WO2013113676A2 - Verfahren zum verbinden von kunststoffen und verfahren zum lösen einer verbindung im kunststoffverbund und kunststoffverbund - Google Patents

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Gerald Steiner
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    • B32B2307/20—Properties of the layers or laminate having particular electrical or magnetic properties, e.g. piezoelectric
    • B32B2307/202—Conductive
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y10T428/31507—Of polycarbonate

Definitions

  • the invention relates to the field of chemistry and relates to a method for joining plastics, as for example in a variety of industrial applications, such as in the automotive industry, the aircraft industry but also in the production of household and consumer items, in the packaging industry, to improve the performance characteristics of the semi-finished products or components, can be used.
  • the invention further relates to a method for releasing a compound in the plastic composite, as required for example for safety technology or recycling processes.
  • thermoplastics infrared welding, welding on heating element or spiral
  • welding After cooling and solidification of the melted areas, a new material structure is formed and leads to a generally permanent adhesion between the two plastics.
  • the energy input into the boundary layer (joining seam) to be joined is the key step for a firm connection between the plastics.
  • a considerable proportion of the plastic is usually plasticized in addition to the joint seam or adversely affected in terms of the desired properties.
  • At least one of the plastic components is a conductive additive, such. B. carbon black added.
  • B. carbon black added The absorption of the light energy by the soot particles leads to heating of the surrounding plastic. This plastic component melts partially and is welded to the second plastic component.
  • Vibration welding generally uses solid friction and high pressure to create a fusion zone between the plastics (EP 1 346 817 A1, EP 1 772 253 B1, DE 10 21 1 875 A1, DE 60 207 248 T2).
  • the vibration can be performed both linearly and orbitally.
  • a hot gas usually air
  • plastic welding and - liquefy by means of the electric current plastic welding and liquefying by means of the electric current as a direct current flow in the plastic and generating a locally elevated electric field in the plastic electrically conductive materials are introduced or applied to allow a flowing electric current and it is determined by locally introduced metal chips for the local concentration of the electric field lines locally determined dielectric losses and thus a heating caused.
  • a welding wire is placed in the entire weld, which has become electrically conductive by introducing electrically conductive materials, such as metal chips or powder.
  • An electrical voltage applied to the welding wire generates an electric current in the conductive plastic which has been produced, for example, by electroplating metals onto the plastic surface.
  • the local introduction of metal shavings in a plastic welding wire or in the weld causes the concentration of electrical field lines in the position of the metal chips and thus locally concentrated losses and thus targeted heating in dielectric welding.
  • a disadvantage of this method is that on the one hand a direct current flow is required and an extremely precise control of the current flow must be realized in order to obtain sufficient heating, since the plastic surfaces in the weld have no direct contact with each other and largely avoided thermal damage to the plastics must become.
  • the object of the present invention is to provide a method for joining plastics, with which a partial direct contact of the plastics to be joined is realized and at the same time a connection of these areas of the plastics is achieved, as well as in specifying a method for releasing a compound in the plastic composite , which can be realized in a simple manner, and further in the indication of a plastic composite, which realizes a durable stable connection of the plastic surfaces.
  • plastics are applied to at least one of the plastics to be joined, which contain at least one electrically conductive material and only partially cover the plastics, subsequently the plastics are brought into contact with each other at least in the region with the materials and thereafter At least this area is exposed at least once to an alternating electromagnetic field.
  • thermoplastics are used as plastics, more advantageously polycarbonates or polyesters.
  • materials in structured form even more advantageously in the form of closed conductor loops, in regular or irregular shape or meander-shaped, further advantageously with dimensions of 100 ⁇ to 10 mm used.
  • spherical, ellipsoidal, rod-shaped or star-shaped particles are used as materials, more advantageously with mean diameters of 5 to 500 nm.
  • materials are used which are components of a film.
  • materials which consist of a metallic material, advantageously of gold or silver.
  • plastics in contact are exposed to a brief and strong alternating electromagnetic field.
  • plastics in contact are exposed to an electromagnetic alternating field which has field strengths in one pulse or in a plurality of pulses following one behind the other or in another temporally variable form.
  • plastics in contact are exposed to an electromagnetic alternating field of at least 30 T, more advantageously within 1 s to 10 ms.
  • the surfaces in contact are exposed to an electromagnetic alternating field with higher field strength within a shorter time or with lower field strength within the same time in several pulses.
  • materials which contain at least one electrically conductive material and only partially cover the plastics are applied to connect plastics to at least one of the plastics to be joined. At least in the area with the materials are brought into contact with each other the plastics and then at least this area is at least once exposed to an alternating electromagnetic field, and to solve this connection, this area is at least once exposed to an alternating electromagnetic field, the area an electromagnetic alternating field either with a higher field strength than for the connection or at the same field strength and the same time but higher number of pulses has been used as for the compound.
