DE69908379T2

DE69908379T2 - Verbindung mittels eines thermoplastischen elementes

Info

Publication number: DE69908379T2
Application number: DE69908379T
Authority: DE
Inventors: Johannes Marcus BULTERS; Antonio Avides Moreira
Original assignee: DSM IP Assets BV
Current assignee: DSM IP Assets BV
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: DE69908379D1; US6878225B2; ES2201763T3; NL1010022C2; WO2000013880A1; EP1109662A1; AU5536699A; EP1109662B1; US20010040000A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aus einem thermoplastischen Elastomer hergestellte Komponente, welche in einer dauerhaften Verbindung zwischen mindestens zwei Komponenten in einem Gegenstand angebracht wird, und ein Verfahren zum Bilden dieser Verbindung. Die Erfindung zielt insbesondere auf ein Verfahren zum Bewerkstelligen einer Dichtungsverbindung zwischen zwei Komponenten in einem Gegenstand.
Dichtungskomponenten aus thermoplastischen elastomeren Materialien sind bekannt und finden breite Anwendung. Beispielsweise als ein Gehäuseverschluß, d. h. ein im Bau von zum Beispiel einer Autokarosserie oder eines Kühlschranks benötigter Verschluß für Dichtungslöcher, um ein Eindringen von Wasser zu verhindern, als Flachdichtungsringe, Dichtungsringe, Schrumpfmuffen und dergleichen. Eine Anwendung von Dichtungsgegenständen aus thermoplastischem elastomerem Material stellt insofern wichtige Vorteile dar, als daß die thermoplastischen Eigenschaften kompliziertere Formungen zulassen, welche in einer ziemlich einfachen Weise massenhergestellt werden, was im Falle von Kautschuk- bzw. Gummimaterialien nicht möglich ist, da es hier einer Vulkanisation in der Form bedarf. Ein Nachteil der aus thermoplastischen elastomeren Materialien hergestellten Dichtungs- oder Verbindungsgegenstände jedoch ist, daß sie nur einen begrenzten Grad an Verformung zulassen, wenn sie angepaßt werden. Im allgemeinen ist ein Deformationsgrad in Höhe einiger zehn Prozent nicht vollständig reversibel und resultiert in dauerhafter Verformung.
Wenn die anfängliche Verformung 100% beträgt, kann eine dauerhafte Verformung oft bis zu 40% betragen. Dieser Sachverhalt wird als Zugverformungsrest von 40% bezeichnet. Im allgemeinen beträgt ein solcher Zugverformungsrest für Kautschuk bzw. Gummi weniger als 10%. In manchen Fällen ist die Leistung aufgrund dieses höheren Zugvertormungsrestes und auch aufgrund dessen, daß thermoplastische elastomere Materialien allgemein aufgrund der Anwesenheit von harten Teilen in der Matrix härter sind, ungenügend. Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bilden einer dauerhaften Verbindung zwischen zwei Komponenten eines Gegenstands bereitzustellen, in dem mindestens eine Komponente durch Formen eines thermoplastischen elastomeren Materials erhalten wird, was in einer verbesserten Dichtung resultiert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren erreicht. Thermoplastische elastomere Materialien werden beispielsweise ausführlich in Thermoplastic Elastomers, 2. Auflage, G. Holden e.a. Editor, Hansen Verlag (1996), ISBN 1-56990-205-4, und der darin zitierten Literatur beschrieben.
Die Erfindung kann prinzipiell auf alle gegenwärtig geläufigen thermoplastischen Elastomere angewendet werden, die in Verbindungen verwendeten Komponenten angewendet werden. Basierend auf ihrer chemischen Beständigkeit, wird zum Beispiel bevorzugt Verwendung von auf Polyurethanen, Polyestern und Polyamiden basierenden thermoplastischen Elastomeren als harter Block in Copolymeren und Kombinationen eines harten thermoplastischen Polymers und eines Elastomers wie Polypropylen-EPDM oder EPR-Kombinationen gemacht.
Die vorgenannten thermoplastischen elastomeren Materialien sind im Handel unter verschiedenen Markennamen erhältlich. Gemische bzw. Blends von harten thermoplastischen Polymeren mit thermoplastischen Elastomeren können auch verwendet werden. Die thermoplastischen elastomeren Materialien können herkömmliche Zusatzmittel enthalten, zum Beispiel Füllmittel wie Talk, Ruß, verstärkende Füllstoffe wie Glimmer, Stabilisierungsmittel, Färbemittel und Verarbeitungshilfsmittel.
Das Formen kann unter Verwenden herkömmlicher Techniken, zum Beispiel Spritzgießen und Extrusionstechniken, bewirkt werden.
Im allgemeinen wird das Dehnen senkrecht zu der Ebene bewirkt, in der die Verbindung bewerkstelligt werden soll.
Der für das Verfahren der Erfindung benötigte Dehnungsgrad ist von Fall zu Fall bestimmt und ist sehr von der Form der Komponente und der anzubringenden Verbindung abhängig.
Dehnen bedeutet hier eine solche Verformungsmenge, die mehr als 10% Verformung verursacht, die bei Lösen der Spannung, durch welche die Verformung herbeigeführt worden war, verbleibt. Dies betrifft normalerweise den Temperaturbereich von –40°C bis +60°C, worauf sich künftig als Umgebungstemperatur bezogen wird.
Im allgemeinen tritt ein Dehnen auf, wenn die Verformung mehr als 50% beträgt, und ein Dehnen tritt eher in härteren thermoplastischen Elastomeren als in weicheren auf.
Im allgemeinen wird ein Dehnen nicht über 200% hinaus angewandt, bevorzugt 100%, da ansonsten die bei Lösen der Verformungsspannung verbleibende Verformung, auch als Zugverformungsrest bekannt, zu groß und weniger reproduzierbar ist.
