NL9000714A - Polymeersamenstelling. - Google Patents

Description

POLYMEERSAMENSTELLING

De uitvinding heeft betrekking op het gebruik maken van M0.n(Fe20j), waarbij M een tweewaardig metaalion is en waarbij n groter is dan 1, voor het maken van een mengsel op basis van tenminste één thermoplast.

Mengsels van thermoplasten en M0.n{Fe20g) zijn bekend uit het Europese octrooischrift 142297. In dit octrooischrift worden mengsels beschreven bevattende tenminste 0.05 gew% Ferriet en een thermoplast. Het mengsel wordt in gesmolten toestand geleid door een magneetveld, bij voorkeur met een sterkte van tenminste 0.05 tesla, voordat het mengsel tot een bepaald voorwerp wordt gevormd. Dergelijke voorwerpen vinden hun toepassing als permanente magneten.

In het octrooischrift wordt echter niet onderkend dat mengsels van thermoplasten en MO.nFe203 door middel van electromagnetische veldenergie gesmolten kunnen worden en derhalve zeer geschikt zijn als bijvoorbeeld een lasmedium, voor het aan elkaar verbinden van niet-geleidende materialen, of als afdeklaag (coating) op materialen.

Grote complexe voorwerpen, die vervaardigd worden uit thermoplastische materialen, worden vaak samengesteld uit twee of meer delen. Deze delen kunnen dan door middel van een lastechniek samengevoegd worden. Een zeer geschikte lastechniek om delen aan elkaar te verbinden, waarbij een structurele stoffelijke eenheid verkregen wordt, is de electromagnetische lastechniek en in het bijzonder de inductieve lastechniek. Omdat thermoplastische materialen niet of nauwelijks electromagnetische veldenergie kunnen absorberen, en daardoor niet opwarmen, kan gebruik gemaakt worden van een lasmedium dat deze electromagnetische veldenergie wel kan absorberen.

Ferrieten behoren tot de groep van materialen die electromagnetische veldenergie kan absorberen en zijn zogenaamde ferromagnetische materialen. Indien een ferro-magnetisch materiaal onderworpen wordt aan een (electro-)-magnetisch veld treedt er bij relatief lage magnetische veldsterktes, een zogenaamde, magnetische verzadiging op.

Dit is de maximale magnetische inductie die in het materiaal opgewekt kan worden. Nadat het veld is uitgeschakeld blijft er in het ferromagnetische materiaal een positieve magnetische inductie over, de zogenaamde remanente inductie B [Gauss]. Het magnetische veld dat nodig is om de Br op te heffen is de zogenaamde coërcitieve veldsterkte Hc [Oersted]. Zowel de remanente inductie Br als de coërcitieve veldsterkte H zijn materiaaleigenschappen. Beiden bepalen

C

in hoge mate de vorm en het oppervlak van een zogenaamde hystereselus die ontstaat indien een ferromagnetisch materiaal onderworpen wordt aan een wisselend (electro-)-magnetisch veld. Het oppervlak van de hystereselus is gekoppeld aan de gedissipeerde energie in het materiaal. Naarmate dit oppervlak groter is is ook de gedissipeerde energie groter. De hoeveelheid gedissipeerde energie per tijdseenheid, die in het materiaal opgewekt kan worden, is afhankelijk van de opgelegde frequentie. De frequentie van de opgelegde electromagnetische veldenergie kan in principe vrij gekozen worden en zal in de praktijk voor een bepaalde toepassing geoptimaliseerd worden.

Voor het aan elkaar verbinden van thermoplastische delen zijn er een aantal werkwijzen bekend waarbij een structurele stoffelijke eenheid verkregen wordt zoals de ultrasone lastechniek en de electromagnetische lastechnieken. Ultrasone verbindings- of lassystemen benutten de acoustische eigenschappen van het te verbinden materiaal. Hoog frequent electrische energie (10-50 KHz) wordt omgezet in mechanische vibraties of pulsen die door middel van een hoorn of een resonantie mechanisme, overgedragen worden op de te lassen delen. De vibraties gaan door het materiaal en op de gemeenschappelijke verbindingspunten wordt de mechanische of acoustische energie gedissipeerd in warmte.

