DE10158896A1

DE10158896A1 - Verfahren zum festen Verbinden von thermoplastischen Elastomeren (TPE) mit einer metallischen Oberfläche

Info

Publication number: DE10158896A1
Application number: DE2001158896
Authority: DE
Inventors: Carlo Wojciechowski; Arnim Knapp; Hagen Reker
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-12
Also published as: WO2003048263A1; AU2002339369A1; EP1448739A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum festen Verbinden von thermoplastischen Elastomeren (TPE), vorzugsweise thermoplastischen Elastomeren-Styrolblockcopolymere (TPE-S) mit einer gereinigten metallischen Oberfläche. Zunächst wird die metallische Oberfläche mit einem auf der Basis von chemisch modifiziertem, niedrig chloriertes Polypropylen enthaltenden Primer behandelt und anschließend wird verflüssigtes TPE auf die so vorbehandelte metallische Oberfläche aufgebracht. Dabei wurde vor oder nach dem Aufbringen des flüssigen TPEs der Primer auf eine Temperatur gebracht, die oberhalb seiner Schmelztemperatur liegt. Auf diese Weise entsteht nach Aushärten des TPE eine innige, absolut feste und wasserdichte Verbindung zwischen diesen Teilen. Die Endfestigkeit wird allerdings erst nach einigen Stunden erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum festen Verbinden von TPE, vorzugsweise TPE-S, mit einer metallischen Oberfläche.
Derzeit sind Hart-Weich-Verbindungen mit TPE und TPE-S nur auf Basis bestimmter unmetallischer Kunststoffe möglich. Verbindungen von TPE oder TPE-S mit Metall oder metallisierten Oberflächen werden nur über mechanische Verankerungen oder Kleben realisiert. Derartige Verbindungen sind jedoch bei Sichtteilen im Gebrauch nicht widerstandsfähig, lösen sich leicht an den nicht mit Ankern versehenen Kontaktflächen und es kann sogar Flüssigkeit zwischen beide Flächen eindringen, was zu einer Korrosion und Beschädigung eines Bauteils führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem ein fester, formschlüssiger, wasserdichter und nur schwer zu lösender Haftverbund zwischen dem TPE bzw. TPE-S und einer metallischen Oberfläche geschaffen wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Nach der Erfindung wird die mit TPE oder TPE-S zu beschichtende, gereinigte, metallische Oberfläche vor deren Beschichtung mit einem Primer behandelt, der auf der Basis von chemisch modifiziertem, niedrig chloriertem Polypropylen besteht. Vorzugsweise wird der Primer vor Aufbringen des TPE's staubfrei unter Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur getrocknet. Es ist aber auch möglich, direkt nach Aufbringen des Primers das TPE aufzuspritzen, so daß die Trocknung des Primers unter der TPE- Schicht erfolgt. Dabei müssen die flüchtigen Stoffe des Primers in das TPE diffundieren.
Um einen festen Verbund der metallischen Oberfläche mit dem TPE zu erhalten, ist es nach der Erfindung weiterhin erforderlich, daß während oder nach dem Aufbringen des flüssigen TPE's der Primer auf eine Temperatur gebracht wurde, die oberhalb seiner Schmelztemperatur liegt. Dies ist einerseits vor Aufbringen des TPE's durch Erwärmung der metallischen Oberfläche bzw. des metallischen Werkstückes selbst - vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 40 bis 100°C - möglich, andererseits kann dies aber auch dadurch erreicht werden, indem erst nach dem Aufbringen des TPE's auf die geprimerte (haftvermittelte) metallische Oberfläche dieser Verbund insgesamt in einem Ofen getempert wird. Hierdurch ergibt sich ohne mechanische Verkrallung ein physikalischer Adhäsionsverbund, durch den es ermöglicht wird, für optische und technische Anwendungen feste und wasserdichte Verbindungen herzustellen. Die Endfestigkeit wird allerdings erst nach einigen Stunden erreicht.
Des weiteren läßt der Verbund auch die nach dem Nahrungs- oder Arzneimittelgesetz zugelassenen TPE-Typen zu, die somit für Hautkontakte, den Lebensmittel- oder den Diagnostikbereich eingesetzt werden können. Die Erfindung kann bei allen metallischen Oberflächen beliebiger Bauteile eingesetzt werden. Eine derartige Verbindung nach der Erfindung kann zur Erhöhung der Griffigkeit bis zu technischen Hart-Weich-Verbindungen zwecks Abdichtung oder Dämpfung benutzt werden.
Grundsätzlich ist also eine Anwendung für alle Gebrauchsgegenstände denkbar, insbesondere dort, wo eine optisch dauerhafte Gestaltung, eine gute Griffigkeit von hochwertigen metallischen Gütern, eine Dichtigkeit, eine Dämpfung auf einer metallischen Oberfläche gefragt sind. Es ist aber ansonsten jeder beliebige Einsatz möglich, bei dem Kunststoff zur Erzielung von bestimmten Vorteilen auf metallischen Oberflächen benötigt wird. Die Erfindung kann auch bei Bestecken im häuslichen Bedarf, bei Herstellungsmaschinen oder sonstigen Gebrauchsgütern angewendet werden, vorausgesetzt die Oberfläche ist aus metallischem Material, auf die das TPE aufgebracht werden soll. Es können aber auch Gehäuseöffnungen durch Bildung einer Membran verschlossen werden. Dabei muß vor Aufbringen des TPE auf der Oberfläche diese immer mit einem geschlossenen homogenen Primerfilm versehen sein.
Durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 werden die Eigenschaften des Primers festgelegt, damit besonders hohe und gleichmäßige Haftwerte des TPE's auf metallischen Oberflächen erreicht werden. Je höher der Festkörperanteil ist, desto geringer ist die Haftung, weil die Primerschichtdicke zunimmt und damit ein Adhäsionsbruch im Primer selbst entstehen kann. Bei zu niedrigen Temperaturen ergibt sich eine schlechte Haftung, bei zu hohen Temperaturen wird die Anwendung auf einigen metallisch beschichteten Kunststoffen problematisch, weil zum einen viele Kunststoffe zum Verzug/Verformung neigen und zum anderen bei metallisch beschichteten Kunststoffen zu Blasenbildung führen können. Um diese Nachteile zu vermeiden, ist eine Erweichungstemperatur im Bereich von ca. 75°C bis 95°C besonders vorteilhaft.
Nach den Merkmalen des Patentanspruchs 3 kann der Primer durch Spritzen, Tauchen, Walzen, Drucken oder ähnliche Verfahren, die allgemein zum Aufbringen von dünnen, flüssigen Schichten bekannt sind, aufgebracht werden. Vorteilhaft ist dabei, daß gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 4 die Schichtdicke zwischen 2 und 8 µm liegt. Dieser Dickenbereich hat sich deshalb besonders vorteilhaft gezeigt, weil in diesem Bereich optimale Festigkeiten im Kohäsionshaftverbund erzeugt werden.
Gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 5 ist die Primerschicht schmutz- und flüssigkeitsgeschützt luftgetrocknet, wobei in dem zuvor angegebenen Dickenbereich die Trockenzeit bei Außentemperatur von ca. 20°C 15 bis 30 Minuten beträgt.
Gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6 kann aber auch die Primerschicht durch Einbrennen getrocknet werden, wobei dann bei einer vorzugsweisen Trocknungstemperatur zwischen 80 und 100°C eine Trockenzeit bei den oben erwähnten Schichtdicken von mindestens 1 Minute benötigt wird.
Der Primer basiert auf ein chemisch modifiziertes, niedrig chloriertes Polypropylen, das sich durch eine besondere Affinität zu polyolefinischen Kunststoffen bzw. Copolymeren auszeichnet. Der Primer ist nahezu farblos, opak und elastisch. Eine Anwendung mit größer 5% Festkörperanteil ist auch möglich, jedoch bedeutet dies dickere Schichten und niedere Endfestigkeiten infolge eines sich ergebenden Kohäsionsbruches im Primer.
Die Haftung des TPE auf der metallischen Oberfläche beruht auf einem rein physikalischen Vorgang über Anquellen, Anschmelzen, Diffundieren und Verdampfen der Lösungsmittel auf der Oberfläche. Übrig bleiben filmbildende Harze. Ein wasserfester und wasserdichter Adhäsionsverbund, der in seiner Verbundfestigkeit über die Eigenfestigkeit des TPE's hinausgeht, entsteht erst durch Tempern des Substrats auf die erforderliche Prozeßtemperatur innerhalb oder außerhalb der Spritzgießform, speziell bei Metallen.
Besonders vorteilhaft ist es gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7, wenn das TPE dicht unterhalb der maximal zulässigen Verarbeitungstemperatur gespritzt wird.
Es ist aber nach den Merkmalen des Patentanspruchs 9 auch möglich, die metallische Oberfläche des Werkstückes vor Auftragen des Primers auf die erforderliche Temperatur von etwa 40 bis 100°C zu erwärmen, den Primer aufzubringen und dann einer staubgeschützten Lufttrocknung zu unterziehen. Anschließend kann dann das bereits vorgewärmte Werkzeug mit der metallischen Oberfläche in die Spritzgußwerkzeugweichform eingesetzt und das TPE auf die metallische Oberfläche aufgebracht, vorzugsweise aufgespritzt werden. Dabei kann die Form des TPE's jede beliebige Form in einem dreidimensionalen Raum annehmen. Nach einer Verweilzeit des Werkstückes und Aushärtung des TPE's kann die Spritzgußwerkzeugweichform geöffnet und das Werkzeug mit dem aufgespritzten TPE auf der metallischen Oberfläche aus diesem entfernt werden.
Es ist aber auch nach den Merkmalen des Patentanspruchs 10 möglich, den Primer aufzutragen und dann anschließend sofort das Werkstück mit der metallischen Oberfläche in die temperierte Spritzgußwerkzeugweichform einzusetzen und zu schließen und dann so lange zu warten, bis der Primer in dieser Form getrocknet und die metallische Oberfläche bzw. das Werkstück die erforderliche Temperatur erreicht hat. Dann wird das TPE auf die metallische Oberfläche aufgespritzt. Nach Aushärtung des TPE kann das Werkstück aus dem Spritzwerkzeug entfernt werden.
Gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 11 kann die metallische Oberfläche eine galvanische Kunststoffoberfläche, eine mit Metallen versehene bzw. durchsetzte Schicht beliebiger Beschaffenheit oder eine blanke Metallschicht sein.
Gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 12 wird auch noch ein beliebiges Werkstück, auf dessen metallischer Oberfläche ein TPE gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 fest aufgebracht ist, unter Schutz gestellt.

