連接塑料的方法和拆開塑料復合物中連接的方法和塑料復合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種連接塑料（1、2)的方法以及一種拆開塑料復合物中的連接的方法和塑料復合物。本發(fā)明的目的在于提供一種方法，以該方法實現(xiàn)了塑料（1、2)的處于直接接觸的區(qū)域中的連接。通過一種連接塑料（1、2)的方法實現(xiàn)了該目的，其中，將材料（3)施布在待連接塑料（1、2)中的至少一塊上，該材料包含至少一種導電材料而且僅部分地覆蓋該塑料（1、2)，接著，該塑料(1,2)至少在該區(qū)域中與該材料（3)彼此形成接觸，而且此后，把至少這個區(qū)域暴露于交變電磁場(4)中至少一次。
【專利說明】連接塑料的方法和拆開塑料復合物中連接的方法和塑料復合物

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及化學領域，并涉及一種連接塑料的方法，譬如在眾多的工業(yè)應用中，像在汽車工業(yè)、飛機制造中以及在日用品和消耗品生產中、在包裝工業(yè)中可以為改進半成品和部件的使用性能而得到采用的方法。本發(fā)明還涉及拆開塑料復合物的連接的方法，譬如針對安全技術或者在回收工藝中所需的方法。

【背景技術】
[0002]對于塑料表面的連接，已知各種技術。在此，特別重要的是塑料焊接。
[0003]在焊接塑料邊界層時，原則上必須將熱能引入到兩塊塑料之間的邊界層中。邊界的像可抵達性和幾何形狀這樣的特性是采用各種方法的關鍵標準。對于已知的塑料焊接技術，只能采用熱塑性塑料，這是因為，它通過直接加溫熱塑性塑料(紅外焊接、通過加熱元件或加熱線圈焊接)造成兩塊塑料中至少一塊的流變學變化(熔體形成)并僅能由此實現(xiàn)焊接。在熔融區(qū)域冷卻和凝固之后，構造出新的材料結構，并通常導致兩塊塑料之間的持久粘附。把能量輸入到待接合的邊界層(接縫)中是塑料之間的固定連接的關鍵步驟。在實踐中，除了接縫之外，塑料的可觀的份額也被一起塑化或者在所期望的性能方面受到負面影響。
[0004]根據(jù)應用領域，采用不同的焊接方法，譬如激光焊接、熱板焊接、振動焊接或超聲波焊接。
[0005]對于激光焊接(DE102008038014 Al ；DE 112007002109 T5)，為至少一種塑料組分添加了傳導性填料，譬如碳黑。通過碳黑顆粒對光能的吸收導致了對周圍的塑料的加溫。該塑料組分局部地熔融，并且和第二塑料組分焊接在一起。
[0006]振動焊接一般利用固體摩擦和高壓，以便在塑料之間產生熔融區(qū)(EP 1346817Al ；EP 1772253 BI ；DE 10211875 Al ；DE 60207248T2)。該振動既可以直線地又可以軌道式地實施。
[0007]對于旋轉焊接，通過接合件彼此的相對運動進行必要的能量輸入。兩個接合件的至少一個必須具有旋轉對稱性，并且必須在塑料間使用高的壓力(EP 110914 Al ；W0002009018804 A2)。
[0008]在摩擦焊接方法的組中的另一方法利用了通過高頻機械振動產生的分子摩擦。這也被稱作超聲波焊接。在此，在壓力下將振動傳遞至塑料上，有利地傳遞至薄膜或較小的接合面上(AT 333979 E ；DE 69528314 T2)。
[0009]同樣已知的是另一接合塑料的方法，熱氣焊接。在此使用熱的氣體，通常是空氣，以便實現(xiàn)對塑料的塑化(AU 3094371 A ；AU 2882189A ；EP 521755 Al ；CH 702860 Al)。
[0010]另外由DE 2851612 Al已知的是，通過電流的塑料焊接和塑料液化。在此，為了借助在塑料中作為直接電流的電流并用在塑料中產生局部提高的電場情況下進行塑料焊接和塑料液化，引入并涂覆導電材料以便實現(xiàn)流動的電流，并且通過為了使電場線的局部集中而地點確定地引入的金屬屑引起地點確定的介電損耗，并且進而引起加溫。
[0011]代替簡單的塑料焊絲，在此，在熱空氣焊接時，將焊絲置入整個焊縫，該焊縫通過引入導電材料，譬如金屬屑或金屬粉而變成導電的。置于焊絲上的電壓在變?yōu)閷щ姷乃芰现挟a生電流，該導電的塑料例如通過鍍上金屬而在塑料表面產生。在介電焊接的情況下，局部地將金屬屑引入塑料焊絲或者焊縫導致電場線集中在金屬屑的位置，并因而導致在局部集中的損耗，以及因而有針對性的加溫。
[0012]該方法的缺陷在于，一方面要求直接的通過電流，并且必須要求對通過電流極為精確的控制，以便維持足夠的加溫，這是因為，在焊縫中的塑料表面沒有彼此的直接接觸，并且必須盡可能避免對塑料的熱損傷。


