WO2005102672A1 - VERFAHREN ZUM SCHWEIßVERBINDEN VON KUNSTSTOFFTEILEN MIT HILFE VON LASERSTRAHLUNG - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for welding plastic parts with the aid of laser radiation of a wavelength outside the visible range, in which one of the plastic parts to be connected in the connecting region has a material that is transparent and essentially colorless in the visible range of the electromagnetic spectrum and absorbs the laser radiation.
  • the invention relates to the manufacture of suitable preparations containing welded plastic parts by means of laser radiation, the wavelength of which lies outside the visible range
  • thermoplastic matrix polymer suitable for forming the plastic parts
  • thermoplastic parts are first fixed to each other in the correct end position and the joining surfaces are brought into contact with each other; Then the connection area is irradiated with laser light through one of the parts until at least the surface of the underlying part melts and thus a welded connection is formed between the parts, which mechanically solidifies in the subsequent cooling phase.
  • absorbent materials which are either incorporated into at least one of the plastic parts or applied to it in such a way that they are located in the connection area between the plastic parts.
  • carbon black is used as the IR laser radiation absorbing material.
  • DE-A-44 32081 also recommends nigrosine as an IR-absorbing material for the welding of plastic parts. Although nigrosine does not cause discoloration of the plastic, due to its low absorption in the NIR, comparatively high laser powers are required at the usual laser wavelengths of 940 and 1064 nm, which easily lead to coking of the plastic. Nigrosine is also toxic and carcinogenic.
  • EP-A-126 787 and DE-A-198 14 298 disclose the use of silicon dioxide as an absorber for welding polyethylene foils or the production of a fuel tank by welding two hollow plastic bodies.
  • silicon dioxide also does not show a satisfactory absorption at the usual laser wavelengths of 808, 940 and 1064 nm.
  • WO-A-00/20157 and 03/59619 describe a method for laser welding plastic parts in which, in the visible range, essentially non-absorbent dyes are used as the IR-absorbing coating of the one plastic part.
  • the dyes used do not have sufficient photostability or radiation resistance.
  • WO-A-03/59619 even explicitly mentions the decomposition of the dye. Accordingly, neither multi-pass welding nor quasi-simultaneous welding, in which the gap bridging is better and fewer stress cracks occur, cannot be used, but only one-pass contour welding is available.
  • the thermal stability of the dyes mentioned is not sufficient for direct incorporation into the plastic parts to be welded by means of conventional melting methods, such as extrusion, coextrusion, blow molding or injection molding.
  • the dyes must therefore be applied to one of the plastic parts in an additional work step, which is costly and labor-intensive and is particularly unsuitable for series production of small or complex shaped parts.
  • the dyes used, and in particular their photochemical and thermal degradation products are not chemically inert and tend to undesirable migration in the matrix polymer.
  • the invention was therefore based on the object of remedying the disadvantages mentioned and of providing a universally usable method by which plastic parts can be laser-welded in a technically simple manner. Accordingly, a method has been found for welding joining plastic parts with the aid of laser radiation of a wavelength outside the visible range, in which one of the plastic parts to be connected in the connecting area has a material which is transparent and essentially colorless in the visible range of the electromagnetic spectrum and which absorbs the laser radiation characterized in that the laser radiation absorbing material is at least one nonionic, laser radiation-resistant compound with a thermal stability of at least 300 ° C, selected from the group of polycyclic organic compounds, the doped tin oxides and the hexaboride MB 6 of lanthanide and alkaline earth metals M.
  • Particularly suitable polycyclic organic compounds which absorb the laser radiation are quaterrylene-3,4: 13,14-tetracarboxylic acid diimides and quaterrylene-3,4-dicarboxylic acid monoimides (together called “quaterrylene carboximides”) and terrylene-3,4: 11,12- tetracarboxylic acid diimides and terrylene-3,4-dicarboxylic acid monoimides (collectively called “terrylene carboximides”).
  • the quaterrylene and terrylene carboximides can be substituted or unsubstituted on the imide nitrogen atoms and / or on the ring structure, preferably they carry alkyl and / or aryl radicals on the imide nitrogen and are unsubstituted on the ring structure or carry 2 to 8 substituents.
  • These compounds are known from EP-A-596292 and WO-A-96/22332, 02/76988, 02/66438, 02/68538 and 03/104232.
  • the quaterrylene carboximides are particularly preferred, the quaterrylene 3,4: 13,14-tetracarboximides being very particularly preferred.
  • Particularly suitable quaterrylene carboximides have in particular the formula I.
  • Y, Y independently of one another are hydrogen, bromine or amino; together a remainder of the formula
  • R 2 independently of one another: hydrogen; C ⁇ -C 30 -A! Kyl, whose carbon chain can be interrupted by one or more groupings -O-, -S-, -NR 3 -, -CO- and / or -SO 2 - and that by Cyano, CC 6 - alkoxy.
  • Aryl which can be substituted by C 8 -C 8 -alkyl or CC 6 -alkoxy, and / or one or more substituted by a nitrogen atom, 5- to 7-membered heterocyclic radical, which may contain further heteroatoms and may be aromatic can be;
  • C 5 -C 8 cycloalkyl the carbon chain of which can be interrupted by one or more groupings -O-, -S-, -NR 3 -, -CO- and / or -SO 2 - and that by -C-C 6 alkyl can be substituted one or more times;
  • R 3
  • Quaterrylenecarboximides of the formula I are very particularly suitable, in which the variables have the following meaning:
  • R 1 , R 2 independently of one another: CrC-jo-alkyl, the carbon chain of which can be interrupted by one or more groupings -O-, -NR 3 - and / or -CO- and that by d-Ce-alkoxy, aryl, the can be substituted by C 8 -alkyl or dC 6 -alkoxy, and / or a 5- to 7-membered heterocyclic radical bonded via a nitrogen atom, which may contain further heteroatoms and may be aromatic, may be substituted one or more times; C 5 -C 8 cycloalkyl, the carbon chain of which may be interrupted by one or more groupings -O-, -NR 3 - and / or -CO- and which may be substituted one or more times by dC 6 -alkyl; Aryl or hetaryl, each of which can be mono- or polysubstituted by d-ds-alkyl, dC 6 -alkoxy,
  • Methylthiomethyl 2-methylthioethyl, 2-ethylthioethyl, 2-propylthioethyl, 2-isopropylthioethyl, 2-butylthioethyl, 2- and 3-methylthiopropyl, 2- and 3-ethylthiopropyl, 2- and 3-propylthiopropyl, 2- and 3- Butylthiopropyl, 2- and 4-methylthiobutyl, 2- and 4-ethylthiobutyl, 2- and 4-propylthiobutyl.
  • the quaterrylenecarboximides can carry 2, 4, 6, 8 or 12 substituents X on the ring structure.
  • Possible ring positions for the substituents X are in each case: 1.6; 1,7,10,16 and 1,7,11,17 and 1,6,11,16; 1,7,9,11,17,19 or 1,7,9,11,16,18 or 1, 6,8,11,16,18 or 1, 6,9,11,16,19 ; 1,6,7,10,11,16,17,20; 1, 6,7,8,9,10,11, 16,17,18,19,20.
  • Preferred for the quaterrylene 3,4:13, 4-tetracarboxylic acid amidides are the tetras substitution in the positions 1,6,11,16 and the hexas substitution in the positions 1,6,8,11,16,18 and 1,6,9, 11, 16, 19 and for the quaterrylene-3,4-dicarboxylic acid monoimides, the disubstitution in positions 1, 6 and 1.7 and the tetra substitution in positions 1,6,11,16 and 1,7,10,16 or 1,7,11,17.
  • Suitable terrylenecarboximides have the formula II
  • terrylene-3,4: 11,12-tetracarboxylic acid diimides which preferably have alkyl and / or aryl residues on the imide nitrogen atoms and 2 to 6 substituents on the ring structure.
  • the terrylenecarboximides can carry 2, 4, 6 or 8 substituents X on the ring structure. Possible ring positions for the substituents X are in each case: 1.6; 1,7,9,15 and 1,6,9,14; 1,6,7,9,14,16; 1,6,7,8,9,14,15,16.
  • the disubstitution in the 1,6- and the tetra-substitution in the 1,6,9,14 position is preferred.
  • Doped tin oxides and hexaborides MB 6 of lanthanide and alkaline earth metals M are also suitable as the material absorbing the laser radiation.
  • These inorganic absorber materials are also known and are described, for example, in EP-A-1 008 564.
  • Suitable tin oxides are above all tin oxide doped with antimony or indium (ATO or ITO).
  • the MB 6 metal hexaborides are in particular yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and strontium or called calcium hexaboride.
  • These materials are preferably used in nanoparticulate form, i.e. they generally have average particle sizes of 15 to 100 nm.
  • the polycyclic organic compounds absorb in particular in the wavelength range from 700 to 950 nm, especially 750 to 850 nm, and can therefore be used particularly advantageously in combination with a laser with a wavelength of 808 nm.
  • the inorganic absorber materials are particularly suitable for the wavelength range from 850 to 1200 nm, preferably 900 to 1100 nm, and thus for common lasers with emission wavelengths of 940 and 1064 nm.
  • thermo resistance of at least 300 ° C and can therefore be incorporated directly into the plastic parts to be welded without decomposition using the usual, inexpensive and process-simplifying methods of mass additivation.
