WO2009000252A2 - Mechanisch verstärktes thermoplastisches kunststofferzeugnis für laserbasierte fügeverfahren - Google Patents

Mechanisch verstärktes thermoplastisches kunststofferzeugnis für laserbasierte fügeverfahren Download PDF

Info

Publication number
WO2009000252A2
WO2009000252A2 PCT/DE2008/001038 DE2008001038W WO2009000252A2 WO 2009000252 A2 WO2009000252 A2 WO 2009000252A2 DE 2008001038 W DE2008001038 W DE 2008001038W WO 2009000252 A2 WO2009000252 A2 WO 2009000252A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
plastic
nir
products according
plastic products
Prior art date
Application number
PCT/DE2008/001038
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009000252A4 (de
WO2009000252A3 (de
Inventor
Carlos J. Caro
Original Assignee
Grafe Color Batch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Grafe Color Batch Gmbh filed Critical Grafe Color Batch Gmbh
Priority to EP08784241A priority Critical patent/EP2160441A2/de
Publication of WO2009000252A2 publication Critical patent/WO2009000252A2/de
Publication of WO2009000252A3 publication Critical patent/WO2009000252A3/de
Publication of WO2009000252A4 publication Critical patent/WO2009000252A4/de

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00Use of pretreated ingredients
    • C08K9/04Ingredients treated with organic substances
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/14Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
    • B29C65/16Laser beams
    • B29C65/1603Laser beams characterised by the type of electromagnetic radiation
    • B29C65/1612Infrared [IR] radiation, e.g. by infrared lasers
    • B29C65/1616Near infrared radiation [NIR], e.g. by YAG lasers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/14Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
    • B29C65/16Laser beams
    • B29C65/1629Laser beams characterised by the way of heating the interface
    • B29C65/1635Laser beams characterised by the way of heating the interface at least passing through one of the parts to be joined, i.e. laser transmission welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/72General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721Fibre-reinforced materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/73General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/733General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence
    • B29C66/7332General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence at least one of the parts to be joined being coloured
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/73General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/733General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence
    • B29C66/7332General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence at least one of the parts to be joined being coloured
    • B29C66/73321General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence at least one of the parts to be joined being coloured both parts to be joined being coloured
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/73General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/733General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence
    • B29C66/7336General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence at least one of the parts to be joined being opaque, transparent or translucent to visible light
    • B29C66/73361General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence at least one of the parts to be joined being opaque, transparent or translucent to visible light at least one of the parts to be joined being opaque to visible light
    • B29C66/73362General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the optical properties of the material of the parts to be joined, e.g. fluorescence, phosphorescence at least one of the parts to be joined being opaque, transparent or translucent to visible light at least one of the parts to be joined being opaque to visible light both parts to be joined being opaque to visible light
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/73General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/739General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset
    • B29C66/7392General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoplastic
    • B29C66/73921General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the intensive physical properties of the material of the parts to be joined, by the optical properties of the material of the parts to be joined, by the extensive physical properties of the parts to be joined, by the state of the material of the parts to be joined or by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of the parts to be joined being a thermoplastic or a thermoset characterised by the material of at least one of the parts being a thermoplastic characterised by the materials of both parts being thermoplastics
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/90Measuring or controlling the joining process
    • B29C66/95Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling specific variables not covered by groups B29C66/91 - B29C66/94
    • B29C66/959Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling specific variables not covered by groups B29C66/91 - B29C66/94 characterised by specific values or ranges of said specific variables
    • B29C66/9592Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling specific variables not covered by groups B29C66/91 - B29C66/94 characterised by specific values or ranges of said specific variables in explicit relation to another variable, e.g. X-Y diagrams
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41MPRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/26Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used
    • B41M5/267Marking of plastic artifacts, e.g. with laser
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/20Compounding polymers with additives, e.g. colouring
    • C08J3/22Compounding polymers with additives, e.g. colouring using masterbatch techniques
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/005Reinforced macromolecular compounds with nanosized materials, e.g. nanoparticles, nanofibres, nanotubes, nanowires, nanorods or nanolayered materials
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L23/00Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L23/02Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L23/10Homopolymers or copolymers of propene
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/08Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation
    • B29C35/0805Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation
    • B29C2035/0822Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation using IR radiation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/14Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
    • B29C65/16Laser beams
    • B29C65/1603Laser beams characterised by the type of electromagnetic radiation
    • B29C65/1609Visible light radiation, e.g. by visible light lasers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/14Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
    • B29C65/16Laser beams
    • B29C65/1629Laser beams characterised by the way of heating the interface
    • B29C65/1674Laser beams characterised by the way of heating the interface making use of laser diodes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/71General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the composition of the plastics material of the parts to be joined
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/72General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721Fibre-reinforced materials
    • B29C66/7212Fibre-reinforced materials characterised by the composition of the fibres
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29KINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/12Thermoplastic materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29KINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/16Fillers
    • B29K2105/162Nanoparticles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29KINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/16Fillers
    • B29K2105/165Hollow fillers, e.g. microballoons or expanded particles
    • B29K2105/167Nanotubes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29KINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2709/00Use of inorganic materials not provided for in groups B29K2703/00 - B29K2707/00, for preformed parts, e.g. for inserts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29KINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2995/00Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
    • B29K2995/0018Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds having particular optical properties, e.g. fluorescent or phosphorescent
    • B29K2995/0026Transparent
    • B29K2995/0027Transparent for light outside the visible spectrum
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/34Silicon-containing compounds

