WO2006042714A1 - Lasermarkierbare formmassen und daraus erhältliche produkte und verfahren zur lasermarkierung - Google Patents

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WO2006042714A1
WO2006042714A1 PCT/EP2005/011098 EP2005011098W WO2006042714A1 WO 2006042714 A1 WO2006042714 A1 WO 2006042714A1 EP 2005011098 W EP2005011098 W EP 2005011098W WO 2006042714 A1 WO2006042714 A1 WO 2006042714A1
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laser
molding compound
compound according
component
markable
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PCT/EP2005/011098
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Joachim Clauss
Kurt Witan
Arnold Schneller
Klaus Kurz
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Ticona Gmbh
Chemische Fabrik Budenheim Kg
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20—Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/26—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used
    • B41M5/267—Marking of plastic artifacts, e.g. with laser
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
    • C08K3/24—Acids; Salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L67/00—Compositions of polyesters obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L67/06—Unsaturated polyesters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Definitions

  • the present invention relates to novel molding compositions based on semi-crystalline engineering thermoplastics, the result of laser marking moldings with increased marking quality. Furthermore, the invention relates to molded parts, which are produced from such laser-markable molding compositions, a method for laser marking and the use of selected additives for laser marking.
  • Semicrystalline thermoplastics have long been used as materials. In addition to their mechanical, thermal, electrical and chemical properties, functionalities such as laser marking become increasingly important. By way of example, applications in the household goods sector, in keyboards and in the electronics sector are mentioned. Here, a high contrast between the laser-written marking and the polymer matrix as background is required for the application. Furthermore, a targeted adjustment of the marking and matrix color as well as the surface quality of the marking is advantageous for the aesthetics. In particular, if the laser-marked surfaces are usually visible during use or regularly exposed to mechanical or chemical stress, the durability should be ensured with high perceived value. This represents in many cases a hurdle for the use of semi-crystalline engineering thermoplastics.
  • Laser-markable molding compounds are known per se.
  • One way of marking these molding compositions with laser light is to irradiate the plastic at selected locations with laser light and to bring about a mechanical change or a local discoloration of the plastic by the introduced energy.
  • Another way of marking this Molding compositions with laser light is to use discolourable fillers that change their color by irradiation of laser light at selected locations.
  • TiO 2 white pigment is known from EP-A-330,869.
  • EP-A-400,305 and EP-A-542,115 describe the use of copper hydroxide phosphate and molybdenum (IV) oxide, respectively.
  • EP-A-797,511 describes the use of platelet-shaped pigments with a layer of doped tin oxide.
  • EP-A-764,683 discloses the use of copper pyrophosphate hydrate and / or manganese sulfate hydrate.
  • WO-A-98/58805 discloses a series of copper phosphates.
  • WO-A-99/55773 describes inter alia the use of zinc hydroxystannate and stannous oxa!
  • WO-A-01/78994 proposes the use of copper fumarate, copper maleate and mixtures thereof.
  • DE-A-100 53 639 proposes the use of selected salts, including various cobalt and iron phosphates.
  • DE-A-100 34472 describes the use of particles surface-modified with certain silicon compounds.
  • EP-A-753,536 describes the use of at least two types of metal oxides.
  • EP-A-105,451 describes polyphenylene sulfide molding compositions which have been modified for laser marking with selected additives, for example with the combination of lead chromate and lead molybdate, with nickel antimony titanate or with cobalt zinc silicon.
  • the previously available laser-markable plastic molding compounds can be improved in many respects.
  • pigments For laser inscribability used pigments often result in an insufficient color difference between the marked site and the unformed plastic matrix and thus a poor color contrast and poor legibility of the label. In other cases, the initially acceptable color contrast changes with time, so that the label more or less disappears. With the addition of increasing amounts of pigment there is also the risk of an undesirable change in the plastic properties. If a light-scattering particle which acts as a white pigment is used as the laser-sensitive additive, this approach is limited by the fact that the photosensitivity increases with increasing content of the additive but the marking contrast as well as the penetration depth of the marking can decrease.
  • a metal compound e.g., oxide or salt
  • the inherent color tends to contribute to discoloration of the matrix and is generally detrimental to aesthetics.
  • the present invention has the object to provide molding compositions based on semi-crystalline engineering thermoplastics, which can be marked with conventional lasers, and those with good marking contrast, the color of the matrix, the color of the marking and the surface topology
  • the marking can be optimized without causing the rest of the property profile of engineering thermoplastics inappropriate.
  • the present invention relates to laser-markable molding compositions containing
  • Particulate light-sensitive salt-like compounds or mixtures containing a plurality of cations are used according to the invention as component B).
  • the cations are selected in a particular case so that the salt-like compound B) when mixed into the component A) does not change the color of the molding composition or in a desired manner.
  • the mass ratios of the cations to one another are chosen such that, after the irradiation of the molding composition at the irradiated sites, their brightness changes, but not the color of the matrix.
  • the mean particle size (d 50 ) of component B is preferably less than 10 ⁇ m. Suitable primary particles can range from a few nanometers to a few
  • Component B must contain at least two different cations from the groups described above.
  • other cations may e.g. from elements of the 2.-5. Period of the I main group of the periodic table.
  • particulate additives which on the one hand increase the laser light sensitivity of the molding composition but on the other hand hardly scatter light are used as component C).
  • Inorganic oxides which have a different refractive index from the matrix but primary particles with a mean diameter (dso) below the wavelength of light, usually meet this criterion.
  • the formulation components of the molding composition according to the invention are therefore the same
  • Matrix (A) comprising partially crystalline engineering thermoplastics, and the additives (B) in the form of particulate light-sensitive compounds or mixtures with the above-defined combination of cations and / or additives (C) in the form of nanoparticulate inorganic oxides, and optionally further conventional additives (D).
  • both types of particulate additives complement each other in a nontrivial way.
  • Both component B and component C increase in the
  • Component B optionally influences the intrinsic color of the matrix and the color of the marking with further coloring additives or pigments.
  • Laser-writable molding compositions in the context of this application are characterized in that when exposed to intense light, preferably from a conventional
  • Laser light source at the exposed location a color change compared to unexposed matrix occurs.
  • This color difference can be considered locally different luminance, as locally different color values, e.g. in the ClELab system or as locally different color values in the RGB system. These effects can occur with different light sources.
  • the selection of the components B) and / or C) is generally carried out so that they have the strongest possible absorption in the wavelength range of the available laser light.
  • Suitable lasers generally have a wavelength in the range of 157 nm to 10.6 ⁇ m, preferably in the range of 532 nm to 10.6 ⁇ m.
  • CO 2 lasers (10.6 ⁇ m) and Nd: YAG lasers (1064 nm) or pulsed UV lasers.
  • Typical excimer lasers have the following wavelengths: F 2 excimer laser (157 nm), ArF excimer laser (193 nm), KrCl excimer laser (222 nm), KrF excimer laser (248 nm), XeCl excimer laser (308 nm), XeF excimer laser (351 nm), frequency-multiplied Nd: YAG lasers with wavelengths of 532 nm
  • Nd YAG lasers (1064 or 532 nm) and CO 2 lasers.
  • the energy densities of the lasers used according to the invention are generally in the range from 0.3 mJ / cm 2 to 50 J / cm 2 , preferably 0.3 mJ / cm 2 to 10 J / cm 2 .
  • the pulse frequency is generally in the range of 1 to 30 kHz.
  • the molding composition according to the invention contains from 50 to 99.95% by weight, preferably from 80 to 99.5% by weight, particularly preferably from 95 to 99% by weight, of matrix component (A) which contains one or more of the technical semicrystalline thermoplastics , Since, by definition, the matrix is semicrystalline and thus not transparent at domains differing in the refractive index, it is primarily near-surface components that contribute to laser marking.
  • Degree of polymerization of the present invention can be used semi-crystalline thermoplastics are not particularly limited and are of the same order of magnitude as the comparable non-lichtbeschriftbarer molding compositions.
  • the matrix component (A) used according to the invention must be partially crystalline, ie the thermoplastics in question have a melting range in the DSC diagram.
  • the matrix component (A) used according to the invention is not subject to any particular restrictions, as long as it is a thermoplastic and partially crystalline polymer.
  • thermoplastics examples include polyacetals (A1), polyesters (A2), polyamides (A3), polyarylene ethers and polyarylene sulfides (A4), polyethersulfones and polysulfones (A5), polyaryletherketones (A6), polyolefins (A7), liquid crystalline polymers (A8) and optionally further thermoplastic polymers as blend partners (AX).
  • Polyacetals (A1) in the sense of this description are polymers which have oxymethylene groups (CH 2 O-) as their main repeat. They include polyoxymethylene homopolymers, copolymers, terpolymers and block copolymers.
  • polyesters (A2) are thermoplastic polymers having repeating ester groups in the main chain. Examples are polycondensation products of naphthalenedicarboxylic acids, terephthalic acid, isophthalic acid, adipic acid, azelaic acid, sebacic acid, dodecanedioic acid,
  • Cyclohexanedicarboxylic acids mixtures of these carboxylic acids and ester-forming derivatives with dihydric alcohols such as ethylene glycol, 1, 3-propanediol, 1, 4-butanediol, 1, 4-butenediol and 1, 6-hexanediol, 1, 4-hexanediol, 1, 4-cyclohexanediol, 1, 4-di- (hydroxymethyl) cyclohexane, bisphenol A, neopentyl glycol, oligo- or polyethylene glycols, oligo- or polypropylene glycols, oligo- or
  • Particularly preferred matrix components (A) are polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and polyether ester block copolymers.
  • Polyamides (A3) in the sense of this description are thermoplastic polymers having repeating acid amide groups in the main chain. They include both homopolymers of the amine carboxylic acid type and of the diamine-dicarboxylic acid type, as well as copolymers with other possible AA, BB and AB comonomers.
  • the useful polyamides are known and, for example, in the Encyclopedia of
  • polyamides (A3) are polyhexamethylene adipamide, polyhexamethylene azelaic acid amide, polyhexamethylene sebacamide,
  • lactams e.g. Polycaprolactam or Polylaurinlactam obtained products.
  • Diamine component and basic polyamide resins prepared by copolymerizing two or more of the foregoing polymers or their components are suitable.
  • An example of this is a copolycondensate of terephthalic acid, isophthalic acid, hexamethylenediamine and caprolactam.
  • Polyarylene sulfides (A4) in the sense of this description are thermoplastic polymers having repeating sulfur groups in the largely aromatic main chain. They include both homopolymers and copolymers.
  • Liquid-crystalline polymers (A8) in the sense of this description are especially liquid-crystalline copolyesters and copolyesteramides based on p-hydroxybenzoic acid and / or 6-hydroxy-2-naphthoic acid.
  • Very particularly advantageous to use as liquid-crystalline plastics are generally wholly aromatic polyesters which form anisotropic melts and average molecular weights
  • Thermoplastic polymers as blend partners (AX) in the sense of this description can be any further semicrystalline, liquid-crystalline and amorphous polymers.
  • Light-sensitive compounds (B) in the sense of this description are organic or inorganic salt-like compounds having the above-defined combinations of different cations or mixtures of salt-like compounds with the above-defined combinations of different cations which change their color under the influence of a laser light source at the exposed position or lead to a color change in the plastic.
  • the compounds (B) may be classical salts of defined stoichiometry of one or more anions having a plurality, but at least two cations derived from different elements, but may also be non-stoichiometric compounds having at least two cations derived from different elements ,
  • a mixture of compounds each having a cation is used, which is convertible on heating to at least one compound having two cations.
  • the additives used for the molding composition of the invention as such at least two have different cations, for example by reaction of at least two simple salts (each having a cation) are formed and as mixed salts (B) in the polymer matrix (A) represent the molding composition of the invention.
  • the other embodiment uses the same selection of cations as the first embodiment, but consists of a not yet reacted mixture of simple salts. This embodiment is possible if, at elevated temperatures and other customary conditions (eg residual moisture), the salts present in the mixture react to form mixed salts, ie new reaction products (B), and thus the molding composition according to the invention becomes accessible.
  • the simple salt-like compounds contained in the mixture can be reacted with each other before addition to the plastic matrix (A) to form a salt-like compound with cations according to the selection rules of the invention, after which the reaction product can be used as additive (B) for the molding composition according to the invention ,
  • the mixture of simple salts is mixed to the plastic matrix (A) to be laser-marked. Subsequently, upon heating the matrix, the simple salt-like compounds react with each other to give identical or similar multiple salts, which are the same or at least similar to those in the first part of this example.
  • Elements whose cations can be used for light-induced color changes are Ti, Cr, Mn, Fe, Co 1 Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, Sb, La, Pr, Ta, W and Ce.
  • cations of elements of the 2nd-5th period of the first main group of the Periodic Table may still be present as a third component.
  • the anions of component (B) are in principle not limited, as long as the construction of compounds with cations of at least two different elements is possible.
  • Anions which contain at least two different elements are preferably used in component (B).
  • Particularly preferred components (B) have as inorganic anions inorganic oxoanions and anions of the organic carboxylic acids and the
  • Carbonic acid provided that they can be mixed compounds with multiple cations realized.
  • Particularly preferred components (B) have, as anions, phosphorus-containing oxoanions.
  • Preference is furthermore given to those combinations in which the intrinsic color of the unexposed compound (B) can be adjusted by varying the molar ratios of the cations.
  • the unexposed molding composition has any desired inherent color and the exposed molding compound has a color difference that is as distinct as possible. If this is a difference in color, this can mean a change from one hue to another, such as from yellow to red.
  • this term also means a change in brightness, for example from white to gray, from gray to black or from light brown to dark brown.
  • a change in opacity for example from transparent to white or black or brown, should be understood as a difference in color.
  • the difference in color can be perceived by the human eye.
  • Also according to the invention should be colored differences, so they are detected by optical measuring devices or are perceived at a wavelength outside the sensitivity range of the human eye by means of a detector. An example of this is the use of readers that use diode lasers in the NIR range.
  • a high color contrast means the occurrence of a high value for dE *, where
  • Index 1 stands for the unexposed, Index 2 for the exposed molding compound.
  • the unexposed molding compound has the highest possible brightness (ie the highest possible brightness value L * in the ClELab color space) and the lowest possible intrinsic color (ie the smallest possible deviation from the black-white axis: the smallest possible a *, as small as possible b *).