  • the plastic parts Since they are neither degraded by thermal stress nor by radiation, they enable the plastic parts to be welded to be set exactly to a desired color which is not changed by the welding.
  • the stability of the absorber materials used according to the invention also allows them to be used for applications in which the formation of undefined degradation products has to be ruled out, such as applications in the medical and food packaging sectors.
  • thermoplastic plastic parts one can, as desired in each case, either incorporate the laser-absorbing material into at least one of the plastic parts to be welded or apply it to at least one of the parts by means of a lamination or coating process.
  • Extrusion including coextrusion, is a suitable mass additivation method (here the thickness of the additized coextrusion layer is usually at least 25 ⁇ m, typically 50 ⁇ m), injection molding, blow molding and kneading.
  • Suitable coating processes include film lamination, roller coating, spin coating, screen printing and pad printing.
  • the amounts used for the material which absorbs the laser radiation are usually in the range from 10 to 5000 ppm. Depending on the selected procedure, the following absorber concentrations are generally preferred: mass-additized plates and injection molded parts: depending on the thickness 10 to 200 ppm; (laminatable) flat films, tubes and blow molded parts: 20 to 500 ppm; Coextrusion layers: 50 to 1000 ppm; Layers applied using screen or pad printing and the above-mentioned coating processes: 100 to 5000 ppm, depending on the layer thickness.
  • the plastic parts to be welded can have any shape.
  • one or both parts can also be a film.
  • the plastic parts to be welded can be constructed from the same or from different matrix polymers.
  • at least the plastic part that contains the absorber material is made of a thermoplastic matrix polymer.
  • none of the plastic parts to be welded can consist of thermoplastic material; in this case, however, a coating of at least part with a thermoplastic plastic containing the absorber material is required.
  • the plastic parts to be connected can be constructed, for example, from a matrix polymer which is selected from the group of polyolefins, polyolefin copolymers, polytetrafluoroethylene, ethylene-tetrafluoroethylene copolymers, polyvinyl chlorides, polyvinylidene chlorides, polyvinyl alcohols, polyvinyl esters, polyvinyl alkanals, polyvinyl polyketides, polyamides , Polycarbonates, polycarbonate blends, polyesters, polyester blends, poly (meth) acrylates, poly (meth) acrylate-styrene copolymer blends, poly (meth) acrylate-polyvinylidene difluoride blends, polyurethanes, polystyrenes, styrene copolymers , Polyethers, polyether ketones and polysulfones and mixtures thereof.
  • a matrix polymer which is selected from the group of polyolefins,
  • Matrix polymers from the group of polyolefins, polyolefin copolymers, polyvinylalkanals, polyamides, polycarbonates, polycarbonate-polyester blends, polycarbonate-styrene copolymer blends, polyesters, polyester blends, poly (meth) acrylates, poly (meth) are preferred.
  • Particularly preferred polymers are transparent or at least translucent.
  • Examples include: polypropylene, polyvinyl butyral, polyamide [6], polyamide [6,6], polycarbonate, polycarbonate-polyethylene terephthalate blends, polycarbonate-polybutylene terephthalate blends, polycarbonate-acrylonitrile / styrene / acrylonitrile copolymer blends , Polycarbonate-acrylonitrile / butadiene / styrene copolymer blends, polymethyl methacrylate-acrylonitrile / butadiene / styrene copolymer blends (MABS), polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polymethyl methacrylate, impact-modified polymethyl methacrylate, polybutyl methyl acrylate, polybutyl methyl acrylate , Acrylonitrile / butadiene / styrene copolymers (ABS), styrene / acrylonit
  • thermoplastic matrix polymer suitable for forming the plastic parts
  • the laser radiation absorbing, non-ionic, material resistant to the laser radiation and having a thermal resistance of at least 300 ° C., selected from the group of polycyclic organic compounds, the doped tin oxides and the Hexaboride MB 6 of lanthanide and alkaline earth metals M,
  • Components b) and, if desired, c) and / or d) can be mixed from the outset in the weight ratio corresponding to the desired final concentration with the matrix polymer a) (direct compounding), or a significantly higher concentration of b) and if desired, c) and / or d) are selected and the concentrate formed (masterbatch) is then diluted with further matrix polymer a) during the manufacture of the parts to be welded.
  • UV stabilizers In addition to conventional UVB and UVA absorbers, mono- or disubstituted naphthalimides and their mixtures, eg Chimassorb ® 81, are absorbent in the UVA range as well as Tinuvin ® P, 326 and 328 (Ciba SC), Cyasorb ® UV-1164 and UV-531 (Cytec) and Uvinul ® 3030, 3035, 3050 and 3088 as well as Ultraphor ® VL (BASF), commercially available hindered amine light stabilizers (HALS) and their N-methylated and N-methoxylated derivatives and mixtures thereof, e.g.
  • HALS hindered amine light stabilizers
  • Chimassorb 119 and 944 and Tinuvin 123, 622 and 770 (Ciba SC), N 30 (Clariant), Cyasorb 3346, 3529 and 3581 (Cytec) and Uvinul 4050 and 5050 (BASF), and mixtures of these groups are suitable.
  • the preparations according to the invention can be customary plastic auxiliaries, e.g. contain phosphitic and phenolic antioxidants, processing aids and plasticizers.
  • the preparations according to the invention can contain colorants for setting a desired color, as additives, in particular transparent organic pigments and especially dyes, e.g. CI. Pigment Yellow 138, 139, 183 and 185, CI. Pigment Red 149, 178 and 179, CI. Pigment Violet 19 and 29, CI. Pigment Blue 15, 15: 1, 15: 3 and 15: 4, CI. Pigment Green 7 and 36, CI. Solvent Yellow 93, CI. Solvent Red 135 and 195, CI. Solvent Blue 35, CI. Solvent Violet 13, CI. Solvent Green 3 and 5 and CI. Solvent Orange 60 and 163.
  • colorants for setting a desired color as additives, in particular transparent organic pigments and especially dyes, e.g. CI. Pigment Yellow 138, 139, 183 and 185, CI. Pigment Red 149, 178 and 179, CI. Pigment Violet 19 and 29, CI. Pigment Blue 15, 15: 1, 15: 3 and 15: 4, CI
  • Another possible additive group is also the visual impression, the mechanical properties or additives that modify the haptics, e.g. Matting agents, such as titanium dioxide, chalk, barium sulfate, zinc sulfide, fillers, such as nanoparticulate silicon dioxide, aluminum hydroxide, clay and other layered silicates, glass fibers and glass balls.
  • Matting agents such as titanium dioxide, chalk, barium sulfate, zinc sulfide
  • fillers such as nanoparticulate silicon dioxide, aluminum hydroxide, clay and other layered silicates, glass fibers and glass balls.
  • thermoplastic matrix polymers were processed, using additives with NIR absorbers from the class of quaterrylene-3,4: 13,14-tetracarboxylic acid diimides, to give injection-molded platelets which were welded together with the corresponding non-additive injection-molded platelets using laser radiation:
  • M5 polstyrene (polystyrene 1444 C, BASF)
  • M6 acrylonitrile / butadiene / styrene copoly er (ABS, Terluran ® GP 22, BASF)
  • the matrix polymers (M1) to (M11) were extruded with 0.01 wt.% Each (polysulfone: 0.03 wt.%) Of N, N'-bis (2,6-diisopropylphenyl) quaterrylene.
  • the matrix polymers (M1) to (M11) from Example 1 were processed with additives carried out analogously to Example 1 with the NIR absorbers mentioned there and additional coloring with the transparent organic pigments or dyes listed below to give injection-molded platelets which were analogous to Example 1 with the aid of laser radiation with colorless injection-molded platelets not additized with NIR absorbers:
  • the plates were unchanged after welding and also showed no change in color and transparency on the weld.
  • a tensile strain experiment was carried out under standard conditions, the material in front of the weld seam was destroyed in all cases. None of the welded samples caused an undesired melting of the plate additized with the NIR absorber during the welding process, i.e. The laser radiation was absorbed regardless of the plate thickness exclusively in the surface layer of the additized plastic part facing the laser.
  • the matrix polymers (M3) and (M4) were analogous to Example 1 with 0.04% by weight of the NIR absorber lanthanum hexaboride (LaB 6 ), which as a commercially available 1% by weight batch in PMMA (Sumitomo Metal Mining ) was used, was additized and processed analogously to Example 1 to give injection molded platelets which were welded with the aid of laser radiation to the corresponding non-additive injection molded platelets. Two welding tests were carried out with different lasers (variants A and B) using the following process parameters:
  • Variant A Diode laser DFx06 with 940 nm emission wavelength (from Rofin), 600 ⁇ m fiber optic coupling, 100 mm focal length, input power P AV 200 watts, feed rate 50-100 mm / s
  • Variant B Diode-pumped Nd: YAG laser SWD-Y 75 with 1064 nm emission wavelength (Polyscan), 75 watts direct beam, 160 mm focal length, input power P AV 100 watts, feed rate 5-20 mm / s
  • the plates were unchanged after welding and also showed no change in color and transparency on the weld.
  • a tensile strain experiment was carried out under standard conditions, the material in front of the weld seam was destroyed in all cases. None of the welded samples caused an undesired melting of the plate additized with the NIR absorber during the welding process, i.e. The laser radiation was absorbed regardless of the plate thickness exclusively in the surface layer of the additized plastic part facing the laser.