Definitions

  • the invention relates to the use of plastic products, which are characterized by improved mechanical characteristics and are suitable for laser transmission welding.
  • Plastics products are often made in different color variations usually from PP, PA, PC, ABS, POM or associated plastic blends. However, the technically most common primary colors are black and gray in many facets and nuances.
  • polypropylene (PP) and polyamide (PA) are those which most often need to be mechanically reinforced by the addition of inorganic fillers.
  • PP polypropylene
  • PA polyamide
  • a range of fillers are therefore available to the user for this purpose: aramid and carbon fibers, graphites, carbon nanotubes (CNT), carbon black, talc, kaolins, chalk, barium sulfate, titanium dioxide, glass fiber and glass ball, wollastonite, magnesium carbonate, mica, silica, Wood flour, cross-linked polymers, and many more m.
  • aramid and carbon fibers graphites, carbon nanotubes (CNT), carbon black, talc, kaolins, chalk, barium sulfate, titanium dioxide, glass fiber and glass ball, wollastonite, magnesium carbonate, mica, silica, Wood flour, cross-linked polymers, and many more m.
  • the addition concentration of the respective fillers depends on economic aspects, i. d. R. according to the physical and chemical properties of the filler itself, the desired mechanical properties of the final product as well as the degree of homogeneous dispersion in the target plastic. From the different types of fillers inevitably results in a different coloration of the final product, depending on whether you z. As black (black), chalk (white) or talc (gray) or glass fiber (colorless) is used.
  • the prior art provides numerous methods, such as bonding, hot riveting and a variety of welding methods (eg high-frequency and microwave welding, ultrasonic welding, plasma (hot gas) welding, induction welding, IR welding, mirror welding, spin welding, Vibration welding and laser transmission welding).
  • welding methods eg high-frequency and microwave welding, ultrasonic welding, plasma (hot gas) welding, induction welding, IR welding, mirror welding, spin welding, Vibration welding and laser transmission welding.
  • the laser transmission welding has proved to be particularly advantageous.
  • the laser In laser beam welding of two interacting partners, the laser is (or should be) transmitted through the first material and absorbed by the second material. This absorbed energy converts to heat and melts the lower polymer at the interface with the upper laser-transmissive part. The melt as soon as she. cools, then connects both joining partners together.
  • the wavelength of the laser light used may usually be 808, 940 and 1064 nm.
  • the quality of the weld and the speed of the laser welding process depends u. a. the degree and concentration of the fillers used in the upper laser-permeable as well as in the lower laser-impermeable joining partner.
  • each joining partner has to fulfill opposing properties (laser transparency and laser absorption), which can only be achieved with different, coloring, material combinations.
  • Glass fibers generate high laser reflection.
  • the laser transparency is severely impaired.
  • this reflection reduces the laser power required for the melting process of the absorbing partner. It therefore requires not only a maximum layer thickness of the plastic article, but also the special skills of the user in laser welding to despite high contents of glass fibers (from 15 to 30 wt.%) To offer an economically and technically satisfactory solution.
  • the particle size and the physico-chemical properties of these fillers make the scattering of the laser light so high that rapid and selective conversion of light into heat along the weld seam can not be achieved.
  • the light energy is scattered and not effectively converted into heat at the interface of the joining partners.
  • the relatively high, yet necessary concentration of fillers scatters the laser light very strongly or is impermeable to them. As a result, the laser energy is attenuated and the second laser-absorbing partner does not melt or insufficient.
  • the final product (a dyed plastic product) is thus not permeable enough for a laser beam of a wavelength higher than 800 nm.
  • reinforced plastic product to scatter little light and selectively transmit the laser light of wavelengths higher than 800 nm, even with dark hiding colors.
  • the plastic product should have approximately the same mechanical strengths as in the application of conventional fillers, such as. As talc, without loss of NIR permeability or impairment of laser transmission welding.
  • Initial state in many applications are two plastic parts that are to be welded together. Both parts are usually made from the same starting materials. If two parts made of the same starting materials are laser-welded together, the problem is less with the laser-absorbing joining partner, z. As a dyed with carbon black and talc filled part, but often with the first overlying, possibly dark colored, filled with talc plastic part, which, however, has no laser transparency. This problem does not only occur with dark colored plastics.
  • titanium dioxide has the disadvantage of greatly scattering the incident laser light during laser beam welding due to its high light refraction. This state allows a general application of titanium dioxide neither as a NIR laser transparent nor as a laser-absorbing joining partner. If, therefore, it is intended to weld two white plastic products to be colored together by means of an NIR laser beam, then titanium dioxide in the usual concentrations must not be used simultaneously in both materials as whitening agent.
  • Other commercially available, known and exotic whiteners, such as zinc sulfide, barium sulfate, barium titanate, zinc oxide and zirconium oxide, are suitable and should therefore be considered in more detail.
  • Barium sulphate behaves slightly better than titanium dioxide in terms of NIR laser transparency, but due to the high dosages required, it is susceptible to laser beamwelding, as soon as it is desired to use it to mechanically strengthen the plastic part.
  • zinc sulphide exhibits NIR-transparent properties in conjunction with an opaque white coloration as a function of the loading concentration.
  • the connection between the loading concentration used, the degree of whiteness achieved and the required NIR laser transparency appears problematic.
  • Barium titanate is due to its physical and chemical properties as. laser-absorbing partner at relatively high loading concentrations between 0.1 and 5 wt.% Well suited. You can achieve a very good whiteness. However, the raw material costs and the additions make this solution economically uninteresting.
  • whitening agents in the form of nanoparticles can be used to achieve both opaque white coloration and transparency in the visible (VIS) and NIR ranges.
  • These include in particular zinc oxide and zirconium oxide.
  • nano-zinc oxide Due to its chemical and physical properties, nano-zinc oxide is already used as a UV absorber with high transparency in the visible (VIS) range alone or in combination with organic light stabilizers in thin food packaging films. It has a high permeability in the visible and NIR range. Nano-zirconia is approximately 10 times more expensive than nano-zinc oxide, but has excellent NIR-transparent properties.
  • Carbonnanotubes Graphitrschreibchen
  • CNT Carbonnanotubes
  • Mingwei Li "Transmission Welding of Carbon Nanocomposites with Direct-Diode and Nd: YAG Solid State Lasers” (2005) black coloring, without regard to laser properties, would be associated with too high a cost.