【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明的目的在于，提供一種連接塑料的方法，其中，實現(xiàn)了待連接塑料的部分直接接觸，并同時實現(xiàn)了對塑料的該區(qū)域的連接，還在于，提供一種拆開塑料復合物中的連接的方法，其以簡單的方式和方法實現(xiàn)，還在于，提供一種塑料復合物，其實現(xiàn)了在塑料表面的持續(xù)穩(wěn)定的連接。
[0014]該目的通過在權利要求書中給出的發(fā)明得以解決。有利的設計方案是從屬權利要求的主題。
[0015]對于根據(jù)本發(fā)明的連接塑料的方法，將材料施布在待連接塑料中的至少一塊上，該材料包含至少一種導電材料而且僅部分地覆蓋該塑料，接著，該塑料至少在該區(qū)域中與該材料彼此形成接觸，而且此后，至少這個區(qū)域暴露于交變電磁場中至少一次。
[0016]有利地采用熱塑性塑料，更有利地采用聚碳酸酯和聚酯作為塑料。
[0017]進而有利地，采用結構化形式的，更有利地，采用閉合的導體回線的形式的，規(guī)則或不規(guī)則的形式的或回形的材料，另外有利地采用帶有100 μ m至10_的尺寸的材料。
[0018]同樣有利地，采用球形的、橢球形的、小棒形的或星形的顆粒、更有利地帶有5-500nm平均直徑的顆粒作為材料。
[0019]而且還有利地，采用下述材料:該材料是薄膜組分。
[0020]有利的還有，采用由金屬制成的材料，有利地由金或銀制成的材料。
[0021]同樣有利的是，施布最大覆蓋了塑料的50%的材料。
[0022]進而有利的是，處于接觸狀態(tài)的塑料暴露于短暫且強烈的交變電磁場中。
[0023]而且還有利的是，處于接觸狀態(tài)的塑料暴露于交變電磁場中，該交變電磁場具有一次脈沖式的場強，或者更多次短暫相繼的脈沖式的場強，或者是其他隨時間變化的形式的場強。
[0024]有利的還有，處于接觸狀態(tài)的塑料暴露于至少30T的交變電磁場中，更有利地在I μ s至1ms之內暴露于至少30Τ的交變電磁場中。
[0025]同樣有利的是，處于接觸狀態(tài)的表面暴露于如下交變電磁場中，其帶有在更短時間內的更高的場強，或帶有在相同時間內更多次脈沖的更小的場強。
[0026]此外，在根據(jù)本發(fā)明的拆開塑料復合物的連接的方法中，為連接塑料，將材料施布在待連接的塑料中的至少一塊上，該材料包含至少一種導電材料而且僅部分地覆蓋該塑料，接著，該塑料至少在該區(qū)域中與該材料彼此形成接觸，而且此后，至少這個區(qū)域暴露于交變電磁場中至少一次，為拆開該連接，這個區(qū)域暴露于交變電磁場中至少一次，其中，該區(qū)域暴露于如下交變電磁場中，該交變電磁場帶有比連接時更高的場強，或者在同樣的場強和同樣的時間采用比連接時更多數(shù)量的脈沖。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的塑料復合物由至少兩塊塑料組成，這至少兩塊塑料至少材料鎖合地并且在其連接區(qū)域中至多部分地彼此連接，其中，在它的連接區(qū)域中存在含有至少一種導電材料的材料。
[0028]有利地，材料鎖合的連接通過化學反應進行。
[0029]通過本發(fā)明，第一次給出了一種方法，其中，實現(xiàn)了對待連接塑料的部分直接接觸，而且同時，實現(xiàn)了塑料的這些區(qū)域的連接。同樣，本發(fā)明第一次給出了拆開在該塑料復合物中的連接的方法，其中，對該連接的拆開以簡單且沒有殘留的方式和方法實現(xiàn)。此外，通過根據(jù)本發(fā)明的解決方案，第一次知道了以下塑料復合物，即，在其中實現(xiàn)了對塑料表面的持續(xù)穩(wěn)定連接。
[0030]這一點如此實現(xiàn)，其方式為，將材料施布在待連接塑料中的至少一塊上，該材料包含至少一種導電材料而且僅部分地覆蓋該塑料。接著，該塑料至少在該區(qū)域中與該材料彼此形成接觸，而且至少這個區(qū)域暴露于交變電磁場中至少一次。
[0031]根據(jù)本發(fā)明，應用這些材料作為塑料，其既不導電，又不導熱。有利地，適合的是熱塑性塑料和那些針對本發(fā)明的解決方案額外含有功能性耦聯(lián)基團的塑料。有利地，可以采用聚碳酸酯和聚酯。
[0032]采用包含至少一種導電材料的那些作為材料。有利地，它可以為金屬材料。
[0033]該材料可以以未經結構化或者經結構化的形式存在和/或施布。
[0034]未經結構化形式的材料可以例如為顆粒，這些顆粒是球形的、橢球形的、小棒形的或星形的并且有利地具有5-500nm平均直徑。于是，這種未經結構化的顆粒可以以經結構化的形式施布到塑料上。
[0035]另外，可以將結構化形式的材料施布到塑料上，例如閉合的導體回線的形式的材料，規(guī)則或不規(guī)則的形式的或回形的材料，另外有利地帶有ΙΟΟμπι至10_的尺寸的材料。材料的平均直徑可以有利地位于待焊接塑料的粗糙度區(qū)域中。
[0036]該材料還可以是薄膜組分，其施布到塑料上。由此，可以更好地調整材料在塑料上的分布和布置或者結構取向。
[0037]無論如何，該材料僅部分地覆蓋塑料，由此使位于其間的塑料區(qū)域可以彼此連接。有利地，覆蓋率為相應塑料的最高50%。
[0038]接著，塑料至少在此(材料所在的地方)形成接觸，而且此后，至少這個區(qū)域暴露于交變電磁場中至少一次，或多次。
[0039]有利地，該區(qū)域在短時間(1-1Oys)內暴露在強的(60-100Τ)交變電磁場下。
[0040]根據(jù)本發(fā)明還有可能，整個待連接的塑料暴露于交變電磁場下。
