gegenüberliegenden Polen kann, falls gewünscht, verändert werden. In dieser Heizeinheit sind die Enden der Erregerspule 2 auf dieselbe Weise wie in der zuerst beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform an einer Hochfrequenzstromquelle 5 angeschlossen.
Fig. 4 ist eine perspektivische Teilansicht der Vorrichtung in einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, die einen einzigen I-förmigen elektromagnetischen Kern 1 (Material H7C4, Typ EI-70, hergestellt von TDK Corporation) umfaßt, um welchen ein Kupferrohr mit einem Durchmesser von 4 mm achtmal gewickelt ist, wodurch eine Heizeinheit gebildet wird. Die Polfläche der Heizeinheit ist rechteckig mit 30 mm x 10 mm. Die Enden der Erregerspule 2 dieser Heizeinheit sind wie in der zuerst beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform über Leiterdrähte an einer Hochfrequenzstromquelle 5 angeschlossen.
Erfindungsgemäß wird als Heizmedium ein ein Harz und magnetische Teilchen umfassendes magnetisches Verbundmaterial verwendet, und durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes, das unter Verwendung eines Magnetfeldgenerators, der im wesentlichen aus einem elektromagnetischen Kern und einer Erregerspule besteht, auf das Heizmedium zusammengeführt wird, ist es möglich, das Harz in kurzer Zeit zu schmelzen oder auszuhärten.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Harzverbindungsverfahren ist es auch möglich, eine Hochfrequenzstromquelle in einem niederfrequenten Bereich, insbesondere mit einer Frequenz von 1 bis 400 kHz, zu verwenden, von welcher keine elektromagnetischen Gefährdungen ausgehen. Weiterhin kann, wenn ein Heizmedium eingesetzt wird, das als "suszeptibles Material" magnetische Teilchen mit einer Koerzitivkraft Hc von mehr als 200 Qe enthält, der Gehalt an magnetischen Teilchen im Heizmedium wegen ihres ausgezeichneten wärmeerzeugenden Effekts minimiert werden.
Darüber hinaus besteht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Grund der Verwendung einer Hochfrequenzstromquelle in einem relativ niederfrequenten Bereich wie 1 bis 400 kHz kaum die Möglichkeit einer Wirbelstromerzeugung, und da die Wärmeerzeugung hauptsächlich an den magnetischen Hystereseverlust gebunden ist, hängt das Ausmaß der Erwärmung von den elektromagnetischen Eigenschaften des das Heizmedium bildenden magnetischen Verbundmaterials ab, so daß die Erwärmungstemperatur für das Anhaften durch die geeignete Auswahl der magnetischen Eigenschaften des Heizmediums leicht und beliebig gesteuert werden kann.
Das erfindungsgemäße Harzverbindungsverfahren ist in der Lage, Harze wie thermoplastische Harze, duroplastische Harze und feserverstärkte Kunststoffe schmelzzuverbinden. Es ermöglicht ebenfalls das Verbinden von nichtleitenden anhaftenden Stoffen, wobei es keine Rolle spielt, ob beide anhaftende Stoffe Harze sind oder nur einer davon ein Harz und der andere anhaftende Stoff ein anderes Material als Harz wie Holz, wärmebeständiger faserverstärkter Kunststoff, Glas und Keramik ist.
Desweiteren wird, wenn Harz und magnetische Teilchen mit einer Koerzitivkraft von mehr als 200 Oe verwendet werden, das zum Verbinden notwendige Erwärmen erleichtert und kann der Gehalt an magnetischen Teilchen im magnetischen Verbundmaterial verringert werden, da die Wärmeerzeugung durch einen Magnetfeldgenerator verursacht wird, der aus einem elektromagnetischen Kern und einem leitfähigen Material besteht. Dies führt zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Harzverbindung, einer Verringerung der Schichtdicke des Heizmediums, einer Verkleinerung der Größe der Arbeitsvorrichtung und einem vergrößerten Umfang der Verwendung von Harzen.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem betriebssicher ist, mit gleichbleibender Qualität arbeitet und von ihr, weil eine Hochfrequenzstromquelle im niederfrequenten Bereich von 1 bis 400 kHz, insbesondere mit einer Frequenz von 1 bis 100 kHz verwendet werden kann, keine Gefährdungen durch elektromagnetische Strahlung ausgehen, können eine Verkleinerung der Größe der Vorrichtung und eine Vereinfachung der zusätzlichen Ausrüstung und weitere technische und wirtschaftliche Vorteile verwirklicht werden.
Da weiterhin die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet ist, daß Harze durch Erwärmen eines Heizmediums schmelzen oder aushärten, kann sie nicht nur zum Harzverbinden, sondern auch wirkungsvoll als Heizvorrichtung zur Durchführung des Schmelzens, Aushärtens oder Formens von Harzen verwendet werden.