  • fillers in the form of nanoparticles show a chemical incompatibility with the carrier material, sometimes with the help of Compatibility mediator can be reduced. This often occurring incompatibility between filler and polymer is the cause of the poor dispersion in the carrier material and is later blamed for the missing effects and for the partly high and unnecessary use concentrations.
  • the object of the invention is to provide a new way of producing a plastic product, which makes it possible to produce a plastic with high NIR transparency with comparable mechanical parameters as in plastics with conventional fillers by known extruder or injection molding.
  • the reinforced plastic product should be NIR-permeable, even if visually dark opaque colors are used according to human standards.
  • VIS Visible
  • NIR near infrared
  • organically modified natural or synthetic clay minerals also known as nanosheet silicates or nanoclays
  • the so-called organically modified nanoclays (hereinafter also abbreviated to OMN), in nanoscale dispersed form in the final product, the suitable property profile to simultaneously solve the two opposite aspects of the task.
  • OMN organically modified nanoclays
  • Nanocor USA
  • Südchemie DE
  • Elementis USA
  • Southern Clay USA
  • These materials are used specifically for the positive - but sometimes also contrary - change of many properties: mechanical properties (strength, impact resistance, stiffness), thermal properties (heat resistance), prevention of dripping behavior during burning (flame retardant) in film and injection molding applications, gas barrier - Property for food film and injection molding applications, abrasion and scratch resistance, UV absorber in films and as a plant-active antibacterial additive.
  • thermoplastics as laser-transparent aggregate using a laser beam especially the wavelengths 808 nm, 940 nm or 1064 nm.
  • the OMN consist of an organic and an inorganic component.
  • the organic content varies in type and concentration among the different OMNs.
  • the ratio between organic and inorganic content may be 20:80, 30:70, 40:60 or 50:50, depending on the manufacturer. These ratios are not to be understood stoichiometrically or quantitatively exactly. It is intended to convey only a picture of how both organic and inorganic parts in the OMN can be related to each other.
  • the prior art gives, inter alia: primary, quaternary alkylammonium and Phosphonium ions, aminocarboxylic acids, oxylated and nonoxylated long-chain alkylamines, siloxanes or tallow-based amines.
  • the inorganic fraction often has as its base either a natural or a synthetic layered mineral from the family of mica, bentonite, saponite, kenyaite, sepiolite, lucenite, montmorillonite, nontronite, beidellite, volkonskoite, laponite, hectorite, sauconite, magadite, stevensite and vermiculite.
  • nanodayers belong to the family of smectites, especially bentonites and montmorillonites.
  • the precursor as a masterbatch or compound results in better dispersing effects of the nanosheets than the direct addition of the nanodayers into the plastic in order to subsequently produce the end product (film, article etc). This necessary procedure is also similar to previous observations in the dispersion and processing of carbon nanotubes (CNTs) in thermoplastics.
  • CNTs carbon nanotubes
  • a montmorillonite in the form of a powder which has undergone preliminary organic surface modification for example the product Nanomer I 44 PA from Nanocor USA
  • Maleic anhydride grafted PP (usually containing 1.5% maleic anhydride). Graft content) as a compatibilizer and 40% of a common PP as the last component.
  • This mixture is processed by extrusion in a conventional twin-screw extruder at the usual PP processing temperatures, the melt is cooled immediately after emerging as a strand through a water bath and the granules obtained by cutting the cooled melt strand in a granulator.
  • Lenticular or spherical granules instead of cylindrical granules, can be obtained by the application of underwater granulation.
  • a horizontally oscillating co-kneader can also be used.
  • this first masterbatch MB1 is added to 80% of a customary PP for injection molding applications, producing normalized tensile specimens which can be used to determine mechanical characteristics.
  • UV-VIS transmission spectra were measured using a conventional UV spectrophotometer in transmission mode to quantify the NIR laser transmission.
  • Fig. 2 shows the changes in transmission behavior when 1 (A) and 10 wt% (B) of the montmorillonite nanoclay were incorporated in the PP. It is very easy to observe the high values (> 70%) for the transmission above 800 nm (in the NIR range), even if the concentration of filler has been increased tenfold.
  • PB 29 blue
  • PY150 yellow
  • PV23 violet
  • the Masterbatch MB2 is supposed to bring only the black color and a high laser transparency, but does not contribute to the mechanical reinforcement of the final product.
  • This masterbatch MB2 must therefore contain neither carbon black, nor titanium dioxide, nor barium sulfate, since otherwise the NIR transparency would be lost.
  • Figure 3 shows the big difference between black colored parts containing 8% nanoclays (G) and 20% barium sulfate (H) in PP.
  • the parts with 8% Nanoclays had better mechanical properties than those with barium sulfate.
  • thermoplastic plastic parts The following mechanical property values were measured on standardized tensile test specimens in accordance with customary DIN regulations for the determination of mechanical parameters on thermoplastic plastic parts:
  • plastic part 1 is the laser-transparent joining partner
  • plastic part 2 should be the laser-absorbing joining partner
  • Plastic part 1 contains as filler for the mechanical reinforcement 8% of organically modified nanoclays (eg Nanomer I 44 PA Fa. Nanocor) and - if necessary - 2% of a black, NIR-transparent masterbatch MB2 for coloring the plastic part 1.
  • Joining partner 2 contains carbon black for blackening and as a laser-absorbing additive (with a maximum of 1%) and, if necessary, 20% talcum for mechanical reinforcement.
  • Plastic part 1 is placed on plastic part 2. Through the plastic part 1 through a laser beam of 808 nm or 940 nm wavelength is directed to the interface of both plastic parts.
  • the laser power is limited to a maximum of 100 W, the
  • Weld seam (the seam should withstand high mechanical loads) is an indication of a successful welding process.
  • Tensile testing machine leads only to breakage of high tensile forces (30 N / mm 2 ) both plastic parts * 1 or 2, but not to break along the interconnecting weld.
  • NIR laser transparent nanoclays to name the mechanical reinforcement of thermoplastic products, which can be on the finished plastic product (a mechanically reinforced and NIR-transparent plastic part 1) even a modern laser-based joining method, such as laser transmission welding, apply.
  • the solution shown here offers the user the opportunity to color the final plastic products according to the respective requirement.
  • a limitation is that such colorants that adversely affect the NIR laser transparency and the incidence of the laser beam must not be used.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Kunststofferzeugnissen, wobei sich diese durch verbesserte mechanische Kennwerte auszeichnen und für das Laserdurchstrahlschweißen geeignet sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung eines Kunststofferzeugnisses anzugeben, die es gestattet, mit bekannten Extruder- oder Spritzgussverfahren einen Kunststoff mit hoher NIR-Transparenz bei vergleichbaren mechanischen Parametern wie bei Kunststoffen mit herkömmlichen Füllstoffen herzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung von Kunststofferzeugnissen, die mindestens einen nanoskalig dispergierten Füllstoff enthalten, wobei der Füllstoff aus einem oder mehreren organisch modifizierten natürlichen oder synthetischen Tonmineral (Nanoclay, Nanoschichtsilicat) besteht.