[0041 ] 在此，交變電磁場的場強的施加可以是一次脈沖式的，或者更多次短暫相繼的脈沖式的，或者其他隨時間變化的形式的。
[0042]有利地，處于接觸狀態(tài)的塑料暴露于交變電磁場下，其中，磁場強度的變化有利地在IT/ms至40T/ms之間。
[0043]根據(jù)本發(fā)明，進而有利的是，處于接觸狀態(tài)的塑料暴露于帶有在更長時間內的更高場強的電磁場的變化之中，或者暴露于帶有在更短時間內的更小場強的電磁場的變化之中。此外還有利的是，處于接觸狀態(tài)的塑料經更長時間暴露于帶有更小的場強變化的、周期性變化的電磁場中。
[0044]此外，該任務通過一種拆開塑料的連接的方法得到解決。在此，格外重要的是，該連接是根據(jù)上述的連接塑料的方法實現(xiàn)的。通過根據(jù)本發(fā)明的拆開塑料的連接的方法，可以把這樣的連接拆開。
[0045]根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)這一點，其方式為，至少連接的塑料的區(qū)域暴露于如下交變電磁場中，其帶有比建立連接時更高的場強，或者在同樣的場強下比建立連接時采用更短的時間。
[0046]由此打斷了所生成的連接。
[0047]特別有利的是，如此拆開的連接可以通過重新施布材料和施加電場可以再次建立。
[0048]所生成的根據(jù)本發(fā)明的塑料復合物由至少兩塊塑料組成，這至少兩塊塑料至少材料鎖合地并且在其連接區(qū)域至多部分地彼此連接。該復合物在它的連接區(qū)域具有含有至少一種導電材料的材料。
[0049]有利地，材料鎖合的連接通過塑料彼此的化學反應進行。
[0050]兩種或多種聚合物通常不能彼此連接。化學反應以及由此可能的對共價鍵的構造只能通過功能性耦聯(lián)基團的存在并在達到活化能后得以實現(xiàn)。通常，活化能僅可以通過引入熱能來達到。由于聚合物基本上是熱的不良導體，必須施加巨大的能量，以便在大多是隱藏的聚合物-聚合物邊界層上達到必需的溫度。這經常導致聚合物材料的熱損傷，從而以該方式不能實現(xiàn)聚合物之間的熱學誘導的反應。
[0051]以根據(jù)本發(fā)明的方案，僅在塑料-塑料邊界層區(qū)域有針對性地引入熱能，而不會導致塑料的損傷或熱負載。
[0052]在此，根據(jù)本發(fā)明，通過交變電磁場進行:耦合入必需的活化能，通過該交變電磁場在含有至少一種導電材料的材料中誘導出等離子體振動和/或渦流，而不會通過直接將電流施加到材料上(該材料含有至少一種導電材料)。
[0053]在接合至少兩塊塑料之前，將材料施布在至少一塊塑料上，而且在塑料接合之后該材料位于塑料-塑料邊界層。由于電阻，一次性誘導出的等離子體振動或渦流導致限制在局部的短時加溫。如果達到了塑料的活化能，則會發(fā)生化學反應以及構造出塑料之間的共價鍵。
[0054]不會發(fā)生剩余塑料材料的熱學變化。
[0055]如果不通過化學鍵生成共價耦聯(lián)，則根據(jù)本發(fā)明，通過物理相互作用進行塑料表面的連接。
[0056]通過根據(jù)本發(fā)明的方案，能量輸入僅在塑料邊界層實現(xiàn)，并且不會對塑料體造成能量負載、特別是熱學負載。
[0057]根據(jù)本發(fā)明的方案的優(yōu)勢在于:
[0058]-更小的熱學導致的翹曲，
[0059]-有針對性把能量輸入到塑料-塑料邊界層
[0060]-短的交變電磁場作用時間，
[0061]-準同步焊接，
[0062]-在內邊界層的塑料厚度不發(fā)生限制，這是因為交變電磁場不與塑料起相互作用，
[0063]-環(huán)境氣氛可以自由選擇，
[0064]-不復雜的反應建立和反應結束，
[0065]-可以實現(xiàn)很大的工作距離，
[0066]-能夠大范圍地對方法進行變化，而且能夠通過調整電磁場(像強度、脈沖長度、脈沖重復率)和材料的設計(像材料、大小、形狀)來對相應的塑料進行調整，
[0067]-無需另外的化學添加劑和催化劑，
[0068]-不限制連接區(qū)域和邊界層的幾何形狀(像大小、形狀)，
[0069]-穩(wěn)定、永久復合粘附一不僅基于物理效應，而且通過在邊界層形成共價鍵，
[0070]-經塑料-塑料邊界層的化學反應，而沒有對聚合物材料的反作用，
[0071]-建立帶有新的性能的新的聚合物復合物。
[0072]相對于已知的塑料焊接方法，根據(jù)本發(fā)明的解決方案的目的一方面在于固定而永久的復合物形成。該方法可以很靈活地應用于極為不同的塑料系統(tǒng)。在冷卻時，塑料不會發(fā)生熱學收縮。這是因為，根據(jù)本發(fā)明的方法以準同步方式工作，它具有很短的接合時間，并且還擁有對接合縫幾何形狀的自由選擇。
[0073]然而同時，可以通過電磁場作用方式的變化，根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)這種連接的連接和拆開，并且同時，這個過程可以相繼地重復多次。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0074]通過實施例進一步闡明本發(fā)明。附圖中:
[0075]圖1以橫截面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的復合物形成的圖解。
[0076]圖解I為用于在聚碳酸酯和聚乙烯胺之間的化學復合物形成的反應實施例
[0077]圖解2為用于拆開聚碳酸酯和聚乙烯胺之間的化學耦聯(lián)復合物的反應實施例