  • the matrix polymers (M3) or (M4) were processed with injection of lathanhexaboride and additional coloring with the transparent organic pigments listed below to give injection-molded platelets, which were carried out analogously to Example 3 with the aid of laser radiation (in each case variants A and B) were not welded with NIR absorber-additive, colorless injection molded platelets:
  • the matrix polymers (M3) and (M4) were analogous to Example 1, each with 0.05% by weight of nanoparticulate indium tin oxide (ITO) with an average particle size of 35 nm, which as commercially available 10% by weight Preparation in triethylene glycol bis (2-ethylhexanoate) (Mitsubishi Chemicals) was used, additized and processed analogously to Example 1 to give injection mold platelets which were welded using laser radiation according to the following process parameters with the corresponding non-additive injection mold platelets:
  • ITO indium tin oxide
  • Diode-pumped Nd YAG laser SWD-Y 75 with 1064 nm emission wavelength (Polyscan), 75 watts direct beam, 160 mm focal length, input power P A v 100 watts, feed rate 5-20 mm / s
  • the plates were unchanged after welding and also showed no change in color and transparency on the weld.
  • a tensile strain experiment was carried out under standard conditions, the material in front of the weld seam was destroyed in all cases. None of the welded samples caused an undesired melting of the plate additized with the NIR absorber during the welding process, i.e. The laser radiation was absorbed regardless of the plate thickness exclusively in the surface layer of the additized plastic part facing the laser.
  • the matrix polymers (M3) or (M4) were processed with indium-tin oxide and additive coloring with the dyes listed below to give injection-molded platelets, which were carried out analogously to Example 5 with the aid of laser radiation with not using NIR absorbers additive, colorless injection molded platelets were welded together:
  • Diode-pumped Nd YAG laser SWD-Y 75 with 1064 nm emission wavelength (Polyscan), 75 att direct beam, 160 mm focal length, input power P A 100 watts, feed rate 5-20 mm / s
  • the foils were unchanged after welding and also showed no change in color and transparency on the weld.
  • a tensile strain experiment was carried out under standard conditions, the material in front of the weld seam was destroyed in all cases. None of the welded samples showed an unwanted melting of the with the NIR absorber additized film, ie the laser radiation was only absorbed in the surface layer of the additized plastic part facing the laser.

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Abstract

Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs, bei dem eines der zu verbindenden Kunststoffteile im Verbindungsbereich ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die Laserstrahlung absorbierendes Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man als die Laserstrahlung absorbierendes Material mindestens eine nichtionische, gegen die Laserstrahlung resistente Verbindung mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, einsetzt, sowie zur Herstellung von mit Hilfe von Laserstrahlung, deren Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt, schweißverbundenen Kunststoffteilen geeignete Präparationen, enthaltend a) ein zur Ausbildung der Kunststoffteile geeignetes thermoplastisches Ma-trixpolymer, b) mindestens ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die eingesetzte Laserstrahlung absorbierendes, nichtionisches, gegen die Laserstrahlung resistentes Material mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, c) gewünschtenfalls einen oder mehrere UV-Stabilisatoren und d) gewünschtenfalls weitere Additive.

Description

I
Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs, bei dem eines der zu verbindenden Kunststoffteile im Verbindungsbereich ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die Laserstrahlung absorbierendes Material aufweist.
Außerdem betrifft die Erfindung zur Herstellung von mit Hilfe von Laserstrahlung, deren Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt, schweißverbundenen Kunststoffteilen geeignete Präparationen, enthaltend
a) ein zur Ausbildung der Kunststoffteile geeignetes thermoplastisches Matrixpolymer,
b) mindestens ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die eingesetzte Laserstrahlung absor- bierendes, nichtionisches, gegen die Laserstrahlung resistentes Material mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M,
c) gewünschtenfalls einen oder mehrere UV-Stabilisatoren und
d) gewünschtenfalls weitere Additive.
Das Laserverscheißen von thermoplastischen Kunststoffteilen ist eine neue, wirtschaft- lieh hochinteressante Methode, um Kunststoffartikel mit komplexer Geometrie zu fertigen. Hierbei werden die zu verbindenden Teile zunächst in der richtigen Endlage zueinander fixiert und die Fügeflächen miteinander in Kontakt gebracht; Dann wird der Verbindungsbereich so lange durch eines der Teile hindurch mit Laserlicht bestrahlt, bis es bei dem darunter liegenden Teil zumindest zu einem oberflächlichen Aufschmel- zen und damit zur Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen den Teilen kommt, die sich in der anschließenden Abkühlphase mechanisch verfestigt.
Zur Absorption der Laserstrahlung und deren Umwandlung in Wärme für den Schmelzprozeß ist der Einsatz absorbierender Materialien erforderlich, die entweder in mindestens eines der Kunststoffteile eingearbeitet oder so auf dieses aufgebracht werden, daß sie sich im Verbindungsbereich zwischen den Kunststoffteilen befinden. Typischenweise, so z.B. auch in der EP-A-159 169, wird Ruß als IR-Laserstrahlung absorbierendes Material eingesetzt. Dies führt jedoch aufgrund der Eigenfarbe des Rußes wenn nicht zu einer Schwarzfärbung, so doch zur Nichttransparenz des Kunststoffteils bzw. des Verbindungsbereichs.
Neben Ruß wird in der DE-A-44 32081 auch Nigrosin als IR-absorbierendes Material für das Schweißverbinden von Kunststoffteilen empfohlen. Nigrosin führt zwar nicht zu einer Verfärbung des Kunststoffs, aufgrund seiner nur geringen Absorption im NIR sind bei den gebräuchlichen Laserwellenlängen von 940 und 1064 nm jedoch ver- gleichsweise hohe Laserleistungen erforderlich, die leicht zur Verkokung des Kunststoffs führen. Außerdem ist Nigrosin toxisch und kanzerogen.
Aus der EP-A-126 787 und der DE-A-198 14 298 ist die Verwendung von Siliciumdi- oxid als Absorber für das Verschweißen von Polyethylenfolien bzw. die Herstellung eines Kraftstofftanks durch Verschweißen von zwei Kunststoffhohlkörpern bekannt. Aber auch Siliciumdioxid zeigt bei den gebräuchlichen Laserwellenlängen von 808, 940 und 1064 nm keine zufriedenstellende Absorption.
Schließlich wird in den WO-A-00/20157 und 03/59619 ein Verfahren zum Laserver- schweißen von Kunststoffteilen beschrieben, bei dem im sichtbaren Bereich im wesentlichen nicht absorbierende Farbstoffe als IR-absorbierende Beschichtung des einen Kunststoffteils eingesetzt werden. Die verwendeten Farbstoffe weisen jedoch keine ausreichende Photostabilität bzw. Strahlungsresistenz auf. In der WO-A-03/59619 wird die Zersetzung des Farbstoffs sogar ausdrücklich erwähnt. Dementsprechend sind weder Mehrpassagenschweißen noch Quasisimultanschweißen, bei denen die Spaltüberbrückung besser ist und weniger Spannungsrisse entstehen, anwendbar, sondern es steht nur das One-Pass-Konturschweißen zur Verfügung. Außerdem reicht die Thermostabilität der genannten Farbstoffe für eine direkte Einarbeitung in die zu verschweißenden Kunststoffteile mittels konventioneller Aufschmelzmethoden, wie Extrusion, Coextrusion, Blasformung oder Spritzgießen, nicht aus. Die Farbstoffe müssen daher in einem zusätzlichen Arbeitsschritt auf eines der Kunststoffteile aufgebracht werden, was kosten- und arbeitsintensiv ist und insbesondere für eine Serienfertigung kleiner oder komplex geformter Teile ungeeignet ist. Zudem sind die verwendeten Farbstoffe und insbesondere ihre photochemischen und thermischen Abbaupro- dukte chemisch nicht inert und neigen zu unerwünschter Migration im Matrixpolymeren.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den genannten Nachteilen abzuhelfen und ein universell einsetzbares Verfahren bereitzustellen, nach dem Kunststoffteile auf verfahrenstechnisch einfache Weise laserverschweißt werden können. Demgemäß wurde ein Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs, bei dem eines der zu verbindenden Kunststoffteile im Verbindungsbereich ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die Laserstrahlung absorbierendes Material aufweist, gefunden, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man als die Laserstrahlung absorbierendes Material mindestens eine nichtionische, gegen die Laserstrahlung resistente Verbindung mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, einsetzt.
Als die Laserstrahlung absorbierende polycyclische organische Verbindungen eignen sich insbesondere Quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimide und Quaterrylen- 3,4-dicarbonsäuremonoimide (zusammen kurz "Quaterrylencarbonsäureimide" ge- nannt) sowie Terrylen-3,4: 11,12-tetracarbonsäurediimide und Terrylen-3,4-dicarbon- säuremonoimide (zusammen kurz "Terrylencarbonsäureimide" genannt).
Die Quaterrylen- und Terrylencarbonsäureimide können an den Imidstickstoffatomen und/oder am Ringgerüst substituiert oder nicht substituiert sein, vorzugsweise tragen sie an den Imidstickstoffen Alkyl- und/oder Arylreste und sind am Ringerüst unsubstitu- iert oder tragen 2 bis 8 Substituenten. Diese Verbindungen sind aus der EP-A-596292 sowie den WO-A-96/22332, 02/76988, 02/66438, 02/68538 und 03/104232 bekannt.
