DE102008009171B4

DE102008009171B4 - Verfahren zum Verkleben von Silikon- und Elastomerbauteilen

Info

Publication number: DE102008009171B4
Application number: DE102008009171.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Bisges; Dr. Wellmann Stefanie
Original assignee: WELLMANN TECHNOLOGIES GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: WELLMANN TECHNOLOGIES GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2028-02-15
Also published as: DE102008009171A1

Abstract

Verfahren zum Verkleben von Silikon- und Elastomerbauteilen, wobei – mittels einer dielektrisch behinderten Entladung eine laminare Plasmastrahlung erzeugt wird, die auf die später zu verklebende Substratoberfläche des jeweiligen Silikon- oder Elastomerbauteiles, d. h. Werkstückes, gerichtet wird – die Plasmabehandlung durch einen laminaren Plasmastrahl erfolgt, der mittels eines laminar in den Plasmaerzeuger einströmenden Prozessgases erzeugt wird, – nachfolgend im Inneren der laminaren Plasmastrahlung ein räumlicher Plasmabereich höchster elektrischer Leitfähigkeit, in dem eine Energieübertragung der Plasmaelektronen und -partikel erfolgt, ausgebildet wird, – weiterhin nachfolgend ein diesen räumlichen Plasmabereich umhüllender räumlicher weiterer Bereich, der ein Gasgemisch aus dem Plasmagas selbst und der Umgebungsluft erhält, erzeugt wird, – wiederum nachfolgend durch den laminaren Plasmastrahl eine glockenförmige Ausbildung (Plasmaglocke) des elektrisch leitfähigen Plasmabereiches und des diesen umhüllenden Bereiches oberhalb der Substratoberfläche des zu verklebenden Werkstückes erzeugt wird, – dass sich ein Gemisch aus gasförmigen Oberflächenbestandteilen des jeweiligen Bauteiles sowie des im Plasmazustand befindlichen Prozessgases in der Plasmaglocke befindet, wobei dabei der Zutritt von Luftsauerstoff verhindert wird, – nachfolgend das Plasma, bedingt durch die Stoßübertragung der Elektronen im leitfähigen Plasmabereich, direkt oberhalb der später zu verklebenden Substratoberfläche zündet, anschließend eine Aktivierung der Substratoberfläche durch das direkt oberhalb gezündete Plasma vorgenommen wird, – nach dieser Aktivierung die Plasmastrahlung beendet wird und das Aufbringen von UV-radikalisch oder UV-kationisch härtenden Klebstoff auf die Substratoberfläche erfolgt – der Klebstoff nach dem Aufbringen mittels UV-Strahlung aktiviert wird, – wiederum nachfolgend das Fügen/Verbinden des zu verklebenden Werkstückes erfolgt und – schließlich das Aushärten des Klebstoffes in einem Zeitbereich von 15 bis 60 Sekunden erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkleben von Silikon- und Elastomerbauteilen, insbesondere unter Verwendung einfacher Acryl- oder Epoxy-Klebstoffe.
UV-härtende Klebstoffe sind sehr gut zum extrem schnellen Fügen von Bauteilen in großer Stückzahl geeignet. Die Systeme sind einkomponentig, lösemittelfrei und härten unter Bestrahlung im Wellenlängenbereich von 300 nm–420 nm aus. Die Härtungsgeschwindigkeit liegt bei UV-Systemen in der Regel im Sekundenbereich bis Millisekundenbereich. Bei der Härtung von UV-Klebstoffen ist es erforderlich, dass die Absorption des Initiators im Klebstoff mit der emittierten Strahlung der UV-Lichtquelle möglichst genau übereinstimmt, um einen effektiven Härtungsverlauf zu erreichen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen radikalisch und kationisch härtenden UV-Klebstoffen. Die radikalisch härtenden Klebstoffe basieren zum überwiegenden Teil auf Acrylaten bzw. Methacrylaten, während die kationisch härtenden Klebstoffe zum größten Teil Epoxidharze als Basis haben Bei der radikalisch initiierten UV-Härtung findet unter UV-Bestrahlung ein Zerfall