  • the plastic composite according to the invention consists of at least two plastics which are at least partially bonded together and at most partially interconnected in the region of their connection, wherein materials are present in the region of their connection which contain at least one electrically conductive material.
  • the cohesive connection is effected via a chemical reaction.
  • a method is specified for the first time in which a partial direct contact of the plastics to be joined is realized and at the same time a joining of these regions of the plastics is achieved.
  • a method for releasing a compound in the plastic composite is specified for the first time, with which the release of the compound in a simple and residue-free manner can be realized.
  • a plastic composite is known in which a permanent stable connection of the plastic surfaces is realized.
  • plastics which are neither electrically nor thermally conductive are used as plastics.
  • Thermoplastic plastics and plastics, which additionally also contain functional coupling groups, are advantageously suitable for the solution according to the invention.
  • polycarbonates or polyesters can be used.
  • the materials used are those which contain at least one electrically conductive material. This may advantageously be a metallic material.
  • These materials may be present and / or applied in unstructured or structured form.
  • Materials in unstructured form may be, for example, particles that are spherical, ellipsoidal, rod-shaped or star-shaped and advantageously have average diameters of 5 to 500 nm. Such unstructured particles can then be applied to the plastics in structured form.
  • plastics for example in the form of closed conductor loops, in regular or irregular shape or meander-shaped, furthermore advantageously with dimensions of 100 ⁇ m to 10 mm.
  • the average diameter of the materials could advantageously be in the range of the roughness of the plastics to be welded.
  • the materials may also be part of a film which is applied to a plastic.
  • the distribution and arrangement or orientation of the structures of the materials on the plastics can be better controlled.
  • the materials only partially cover the plastics so that the intervening areas of the plastics can be connected to one another.
  • the coverage is advantageously at most 50% of the respective plastics.
  • the plastics are brought into contact at least where the materials are, and then at least this area is exposed at least once, but also several times, an electromagnetic alternating field.
  • this area is exposed to a short-term (1-10 s) and strong (60-100 T) alternating electromagnetic field.
  • the field strength of the electromagnetic alternating field can be applied in one pulse or in a plurality of pulses following one after the other or in another time-varying form.
  • the plastics in contact are exposed to an electromagnetic alternating field in which the change in the magnetic field strength is advantageously between I T / ms and 40T / ms.
  • the plastics in contact are exposed to the change of the electromagnetic field with higher field strength within a longer time or the change of the electromagnetic field with lower field strength within a shorter time. Furthermore, it is also advantageous to expose the plastics in contact for a longer time to a periodically variable electromagnetic field with a lower change in the field strength.
  • the object is further achieved by a method for releasing a compound of plastics. It is of crucial importance that the connection has been realized according to the above-mentioned method for joining plastics. Such a compound can then be solved by the inventive method for dissolving a compound of plastics.
  • the resulting plastic composite according to the invention consists of at least two plastics, which are at least partially bonded and at most partially connected to each other in the region of their connection.
  • the composite In the area of the connection, the composite has materials which contain at least one electrically conductive material.
  • the cohesive connection via a chemical reaction of the plastics is carried out together.
  • thermal energy is deliberately introduced only in the area of the plastic-plastic boundary layer, without resulting in destruction or thermal loading of the plastic.
  • the coupling of the required activation energy via an electromagnetic alternating field, induced by the plasmon vibrations and / or eddy currents in the material containing at least one electrically conductive material in no case by directly applying an electric current to the material, the at least one electrically contains conductive material.
  • the material is applied before joining the at least two plastics on at least one plastic and is thus after the joining of the plastics in the plastic-plastic boundary layer.
  • the one-time induced plasmon oscillation or eddy currents lead due to the electrical Resistance to a localized short-term warming. If the activation energy of the plastics is reached, chemical reactions and the formation of covalent bonds between the plastics occur.
  • the energy input can be realized only in the plastic boundary layer and an energetic, in particular thermal load of the plastic volume is not realized.
  • Plastic thickness in internal boundary layers does not have a limiting effect, since the electromagnetic alternating field does not interact with the plastics,
  • Variable in width and adjustable to the respective plastics by adjusting the magnetic field such as strength, pulse length, pulse repetition rate and design of the material, such as material, size, shape,
  • connection region no restriction in the geometry of the connection region and the boundary layer, such as in size, shape,
  • the solution according to the invention aims, on the one hand, at a firm, permanent composite formation.
  • the process can be applied very flexibly to a wide variety of plastic systems. Thermal shrinkage of the polymer materials does not occur during cooling. Since the method according to the invention works quasi-simultaneously, it has very short joining times and also has a free choice in the joining seam geometries.
  • connection and a release of this connection can be realized and, at the same time, this process can be repeated several times in succession.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the composite formation according to the invention in cross section.
