DE10051051A1

DE10051051A1 - Silikonmodifizierte Einkomponentenvergußmasse

Info

Publication number: DE10051051A1
Application number: DE10051051A
Authority: DE
Inventors: Irene Jennrich; Kristian Leo; Markus Muzic; Wolfgang Endres; Hubert Greif
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-14
Filing date: 2000-10-14
Publication date: 2002-04-18
Also published as: EP1337585A1; US20040036199A1; WO2002032997A1; US7432334B2; EP1337585B1; JP2004511641A; DE50108113D1

Abstract

Es wird eine Vergußmasse auf der Basis eines durch eine chemische Reaktion härtenden Harzes beschrieben, die insbesondere zur Isolation elektrischer Komponenten geeignet ist und die eine Epoxidharzkomponente (A), eine silikonhaltige Komponente (B), einen Füllstoff (C) und einen thermischen Initiator (D) aufweist. Die Vergußmasse ist als Einkomponentensystem verarbeitbar.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vergußmasse nach An spruch 1 und deren Verwendung sowie auf ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen.

Vergußmassen auf der Basis eines durch eine chemische Reak tion aushärtenden Harzes spielen bei der Herstellung techni scher Bauteile und Komponenten eine große Rolle. Sie werden dabei unter anderem zu Isolierzwecken bei elektrischen oder elektronischen Bauteilen eingesetzt. Üblicherweise sind der artige Vergußmassen als Zweikomponentensysteme ausgeführt, wobei die eine Komponente ein Härter ist, der mit der ande ren Komponente, die Reaktionsharze, Füllstoffe etc. enthält, gemischt und sofort verarbeitet wird. Dies ist nachteilig, da die Bereitstellung der Vergußmasse in den Verarbeitungs prozeß integriert werden muß und eine Lagerung für bei spielsweise 3 bis 12 Monate in einsatzfähigem Zustand bei Raumtemperatur nicht möglich ist. Ein weiterer Nachteil be steht in der nur unter großem technischem Aufwand zu gewähr leistenden Arbeitssicherheit im Umgang mit der härtenden Komponente, da als Härter oft gesundheitsschädliche oder reizende Verbindungen wie Carbonsäureanhydride oder Amine eingesetzt werden. Aus diesem Grund wurden Einkomponentensy steme entwickelt.

So sind aus der DE 196 38 630 A1 derartige Vergußmaterialien zur Unterfüllung elektronischer und elektrischer Bauelemente bekannt, die dem Schutz vor Umwelteinflüssen und zur Stabi lisierung von Lötverbindungen der Bauelemente dienen. Die Aushärtung der dort beschriebenen Einkomponentensysteme er folgt thermisch und/oder durch Einwirkung von UV-Strahlung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ver gußmasse bereitzustellen, die als Einkomponentensystem lagerbe ständig und verarbeitbar ist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Rißbeständigkeit aufweist, elektrisch isolierend wirkt und gegenüber aggressiven Medien, wie beispielsweise Kraftstoffen, auch bei hohen Temperaturen resistent ist.

Vorteile der Erfindung

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungs gemäß durch die Bereitstellung einer als Einkomponentensy stem verarbeitbaren Vergußmasse gelöst, die eine silikonhal tige Komponente enthält. Diese Vergußmasse weist eine nied rige Viskosität und eine gute Kapillarwirkung während der Verarbeitung auf, sie zeichnet sich durch eine hohe Wärme leitfähigkeit und Rißbeständigkeit aus und haftet auf ver schiedensten Materialien. Darüber hinaus ist sie thermisch hoch belastbar und auch bei hohen Temperaturen beständig ge genüber einer Einwirkung von Kraftstoffen.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verguß masse möglich.

So weist die Vergußmasse eine kurze Aushärtungszeit und ein günstiges Reaktionsprofil auf und ist demzufolge gut zu ver arbeiten. Dies wird durch die Wahl eines geeigneten Initia tors bewirkt, der einen kationischen Vernetzer und einen Co katalysator umfaßt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung weist die Ver gußmasse einen Anteil von bis zu 90 Gew.-% einer silikonhal tigen Komponente auf, die als Silikon Silikonelastomerparti kel enthält. Dies gewährleistet eine hohe mechanische Be lastbarkeit im ausgehärteten Zustand, ohne daß die Viskosi tät der Vergußmasse bei der Verarbeitung unerwünscht an steigt.