  • the exposed molding compound is to have the lowest possible brightness (lowest possible brightness value L *) and nevertheless the lowest possible intrinsic color (as small as possible in terms of absolute value a *, as small as possible b *).
  • the exposed molding compound should have a color that is as clear as possible (absolute maximum a * and / or b * ).
  • Tungsten a, o, and z independently denote integers having values of 1-20, and y is an integer of values between 0 and 10.
  • the component (B) as cations comprises at least one combination of two different elements of the group consisting of copper, tin, antimony and iron.
  • component (B) comprises anions of phosphoric (V) and / or phosphoric (III) acid, their condensation products and optionally further hydroxide ions and as cations Cu and Fe or Cu and Sn or Cu and Sb or Sn and Fe.
  • component (B) In addition to the chemical composition, physical parameters such as the particle size of component (B) also have a significant influence on the quality of laser inscribability. Their scattering behavior influences both the color and brightness values of the unexposed matrix and the optical uniformity in the image exposed and unexposed area. Furthermore, the average particle size is an important measure of the dispersibility in the polymer matrix and thereby also affects the photosensitivity of the molding composition.
  • Components (B) with a middle one are suitable
  • Component (B) preferably has an average particle diameter of less than 5 ⁇ m.
  • Quantitative data on the particle size refer in this application throughout the average particle size (d 50 ) and on the particle size of
  • the particle diameter for the purposes of this invention is determined by conventional methods such as light scattering (optionally with polarized light), microscopy or electron microscopy, counting flow measurements on thin columns, sedimentation methods or other commercially available methods.
  • the components B) are advantageously used in proportions of 0.01 to 2.0 wt .-%. Particular preference is given to contents of 0.02 to 1.0% by weight.
  • Light-sensitizing inorganic oxides (C) in the sense of this description are oxides which, under the influence of light radiation, cause the formation of coloring matter
  • Promote connections This may be, on the one hand, a change in their intrinsic color of these oxides or a catalytic contribution to the fact that correspondingly absorbent compounds are formed in their spatial proximity.
  • oxides also includes compounds in which part of the oxygen atoms is present in the form of hydroxyl groups. Again, these may be stoichiometric and non-stoichiometric compounds.
  • Suitable inorganic oxides of component (C) may be used on elements of the 3-6.
  • oxides (C) are Al 2 O 3 , SiO 2 , silicate and alumosilicate minerals, silicate glasses, TiO 2 , ZnO, ZrO 2 , SnO 2 , Sb 2 O 3 ,
  • Sb 2 O 5 Sb 2 O 5 , Bi 2 Os and possibly mixed oxides with further doping elements.
  • Particularly preferred is TiO 2 in anatase and rutile form.
  • the oxidic additive acts as a permanent white pigment due to its scattering behavior, the brightness values of the unexposed and exposed areas are increased and thus the marking contrast is limited. Furthermore, the average particle size is an important measure of the maximum particle-matrix interface, which can be achieved with good dispersion and thereby also affects the photosensitivity of the molding composition.
  • Components (C) having an average particle diameter of less than 250 nm have been found to be suitable.
  • the particle diameter is used for the purposes of this invention, e.g. determined by electron or X-ray methods.
  • Component (C) preferably has an average particle diameter of less than or equal to 200, in particular less than or equal to 100 nm, particularly preferably from 10 to 100 nm.
  • the stated particle sizes are based on the primary particles of the additive used. Depending on the quality of the dispersion, agglomerates of these primary particles can form in the matrix, which naturally can have larger diameters.
  • the components C) are advantageously used in proportions of 0.01 to 2.0 wt .-%. Particular preference is given to contents of 0.02 to 1.0% by weight.
  • thermoplastic molding compositions according to the invention are further customary additives (D).
  • D customary additives
  • D1 stabilizers to improve the resistance to light, UV radiation and weathering
  • D2 stabilizers to improve the thermal and thermal oxidative resistance
  • D3 stabilizers to improve the hydrolytic resistance
  • the molding composition according to the invention may contain one or more substances from the group of (D1A) benzotriazole derivatives, (D1B) benzophenone derivatives, (D1C) oxanilide derivatives, (D1D) aromatic benzoates, such as salicylates, (D1E) cyanoacrylates,
  • the molding composition of the invention contains both at least one of the stabilizers of the groups D1 A to D1 F and sterically hindered amines of the group D1G.
  • the molding composition according to the invention contains a benzotriazole derivative D1A together with a hindered amine D1G.
  • Examples of (D1A) benzotriazole derivatives are 2- [2'-hydroxy-3 ', 5'-bis (1, 1-dimethylbenzyl) phenyl] benzotriazole, 2 ⁇ [2'-hydroxy-3'-tert. buty! -5'-methylphenyl) ⁇ 5-chlorobenzotriazole, 2- (2'-hydroxy-5'-methylphenzyl) benzotriazole.
  • Examples of benzophenone derivatives (D1 B) are 2-hydroxy-4-n-octoxybenzophenone and 2-hydroxy-4-n-dodecyloxybenzophenone.
  • Examples of sterically hindered amines (D1G) are 2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl compounds, such as bis (2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl) sebazate or the Polymer of succinic acid dimethyl ester and 1- (2-hydroxyethyl) -4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidine.
  • the weathering stabilizers mentioned (D 1) are advantageously used in proportions of 0.01 to 2.0 wt .-%. Levels of 0.02 to 1.0% by weight in total of D1A to D1G are particularly preferred.
  • the molding composition according to the invention may contain antioxidants, for example one or more substances from the group of (D2A) sterically hindered phenols, (D2B) phenol ethers, (D2C) phenol esters, organic or phosphorus-containing acids such as pentaerythrityl tetrakis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], triethylene glycol bis [3 ⁇ [3-tert-butyl-4-hydroxy-5- methylphenyl) propionate], 3,3'-bis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) -propionohydrazide), hexamethylene-glycol bis [3- (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) -propionohydrazide).
  • antioxidants for example one or more substances from the group of (D2A) sterically hindered phenols, (D
  • Pentaerythrityl tetrakis [3- (3 J 5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) - propionate] are preferred, hydroquinones (D2D) and aromatic secondary amines (D2E).
  • a sterically hindered phenol in a particularly preferred embodiment, a sterically hindered phenol
  • the antioxidants mentioned (D2) can be used in proportions of 0.01 to 10 wt .-%. Preference is given to contents of up to 2% by weight in total.
  • the molding composition according to the invention may comprise hydrolysis stabilizers (D3), ie one or more substances from the group of the (D3A) glycidyl ethers or (D3B) carbodiimides.
  • D3A hydrolysis stabilizers
  • D3B hydrolysis stabilizers
  • Examples are mono-, di- or optionally Mehrfachglycidylether of ethylene glycol, propanediol, 1,4-butanediol, 1, 3-butanediol, glycerol and
  • Trimethylolpropantrisglycidylether Trimethylolpropantrisglycidylether.
  • the stabilizers (D3) mentioned can be used in proportions of 0 to 3% by weight. Preference is given to contents of up to 1.0% by weight in total. Particularly preferred are polymeric or monomeric carbodiimides.
  • the molding composition according to the invention may contain acid-emitting substances, ie one or more substances from the group of nitrogen-containing compounds (D4A), alkaline earth compounds (D4B) or bases (D4C).
  • acid-emitting substances ie one or more substances from the group of nitrogen-containing compounds (D4A), alkaline earth compounds (D4B) or bases (D4C).
  • both nitrogen-containing compounds (D4A) and alkaline earth compounds (D4B) are used.
  • Examples of nitrogen-containing compounds (D4A) are melamine,
  • alkaline earth compounds examples are calcium propionate, tricalcium citrate and magnesium stearate.
  • Examples of bases are Na 2 CO 3 and NaHCO 3 .
  • the cited acid scavengers (D4) are preferably used in proportions of 0.001 to 1, 0 wt .-%. Acid scavengers can also be used as mixtures.
  • a lubricant (D5) or mold release agents (D6) the molding composition according to the invention waxes, such as polyethylene waxes and / or oxidized polyethylene waxes may contain their esters and amides and fatty acid esters or fatty acid amides.
  • Lubricants (D5) and mold release agents (D6) are preferably used in proportions of from 0.01 to 10% by weight. Levels of 0.05 to 3 wt .-% in total are particularly preferred. As a rule, lubricants can also act as mold release aids and vice versa.
  • the molding composition according to the invention can contain coloring substances, so-called colorants. These can be both organic and inorganic pigments as well as dyes.
  • the pigments and dyes are not particularly limited. However, pigments should be used which distribute themselves uniformly in the molding composition and do not accumulate at interfaces or individual domains, so that excellent color uniformity, color constancy and mechanical properties
  • Examples include anthraquinone dyes and various pigments such as carbon black, azo pigments, phthalocyanine pigments, perylene pigments, quinacridone pigments, anthraquinone pigments, indoline pigments, titanium dioxide pigments,
  • Iron oxide pigments and cobalt pigments Any suitable combinations of colorants may also be used within the present invention. When carbon blacks are used, in addition to the coloring effect, a contribution to weathering stabilization is often observed.
  • the content of colorants is preferably from 0.05 to 10% by weight, particularly preferably up to 5% by weight in total. If the contents are too low, the desired color depth is often not reached; Higher levels are usually not necessary, economically unattractive and possibly degrade other properties such as the mechanics of the molding compound.
  • the molding composition according to the invention may contain homogeneous or heterogeneous nucleating agents, ie one or more substances from the group of solid inorganics and crosslinked polymers.
  • (D8) nucleating agents are pyrogenic
  • the molding composition according to the invention contains talc or branched or partially crosslinked polymers as nucleating agents.
  • Nucleating agents are preferably used in amounts of 0.0001 to 5 wt .-%. Preference is given to contents of from 0.001 to 2.0% by weight in total.
  • the molding composition according to the invention may contain additives (D9) which favorably influence the fire behavior.
  • additives (D9) which favorably influence the fire behavior.
  • flame retardants There are all known flame retardants into consideration, both halogen-containing and halogen-free.
  • flame retardants are (D9A) nitrogen-containing, (D9B) phosphorus-containing
  • D9A or D9B are melamine polyphosphate, melamine cyanurate, resorcinol diphosphate, polyhalodiphenyl, polyhalodiphenyl ether,
  • substituted phosphines such as triphenylphosphine, substituted phosphine oxides, melamine phosphate esters, phosphinic acid esters and corresponding salts, elemental phosphorus, hypophosphite esters and corresponding salts, phosphite esters and corresponding salts, phosphate esters and corresponding salts.
  • the molding composition according to the invention may contain additives (D10) which, as impact modifiers, favorably influence mechanical properties.
  • Levels of 0 to 20 wt .-% in total are preferred.
  • particulate polymers which are often elastomeric or contain elastomeric components.
  • EPM ethylene-propylene
  • EPDM ethylene-propylene-diene
  • diene monomers for EPDM rubbers for example, conjugated dienes such as isoprene and butadiene, non-conjugated dienes having 5 to 25 carbon atoms such as penta-1, 4-diene, hexa-1, 4-diene, hexa-1, 5 -diene, 2,5-dimethylhexa-1, 5-diene and octa-1, 4-diene, cyclic dienes such as cyclopentadiene, cyclohexadienes, cyclooctadienes and dicyclopentadiene, and also alkenylnorbornenes such as 5-ethylidene-2-norbornene, 5-butylidene-2 norbornene, 2-methallyl-5-norbornene, 2-isopropenyl-5-norbornene and Tricyclodienes such as 3-methyl-tricyclo (5.2.1.0.2.6) -3,8-decadiene or mixtures thereof called.
  • the diene content of the EPDM rubbers is preferably 0.5 to 50, in particular 1 to 8 wt .-%, based on the total weight of the rubber.
  • EPM or EPDM rubbers may preferably also be grafted with reactive carboxylic acids or their derivatives.
  • reactive carboxylic acids or their derivatives e.g. Acrylic acid,
  • Methacrylic acid and its derivatives e.g. Glycidyl (meth) acrylate, and called maleic anhydride.
  • Another group of preferred rubbers are copolymers of ethylene with acrylic acid and / or methacrylic acid and / or the esters of these acids.
  • the rubbers may still contain dicarboxylic acids such as maleic acid and fumaric acid or derivatives of these acids, e.g. Esters and anhydrides, and / or monomers containing epoxy groups.
  • dicarboxylic acid derivatives or monomers containing epoxy groups are preferably incorporated into the rubber by adding monomers containing dicarboxylic acid or epoxy groups.
  • Preferred elastomers are also emulsion polymers, their preparation e.g. by Blackley in the monograph "Emulsion Polymerization".
  • the emulsifiers and catalysts which can be used are known per se. Basically, homogeneously constructed elastomers or those with a
  • Shell structure can be used.
  • the shell-like structure is determined by the order of addition of the individual monomers; the morphology of the polymers is also influenced by this order of addition.
  • monomers for the preparation of the rubber portion of the elastomers acrylates such as e.g. n-butyl acrylate and 2-ethylhexyl acrylate, corresponding methacrylates,
  • the soft or rubber phase (with a glass transition temperature below 0 0 C) of the elastomers may be the core, the outer shell or a middle shell (in elastomers with more than two-shell construction); in the case of multi-shell elastomers, it is also possible for a plurality of shells to consist of a rubber phase.
  • one or more hard components (with glass transition temperatures of more than 20 0 C) to the structure of the elastomer involved, these generally prepared by polymerization of styrene, acrylonitrile, methacrylonitrile, alpha-methylstyrene, p-methylstyrene, Acrylklareestern and
  • Methacrylic acid esters such as methyl acrylate, ethyl acrylate and methyl methacrylate produced as the main monomers.
  • Methacrylic acid esters such as methyl acrylate, ethyl acrylate and methyl methacrylate produced as the main monomers.
  • smaller proportions of other comonomers can also be used here.
  • the particles of the rubber phase can also be crosslinked.
  • Crosslinking monomers are, for example, buta-1,3-diene, divinylbenzene, diallyl phthalate and dihydrodicyclopentadienyl acrylate and the compounds described in EP-A 50 265.
  • graft-linking monomers ie monomers having two or more polymerizable double bonds which react at different rates during the polymerization.
  • the different polymerization rates entail a certain proportion of unsaturated double bonds in the rubber. If, subsequently, another phase is grafted onto such a rubber, the double bonds present in the rubber react at least partially with the graft monomers Formation of chemical bonds, ie the grafted phase is at least partially linked via chemical bonds with the graft.