Beispiele

Die Erfindung wird anschließend an Hand der folgenden Beispiele, welche den Erfindungsumfang jedoch nicht begrenzen, näher erläutert.
Die elektrischen Eigenschaften der magnetischen Teilchen und des Heizmediums, die erfindungsgemäß verwendet wurden, wurden durch mit einem Hochwiderstandsmesser gemessene Zahlenwerte angegeben und die magnetischen Eigenschaften wurden durch mit einem Schwingprobenmagnetometer gemessene Zahlenwerte charakterisiert. Das magnetische Wechselfeld wurde durch eine Zahl, die aus dem Meßwert der an den Magnetfeldgenerator angelegten Hochfrequenzspannung berechnet wurde, angezeigt und die Frequenz wurde durch einen durch Betrachten der Wellenform der Hochfrequenz mit einem Synchronoskop erhaltenen Wert charakterisiert.

Herstellung des Heizmediums

Heizmedium 1

Zu 50 g eines Propylen-Blockcopolymeren (J-609H, hergestellt von Ube Industries Ltd.) wurden 80 Gew.-% Maghemitteilchen mit einem spezifischen Widerstand von 10¹² Ω cm, einer Koerzitivkraft Hc von 130 Oe und einer Sättigungsmagnetisierung GS von 80 emulg gegeben, und das erhaltene Gemisch wurde unter Verwendung eines Paars beheizter Walzen 5 Minuten lang bei 180 ºC geknetet. Die geknetete Substanz wurde dispergiert, durch eine Heißpresse auf 200 ºC erhitzt, dort 5 Minuten lang gehalten und danach durch eine Kaltpresse 5 Minuten lang abgekühlt, wobei eine 100 mm x 100 mm x 0,3 mm Heizfolie für das Verbinden (Heizmedium) hergestellt wurde.
Die wichtigsten Herstellungsbedingungen und magnetischen Eigenschaften des so erhaltenen Heizmediums 1 sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Heizmedien 2 bis 6

Auf dieselbe Weise wie bei der Herstellung des Heizmediums 1 wurden Heizfolien für das Verbinden (Heizmedien) hergestellt, wobei aber die Art des Harzes, die Art und das Mischungsverhältnis der magnetischen Teilchen und die Temperatur der beheizten Walzen verändert wurden.
Die wichtigsten Herstellungsbedingungen und magnetischen Eigenschaften der so erhaltenen Heizmedien sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Heizmedium 7

Zu 50 g eines Einkomponenten-Epoxidharzes wurden 50 Gew.-% derselben magnetischen Teilchen wie bei der Herstellung des Heizmediums 1 gegeben, wobei sich ein pastöses Heizmedium bildete.