Description

Mechanisch verstärktes thermoplastisches Kunststofferzeugnis für laserbasierte Fügeverfahren
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Kunststofferzeugnissen, wobei sich diese durch verbesserte mechanische Kennwerte auszeichnen und für das Laserdurchstrahlschweißen geeignet sind.
Kunststofferzeugnisse werden häufig in verschiedenen Farbvarianten in der Regel aus PP, PA, PC, ABS, POM oder dazugehörigen Kunststoffblends hergestellt. Die technisch am häufigsten vorkommenden Grundfarben sind jedoch schwarz und grau in vielen Facetten und Nuancen.
Von allen diesen genannten thermoplastischen Kunststoffen sind jedoch Polypropylen (PP) und Polyamid (PA) diejenigen, die am häufigsten durch die Zugabe von anorganischen Füllstoffen mechanisch verstärkt werden müssen. Die Notwendigkeit ergibt sich daraus, dass diese Trägerpolymere zum einen preiswert sind, zum anderen durch die Zugabe dieser Füllstoffe zu besseren mechanischen Eigenschaften leicht modifiziert werden können.
Eine Reihe von Füllstoffen stehen deshalb dem Anwender zu diesem Zweck zur Verfügung: Aramid- und Carbonfasern, Graphite, Carbonnanotubes (CNT), Ruß, Talkum, Kaoline, Kreide, Bariumsulfat, Titandioxid, Glasfaser und Glaskugel, Wollastonite, Magnesiumcarbonat, Glimmer, Silica, Holzmehl, vernetzte Polymere, u.v.a. m.
Die Zugabekonzentration der jeweiligen Füllstoffe richtet sich, nach ökonomischen Gesichtspunkten, i. d. R. nach den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Füllstoffes selbst, den gewünschten mechanischen Eigenschaften des Endproduktes sowie nach dem Grad der homogenen Dispergierung in den Zielkunststoff. Aus den unterschiedlichen Typen von Füllstoffen ergibt sich zwangsläufig eine unterschiedliche Farbgebung am Endprodukt, abhängig davon, ob man z. B. Ruß (schwarz), Kreide (weiß) oder Talkum (grau) oder Glasfaser (farblos) verwendet.
Am häufigsten stellt sich in der Industrie die Frage, wie man zwei bevorzugt dunkel eingefärbte Kunststofferzeugnisse miteinander, dauerhaft und stabil verbinden kann, ohne jedoch auf die Verwendung von Füllstoffen zur mechanischen Verstärkung zu verzichten.
Zu diesem Zweck gibt der Stand der Technik zahlreiche Methoden, wie Kleben, Warmnieten und verschiedenste Schweißverfahren (z. B. Hochfrequenz- und Mikrowellen-Schweißen, Ultraschallschweißen, Plasma-(Heißgas)-Schweißen, Induktionsschweißen, IR-Schweißen, Spiegelschweißen, Rotationsschweißen, Vibrationsschweißen und Laserdurchstrahlschweißen) an. Für bestimmte Anwendungen hat sich das Laserdurchstrahlschweißen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Beim Laserdurchstrahlschweißen von zwei miteinander in Kontakt stehenden Partnern wird (oder soll) der Laser durch das erste Material durchgelassen und durch das zweite Material absorbiert (werden). Diese absorbierte Energie wandelt sich in Wärme um, und schmilzt das untere Polymer an der Grenzfläche zum oberen laserdurchlässigen Teil. Die Schmelze, sobald sie. abkühlt, verbindet dann beide Fügepartner miteinander. Die Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes kann üblicherweise 808, 940 und 1064 nm betragen.
Die Güte der Schweißnaht und die Schnelligkeit des Laserschweißverfahrens hängt u. a. vom Grad und der Konzentration der verwendeten Füllstoffe im oberen laserdurchlässigen als auch im unteren laserundurchlässigen Fügepartner ab.
Mehr Füllstoff im fertigen Kunststoffteil bringt oft bessere mechanische Eigenschaften mit sich, jedoch auf Kosten der Laserschweißanwendbarkeit und -prozesssicherheit. Generell weisen viele Füllstoffe eine große Diskrepanz zwischen benötigter Beladungskonzentration für die geforderten mechanischen Eigenschaften (i. d. R. 5- 30 Gew.%) und einer unzureichenden Transmission im VIS- und NIR-Bereich auf, um als transparenter Fügepartner für ein laserbasiertes Fügeverfahren wie Laserdurchstrahlschweißen zu agieren. Allgemein bekannt ist die Verwendung von Glasfasern zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften. Zwar ist das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoff teilen, die Glasfasern enthalten, als Stand der Technik allgemein bekannt, jedoch kann es unter Umständen sehr schwer sein, zwei Kunststoffteile, die Glasfasern zwischen 15 bis 30 Gew% enthalten und möglicherweise gleich gefärbt sind, durch einen Laserstrahl miteinander zu verschweißen.
Dies hängt damit zusammen, dass jeder Fügepartner für sich gegensätzliche Eigenschaften (Laser-Transparenz und Laser-Absorption) erfüllen muss, die nur durch verschiedene, farbgebende, Materialkombinationen erreicht werden können.
Glasfasern erzeugen eine hohe Laser-Reflexion. Die Lasertransparenz wird zum einen stark beeinträchtigt. Zum anderen mindert diese Reflexion die Laserleistung, die für den Schmelzvorgang des absorbierenden Partners benötigt wird. Es bedarf deshalb nicht nur einer maximalen Schichtdicke des Kunststoffartikels, sondern auch der speziellen Fertigkeiten des Anwenders beim Laserschweißen, um trotz hoher Gehalte an Glasfasern (von 15 bis 30 Gew.%), eine wirtschaftlich und technisch zufriedenstellende Lösung anzubieten.
Des Weiteren ist durch die Partikelgröße und die physikalisch-chemischen Eigenschaften dieser Füllstoffe die Streuung des Laserlichtes so hoch, dass eine schnelle und punktuelle Umwandlung von Licht in Wärme entlang der Schweißnaht nicht erreicht werden kann. Die Lichtenergie wird gestreut und nicht effektiv genug an der Grenzfläche der Fügepartner in Wärme umgewandelt.
Die speziellen Eigenschaften des neuen Kunststofferzeugnisses sollen folgende Probleme des Standes der Technik beheben:
1. Problem: Die relativ hohe, und dennoch notwendige Konzentration an Füllstoffen streut das Laserlicht sehr stark bzw. ist für sie undurchlässig. Dadurch wird die Laserenergie abgeschwächt und der zweite laserabsorbierende Partner schmilzt nicht oder unzureichend. Das Endprodukt (ein eingefärbtes Kunststofferzeugnis) ist dadurch für einen Laserstrahl einer Wellenlänge höher als 800 nm nicht durchlässig genug. Dagegen soll das gemäß dieser Erfindung verstärkte Kunststofferzeugnis wenig Licht streuen und gezielt das Laserlicht von Wellenlängen höher als 800 nm durchlassen, selbst bei dunkel deckenden Farben. 2. Problem: Das Kunststofferzeugnis sollte annähernd die gleichen mechanischen Festigkeiten aufweisen wie bei der Anwendung üblicher Füllstoffe, wie z. B. Talkum, ohne Verluste der NIR-Durchlässigkeit oder Beeinträchtigung des Laserdurchstrahlschweißens.
Ausgangszustand in vielen Anwendungsbereichen sind zwei Kunststoffteile, die miteinander verschweißt werden sollen. Beide Teile werden üblicherweise aus den gleichen Ausgangsstoffen hergestellt. Sollten zwei aus gleichen Ausgangsstoffen hergestellte Teile miteinander laserverschweißt werden, besteht das Problem weniger beim laserabsorbierenden Fügepartner, z. B. einem mit Ruß eingefärbten und Talkum gefüllten Teil, sondern oft mit dem ersten darüber liegenden, möglicherweise auch dunkel eingefärbten, auch mit Talkum gefüllten Kunststoffteil, das jedoch keinerlei Lasertransparenz aufweist. Diese Problematik tritt nicht nur bei dunkel eingefärbten Kunststoffen auf.
Während bei schwarzen Kunststoffteilen (mit Ruß eingefärbt) zumindest die Laserabsorption problemlos erreicht werden kann, sind zum Beispiel bei weiß einzufärbenden Teilen weder die Laserabsorption noch die Lasertransparenz ohne weiteres erreichbar.