Besonders bevorzugt sind die Quaterrylencarbonsäureimide, wobei die Quaterrylen- 3,4:13,14-tetracarbonsäurediimide ganz besonders bevorzugt sind.
Besonders geeignete Quaterrylencarbonsäureimide weisen insbesondere die Formel I
Figure imgf000005_0001
auf, in der die Variablen folgende Bedeutung haben:
Y , Y unabhängig voneinander Wasserstoff, Brom oder Amino; zusammen einen Rest der Formel
Figure imgf000006_0001
R1. R2 unabhängig voneinander: Wasserstoff; Cι-C30-A!kyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch Cyano, C C6-Alkoxy. Aryl, das durch C Cι8-Alkyl oder C C6-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch Cι-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C C18-Alkyl, d-Ce-Alkoxy, Cyano, -CONHR4, -NHCOR4 und/oder Aryl- oder Hetarylazo, das jeweils durch C C-io-Alkyl, d-Ce-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; R3 Wasserstoff oder Cι-C6-Alkyl; R4 Wasserstoff; C Cι8-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch C C6-Alkyl, d-Ce-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann; X gleich oder verschieden und unabhängig voneinander Halogen; d-C β-Alkyl; Aryloxy, Arylthio, Hetaryloxy oder Hetarylthio, das jeweils durch C Cι2-Alkyl oder CrC12-Alkoxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Grup- pierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch CrQs-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7- gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch C C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; n 2 bis 12.
Ganz besonders geeignet sind Quaterrylencarbonsäureimide der Formel l, in der die Variablen folgende Bedeutung haben:
Y , Y2 zusammen einen Rest der Formel
Figure imgf000007_0001
R1, R2 unabhängig voneinander: CrC-jo-Alkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch d-Ce-Alkoxy, Aryl, das durch C Cι8-Alkyl oder d-C6-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7- gliedrjgen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch d-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch d-ds-Alkyl, d-C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4 und/oder -NHCOR4 ein- oder mehrfach substituiert sein kann; R3 Wasserstoff oder C C6-Alkyl; R4 Wasserstoff; Ci-dβ-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch CrC6- Alkyl, d-Ce-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann; X gleich oder verschieden und unabhängig voneinander Halogen; Aryloxy oder Hetaryloxy, das jeweils durch C Cι2-Alkyl oder C Cι2-Alkoxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch d-C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch d-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; n 2 bis 8.
Als Beispiele für geeignete Reste R1, R2, R3, R4 und X (bzw. für deren Substituenten) seien im einzelnen genannt:
Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl, tert.-Butyl, Pentyl, Isopentyl, Neopentyl, tert.-Pentyl, Hexyl, 2-Methylpentyl, Heptyl, 1-Ethylpentyl, Octyl, 2-Ethylhexyl, Isooctyl, Nonyl, Isononyl, Decyl, Isodecyl, Undecyl, Dodecyl, Tridecyl, Isotridecyl, Tetradecyl, Pentadecyl, Hexadecyl, Heptadecyl, Octadecyl, Nonadecyl und Eicosyl (die obigen Bezeichnungen Isooctyl, Isononyl, Isodecyl und Isotridecyl sind Trivialbezeichnungen und stammen von den nach der Oxosynthese erhaltenen Alkoholen);
Methoxymethyl, 2-Methoxyethyl, 2-Ethoxyethyl, 2-Propoxyethyl, 2-lsopropoxyethyl, 2- Butoxyethyl, 2- und 3-Methoxypropyl, 2- und 3-Ethoxypropyl, 2- und 3-Propoxypropyl, 2- und 3-Butoxypropyl, 2- und 4-Methoxybutyl, 2- und 4-Ethoxybutyl, 2- und 4-Propoxy- butyl, 3,6-Dioxaheptyl, 3,6-Dioxaoctyl, 4,8-Dioxanonyl, 3,7-Dioxaoctyl, 3,7-Dioxanonyl, 4,7-Dioxaoctyl, 4,7-Dioxanonyl, 2- und 4-Butoxybutyl, 4,8-Dioxadecyl, 3,6,9-Trioxade- cyl, 3,6,9-Trioxaundecyl, 3,6,9-Trioxadodecyl, 3,6,9, 12-Tetraoxatridecyl und 3,6,9,12- Tetraoxatetradecyl;
Methylthiomethyl, 2-Methylthioethyl, 2-Ethylthioethyl, 2-Propylthioethyl, 2-lsopropylthio- ethyl, 2-Butylthioethyl, 2- und 3-Methyithiopropyl, 2- und 3-Ethylthiopropyl, 2- und 3- Propylthiopropyl, 2- und 3-Butylthiopropyl, 2- und 4-Methylthiobutyl, 2- und 4-Ethylthio- butyl, 2- und 4-Propylthiobutyl. 3,6-Dithiaheptyl, 3,6-Dithiaoctyl, 4,8-Dithianonyl, 3,7- Dithiaoctyl, 3,7-Dithianonyl, 2- und 4-Butylthiobutyl, 4,8-Dithiadecyl, 3,6,9-Trithiadecyl, 3,6,9-Trithiaundecyl, 3,6,9-Trithiadodecyl, 3,6,9, 12-Tetrathiatridecyl und 3,6,9,12- Tetrathiatetradecyl;
2-Monomethyl- und 2-Monoethylaminoethyl, 2-Dimethylaminoethyl, 2- und 3- Dimethyl- aminopropyl, 3-MonoisopropyIaminopropyl, 2- und 4-Monopropylaminobutyl, 2- und 4- Dimethylaminobutyl, 6-Methyl-3,6-diazaheptyl, 3,6-Dimethyl-3,6-diazaheptyl, 3,6-Di- azaoctyl, 3,6-Dimethyl-3,6-diazaoctyl, 9-Methyl-3,6,9-triazadecyl, S.θ.θ-Trimethyl-S.β.θ- triazadecyl, 3,6,9-Triazaundecyl, 3,6,9-Trimethyl-3,6,9-triazaundecyl, 12-Methyl- 3,6,9, 12-tetraazatridecyl und 3,6,9, 12-Tetramethyl-3,6,9, 12-tetraazatridecyl;
Propan-2-on-1-yl, Butan-3-on-1-yl, Butan-3-on-2-yl und 2-Ethylpentan-3-on-1-yl;
2-Methylsulfonylethyl, 2-EthylsulfonyIethyl, 2-PropylsulfonylethyI, 2-lsopropylsulfonyl- ethyl, 2-Butylsulfonylethyl, 2- und 3-Methylsulfonylpropyl, 2- und 3-Ethylsulfonylpropyl, 2- und 3-Propylsulfonylpropyl, 2- und 3-Butylsulfonylpropyl, 2- und 4-Methylsulfonyl- butyl, 2- und 4-Ethylsulfonylbutyl, 2- und 4-Propylsulfonylbutyl und 4-Butylsulfonylbutyl;
2-Hydroxyethyl, 3-Hydroxypropyl, 1-Hydroxyprop-2-yl. 2- und 4-Hydroxybutyl, 1-Hydro- xybut-2-y! und 8-Hydroxy-4-oxaoctyl;
Cyanomethyl, 2-Cyanoethyl, 3-Cyanopropyl, 2-Methyl-3-ethyl-3-cyanopropyl, 7-Cyano- 7-ethylheptyl und 4,7-Dimethyl-7-cyanoheptyl;
Methoxy, Ethoxy, Propoxy, Isopropoxy, Butoxy, Isobutoxy, sec-Butoxy, tert.-Butoxy, Pentoxy, Isopentoxy, Neopentoxy, tert.-Pentoxy und Hexoxy; Carbamoyl, Methylaminocarbonyl, Ethyiaminocarbonyl, Propylaminocarbonyl, Butyl- aminocarbonyl, Pentylaminocarbonyl, Hexylaminocarbonyl, Heptylaminocarbonyl, Oc- tylaminocarbonyl, Nonylaminocarbonyl, Decylaminocarbonyl und Phenylaminocarbo- nyl;
Formylamino, Acetylamino, Propionylamino und Benzoylamino;
Chlor, Brom und Iod;
Phenylazo, 2-Napthylazo, 2-Pyridylazo und 2-Pyrimidylazo;
Phenyl, 1- und 2-Naphthyl, 2- und 3-Pyrryl, 2-, 3- und 4-Pyridyl, 2-, 4- und 5-Pyrimidyl, 3-, 4- und 5-Pyrazolyl, 2-, 4- und 5-lmidazolyl, 2-, 4- und 5-Thiazolyl, 3-(1 ,2,4-Triazyl), 2-(1,3,5-Triazyl), 6-Chinaldyl, 3-, 5-, 6- und 8-Chinolinyl, 2-Benzoxazolyl, 2-Benzothia- zolyl, 5-Benzothiadiazolyl, 2- und 5-Benzimidazolyl und 1- und 5- Isochinolyl;