des Photoinitiators in freie Radikale statt. Diese leiten dann eine Kettenreaktion ein, welche in einer extrem schnellen Polymerisation einen dreidimensional vernetzten Klebstoff ergibt. Bei der kationisch initiierten UV-Härtung findet unter UV-Bestrahlung eine Bildung einer Supersäure statt, welche eine kationische Polymerisation einleitet. Auch hier entsteht in kürzester Zeit ein dreidimensional vernetzter Klebstoff. Das Besondere an kationisch vernetzenden Systemen ist, dass diese sich voraktivieren lassen und somit auch zum Kleben von nicht UV-transparenten Substraten geeignet sind. Alle UV-härtenden Klebstoffe zeigen eine gute bis sehr gute Haftung zu vielen unterschiedlichen Substraten Besonders gut lassen sich Metalle, Glas oder anlösbare Kunststoffe (z. B. PC, PMMA, PS und Blends, ABS, SAN, PVC) mit UV-Klebstoffen kleben.
Die WO 2007/104404 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmajets, wobei eine Aktivierung bzw. Oberflächenbehandlung mittels Plasma erfolgt und mittels eines strömenden Gases eine laminare Plasmaströmung erreicht wird. Ein Verkleben von Bauteilen ist nicht Gegenstand dieser Veröffentlichung.
Die DE 10 2004 029 081 A1 betrifft eine weitere Vorrichtung zur Bearbeitung eines Substrates mittels eines Plasmas sowie das entsprechende Verfahren. Dabei wird eine dielektrische Barriere benutzt, durch die die beiden Elektroden voneinander getrennt sind, so dass eine sog. Glimmentladung entsteht. Auch hierbei wird nicht auf ein Verkleben von Bauteilen abgestellt.
Die WO 00/14146 betrifft ein Verfahren zum Verkleben von Silikon- und Elastomerbauteilen, wobei die später zu verklebenden Oberflächen der Bauteile zunächst einer Plasmabehandlung unterzogen werden. Dabei wird ein in einem Plasmaerzeuger generierter Plasmastrahl auf die entsprechenden Oberflächen gerichtet wird. Nach dieser Plasmabehandlung wird mindestens die Oberfläche eines der Bauteile mit einem UV-härtendem Klebstoff beschichtet, nachfolgend erfolgt das Fügen der zu verklebenden Bauteile und schließlich das Aushärten des Klebstoffes. Diese Verfahren arbeitet mit unterschiedlichen Plasmakammern, die abgeschlossen sind und beispielsweise eine besondere Vakuumpumpe aufweisen. Dies macht das Verfahren und die zu dessen Durchführung notwendiger Plasmavorrichtung kompliziert und aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Verfahren zum effizienten, zuverlässigen Vorbehandeln mittels Plasma vor dem späteren Verkleben von Silikon- und Elastomerbauteilen zu finden.
Dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Durch die Erfindung ist es möglich, Silikon- und Elastomerbauteile im Anschluss an das verfahrensmäßig besonders ausgestaltetes Plasma-Vorbehandlungsverfahren nachfolgend mittels UV-radikalisch oder UV-kationisch wirkender Klebstoffe dauerhaft sehr schnell und zuverlässig zu verbinden, verbinden lassen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine dauerhafte, sehr schnell herstellbare Klebeverbindung mit Silikonwerkstoffen möglich. Darüber hinaus eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren auch positive Effekte bei Kunststoffen wie Polyamid, Polyurethan und Polyimid.
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtung sollen nachfolgend beispielhaft anhand von Zeichnungen noch näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 Einen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens
2 Eine für ein solches Verfahren geeignete Vorrichtung
3 Das Zusammenwirken der Vorrichtung mit der Oberfläche des zu verklebenden Werkstückes
4–8 Verschiedene Möglichkeiten der Aktivierung sowie der Zuführung von Klebstoff in schematischer Darstellung