  • a sample plastic molding of bisphenol A-based polycarbonate (PC) with the dimensions 1 cm x 1 cm is to be connected to a plastic molding of amino groups functionalized polyvinylamine (PVAm) with the dimensions 1 cm x 1 cm.
  • the glass transition temperature of the polycarbonate (PC) is about 145 ° C and for the polyvinylamine (PVAm) about 130 ° C.
  • a ring of gold with the dimensions: outer diameter 5 mm and ring thickness 1 mm, ring thickness 150 nm is applied to the plastic body made of PC. As a result, a degree of coverage of the plastic is about 10% realized.
  • plastic bodies of PC and PVAm to be joined are brought into contact with each other in the area where the ring is located, and the two bodies are exposed to an electromagnetic pulse of 60 T for 7 ms.
  • the resulting composite of PC and PVAm has the unchanged ring in the boundary layer and in the areas of direct contact a covalent bond of the two plastics has been realized by the chemical reaction.
  • the composite is adherent and durable.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Chemie und betrifft ein Verfahren, wie es beispielsweise in der Automotivindustrie oder im Flugzeugbau eingesetzt werden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens, mit dem ein Verbinden der im direkten Kontakt befindlichen Bereiche der Kunststoffe erreicht wird. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen, bei dem auf mindestens eine der zu verbindenden Kunststoffe Materialien aufgebracht werden, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten und die Kunststoffe nur teilweise bedecken, nachfolgend die Kunststoffe mindestens in dem Bereich mit den Materialien miteinander in Kontakt gebracht werden und danach mindestens dieser Bereich mindestens einmalig einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird.

Description

Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen und Verfahren zum Lösen einer Verbindung im Kunststoffverbund und Kunststoffverbund
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Chemie und betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen, wie es beispielsweise in vielfältigen industriellen Anwendungen, wie in der Automotivindustrie, dem Flugzeugbau aber auch bei der Erzeugung von Haushalts- und Gebrauchsgegenständen, in der Verpackungsindustrie, zur Verbesserung der Gebrauchseigenschaften der Halbzeuge oder Bauteile, eingesetzt werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Lösen einer Verbindung im Kunststoffverbund, wie es beispielsweise für die Sicherheitstechnik oder bei Recyclingprozessen benötigt wird.
Für das Verbinden von Kunststoffoberflächen sind verschiedene Technologien bekannt. Dabei ist insbesondere das Verschweißen von Kunststoffen von großer Bedeutung. Prinzipiell muss beim Verschweißen von Kunststoffgrenzschichten thermische Energie in die Grenzschicht zwischen den beiden Kunststoffen eingebracht werden. Eigenschaften wie die Zugänglichkeit und die Geometrie der Grenzflächen sind Schlüsselkriterien zum Einsatz des jeweiligen Verfahrens. Bei den bekannten Technologie des Verschweißen von Kunststoffen können nur Thermoplaste zum Einsatz kommen, da es durch die direkte Erwärmung der thermoplastischen Kunststoffe (Infrarotschweißen, Schweißen über Heizelement oder -wendel) zu Theologischen Veränderungen (Schmelzebildung) mindestens eines der beiden Kunststoffe kommt und nur dadurch das Verschweißen realisiert werden kann. Nach dem Abkühlen und Erstarren der aufgeschmolzenen Bereiche bildet sich eine neue Werkstoffstruktur aus und führt zu einer in der Regel dauerhaften Haftung zwischen beiden Kunststoffen. Der Energieeintrag in die zu fügende Grenzschicht (Fügenaht) ist der Schlüsselschritt für eine feste Verbindung zwischen den Kunststoffen. In der Praxis wird meist ein erheblicher Anteil des Kunststoffes zusätzlich zur Fügenaht mit plastifiziert oder hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften negativ beeinflusst.
Je nach Anwendungsgebiet werden verschiedene Schweißverfahren eingesetzt, wie z.B. Laserschweißen, Heizelementscheißen, Vibrationsschweißen oder Ultraschallschweißen.
Beim Laserschweißen (DE 10 2008 038 014 A1 ; DE 1 1 2007 002 109 T5) wird mindestens einer der Kunststoffkomponenten ein leitfähiger Zuschlagsstoff, wie z. B. Ruß zugegeben. Die Absorption der Lichtenergie durch die Rußpartikel führt zur Erwärmung des umgebenden Kunststoffes. Diese Kunststoffkomponente schmilzt partiell auf und wird mit der zweiten Kunststoffkomponente verschweißt.
Das Vibrationsschweißen nutzt generell eine Feststoffreibung und hohen Druck, um eine Schmelzzone zwischen den Kunststoffen zu erzeugen (EP 1 346 817 A1 ; EP 1 772 253 B1 ; DE 10 21 1 875 A1 ; DE 60 207 248 T2). Die Vibration kann sowohl linear als auch orbital ausgeführt werden.