Ausführungsbeispiele

Vergußmassen gemäß der vorliegenden Erfindung weisen vier Grundkomponenten auf, nämlich eine Epoxidharzkomponente A, eine silikonhaltige Komponente B, einen Füllstoff C und ei nen Initiator D. Darüber hinaus sind weitere Komponenten vorgesehen, die üblicherweise bei gattungsgemäßen Verguß massen Anwendung finden, wie beispielsweise Entschäumer, Se dimentationshemmer und Haftvermittler, deren Verwendung dem Fachmann geläufig ist.

Allgemein ist zu beachten, daß Vergußmassen vor und während der Verarbeitung ein stabiles System bilden müssen, um eine Entmischung der Komponenten zu verhindern. So sollten die Füllstoffpartikel eine stabile Dispersion mit den Epoxid harzkomponenten bilden und die Epoxidharzkomponenten wieder um stabile Emulsionen untereinander. Diese Stabilität muß sowohl während der Verarbeitung als auch bei der Aushärtung einer Vergußmasse gewährleistet sein.

Als Epoxidharzkomponente A kann grundsätzlich eine Vielzahl monomerer, eine Epoxidfunktion aufweisender Verbindungen, allein oder in Mischungen mit anderen Verbindungen mit oder ohne Epoxidfunktion verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung von Di- und/oder Triepoxiden, wo bei die im folgenden aufgeführten, kommerziell erhältlichen Verbindungen exemplarisch aufgeführt sind:

Die Epoxidharzkomponente A kann eine oder mehrere der Ver bindungen (I) bis (VI) umfassen sowie weitere Komponenten. Als besonders geeignet haben sich ringepoxidierte cycloali phatische Diepoxide, wie beispielsweise (I) und (VI), erwie sen. Die Epoxidharzkomponente A ist in der Vergußmasse zu 5 bis 90 Gew.-%, bevorzugterweise zu 10 bis 60 Gew.-% enthalten.

Die in der Vergußmasse darüber hinaus enthaltene silikonhal tige Komponente B stellt eine Dispersion eines oder mehrerer Silikone in einem Epoxidharz dar. Als Silikone kommen sowohl Silikonblockcopolymere als auch Silikonpartikel in Betracht. Die bevorzugt verwendeten Silikonpartikel können Silikon harzpartikel oder auch Silikonelastomerpartikel sein, es ist jedoch von Vorteil, wenn diese einen Teilchendurchmesser von 10 nm bis 100 µm aufweisen. Die Silikonpartikel können grundsätzlich mit einer chemisch modifizierten Oberfläche als sogenannte Core-Shell-Partikel eingesetzt werden; es hat sich jedoch gezeigt, daß unbehandelte bzw. oberflächenmodi fizierte, wie beispielsweise mit PMMA behandelte Silikonpar tikel für die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstel lung besser geeignet sind. Als Epoxidharz können grundsätz lich alle monomeren, eine Epoxidfunktion aufweisenden Ver bindungen allein oder in Mischungen mit anderen Verbindungen mit und ohne Epoxidfunktion verwendet werden. Besonders vor teilhaft ist jedoch die Verwendung einer oder mehrerer der oben genannten Diepoxide (I) bis (VI). Die silikonhaltige Komponente B enthält zu 10 bis 80 Gew.-% Silikon, bevorzugt ist ein Anteil von 40 Gew.-%. Die Vergußmasse enthält bis zu 90 Gew.-% der silikonhaltigen Komponente B.

Die Vergußmasse enthält weiterhin einen oder mehrere Füll stoffe C, durch deren geeignete Wahl ein Schwund der Verguß masse während der Verarbeitung verhindert werden kann und die Wärmeleitfähigkeit der Vergußmasse im ausgehärteten Zu stand einstellbar ist. So eignen sich beispielsweise Quarz mehl, Aluminiumoxid, Kreide, Quarzgut oder Talkum gegebenen falls in Mischungen mit Siliciumcarbid als Füllstoff C. Als besonders geeignet hat sich die Verwendung von silanisiertem Quarzmehl erwiesen, wobei die Silanisierung entweder in situ durch Zugabe eines Silans oder schon im Vorfeld durch Sila nisierung des Quarzmehls erfolgen kann. Der Füllstoff C ist in der Vergußmasse zu 5 bis 75 Gew.-% enthalten, bevorzugt ist ein Anteil von 40 bis 60 Gew.-%.