Die Farbe Weiß in der Kunststoffindustrie wird am häufigsten und preiswertesten durch Zugabe von Titandioxid erzeugt. Man benötigt relativ geringe Einsatzkonzentrationen im Endprodukt, um entweder weiß deckend einzufärben oder eine Basisfarbe für andere helle und graue Farbtöne zu erzielen. Jedoch hat Titandioxid den Nachteil, auf Grund seiner hohen Lichtrefraktion das einfallende Laserlicht beim Laserstrahlschweißen stark zu streuen. Dieser Zustand erlaubt eine generelle Anwendung von Titandioxid weder als NIR-Iasertransparenten noch als laserabsorbierenden Fügepartner. Beabsichtigt man also, zwei weiß einzufärbende Kunststofferzeugnisse durch einen NIR- Laserstrahl miteinander zu verschweißen, so darf vorher nicht Titandioxid in den sonst üblichen Konzentrationen gleichzeitig in beiden Materialien als Weißmittel verwendet werden. Andere kommerziell verfügbare, bekannte und exotische Weißmittel, wie Zinksulfid, Bariumsulfat, Bariumtitanat, Zinkoxid und Zirkoniumoxid kommen in Frage und sind deshalb näher zu betrachten.
Bariumsulfat verhält sich geringfügig besser als Titandioxid im Bezug auf eine NIR- Lasertransparenz, jedoch scheidet es auf Grund der hohen benötigten Zugabedosierungen für eine Anwendung im Bereich Laserdurchstrahlschweißen aus, sobald man es auch zur mechanischen Verstärkung des Kunststoffteils verwenden möchte.
Zinksulfid zeigt gleichzeitig NIR-transparente Eigenschaften in Verbindung mit einer deckend weißen Einfärbung in Abhängigkeit der Beladungskonzentration. Problematisch erscheint auch hier der Zusammenhang zwischen verwendeter Beladungskonzentration, erzieltem Weißgrad und benötigter NIR-Lasertransparenz.
Bariumtitanat ist auf Grund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften als. laserabsorbierender Partner bei relativ hohen Beladungskonzentrationen zwischen 0,1 und 5 Gew. % gut geeignet. Man kann dabei einen sehr guten Weißgrad erreichen. Die Rohstoffkosten und die Zugabedosierungen machen diese Lösung jedoch ökonomisch uninteressant.
Neuerdings können einige der vorher genannten Weißmittel in Form von Nanopartikeln verwendet werden, um sowohl eine deckend weiße Einfärbung als auch eine Transparenz im sichtbaren (VIS) und NIR-Bereich zu erreichen. Dazu zählen insbesondere Zinkoxid und Zirkoniumoxid.
Nano-Zinkoxid wird bereits auf Grund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften als UV-Absorber mit hoher Transparenz im sichtbaren (VIS)-Bereich allein oder in Verbindung mit organischen Lichtschutzmitteln in dünnen Lebensmittelverpackungsfolien verwendet. Es weist eine hohe Durchlässigkeit im sichtbaren und NIR-Bereich auf. Nano-Zirkoniumoxid ist annähernd 10-fach teurer als Nano-Zinkoxid, hat aber hervorragende NIR-transparente Eigenschaften.
Eigene Versuche haben jedoch gezeigt, dass man in Abhängigkeit der Schichtdicke zum Teil eine hohe Menge an Nanofüllstoff benötigt, um eine deckend weiße Einfärbung zu erzielen. Diese hohe Beladung kann eine unzureichende NIR-Lasertransparenz mit sich bringen.
Die hohe Beladungskonzentration zusammen mit den aktuell hohen Rohstoffpreisen für diese Nano-Mineralien verursachen eine derartige Erhöhung der Material- und Herstellungskosten, wodurch letztendlich die Lösung des Laserschweißens von weißen Materialien zwar technisch gelingt, aber nicht kommerziell verwertet werden kann.
Die Zugabe von Ruß ist zur Erreichung einer dunklen Einfärbung Stand der Technik, aber gleichzeitig die notwendige NIR-Transparenz zu erreichen, ist schwer. Rußgefüllte Kunststoff -Teile werden in der Regel ausschließlich als laserabsorbierender Fügepartner verwendet.
Alternativ bieten sich neuerdings sogenannte Carbonnanotubes (CNT, Graphitröhrchen) an. Sie kommen erwartungsgemäß als NIR-Iaserabsorbierender Partner beim Laserdurchstrahlschweißen in Frage. Genauere Untersuchungen sind von Larry Dosser, Ken Hix, Kevin Hartke, Rieh Vaia und Mingwei Li: „Transmission Welding of Carbon Nanocomposites with Direct-Diode and Nd:YAG Solid State Lasers" (2005) beschrieben. Der Einsatz von Nanotubes zum Erreichen einer reinen schwarzen Einfärbung, ohne Rücksicht auf Lasereigenschaften, wäre jedoch mit zu hohen Kosten verbunden.
Selbst wenn man annimmt, dass die vorgenannten Nanofüllstoffe generell zur Lösung der gestellten Aufgabe führen würden, so sind diese Materialien in Form von Nanopartikeln entweder aktuell nicht verfügbar, deren Verarbeitung und Dispergierung im Endprodukt zu schwierig oder aufwendig und letztendlich zu teuer (Faktor 10x, 100x oder 100Ox), um ernsthaft als Alternative gelten zu können.
Einige dieser Füllstoffe in Form von Nanopartikeln zeigen eine chemische Unverträglichkeit mit dem Trägermaterial, die manchmal mit Hilfe von Verträglichkeitsvermittler reduziert werden kann. Diese oft auftretende Unverträglichkeit zwischen Füllstoff und Polymer ist Ursache für die schlechte Dispergierung im Trägermaterial und wird später für die fehlenden Effekte und für die zum Teil hohen und unnötigen Einsatzkonzentrationen verantwortlich gemacht.
Zusammenfassend kann man sagen, dass viele der seit Jahrzehnten angewandten Standard-Füllstoffe (z. B. Ruß und Titandioxid) sowohl zur Erhaltung der natürlichen NIR- Durchlässigkeit des Kunststoffes zur Anwendung laserbasierter Fügeverfahren, wie das Laserdurchstrahlschweißen, als auch zur mechanischen Verstärkung nicht verwendet werden können.
Eine bessere Lösung der Problematik der Farbgebung speziell von dunklen Tönen (schwarz, grau) bei einer guten NIR-Durchlässigkeit in Verbindung mit verbesserten mechanischen Kennwerten wird daher von der Industrie dringend gebraucht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung eines Kunststofferzeugnisses anzugeben, die es gestattet, mit bekannten Extruder- oder Spritzgussverfahren einen Kunststoff mit hoher NIR-Transparenz bei vergleichbaren mechanischen Parametern wie bei Kunststoffen mit herkömmlichen Füllstoffen herzustellen. Das verstärkte Kunststofferzeugnis soll NIR-durchlässig sein, auch wenn nach menschlichen Augenmaßstäben visuell dunkel deckende Farben eingesetzt werden.
Lösung der Aufgabe
Standardfüllstoffe wie Talkum, Kreide und Bariumsulfat würden bei üblichen Konzentrationen zwar das Enderzeugnis sehr gut mechanisch verstärken, aber die
Durchlässigkeit im sichtbaren (VIS) und nahen Infrarot (NIR) Bereich sowie die guten lasertransparenten Eigenschaften würden verloren gehen. Fig. 1 zeigt anschaulich, was damit gemeint ist.
Die maximal erreichbare NIR-Transmission von PP-Spritzgussteilen, die Kreide (E), Bariumsulfat (D) und Talkum (F) in den üblichen Zugabedosierungen von 10 und
20 Gew %, enthalten, betrug nicht mehr als 40%. Letztendlich zeigte nur Bariumsulfat von allen drei Varianten bessere Transmissionswerte als Talkum und wurde nur deshalb als Referenz herangezogen.
Andere Füllstoffe kommen wegen der hohen Laserlichtstreuung, der hohen Laserundurchlässigkeit, der hohen Einsatzkonzentrationen oder schlichtweg der hohen Kosten nicht in Frage,
Überraschenderweise zeigten organisch modifizierte natürliche oder synthetische Tonminerale (auch bekannt als Nanoschichtsilicate oder Nanoclays) aus der Gruppe der Saponite, Kenyaite, Sepiolite, Bentonite, Lucenite, Montmorillonite, Nontronite, Beidellite, Volkonskoite, Laponite, Hectorite, Sauconite, Magadite, Stevensite und Vermiculite in Form von Nanopartikeln, die so genannten organisch modifizierten Nanoclays (nachfolgend ab sofort auch mit OMN abgekürzt), in nanoskalig dispergierter Form im Endprodukt, das geeignete Eigenschaftsprofil, um gleichzeitig die zwei gegensätzlichen Teilaspekte der Aufgabe zu lösen. Zum einen wird eine gute mechanisch verstärkende Wirkung und zum anderen wird gleichzeitig eine hohe Durchlässigkeit im sichtbaren aber auch im NIR-Bereich erreicht.
Mittlerweile zeigt ein Einsatz der Nanoclays durch die Massenherstellung, weltweite Verfügbarkeit, moderaten Preise und die am Ende benötigten Konzentrationen erhebliche Vorteile gegenüber anderen Füllstoffen, selbst wenn diese auch in Nanopartikelform vorliegen würden.