Das in 1 in seinen grundsätzlichen Verfahrensschritten gezeigte erfindungsgemäße Verfahren geht aus von der Erzeugung einer laminaren Plasmastrahlung, insbesondere durch eine dielektrisch behinderte Entladung; auf eine geeignete Vorrichtung wird später noch eingegangen werden. Diese laminare Plasmastrahlung wird auf die später zu verklebende Substratoberfläche, d. h. Werkstückoberfläche, gerichtet.
Nachfolgend erfolgt im Inneren der laminaren Plasmastrahlung die Ausbildung eines räumlichen Plasmabereichs höchster elektrischer Leitfähigkeit, in dem eine Energieübertragung der Plasmaelektronen und -partikel erfolgt.
Weiterhin nachfolgend erfolgt die Ausbildung eines diesen Plasmabereich umhüllenden räumlichen weiteren Bereiches, der ein Gasgemisch aus dem Plasmagas selbst und der Umgebungsluft enthält.
Wiederum nachfolgend erfolgt eine glockenförmige Ausbildung des elektrisch leitfähigen Plasmabereiches und des diesen umhüllenden Bereiches oberhalb der Substratoberfläche des zu fügenden Werkstückes.
In der Folge zündet das Plasma, bedingt durch die Stoßübertragung der Elektronen im leitfähigen Plasmabereich, direkt oberhalb der später zu verklebenden Substratoberfläche.
Anschließend erfolgt eine Aktivierung der Substratoberfläche durch das direkt oberhalb gezündete Plasma.
Nach dieser Aktivierung wird die Plasmastrahlung beendet und es erfolgt das Aufbringen von UV-radikalisch oder UV-kationisch härtendem Klebstoff auf die Substratoberfläche.
Wiederum nachfolgend erfolgt das Fügen/Verbinden der zu verklebenden Werkstücke; daran anschließend schließlich das Aushärten des Klebstoffes.
2 zeigt eine geeignete Vorrichtung 1 mit dielektrischer Barriereentladung zur Erzeugung des Plasmas. Innerhalb der Elektrodenanordnung 2, 3 wird mittels angelegter Hochspannung 8 ein Plasma 5 erzeugt. Durch das laminar einströmende Prozessgas 6 zündet im Bereich zwischen den Elektroden das Plasma 5, welches über die anliegende, laminare Strömung aus dem Plasmaerzeuger 1 austritt. Die Strömungsvolumen und -geschwindigkeiten sind dabei so auf die Querschnittsflächen und -wandflächen abgestimmt, dass das Plasma in einer laminaren Strömung 11 aus dem Plasmaerzeuger austritt. Besonders geeignet ist die kommerziell verfügbare Plasmaerzeugungsvorrichtung „Plasmabrush^®” der Fa. Reinhausen Plasma^® GmbH.
3 zeigt das Zusammenwirken der Vorrichtung gemäß 2 mit der Oberfläche des zu fügenden Werkstücks aus Silikon- oder Elastomerwerkstoffen oder -gemischen aus und mit denselben. Das Prozessgas 20 wird über die Gaszuführung 21 dem Plasmaerzeuger zugeführt. Mittels anliegender Hochspannung 8 wird im Bereich 5 zwischen den Elektroden 2, 3 ein Plasma gezündet. Durch die Druckdifferenz des eintretenden Plasmagases 20 tritt das Plasma auf der Gegenseite des Plasmaerzeugers 1 an die Umgebung aus. Innerhalb des laminar strömenden Gases bildet sich ein Bereich höchster elektrischer Leitfähigkeit 22 aus, in dem es zu einer hocheffizienten Energieübertragung der Plasmaelektronen und -partikel kommt. Durch die laminare Strömung 24 wird dabei ein Einwirbeln von Luftsauerstoff in den inneren Bereich der Plasmaströmung effektiv verhindert. Nur in einem weiteren, umhüllenden Bereich 23 kommt es zur Beimischung von Luftsauerstoff durch die Strömung des Plasmas. Über der zu behandelnden Oberfläche des später zu fügenden Bauteils Silikon- oder Elastomerwerkstoff 27 bildet sich durch die laminare Strömung eine Plasmaglocke aus, deren Querschnitt gegenüber dem Durchmesser des Plasmastrahles selbst deutlich verbreitert ist. In Messungen wurde eine effektive Plasmaglocke 26 mit einem Durchmesser von 35 mm nachgewiesen. Innerhalb dieser Plasmaglocke 26 bildet sich in der Folge ein Gemisch