2-, 3- und 4-Methylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dimethylphenyl, 2,4,6-Tri- methylphenyl, 2-, 3- und 4-Ethylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diethylphenyl, 2,4,6-Triethylphenyl, 2-, 3- und 4-Propylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dipropyl- phenyl, 2,4,6-Tripropylphenyl, 2-, 3- und 4-lsopropyIphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diisopropylphenyl, 2,4,6-Triisopropylphenyl, 2-, 3- und 4-Butylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dibutylphenyl, 2,4,6-Tributylphenyl, 2-, 3- und 4-lsobutylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diisobutylphenyl, 2,4,6-Triisobutylphenyl, 2-, 3- und 4-sec-Bu- tylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Di-sec-butylphenyl und 2,4,6-Tri-seα-butyl- phenyl, 2-, 3- und 4-tert.-Butylphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Di-tert.-butylphenyl, 2,4,6-Tri-tert.-butylphenyl; 2-, 3- und 4-Methoxyphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6- Dimethoxyphenyl, 2,4,6-Trimethoxyphenyl, 2-, 3- und 4-Ethoxyphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Diethoxyphenyl, 2,4,6-Triethoxyphenyl, 2-, 3- und 4-Propoxyphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dipropoxyphenyl, 2-, 3- und 4-lsopropoxyphenyl, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-DiisopropoxyphenyI und 2-, 3- und 4-Butoxyphenyl; 2-, 3- und 4- Chlorpheny), und 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dichlorpheny); 2-, 3- und 4-Hydroxy- phenyl und 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,5- und 2,6-Dihydroxyphenyl; 2-, 3- und 4-Cyanophenyl; 3- und 4-Carboxyphenyl; 3- und 4-Carboxamidophenyl, 3- und 4-N-Methylcarboxamido- phenyl und 3- und 4-N-Ethylcarboxamidophenyl; 3- und 4-Acetylaminophenyl, 3- und 4-Propionylaminophenyl und 3- und 4-Butyrylaminophenyl; 3- und 4-N-Phenylamino- phenyl, 3- und 4-N-(o-TolyI)aminophenyl, 3- und 4-N-(m-Tolyl)aminophenyI und 3- und 4-N-(p-Tolyl)aminophenyl; 3- und 4-(2-Pyridyl)aminophenyl, 3- und 4-(3-Pyridyl)amino- phenyl, 3- und 4-(4-Pyridyl)aminophenyl, 3- und 4-(2-Pyrimidyl)aminophenyl und 4-(4- Pyrimidyl)aminophenyl; 4-Phenylazophenyl, 4-(1-Naphthylazo)phenyl, 4~(2-Naphthylazo)phenyl, 4-(4-Naph- thylazo)phenyl, 4-(2-Pyridylazo)phenyl, 4-(3-Pyridylazo)phenyl, 4-(4-Pyridylazo)phenyl, 4-(2-Pyrimidylazo)phenyl, 4-(4-Pyrimidylazo)phenyl und 4-(5-Pyrimidylazo)phenyl;
Cyclopentyl, 2- und 3-Methylcyclopentyl, 2- und 3-Ethylcyclopentyl, Cyclohexyl, 2-, 3- und 4-Methylcyclohexyl, 2-, 3- und 4-Ethylcyclohexyl, 3- und 4-Propylcyclohexyl, 3- und 4-lsopropylcyclohexyl, 3- und 4-Butylcyclohexyl, 3- und 4-sec-Butylcyclohexyl, 3- und 4-tert.-Butylcyclohexyl, Cycloheptyl, 2-, 3- und 4-Methylcycloheptyl, 2-, 3- und 4-Ethyl- cycloheptyl, 3- und 4-Propylcycloheptyl, 3- und 4-lsopropylcycloheptyl, 3- und 4-Butyl- cycloheptyl, 3- und 4-sec-Butylcycloheptyl, 3- und 4-tert.-Butylcycloheptyl, Cyclooctyl, 2-, 3-, 4- und 5-Methylcyclooctyl, 2-, 3-, 4- und 5-Ethylcyclooctyl, 3-, 4- und 5-Propyl- cyclooctyl, 2-Dioxanyl, 4-Morpholinyl, 2- und 3-Tetrahydrofuryl, 1-, 2- und 3-Pyrrolidinyl und 1-, 2-, 3- und 4-Piperidyl;
Phenoxy, Phenylthio, 1- und 2-Naphthyloxy, 1- und 2-Naphthylthio, 2-, 3- und 4-Pyri- dyloxy, 2-, 3- und 4-Pyridylthio, 2-, 4- und 5-Pyrimidyloxy und 2-, 4- und 5-Pyrimidyl- thio;
Dimethylamino, Diethylamino, Dipropylamino, Diisopropylamino, Dibutylamino, Diiso- butylamino, Di-tert.-butylamino, Dipentylamino, Dihexylamino, Diphenylamino, Di-o- tolylamino, Di-m-tolylamino, Di-p-tolylamino und Di(4-cyanophenyl)amino.
Die Quaterrylencarbonsäureimide können 2, 4, 6, 8 oder 12 Substituenten X am Ringgerüst tragen. Mögliche Ringpositionen für die Substituenten X sind dabei jeweils: 1,6; 1,7,10,16 bzw. 1,7,11,17 bzw. 1,6,11,16; 1,7,9,11,17,19 bzw. 1,7,9,11,16,18 bzw. 1 ,6,8,11,16,18 bzw. 1 ,6,9,11,16,19; 1,6,7,10,11,16,17,20; 1 ,6,7,8,9,10,11 ,16,17,18,19,20. Bevorzugt sind bei den Quaterrylen3,4:13, 4- tetracarbonsäureditmiden die Tetrasubstitution in den Positionen 1,6,11,16 sowie die Hexasubstitution in den Positionen 1,6,8,11,16,18 bzw. 1,6,9,11,16,19 und bei den Quaterrylen-3,4-dicarbonsäuremonoimiden die Disubstitution in den Positionen 1 ,6 bzw. 1,7 sowie die Tetrasubstitution in den Positionen 1,6,11,16 bzw. 1,7,10,16 bzw. 1,7,11,17.
Geeignete Terrylencarbonsäureimide weisen die Formel II
Figure imgf000011_0001
auf, in der die Variablen Y1,Y2, R1, R2, R3, R4 und X die für die besonders geeigneten Quaterrylencarbonsäureimide genannte Bedeutung haben und m für 2 bis 8 steht.
Besonders geeignetsind ebenfalls die Terrylen-3,4:11,12-tetracarbonsäurediimide, die vorzugsweise an den lmidstickstoffatomen Alkyl- und/oder Arylreste und am Ringgerüst 2 bis 6 Substituenten tragen.
Die Terrylencarbonsäureimide können 2, 4, 6 oder 8 Substituenten X am Ringgerüst tragen. Mögliche Ringpositionen für die Substituenten X sind dabei jeweils: 1,6; 1,7,9,15 bzw. 1,6,9,14; 1,6,7,9,14,16; 1,6,7,8,9,14,15,16. Bevorzugt ist die Disubstitu- tion in 1,6- und die Tetrasubstitution in 1,6,9,14-Position.
Als die Laserstrahlung absorbierendes Material sind weiterhin dotierte Zinnoxide und Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M geeignet. Diese anorganischen Absorbermaterialien sind ebenfalls bekannt und z.B. in der EP-A-1 008 564 beschrieben.
Geeignete Zinnoxide sind vor allem mit Antimon oder Indium dotiertes Zinnoxid (ATO bzw. ITO).
Als Metailhexaboride MB6 seien insbesondere Yttrium-, Lanthan-, Cer-, Praseodym-, Neodym-, Samarium-, Europium-, Gadolinium-, Terbium-, Dysprosium-, Holmium-, Erbium-, Thulium-, Ytterbium-, Strontium- oder Calciumhexaborid genannt.
Diese Materialien werden bevorzugt in nanopartikulärer Form eingesetzt, d.h., sie weisen in der Regel mittlere Partikelgrößen von 15 bis 100 nm auf.
Die erfindungsgemäß zur Absorption der Laserstrahlung eingesetzten Materialien zeichnen sich durch eine Reihe von Vorteilen aus:
Sie sind im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparent und im wesentlichen farblos, so daß sie das Aussehen der verschweißten Kunststoffteile für das bloße Auge nur kaum bis nicht erkennbar verändern. Im IR-Bereich (etwa 700 bis 12000 nm), insbesondere auch im NIR-Bereich von 700 bis 1200 nm, weisen sie dagegen starke Absorptivität auf, so daß sie hervorragend zur Absorption der gängigen Laserwellenlängen verwendet werden können. Die polycyclischen organischen Verbindungen absorbieren insbesondere im Wellenlängenbereich von 700 bis 950 nm, vor allem 750 bis 850 nm, und können daher besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Laser der Wellenlänge 808 nm eingesetzt werden. Die anorganischen Absorbermaterialien sind besonders für den Wellenlängenbereich von 850 bis 1200 nm, vorzugsweise 900 bis 1100 nm, und damit für gängige Laser mit Emissionswellenlängen von 940 und 1064 nm geeignet.
Außerdem sind sie gegen die Laserstrahlung resistent, werden also auch bei mehrfacher Laserbestrahlung nicht abgebaut und eignen sich damit auch für die verfahrenstechnisch günstigen Mehrpassagen- und Quasisimultanschweißverfahren.
Weiterhin weisen sie eine thermische Beständigkeit von mindestens 300°C auf und können daher ohne Zersetzung nach den gängigen, kostengünstigen und prozeßvereinfachenden Verfahren der Masseadditivierung auch direkt in die zu verschweißenden Kunststoffteile eingearbeitet werden.