Als vierte Komponente D enthält die Vergußmasse einen In itiator, der eine ausreichend rasche Reaktion bei höherer Temperatur ermöglicht. Als Initiator kommen sowohl thermi sche als auch Photoinitiatoren in Frage.

Um zu gewährleisten, daß die Vergußmasse als Einkomponenten system verarbeitbar ist, wurde als Initiator ein kationi scher Vernetzer gewählt. Dieser kann beispielsweise eine Chinolinium-, Sulfonium- Iodonium- oder Bor-Iodonium verbindung sein. Diese führen zu einer kationischen Polyme risation des Epoxidharzes.

Der Initiator kann darüber hinaus auch einen Cokatalysator enthalten, der vor allem der Senkung der Starttemperatur der Reaktion dient. Dieser kann ein Radikalbildner wie bei spielsweise Benzopinakol sein. Die Wahl des Initiators be stimmt im wesentlichen den Reaktionsverlauf der Aushärtung. Die Kombination eines kationischen Vernetzers mit einem Co katalysator führt zu einem geeigneten Reaktionsgeschwindig keitsprofil, das durch eine eng einzugrenzende optimale Re aktionstemperatur gekennzeichnet ist, bei der die Reaktion zügig fortschreitet, ohne daß bereits bei tieferen Tempera turen wie beispielsweise Raumtemperatur eine schleppende Re aktion einsetzt. Dies ist darüber hinaus eine Voraussetzung für die Lagerfähigkeit des Einkomponentensystems bei Raum temperatur.

Die Verarbeitung der Vergußmasse zu einem Formteil erfolgt bei höherer Temperatur. Die Vergußmasse weist bei entspre chender Erwärmung eine so geringe Viskosität und eine so ho he Kapillarwirkung auf, daß auch ungünstige Geometrien wie Gießspalte mit einem Durchmesser von < 200 µm beim Verguß ausgegossen werden können. Dies ermöglicht gleichzeitig sehr kurze Taktzeiten. Die vergossene Vergußmasse wird einer Tem peratur von 60 bis 110°C für 30 bis 300 Minuten oder von 120°C für 10 bis 100 Minuten ausgesetzt, um ein Gelieren der Vergußmasse zu erreichen. Danach wird sie für 10 bis 90 Mi nuten einer Temperatur von 140 bis 220°C zur Aushärtung des Formteils ausgesetzt. Die Verarbeitungszeit liegt somit bei deutlich weniger als 50% der normalerweise beim Verguß einer Zweikomponentenmasse anzusetzenden Zeit.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Prozeßschritte des Ge lierens und Aushärtens in einem Verfahrensschritt zusammen zufassen, indem die Vergußmasse nach dem Vergießen sofort einer Temperatur von 140 bis 220°C ausgesetzt wird.

Exemplarisch werden im folgenden Ausführungsbeispiele von Vergußmassen bzw. ihrer Zusammensetzungen und resultierenden Eigenschaften im gehärteten Zustand dargestellt.

Zusammensetzungen

Die Zusammensetzungen sind in Gewichtsteilen angegeben, der Initiator wird jeweils in sehr geringen Konzentrationen von 0.1 bis 5 Gew.-% zugesetzt. Die obengenannten Zusammensetzun gen ergeben folgendes Eigenschaftsprofil:

- Viskosität bei 60°C: 100 bis 1000 mPas

Nach der Härtung

- Linearer Schwund: 0.4 bis 0.7%
- Glasübergangstemperatur: 150 bis 165°C
- Thermischer Ausdehnungskoeffizient: 30 bis 50.10^-6 1/°C
- Double Torsion Test: K_1c 0.8 bis 1.15 MPa√m;
G_1c 100 bis 236 J/m²
- Wärmeleitfähigkeit: 0.5 bis 0.7 W/m.K
- Gewichtsänderung in Dieselkraftstoff nach 300 h bei 200°C: 0 bis 1.7%
- Volumenänderung in Dieselkraftstoff nach 300 h bei 200°C: 0 bis 3.7%
- Änderung der Biegefestigkeit in Dieselkraftstoff nach 300 h bei 200°C: 7.5 bis 26%
- Änderung der Randfaserdehnung in Dieselkraftstoff nach 300 h bei 200°C: 7.5 bis 35%.