  • graft-linking monomers examples include allyl-containing monomers, in particular allyl esters of ethylenically unsaturated carboxylic acids, such as
  • graft polymers having a multi-shell structure instead of graft polymers having a multi-shell structure, homogeneous, i. single-shell elastomers of buta-1,3-diene, isoprene and n-butyl acrylate or copolymers thereof are used. These products can also be prepared by concomitant use of crosslinking monomers or monomers having reactive groups.
  • emulsion polymers examples include n-butyl acrylate / (meth) acrylic acid copolymers, n-butyl acrylate / glycidyl acrylate or n-butyl acrylate / glycidyl methacrylate copolymers, graft polymers having an inner core of n-butyl acrylate or butadiene-based and an outer shell of the above-mentioned copolymers and copolymers of ethylene with comonomers providing reactive groups.
  • the described elastomers may also be prepared by other conventional methods, e.g. by suspension polymerization.
  • Further preferred rubbers are polyurethanes, polyether esters and silicone rubbers.
  • the novel thermoplastic molding compositions may contain fibrous, platelet or particulate fillers and reinforcing agents.
  • Examples are carbon fibers, aramid fibers, glass fibers, glass beads, amorphous
  • Silicic acid asbestos, calcium silicate (wollastonite), aluminum silicate, magnesium carbonate, kaolin, chalk, lime, marble, powdered quartz, mica, barite, feldspar, layer and aluminosilicates, bentonite, montmorillonite and talc.
  • the fillers may be modified by organic components or silanization.
  • the proportion of such fillers is generally up to 50 wt .-%, preferably up to 35 wt .-%.
  • the molding composition according to the invention may contain additives (D 12) which influence the mobility of the chain in the amorphous phases or which
  • Examples are dioctyl phthalate, dibenzyl phthalate, butyl benzyl phthalate, hydrocarbon oils, N - (n-butyl) benzenesulfonamide and o- and p-tolylethylsulfonamide.
  • the molding composition according to the invention may comprise additives which according to the respective prior art ensure or improve functional properties of the molding composition (for example electrical conductivity and / or antistatic properties).
  • a method of preparation of the molding composition or of a suitable intermediate according to the invention is, for example, mixing all components at elevated temperature, ie above the melting point of, some or all of the matrix polymers (A) in well-mixing aggregates such as Brabender, extruders, preferably twin-screw extruders, or on mixing rolls.
  • Another method of preparation is the mixing of components at room temperature and the subsequent melting of the matrix polymers in an extruder, preferably twin-screw extruders.
  • the matrix A contains a polymer which is built up via a polycondensation reaction:
  • additives for better dispersion can already be added during the molecular weight build-up.
  • nanoscale additives C this variant offers advantages. If the matrix contains a polyester, such and other components can be added at the end of the transesterification or at the beginning of the polycondensation.
  • the components individually or in combination, can first be processed into more highly concentrated masterbatches and these can then be processed further with other components to give the mixture according to the invention.
  • the additives mentioned in this description can be added in any suitable steps.
  • the final formulation of the molding composition can also be produced so that one or more additives are added only shortly before the formation of the molding.
  • the mixture of granules with an additive paste or the mixture of two or more types of granules, wherein at least one of the molding composition according to the invention or they ultimately together give the composition of the invention are suitable.
  • the molding composition according to the invention is thermoplastic and thus accessible to the usual processing methods.
  • the processing is usually carried out by using a granulate which is further processed in a known manner, for example by extrusion, injection molding, vacuum forming, blow molding or foaming to Formkörpem.
  • the molding composition according to the invention is suitable as a technical material for
  • molded parts in irradiated and unirradiated form which are produced from the molding composition according to the invention by means of conventional processing techniques, in particular by injection molding, are the subject of the present invention.
  • the molded parts according to the invention can be used in the computer, electrical, electronic,
  • the marking and labeling of molded parts according to the invention e.g. Keyboards, cables, lines, trim or functional parts in the heating, ventilation and cooling area or switches, plugs, levers and handles that contain the molding compound according to the invention can be achieved with the aid of laser light.
  • the moldings according to the invention can be used as packaging.
  • the present invention furthermore relates to a method for the laser marking of thermoplastic molded parts, comprising the steps of: i) producing a molding from a molding composition containing at least one semicrystalline thermoplastic A) and components B) and / or C) and D) as defined above, and ii ) Irradiating predetermined parts of at least one surface of the molding with laser light to cause a change in the visual appearance at the irradiated sites.
  • the present invention likewise relates to the use of the above-defined components B) and / or C) for the laser marking of molded parts.
  • the markings thus obtained are characterized by the fact that they wipe and scratch resistant, stable in subsequent sterilization processes and hygienically pure
  • Another field of application for laser marking are plastic brands for the individual identification of animals, so-called poultry rings, cattle tags or ear tags.
  • the label must be very durable, since the mark sometimes remain on the animals for several years.
  • Samples were prepared and tested which contained polyoxymethylene (POM) or polybutylene terephthalate (PBT) as semi-crystalline engineering thermoplastics (A).
  • POM polyoxymethylene
  • PBT polybutylene terephthalate
  • the examples according to the invention contained, in addition to component A, either light-sensitive compounds with a plurality of cations (B) or nanoscale particles of light-sensitizing oxides (C) or a combination of both.
  • the samples used as comparative examples contained either light-sensitive compounds with one cation or microscale particles of light-sensitizing oxides or served as a reference without a photosensitive additive.
  • Tinuvin® 234 and Tinuvin® 770 are Ciba Spezialitatenchemie GmbH, as a flow aid and mold release Licowachs® C (Clariant GmbH), as acid repellents melamine and calcium propionate used.
  • D P BT as an antioxidant were Irganox® 1010 and Irgafos® 126 (both Ciba Specialty Chemicals GmbH), as a nucleating agent talc as flow aids and mold-release Licolub® WD4 (Clariant GmbH) and as
  • copper (II) hydroxide phosphate was used, obtained from Aldrich or Fa. Chemische Fabrik Budenheim KG.
  • FeP as component B
  • an additive powder containing both Fe (II) and Fe (III) as cations was used. It was obtained as iron (II) phosphite with small amounts of iron (III) and small amounts of phosphate from. Chemische Fabrik Budenheim KG and used.
  • additive powders containing both Cu (II) and Fe (II) and Fe (III) as cations were purchased from Chemische Fabrik Budenheim KG. The additives were used both as an unreacted mixture of the individual salts (about 50%).
  • additive powders containing both Sn (II) and Cu (II) as cations and obtained from Messrs. Chemische Fabrik Budenheim KG were used. The additives were used both as an unreacted mixture of the individual salts (about 80% tin (II) phosphate with about 20% copper (II) hydroxide) and as reacted mixed salts for the preparation of the molding compositions.
  • Molding compounds showed significant differences to those of the simple starting salts.
  • an additive powder which contained both Cu (II) and Sb (III) as cations and was purchased from Chemische Fabrik Budenheim KG.
  • the additives were used as an unreacted mixture of the individual salts (about 80% antimony (III) phosphate with about 20% copper (II) hydroxide) for the preparation of the molding compositions. Diffraction spectra obtained with X-ray radiation on the molding composition showed marked differences to those of the simple starting salts.
  • the example contains the entry nano-TiO 2 (n-TiO 2 ) as component C, titanium dioxides with particle diameters of a few nanometers, such as P25 from Degussa or Hombitec RM 130F from Sachtleben, were used.
  • Titanium dioxide white pigment with d 5 o of 0.3 ⁇ m used as the types 2078 or 2220 from Kronos.
  • the molding compounds were compounded in a twin-screw extruder with two kneading zones (Berstorff ZE-25).
  • the nano-additives were already added during the polycondensation.
  • the molding compounds were then injection molded into 90 mm x 65 mm x 1 mm plates.
  • the results are based on the compilation of the table.
  • the PBT matrix had brightness values greater than 222 and the POM matrix greater than 220, respectively.
  • the PBT matrix had brightness values less than 220 and the POM matrix less than 216.
  • red-green-blue components were largely the same, with “turquoise” somewhat stronger intensities in the green-blue range, while reddish had slightly stronger intensities in red.
  • the Mark Darkness indicator was less than 50.
  • the ratio of matrix brightness / marker brightness was greater than 1.25.

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Abstract

Beschrieben werden neue Formmassen basierend auf teilkristallinen technischen Thermoplasten, die lasermarkierbare Formteile mit erhöhter Markierungsgüte ergeben. Die Formmassen zeichnen sich dadurch aus, dass sie in einer Polymermatrix (A) mikro- oder nano-Primärteilchen von lichtsensitiven Verbindungen mit mehreren Kationen (B) und/oder nano-Primärteilchen von lichtsensibilisierenden Oxiden (C) sowie gegebenenfalls weitere übliche Additive (D) enthalten. Weiterhin betrifft die Erfindung Formteile, die aus solchen lasermarkierbaren Formmassen hergestellt werden, ein Verfahren zur Lasermarkierung sowie die Verwendung ausgewählter Zusätze zur Lasermarkierung.

Description

Beschreibung
Lasermarkierbare Formmassen und daraus erhältliche Produkte und Verfahren zur
Lasermarkierung
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Formmassen basierend auf teilkristallinen technischen Thermoplasten, die lasermarkierbare Formteile mit erhöhter Markierungsgüte ergeben. Weiterhin betrifft die Erfindung Formteile, die aus solchen lasermarkierbaren Formmassen hergestellt werden, ein Verfahren zur Lasermarkierung sowie die Verwendung ausgewählter Zusätze zur Lasermarkierung.
Teilkristalline Thermoplaste werden seit langem als Werkstoffe eingesetzt. Neben ihren mechanischen, thermischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften gewinnen zunehmend Funktionalitäten wie die Markierbarkeit mit Laserlicht an Bedeutung. Beispielhaft sollen Anwendungen im Haushaltswarenbereich, bei Tastaturen und im Elektronikbereich genannt werden. Hier ist für die Anwendung ein hoher Kontrast zwischen der laserbeschriebenen Markierung und der Polymermatrix als Hintergrund gefordert. Weiterhin ist für die Ästhetik eine gezielte Einstellung der Markierungs- sowie Matrixfarbe sowie der Oberflächenbeschaffenheit der Markierung von Vorteil. Vor allem, wenn die lasermarkierten Oberflächen im Gebrauch üblicherweise sichtbar oder regelmäßig mechanischen oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind, soll die Dauerhaftigkeit bei hoher Wertanmutung gewährleistet sein. Dies stellt in vielen Fällen eine Hürde für den Einsatz von teilkristallinen technischen Thermoplasten dar.
Lasermarkierbare Formmassen sind an sich bekannt. Eine Möglichkeit der Markierung dieser Formmassen mit Laserlicht besteht darin, den Kunststoff an ausgewählten Stellen mit Laserlicht zu bestrahlen und durch die eingebrachte Energie eine mechanische Veränderung oder eine lokale Verfärbung des Kunststoffes zu bewirken. Eine weitere Möglichkeit der Markierung dieser Formmassen mit Laserlicht besteht darin, verfärbbare Füllstoffe einzusetzen, die durch Einstrahlung von Laserlicht an ausgewählten Stellen ihre Farbe ändern.
Aus der EP-A- 190,997 ist ein Verfahren zur Lasermarkierung von pigmentierten Systemen bekannt, bei dem in ein hochmolekulares Material ein eine Verfärbung verursachender und strahlungsempfindlicher Zusatzstoff eingearbeitet wird. Als Zusatzstoffe werden unter anderem TiÜ2 und Sb2O3 offenbart.
Der Einsatz unterschiedlichster Zusatzstoffe in lasermarkierbaren Kunststoff- Formmassen wird in verschiedensten Patentdokumenten beschrieben.
So ist aus der EP-A-330,869 der Einsatz von Tiθ2-Weisspigment bekannt. Die EP-A-400,305 und die EP-A-542,115 beschreiben die Verwendung von Kupferhydroxidphosphat bzw. von Molybdän-(IV)-oxid.
In der US-A-5,063,137 wird unter anderem die Verwendung von wasserfreien
Metallphosphaten und Phosphorsäure-basierenden Gläsern offenbart.
Die EP-A-797,511 beschreibt den Einsatz von plättchenförmigen Pigmenten mit einer Schicht aus dotiertem Zinnoxid.
In der US-A-5,489,639 wird der Einsatz ausgewählter Kupfersalze (Phosphate, Sulfate, Thiocyanate) beschrieben.
Die EP-A-764,683 offenbart die Verwendung von Kupferpyrophosphat-Hydrat und/oder Mangansulfathydrat.
Aus der EP-A-808,866 ist der Einsatz von Borsäureanhydrid bekannt.
WO-A-98/58805 offenbart eine Reihe von Kupferphosphaten.
WO-A-99/55773 beschreibt unter anderem die Verwendung von Zinkhydroxystannat und Zinn(ll)oxa!at.
Aus der DE-A-199 05 358 ist die Verwendung von Alkalikupferdiphosphat bekannt. WO-A-01/00719 beschreibt den Einsatz von Sb2O3 mit Teilchengrößen oberhalb von 0,5 μm.
Aus der EP-A-1 ,190,988 ist die Verwendung von bestimmten Wismut-Mischoxiden bekannt.
In der WO-A-01/78994 wird der Einsatz von Kupferfumarat, Kupfermaleat sowie deren Mischungen vorgeschlagen.
In der DE-A-100 53 639 wird die Verwendung ausgewählter Salze, unter anderem verschiedener Kobalt- und Eisenphosphate, vorgeschlagen.
Die DE-A-100 34472 beschreibt die Verwendung von mit bestimmten Silizium- Verbindungen oberflächenmodifizierten Teilchen.
In der EP-A-753,536 wird der Einsatz von mindestens zwei Arten von Metalloxiden beschrieben.
Die EP-A-105,451 beschreibt Polyphenylensulfid-Formmassen, die zur Lasermarkierung mit ausgewählten Zusätzen, beispielsweise mit der Kombination von Bleichromat und Bleimolybdat, mit Nickel-Antimon-Titanat oder mit Kobalt-Zink- Silizium modifiziert worden sind.
Die bislang verfügbaren lasermarkierbaren Kunststoff-Formmassen sind in mancherlei Hinsicht noch zu verbessern.