Da sie weder durch thermische Belastung noch durch Bestrahlung abgebaut werden, ermöglichen sie eine genaue Einstellung der zu verschweißenden Kunststoffteile auf einen gewünschten Farbton, der durch das Verschweißen nicht verändert wird. Die Stabilität der erfindungsgemäß eingesetzten Absorbermaterialien erlaubt auch ihren Einsatz für Anwendungen, bei denen die Entstehung Undefinierter Abbauprodukte ausgeschlossen werden muß, wie Anwendungen im medizinischen und im Lebensmittelverpackungsbereich.
Schließlich sind sie in allen gängigen Matrixpolymeren weitestgehend migrationsstabil, was ebenfalls eine Grundvoraussetzung für den Einsatz im medizinischen und im Lebensmittelverpackungsbereich ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schweißverbinden von thermoplastischen Kunststoffteilen kann man also, wie jeweils gewünscht, das die Laserstrahlung absor- bierende Material entweder in mindestens eines der zu verschweißenden Kunststoffteile einarbeiten oder über einen Laminierungs- oder Beschichtungsprozeß auf mindestens eines der Teile aufbringen.
Als geeignete Masseadditivierungsverfahren seien im einzelnen Extrusion, auch Coextrusion (hier beträgt die Dicke der additivierten Coextrusionsschicht in der Regel mindestens 25 μm, typischerweise 50 μm), Spritzguß, Blasformung und Knetung genannt.
Als geeignete Beschichtungsverfahren seien im einzelnen Folienlaminierung, Roller- coaten, Spincoaten, Siebdruck und Tampondruck genannt.
Die Einsatzmengen für das die Laserstrahlung absorbierende Material liegen üblicherweise im Bereich von 10 bis 5000 ppm. Je nach der gewählten Verfahrensweise sind in der Regel folgende Absorberkonzentrationen bevorzugt: masseadditivierte Platten und Spritzgußteile: je nach Dicke 10 bis 200 ppm; (auflaminierbare) Flachfolien, Schläuche und blasgeformte Teile: 20 bis 500 ppm; Coextrusionsschichten: 50 bis 1000 ppm; über Sieb- bzw. Tampondruck sowie die obengenannten Coatingprozesse aufgebrachte Schichten: je nach Schichtdicke 100 bis 5000 ppm.
Die zu verschweißenden Kunststoffteile können eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere kann es sich bei einem oder bei beiden Teilen auch um eine Folie handeln.
Weiterhin können die zu verschweißenden Kunststoffteile aus demselben oder aus verschiedenen Matrixpolymeren aufgebaut sein. Im einfachsten Fall ist mindestens das Kunststoffteil, das das Absorbermaterial enthält, aus einem thermoplastischen Matrixpolymer aufgebaut. Es kann jedoch auch keines der zu verschweißenden Kunststoffteile aus thermoplastischem Kunststoff bestehen; in diesem Fall ist aber eine Beschichtung mindestens einen Teils mit einem thermoplastischen, das Absorbermaterial enthaltenden Kunststoff erforderlich.
Die zu verbindenden Kunststoffteile können beispielsweise aus einem Matrixpolymer aufgebaut sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe der Polyolefine, Polyolefincopoly- mere, Polytetrafluoroethylene, Ethylen-Tetrafluoroethylen-Copolymere, Polyvinylchloride, Polyvinylidenchloride, Polyvinylalkohole, Polyvinylester, Polyvinylalkanale, Polyvi- nylketale, Polyamide, Polyimide, Polycarbonate, Polycarbonat-Blends, Polyester, Poly- ester-Blends, Poly(meth)acrylate, Poly(meth)acrylat-Styrolcopolymer-Blends, Po- ly(meth)acrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Polyurethane, Polystyrole, Styrolcopoly- mere, Polyether, Polyetherketone und Polysulfone und deren Mischungen.
Bevorzugt sind dabei Matrixpolymere aus der Gruppe der Polyolefine, Polyolefincopo- lymere, Polyvinylalkanale, Polyamide, Polycarbonate, Polycarbonat-Polyester-Blends, Polycarbonat-Styrolcopolymer-Blends, Polyester, Polyester-Blends, Poly(meth)acry- late, Poly(meth)acrylat-Styrolcopolymer-Blends, Poly(meth)acryIat-Polyvinylidendi- fluorid-Blends, Styrolcopolymere und Polysulfone und deren Mischungen. Besonders bevorzugte Polymere sind transparent oder zumindest transluzent. Als Beispiele seien genannt: Polypropylen, Polyvinylbutyral, Polyamid [6], Polyamid [6,6], Po- lycarbonat, Polycarbonat-Polyethylenterephthalat-Blends, Polycarbonat-Polybutylen- terephthalat-Blends, Polycarbonat-Acrylnitril/Styrol/Acrylnitril-Copolymer-Blends, Poly- carbonat-Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer-Blends, Polymethylmethacrylat-Acryl- nitril/Butadien/Styrol-Copolymer-Blends (MABS), Polyethylenterephthalat, Polybutylen- terephthalat, Polymethylmethacrylat, schlagzähmodifiziertes Polymethylmethacrylat, Polybutylacrylat, Polymethylmethacrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Acrylnitril/Buta- dien/Styrol-Copolymere (ABS), Styrol/Acrylnitril-Copoiymere (SAN) und Polyphenylen- sulfon sowie deren Mischungen.
Die ebenfalls erfindungsgemäßen Präparationen, die zur Herstellung von mit Hilfe von Laserstrahlung, deren Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt, schweißverbundenen Kunststoffteilen geeignet sind, enthalten
a) ein zur Ausbildung der Kunststoffteile geeignetes thermoplastisches Ma- trixpolymer,
b) mindestens ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die eingesetzte Laserstrahlung absorbierendes, nichtionisches, gegen die Laserstrahlung resistentes Material mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M,
c) gewünschtenfalls einen oder mehrere UV-Stabilisatoren und
d) gewünschtenfalls weitere Additive.
Sie können vorteilhaft über einen konventionellen Extrusions- oder Knetprozeß hergestellt werden. Dabei können die Komponenten b) sowie gewünschtenfalls c) und/oder d) von vornherein in dem der gewünschten Endkonzentration entsprechenden Gewichtsverhältnis mit dem Matrixpolymer a) gemischt werden (direkte Compoundie- rung), oder es kann zunächst eine deutlich höhere Konzentration an b) und gewünsch- tenfalls c) und/oder d) gewählt werden und das gebildete Konzentrat (Masterbatch) anschließend bei der Fertigung der zu verschweißenden Teile mit weiterem Matrixpolymer a) verdünnt werden.
Als UV-Stabilisatoren können handelsübliche Substanzen zum Einsatz kommen. Ne- ben gebräuchlichen UVB- und UVA-Absorbem sind im UVA-Bereich absorbierende, mono- oder disubstituierte Naphthalimide und ihre Mischungen, z.B. Chimassorb® 81 sowie Tinuvin® P, 326 und 328 (Ciba SC), Cyasorb® UV-1164 und UV-531 (Cytec) und Uvinul® 3030, 3035, 3050 und 3088 sowie Ultraphor® VL (BASF), handelsübliche Hin- dered Amine Light Stabilizers (HALS) und ihre N-methylierten und N-methoxylierten Derivate und Mischungen davon, z.B. Chimassorb 119 und 944 sowie Tinuvin 123, 622 und 770 (Ciba SC), N 30 (Clariant), Cyasorb 3346, 3529 und 3581 (Cytec) und Uvinul 4050 und 5050 (BASF), und Mischungen dieser Gruppen geeignet.
Als weitere Additive können die erfindungsgemäßen Präparationen gebräuchliche Kunststoffhilfsmittel, z.B. phosphitische und phenolische Antioxidantien, Prozeßhilfs- mittel und Weichmacher, enthalten.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Präparationen Farbmittel zur Einstellung eines gewünschten Farbtons als Additive enthalten, insbesondere transparente organische Pigmente und vor allem Farbstoffe, z.B. CI. Pigment Yellow 138, 139, 183 und 185, CI. Pigment Red 149, 178 und 179, CI. Pigment Violet 19 und 29, CI. Pigment Blue 15, 15:1, 15:3 und 15:4, CI. Pigment Green 7 und 36, CI. Solvent Yellow 93, CI. Solvent Red 135 und 195, CI. Solvent Blue 35, CI. Solvent Violet 13, CI. Solvent Green 3 und 5 sowie CI. Solvent Orange 60 und 163.
Eine weitere mögliche Additivgruppe stellen ebenfalls den optischen Eindruck, die mechanischen Eigenschaften oder aber die Haptik modifizierende Zuschlagstoffe dar, z.B. Mattierungsmittel, wie Titandioxid, Kreide, Bariumsulfat, Zinksulfid, Füllstoffe, wie nanopartikuläres Siliciumdioxid, Aluminiumhydroxid, Lehm und andere Schichtsilikate, Glasfasern und Glaskugeln.