aus gasförmigen Oberflächenbestandteilen des Bauteiles 27 sowie des im Plasmazustand befindlichen Prozessgases aus. Der Zutritt von Luftsauerstoff wird dabei durch das Strömungsprinzip verhindert. Durch die Stoßübertragung der Elektronen im leitfähigen Plasmakanal 22 zündet das Plasma direkt über der Substratoberfläche 28. Somit wird die in den Plasmaerzeuger 1 eingekoppelte elektrische Energie effizient auf die Oberfläche des Substrats gebracht. Durch die im Plasma vorliegenden aktiven Spezies, d. h. Elektronen, Ionen, Radikale wird die Oberfläche aktiviert; es werden dort Kristallisation und Aktivierungsprozesse initiiert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gekennzeichnet durch Art und Zusammensetzung des Plasmas. Durch die laminare Strömung wird die Energie nicht durch den Eintritt des Luftsauerstoffs in Wärmeenergie, d. h. kinetische Energie der Ionen, Radikale, gewandelt, sondern in Form von Elektronen in die Substratoberfläche eingekoppelt. Diese nicht thermische Einkopplung von freien Elektronen in die Substratoberfläche bewirkt dort teilweise nicht reversible Veränderungen, ohne jedoch durch eine starke thermische Belastung zu Umschmelzungen der Oberfläche zu führen.
Die nachfolgenden weiteren Figuren zeigen in schematischer Darstellung verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verklebung von zwei Bauteilen, wobei mindestens eines dieser Bauteile aus einem Silikon- oder Elastomermaterial besteht. Beispielhaft wird hier die Verklebung mit einem kationischen Klebstoff beschrieben, der vor dem Fügen der Bauteile aktiviert wird, und erst nach dem Fügen aushärtet. Im Rahmen der Erfindung ist aber auch die Verklebung mit radikalischen Klebstoffen möglich, wennschon nicht im Einzelnen erläutert.
4 zeigt eine Vorrichtung mit Plasmaerzeuger und zu behandeltem Substrat 27. Das Substrat 27 wird dabei unter dem Plasmaerzeuger in Richtung des Pfeils 30 bewegt, wodurch die gesamte Oberfläche des Substrats mit dem Plasma 36 überstrichen wird.
5 zeigt das Auftragen eines Klebstoffes 31 mittels einer Druckwalze 33 auf ein Substrat 34 das vor der Beschichtung gemäß 4 aktiviert wurde. Im Rahmen der Erfindung kann der Klebstoff beispielsweise auch aufgesprüht werden oder dispersiert werden.
6 zeigt die Aktivierung des Klebstoffes 37 mittels einer UV-Spannungsquelle 35. Durch die UV-Strahlung werden im Klebstoff 37 freie Radikale erzeugt, die eine Kettenreaktion eine Polymerisation auslösen. Über Inhibitoren im Klebstoff kann eine Verzögerung der Reaktion derart eingestellt werden, dass eine vollständige Aushärtung erst nach dem Fügen der zu verbindenden Bauteile erfolgt. Direkt nach der Bestrahlung ist der Initiator im Klebstoff aktiviert.
7 zeigt das Fügen zweier Bauteile, wobei mindestens eines davon aus einem Silikon oder Elastomermaterial besteht und mindestens eines mittels Plasmaaktivierung vorbehandelt wurde.
8 zeigt ein verklebtes Bauteil, aufweisend das Substrat 39, das weitere Substrat 37 und eine dazwischen befindliche Klebstoffschicht 31.
Insgesamt konnte die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem spezifischen Plasma-Vorbehandlungsverfahren der zu fügenden Werkstoffoberflächen bei Laborversuchen zuverlässig nachgewiesen werden. Die Verbindung der Klebstoffe mit den Werkstoffen ist dabei so gut, dass bei zerstörenden Prüfverfahren ein Bruch im Fügeteil, also dem Werkstoff selbst, stattfindet, während die Klebung intakt bleibt. Direkt nach der UV-Beschichtung wird eine Festigkeit erreicht, die noch nicht zum Fügeteilbruch führt, jedoch wird eine Funktionsfestigkeit erreicht, die ein Weiterverarbeiten des gefügten Verbundes schon nach einigen Sekunden ermöglicht.