【具體實施方式】
[0078]實施例1
[0079]尺寸為IcmX Icm的、由基于雙酚A的聚碳酸酯(PC)制成的塑料成型體試樣應當與尺寸為IcmX Icm的、由以氨基功能化的聚乙烯胺(PVAm)制成的塑料成型體連接。聚碳酸酯(PC)的玻璃化轉化溫度為大約145°C，而聚乙烯胺(PVAm)的為大約130°C。
[0080]在由PC制成的塑料體上施布由金制成的環(huán)，其尺寸為:外直徑5mm、環(huán)厚度(Ringdicke) 1mm、環(huán)高度(Ringst&rke) 150nm。由此實現(xiàn)了 10%的塑料的覆蓋率。
[0081]然后，由PC和PVAm制成的待連接的塑料體在環(huán)所處的區(qū)域彼此形成接觸，并且，兩個體暴露于60T的電磁脈沖下7ms。
[0082]在達到活化能后觸發(fā)的耦聯(lián)反應如下所示地進行:
[0083]'OjlJx^-———? HO—^-j-^—OH
"'" mB___M
PCFVAm




f"""I
^^1^。丄。丫L 喊
L」Urethan
[0084]圖解I
[0085]Bisphenol-A=IfDA
[0086]Urethan =尿燒
[0087]所生成的PC和PVAm的復合物在邊界層具有未改變的環(huán)，并且在直接接觸區(qū)域通過化學反應實現(xiàn)兩塊塑料的共價鍵。該復合物是粘附牢固且持久的。
[0088]這個化學耦聯(lián)的塑料復合物的拆開在如下條件下進行:交變電磁場重新作用兩次，每次分別為10T/ms。
[0089]在此，在塑料復合物的邊界層內部會發(fā)生化學鍵的斷裂。兩個塑料成型件的分離在加溫狀態(tài)下的能量達到的時候或者之后馬上進行。
[0090]
_ O—jO
—0JL0—λ..;__.0」.\
LJn-PNH NH2