Die Zeit, während der ein Dehnen angewandt wird, kann zwischen weiten Grenzen variieren. Aus Gründen bezüglich der Herstellung wird sie so kurz wie möglich gewählt, zum Beispiel 10 Sekunden. Die benötigte Zeit ist teilweise von der Reproduzierbarkeit der Verformung bestimmt, die nach einer Entspannung der Komponente bei Umgebungstemperatur verbleibt.
Aus wirtschaftlichen Gründen wird die Temperatur, der die Verbindung schließlich ausgesetzt ist, so hoch wie möglich gewählt, allerdings nicht höher als eine Temperatur, welche etwa 20°C unter dem Schmelzpunkt des thermoplastischen Elastomers liegt. Der Schmelzpunkt des thermoplastischen Elastomers ist hier als die Temperatur definiert, bei der die Peakspitze in der Aufwärmkurve der Differentialscanningkalorimetrie (DSC)-Messung bei einer Aufwärmgeschwindigkeit von 20°C/min. liegt.
Es ist sehr überraschend, daß die Komponente, welche bei Umgebungstemperatur entspannt hat, unter diesen Bedingungen im wesentlichen eine Schrumpfung zur Verformung hin zeigt, aufgrund dessen eine andauernde Verbindung in bzw. mit Spannung eingerichtet wird.
Die Zeit, während der die Verbindung der erhöhten Temperatur ausgesetzt ist, kann zwischen weiten Grenzen variieren, und ist oft durch herstellungsbezogene Überlegungen bestimmt. Im allgemeinen jedoch sollte die Zeit begrenzt sein, da ansonsten die Spannung, mit der die Verbindung herbeigeführt wird, sich zu stark verringern wird. Eine Zeitdauer von zwischen 0,5 und 30 Minuten reicht in den meisten Fällen aus.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wird das Verfahren der Erfindung mit Bezug auf einen Gehäuseverschluß für das Abdichten von Löchern in einer Metallplatte veranschaulicht.
Der Gehäuseverschluß wird durch Spritzgießen erhalten, woraufhin er senkrecht zu der Ebene gedehnt wird, in der die Verbindung herbeigeführt werden soll, was in diesem Beispiel sofort nach dem Abkühlen der Form der Spritzgießmaschine mit einer Anbringung in der Form bewirkt wird. Als nächstes kann der gedehnte Gehäuseverschluß bei Umgebungstemperatur von 23°C entspannen, um im wesentlichen wieder seine ursprünglichen Dimension anzunehmen. Sobald der Gehäuseverschluß in das Loch in der Metallplatte eingesetzt ist, wird die Wärmebehandlung bei erhöhter Temperatur (170°C) durchgeführt. In der Automobilindustrie fällt dieser Vorgang bevorzugt mit der Lackierstraße zusammen. Während der letzteren Wärmebehandlung umschließt der Verschluß fest die Oberfläche der Metallplatte und verbleibt in Spannung.
Natürlich sind die Abmessungen des Gehäuseverschlusses genau eingestellt, um den zu unterlaufenden Verformungen zu genügen, und sie können im Experiment unter Verwenden von Probestäben des verwendeten thermoplastischen elastomeren Materials ermittelt werden.
Für Anwendungen in der Automobilindustrie ist es bevorzugt, Polyetheresterelastomere basierend auf Polybutylenterephthalat als den harten Teil zu verwenden, insofern solche Materialien unter anderem gut in der Lage sind, der in der Lackierstraße auftretenden hohen Temperatur zu widerstehen, und gut lackierbar sind.
Beispiel 2
Dieses Beispiel zeigt allgemein die Eigenschaften des thermoplastischen elastischen Materials, deren Bestimmung es für ein ordentliches Formen der in der Erfindung zu verwendenden Komponente und für ein Bestimmen der Eignung eines Materials für das Verfahren der Zusammensetzung bedarf.
Wie Hantelsets geformte Probestäbe mit kritischen Abmessungen von 4 × 20 mm und 1 oder 2 mm dick wurden aus spritzgegossenen Platten herausgeschnitten. Zugfestigkeitstests wurden unter Verwenden einer Zwick 1445 Zugfestigkeitstestmaschine durchgeführt.
Die Probestäbe wurden bei 60°C verformt und die Verformung wurde für 10 Sekunden beibehalten.
Nach Verformung bei 60°C wurden die Probestäbe bei Raumtemperatur für 24 Stunden mit gelöster Spannung gelagert und die Rückverformung der ursprünglichen Form untersucht.
Verformung und Rückverformung der ursprünglichen Form (Entspannung) wurden auf der Basis des Abstands zwischen zwei jeweils 10 mm auf jeder Seite der Mitte des schmalen Probestabbereichs angebrachten Markierungen gemessen.
Die Entspannung wurde danach für 30 Minuten in einem Ofen bei 170°C beobachtet. Eine parallele Messung wurde durchgeführt, um die Spannung in einem Probestab zu bestimmen, dessen Länge konstant gehalten wurde.
Tabelle 1 zeigt für drei Copolyetherester die Rückverformung nach verschiedenen Verformungen als eine Funktion der Zeit bei 170°C und unter den folgenden Bedingungen: a) 50% anfängliche Dehnung, b) 100% und c) 200%.
Die Daten in der Tabelle zeigen, daß Polyetherester B am meisten für das Verfahren der Erfindung geeignet scheint, da die Rückverformung der ursprünglichen Abmessungen nach Schrumpfung bei 170°C hoch ist, und die Spannung bei einem hohen und konstanten Grad verbleibt, besonders wenn die anfängliche Verformung 100% oder mehr betrug.
Letzteres ist auch der Fall für Copolyetherester C. Die verbleibende Verformung jedoch bleibt hoch. Zusätzlich ist die Härte von C größer als die von B.