De gegenereerde warmte ter plaatse van de las is in de meeste gevallen groot genoeg om vrijwel instantaan de temperatuur van het materiaal tot boven het smeltpunt te laten stijgen. Omdat dit een zeer locaal effect is blijft de rest van het materiaal relatief koel. Nadat het materiaal ter plaatse van de las is opgesmolten wordt de energie uitgezet en worden de delen voor een korte periode op elkaar gehouden zodat het gesmolten materiaal ter plaatse van de lasverbinding kan stollen. Indien een dergelijke lastechniek toegepast wordt zijn er een aantal basis criteria die van belang zijn voor een goede las. Ten eerste moet het materiaal een goede geleider zijn voor de opgelegde mechanische/acoustische vibraties. Verder dienen de lasnaden/lasrillen een bepaald ontwerp te hebben om een goede verbinding te verkrijgen. De meest ideale lasverbinding wordt verkregen indien de initiële contactpunten scherp/puntig zijn. Dergelijke ontwerpen zijn meestal zeer kostbaar en bovendien wordt er alleen op die plaatsen energie gedissipeerd waar de normaalvector van de raakvlakken een component heeft in de richting van de opgelegde vibratie. Op de raakvlakken die evenwijdig lopen met de opgelegde vibratie (de normaalvector staat dan loodrecht op die vibratierichting) wordt dus geen lasverbinding verkregen. De techniek is echter zeer geschikt om thermoplastische voorwerpen te lassen die een sterk georiënteerde laag aan het oppervlak hebben. Dergelijke georiënteerde oppervlakte lagen treden bijvoorbeeld op bij (gevulde) thermoplasten, die met behulp van een spuitgiet- of een extrusie-techniek, verwerkt zijn en bij de vloeibaar kristallijne polymeren. Aangenomen wordt dat ter plaaste van de lasverbinding een verstoring plaats vindt van de oriëntatie waardoor de moleculen in de oppervlakken beter in elkaar kunnen diffunderen en de lasverbinding sterker wordt.

Inductieve lastechnieken benutten de electrische en/of magnetische eigenschappen van materialen. De generatie van warmte is het gevolg van de verliezen die in een geleider optreden indien deze geleider onderworpen wordt aan aan electromagnetische veldenergie. Indien een geleider, bijvoorbeeld een metaal, onderworpen wordt aan een dergelijk veld treden wervelstromen op. Door de ohm-se verliezen in het materiaal warmt het op. Materialen die niet alleen geleidend maar ook magnetisch zijn warmen sneller op dan materialen die alleen electrisch geleidend zijn. Dit is een gevolg van de additionele magnetische verliezen in dergelijke materialen. Een groep van materialen die zowel electrische als magnetische eigenschappen hebben zijn de zogenaamde ferromagnetische materialen. Indien een ferro-magnetisch materiaal onderworpen wordt aan een (electro-)-magnetisch veld treedt er bij relatief lage magnetische veldsterktes, een zogenaamde, magnetische verzadiging op.

Dit is de maximale magnetische inductie die in het materiaal opgewekt kan worden. Nadat het veld is uitgeschakeld blijft er in het ferromagnetische materiaal een positieve magnetische inductie over, de zogenaamde remanente inductie Br [Gauss]. Het magnetische veld dat nodig is om de Br op te heffen is de zogenaamde coërcitieve veldsterkte Ηβ [Oersted]. zowel de remanente inductie Br als de coërcitieve veldsterkte Hc zijn materiaaleigenschappen. Beiden bepalen in hoge mate de vorm en het oppervlak van een zogenaamde hystereselus die ontstaat indien een ferromagnetisch materiaal onderworpen wordt aan een wisselend (electro-)magnetisch veld. Het oppervlak van de hystereselus is gekoppeld aan de gedissipeerde energie in het materiaal. Naarmate dit oppervlak groter is is ook de gedissipeerde energie groter. De hoeveelheid gedissipeerde energie per tijdseenheid, die in het materiaal opgewekt kan worden, is afhankelijk van de opgelegde frequentie. De frequentie van de opgelegde electromagnetische veldenergie kan in principe vrij gekozen worden en zal in de praktijk voor een bepaalde toepassing geoptimaliseerd worden. Commercieel verkrijgbare lasapparatuur werken met een frequentie tussen 3-10 MHz. Het lassen van thermoplasten met behulp van een inductieve lastechniek kan over het algemeen zeer eenvoudig zijn omdat alleen tussen de te lassen thermoplastische delen een absorbtie medium voor de electromagnetische veldenergie gebracht moet worden. Dit absorbtiemedium is vaak een polymeersamenstelling op basis van een thermoplast en een ferromagnetisch materiaal in de vorm van een folie of een lasstreng. Voordelen van een dergelijke techniek zijn: i) geen dure> complexe vormgeving van de lasrillen, ii) grote lasvlakken zijn mogelijk, iii) de raakvlakken kunnen vrijwel elke vorm hebben, iv) zeer grote voorwerpen kunnen gelast worden, v) een goede dichtheid kan bewerkstelligd worden.