Beispiel 1

Zwei übereinandergelegte (20 mm breite, 50 mm lange) Polypropylentafeln wurden unter Druck zwischen einem Paar E-förmiger elektromagnetischer Kerne angeordnet, wobei sich die zu verbindenden Tafelquerschnitte mit den die magnetischen Kraftlinien bildenden Teilen in Übereinstimmung befanden, die von dem Paar elektromagnetischer Kerne gebildet wurden, die jeweils aus einem Sintermaterial aus Mangan-Zink-Ferrit hergestellt waren, wobei einer davon mit einer aus leitfähigen Drähten hergestellten Wicklung versehen war, und danach wurde unter den in Tabelle 2 aufgeführten elektrischen Bedingungen ein magnetisches Wechselfeld angelegt. Die Verbindungsbereiche dieser Tafeln wurden in 25 Sekunden verschmolzen und die beiden Tafeln fest miteinander verbunden.

Beispiele 2 bis 7 und Vergleichsbeispiele 1 und 2

Es wurden Tafeln auf dieselbe Weise wie im Beispiel 1 miteinander verbunden, wobei aber die Art des Heizmediums, die Art des anhaftenden Materials und die Betriebsbedingungen wie die elektrischen Bedingungen und das angelegte magnetische Wechselfeld verändert wurden. Die Art des verwendeten Heizmediums und anhaftenden Materials und die in obigen Arbeitsgängen angewendeten Betriebsbedingungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Verbindungen der Harztafeln in den Beispielen 2 bis 7 waren, wie im Beispiel 1, fest und haltbar.
Die Verbindungen der Harztafeln in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 waren noch lose und locker. Tabelle 1 Tabelle 1 (Fortsetzung) Tabelle 2

Beispiel 8

30 g kubisches Magnetit (Koerzitivkraft 220 Oe) und 70 g Propylen-Blockcopolymer (Fp. 164 ºC, hergestellt von Ube Industries Ltd.) wurden durch beheizte Walzen 5 Minuten lang vermischt und geknetet, und das Gemisch wurde durch eine Heißpresse zu einer 0,5 mm dicken Folie geformt.
Diese Folie wurde im Spalt des Kerns einer Heizvorrichtung (hergestellt von Daiichi High Frequency Co., Ltd.) angeordnet, die einen E-förmigen Ferritkern, eine Kupferwicklung und eine Hochfrequenzstromquelle umfaßte. Danach wurde die Stromquelle mit einer Ausgangsleistung von 0,4 kW und einer Frequenz von 90 kHz eingeschaltet, wobei ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wurde; die Folientemperatur wurde mit einem Kupfer-Konstantan-Thermoelement gemessen. Diese Temperatur stieg innerhalb von 60 Sekunden auf 180 ºC an und blieb auf dieser Höhe.
Die Folie wurde zwischen zwei Polypropylentafeln (3 mm Dicke, Fp. 164 ºC, hergestellt von Ube Industries, Ltd.) festgehalten, und es wurde unter obengenannten Bedingungen Wärme erzeugt. Als Ergebnis wurden die Grenzflächen der Folie mit den Polypropylentafeln aufgeschmolzen und fest miteinander verbunden.
Die Bedingungen des Verbindungsvorgangs und die Ergebnisse der Behandlung durch Wärmeerzeugung sind in Tabelle 3 zusammengefaßt.

Beispiele 9 bis 12

Wärmeerzeugung und Verbindungsvorgänge wurden gemäß demselben Verfahren wie im Beispiel 8 durchgeführt, wobei aber Art und Gehalt des magnetischen Pulvers und die elektrischen Bedingungen verändert wurden.
Die Bedingungen des Verbindungsvorgangs und die Ergebnisse der Behandlungen sind in Tabelle 3 zusammengefaßt.