Beim Rotationsschweißen erfolgt durch die Relativbewegung der Fügeteile zueinander der notwendige Wärmeeintrag. Mindestens eines der beiden Fügeteile muss Ro- tationssymmetrie aufweisen, und es muss ein hoher Pressdruck zwischen den Kunststoffen aufgewendet werden (EP 1 10 914 A1 ; WO 002009018804 A2).
Ein weiteres Verfahren in der Gruppe der Reibschweißverfahren nutzt die molekulare Reibung durch hochfrequente mechanische Schwingung aus. Es wird als Ultraschallschweißen bezeichnet. Es werden dabei Schwingungen unter Druck auf die Kunststoffe, vorteilhaft Folien oder kleinere Fügeflächen, übertragen (AT 333 979 E; DE 69 528 314 T2).
Ebenfalls bekannt ist ein weiteres Verfahren zum Fügen von Kunststoffen, das Warmgasschweißen. Hierbei wird ein heißes Gas, meist Luft, verwendet, um die Plastifizierung des Kunststoffes zu erreichen (AU 3 094 371 A; AU 2 882 189 A; EP 521 755 A1 ; CH 702 860 A1 ).
Weiterhin bekannt ist aus der DE 28 51 612 A1 Kunststoffschweißen und - verflüssigen mit Hilfe des elektrischen Stromes. Dabei werden zum Kunststoffschweißen und -verflüssigen mit Hilfe des elektrischen Stromes als direkter Strom- fluss im Kunststoff und in Erzeugung eines örtlich erhöhten elektrischen Feldes in den Kunststoff elektrisch leitende Werkstoffe zur Ermöglichung eines fließenden elektrischen Stromes eingebracht oder aufgetragen und es werden durch örtlich bestimmt eingebrachte Metallspäne zur örtlichen Konzentration der elektrischen Feldlinien örtlich bestimmte dielektrische Verluste und damit eine Erwärmung herbeigeführt.
Dabei wird statt des einfachen Kunststoffschweißdrahtes beim Heißluftschweißen ein Schweißdraht in die gesamte Schweißnaht gelegt, welcher durch Einbringen elektrisch leitender Werkstoffe, wie z.B. Metallspäne oder -pulver, elektrisch leitend geworden ist. Eine an den Schweißdraht angelegte elektrische Spannung erzeugt einen elektrischen Strom in dem leitend gemachten Kunststoff, der beispielsweise durch Aufgalvanisieren von Metallen auf die Kunststoffoberfläche erzeugt worden ist. Das örtliche Einbringen von Metallspänen in einen Kunststoffschweißdraht oder in die Schweißnaht bewirkt beim Dielektrischen Schweißen eine Konzentration der elektrischen Feldlinien auf die Lage der Metallspäne und somit örtlich konzentrierte Verluste und damit eine gezielte Erwärmung. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass einerseits ein direkte Stromfluss erforderlich ist und eine äußerst präzise Regelung des Stromflusses realisiert werden muss, um eine ausreichende Erwärmung zu erhalten, da die Kunststoffoberflächen in der Schweißnaht keinen direkten Kontakt zueinander haben und eine thermische Schädigung der Kunststoffe weitgehend vermieden werden muss.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zum Verbinden von Kunststoffen, mit dem ein teilweiser direkter Kontakt der zu verbindenden Kunststoffe realisiert und gleichzeitig ein Verbinden dieser Bereiche der Kunststoffe erreicht wird, sowie in der Angabe eines Verfahrens zum Lösen einer Verbindung im Kunststoffverbund, welches auf einfache Art und Weise realisiert werden kann, und weiterhin in der Angabe eines Kunststoffverbundes, der eine dauerhafte stabile Verbindung der Kunststoffoberflächen realisiert.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen werden auf mindestens eine der zu verbindenden Kunststoffe Materialien aufgebracht, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten und die Kunststoffe nur teilweise bedecken, nachfolgend werden die Kunststoffe mindestens in dem Bereich mit den Materialien miteinander in Kontakt gebracht und danach wird mindestens dieser Bereich mindestens einmalig einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt.
Vorteilhafterweise werden als Kunststoffe thermoplastische Kunststoffe, noch vorteilhafterweise Polycarbonate oder Polyester, eingesetzt.
Weiterhin vorteilhafterweise werden Materialien in strukturierter Form, noch vorteilhafterweise in Form geschlossener Leiterschleifen, in regelmäßiger oder unregelmäßiger Form oder mäanderförmig, weiterhin vorteilhafterweise mit Abmessungen von 100 μιτι bis 10 mm, eingesetzt. Ebenfalls vorteilhafterweise werden als Materialien kugelförmige, ellipsiode, stäbchenförmige oder sternförmige Partikel, noch vorteilhafterweise mit mittleren Durchmessern von 5 - 500 nm, eingesetzt.