Beispiele
Beispiel 1
Die folgenden thermoplastischen Matrixpolymere wurden unter Additivierung mit NIR- Absorbern aus der Klasse der Quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimide zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die mit Hilfe von Laserstrahlung mit den entsprechenden nichtadditivierten Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden:
(M1 ) Polypropylen (Metocene® X 50081 , Basell)
(M2) Olefin-Copolymer (TPO; Engage® 8401, Exxon Mobil)
(M3) Polycarbonat (Macrolon® 2800, Bayer)
(M4) Polymethylmethacrylat (Plexiglas® 7N, Röhm)
(M5) Polstyrol (Polystyrol 1444 C, BASF) (M6) Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copoly er (ABS, Terluran® GP 22, BASF)
(M7) Polymethylmethacrylat-ABS-Blend (MABS, Terlux® 2802 TR, BASF) (M8) Polysulfon (Ultrason® S 2010, BASF) (M9) Polyethylenterephthalat (PET, Polyclear® T 94, Ter Hell) (M10) Polybutylenterephthalat (PBT, Ultradur® B 6550 N, BASF) (M1 ) Polyamid [6] (Ultramid® BS 700, BASF)
Dazu wurden die Matrixpolymere (M1) bis (M11) über einen Extrusionsschritt mit jeweils 0,01 Gew.-% (Polysulfon: 0,03 Gew.-%) N, N'-Bis(2,6-diisopropylphenyl)- quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimid bzw. 0,005 Gew.-% (Polysulfon: 0,015 Gew.-%) N, N'-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,6,11,16-tetra(p-tert.-octylphenoxy)qua- terrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimid additiviert und dann unter Standardbedingungen zu Spritzgußplättchen (125 x 42 mm Kantenlänge) mit drei Dickenstufen (1, 2 und 3 mm) weiterverarbeitet.
Diese Plättchen wurden mit jeweils gleichdimensionierten, 3 mm dicken unadditivierten Plättchen aus demselben Material über alle drei Dickenstufen mit einem Diodenlaser DFx03 mit 808 nm Emissionswellenlänge (Fa. Rofin) unter Anwendung folgender Verfahrensparameter laserverschweißt:
(M3), (M4), (M5), (M9), (M10), (M11): 400 μm Glasfaserkopplung, 60 mm Brennweite, Eingangsleistung PAv 4,8-6,5 Watt, Streckenenergie 1 ,09 J/mm, Vorschubgeschwindigkeit 6-8 mm/s
(M1), (M6), (M7):
600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAv 23-25 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 30 mm/s
(M2):
600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAv 22,5 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 10 mm/s
(M8):
600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PA 8 Watt,
Vorschubgeschwindigkeit 8-10 mm/s
Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
Beispiel 2
Die Matrixpolymere (M1) bis (M11) aus Beispiel 1 wurden unter analog Beispiel 1 vorgenommener Additivierung mit den dort genannten NIR-Absorbern und zusätzlicher Einfärbung mit den im folgenden aufgeführten transparenten organischen Pigmenten bzw. Farbstoffen zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die analog Beispiel 1 mit Hilfe von Laserstrahlung mit nicht mit NIR-Absorber additivierten, farblosen Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden:
(M1), (M2), (M6), (M7): blau: 0,2 Gew.-% CI. Pigment Blue 15:1 orange: 0,2 Gew.-% CI. Pigment Orange 43 rot: 0,2 Gew.-% CI. Pigment Red 149 grün: 0,2 Gew.-% CI. Pigment Green 36
(M3), (M4), (M5), (M8), (M9), (M10), (M11): blau: 0,05 Gew.-% CI. Solvent Blue 104 orange: 0,05 Gew.-% CI. Solvent Orange 60 rot: 0,05 Gew.-% CI. Solvent Red 195 grün: 0,05 Gew.-% CI. Solvent Green 3
Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
Beispiel 3
Die Matrixpolymere (M3) bzw. (M4) wurden analog Beispiel 1 mit jeweils 0,04 Gew.-% des NIR-Absorbers Lanthanhexaborid (LaB6), das als kommerziell erhältlicher 1 gew.- %iger Batch in PMMA (Sumitomo Metal Mining) eingesetzt wurde, additiviert und analog Beispiel 1 zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die mit Hilfe von Laserstrahlung mit den entsprechenden nichtadditivierten Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden. Dabei wurden jeweils zwei Schweißversuche mit verschiedenen Lasern (Variante A bzw. B) unter Anwendung folgender Verfahrensparameter durchgeführt:
Variante A: Diodenlaser DFx06 mit 940 nm Emissionswellenlänge (Fa. Rofin), 600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 200 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 50-100 mm/s
Variante B: Diodengepumpter Nd:YAG-Laser SWD-Y 75 mit 1064 nm Emissionswellenlänge (Fa. Polyscan), 75 Watt Direktstrahl, 160 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 100 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 5-20 mm/s
Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
Beispiel 4
Die Matrixpolymere (M3) bzw. (M4) wurden unter analog Beispiel 3 vorgenommener Additivierung mit Lathanhexaborid und zusätzlicher Einfärbung mit den im folgenden aufgeführten transparenten organischen Pigmenten zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die analog Beispiel 3 mit Hilfe von Laserstrahlung (jeweils Variante A und B) mit nicht mit NIR-Absorber additivierten, farblosen Spritzgußplättchen schweißverbunden wur- den:
(M3), (M4): blau: 0,02 Gew.-% CI. Pigment Blue 15:1 orange: 0,02 Gew.-% CI. Pigment Orange 43 rot: 0,02 Gew.-% CI. Pigment Red 149 grün: 0,02 Gew.-% CI. Pigment Green 7
Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
Beispiel 5
Die Matrixpolymere (M3) bzw. (M4) wurden analog Beispiel 1 mit jeweils 0,05 Gew.-% nanopartikulärem Indium-Zinn-Oxid (ITO) mit einer mittleren Partikelgröße von 35 nm, das als kommerziell erhältliche 10 gew.-%ige Präparation in Triethylenglykol-bis(2- ethylhexanoat) (Mitsubishi Chemicals) eingesetzt wurde, additiviert und analog Beispiel 1 zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die mit Hilfe von Laserstrahlung nach den folgenden Verfahrensparametern mit den entsprechenden nichtadditivierten Spritzgußplättchen schweißverbunden wurden:
Diodengepumpter Nd:YAG-Laser SWD-Y 75 mit 1064 nm Emissionswellenlänge (Fa. Polyscan), 75 Watt Direktstrahl, 160 mm Brennweite, Eingangsleistung PAv 100 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 5-20 mm/s
Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
Beispiel 6
Die Matrixpolymere (M3) bzw. (M4) wurden unter analog Beispiel 5 vorgenommener Additivierung mit Indium-Zinn-Oxid und zusätzlicher Einfärbung mit den im folgenden aufgeführten Farbstoffen zu Spritzgußplättchen verarbeitet, die analog Beispiel 5 mit Hilfe von Laserstrahlung mit nicht mit NIR-Absorber additivierten, farblosen Spritz- gußplättchen schweißverbunden wurden:
(M3), (M4): blau: 0,05 Gew.-% CI. Solvent Blue 104 orange: 0,05 Gew.-% CI. Solvent Orange 60 rot: 0,05 Gew.-% CI. Solvent Red 195 grün: 0,05 Gew.-% CI. Solvent Green 3 Die Plättchen waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen des mit dem NIR-Absorber additivierten Plättchen, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte unabhängig von der Plättchendicke ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.