Een nadeel van een dergelijke techniek is dat de oppervlakken van de lasdelen wel opgesmolten worden maar de oriëntatie van de moleculen in raakvlakken blijft over het algemeen behouden. Sterk georiënteerde moleculen of moleculen met een stijve structuur, zoals bij vloeibaar kristallijne polymeren, hebben in de smelt een zeer lage bewegingsvrijheid en een zeer lage bewegingssnelheid waardoor de diffusiesnelheden zeer laag zijn. Moleculen moeten in elkaar diffunderen anders wordt er geen stoffelijke eenheid verkregen. Bij raakvlakken met een zeer sterke oppervlakte-oriëntatie kan dus het gevolg zijn dat de lasverbinding daardoor niet optimaal wordt.

Ten opzichte van de ultrasone lastechniek is de inductieve lastechniek een langzame techniek omdat de opwarmtijd meestal in de orde van 20-120 s ligt.

Het is ook mogelijk om materialen door het opleggen van een laag frequente electromagnetische veldenergie een mechanische trilling te geven. Dit is gebaseerd op het verschijnsel dat een vaste stof onder invloed van een opgelegd magneetveld rek kan vertonen. Deze geïnduceerde rek heet magnetostrictie. Bij thermoplastische polymeersamenstellingen kan magnetostrictie optreden indien de samenstelling magnetische of magnetiseerbare deeltjes bevat of indien de samenstelling polariseerbare polymeer-moleculen bevat. De optredende rekken zijn over het algemeen erg klein. Bij een wisselend magneetveld zoals bij het opleggen van een electromagnetische veldenergie zal er een mechanische trilling in een dergelijk materiaal ontstaan met een zeer kleine amplitude. Indien de thermoplastische poly-meersamenstelling in de smeltfase onderworpen wordt aan een dergelijke electromagnetische veldenergie wordt er aangenomen dat de amplitude van de mechanische trilling iets groter zal zijn omdat de bewegingsvrijheid van de magnetische of magnetiseerbare deeltjes en van de polymeer-moleculen veel groter is.

Het is een doel van de uitvinding door het gebruik te maken van M0.nFe20g en verder tenminste één thermoplast een mengsel te verschaffen dat vloeibaar gemaakt kan worden en derhalve uitermate geschikt is als lasmedium of als afdek materiaal.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat het mengsel door middel van electromagnetische veldenergie vloeibaar gemaakt wordt.

Hierdoor wordt bereikt dat, door het gebruik maken van M0.nFe20j in een mengsel volgens de uitvinding, per hystereselus voldoende energie gegenereerd wordt om bij een bepaalde frequentie de polymeersamenstelling in korte tijd tot boven het smeltpunt van het polymeer te verhitten. Op deze wijze kunnen thermoplast-bevattende delen door middel van electromagnetische lastechnieken, zoals inductieve opwarming, aan elkaar verbonden kunnen worden. De goede mechanische, thermische en chemische eigenschappen van de afzonderlijke delen worden door de lasbewerking niet aangetast. Verder wordt bereikt dat, met hulp van de polymeersamenstelling volgens de uitvinding, de mechanische eigenschappen van samenvloeinaden, die bijvoorbeeld in een voorwerp dat vervaardigd is uit LCP's optreden, verbeteren. LCP's zijn thermoplasten die anisotroop gedrag in de smeltfase vertonen.

Doordat het mengsel volgens de uitvinding in zeer korte tijd opgesmolten wordt is het derhalve ook zeer geschikt voor het vormen van een afdek- of beschermingslaag op materialen.

Verder voordelen van het gebruik maken van MO.nFe20g/ waarbij M een tweewaardig metaalion is en waarbij n groter is dan 1, in een mengsel volgens de uitvinding zijn:

Door het chemische karakter van M0.nFe20g worden ook zeer reactieve thermoplasten en thermoplasten met hoge (>300°C) of zeer hoge (>400°C) smeltpunten opgesmolten worden zonder dat er aantoonbare reacties optreden die de materiaal eigenschappen kunnen verslechteren.