Claims

1. Verfahren zum festen Verbinden von thermoplastischen Elastomeren (TPE), vorzugsweise thermoplastischen Elastomeren-Styrolblockcopolymere (TPE-S), mit einer gereinigten metallischen Oberfläche eines Werkstückes, wobei zunächst die metallische Oberfläche mit einem auf der Basis von chemisch modifiziertem, niedrig chloriertes Polypropylen enthaltenden Primer behandelt wird, anschließend verflüssigtes TPE auf die so vorbehandelte metallische Oberfläche aufgebracht wird und daß der Primer vor oder nach dem Aufbringen des flüssigen TPE's auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primer einen Festkörperanteil von 5% ± 2% (Polymere) beinhaltet, mit Maleinsäureanhydrid (MSA) modifiziert ist und i-taktisch (isotaktisch) gebunden ist, daß der Chloranteil zwischen 21% und 23% des Festkörperanteils liegt, daß die Erweichungstemperatur des Primers größer 75°C bis 95°C, vorzugsweise im Bereich von 80°C, ist und daß die Molmasse zwischen 55 kg/mol und 65 kg/mol liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Primer durch Spritzen, Tauchen, Walzen, Drucken oder ähnliche Aufbringverfahren auf die gereinigte metallische Oberfläche aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Primer in einem geschlossenen Film mit einer Schichtdicke von 1 µm bis 15 µm, vorzugsweise im Bereich von 2 µm bis 8 µm, auf die metallische Oberfläche eines Werkstückes aufgetragen wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Primer nach Auftragen auf der metallischen Oberfläche eines Werkstückes luftgetrocknet wird, vorzugweise bei einer Trocknungszeit von ca. 30 min.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Primer auf der metallischen Oberfläche eines Werkstückes eingebrannt wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 100°C und einer Trocknungszeit von ca. 3 min.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das TPE dicht unterhalb der maximal zulässigen Verarbeitungstemperatur aufgeheizt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Oberfläche Teil eines metallischen oder nicht metallischen Werkstücks ist und daß, nachdem die metallische Oberfläche mit dem Primer vorbehandelt wurde, das Werkstück in eine Spritzgußwerkzeugweichform eingesetzt wird, daß anschließend auf die erwärmte metallische Oberfläche das flüssige TPE in beliebiger Form und Dicke aufgespritzt wird und daß nach Erstarren des TPE das Werkstück zur Weiterverarbeitung aus der Spritzgußwerkzeugweichform entfernt werden kann.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Oberfläche vor Einsetzen in der Spritzgußwerkzeugweichform auf die erforderliche Temperatur gebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Oberfläche nach Einsetzen in die Spritzgußwerkzeugweichform von dieser auf die erforderliche Temperatur gebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Oberfläche eine galvanische Kunststoffoberfläche, eine metallisch gefärbte Oberfläche, unbeschichtetes oder beschichtetes Metall ist.

12. Werkstück, bestehend aus einer metallischen Oberfläche und einem damit fest verbundenen thermoplastischen Elastomer (TPE), vorzugsweise einem thermoplastischen Elastomeren-Styrolblockcopolymer (TPE-S), dadurch gekennzeichnet, daß deren feste Verbindung mit einem Verfahren nach einem oder mehreren Patentansprüchen 1 bis 11 hergestellt ist.