Zur Laserbeschriftbarkeit eingesetzte Pigmente ergeben häufig nur einen ungenügenden Farbunterschied zwischen der markierten Stelle und der unbeiichteten Kunststoffmatrix und damit einen schlechten Farbkontrast und eine schlechte Lesbarkeit der Beschriftung. In anderen Fällen verändert sich der anfangs akzeptable Farbkontrast mit der Zeit, so dass die Beschriftung mehr oder weniger verschwindet. Bei Zusatz von zunehmenden Pigmentmengen besteht außerdem die Gefahr einer unerwünschten Veränderung der Kunststoffeigenschaften. Wird als lasersensitives Additiv ein lichtstreuendes Teilchen eingesetzt, das als Weißpigment wirkt, so ist dieser Ansatz dadurch limitiert, daß mit zunehmendem Gehalt an Additiv zwar die Lichtempfindlichkeit zunimmt aber sowohl der Markierungskontrast als auch die Eindringtiefe der Markierung zurückgehen kann.
Wird eine Metallverbindung (z.B. Oxid oder Salz) eingesetzt, so trägt in der Regel die jeweilige Eigenfarbe zur Verfärbung der Matrix bei und ist im allgemeinen der Ästhetik abträglich.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Formmassen basierend auf teilkristallinen technischen Thermoplasten bereitzustellen, die mit üblichen Lasern markiert werden können, und bei denen mit gutem Markierungskontrast die Farbe der Matrix, die Farbe der Markierung sowie die Oberflächentopologie der Markierung optimiert werden können, ohne daß dabei das übrige Eigenschaftsprofil der technischen Thermoplasten unangemessen leidet.
Überraschend wurden nun Formmassen gefunden, bei denen die beschriebenen Nachteile ausreichend vermieden werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft lasermarkierbare Formmassen enthaltend
A) mindestens einen teilkristallinen Thermoplasten und B) mindestens eine partikuläre lichtsensitive salzartige Verbindung, die unter dem Einfluß von Laserlicht ihre Farbe ändert oder zu einer Farbänderung in der Kunststoffmasse führt und die mehrere Kationen enthält, von denen eines ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, • Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, Sb, La, Pr, Ta, W, Ce und von denen ein weiteres ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Elementen der 3.-6. Periode der II. und III. Hauptgruppe, der 5.-6. Periode der IV. Hauptgruppe sowie der 4.-5. Periode der Ill.-Vlll. Nebengruppe des Periodensystems und der Lanthaniden, und/oder C) mindestens ein partikuläres anorganisches Oxid mit einem mittleren Teilchendurchmesser von weniger als 250 nm, vorzugsweise von weniger als 200 nm, und
D) gegebenenfalls weitere übliche Additive.
Erfindungsgemäß werden als Komponente B) partikuläre lichtsensitive salzartige Verbindungen oder Mischungen eingesetzt, die mehrere Kationen enthalten. Die Kationen werden im Einzelfall so ausgewählt, dass die salzartige Verbindung B) beim Einmischen in die Komponente A) die Farbe der Formmasse nicht oder in einer gewünschten Weise ändert. Femer werden die Massenverhältnisse der Kationen zueinander so gewählt, dass sich nach der Bestrahlung der Formmasse an den bestrahlten Stellen zwar deren Helligkeit, nicht aber die Farbe der Matrix ändert.
Die mittlere Teilchengröße (d50) der Komponente B ist bevorzugt kleiner als 10 μm. Geeignete Primärteilchen können von wenigen Nanometem bis hin zu einigen
Mikrometern groß sein.
Komponente B muss mindestens zwei unterschiedliche Kationen aus den oben beschriebenen Gruppen enthalten. Gegebenenfalls können weitere Kationen z.B. aus Elementen der 2.-5. Periode der I. Hauptgruppe des Periodensystems enthalten sein.
Erfindungsgemäß werden als Komponente C) partikuläre Additive eingesetzt, die einerseits die Laserlichtempfindlichkeit der Formmasse erhöhen aber andererseits Licht kaum streuen. Anorganische Oxide, die zwar einen von der Matrix unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen jedoch Primärteilchen mit einem mittleren Durchmesser (dso) unterhalb der Lichtwellenlänge enthalten, erfüllen in der Regel dieses Kriterium.
Die Rezepturkomponenten der erfindungsgemäßen Formmasse sind daher die
Matrix (A) enthaltend teilkristalline technische Thermoplaste, sowie die Zusätze (B) in Form von partikulären lichtsensitiven Verbindungen oder Mischungen mit der oben definierten Kombination von Kationen und/oder Zusätze (C) in Form von nanopartikulären anorganischen Oxiden, sowie gegebenenfalls weitere übliche Additive (D).
Überraschenderweise ergänzen sich beide Typen von partikulären Zusätzen in nicht trivialer Weise. Sowohl Komponente B als auch Komponente C erhöhen im
Wechselspiel mit der Matrix A die Laserlichtempfindlichkeit.
Die Komponente B beeinflußt gegebenenfalls mit weiteren farbgebenden Additiven oder Pigmenten die Eigenfarbe der Matrix sowie die Farbe der Markierung.
Bei geeigneter Wahl von Komponente C bleibt deren Einfluß auf die Farbausprägung von Matrix und Markierung gering.
Laserbeschriftbare Formmassen im Sinne dieser Anmeldung zeichnen sich dadurch aus, daß bei Einstrahlung von intensivem Licht, bevorzugt aus einer üblichen
Laserlichtquelle an der belichteten Stelle eine Farbänderung im Vergleich zur nicht belichteten Matrix auftritt. Dieser Farbunterschied kann als lokal unterschiedliche Leuchtdichte, als lokal unterschiedliche Farbwerte z.B. im ClELab-System oder als lokal unterschiedliche Farbwerte im RGB System erfaßt werden. Diese Effekte können bei unterschiedlichen Lichtquellen auftreten.
Die Auswahl der Komponenten B) und/oder C) erfolgt in der Regel so, daß diese im Wellenlängenbereich des zur Verfügung stehenden Laserlichtes eine möglichst starke Absorption aufweisen.
Die Wellenlängenbereiche des eingesetzten Laserlichtes sind grundsätzlich keinen Beschränkungen unterworfen. Geeignete Laser haben im allgemeinen eine Wellenlänge im Bereich von 157 nm bis 10,6 μm, vorzugsweise im Bereich von 532 nm bis 10,6 μm.
Beispielsweise seien hier CO2-Laser (10,6 μm) und Nd:YAG-Laser (1064 nm) oder gepulste UV-Laser erwähnt. Typische Excimerlaser weisen folgende Wellenlängen auf: F2-Excimerlaser (157 nm), ArF-Excimerlaser(193 nm), KrCI-Excimerlaser (222 nm), KrF-Excimerlaser (248 nm), XeCI-Excimer-laser (308 nm), XeF-Excimerlaser (351 nm), frequenzvervielfachte Nd:YAG-Laser mit Wellenlängen von 532 nm
(frequenzverdoppelt) von 355 nm (frequenzverdreifacht) oder 265 nm (frequenzvervierfacht).
Besonders bevorzugt werden Nd:YAG-Laser (1064 bzw. 532 nm) und Cθ2-Laser eingesetzt.
Die Energiedichten der erfindungsgemäß eingesetzten Laser liegen im allgemeinen im Bereich von 0,3 mJ/cm2 bis 50 J/cm2, vorzugsweise 0,3 mJ/cm2 bis 10 J/cm2. Bei der Verwendung von gepulsten Lasern liegt die Pulsfrequenz im allgemeinen im Bereich von 1 bis 30 kHz.
Typischerweise enthält die erfindungsgemäße Formmasse 50 bis 99,95 Gew.-%, bevorzugt 80 bis 99,5 Gew.-%, besonders bevorzugt 95 bis 99 Gew.-% an Matrixkomponente (A), die einen oder mehrere der technischen teilkristallinen Thermoplasten enthält. Da die Matrix definitionsgemäß teilkristallin und damit bei sich im Brechungsindex unterscheidenden Domänen nicht transparent ist, tragen vor allem oberflächennahe Komponenten zur Lasermarkierung bei.
Nicht nur Polymere mit linearen Kettenmolekülen, auch verzweigte oder leicht vernetzte Polymere können in der Matrix eingesetzt werden. Die
Polymerisationsgrade der erfindungsgemäß einsetzbaren teilkristallinen Thermoplasten sind nicht besonders eingeschränkt und liegen in der gleichen Größenordnung wie die vergleichbarer nicht-lichtbeschriftbarer Formmassen.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Matrixkomponente (A) muß teilkristallin sein, d.h. die in Frage kommenden Thermoplasten zeigen im DSC-Diagramm einen Schmelzbereich. Die erfindungsgemäß eingesetzte Matrixkomponente (A) ist keinen besonderen Beschränkungen unterworfen, solange es sich um ein thermoplastisches und teilkristallines Polymeres handelt.
Beispiele für bevorzugt einsetzbare teilkristalline Thermoplasten (A) sind Polyacetale (A1 ), Polyester (A2), Polyamide (A3), Polyarylenether und Polyarylensulfide (A4), Polyethersulfone und Polysulfone (A5), Polyaryletherketone (A6), Polyolefine (A7), flüssig-kristalline Polymere (A8) sowie gegebenenfalls weitere thermoplastische Polymere als Blendpartner (AX).
Polyacetale (A1 ) im Sinne dieser Beschreibung sind Polymere, die als Hauptwiederholheit Oxymethylen-Gruppen (CH2O-) aufweisen. Sie umfassen hierbei Polyoxymethylen-Homopolymere, -Copolymere, -Terpolymere und -Blockcopolymere.
Polyester (A2) im Sinne dieser Beschreibung sind thermoplastische Polymere mit sich wiederholenden Estergruppen in der Hauptkette. Beispiele sind Polykondensationsprodukte der Naphthalindicarbonsäuren, Terephthalsäure, Isophthalsäure, Adipinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Dodecandisäure,
Cyclohexandicarbonsäuren, Mischungen dieser Carbonsäuren und esterbildenden Derivate mit zweiwertigen Alkoholen wie Ethylenglykol, 1 ,3-Propandiol, 1 ,4- Butandiol, 1 ,4-Butendiol und 1 ,6-Hexandiol, 1 ,4-Hexandiol, 1 ,4-Cyclohexandiol, 1 ,4- Di-(hydroxymethyl)cyclohexan, Bisphenol A, Neopentylglykol, Oligo- oder Polyethylenglykolen, Oligo- oder Polypropylenglykolen, Oligo- oder
Poly(tetramethylen)glykolen, Mischungen dieser Diole sowie esterbildenden Derivate derselben sowie mit weiteren möglichen AA-, BB- und AB-Comonomeren.
Besonders bevorzugte Matrixkomponenten (A) sind Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und Polyether-esterblockcopolymere. Polyamide (A3) im Sinne dieser Beschreibung sind thermoplastische Polymere mit sich wiederholenden Säureamidgruppen in der Hauptkette. Sie umfassen sowohl Homopolymere des Amincarbonsäuretyps als auch des Diamin-Dicarbonsäuretyps als auch Copolymere mit weiteren möglichen AA-, BB- und AB-Comonomeren. Die verwendbaren Polyamide sind bekannt und zum Beispiel in der Encyclopedia of
Polymer Science and Engineering, Vol. 11 , S. 315 bis 489, John Wiley & Sons, Inc. 1988 beschrieben.
Beispiele für Polyamide (A3) sind Polyhexamethylenadipinsäureamid, Polyhexamethylenazelainsäureamid, Polyhexamethylensebacinsäureamid,
Polyhexamethylendodekandisäureamid, Poly-11-aminoundekansäureamid und Bis- (p-amino-cyclohexyl)-methandodekansäurediamid oder die durch Ringöffnung von Lactamen, z.B. Polycaprolactam oder Polylaurinlactam erhaltenen Produkte. Auch Polyamide auf der Basis von Terephthal- oder Isophthalsäure als Säurekomponente und/oder Trimethylhexamethylendiamin oder Bis-(p-aminocyclohexyl)-propan als
Diaminkomponente sowie Polyamidgrundharze, die durch Copolymerisation zweier oder mehrerer der vorgenannten Polymeren oder deren Komponenten hergestellt worden sind, sind geeignet. Als Beispiel hierfür sei ein Copolykondensat aus Terephthalsäure, Isophthalsäure, Hexamethylendiamin und Caprolactam genannt.
Polyarylensulfide (A4) im Sinne dieser Beschreibung sind thermoplastische Polymere mit sich wiederholenden Schwefelgruppen in der weitgehend aromatischen Hauptkette. Sie umfassen sowohl Homopolymere als auch Copolymere.
Flüssig-kristalline Polymere (A8) im Sinne dieser Beschreibung sind insbesondere auf p-Hydroxybenzoesäure und/oder 6-Hydroxy-2-naphthoesäure basierende flüssigkristalline Copolyester und Copolyesteramide. Ganz besonders vorteilhaft als flüssigkristalline Kunststoffe einzusetzen sind im allgemeinen vollaromatische Polyester, die anisotrope Schmelzen bilden und mittlere Molekulargewichte
(Mw=Gewichtsmittel) von 2.000 bis 200.000, bevorzugt von 3.500 bis 50.000 und insbesondere von 4.000 bis 30.000 g/mol aufweisen. Besonders geeignete flüssig- kristalline Polymere sind zum Beispiel in Saechtling, Kunststoff-Taschenbuch, Hanser-Verlag, 27. Ausgabe, auf den Seiten 517 bis 521 beschrieben.
Thermoplastische Polymere als Blendpartner (AX) im Sinne dieser Beschreibung können beliebige weitere teilkristalline, flüssigkristalline und amorphe Polymere sein.
Lichtsensitive Verbindungen (B) im Sinne dieser Beschreibung sind organische oder anorganische salzartige Verbindungen mit den oben definierten Kombinationen unterschiedlicher Kationen oder Mischungen aus salzartigen Verbindungen mit den oben definierten Kombinationen unterschiedlicher Kationen, die unter dem Einfluß einer Laserlichtquelle an der belichteten Stelle ihre Farbe ändern bzw. zu einer Farbänderung im Kunststoff führen.
Die Verbindungen (B) können klassische Salze mit definierter Stöchiometrie aus einem oder mehreren Anionen mit mehreren, mindestens jedoch zwei von unterschiedlichen Elementen abgeleitete Kationen sein, es kann sich aber auch um nicht stöchiometrisch zusammengesetzte Verbindungen handeln, die mindestens zwei von unterschiedlichen Elementen abgeleitete Kationen aufweisen.