- Doordat per hystereselus veel warmte wordt gegenereerd kunnen ook thermisch minder stabiele thermoplasten opgesmolten worden zonder dat er veel thermische degradatie optreedt.

Het is bekend dat thermoplasten gevuld kunnen worden met ferromagnetische materialen en electromagnetisch opgewarmd kunnen worden. Er is echter in geen enkel geval onderkent dat MO.nFe2C>2# waarbij M een tweewaardig metaalion is en waarbij n groter is dan 1, zeer geschikt is als absorberend medium.

Het mengsel volgens de uitvinding kan alle bekende thermoplasten bevatten. In het bijzonder kan het mengsel volgens de uitvinding hoogwaardige thermoplasten bevatten zoals bijvoorbeeld: polyamiden, polyesters, polyesteramides, vloeibaar kristalline polymeren, polyetheretherketon, polyetherketon, polyetherketonetherketon, polyetherimide, polyamideimide, polyphenyleensulfide, polyethersulfon, polyphenyleenether en fluoropolymeren.

Het mengsel volgens de uitvinding kan verkregen worden door de componenten te mengen in een menginrichting. Tijdens dit proces kunnen ook andere vulstoffen en/of additieven zoals bijvoorbeeld stabilisatoren, smeermiddelen, oplosmiddelen, kleurstoffen, organische en/of anorganische vulstoffen op elke bekende wijze, en in een willekeurige volgorde, toegevoegd worden. Het zal duidelijk zijn dat alle componenten ook in een keer met elkaar gemengd kunnen worden. Bekende menginrichtingen zijn bijvoorbeeld Banbury-mengers en enkel- of dubbelschroefs-extruders.

Bij voorkeur bevat de vulstof BaFei2°i9*

Hierdoor wordt bereikt dat een relatief goedkoop, goed verkrijgbaar ferriet wordt toegepast, dat een hoge remanente inductie B„ en een hoog coërcitive veldsterkte H„ r c heeft waardoor een grote hoeveelheid energie per hystereselus wordt gegenereerd.

Het mengsel volgens de uitvinding bevat bij voorkeur een polycondensaat en bij voorkeur een polyamide of een vloeibaar kristallijn polymeer.

Een ander doel van de uitvinding is, onder gebruikmaking van een polymeersamenstelling volgens de uitvinding, een werkwijze te verschaffen waardoor een verbeterde las-verbinding wordt verkregen.

Dit doel wordt met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding bereikt doordat de amplitude en/of frequentie van de veldenergie ter plaatse van de verbinding de resultante is van een electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 0.1-100 KHz en een electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 1-50 MHz.

Hierdoor wordt bereikt dat het materiaal ter plaatse van de lasverbinding onder invloed van de electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 1-50 MHz tot boven het smeltpunt van de thermoplast verhit wordt en dat het materiaal onder invloed van de electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 0.1-100 KHz een mechanische trilling ondergaat. Door de gegenereerde warmte smelten de oppervlaktelagen van de te lassen delen op en door de gegenereerde beweging in die lagen diffunderen de polymeermoleculen in de oppervlakte lagen makkelijker en sneller in elkaar en vormen daardoor een hechtere verbinding.

De werkwijze volgens de uitvinding is derhalve ook geschikt om thermoplastische vormdelen, met georiënteerde oppervlakte lagen, aan elkaar te lassen. Dergelijke oriëntaties treden vaak op bij thermoplastische vormdelen die door middel van een spuitgiet-techniek of door een extrusie-techniek vervaardigd zijn. Indien de thermoplast gevuld is treedt er vaak een sterkere oppervlakte oriëntatie op. Indien de thermoplast een vloeibaar kristallijn polymeer is heeft het oppervlak van een vormdeel een zeer sterk georiënteerde oppervlakte laag.

De electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 0.1-100 KHz (laaf frequente veldenergie) en een electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 1-50 MHz (hoog frequente veldenergie) ter plaatse van de verbinding kan op verschillende manieren opgewekt worden. - Amplitude modulatie (AM) van de hoog frequente veld energie. De amplitude van de, als draaggolf fungerende, hoog frequente veldenergie wordt gemoduleerd door de laag frequente veldenergie. Een dergelijke veldenergie kan door één set spoelen opgewekt worden.

Frequentie modulatie (FM) van de veldenergie. De hoog en de laag frequente veldenergie kunnen op een willekeurige wijze gecombineerd worden tot één signaal met een constante amplitude.