I— I ’

Urethan,t

AT I AT.................................Μ^?ιιιιιι^Βη I



f
0..................11/..'? O= C= N Nl**^
—"-ο......................1l.....................ο..........................〈 ( } y------'':.■ - OH\ f —I

h......./f η,
PolycarbnnarL



ls?yanat
[0091]圖解2
[0092]Urethan =尿焼
[0093]Polycarbonat =聚碳酸酯
[0094]I socyanate =異氰酸酯
[0095]附圖標記說明
[0096]I塑料 I
[0097]2塑料 2
[0098]I’與塑料2裝配在一起
[0099]2’與塑料I裝配在一起
[0100]3表面上的材料
[0101]3’邊界層中的材料
[0102]4交變電磁場
[0103]I連接前的塑料
[0104]II裝配在一起但還未連接的塑料
[0105]III交變電磁場的作用
【權利要求】
1.一種連接塑料的方法，其中，將材料施布到待連接的塑料中的至少一塊上，所述材料包含至少一種導電材料而且僅部分地覆蓋所述塑料，接著，所述塑料至少在所述區(qū)域中與所述材料彼此形成接觸，而且此后，至少這個區(qū)域被暴露于交變電磁場中至少一次。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，采用熱塑性塑料作為塑料，有利地采用聚碳酸酯或聚酯作為塑料。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，采用結構化形式的，有利地采用閉合的導體回線的形式的，規(guī)則或不規(guī)則的形式的或回形的材料，另外有利地采用帶有100 μ m至10_的尺寸的材料。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，采用球形的、橢球形的、小棒形的或星形的顆粒作為材料，有利地采用帶有5-500nm平均直徑的顆粒作為材料。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，采用下述材料，即:所述材料是薄膜組分。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，采用由金屬材料制成的、有利地由金或銀制成的材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，施布最大覆蓋了塑料的50%的材料。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，處于接觸狀態(tài)的所述塑料暴露于短暫且強烈的交變電磁場中。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，處于接觸狀態(tài)的所述塑料暴露于交變電磁場中，所述交變電磁場具有一次脈沖式的場強，或者更多次短暫相繼的脈沖式的場強，或者其它隨時間變化的形式的場強。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，處于接觸狀態(tài)的所述塑料暴露于至少30T的交變電磁場中，有利地在I μ S至1ms之內暴露于至少30Τ的交變電磁場中。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，處于接觸狀態(tài)的表面暴露于如下交變電磁場中:所述交變電磁場帶有在更短時間內更高的場強，或帶有在相同時間內更多次脈沖的更小的場強。
12.—種拆開塑料復合物的連接的方法，其中，為了連接塑料，將材料施布在待連接的塑料中的至少一塊上，所述材料包含至少一種導電材料而且僅部分地覆蓋所述塑料，接著，所述塑料至少在所述區(qū)域中與所述材料彼此形成接觸，而且此后，至少這個區(qū)域被暴露于交變電磁場中至少一次，并且為了拆開該連接，這個區(qū)域被暴露于交變電磁場中至少一次，其中，所述區(qū)域暴露于如下交變電磁場中:所述交變電磁場要么帶有比連接時更高的場強，要么在同樣的場強和同樣的時間采用比連接時更多數(shù)量的脈沖。
13.—種塑料復合物，塑料復合物由至少兩塊塑料組成，所述塑料至少材料鎖合地并且在其連接區(qū)域至多部分地彼此連接，其中，在所述塑料的連接區(qū)域存在含有至少一種導電材料的材料。
14.根據(jù)權利要求13所述的塑料復合物，其中，材料鎖合的連接通過化學反應進行。
【文檔編號】B29C65/76GK104220239SQ201380018592
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年1月29日 優(yōu)先權日:2012年2月1日
【發(fā)明者】科迪莉亞·齊默勒, 格拉爾德·施泰納格特·海因里希 申請人:德累斯頓協(xié)會萊布尼茨聚合物研究所