Beispiel 14

10 g nadelförmige Maghemitteilchen (Koerzitivkraft 420 Oe) und 90 g eines wärmehärtbaren Einkomponenten-Epoxidharzklebstoffs wurden vermischt, wobei eine Paste hergestellt wurde, in welcher gleichmäßig Teilchen im flüssigen Harz dispergiert waren. Die Paste wurde zwischen einem Paar Glasplatten (1 mm Dicke, hergestellt von Matunami slide Glass Co., Ltd.) derart aufgetragen, daß ihre Dicke 0,5 mm betrug. Dieser Aufbau wurde in der im Beispiel 8 verwendeten Heizeinrichtung angeordnet. Danach wurde unter den Bedingungen einer Ausgangsleistung von 0,5 kW und einer Frequenz von 95 kHz ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und die Temperatur der Paste mit einem Kupfer-Konstantan-Thermoelement gemessen. Die Paste wurde in 12 Sekunden auf 130 ºC erhitzt und blieb stabil auf dieser Temperatur. Auch härtete die Paste aus, und die Glasplatten wurden fest miteinander verbunden.
Die Bedingungen des Verbindungsvorgangs und die Ergebnisse der Behandlung durch Wärmeerzeugung sind in Tabelle 4 zusammengefaßt.

Beispiele 15 bis 19

Die Wärmeerzeugung und die Verbindungsvorgänge wurden gemäß demselben Verfahren wie im Beispiel 14 durchgeführt, wobei bei aber Art und Gehalt des magnetischen Pulvers und die elektrischen Bedingungen verändert wurden. Dabei wurden die Glasplatten immer fest miteinander verbunden. Die Bedingungen des Verbindungsvorgangs und die Ergebnisse der Behandlung durch Wärmeerzeugung sind in Tabelle 4 zusammengefaßt. Tabelle 3

Beispiel 20

Unter Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Heizvorrichtung wurden die aus zwei (20 mm breiten, 50 mm langen und 5 mm dicken) Polypropylentafeln bestehenden zu verbindenden Teile zusammen mit einem dazwischen eingelegten Heizmedium im Spalt 4 angeordnet, danach wurde daran unter den in Tabelle 5 aufgeführten elektrischen Bedingungen ein magnetisches Wechselfeld angelegt, wobei durch die Erregerspule 2 Kühlwasser strömte. Die Teile wurden in 20 Sekunden verschmolzen und die beiden Tafeln fest miteinander verbunden.

Beispiele 21 bis 27 und Vergleichsbeispiele 3 und 4

Die Arbeitsgänge zum Schmelzverbinden wurden gemäß demselben Verfahren wie im Beispiel 20 durchgeführt, wobei aber die Heizeinheit, das Heizmedium, die zu verbindenden Stoffe und die Verbindungsbedingungen sowie das angelegte magnetische Wechselfeld verändert wurden. Die wichtigsten Betriebsbedingungen sind in Tabelle 5 zusammengefaßt. Die Harzteile der Beispiele 21 bis 27 waren wie im Beispiel 20 fest miteinander verbunden.
Im Vergleichsbeispiel 3 wurde das Schmelzverbinden unter Verwendung einer U-Heizspule ohne Magnetkern gemäß demselben Verfahren wie im Beispiel 20 durchgeführt.
Im Vergleichsbeispiel 4 wurde das Schmelzverbinden unter Verwendung einer Heizspule mit mehreren Wicklungen ohne Magnetkern gemäß demselben Verfahren wie im Beispiel 20 durchgeführt.
In den Vergleichsbeispielen 3 und 4 fand selbst nach 150 Sekunden nach Beginn des Anlegens des magnetischen Wechselfeldes keine ausreichende Wärmeerzeugung statt, und die zu verbindenden Harzteile blieben lose. Tabelle 5