Speziell die Produkte der Firmen Nanocor (USA), Südchemie (DE), Elementis (USA) und Southern Clay (USA) sind allgemein verfügbar und werden zur Lösung vieler technischen Fragestellungen erfolgreich angewandt. Diese Materialien werden gezielt für die positive - zum Teil aber auch gegenläufige - Veränderung vieler Eigenschaften eingesetzt: mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Schlagzähigkeit, Steifigkeit), thermische Eigenschaften (Wärmeformbeständigkeit), Unterbindung des Tropfverhaltens beim Abbrennen (Flammschutz) in Folien- und Spritzgussanwendungen, Gasbarriere- Eigenschaft für Lebensmittelfolien- und Spritzgussanwendungen, Abrieb- und Kratzfestigkeiten, UV-Absorber- in Folien sowie als pflanzenaktives antibakterielles Additiv. Zu einer optimalen Verarbeitung der Nanoclays im Kunststoff gibt der Stand der Technik an:
Auswahl des Nanoclays, Herstellungs- und Verarbeitungsparameter für Masterbatch oder Compound und nicht zuletzt die richtige Anwendung, wozu der beste Effekt erreicht werden kann.
Interessant an diesen Materialien ist, dass selbst bei hohen Beladungskonzentrationen keine Lichtrefraktionserscheinungen, wie bei üblichen Füllstoffen, zu verzeichnen sind. Diese besondere Eigenschaft erlaubt die Anwendung von Nanoclays in thermoplastischen Kunststoffen als lasertransparenten Zuschlagstoff unter Anwendung eines Laserstrahls speziell der Wellenlängen 808 nm, 940 nm oder 1064 nm .
Wichtig für die Charakterisierung der Nanoclays im Kunststoff ist es, inwieweit die einzelnen Schichten im Endprodukt voneinander abgetrennt und dispergiert werden. Diese Vorgänge sind in der Fachliteratur auch unter den Namen Interkalierung und Exfolierung bekannt. Erst eine gute Interkalierung und Exfolierung ermöglichen das Entfalten der gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Nanoclays. Der Schichtabstand, der üblicherweise in Ängström (Ä) angegeben wird, ist ein Maß für die Güte der Dispergierung. Übliche Schichtabstände können 10 Ä = 1 nm (bei unmodifizierten Clays) bis 40 Ä (bei exfolierten Clays) betragen.
Um die Physik der OMN zu verstehen, muss man deren Chemie kennen. Die OMN bestehen aus einem organischen und einem anorganischen Anteil. Der organische Anteil variiert in Typ und Konzentration bei den verschiedenen OMN. Das Verhältnis zwischen organischem und anorganischem Anteil kann herstellerbedingt 20:80, 30:70 , 40:60 oder 50:50 betragen. Diese Verhältnisse sind nicht stöchiometrisch oder quantitativ genau zu verstehen. Es soll nur ein Bild vermitteln, wie beide organischen und anorganischen Anteile im OMN miteinander zusammenhängen können. Als Beispiel für den chemischen Ursprung solcher organischen Vormodifikatoren gibt der Stand der Technik u. v. a. an: primäre, quaternäre Alkylammonium- und Phosphoniumione, Aminocarbonsäuren, oxylierte und nichtoxylierte langkettige Alkylamine, Siloxane oder Talg-basierte Amine.
Der anorganische Anteil hat oft als Basis entweder ein natürliches oder ein synthetisches Schichtmineral aus der Familie der Glimmer, Bentonite, Saponite, Kenyaite, Sepiolite, Lucenite, Montmorillonite, Nontronite, Beidellite, Volkonskoite, Laponite, Hectorite, Sauconite, Magadite, Stevensite und Vermiculite.
Die am häufigsten verwendeten und kommerziell verfügbaren Nanodays gehören der Familie der Smectite, speziell der Bentonite und der Montmorillonite an.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Beispiele beschreiben den Gesamtprozess und die vorteilhaftesten Materialien, um den Lösungsweg am Beispiel von Polypropylen nachvollziehbar zeigen zu können.
Man unterscheidet zwischen einer a) Zugabe der OMN in den Kunststoff „in situ" bei der Polymerisationsreaktion oder in ein fertiges Kunststoffgranulat oder b) stufenweisen Bereitstellung der OMN in Form eines Masterbatches oder Compounds vor der eigentlichen Produktion der finalen Kunststofferzeugnisse.
Die Vorstufe als Masterbatch oder Compound hat bessere Dispergiereffekte der Nanoschichten zur Folge, als die direkte Zugabe der Nanodays in den Kunststoff, um anschließend das Endprodukt (Folie, Artikel etc) zu produzieren. Diese notwendige Prozedur ähnelt auch früheren Beobachtungen bei der Dispergierung und Verarbeitung von Carbonnanotubes (CNT) in thermoplastischen Kunststoffen.
Zur Herstellung eines ersten Masterbatches (MB1 ) verwendet man deshalb 40% eines herstellerseitig vorab organisch oberflächenmodifizierten Montmorillonite in Pulverform (z. B. das Produkt Nanomer I 44 PA der Firma Nanocor USA), 20% eines mit
Maleinsäureanhydrid gepfropften PP (mit üblicherweise 1 ,5% Maleinsäureanhydrid- Pfropfgehalt) als Verträglichkeitsvermittler und 40% eines üblichen PP als letzte Komponente.
Diese Mischung wird durch Extrusion in einem üblichen Doppelschneckenextruder bei den PP-üblichen Verarbeitungstemperaturen verarbeitet, die Schmelze wird direkt nach Austritt als Strang durch ein Wasserbad abgekühlt und das Granulat durch Zerschneiden des abgekühlten Schmelzstranges in einem Granulator erhalten. Linsen- oder Kugelgranulat, statt Zylindergranulat, können durch die Anwendung einer Unterwassergranulierung erhalten werden. Statt eines Doppelschneckenextruders kann auch ein horizontal oszillierender Co-Kneter verwendet werden.
Anschließend gibt man 20 Gew. % dieses ersten Masterbatches MB1 in 80% eines üblichen PP für Spritzgussanwendungen und produziert daraus normierte Zugprüfkörper, die man zur Bestimmung mechanischer Kennwerte verwenden kann. Die Einsatzkonzentration an Nanoclays im finalen Kunststofferzeugnis für einen NIR-Laser- basierten Fügeprozess, wie das Laserdurchstrahlschweißen, betrug demzufolge 8 Gew %.
Man hat an diesen spritzgegossenen Teilen die UV-VIS-Transmissionsspektren mit Hilfe eines üblichen UV-Spektralphotometers im Transmissionsmodus gemessen, um die NIR- Lasertransmission zu quantifizieren.
Fig. 2 zeigt die Änderungen im Transmissionsverhalten, wenn man 1 (A) und 10 Gew.% (B) des Montmorillonite-Nanoclay im PP eingearbeitet hat. Man kann sehr gut die hohen Werte (> 70 %) für die Transmission über 800 nm (im NIR-Bereich) beobachten, selbst wenn man die Konzentration an Füllstoff um das Zehnfache erhöht hat.
Um die Auswirkungen von Farben zu untersuchen, wurden 2 Gew. % eines zweiten Masterbatches MB2 auf gleicher PP-Basis dazu gegeben, das auf Grund der entsprechenden Pigmentkombination und Dosierung sowohl über eine ausreichende NIR-Transmission über 800 nm verfügen muss als auch gleichzeitig das Endprodukt schwarz einfärbt.
Diese Art von speziellen Masterbatches ist Stand der Technik. Die Masterbatches können kommerziell in beliebiger Menge von vielen Masterbatch-Herstellern bezogen werden.
Zur Eigenherstellung dieses Masterbatches MB2 kann - neben dem Trägermaterial PP und den üblichen Dispergierhilfsmitteln - eine Mischung aus blau (PB 29), gelb (PY150) und violett (PV23) verwendet werden, wobei jedes Pigment mit 10 Gew. % im Masterbatch MB2 gemischt wird.
Das Masterbatch MB2 soll nur die schwarze Farbe und eine hohe Lasertransparenz mitbringen, aber nicht zur mechanischen Verstärkung des Endproduktes beitragen. Dieses Masterbatch MB2 darf deshalb weder Ruß, noch Titandioxid, noch Bariumsulfat enthalten, da ansonsten die NIR-Transparenz verlorengehen würde.
Wenn es um die Höhe der Lasertransmission über 800 nm geht, zeigt Fig. 3 den großen Unterschied zwischen schwarz eingefärbten Teilen, die 8% Nanoclays (G) und 20% Bariumsulfat (H) in PP enthielten. Dabei wiesen die Teile mit 8% Nanoclays bessere mechanische Eigenschaften als solche mit Bariumsulfat auf.