Bei einem gegebenem System von Anionen ist das Auftreten einer lonenaustauscherfunktionalität ein möglicher Nachweis, daß sich solch komplexe Strukturen unter Einbindung mehrerer unterschiedlicher Kationen ausbilden.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird ein Gemisch an Verbindungen mit jeweils einem Kation eingesetzt, das beim Erwärmen zu wenigstens einer Verbindung mit zwei Kationen umsetzbar ist.
Die obige Definition des Erfindungsgedankens schließt unter anderem folgende Ausführungsformen ein, die alternativ oder in Kombination miteinander verwendet werden können. Die eine Ausführungsform besagt, dass die für die erfindungsgemäße Formmasse eingesetzten Additive als solche wenigstens zwei verschiedene Kationen besitzen, beispielsweise durch Umsetzung wenigstens zweier einfacher Salze (mit jeweils einem Kation) entstanden sind und als Mischsalze (B) in der Polymermatrix (A) die erfindungsgemäße Formmasse darstellen. Die andere Ausführungsform bedient sich der gleichen Auswahl an Kationen wie die erste Ausführungsform, besteht aber aus einem noch nicht miteinander umgesetzten Gemisch einfacher Salze. Diese Ausführungsform ist möglich, wenn bei erhöhten Temperaturen und sonstigen üblichen Bedingungen (z.B. Restfeuchte) die in der Mischung vorliegenden Salze zu Mischsalzen, also neuen Umsetzungsprodukten (B) reagieren, und somit die erfindungsgemäße Formmasse zugänglich wird.
Bei der letzteren Ausführungsform sind wiederum mehrere Varianten möglich. Die in dem Gemisch enthaltenen einfachen salzartigen Verbindungen können vor der Zugabe zu der Kunststoffmatrix (A) miteinander umgesetzt werden, um eine salzartige Verbindung mit Kationen nach den erfindungsgemäßen Auswahlregeln zu bilden, worauf das Umsetzungsprodukt als Additiv (B) für die erfindungsgemäße Formmasse benutzt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform wird das Gemisch der einfachen Salze zu der laserbeschriftbar zu machenden Kunststoffmatrix (A) gemischt. Anschließend reagieren beim Erhitzen der Grundmasse die einfachen salzartigen Verbindungen miteinander und ergeben gleiche oder ähnliche Mehrfachsalze, die denen im ersten Teil dieses Beispiels gleichen oder wenigstens ähneln.
Elemente, deren Kationen sich zu lichtinduzierten Farbänderungen nutzen lassen, sind Ti, Cr, Mn, Fe, Co1 Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, Sb, La, Pr, Ta, W und Ce.
Elemente, deren Kationen die genannten ergänzen, sind solche aus der 3.-6. Periode der II. und III. Hauptgruppe, der 5.-6. Periode der IV. Hauptgruppe sowie der 4.-5. Periode der Ill.-Vlll. Nebengruppe des Periodensystems und die Lanthaniden.
Gegebenenfalls können noch als dritte Komponente Kationen von Elementen der 2.- 5. Periode der I. Hauptgruppe des Periodensystems vorhanden sein. Die Anionen der Komponente (B) unterliegen grundsätzlich keinen Beschränkungen, solange damit der Aufbau von Verbindungen mit Kationen von mindesten zwei unterschiedlichen Elementen möglich ist.
Bevorzugt werden in Komponente (B) Anionen eingesetzt, die mindestens zwei unterschiedliche Elemente enthalten.
Besonders bevorzugte Komponenten (B) weisen als Anionen anorganische Oxoanionen auf sowie Anionen der organischen Carbonsäuren sowie der
Kohlensäure, sofern sich mit ihnen Mischverbindungen mit mehreren Kationen realisieren lassen. Besonders bevorzugte Komponenten (B) weisen als Anionen phosphorhaltige Oxoanionen auf.
Bevorzugt sind solche Kombinationen, bei denen die unbelichtete Verbindung (B) im
Bereich der verwendeten Lichtwellenlänge absorbiert.
Bevorzugt sind weiterhin solche Kombinationen, bei denen durch Variation der Molverhältnisse der Kationen die Eigenfarbe der unbelichteten Verbindung (B) eingestellt werden kann.
In einer Ausprägung der Erfindung weist die unbelichtete Formmasse eine beliebige Eigenfarbe und die belichtete Formmasse einen möglichst deutlichen farblichen Unterschied dazu auf. Wenn hier von einem farblichen Unterschied die Rede ist, kann dies ein Umschlagen von einem Farbton in einen anderen, wie beispielsweise von Gelb nach Rot, bedeuten. Im Sinne der Erfindung soll unter diesem Begriff aber auch eine Helligkeitsänderung, beispielsweise von weiss nach grau, von grau nach schwarz oder von hellbraun nach dunkelbraun, verstanden werden. Auch eine Änderung der Opazität, beispielsweise von transparent nach weiss oder schwarz oder braun, soll als farblicher Unterschied verstanden werden. Der farbliche Unterschied kann vom menschlichen Auge wahrgenommen werden. Ebenfalls erfindungsgemäß sollen farbliche Unterschiede sein, so sie von optischen Messgeräten erfasst werden oder bei einer Wellenlänge außerhalb des Empfindlichkeitsbereiches des menschlichen Auges mittels eines Detektors wahrgenommen werden. Als Beispiel hierzu sei die Verwendung von Lesegeräten genannt, die Dioden-Laser im NIR-Bereich verwenden.
Für den Bereich des sichtbaren Lichtes bietet sich zur Beschreibung des farblichen Unterschiedes das ClELab-System an. Hier bedeutet ein hoher Farbkontrast das Auftreten eines hohen Wertes für dE*, wobei
dE* = >/(LVL*2)* + (aVa*2)z + (bVb*2f
bedeutet; dabei steht Index 1 für die unbelichtete, Index 2 für die belichtete Formmasse.
Bei dem ClELab-System handelt es sich um ein von der Internationalen Beleuchtungskomission (Commission Internationale dΕclairage) 1976 festgelegten Farbraum, wobei L* = Helligkeit, a* = Rot-Grün-Farbinformation, und b* = Gelb-Blau- Information bedeuten.
In einer bevorzugten Ausprägung der Erfindung weist die unbelichtete Formmasse eine möglichste hohe Helligkeit (also einen möglichst hohen Helligkeitswert L* im ClELab-Farbraum) und eine möglichst geringe Eigenfarbe (also eine möglichst geringe Abweichung von der schwarz-weiss-Achse: betragsmäßig möglichst geringes a*, betragsmäßig möglichst geringes b*) auf. In diesem Fall soll die belichtete Formmasse eine möglichst geringe Helligkeit (möglichst niedriger Helligkeitswert L*) und dennoch eine möglichst geringe Eigenfarbe (betragsmäßig möglichst geringes a*, betragsmäßig möglichst geringes b*) aufweisen.
In einer anderen bevorzugten Ausprägung der Erfindung weist die unbelichtete
Formmasse eine möglichst hohe Helligkeit (möglichst hoher Helligkeitswert L* im ClELab-Farbraum) und eine möglichst geringe Eigenfarbe (möglichst geringe Abweichung von der schwarz-weiss-Achse: betragsmäßig möglichst geringes a*, betragsmäßig möglichst geringes b*) auf. In diesem Fall soll die belichtete Formmasse eine möglichst deutliche Eigenfarbe (betragsmäßig möglichst hohes a* und/oder b*) aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung weisen die Anionen der Komponente (B) die allgemeine Formel AaOo(OH)y 2' auf, worin A = drei- oder fünfwertiger Phosphor, vierwertiges Molybdän oder sechswertiges
Wolfram bedeuten, a, o und z unabhängig voneinander ganze Zahlen mit Werten von 1-20 bedeuten, und y eine ganze Zahl mit Werten zwischen 0 und 10 ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung weist die Komponente (B) als Kationen mindestens eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Elementen der Gruppe bestehend aus Kupfer, Zinn, Antimon und Eisen auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zusammensetzung weist die Komponente (B) Anionen der Phosphor(V)- und/oder Phosphor(lll)-säure, deren Kondensationsprodukte und gegebenenfalls weitere Hydroxidionen auf und als Kationen Cu und Fe oder Cu und Sn oder Cu und Sb oder Sn und Fe.
Neben der chemischen Zusammensetzung haben auch physikalische Parameter wie die Teilchengröße der Komponente (B) einen maßgeblichen Einfluß auf die Güte der Laserbeschriftbarkeit. Sie beeinflussen durch ihr Streuverhalten sowohl die Farb- und Helligkeitswerte der unbelichteten Matrix als auch die optische Einheitlichkeit im belichteten und unbelichteten Bereich. Weiterhin ist die mittlere Teilchengröße ein wichtiges Maß für die Dispergierbarkeit in der Polymermatrix und beeinflußt hierdurch auch die Lichtempfindlichkeit der Formmasse.
Als geeignet erweisen sich Komponenten (B) mit einem mittleren
Teilchendurchmesser von weniger als 10 μm. Bevorzugt weist Komponente (B) einen mittleren Teilchendurchmesser unter 5 μm auf.
Quantitative Angaben zur Teilchengröße beziehen sich in dieser Anmeldung durchgehend auf die mittlere Teilchengröße (d50) und auf die Teilchengröße der
Primärteilchen. Der Teilchendurchmesser wird für die Zwecke dieser Erfindung bestimmt durch übliche Methoden wie Lichtstreuung (ggf. mit polarisiertem Licht), Mikroskopie bzw. Elektronenmikroskopie, zählende Flussmessungen an dünnen Spalten, Sedimentationsverfahren oder weiteren kommerziell erhältlichen Verfahren.
Die Komponenten B) werden vorteilhaft in Anteilen von 0,01 bis 2,0 Gew.-% eingesetzt. Besonders bevorzugt sind Gehalte von 0,02 bis 1 ,0 Gew.-%.
Lichtsensibilisierende anorganische Oxide (C) im Sinne dieser Beschreibung sind Oxide, die unter dem Einfluß der Lichtstrahlung die Bildung farbgebender
Verbindungen fördern. Dies kann zum einen eine Änderung ihrer Eigenfarbe dieser Oxide sein oder aber ein katalytischer Beitrag, daß entsprechend absorbierende Verbindungen in ihrer räumlichen Nachbarschaft gebildet werden.
Unter dem Begriff Oxide sind im Rahmen dieser Beschreibung auch Verbindungen zu verstehen, bei denen ein Teil der Sauerstoffatome in der Form von Hydroxylgruppen vorliegt. Auch in diesem Falle kann es sich um stöchiometrisch und um nicht-stöchiometrisch zusammengesetzte Verbindungen handeln.
Geeignete anorganische Oxide der Komponente (C) können auf Elementen der 3.-6.
Periode der III. und IV. Hauptgruppe, 5.-6. Periode der V. Hauptgruppe sowie der 4.- 5. Periode der Ill.-Vlll. Nebengruppe des Periodensystems und der Lanthaniden basieren.
Bevorzugt eingesetzte Oxide (C) sind AI2O3, SiO2, silikatische sowie alumosilikatische Mineralien, silikatische Gläser, TiO2, ZnO, ZrO2, SnO2, Sb2O3,
Sb2O5, Bi2Os sowie ggf. Mischoxide mit weiteren dotierenden Elementen. Besonders bevorzugt ist TiO2 in Anatas- und Rutilform.
Neben der chemischen Zusammensetzung haben auch physikalische Parameter wie die Teilchengröße der Komponente (C) einen maßgeblichen Einfluß auf die Güte der
Laserbeschriftbarkeit. Wirkt das oxidische Additiv durch sein Streuverhalten als permanentes Weisspigment werden die Helligkeitswerte der unbelichteten wie belichteten Stellen erhöht und damit der Markierungskontrast limitiert. Weiterhin ist die mittlere Teilchengröße ein wichtiges Maß für die maximale Teilchen-Matrix- Grenzfläche, die bei guter Dispergierung zu erzielen ist und beeinflußt hierdurch auch die Lichtempfindlichkeit der Formmasse.
Als geeignet herausgestellt haben sich Komponenten (C) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von weniger als 250 nm. Der Teilchendurchmesser wird für die Zwecke dieser Erfindung z.B. durch Elektronen- oder Röntgenstrahlmethoden bestimmt. Bevorzugt weist Komponente (C) einen mittleren Teilchendurchmesser kleiner gleich 200, insbesondere kleiner gleich 100 nm, besonders bevorzugt von 10 bis 100 nm auf. Die angegebenen Teilchengrößen beziehen sich auf die verwendeten Primärteilchen des Additivs. Je nach Qualität der Dispersion können sich in der Matrix Agglomerate dieser Primärteilchen bilden, die naturgemäß größere Durchmesser aufweisen können.
Die Komponenten C) werden vorteilhaft in Anteilen von 0,01 bis 2,0 Gew.-% eingesetzt. Besonders bevorzugt sind Gehalte von 0,02 bis 1 ,0 Gew.-%.
Ein optionaler Bestandteil der erfindungsgemäßen thermoplastischen Formmassen sind weitere übliche Additive (D). Dazu zählen beispielsweise Stabilisatoren zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Lichteinwirkung, UV-Strahlung und Bewitterung (D1 ), Stabilisatoren zur Verbesserung der thermischen und thermooxidativen Beständigkeit (D2), Stabilisatoren zur Verbesserung der hydrolytischen Beständigkeit (D3),
Stabilisatoren zur Verbesserung der acidolytischen Beständigkeit (D4), Gleitmittel (D5), Entformungshilfen (D6), farbgebende Additive (D7), kristallisationsregulierende Substanzen und Nukleierungsmittel (D8), Flammschutzmittel (D9), Schlagzähmodifier (D10), Füllstoffe (D11), Weichmacher (D12) und ggf. weitere übliche Additive (D13).
Als Stabilisatoren bei Bewitterung und Licht und UV-Strahlung (D1 ) kann die erfindungsgemäße Formmasse eine oder mehrere Substanzen aus der Gruppe von (D1A) Benzotriazol-Derivaten, (D1B) Benzophenon-Derivaten, (D1C) Oxanilid- Derivaten, (D1 D) aromatischen Benzoaten, wie Salicylaten, (D1E) Cyanacrylaten,
(D1 F) Resorcin-Derivaten und (D1G) sterisch gehinderten Aminen enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Formmasse sowohl mindestens einen der Stabilisatoren der Gruppen D1 A bis D1 F als auch sterisch gehinderte Amine der Gruppe D1G.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Formmasse ein Benzotriazol-Derivat D1A zusammen mit einem gehinderten Amin D1G.