Die Vergußmasse eignet sich beispielsweise zur elektrischen Isolation, mechanischen Fixierung und als Schutz vor aggres siven Medien von elektrischen Wicklungen elektromagnetischer Aktoren. Derartige Aktoren können beispielsweise in Magnet ventile integriert sein, speziell in Diesel- oder Benzinma gnetventile.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs beispiele beschränkt, sondern es sind neben den beschriebe nen Anwendungsfeldern auch weitere denkbar, wie beispiels weise der Einsatz der Vergußmasse bei der Herstellung von Sensoren, insbesondere für den Motorraum von Kraftfahrzeu gen, und von Getrieben und Kraftstoffbehältern, insbesondere für Kraftfahrzeuge.

Claims

1. Vergußmasse auf der Basis eines durch eine chemische Reaktion härtenden Harzes, insbesondere zur Isolation elek trischer Komponenten, die eine Epoxidharzkomponente (A), ei ne silikonhaltige Komponente (B), einen Füllstoff (C) und einen Initiator (D) aufweist und als Einkomponentensystem verarbeitbar ist.

2. Vergußmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Epoxidharzkomponente (A) ein Epoxidharz auf der Ba sis eines Di- oder Triepoxids ist.

3. Vergußmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Epoxidharzkomponente (A) ein Epoxidharz auf der Basis eines cycloaliphatischen Diepoxids ist.

4. Vergußmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Epoxidharzkomponente (A) in der Vergußmasse zu 5 bis 90 Gew.-% enthalten ist.

5. Vergußmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die silikonhaltige Komponente (B) eine Dispersion eines Silikons in einem auf einem Die poxid basierenden Epoxidharz ist.

6. Vergußmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse bis zu 90 Gew.-% der silikonhaltigen Komponente (B) enthält.

7. Vergußmasse nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die silikonhaltige Komponente (B) 10 bis 80 Gew.-% eines Silikons enthält.

8. Vergußmasse nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die silikonhaltige Komponente (B) als Silikon Silikonelastomerpartikel beinhaltet.

9. Vergußmasse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Silikonelastomerpartikel einen Teilchendurchmesser von 10 nm bis 100 µm aufweisen.

10. Vergußmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (C) Quarzmehl, insbesondere silanisiertes Quarzmehl, Aluminiumoxid und/oder Talkum ist.

11. Vergußmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse 5 bis 75 Gew.-%, bevorzugterweise zu 40 bis 60 Gew.-% Füllstoff enthält.

12. Vergußmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Initiator einen kationischen Vernetzer umfaßt.

13. Vergußmasse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der kationische Vernetzer eine Bor-Iodonium und/oder Chinoliniumverbindung ist.

14. Vergußmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Initiator einen Cokatalysa tor umfaßt.

15. Vergußmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Cokatalysator ein Radikalbildner ist.

16. Vergußmasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Cokatalysator ein Benzopinakol ist.

17. Vergußmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse anhydridfrei ist.

18. Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbeson dere zur Isolation elektrischer Komponenten, mittels einer Vergußmasse nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse als Einkomponentensystem in einem ersten Arbeitsschritt in eine Vergußform eingebracht wird, in einem zweiten Arbeitsschritt zur Bildung eines Gels einer ersten erhöhten Temperatur ausgesetzt wird und in einem dritten Ar beitsschritt zur Härtung des Formteils einer zweiten erhöh ten Temperatur ausgesetzt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse im zweiten Arbeitsschritt zur Bildung eines Gels 30 bis 300 Minuten einer Temperatur von 60 bis 110°C bzw. 10 bis 100 Minuten einer Temperatur von 100 bis 140°C ausgesetzt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vergußmasse im dritten Arbeitsschritt zur Härtung des Formteils 10 bis 90 Minuten einer Temperatur von 140 bis 220°C ausgesetzt wird.

21. Verwendung einer Vergußmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Herstellung elektromagnetischer Aktoren.

22. Verwendung einer Vergußmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Herstellung von Magnetventilen, insbesondere von Diesel- und Benzinmagnetventilen.

23. Verwendung einer Vergußmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Herstellung von Sensoren, inbesondere für den Motorraum von Kraftfahrzeugen.

24. Verwendung einer Vergußmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Herstellung von Getrieben, insbesondere für Kraftfahrzeuge.

25. Verwendung einer Vergußmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Herstellung von Kraftstoffbehältern, insbeson dere für Kraftfahrzeuge.