A Arnitel® PL380, Shore D Härte = 38

B Arnitel® PL380 B, Shore D Härte = 38 modifizierte Form von Arnitel® PL 380

C Arnitel® PL580, Shore D Härte = 58
Arnitel® P Copolyetherester, basierend auf Polybutylenterephthalat als harter Teil und mit Ethylenoxid endverkapptem Polypropylenoxid als weicher Teil, ein im Handel erhältliches Produkt von DSM, Niederlande.

Claims

Verfahren zum Bilden einer dauerhaften Verbindung zwischen mindestens 2 Komponenten eines Gegenstands, wobei mindestens eine Komponente davon eine Dichtungs- oder Verbindungskomponente ist, welche durch Formen eines thermoplastischen elastomeren Materials erhalten worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente einer Behandlung unterworfen wird, die folgenden Schritte umfassend: a. Dehnen der Komponente aus thermoplastischen elastomeren Material b. Entspannen der Schritt (a) unterworfenen Komponente bei Raumtemperatur c. Anordnen der in Schritt (b) erhaltenen Komponente an der Stelle der gewünschten Verbindung in dem Gegenstand d. Aussetzen einer erhöhten Temperatur von höchstens etwa 20°C unter dem Schmelzpunkt des thermoplastischen Elastomers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomer ein Copolyetherester ist.
Dichtungs- oder Verbindungskomponente zum Bilden einer dauerhaften Verbindung, erhalten durch ein Verfahren, welches die Schritte umfaßt: a. Formen der Komponente aus einem thermoplastischen elastomeren Material, b. Dehnen der Komponente, c. Entspannen der Komponente bei Raumtemperatur.
Dichtungs- oder Verbindungskomponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Elastomer ein Copolyetherester ist.
Verfahren zum Bilden einer dauerhaften Verbindung zwischen mindestens 2 Komponenten eines Gegenstands, mit mindestens einer Dichtungs- oder Verbindungskomponente nach einem der Ansprüche 3 bis 4, umfassend die Schritte: a. Anordnen der Komponente an der Stelle der gewünschten Verbindung in dem Gegenstand, b. Aussetzen einer erhöhten Temperatur von höchstens etwa 20°C unter dem Schmelzpunkt des thermoplastischen Elastomers.
Dichtungs- oder Verbindungskomponente nach Anspruch 3 oder 4, oder wie in Anspruch 1 oder 2 verwendet, ausgewählt aus der Gruppe von Gehäuseverschlüssen, Flachdichtungsringen, Dichtungsringen und Schrumpfmuffen.
Gegenstand, welcher mindestens eine gebildete dauerhafte Verbindung enthält, die durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5 erhalten worden ist.