Beispiele für (D1A) Benzotriazol-Derivate sind 2-[2'-Hydroxy-3',5'~bis(1 ,1- dimethylbenzyl)phenyl]-benzotriazol, 2~[2'~Hydroxy-3'-tert.-buty!-5'~methylphenyl)~5- chlorobenzotriazol, 2-(2'-Hydroxy-5'-methylphenzyl)-benzotriazol.
Beispiele für Benzophenonderivate (D1 B) sind 2-Hydroxy-4-n-octoxybenzophenon und 2-Hydroxy-4-n-dodecyloxybenzophenon. Beispiele für sterische gehinderte Amine (D1G) sind 2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidyl- Verbindungen, wie zum Beispiel Bis~(2,2,6,6--tetramethyl-4-piperidyl)-sebazat oder das Polymer aus Bernsteinsäuredimethylester und 1-(2-Hydroxyethyl)-4-hydroxy- 2,2,6,6-tetramethyl-4~piperidin.
Die genannten Bewitterungsstabilisatoren (D 1) werden vorteilhaft in Anteilen von 0,01 bis 2,0 Gew.-% eingesetzt. Besonders bevorzugt sind Gehalte von 0,02 bis 1 ,0 Gew.-% in Summe D1A bis D1G.
Als Stabilisatoren zur Verbesserung der thermischen und thermooxidativen Beständigkeit (D2) kann die erfindungsgemäße Formmasse Antioxidantien, wie zum Beispiel eine oder mehrere Substanzen aus der Gruppe von (D2A) sterisch gehinderten Phenolen, (D2B) Phenolethern, (D2C) Phenolestern organischen oder phosphorhaltigen Säuren enthalten, wie zum Beispiel Pentaerithrityl-tetrakis-[3-(3,5- di-tert.butyl-4~hydroxyphenyl)-proprionat], Triethylenglykol-bis-[3~[3~tert.butyl-4- hydroxy-5-methylphenyl)-proprionat], 3,3'-bis[3-(3,5-di-tert.butyl-4-hydroxyphenyl)- propionohydrazid), Hexamethylen-glykol-bis-[3-(3,5-di-tert.butyl-4-hydroxyphenyl)- propionat], 3,5-di-tert-butyl~4-hydroxytoluol, (D2D) Hydrochinone und (D2E) aromatische sekundäre Amine.
Bevorzugt sind Pentaerithrityl-tetrakis-[3-(3J5-di-tert.butyl-4-hydroxyphenyl)- proprionat], Hydrochinone (D2D) und aromatische sekundäre Amine (D2E).
In einer besonders bevorzugten Ausprägung wird ein sterisch gehindertes Phenol
(D2B) zusammen mit einer Phosphorverbindung eingesetzt. Die genannten Antioxidantien (D2) können in Anteilen von 0,01 bis 10 Gew.-% eingesetzt werden. Bevorzugt sind Gehalte bis 2 Gew.-% in Summe.
Besonders bevorzugt ist die Kombination Ciba Irganox® 1010 mit Irgafos® 126. Als Stabilisatoren zur Verbesserung der hydrolytischen Beständigkeit kann die erfindungsgemäße Formmasse Hydrolysestabilisatoren (D3), also eine oder mehrere Substanzen aus der Gruppe der (D3A) Glycidylether oder (D3B) Carbodiimide enthalten. Beispiele sind Mono-, Di- oder gegebenenfalls Mehrfachglycidylether von Ethylenglykol, Propandiol, 1,4-Butandiol, 1 ,3-Butandiol, Glycerin und
Trimethylolpropantrisglycidylether. Die genannten Stabilisatoren (D3) können in Anteilen von 0 bis 3 Gew.~% eingesetzt werden. Bevorzugt sind Gehalte bis 1 ,0 Gew.-% in Summe. Besonders bevorzugt sind polymere oder monomere Carbodiimide.
Als Stabilisatoren zur Verbesserung der acidolytischen Beständigkeit (D4) kann die erfindungsgemäße Formmasse säureabstrahierende Substanzen, also eine oder mehrere Substanzen aus der Gruppe der stickstoffhaltigen Verbindungen (D4A), der Erdalkali-Verbindungen (D4B) oder der Basen (D4C) enthalten.
Enthält die Matrix Polyacetale oder ähnlich säurelabile Polymere werden in einer bevorzugten Ausführungsform sowohl stickstoffhaltige Verbindungen (D4A) als auch Erdalkaliverbindungen (D4B) eingesetzt.
Beispiele für stickstoffhaltige Verbindungen (D4A) sind Melamin,
Melaminformaldehyd-Addukte und Methylolmelanin.
Beispiele für Erdalkali-Verbindungen (D4B) sind Calciumpropionat, Tricalciumcitrat und Magnesiumstearat.
Beispiele für Basen (D4C) sind Na2CO3 und NaHCO3.
Die genannten Säurefänger (D4) werden bevorzugt in Anteilen von 0,001 bis 1 ,0 Gew.-% eingesetzt. Säurefänger können auch als Mischungen eingesetzt werden. Als Gleitmittel (D5) oder Entformungshilfen (D6) kann die erfindungsgemäße Formmasse Wachse, wie zum Beispiel Polyethylenwachse und/oder oxidierte Polyethylenwachse deren Ester und Amide sowie Fettsäureester bzw. Fettsäureamide enthalten.
Bevorzugt sind gemischte Ethylen-bis-fettsäureamide und Montanwachs-glyceride.
Gleitmittel (D5) und Entformungshilfen (D6) werden bevorzugt in Anteilen von 0,01 bis 10 Gew.-% eingesetzt. Besonders bevorzugt sind Gehalte von 0,05 bis 3 Gew.-% in Summe. Gleitmittel können in der Regel auch als Entformungshilfen wirken und umgekehrt.
Als farbgebende Additive (D7) kann die erfindungsgemäße Formmasse farbgebende Substanzen, sogenannte Farbmittel, enthalten. Diese können sowohl organische als auch anorganische Pigmente als auch Farbstoffe sein.
Die Pigmente und Farbstoffe sind nicht besonders limitiert. Allerdings sollten Pigmente eingesetzt werden, die sich gleichmäßig in der Formmasse verteilen und sich nicht an Grenzflächen oder einzelnen Domänen anreichern, so daß eine ausgezeichnete Farbgleichmäßigkeit, Farbkonstanz und mechanische
Eigenschaften gewährleistet werden können.
Beispielhaft seien genannt Anthrachinon-Farbstoffe und verschiedene Pigmente wie Ruß, Azo-Pigmente, Phthalocyanin-Pigmente, Perylen-Pigmente, Chinacridon- Pigmente, Anthrachinon-Pigmente, Indolin-Pigmente, Titandioxid-Pigmente,
Eisenoxid-Pigmente und Kobalt-Pigmente. Auch beliebige geeignete Kombinationen von farbgebenden Substanzen können innerhalb der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Beim Einsatz von Kohlenstoff-Rußen wird neben der farbgebenden Wirkung oft auch ein Beitrag zur Witterungsstabilisierung beobachtet. Der Gehalt an farbgebenden Substanzen liegt bevorzugt bei 0,05 bis 10 Gew.- %, besonders bevorzugt bis 5 Gew.-% in Summe. Bei zu geringen Gehalten wird die gewünschte Farbtiefe oft nicht erreicht; höhere Gehalte sind meist nicht notwendig, ökonomisch nicht attraktiv und verschlechtern ggf. andere Eigenschaften wie die Mechanik der Formmasse.
Als kristallisationsregulierende Substanzen (D8) kann die erfindungsgemäße Formmasse homogen oder heterogen wirkende Nukleierungsmittel, also eine oder mehrere Substanzen aus der Gruppe von festen Anorganika und vernetzten Polymeren enthalten. Beispiele für (D8) Nukleierungsmittel sind pyrogenes
Siliziumdioxid mit und ohne Oberflächenmodifikation, Calciumfluorid, Natriumphenylphosphinat, Aluminiumoxid, feinteiliges Polytetrafluorethylen, Valentinit, Pyrophyllit, Dolomit, Melamincyanurat, Borverbindungen, wie Bornitrid, Kieselsäure, Montmorillonit sowie organische modifizierter Montmorillonit, organische sowie anorganische Pigmente, Melamin-Formaldehydkondensate und
Schichtsilikate.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die erfindungsgemäße Formmasse Talkum oder verzweigte oder teilvernetzte Polymere als Nukleierungsmittel.
Nukleierungsmittel werden bevorzugt in Anteilen von 0,0001 bis 5 Gew.-% eingesetzt. Bevorzugt sind Gehalte von 0,001 bis 2,0 Gew.-% in Summe.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Formmasse Additive (D9) enthalten, die das Brandverhalten günstig beeinflussen. Es kommen alle bekannten Flammschutzmittel in Betracht, sowohl halogenhaltige als auch halogenfreie.
Bevorzugt sind Gehalte von 0 bis 30 Gew.-% in Summe.
Beispiele für Flammschutzmittel sind (D9A) stickstoffhaltige, (D9B) phosphor-haltige
(in Oxidationsstufen des Phosphors von +5 bis -3), (D9C) Antimontrioxid (oft in Kombination mit halogenhaltigen Synergisten), (D9D) halogenhaltige Verbindungen sowie (D9E) halogenarme oder -freie Formulierungen.
Beispiele für D9A bzw. D9B sind Melaminpoiyphosphat, Melamincyanurat, Resorcindiphosphat, Polyhalogendiphenyl, Polyhalogendiphenylether,
Polyhalogenphthalsäure und ihre Derivate, Polyhalogenoligo- und -polycarbonate, substituierte Phosphine wie Triphenylphosphin, substituierte Phosphinoxide, Melaminphosphatester, Phosphinsäureester und entsprechende Salze, elementarer Phosphor, Hypophosphitester und entsprechende Salze, Phosphitester und entsprechende Salze, Phosphatester und entsprechende Salze.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Formmasse Additive (D10) enthalten, die als Schlagzähmodifizierer mechanische Eigenschaften günstig beeinflussen.
Bevorzugt sind Gehalte von 0 bis 20 Gew.-% in Summe.
Beispiele hierfür sind partikuläre Polymere, die oft kautschukelastisch sind bzw. kautschukelastische Komponenten enthalten.
Bevorzugte Arten von solchen Elastomeren sind die sog. Ethylen-Propylen (EPM) bzw. Ethylen-Propylen-Dien-(EPDM)-Kautschuke. EPM-Kautschuke haben im allgemeinen praktisch keine Doppelbindungen mehr, während EPDM-Kautschuke 1 bis 20 Doppelbindungen/100 C-Atome aufweisen können.
Als Dien-Monomere für EPDM-Kautschuke seien beispielsweise konjugierte Diene wie Isopren und Butadien, nicht-konjugierte Diene mit 5 bis 25 C-Atomen wie Penta- 1 ,4-dien, Hexa-1 ,4-dien, Hexa-1 ,5-dien, 2,5-Dimethylhexa-1 ,5-dien und Octa-1 ,4- dien, cyclische Diene wie Cyclopentadien, Cyclohexadiene, Cyclooctadiene und Dicyclopentadien sowie Alkenylnorbomene wie 5-Ethyliden-2-norbornen, 5- Butyliden-2-norbornen, 2-Methallyl-5-norbomen, 2-lsopropenyl-5-norbornen und Tricyclodiene wie 3-Methyl-tricyclo(5.2.1.0.2.6)-3,8-decadien oder deren Mischungen genannt.
Bevorzugt werden Hexa~1 ,5-dien-5-Ethyliden-norbomen und Dicyclopentadien.
Der Diengehalt der EPDM-Kautschuke beträgt vorzugsweise 0,5 bis 50, insbesondere 1 bis 8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Kautschuks.
EPM- bzw. EPDM-Kautschuke können vorzugsweise auch mit reaktiven Carbonsäuren oder deren Derivaten gepfropft sein. Hier seien z.B. Acrylsäure,
Methacrylsäure und deren Derivate, z.B. Glycidyl(meth)acrylat, sowie Maleinsäureanhydrid genannt.
Eine weitere Gruppe bevorzugter Kautschuke sind Copolymere des Ethylens mit Acrylsäure und/oder Methacrylsäure und/oder den Estern dieser Säuren. Zusätzlich können die Kautschuke noch Dicarbonsäuren wie Maleinsäure und Fumarsäure oder Derivate dieser Säuren, z.B. Ester und Anhydride, und/oder Epoxy-Gruppen enthaltende Monomere enthalten. Diese Dicarbonsäure-derivate bzw. Epoxygruppen enthaltende Monomere werden vorzugsweise durch Zugabe von Dicarbonsäure- bzw. Epoxygruppen enthaltenden Monomeren in den Kautschuk eingebaut.
Bevorzugte Elastomere sind auch Emulsionspolymerisate, deren Herstellung z.B. von Blackley in der Monographie "Emulsion Polymerization" beschrieben wird. Die verwendbaren Emulgatoren und Katalystoren sind an sich bekannt. Grundsätzlich können homogen aufgebaute Elastomere oder aber solche mit einem
Schalenaufbau eingesetzt werden. Der schalenartige Aufbau wird durch die Zugabereihenfolge der einzelnen Monomeren bestimmt; auch die Morphologie der Polymeren wird von dieser Zugabereihenfolge beeinflusst. Nur stellvertretend seien hier als Monomere für die Herstellung des Kautschukteils der Elastomeren Acrylate wie z.B. n-Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat, entsprechende Methacrylate,
Butadien und Isopren sowie deren Mischungen genannt. Diese Monomeren können mit weiteren Monomeren wie z.B. Styrol, Acrylnitril, Vinylethern und weiteren Acrylaten oder Methacrylaten wie Methylmethacrylat, Methylacrylat, Ethylacrylat und Propylacrylat copolymerisiert werden. Die Weich- oder Kautschukphase (mit einer Glasübergangstemperatur von unter 00C) der Elastomeren kann den Kern, die äussere Hülle oder eine mittlere Schale (bei Elastomeren mit mehr als zweischaligem Aufbau) darstellen; bei mehrschaligen Elastomeren können auch mehrere Schalen aus einer Kautschukphase bestehen. Sind neben der Kautschukphase noch eine oder mehrere Hartkomponenten (mit Glasübergangstemperaturen von mehr als 200C) am Aufbau des Elastomeren beteiligt, so werden diese im allgemeinen durch Polymerisation von Styrol, Acrylnitril, Methacrylnitril, alpha -Methylstyrol, p-Methylstyrol, Acrylsäureestern und
Methacrylsäureestern wie Methylacrylat, Ethylacrylat und Methylmethacrylat als Hauptmonomeren hergestellt. Daneben können auch hier geringere Anteile an weiteren Comonomeren eingesetzt werden.