Claims

1. Verfahren zum Verbinden eines Harzteils (3), welches folgende Schritte umfaßt:

Anordnen eines magnetischen Verbumdmaterials, das ein Harz und aus der Eisenoxidteilchen, Ferritteilchen und ein Gemisch davon umfassenden Gruppe ausgewählte magnetische Teilchen umfaßt, als Heizmedium an dem zu verbindenden Harzteil und Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes an das Heizmedium, wobei eine ein Magnetfeld erzeugende Vorrichtung verwendet wird, welche eine Hochfrequenzstromquelle (5), die in einem Frequenzbereich von 1 bis 400 KHz arbeitet, und eine Heizeinheit, die einen elektromagnetischen Kern (1) und eine Erregerspule (2) umfaßt, wodurch das Heizmedium zur Erzeugung von Wärme für das Schmelzverbinden des Harzteils mit einem anderen Teil veranlaßt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Heizmedium eine Koerzitivkraft Hc von nicht weniger als 50 Oe hat.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die magnetischen Teilchen eine Koerzitivkraft Hc von nicht weniger als 50 Oe haben und der Gehalt an den magnetischen Teilchen in dem Heizmedium in einem Bereich von 0,1 bis 90 Gew.-% liegt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Harz aus der Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Ethyl encopolymer, Propylencopolymer, Vinylchloridcopolymer, Styrolcopolymer, Melaminharze, Phenolharze, Epoxyharze und ungesättigte Polyester umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Intensität des magnetischen Wechselfeldes im Bereich des 1- bis 15-fachen der Koerzitivkraft Hc des Heizmediums liegt.

6. Heizmedium zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welches ein magnetisches Verbundmaterial umfaßt, das ein Harz und magnetische Teilchen, die aus der Eisenoxidteilchen, Ferritteuchen und ein Gemisch davon umfassenden Gruppe ausgewählt sind, einschließt und das eine Koerzitivkraft Hc von nicht weniger als 50 Oe aufweist, wobei der Gehalt an den magnetischen Teilchen in dem Heizmedium 0,1 bis 90 Gew.-% beträgt.

7. Heizmedium gemäß Anspruch 6 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Heizmedium eine maximale Flußdichte Bm von nicht weniger als 1000 G aufweist.

8. Heizmedium gemäß Anspruch 6 oder 7 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Heizmedium ein Verhältnis von Remanenz-Flußdichte zu Koerzitivkraft (Br/Hc) von nicht weniger als 1,3 aufweist.

9. Heizmedium gemäß Anspruch 6, 7 oder 8 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die magnetischen Teilchen eine Koerzitivkraft Hc von 50 bis 200 Oe aufweisen und der Gehalt an magnetischen Teilchen in dem Heizmedium 50 bis 90 Gew.-% beträgt.

10. Heizmedium gemäß Anspruch 6, 7 oder 8 oder Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die magnetischen Teilchen eine Koerzitivkraft von mehr als 200 Oe aufweisen und der Gehalt an magnetischen Teilchen in dem Heizmedium in einem Bereich von 0,1 bis 50 Gew.-% liegt.

11. Heizvorrichtung zum Verbinden von Harzen, welche eine Hochfrequenzstromquelle (5) und eine Heizeinheit umfaßt, die mit der Hochfrequenzstromquelle verbunden ist und einen elektromagnetischen Kern (1) und eine Erregerspule (2) umfaßt.

12. Verbundenes Isolierelement, das ein Harzteil, ein Isolierteil aus Kunststoff, wärmebeständigem faserverstärkten Kunststoff, Holz, Glas oder Keramik und eine Klebeschicht enthält, welche ein magnetisches Verbundmaterial, das ein Harz und magnetische Teilchen umfaßt, die aus der Eisenoxidteilchen, Ferritteuchen und ein Gemisch davon umfassenden Gruppe ausgewählt sind, eingelagert zwischen den anderen zwei Schichten umfaßt, wobei das Teil durch Anordnen des magnetischen Verbundmaterials als Heizmedium an dem zu verbindenden Harzteil und durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes an das Heizmedium hergestellt wird, wobei eine ein Magnetfeld erzeugende Vorrichtung, die eine bei einer Frequenz von 1 bis 400 KHz arbeitende Hochfrequenzstromquelle (5) und eine einen elektromagnetischen Kern (1) und eine Erregerspule (2) umfassende Heizeinheit umfaßt, verwendet wird.