Und auch vorteilhafterweise werden Materialien eingesetzt, die Bestandteile einer Folie sind.
Vorteilhaft ist es auch, wenn Materialien eingesetzt werden, die aus einen metallischen Material, vorteilhafterweise aus Gold oder Silber bestehen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn Materialien aufgebracht werden, die maximal 50 % eines Kunststoffs bedecken.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die in Kontakt befindlichen Kunststoffe einem kurzzeitigen und starken elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die im Kontakt befindlichen Kunststoffe einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, welches Feldstärken in einem Puls oder in mehreren kurz hintereinander folgenden Pulsen oder in einer anderen zeitlich veränderlichen Form aufweist.
Von Vorteil ist es auch, wenn die im Kontakt befindlichen Kunststoffe einem elektromagnetischen Wechselfeld von mindestens 30 T, noch vorteilhafterweise innerhalb von 1 s bis 10 ms, ausgesetzt werden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die in Kontakt befindlichen Oberflächen einem elektromagnetischen Wechselfeld mit höherer Feldstärke innerhalb kürzerer Zeit o- der mit geringerer Feldstärke innerhalb gleicher Zeit in mehreren Pulsen ausgesetzt werden.
Weiterhin bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Lösen einer Verbindung im Kunststoffverbund werden zum Verbinden von Kunststoffen auf mindestens eine der zu verbindenden Kunststoffe Materialien aufgebracht, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten und die Kunststoffe nur teilweise bedecken, nachfol- gend werden die Kunststoffe mindestens in dem Bereich mit den Materialien miteinander in Kontakt gebracht und danach wird mindestens dieser Bereich mindestens einmalig einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, und zum Lösen dieser Verbindung wird dieser Bereich mindestens einmalig einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, wobei der Bereich einem elektromagnetische Wechselfeld entweder mit einer höheren Feldstärke als für die Verbindung oder bei gleicher Feldstärke und gleicher Zeit aber höherer Anzahl von Pulsen als für die Verbindung eingesetzt worden ist, ausgesetzt wird.
Der erfindungsgemäße Kunststoffverbund besteht aus mindestens zwei Kunststoffen, die mindestens stoffschlüssig und im Bereich ihrer Verbindung höchstens teilweise miteinander verbunden sind, wobei im Bereich ihrer Verbindung Materialien vorhanden sind, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten.
Vorteilhafterweise ist die stoffschlüssige Verbindung über eine chemische Reaktion erfolgt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals ein Verfahren angegeben, bei dem ein teilweiser direkter Kontakt der zu verbindenden Kunststoffe realisiert und gleichzeitig ein Verbinden dieser Bereiche der Kunststoffe erreicht wird. Ebenso wird mit der vorliegenden Erfindung erstmals ein Verfahren zum Lösen einer Verbindung im Kunststoffverbund angegeben, mit welchem das Lösen der Verbindung auf einfache und rückstandsfreie Art und Weise realisiert werden kann. Weiterhin ist durch die erfindungsgemäße Lösung erstmals ein Kunststoffverbund bekannt, bei dem eine dauerhafte stabile Verbindung der Kunststoffoberflächen realisiert ist.
Erreicht wird dies, indem auf mindestens eine der zu verbindenden Kunststoffe Materialien aufgebracht werden, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten und die Kunststoffe nur teilweise bedecken. Nachfolgend werden die Kunststoffe mindestens im Bereich mit den Materialien miteinander in Kontakt gebracht und mindestens dieser Bereich ein- oder mehrmalig einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Als Kunststoffe kommen erfindungsgemäß solche zur Anwendung, die weder elektrisch noch thermisch leitfähig sind. Vorteilhafterweise eignen sich thermoplastische Kunststoffe und Kunststoffe, die zusätzlich auch funktionelle Kopplungsgruppen enthalten für die erfindungsgemäße Lösung. Vorteilhafterweise können Polycarbona- te oder Polyester eingesetzt werden.
Als Materialien kommen solche zum Einsatz, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten. Dies kann vorteilhafterweise ein metallisches Material sein.
Diese Materialien können in unstrukturierter oder strukturierter Form vorhanden sein und/oder aufgebracht werden.
Materialien in unstrukturierter Form können beispielsweise Partikel sein, die kugelförmig, elipsoid, stäbchenförmig oder sternförmig sind und vorteilhafterweise mittlere Durchmesser von 5 - 500 nm aufweisen. Derartige unstrukturierte Partikel können dann in strukturierter Form auf die Kunststoffe aufgebracht werden.
Weiterhin können aber auch Materialien in strukturierter Form auf die Kunststoffe aufgebracht werden, beispielsweise in Form von geschlossenen Leiterschleifen, in regelmäßiger oder unregelmäßiger Form oder mäanderförmig, weiterhin vorteilhafterweise mit Abmessungen von 100 μιτι bis 10 mm. Der mittlere Durchmesser der Materialien könnte vorteilhafterweise im Bereich der Rauheit der zu verschweißenden Kunststoffe liegen.