Fig. 4 zeigt neben dem Spektrum des Original-PPs (K), das Spektrum eines Spritzgussplättchens (als finales Kunststofferzeugnis) mit 8 % Nanoclays (L) allein sowie die nahezu deckungsgleichen Spektren von schwarz eingefärbten, mit Nanoclays verstärkten (M) und unverstärkten (N) Plättchen. Darin wird nochmals deutlich, wie, trotz Einfärbung mit einem schwarzen Farbmasterbatch, die NIR-transparenten Eigenschaften des Kunststofferzeugnisses bei Anwendung der Nanoclays erhalten werden können.
Es wurde beobachtet, dass nicht alle Nanoclays das gleiche optische Spektralverhalten aufweisen. Illite sind nicht-expandierbare mehrschichtige Silicate auf Glimmer-Basis. Spritzgussteile aus Montmorillonit und aus Mit als chemischem Ursprung wurden bei gleichem Gehalt hergestellt und das UV-VIS-NIR-Spektrum gemessen. Dabei zeigten die Teile aus Montmorillonit (A) eine höhere Transmission als die Teile, die Illit-basierten Nanoclays (C) enthielten. Das wird in Fig. 5 verdeutlicht.
Bei der Anwendung verschiedener OMN, die sich in Art und Anteil organischer Bestandteile unterscheiden, wurde auch beobachtet, dass solche Produkte mit einem höheren Anteil an organischen Vormodifikatoren in Nanoclays tendenziell bessere mechanische Eigenschaften zeigten als solche, die niedrigere Anteile enthielten.
Dieses Verhalten wurde beobachtet, indem zwei verschiedene OMN (Anteil an organischem Vormodifikator 30% und 45%) bei unterschiedlichen Konzentrationen in PP (2,5 %, 5 % und 7,5 %) verarbeitet und die daraus hergestellten Prüfkörper mechanisch belastet wurden.
Es stellte sich heraus, dass das OMN mit 45% organischem Anteil eine höhere Festigkeit, Steifigkeit und eine bessere Schlagzähigkeit gezeigt hat als das OMN mit 30 % organischen Vormodifikator. Die Zunahme einiger mechanischen Kennwerte im Endprodukt geht auch mit der Zunahme der Konzentration an OMN einher, wobei jedoch durch die höheren Zugabedosierungen (von 2,5 bis 7,5 %) speziell die Schlagzähigkeit und das Dehnverhalten innerhalb einer Reihe nicht gravierend beeinflusst wurden. Gegenüber dem originalen und unverstärkten PP wurde sogar keine wesentliche Veränderung der Kerbschlagzähigkeit festgestellt.
An normierten Zugprüfkörpern wurden folgende mechanische Eigenschaftswerte nach üblichen DIN-Vorschriften zur Bestimmung mechanischer Kennwerte an thermoplastischen Kunststoffteile gemessen:
Figure imgf000014_0001
Nachdem die neue Materialkombination mit 8% OMN den Vergleich mit 20% Talkum aus Sicht der mechanischen Eigenschaften standgehalten hat, und die UV-VIS-NIR- Transmissionsspektren eine bessere NIR-Durchlässigkeit von > 40 % aufweisen (siehe Fig. 1 bis 5), geht es im Laserdurchstrahlversuch darum zu prüfen, ob diese Materialkombination letztlich als lasertransparenter Fügepartner im Praxisversuch verwendet werden kann.
Zu diesem Zweck werden zwei planare Kunststoffteile 1 und 2 aus PP verwendet, von denen Kunststoffteil 1 der lasertransparente Fügepartner ist, und Kunststoffteil 2 der laserabsorbierende Fügepartner sein soll.
Kunststoffteil 1 enthält als Füllstoff zur mechanischen Verstärkung 8% des organisch modifizierten Nanoclays (z.B. Nanomer I 44 PA der Fa. Nanocor) und - bei Bedarf - 2% eines schwarzen, NIR-transparenten Masterbatches MB2 zur Einfärbung des Kunststoffteils 1. Fügepartner 2 enthält Ruß zur schwarzen Einfärbung und als laserabsorbierendes Additiv (mit maximal 1 % ) sowie bedarfsweise 20% Talkum zur mechanischen Verstärkung .
Kunststoffteil 1 wird auf Kunststoffteil 2 gelegt. Durch das Kunststoffteil 1 hindurch wird ein Laserstrahl von 808 nm oder 940 nm Wellenlänge auf die Grenzfläche beider Kunststoffteile gerichtet. Die Laserleistung wird auf maximal 100 W, die
Verfahrgeschwindigkeit bis maximal 10 mm/s, die Brennweite auf 100 mm im Fokus, die
Optik auf Punkt eingestellt.
Die Dauer dieses Schweißvorganges beträgt nicht mehr als fünf Sekunden. Anschließend wird das Ergebnis der beiden miteinander verschweißten Kunststoff teile begutachtet. Sowohl das Aussehen (die Naht soll keine Bläschen aufweisen) als auch die Qualität der
Schweißnaht (die Naht soll hohen mechanischen Belastungen standhalten) sind ein Indiz für einen erfolgreichen Schweißvorgang.
Im Ergebnis der Prüfung zeigt die Naht keine Bläschen und alle Versuche, die Verbindung zwischen beiden Kunststoffteilen 1 und 2 per Hand auseinander zu brechen, scheitern. Auch die kontinuierliche mechanische Belastung durch eine
Zugprüfmaschine führt erst bei hohen Zugkräften (30 N/mm2) zum Bruch eines der beiden Kunststoffteile *1 oder 2, jedoch nicht zum Bruch entlang der miteinander verbindenden Schweißnaht.
Als erfindungswesentlich ist hier der Einsatz von NIR-Iasertransparenten Nanoclays zur mechanischen Verstärkung von thermoplastischen Kunststoffprodukten zu benennen, wodurch man am fertigen Kunststofferzeugnis (ein mechanisch verstärktes und NIR- transparentes Kunststoffteil 1 ) überhaupt erst ein modernes laserbasiertes Fügeverfahren, wie das Laserdurchstrahlschweißen, anwenden kann.
Des Weiteren bietet die hier gezeigte Lösung dem Anwender die Möglichkeit, die finalen Kunststofferzeugnisse je nach jeweiliger Anforderung einzufärben. Eine Einschränkung ist dabei, dass solche Farbmittel, die die NIR-Lasertransparenz und den Einfall des Laserstrahls negativ beeinflussen, nicht verwendet werden dürfen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt ausdrücklich nicht, wenn man natürliche Tonmineralien (einfache Clays) gänzlich ohne organisch-chemische Vormodifizierung verwendet.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung von Kunststofferzeugnissen, die mindestens einen nanoskalig dispergierten Füllstoff enthalten, der aus einem oder mehreren organisch modifizierten natürlichen oder synthetischen Tonmineral (Nanoclay,
Nanoschichtsilicat) aus der Gruppe der
Saponite, Kenyaite, Sepiolite, Bentonite, Lucenite, Montmorillonite, Nontronite, Beidellite, Volkonskoite, Laponite, Hectorite, Sauconite, Magadite, Stevensite und Vermiculite besteht, sowohl als lasertransparentes Material im sichtbaren (VIS) und im nahen Infrarot-Bereich (NIR) für das Laserdurchstrahlschweißen als auch zur
Verbesserung mechanischer Kennwerte an den fertigen Endprodukten.
2. Kunststofferzeugnisse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der nanoskalig dispergierte Füllstoff im Kunststofferzeugnis in einem Konzentrationsbereich zwischen 0,5 und 10 Gew% enthalten ist.
3. Kunststofferzeugnisse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der nanoskalig dispergierte Füllstoff ein Montmorillonit-Nanoday ist.
4. Kunststofferzeugnisse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der nanoskalig dispergierte Füllstoff ein Bentonit-Nanoclay ist.
5. Kunststofferzeugnisse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Prozess des Laserdurchstrahlschweißens eingefärbt wird, unter Beibehaltung der NIR-Durchlässigkeit und der gewünschten mechanischen
Eigenschaften.
6. Verfahren zur Herstellung von Kunststofferzeugnissen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der vorstufigen granulatförmigen Masterbatches oder Compounds mit Hilfe eines horizontal oszillierenden Co-Kneters erfolgt.
7. Verfahren zur Herstellung von Kunststofferzeugnissen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der vorstufigen granulatförmigen Masterbatches oder Compounds mit Hilfe eines Doppelschneckenextruders erfolgt.
- Hierzu 3 Seiten Zeichnungen -
PCT/DE2008/001038 2007-06-22 2008-06-20 Mechanisch verstärktes thermoplastisches kunststofferzeugnis für laserbasierte fügeverfahren WO2009000252A2 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08784241A EP2160441A2 (de) 2007-06-22 2008-06-20 Mechanisch verstärktes thermoplastisches kunststofferzeugnis für laserbasierte fügeverfahren