Die nachfolgende Tabelle zeigt den Festigkeitsaufbau auf erfindungsgemäß plasmavorbehandeltem Silikonwerkstoff. Der Begriff der Endfestigkeit bedeutet dabei eine hundertprozentige Festigkeit, die immer zum Bruch im Fügeteil führt.

Klebstoff	Härtungszeit	Funktionsfestigkeit	Endfestigkeit
Photowell 1011	15 Sekunden	Direkt nach Belichtung	Nach 12 Stunden
Photowell 1014	20 Sekunden	Direkt nach Belichtung	Nach 8 Stunden
Catiowell 3006	60 Sekunden	Direkt nach Belichtung	Nach 4 Stunden
Catiowell 3007	30 Sekunden	Direkt nach Belichtung	Nach 2 Stunden

Bezugszeichenliste

1: Plasmaerzeuger mit dielektrischer Barrierenentladung
2: Ringförmige Außenelektrode
3: Stabförmige Innenelektrode
4: Rohrförmiger Isolator
5: Plasma
6: Strömungsrichtung Prozessgas (Argon, O₂, N₂, H₂, oder Gemische)
7: Elektrischer Anschluss Innenelektrode
8: Spannungsquelle
9: Erdpotenzial
10: Elektrischer Anschluss Außenelektrode
11: Austrittsrichtung Plasma laminare Strömung
12
13
20: Einströmendes Prozessgas
21: Zuführung Prozessgas
22: Leitfähiger Elektronenkanal im Kern der Plasmaströmung
23: Umhüllendes Gasgemisch aus Plasmagas und Umgebungsluft
24: Laminare Strömung des Plasmagases
25: Gasglocke aus Gemisch über der Substratoberfläche
26: Elektrisch leitfähiger, verbreiterter Plasmabereich über der Substratoberfläche
27: Substrat aus Silikon- oder Elastomerwerkstoffen
28: Substratoberfläche
29
30: Bewegungsrichtung des Substrats gegenüber dem Plasmaerzeuger
31: Lack- oder Klebstoffschicht auf der Substratoberfläche
32: Druckwerk
33: Druckwalze
34: Nicht beschichtete Substratoberfläche vor dem Druckwerk
35: Strahlungsquelle (UV/IR/VIS)
36: Bestrahlung der Beschichtung (Klebstoff/Lack)
37: Aktivierte Beschichtung nach der Bestrahlung
38: Aktivierte Beschichtung vor dem Fügen der Bauteile
39: Bauteil aus Silikon- oder Elastomerwerkstoffen
40: Fügekraft/-richtung
41: Ausgehärtete Klebstoffschicht zwischen den Silikon- oder Elastomerbauteilen

Claims

Verfahren zum Verkleben von Silikon- und Elastomerbauteilen, wobei – mittels einer dielektrisch behinderten Entladung eine laminare Plasmastrahlung erzeugt wird, die auf die später zu verklebende Substratoberfläche des jeweiligen Silikon- oder Elastomerbauteiles, d. h. Werkstückes, gerichtet wird – die Plasmabehandlung durch einen laminaren Plasmastrahl erfolgt, der mittels eines laminar in den Plasmaerzeuger einströmenden Prozessgases erzeugt wird, – nachfolgend im Inneren der laminaren Plasmastrahlung ein räumlicher Plasmabereich höchster elektrischer Leitfähigkeit, in dem eine Energieübertragung der Plasmaelektronen und -partikel erfolgt, ausgebildet wird, – weiterhin nachfolgend ein diesen räumlichen Plasmabereich umhüllender räumlicher weiterer Bereich, der ein Gasgemisch aus dem Plasmagas selbst und der Umgebungsluft erhält, erzeugt wird, – wiederum nachfolgend durch den laminaren Plasmastrahl eine glockenförmige Ausbildung (Plasmaglocke) des elektrisch leitfähigen Plasmabereiches und des diesen umhüllenden Bereiches oberhalb der Substratoberfläche des zu verklebenden Werkstückes erzeugt wird, – dass sich ein Gemisch aus gasförmigen Oberflächenbestandteilen des jeweiligen Bauteiles sowie des im Plasmazustand befindlichen Prozessgases in der Plasmaglocke befindet, wobei dabei der Zutritt von Luftsauerstoff verhindert wird, – nachfolgend das Plasma, bedingt durch die Stoßübertragung der Elektronen im leitfähigen Plasmabereich, direkt oberhalb der später zu verklebenden Substratoberfläche zündet, anschließend eine Aktivierung der Substratoberfläche durch das direkt oberhalb gezündete Plasma vorgenommen wird, – nach dieser Aktivierung die Plasmastrahlung beendet wird und das Aufbringen von UV-radikalisch oder UV-kationisch härtenden Klebstoff auf die Substratoberfläche erfolgt – der Klebstoff nach dem Aufbringen mittels UV-Strahlung aktiviert wird, – wiederum nachfolgend das Fügen/Verbinden des zu verklebenden Werkstückes erfolgt und – schließlich das Aushärten des Klebstoffes in einem Zeitbereich von 15 bis 60 Sekunden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil während der Plasmabehandlung relativ zum Plasmastrahl bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff mittels Druckwalze aufgebracht wird
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff aufgesprüht oder dispersiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werkstücke miteinander verklebt werden, von denen mindestens eines aus einem Silikon- oder Elastomermaterial besteht und mindestens eines mittels eines Plasmastrahles vor dem Aufbringen des Klebstoffes behandelt wird.