Die Materialien können auch Bestandteil einer Folie sein, die auf einen Kunststoff aufgebracht wird. Damit können Verteilung und Anordnung oder Orientierung der Strukturen der Materialien auf den Kunststoffen besser gesteuert werden.
Die Materialien bedecken die Kunststoffe in jedem Fall nur teilweise, damit die dazwischen liegenden Bereiche der Kunststoffe miteinander verbunden werden können. Die Bedeckung beträgt vorteilhafterweise maximal 50 % der jeweiligen Kunststoffe.
Nachfolgend werden die Kunststoffe mindestens dort in Kontakt gebracht, wo sich die Materialien befinden, und danach wird mindestens dieser Bereich mindestens einmalig, aber auch mehrmalig, einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Vorteilhafterweise wird dieser Bereich einem kurzzeitigen (1 - 10 s) und starken (60 - 100 T) elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, wenn die gesamten zu verbindenden Kunststoffe dem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden.
Die Feldstärke des elektromagnetischen Wechselfeldes kann dabei in einem Puls oder in mehreren kurz hintereinander folgenden Pulsen oder in einer anderen zeitlich veränderlichen Form aufgebracht werden.
Vorteilhafterweise werden die im Kontakt befindlichen Kunststoffe einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, bei dem die Änderung der magnetischen Feldstärke vorteilhafterweise zwischen I T/ms und 40T/ms beträgt.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die in Kontakt befindlichen Kunststoffe der Änderung des elektromagnetischen Feldes mit höherer Feldstärke innerhalb längerer Zeit oder der Änderung des elektromagnetischen Feldes mit niedrigerer Feldstärke innerhalb kürzerer Zeit ausgesetzt werden. Weiterhin ist es auch vorteilhaft, die in Kontakt befindlichen Kunststoffe einer längeren Zeit einem periodisch veränderlichen elektromagnetischen Feld mit niedrigerer Änderung der Feldstärke auszusetzen.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Lösen einer Verbindung von Kunststoffen. Dabei ist von ausschlaggebender Bedeutung, dass die Verbindung gemäß dem oben genannten Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen realisiert worden ist. Eine solche Verbindung kann dann durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Lösen einer Verbindung von Kunststoffen gelöst werden.
Dies wird erfindungsgemäß realisiert, indem mindestens der Bereich der verbundenen Kunststoffe einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, welches entweder mit einer höheren Feldstärke als für das Herstellen der Verbindung oder bei gleicher Feldstärke einer kürzeren Zeit als für das Herstellen der Verbindung eingesetzt worden ist, aufweist.
Dadurch wird die bestehende Verbindung aufgebrochen. Von besonderem Vorteil ist, dass die so gelöste Verbindung durch erneutes Aufbringen von Materialien und Anlegen eines elektromagnetischen Feldes wieder hergestellt werden kann.
Der entstandene erfindungsgemäße Kunststoffverbund besteht aus mindestens zwei Kunststoffen, die mindestens stoffschlüssig und im Bereich ihrer Verbindung höchstens teilweise miteinander verbunden sind. Im Bereich der Verbindung weist der Verbund Materialien auf, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten. Vorteilhafterweise ist die stoffschlüssige Verbindung über eine chemische Reaktion der Kunststoffe miteinander erfolgt.
Normalerweise lassen sich zwei oder mehrere Polymere nicht miteinander verbinden. Eine chemische Reaktion und die damit mögliche Ausbildung von kovalenten Bindungen ist erst durch das Vorhandensein von funktionellen Kopplungsgruppen und nach Erreichen der Aktivierungsenergie möglich. Üblicherweise lässt sich die Aktivierungsenergie nur durch Zuführung von Wärme erreichen. Da Polymere grundsätzlich schlechte Wärmeleiter sind, muss eine erhebliche Energie aufgebracht werden, um die erforderliche Temperatur an der zumeist verborgenen Polymer-Polymer- Grenzschicht zu erreichen. Das führt sehr häufig zu einer thermischen Zerstörung des Polymermaterials, so dass die thermisch induzierte Reaktion zwischen Polymeren auf diesem Wege nicht möglich ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird gezielt thermische Energie nur im Bereich der Kunststoff-Kunststoff-Grenzschicht eingebracht, ohne dass es dabei zu einer Zerstörung oder thermischen Belastung des Kunststoffs kommt.