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007029239A DE102007029239A1 (de) 2007-06-22 2007-06-22 Mechanisch verstärktes thermoplastisches Kunststofferzeugnis für laserbasierte Fügeverfahren
DE102007029239.4 2007-06-22

Publications (3)

Publication Number Publication Date
WO2009000252A2 true WO2009000252A2 (de) 2008-12-31
WO2009000252A3 WO2009000252A3 (de) 2009-02-19
WO2009000252A4 WO2009000252A4 (de) 2009-04-09

Family

ID=40010623

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2008/001038 WO2009000252A2 (de) 2007-06-22 2008-06-20 Mechanisch verstärktes thermoplastisches kunststofferzeugnis für laserbasierte fügeverfahren

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2160441A2 (de)
DE (1) DE102007029239A1 (de)
WO (1) WO2009000252A2 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011144502A1 (de) * 2010-05-18 2011-11-24 Basf Se Lasertransparente polyester
WO2012119967A1 (de) * 2011-03-08 2012-09-13 Basf Se Lasertransparente polyester mit anorganischen salzen
EP2548715A2 (de) 2011-07-21 2013-01-23 Ems-Patent Ag Laserstrahl-Schweissverfahren und daraus hergestellte Formteile

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013015459A1 (de) 2013-02-18 2014-08-21 Technische Universität Ilmenau Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Metall-Bauteils
CN107090126B (zh) * 2017-05-13 2020-08-28 会通新材料股份有限公司 一种纳米增强改性热塑性树脂材料的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002051926A2 (en) * 2000-12-27 2002-07-04 Borealis Gmbh Use of a nanofiller-containing polyolefin composition for the production of improved articles
WO2006029677A1 (de) * 2004-09-16 2006-03-23 Merck Patent Gmbh Lasermarkierbare und laserschweissbare polymere materialien

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002051926A2 (en) * 2000-12-27 2002-07-04 Borealis Gmbh Use of a nanofiller-containing polyolefin composition for the production of improved articles
WO2006029677A1 (de) * 2004-09-16 2006-03-23 Merck Patent Gmbh Lasermarkierbare und laserschweissbare polymere materialien

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011144502A1 (de) * 2010-05-18 2011-11-24 Basf Se Lasertransparente polyester
CN102892819A (zh) * 2010-05-18 2013-01-23 巴斯夫欧洲公司 激光透明性聚酯
CN102892819B (zh) * 2010-05-18 2014-11-05 巴斯夫欧洲公司 激光透明性聚酯
AU2011254776B2 (en) * 2010-05-18 2015-04-02 Basf Se Laser-transparent polyester
RU2573885C2 (ru) * 2010-05-18 2016-01-27 Басф Се Проницаемый для лазерного излучения полиэфир
WO2012119967A1 (de) * 2011-03-08 2012-09-13 Basf Se Lasertransparente polyester mit anorganischen salzen
EP2548715A2 (de) 2011-07-21 2013-01-23 Ems-Patent Ag Laserstrahl-Schweissverfahren und daraus hergestellte Formteile
EP2548714A1 (de) 2011-07-21 2013-01-23 EMS-Patent AG Laserstrahl-Schweissverfahren und daraus hergestellte Formteile
US9878490B2 (en) 2011-07-21 2018-01-30 Ems-Patent Ag Laser beam welding method and molded components fabricated thereby

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009000252A4 (de) 2009-04-09
DE102007029239A1 (de) 2008-12-24
EP2160441A2 (de) 2010-03-10
WO2009000252A3 (de) 2009-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69535614T2 (de) Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten, funktionalisierten Polyolefinverbundwerkstoffs
DE60304897T2 (de) Laserbeschriftbare formmassen
EP1394197B1 (de) Hochviskose Formmassen mit nanoskaligen Füllstoffen
EP1722984B1 (de) Durch farbmittel transparent, transluzent oder gedeckt eingefärbte laserschweissbare kunststoffmaterialien
DE19842845A1 (de) Harz-Verbundstoff
EP1856199B1 (de) Kunststoffformkörper mit durch laser-innengravur erzeugten zwei- oder dreidimensionalen bildstrukturen
DE1694985B2 (de) Formkörper, aus glasverstärktem Polyäthylenterephthalat und Verfahren zu deren Herstellung '
DE69831854T2 (de) Gefüllter Verbundwerkstoff
EP3286258B1 (de) Verfahren zur herstellung eines faserverbund-werkstoffs aus amorphen, chemisch modifizierten polymeren mit verstärkungsfasern
EP2160441A2 (de) Mechanisch verstärktes thermoplastisches kunststofferzeugnis für laserbasierte fügeverfahren
EP2052032B1 (de) Laserbeschriftbares polymermaterial
EP3233423B1 (de) Lasermarkierbare und laserschweissbare polymere materialien
DE69500799T2 (de) Kunststoffverbundplatte oder Kunststoffverbundfolie
EP3962994B1 (de) Polymere zusammensetzungen enthaltend ein teilkristallines polymer und verfahren zu deren herstellung
DE102004051457A1 (de) Durch Farbmittel transparent, transluzent oder gedeckt eingefärbte laserschweißbare Kunststoffmaterialien
DE102013010703A1 (de) Mikrokugeln
DE102005035914A1 (de) Laserschweißverfahren und -material
EP3286257B1 (de) Verfahren zur herstellung von faserverbund-werkstoffen aus amorphen, chemisch modifizierten polymeren
DE3856144T2 (de) Durch Prägen formbares Material
DE60118034T2 (de) Gefärbte thermoplastische harzzusammensetzungen für das laserschweissen, farbmittel hierfür aus mischungen von anthrachinon- und monoazokomplexfarbstoffen sowie daraus hergestelltes formteil
EP3285998B1 (de) Verwendung von faserverbund-werkstoffen zur herstellung von transparenten bzw. transluzenten formkörpern
EP3155039B1 (de) Lasermarkierbare und laserschweissbare polymere materialien
DE60311500T2 (de) Polyolefinharzzusammensetzung
DE69107648T2 (de) Thermoplastische Harzzusammensetzung.
DE10318934A1 (de) Formkörper enthaltend Kern-Mantel-Partikel

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08784241

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008784241

Country of ref document: EP