Beispiel 7
Wie in der WO-A-02/77081 in Beispiel 6 beschrieben, wurden 0,76 mm dicke, jeweils mit 0,01 Gew.-% N, N'-Bis(2,6-diisopropylphenyl)quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbon- säurediimid (Versuch a), 0,005 Gew.-% N, N'-Bis(2,6-diisopropylphenyl)-1,6,11,16- tetra(p-tert.-octylphenoxy)quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimid (Versuch b), 0,04 Gew.-% Lanthanhexaborid (Versuch c) bzw. 0,05 Gew.-% nanopartikulärem Indium-Zinn-Oxid (Versuch d) additivierte Folien aus Polyvinylbutyral (Butvar®, Solutia) hergestellt und mit nichtadditivierten Folien derselben Dicke mit Hilfe von Laserstrah- lung unter Anwendung der folgenden Verfahrensparameter schweißverbunden:
Versuch a) und b):
Diodenlaser DFx03 mit 808 nm Emissionswellenlänge (Fa. Rofin), 600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 8 Watt, Vorschubgeschwindig- keit 8-10 mm/s
Versuch c):
Diodenlaser DFx06 mit 940 nm Emissionswellenlänge (Fa. Rofin), 600 μm Glasfaserkopplung, 100 mm Brennweite, Eingangsleistung PAV 200 Watt, Vorschubgeschwin- digkeit 50-100 mm/s
Versuch d):
Diodengepumpter Nd:YAG-Laser SWD-Y 75 mit 1064 nm Emissionswellenlänge (Fa. Polyscan), 75 att Direktstrahl, 160 mm Brennweite, Eingangsleistung PA 100 Watt, Vorschubgeschwindigkeit 5-20 mm/s
Die Folien waren nach dem Verschweißen unverändert und zeigten auch an der Schweißnaht keinerlei Änderung in Farbe und Transparenz. Bei Durchführung eines Zugdehnungsexperiments unter Standardbedingungen kam es in allen Fällen zu einer Zerstörung des Materials vor der Schweißnaht. Bei keiner der verschweißten Proben kam es während des Schweißvorgangs zu einem unerwünschten Durchschmelzen der mit dem NIR-Absorber additivierten Folie, d.h. die Absorption der Laserstrahlung erfolgte ausschließlich in der dem Laser zugewandten Oberflächenschicht des additivierten Kunststoffteils.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung einer Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs, bei dem eines der zu verbindenden Kunststoffteile im Verbindungsbereich ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die Laserstrahlung absorbierendes Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man als die Laserstrahlung absorbierendes Material mindestens eine nichtionische, gegen die Laserstrahlung resistente Verbindung mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M, einsetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß man als polycyclische organische Verbindungen Quaterrylen-3,4:13,14-tetracarbonsäurediimide, Qua- terrylen-3,4-dicarbonsäuremonoimide, Terrylen-3,4:11 ,12-tetracarbonsäure- diimide oder Terrylen-3,4-dicarbonsäuremonoimide einsetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als poly- cyclische organische Verbindungen Quaterrylencarbonsäureimide der allgemeinen Formel I
Figure imgf000022_0001
einsetzt, in der die Variablen die folgende Bedeutung haben:
Y1, Y2 unabhängig voneinander Wasserstoff, Brom oder Amino; zusammen einen Rest der Formel
Figure imgf000022_0002
R1, R2 unabhängig voneinander: Wasserstoff; C C30-Alkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppie- rungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch Cyano, C C6-Alkoxy, Aryl, das durch C C18-Alkyl oder d-Ce-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch d-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kannf Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch Cι-C18-Alkyl, C C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4, -NHCOR4 und/oder Aryl- oder Hetarylazo, das jeweils durch d-Cio-Alkyl, d-Ce-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; R3 Wasserstoff oder C,-Cs-Alkyl; R4 Wasserstoff; d-Cι8-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch d-C6- Alkyl, Ci-CrAlkoxy oder Cyano substituiert sein kann; X gleich oder verscheiden und unabhängig voneinander Halogen; d-C18- Alkyl; Aryloxy, Arylthio, Hetaryloxy oder Hetarylthio, das jeweils durch d-Cι2-Alkyl oder C C12-Alk-oxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch C C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5- Cs-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Grup- pierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch d-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; n 2 bis 12.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als polycyclische organische Verbindungen Quaterrylencarbonsäureimide der allgemeinen Formel I einsetzt, in der die Variablen folgende Bedeutung haben:
Y1, Y2 zusammen einen Rest der Formel
Figure imgf000024_0001
R1, R2 unabhängig voneinander: d-C3o-Alkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppie- rungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch Cι-C6-Alkoxy, Aryl, das durch d-C18-Alkyl oder CrC6-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7- gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch d-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch d-Cι8-Alkyl, d-C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4 und/oder -NHCOR4 ein- oder mehrfach substituiert sein kann; R3 Wasserstoff oder d-Ce-Alkyl;
R4 Wasserstoff; Cι-C18-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch d-C6- Alkyl, d-Ce-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann; X gleich oder verschieden und unabhängig voneinander Halogen; Aryloxy oder Hetaryloxy, das jeweils durch d-C12-Alkyl oder d-Ci-rAlkoxy, des- sen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das durch Cι-C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -NR3- und/oder -CO- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch d-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; n 2 bis 8.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als polycyclische organische Verbindungen Terrylencarbonsäureimide der allgemeinen Formel II
Figure imgf000025_0001
X m
einsetzt, in der die Variablen folgende Bedeutung haben:
Y Λ , Yχ2 unabhängig voneinander Wasserstoff, Brom oder Amino; zusammen einen Rest der Formel
Figure imgf000025_0002
R , R unabhängig voneinander: Wasserstoff; CrC30-AlkyI, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch Cyano, d-C6-Alkoxy, Aryl, das durch C C18-Alkyl oder d-Ce-Alkoxy substituiert sein kann, und/oder einen über ein Stickstoffatom gebundenen, 5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; C5-C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere • Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das durch d-C6-Alkyl ein oder mehrfach substituiert sein kann; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch Cι-C18-Alkyl, C C6-Alkoxy, Cyano, -CONHR4, -NHCOR4 und/oder Aryl- oder Hetarylazo, das jeweils durch d-do-Alkyl, d-C-6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann;
R i3 Wasserstoff oder CrC6-Alkyl;
R -.
4 Wasserstoff; C C18-Alkyl; Aryl oder Hetaryl, das jeweils durch d-C6- Alkyl, Cι-C6-Alkoxy oder Cyano substituiert sein kann; X gleich oder verschieden und unabhängig voneinander Halogen; C C18- Alkyl; Aryloxy, Arylthio, Hetaryloxy oder Hetarylthio, das jeweils durch C C12-Alkyl oder CrC^-Alk-oxy, dessen Kohlenstoffkette durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- un- terbrochen sein kann und das durch C C6-Alkoxy, einen über ein Stickstoffatom gebundenen,
5- bis 7-gliedrigen heterocyclischen Rest, der weitere Heteroatome enthalten und aromatisch sein kann, und/oder C5- C8-Cycloalkyl, dessen Kohlenstoffgerüst durch eine oder mehrere Gruppierungen -O-, -S-, -NR3-, -CO- und/oder -SO2- unterbrochen sein kann und das ein- oder mehrfach durch d-C6-Alkyl substituiert sein kann, ein- oder mehrfach substituiert sein kann; m 2 bis 8.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als dotierte Zinnoxide nanopartikuläre mit Antimon oder Indium dotierte Zinnoxide einsetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß man als Hexaboride von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen MB6 nanopartikuläres Yttrium-, Lanthan-, Cer-, Praseodym-, Neodym-, Samarium-, Europium-, Gadolinium-, Terbium-, Dysprosium-, Holmium-, Erbium-, Thulium-, Ytterbium-, Strontium- oder Calci- umhexaborid einsetzt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Laserstrahlung absorbierende Material in das Kunststoffteil eingearbeitet oder auf das Kunststoffteil aufgebracht worden ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die Laserstrahlung absorbierende Material über einen Extrusions-, Spritzguß-, Blasformungs- oder Knetprozeß in das Kunststoffteil eingearbeitet worden ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die Laserstrahlung absorbierende Material über einen Laminierungs- oder Beschichtungspro- zeß auf das Kunststoffteil aufgebracht worden ist.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der zu verbindenden Kunststoffteile eine Folie ist.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Kunststoffteile aus einem Matrixpolymer, ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine, Polyolefincopolymere, Polytetrafluoroethylene, Ethylen- Tetrafluoroethylen-Copolymere, Polyvinylchloride, Polyvinylidenchloride, Polyvi- nylalkohole, Polyvinylester, Polyvinylalkanale, Polyvinylketale, Polyamide, Polyimide, Polycarbonate, Polycarbonat-Blends, Polyester, Polyester-Blends, Poly- (meth)acrylate, Poly(meth)acrylat-Styrolcopolymer-Blends, Poly(meth)acrylat- Polyvinylidendifluorid-Blends, Polyurethane, Polystyrole, Styrolcopolymere, Poly- ether, Polyetherketone und Polysulfone und deren Mischungen, aufgebaut sind.
13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Kunststoffteile aus einem Matrixpolymer, ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine, Polyolefincopolymere, Polyvinylalkanale, Polyamide, Po- lycarbonate, Polycarbonat-Polyester-Blends, Polycarbonat-Styrolcopolymer- Blends, Polyester, Polyester-Blends, Poly(meth)acrylate, Poly(meth)acrylat- Styrolcopolymer-Blends, Poly(meth)acrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Styrolcopolymere und Polysulfone und deren Mischungen, aufgebaut sind.
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Kunststoffteile aus einem Matrixpolymer, ausgewählt aus der Gruppe Polypropylen, Polyvinylbutyral, Polyamid [6], Polyamid [6,6], Polycarbo- nat, Polycarbonat-Polyethylenterephthalat-Blends, Polycarbonat-Polybutylentere- phthalat-Blends, Polycarbonat-Acrylnitril/Styrol/Acrylnitril-Copolymer-Blends, Po- lycarbonat-Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer-Blends, Polymethylmethacrylat- Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer-Blends (MABS), Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polymethylmethacrylat, Polybutylacrylat, Polymethyl- methacrylat-Polyvinylidendifluorid-Blends, Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymere, Styrol/Acrylnitril-Copolymere und Polyphenylensulfon, aufgebaut sind.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis 12000 nm verwendet.
16. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis 1200 nm verwendet.
17. Zur Herstellung von mit Hilfe von Laserstrahlung, deren Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Bereichs liegt, schweißverbundenen Kunststoffteilen geeignete Präparationen, enthaltend a) ein zur Ausbildung der Kunststoffteile geeignetes thermoplastisches Ma- trixpolymer, b) mindestens ein im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums transparentes, im wesentlichen farbloses, die eingesetzte Laserstrahlung absorbierendes, nichtionisches, gegen die Laserstrahlung resistentes Material mit einer thermischen Beständigkeit von mindestens 300°C, ausgewählt aus der Gruppe der polycyclischen organischen Verbindungen, der dotierten Zinnoxide und der Hexaboride MB6 von Lanthaniden- und Erdalkalimetallen M,
c) gewünschtenfalls einen oder mehrere UV-Stabilisatoren und
d) gewünschtenfalls weitere Additive.
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