Dabei erfolgt erfindungsgemäß die Einkopplung der erforderlichen Aktivierungsenergie über ein elektromagnetisches Wechselfeld, durch das in das Material, das mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthält, Plasmonenschwingungen und/oder Wirbelströme induziert werden, keinesfalls durch direktes Anlegen eines elektrischen Stromes an das Material, das mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthält. Das Material wird vor dem Zusammenfügen der mindestens zwei Kunststoffe auf mindestens einen Kunststoff aufgebracht und befindet sich damit nach dem Zusammenfügen der Kunststoffe in der Kunststoff-Kunststoff-Grenzschicht. Die einmalig induzierte Plasmonenschwingung oder Wirbelströme führen infolge des elektrischen Widerstands zu einer lokal begrenzten kurzzeitigen Erwärmung. Wird die Aktivierungsenergie der Kunststoffe erreicht, so kommt es zu chemischen Reaktionen und der Ausbildung kovalenter Bindungen zwischen den Kunststoffen.
Es treten keine thermischen Veränderungen des restlichen Kunststoffmaterials auf. Sofern keine kovalenten Kopplungen durch chemische Bindungen entstehen, erfolgt die Verbindung der Kunststoffoberflächen erfindungsgemäß durch physikalische Wechselwirkungen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann der Energieeintrag nur in der Kunststoffgrenzschicht realisiert werden und eine energetische, insbesondere thermische Belastung des Kunststoffvolumens, wird nicht realisiert.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin:
- geringer thermisch bedingter Verzug,
- gezielter Energieeintrag in die Kunststoff-Kunststoff-Grenzschicht,
- kurze Einwirkungszeit des elektromagnetischen Wechselfeldes,
- quasi Simultanschweißen,
- Kunststoffdicke bei inneren Grenzschichten wirkt nicht limitierend, da das elektromagnetische Wechselfeld nicht mit den Kunststoffen wechselwirkt,
- Umgebungsatmosphäre kann frei gewählt werden,
- unkomplizierte Herstellung und Ablauf der Reaktion,
- sehr großer Arbeitsabstand möglich,
- Verfahren in einer großen Breite variierbar und auf die jeweiligen Kunststoffe einstellbar durch Einstellungen des Magnetfeldes, wie Stärke, Pulslänge, Puls-Repetionsrate und Auslegung des Materials, wie Material, Größe, Form,
- keine weiteren chemischen Zusatzstoffe oder Katalysatoren erforderlich,
- keine Einschränkung in der Geometrie des Verbindungsbereiches und der Grenzschicht, wie in Größe, Form,
- stabile, permanente Verbundhaftung - beruht nicht nur auf physikalischen Effekten, sondern eben auch durch Bildung kovalenter Bindungen in der Grenzschicht,
- chemische Reaktionen über Kunststoff-Kunststoff-Grenzschicht ohne Rückwirkung auf die Polymermaterialien,
- Herstellung neuer Polymerverbunde mit neuen Eigenschaften. Gegenüber den bekannten Schweißverfahren für Kunststoffe zielt die erfindungsge- mäße Lösung einerseits auf eine feste, permanente Verbundbildung ab. Das Verfahren kann sehr flexibel auf verschiedenste Kunststoffsysteme angewendet werden. Thermisches Schrumpfen der Polymerwerkstoffe tritt beim Abkühlen nicht ein. Da das erfindungsgemäße Verfahren quasi-simultan arbeitet, weist es sehr kurze Fügezeiten auf und besitzt auch eine freie Auswahl bei den Fügenahtgeometrien.
Gleichzeitig kann aber durch Variation der Einwirkung des elektromagnetischen Feldes erfindungsgemäß ein Verbinden und ein Lösen dieser Verbindung realisiert und gleichzeitig dieser Vorgang mehrmals hintereinander wiederholt werden.
Die vorliegende Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigen
Fig. 1 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verbundbildung im Querschnitt.
Schema 1 Reaktionsbeispiel zur chemischen Verbundbildung zwischen
Polycarbonat und Polyvinylamin
Schema 2 Reaktionsbeispiel zum Lösen des chemisch-gekoppelten Verbundes zwischen Polycarbonat und Polyvinylamin
Beispiel 1
Ein Probekunststoffformkörper aus Bisphenol-A-basiertem Polycarbonat (PC) mit den Abmessungen 1 cm x 1 cm soll mit einem Kunststoffformkörper aus mit Amino- gruppen funktionalisiertem Polyvinylamin (PVAm) mit den Abmessungen 1 cm x 1 cm verbunden werden. Die Glasübergangstemperatur des Polycarbonates (PC) beträgt ca. 145 °C und für das Polyvinylamin (PVAm) ca. 130 °C. Auf den Kunststoffkörper aus PC wird ein Ring aus Gold mit den Abmessungen: Außendurchmesser 5 mm und Ringdicke 1 mm, Ringstärke 150 nm aufgebracht. Dadurch ist ein Bedeckungsgrad des Kunststoffs ca. 10 % realisiert.
Danach werden die zu verbindenden Kunststoffkörper aus PC und PVAm in dem Bereich, auf dem sich der Ring befindet, miteinander in Kontakt gebracht und die beiden Körper einem elektromagnetischen Puls von 60 T für 7 ms ausgesetzt.