Weiterhin können die Teilchen der Kautschukphase auch vernetzt sein. Als
Vemetzer wirkende Monomere sind beispielsweise Buta-1 ,3-dien, Divinylbenzol, Diallylphthalat und Dihydrodicyclopentadienylacrylat sowie die in der EP-A 50 265 beschriebenen Verbindungen.
Ferner können auch sogenannte pfropfvernetzende Monomere (graft-linking monomers) verwendet werden, d.h. Monomere mit zwei oder mehr polymerisierbaren Doppelbindungen, die bei der Polymerisation mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten reagieren. Vorzugsweise werden solche Verbindungen verwendet, in denen mindestens eine reaktive Gruppe mit etwa gleicher Geschwindigkeit wie die übrigen Monomeren polymerisiert, während die andere reaktive Gruppe (oder reaktive Gruppen) z.B. deutlich langsamer polymerisiert (polymerisieren). Die unterschiedlichen Polymerisations¬ geschwindigkeiten bringen einen bestimmten Anteil an ungesättigten Doppelbindungen im Kautschuk mit sich. Wird anschliessend auf einen solchen Kautschuk eine weitere Phase aufgepfropft, so reagieren die im Kautschuk vorhandenen Doppelbindungen zumindest teilweise mit den Pfropfmonomeren unter Ausbildung von chemischen Bindungen, d.h. die aufgepfropfte Phase ist zumindest teilweise über chemische Bindungen mit der Pfropfgrundlage verknüpft.
Beispiele für solche pfropfvernetzende Monomere sind Allylgruppen enthaltende Monomere, insbesondere Allylester von ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren wie
Allylacrylat, Allylmethacrylat, Diallylmaleat, Diallylfumarat, Diallylitaconat oder die entsprechenden Monoallylverbindungen dieser Dicarbonsäuren. Daneben gibt es eine Vielzahl weiterer geeigneter pfropfvernetzender Monomere.
Anstelle von Pfropfpolymerisaten mit einem mehrschaligen Aufbau können auch homogene, d.h. einschalige Elastomere aus Buta-1 ,3-dien, Isopren und n- Butylacrylat oder deren Copolymeren eingesetzt werden. Auch diese Produkte können durch Mitverwendung von vernetzenden Monomeren oder Monomeren mit reaktiven Gruppen hergestellt werden.
Beispiele für bevorzugte Emulsionspolymerisate sind n-Butylacrylat / (Meth)- acrylsäure-Copolymere, n-Butylacrylat/Glycidylacrylat- oder n-Butylacrylat / Glycidylmethacrylat-Copolymere, Pfropfpolymerisate mit einem inneren Kern aus n- Butylacrylat oder auf Butadienbasis und einer äusseren Hülle aus den vorstehend - genannten Copolymeren und Copolymere von Ethylen mit Comonomeren, die reaktive Gruppen liefern.
Die beschriebenen Elastomere können auch nach anderen üblichen Verfahren, z.B. durch Suspensionspolymerisation, hergestellt werden.
Weitere bevorzugte Kautschuke sind Polyurethane, Polyetherester und Siliconkautschuke.
Selbstverständlich können auch Mischungen der vorstehend aufgeführten Kautschuktypen eingesetzt werden. Als Füll- und Verstärkungsmittel (D11 ) können die erfindungsgemässen thermoplastischen Formmassen faser- , plättchen- oder teilchenförmige Füllstoffe und Verstärkungsmittel enthalten.
Beispiele sind Kohlenstofffasern, Aramidfasern, Glasfasern, Glaskugeln, amorphe
Kieselsäure, Asbest, Calciumsilicat (Wollastonit), Aluminiumsilicat, Magnesiumcarbonät, Kaolin, Kreide, Kalk, Marmor, gepulverter Quarz, Glimmer, Schwerspat, Feldspat, Schicht- und Alumosilikate, Bentonit, Montmorillonit und Talk.
Die Füllstoffe können durch organische Komponenten oder Silanisierung modifiziert sein. Der Anteil derartiger Füllstoffe beträgt im allgemeinen bis zu 50 Gew.-%, bevorzugt bis zu 35 Gew.-%.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Formmasse Additive (D 12) enthalten, welche die Mobilität der Kette in den amorphen Phasen beeinflussen oder die
Glastemperatur senken oder anderweitig als Weichmacher wirken.
Beispiele sind Phthalsäuredioctylester, Phthalsäuredibenzylester, Phthalsäurebutylbenzylester, Kohlenwasserstofföle, N~(n-Butyl)benzol-sulfonamid und o- und p-Tolylethylsulfonamid.
Als weitere Additive (D13) kann die erfindungsgemäße Formmasse Additive enthalten, die nach dem jeweiligen Stand der Technik funktionelle Eigenschaften der Formmasse (z.B. elektrische Leitfähigkeit und/oder Antistatikvermögen) gewährleisten oder verbessern.
Eine Herstellungsweise der erfindungsgemäßen Formmasse oder eines geeigneten Zwischenproduktes ist zum Beispiel das Mischen aller Bestandteile bei erhöhter Temperatur, d.h. oberhalb des Schmelzpunktes des, einiger oder aller Matrixpolymere (A) in gut mischenden Aggregaten wie z.B. Brabendem, Extrudern, vorzugsweise Zweischneckenextrudern, oder auf Mischwalzen. Eine weitere Herstellungsweise ist das Mischen von Komponenten bei Raumtemperatur und das anschließende Aufschmelzen der Matrixpolymere in einem Extruder, vorzugsweise Zweischneckenextruder.
Eine weitere Herstellungsweise ist dann möglich, wenn die Matrix A ein Polymer enthält, das über eine Polykondensationsreaktion aufgebaut wird: In diesem Fall können Additive zur besseren Dispergierung bereits während des Molekulargewichtsaufbaus zugegeben werden. Vor allem für nano-skalige Additive C bietet diese Variante Vorteile. Enthält die Matrix einen Polyester, so können solche und andere Komponenten am Ende der Umesterung bzw. am Beginn der Polykondensation zugegeben werden.
Ebenfalls können die Komponenten einzeln oder in Kombination zunächst zu höher konzentrierten Masterbatchen verarbeitet werden und diese anschließend mit weiteren Komponenten zu der erfindungsgemäßen Mischung weiterverarbeitet werden.
Die im Rahmen dieser Beschreibung erwähnten Additive können in beliebigen geeigneten Schritten hinzugegeben werden. Die Endrezeptur der Formmasse kann auch so erzeugt werden, daß einzelne oder mehrere Additive erst kurz vor der Erzeugung des Formkörpers zugegeben werden. Auch die Mischung von Granulat mit einer Additivpaste oder die Mischung von zwei oder mehreren Sorten an Granulat, wobei mindestens eines der erfindungsgemäßen Formmasse entspricht oder sie letztendlich zusammen die erfindungsgemäße Zusammensetzung ergeben, sind geeignet.
Die erfindungsgemäße Formmasse ist thermoplastisch und damit den üblichen Verarbeitungsweisen zugänglich. Die Verarbeitung erfolgt üblicherweise durch Einsatz eines Granulats, das in bekannter Weise, z.B. durch Extrusion, Spritzguss, Vakuumformen, Blasformen oder Schäumen zu Formkörpem weiterverarbeitet wird.
Die erfindungsgemäße Formmasse eignet sich als technischer Werkstoff zur
Herstellung von Halbzeug und Fertigteilen. Auch Formteile in bestrahlter und unbestrahlter Form, die aus der erfindungsgemäßen Formmasse mittels üblicher Verarbeitungstechniken, insbesondere durch Spritzguß, hergestellt werden, sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die erfindungsgemäßen Formteile können in der Computer-, Elektro-, Elektronik-,
Haushaltswaren- und Kraftfahrzeugindustrie Anwendung finden.
Die Kennzeichnung und Beschriftung von erfindungsgemäßen Formteilen z.B. Tastaturen, Kabeln, Leitungen, Zierleisten bzw. Funktionsteilen im Heizungs-, Lüftungs- und Kühlbereich oder Schalter, Stecker, Hebel und Griffe, die erfindungsgemäße Formmasse enthalten, kann mit Hilfe von Laserlicht erzielt werden.
Weiterhin können die erfindungsgemäßen Formteile als Verpackungen eingesetzt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Lasermarkierung von thermoplastischen Formteilen umfassend die Schritte: i) Herstellen eines Formteils aus einer Formmasse enthaltend mindestens einen teilkristallinen Thermoplasten A) und Komponenten B) und/oder C) sowie D) wie oben definiert, und ii) Bestrahlen vorbestimmter Teile mindestens einer Oberfläche des Formteils mit Laserlicht um an den bestrahlten Stellen eine Änderung des optischen Erscheinungsbildes zu bewirken. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls die Verwendung der oben definierten Komponenten B) und/oder C) zur Lasermarkierung von Formteilen.
Die damit erhaltenen Markierungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie wisch- und kratzfest, stabil bei nachträglichen Sterilisationsprozessen und hygienisch rein beim
Markierungsprozeß aufbringbar sind.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Laserbeschriftung sind Kunststoffmarken zur individuellen Kennzeichnung von Tieren, sogenannte Geflügelringe, Cattle Tags oder Ohrmarken. Die Beschriftung muß sehr dauerhaft werden, da die Marke teilweise über mehrere Jahre an den Tieren verbleiben.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele erläutert. Eine Begrenzung ist dadurch nicht beabsichtigt.
Beispiele
Es wurden Proben hergestellt und untersucht, die als teilkristallinen technischen Thermoplasten (A) Polyoxymethylen (POM) oder die Polybutylenterephthalat (PBT) enthielten.
Die erfindungsgemäßen Beispiele enthielten neben der Komponente A entweder lichtsensitive Verbindungen mit mehreren Kationen (B) oder nanoskalige Teilchen von lichtsensibilisierenden Oxiden (C) oder eine Kombination aus beidem. Dagegen enthielten die als Vergleichsbeispiele herangezogenen Proben entweder lichtsensitive Verbindungen mit einem Kation oder mikroskalige Teilchen von lichtsensibilisierenden Oxiden oder dienten als Referenz ohne lichtempfindliches Additiv.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Probenzusammensetzungen aufgeführt. Enthielt das Beispiel als Komponente A den Eintrag POM, so wurde als Matrix Poiyoxymethylen Hostaform® C9021 (Ticona GmbH) verwendet.
Als übliche Additive DPOM wurden als Antioxidans Irganox® 1010 (Ciba), als
Lichtstabilisatoren Tinuvin® 234 und Tinuvin® 770 (jeweils Ciba Spezialitätenchemie GmbH), als Fließhilfsmittel und Entformhilfe Licowachs® C (Clariant GmbH), als Säureabstraktoren Melamin und Calciumpropionat eingesetzt.
Enthielt das Beispiel als Komponente A den Eintrag PBT, so wurde als Matrix PBT
Celanex® 2003 (Ticona GmbH) verwendet.
Als übliche Additive DPBT wurden als Antioxidans Irganox® 1010 und Irgafos® 126 (jeweils Ciba Spezialitätenchemie GmbH), als Nukleierungsmittel Talkum, als Fließhilfsmittel und Entformhilfe Licolub® WD4 (Clariant GmbH) und als
Feuchtigkeits-abstraktoren Stabaxol® (Rheinchemie Rheinau GmbH) eingesetzt.
Enthielt das Beispiel als Komponente B den Eintrag CuOHP so wurde Kupfer(ll)hydroxidphosphat bezogen von Fa. Aldrich bzw. Fa. Chemische Fabrik Budenheim KG eingesetzt.
Enthielt das Beispiel als Komponente B den Eintrag FeP, so wurde ein Additivpulver eingesetzt, das sowohl Fe(II) als auch Fe(III) als Kationen enthält. Es wurde als Eisen(ll)phosphit mit geringen Mengen Eisen(lll) und geringen Mengen Phosphat von Fa. Chemische Fabrik Budenheim KG bezogen und eingesetzt.
Enthielt das Beispiel als Komponente B den Eintrag CuFeP so wurden Additivpulver eingesetzt, die sowohl Cu(II) als auch Fe(II) und Fe(III) als Kationen enthalten und von Fa. Chemische Fabrik Budenheim KG bezogen wurden. Die Additive wurden sowohl als unumgesetzte Mischung der Einzelsalze (ca. 50%
Kupfer(ll)hydroxidphosphat mit ca. 50% Eisenphosphit) als auch als umgesetzte Mischsalze zur Herstellung der Formmassen eingesetzt. Mit Röntgenstrahlung erhaltene Beugungsspektren an der Formmasse wiesen deutliche Unterschiede zu denen der einfachen Ausgangssalze auf.
Enthielt das Beispiel als Komponente B den Eintrag SnCuP, so wurden Additivpulver eingesetzt, die sowohl Sn(II) als auch Cu(II) als Kationen enthalten und von Fa. Chemische Fabrik Budenheim KG bezogen wurden. Die Additive wurden sowohl als unumgesetzte Mischung der Einzelsalze (ca. 80% Zinn(ll)phosphat mit ca. 20% Kupfer(ll)hydroxidphosphat) als auch als umgesetzte Mischsalze zur Herstellung der Formmassen eingesetzt. Mit Röntgenstrahlung erhaltene Beugungsspektren an der
Formmasse wiesen deutliche Unterschiede zu denen der einfachen Ausgangssalze auf.
Enthielt das Beispiel als Komponente B den Eintrag CuSbP so wurde ein Additivpulver eingesetzt, das sowohl Cu(II) als auch Sb(III) als Kationen enthielt und von Fa. Chemische Fabrik Budenheim KG bezogen wurde. Die Additive wurden als unumgesetzte Mischung der Einzelsalze (ca. 80% Antimon(lll)phosphat mit ca. 20% Kupfer(II)hydroxidphosphat) zur Herstellung der Formmassen eingesetzt. Mit Röntgenstrahlung erhaltene Beugungsspektren an der Formmasse wiesen deutliche Unterschiede zu denen der einfachen Ausgangssalze auf.