Die nach Eintrag der Aktivierungsenergie ausgelöste Kopplungsreaktion erfolgt wie nachfolgend dargestellt:
Figure imgf000014_0001
Schema 1
Der entstandene Verbund von PC und PVAm weist in der Grenzschicht den unveränderten Ring auf und in den Bereichen des direkten Kontaktes ist durch die chemische Reaktion eine kovalente Bindung der beiden Kunststoffe realisiert worden . Der Verbund ist haftfest und dauerhaft.
Das Lösen dieses chemisch-gekoppelten Kunststoffverbundes erfolgt unter erneuter Einwirkung des elektromagnetischen Wechselfeldes zweimal mit jeweils 10 T/ms. Dabei kommt es zum Bruch von chemischen Bindungen innerhalb der Grenzschicht des Kunststoffverbundes. Das Trennen beider Kunststoffformteile erfolgt unmittelbar während oder kurz nach dem Energieeintrag im erwärmten Zustand.
Figure imgf000015_0001
Schema 2
Bezugszeichenliste
1 Kunststoff 1
2 Kunststoff 2
1 ' mit Kunststoff 2 zusammengesetzt
2' mit Kunststoff 1 zusammengesetzt
3 Material auf der Oberfläche
3' Material in der Grenzschicht
4 elektromagnetisches Wechselfeld
I Kunststoffe vor der Verbindung
II zusammengesetzte aber noch nicht verbundene Kunststoffe
III Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Verbinden von Kunststoffen, bei dem auf mindestens eine der zu verbindenden Kunststoffe Materialien aufgebracht werden, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten und die Kunststoffe nur teilweise bedecken, nachfolgend die Kunststoffe mindestens in dem Bereich mit den Materialien miteinander in Kontakt gebracht werden und danach mindestens dieser Bereich mindestens einmalig einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Kunststoffe thermoplastische Kunststoffe, vorteilhafterweise Polycarbonate oder Polyester, eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Materialien in strukturierter Form, vorteilhafterweise in Form geschlossener Leiterschleifen, in regelmäßiger oder unregelmäßiger Form oder mäanderförmig, weiterhin vorteilhafterweise mit Abmessungen von 100 μιτι bis 10 mm, eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Materialien kugelförmige, elipsoide, stäbchenförmige oder sternförmige Partikel, vorteilhafterweise mit mittleren Durchmessern von 5 - 500 nm, eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Materialien eingesetzt werden, die Bestandteile einer Folie sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Materialien eingesetzt werden, die aus einen metallischen Material, vorteilhafterweise aus Gold oder Silber bestehen.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem Materialien aufgebracht werden, die maximal 50 % eines Kunststoffs bedecken.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die in Kontakt befindlichen Kunststoffe einem kurzzeitigen und starken elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die im Kontakt befindlichen Kunststoffe einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, welches Feldstärken in einem Puls oder in mehreren kurz hintereinander folgenden Pulsen oder in einer anderen zeitlich veränderlichen Form aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die im Kontakt befindlichen Kunststoffe einem elektromagnetischen Wechselfeld von mindestens 30 T, vorteilhafterweise innerhalb von 1 s bis 10 ms, ausgesetzt werden.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die in Kontakt befindlichen Oberflächen einem elektromagnetischen Wechselfeld mit höherer Feldstärke innerhalb kürzerer Zeit oder mit geringerer Feldstärke innerhalb gleicher Zeit in mehreren Pulsen ausgesetzt werden.
12. Verfahren zum Lösen einer Verbindung im Kunststoffverbund, bei denen zum Verbinden von Kunststoffen auf mindestens eine der zu verbindenden Kunststoffe Materialien aufgebracht werden, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten und die Kunststoffe nur teilweise bedecken, nachfolgend die Kunststoffe mindestens in dem Bereich mit den Materialien miteinander in Kontakt gebracht werden und danach mindestens dieser Bereich mindestens einmalig einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, und zum Lösen dieser Verbindung dieser Bereich mindestens einmalig einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, wobei der Bereich einem elektromagnetische Wechselfeld entweder mit einer höheren Feldstärke als für die Verbindung oder bei gleicher Feldstärke und gleicher Zeit aber höherer Anzahl von Pulsen als für die Verbindung eingesetzt worden ist, ausgesetzt wird.
13. Kunststoffverbund, bestehend aus mindestens zwei Kunststoffen, die mindestens stoffschlüssig und im Bereich ihrer Verbindung höchstens teilweise miteinander verbunden sind, wobei im Bereich ihrer Verbindung Materialien vorhanden sind, die mindestens ein elektrisch leitfähiges Material enthalten.
14. Kunststoffverbund nach Anspruch 13, bei dem die stoffschlüssige Verbindung über eine chemische Reaktion erfolgt ist.
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