Enthielt das Beispiel als Komponente C den Eintrag nano-TiO2 (n-Tiθ2), so wurden Titandioxide mit Teilchendurchmessern von wenigen Nanometern, wie P25 der Fa. Degussa oder Hombitec RM130F der Fa. Sachtleben eingesetzt.
Durch Einarbeitung unter hoher Scherung und in ein relativ niedrig-molekulares Präpolymer wurde angestrebt, diese Additive nanoteilig einzuarbeiten und größere Agglomerate weitgehend zu vermeiden.
Enthielt das Vergleichsbeispiel als Komponente D7 den Eintrag μ-Tiθ2, so wurde 1 %
Titandioxid-Weisspigment mit d5o von 0,3 μm wie die Typen 2078 oder 2220 der Fa. Kronos eingesetzt. Die Formmassen wurden in einem Doppelschneckenextruder mit zwei Knetzonen (Berstorff ZE-25) compoundiert. Bei Formmassen, die nano-TiO2 enthalten, wurden die nano-Additive bereits während der Polykondensation zugesetzt.
Die Formmassen wurden anschließend zu 90mm x 65mm x 1 mm-Platten spritzgegossen.
Zur Laserbeschriftung wurde ein DPL Magic Marker der Fa. ACI Laser GmbH (Sömmerda, Thüringen) eingesetzt und die Beschriftungsparameter wie folgt variiert:
Es wurden Pumpintensitäten von 40 bis 90%, Pulsfrequenzen von 1 bis 6 kHz variiert und hierbei horizontale Vorschubgeschwindigkeit und vertikaler Zeilenversatz so gewählt, dass kubische Muster von 40, 50 und 75 μm realisiert wurden.
Zur Bestimmung der optischen Eigenschaften der Matrix und Markierungen wurde eine auf einem Mikroskop BX51 der Fa. Olympus montierte Digitalkamera Colorview Il nebst Bildauswertungssoftware analySIS Pro der Fa. Soft Imaging Systems verwendet.
Zur Bestimmung der Helligkeits- und Dunkelheitswerte (entlang der weiss-schwarz- L*-Achse) wurde unter maximalem Auflicht ein Mikroskopbild augenommen, dieses in ein Grauwertbild überführt und über den aufgenommenen Bereich gemittelt. Mit diesem Verfahren wurden digitale quantitative Daten von 0 für „schwarz" bis 255 für „weiss" erhalten. Die Aufnahmen wurden für alle Proben unter identischen
Beleuchtungsbedingungen durchgeführt. Die Matrix und die Lasermarkierungen wurden jeweils separat aufgenommen und ausgewertet.
Zur Bestimmung der Farbwerte wurde unter maximalem Auflicht ein Mikroskopbild aufgenommen, dieses über den aufgenommenen Bereich gemittelt und die Rot-,
Grün-, und Blau-Anteile ausgelesen. Mit diesem Verfahren wurden digitale quantitative Daten von 0 bis 255 für die Anteile der drei Grundfarben erhalten. Die Aufnahmen wurden für alle Proben unter identischen Beleuchtungsbedingungen durchgeführt. Die Matrix und die Lasermarkierungen wurden jeweils separat aufgenommen und ausgewertet.
Die Ergebnisse liegen der Zusammenstellung der Tabelle zugrunde.
Wurde das Beispiel in der Spalte Lichtempfindlichkeit mit „gut" (+) bewertet, so wurden bereits in Markierungsfeldern mit Pumpintensitäten kleiner gleich 50% und Pulsfrequenzen größer als 4 kHz ausreichende Kontraste erzielt.
Wurde das Beispiel in der Spalte Lichtempfindlichkeit mit „ungenügend" (-) bewertet, so wurden in Markierungsfeldern mit Pumpintensitäten kleiner gleich 50% und Pulsfrequenzen größer als 4 kHz keine ausreichenden Kontraste erzielt.
Wurde das Beispiel in der Spalte Lichtempfindlichkeit mit „mittelmäßig" (0) bewertet, so lagen die Ergebnisse dazwischen.
Wurde das Beispiel in der Spalte Matrixhelligkeit mit „gut" (+) bewertet, so wies die PBT-Matrix Helligkeitswerte größer 222 bzw. die POM-Matrix größer als 220 auf.
Wurde das Beispiel in der Spalte Matrixhelligkeit mit „ungenügend" (-) bewertet, so wies die PBT-Matrix Helligkeitswerte kleiner 220 bzw. die POM-Matrix kleiner 216 auf.
Wurde das Beispiel in der Spalte Matrixhelligkeit mit „mittelmäßig" (0) bewertet, so lagen die Ergebnisse dazwischen.
Wurde das Beispiel in der Spalte Matrixfarbe mit „weiss", „hell" oder „hellgrau" bewertet, so waren die Rot-Grün-Blau-Anteile weitgehend gleich, bei „türkis" waren etwas stärkere Intensitäten im Grün-Blau-Bereich zu verzeichnen, bei „rötlich" waren etwas stärkere Intensitäten in Rot zu verzeichnen.
Wurde das Beispiel in der Spalte Markierungsdunkelheit mit „gut" (+) bewertet, so wies die Markierung Dunkelhθitswerte (=255-Helligkeit) größer 80 auf.
Wurde das Beispiel in der Spalte Markierungsdunkelheit mit „ungenügend" (-) bewertet, so wies die Markierung Dunkelheitswerte kleiner 50 auf.
Wurde das Beispiel in der Spalte Markierungsdunkelheit mit „mittelmäßig" (0) bewertet, so lagen die Ergebnisse dazwischen.
Wurde das Beispiel in der Spalte Markierungsfarbe mit „schwarz", „anthrazit" oder „schwarz-grau" bewertet, so waren die Rot-Grün-Blau-Anteile weitgehend gleich, bei „schwarz-braun" waren etwas stärkere Intensitäten im Rot-Grün- oder Rot-Blau-
Bereich zu verzeichnen, bei „scharz-rot" waren etwas stärkere Intensitäten in Rot zu verzeichnen.
Wurde das Beispiel in der Spalte Kontrast mit „gut" (+) bewertet, so wies das Verhältnis von Matrixheliigkeit/Markierungshelligkeit einen Wert größer 1 ,25 auf.
Wurde das Beispiel in der Spalte Kontrast mit „ungenügend" (-) bewertet, so wies das Verhältnis von Matrixhelligkeit/Markierungshelligkeit einen kleineren Wert auf.
Wurde das Beispiel in der Spalte Markierungstopologie mit „gut" (+) bewertet, so wiesen die markierten Stellen keine fühlbare lokale Erhöhung der Rauhigkeit (weder Krater als Einfallstellen noch aufgeschäumte Erhöhungen) auf.
Wurde das Beispiel in der Spalte Markierungstopologie mit „ungenügend" (-) bewertet so wiesen die markierten Stellen deutlich fühlbare lokale Erhöhung der
Rauhigkeit (weder Krater als Einfallstellen noch aufgeschäumte Erhöhungen) auf. Wurde das Beispiel in der Sparte Markierungstopologie mit „mittelmäßig" (0) bewertet, so lagen die Ergebnisse dazwischen.
Der Tabelle ist zu entnehmen, daß die erfindungsgemäßen Formmassen keine ungenügende Bewertungen der Laserbeschriftung aufweisen, während bei den Vergleichsbeispielen durchgängig mindestens ein Kriterium als ungenügend eingestuft wurde.
Vergleichsbeispiele sind mit „V" gekennzeichnet; erfindungsgemäße Beispiele durch
Angabe eines Zahlenwertes.
Tabelle:
σ
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Claims

Patentansprüche
1. Lasermarkierbare Formmasse enthaltend
A) mindestens einen teilkristallinen Thermoplasten und
B) mindestens eine partikuläre lichtsensitive salzartige Verbindung, die unter dem Einfluß von Laserlicht ihre Farbe ändert oder zu einer
Farbänderung im Kunststoff führt und die mehrere Kationen enthält, von denen eines ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, Sb, La, Pr, Ta, W, Ce und von denen ein weiteres ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Elementen der 3.-6. Periode der II. und III. Hauptgruppe, der 5.-6.
Periode der IV. Hauptgruppe sowie der 4.-5. Periode der Ill.-Vlll. Nebengruppe des Periodensystems und der Lanthaniden, und/oder
C) mindestens ein partikuläres anorganisches Oxid mit einem mittleren Teilchendurchmesser von weniger als 250 nm und D) gegebenenfalls weitere übliche Additive.
2. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die partikuläre lichtsensitive salzartige Komponente B) als Umsetzungsprodukt einfacher kationenhaltiger Verbindungen entstanden ist.
3. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente B eine mittlere Teilchengröße (d50) von kleiner als 10 μm aufweist.
4. Lasermarkierbare Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente B neben zwei unterschiedlichen Kationen aus den Gruppen nach Anspruch 1 weitere Kationen aus Elementen der 2.-5. Periode der I. Hauptgruppe enthält.
5. Lasermarkierbare Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil von Komponente A) 50 bis 99,95 %, bezogen auf die Gesamtmasse der Formmasse, beträgt.
6. Lasermarkierbare Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente A) ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Polyacetalen, Polyestern, Polyamiden, Polyarylenethern, Polyarylensulfiden, Polyethersulfonen, Polysulfone, Polyaryletherketonen, Polyolefinen, flüssig-kristallinen Polymeren und Kombinationen mit einem oder mehreren dieser Polymeren.
7. Lasermarkierbare Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente B) als Anionen anorganische Oxoanionen, Anionen von organischen Carbonsäuren oder Anionen der Kohlensäure aufweist.
8. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente B als Anionen phosphorhaltige Oxoanionen aufweist.
9. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, Komponente B) Anionen der allgemeinen Formel AaOo(OH)y z" aufweist, worin A = drei- oder fünfwertiger Phosphor, vier- oder sechswertiger Schwefel, vierwertiges Molybdän oder sechswertiges Wolfram bedeuten, a, o und z unabhängig voneinander ganze Zahlen mit Werten von 1-20 bedeuten, und y eine ganze Zahl mit Werten zwischen 0 und 10 ist.
10. Lasermarkierbare Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente B) als Kationen eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Elementen der Gruppe bestehend aus Kupfer, Zinn, Antimon und Eisen aufweist.
11. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Komponente B) Anionen der Phosphor(V)- und/oder Phosphor(lll)- säure, deren Kondensationsprodukte und gegebenenfalls weitere Hydroxidionen aufweist und als Kationen Cu und Fe, oder Cu und Sn, oder Cu und Sb, oder Sn und Fe.
12. Lasermarkierbare Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in Komponente B) solche Kombinationen von Metallionen ausgewählt werden, bei denen die unbelichtete Komponente B) im Bereich der zu verwendenden Lichtwellenlänge absorbiert.
13. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Komponente C) einen mittleren Teilchendurchmesser von weniger als 200 nm aufweist.
14. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Komponente C) einen von Komponente A) unterschiedlichen
Brechungsindex aufweist.
15. Lasermarkierbare Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 , 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Oxid ausgewählt wird aus der Gruppe der Oxide der Elemente der 3.-6. Periode der III. und IV. Hauptgruppe, der 5.-6. Periode der V. Hauptgruppe, der 4.-
5. Periode der Ill.-Vlll. Nebengruppe und der Lanthaniden.
16. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Oxid (C) ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus AbO3, Siθ2, silikatischen sowie aiumosilikatischen Mineralien, silikatischen Gläsern, TiO2, ZnO, ZrO2, SnO2, Sb2O3, Sb2O5,
Bi2O3, sowie deren Mischoxiden mit weiteren dotierenden Elementen.
17. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das anorganische Oxid (C) TiO2 in Anatas- und/oder Rutiiform ist.
18. Lasermarkierbare Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, diese als Komponente D) mindestens eines der folgenden Zusätze enthält: Stabilisatoren zur Verbesserung der Beständigkeit gegen Lichteinwirkung, UV-Strahlung und Bewitterung, Stabilisatoren zur Verbesserung der thermischen und thermooxidativen Beständigkeit, Stabilisatoren zur Verbesserung der hydrolytischen Beständigkeit, Stabilisatoren zur Verbesserung der acidolytischen
Beständigkeit, Gleitmittel, Entformungshilfen, farbgebende Additive, kristallisationsregulierende Substanzen und Nukleierungsmittel, Flammschutzmittel, Schlagzähmodifier, Füllstoffe und/oder Weichmacher.
19. Lasermarkierbare Formmasse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Zusatz mindestens ein sterisch gehindertes Phenol zusammen mit einer Phosphorverbindung enthält.
20. Verfahren zur Lasermarkierung von thermoplastischen Formteilen umfassend die Schritte: i) Herstellen eines Formteils aus einer Formmasse enthaltend mindestens einen teilkristallinen Thermoplasten A) und Komponenten B) und/oder C) und gegebenenfalls D) nach Anspruch 1 bis 19, und ii) Bestrahlen vorbestimmter Teile mindestens einer Oberfläche des
Formteils mit Laserlicht um an den bestrahlten Stellen eine Änderung des optischen Erscheinungsbildes zu bewirken.
21. Formteil erhältlich durch Formgebung einer lasermarkierbaren Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19.
22. Lasermarkiertes Formteil erhältlich durch Bestrahlen eines Formteils aus einer lasermarkierbaren Formmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19 mit Laserlicht.
23. Verwendung von partikulären lichtsensitiven salzartigen Verbindungen B) oder deren Mischungen, die unter dem Einfluss von Laserlicht ihre Farbe ändern bzw. zu einer Farbänderung im Kunststoff führen und die mehrere
Kationen enthalten, von denen eines ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu1 Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Sn, Sb, La, Pr, Ta, W, Ce und von denen ein weiteres ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Elementen der 3.-6. Periode der II. und III. Hauptgruppe, der 5.-6. Periode der IV. Hauptgruppe sowie der 4.-5.
Periode der Ill.-Vlll. Nebengruppe und der Lanthaniden und/oder von partikulären anorganischen Oxiden C) mit einem mittleren Teilchendurchmesser von weniger als 250 nm zur Lasermarkierung von Formteilen.
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