De laag freqente veldenergie wordt door een eerste set spoelen opgewekt en de hoog frequente veldenergie door een tweede set spoelen.

De eerste en de tweede set spoelen kunnen een hoek maken ten opzichte van elkaar.

De tijd waarin de laag frequente veldenergie wordt toegepast heeft tenminste een gedeeltelijke overlap met de tijd waarin de hoog frequente veldenergie wordt toegepast. Hierdoor is het mogelijk om, afhankelijk van het toepassings gebied, een bepaald energie patroon aan te brengen. Zo kan bijvoorbeeld na het uitschakelen van de hoog frequente veldenergie tijdens de stollingsfase de laag frequente veldenergie ingeschakeld blijven waardoor tijdens de stollingsfase de mechanische trilling behouden blijft, wat de sterkte van de lasverbinding ten goede kan komen.

Een doel van de uitvinding, het verschaffen van een werkwijze waardoor een verbeterde lasverbinding wordt verkregen die universeel toepasbaar is zonder dat er dure en/of complexe ontwerpen van de raakoppervlakken van de te lassen delen nodig zijn, kan ook bereikt worden doordat de acoustische en/of mechanische trillingsenergie en de electromagnetische veldenergie op dezelfde plaats worden toegepast en dat de tijd waarin de mechanische trilling wordt toegepast tenminste gedeeltelijk overlapt met de tijd waarin de electromagnetische veldenergie wordt toegepast.

Hierdoor wordt bereikt dat een acoustische en/of mechanische energie tesamen met een electromagnetische veldenergie ter plaatse van de verbinding dissiperen en door de acoustische en/of mechanische energie vindt er een nog sterkere verstoring van de oriëntatie in de oppervlaktelagen van de raakvlakken plaats.

De werkwijze volgens de uitvinding is bij voorkeur geschikt om delen aan elkaar te verbinden waarbij tenminste één van de delen een vloeibaar kristallijn polymeer bevat.

Claims (17)

1. Het gebruik maken van M0.n(Fe202), waarbij M een tweewaardig metaalion is en waarbij n groter is dan 1, voor het maken van een mengsel dat verder tenminste één thermoplast bevat, met het kenmerk, dat het mengsel door middel van electromagnetische veldenergie vloeibaar gemaakt wordt.

2. Het gebruik maken van M0.n(Fe,0,) volgens conclusie 1, Δ ^ 2+ met het kenmerk, dat het tweewaardig metaalion M Ba is en dat n gelijk is aan 6.

3. Het gebruik maken van M0.n(Fe20g) volgens een der conclusies 1-2, met het kenmerk, dat de thermoplast een polycondensaat is.

4. Het gebruik maken van M0.n(Fe202) volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het polycondensaat de condensatie-producten van 1,4-butaandiamine en adipinezuur bevat.

5. Het gebruik maken van M0.n(Fe202) volgens conclusie 3, met het kenmerk dat de thermoplast een vloeibaar kristallijn polymeer is.

6. Werkwijze voor het door middel van electromagnetische veldenergie vloeibaar maken van een polymeersamen-stelling die een thermoplast en een vulstof bevat, met het kenmerk, dat de vulstof een ferriet bevat met als algemene formule M0.n(Fe202) waarbij M een tweewaardig metaalion is en waarbij n groter dan 1 is.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de amplitude en/of frequentie van de electromagnetische veldenergie ter plaatse van de verbinding een resultante is van een electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 0.1-100 KHz en een electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 1-50 MHz.

8. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat naast de electromagnetische veldenergie op dezelfde plaats een trillingsenergie met ultrasone frequentie wordt toegepast waarbij de tijd waarin de ultrasone trilling wordt toegepast tenminste gedeeltelijk overlapt met de tijd waarin de electromagnetische veldenergie wordt toegepast.

9. Werkwijze volgens een der conclusies 6-8, met het kenmerk, dat de vulstof BaFe^O-^g bevat.

10. Werkwijze volgens een der conclusies 6-9, met het kenmerk, dat de thermoplast een polycondensaat is.

11. Werkwijze volgens conclusie 6-10, met het kenmerk, dat het polycondensaat de condensatieproducten van 1,4-butaandiamine en adipinezuur bevat.

12. Werkwijze volgens conclusie 6-10, met het kenmerk dat de thermoplast een vloeibaar kristallijn polymeer is.

13. Werkwijze voor het aan elkaar verbinden van niet-geleidende materialen onder toepassing van een werkwijze volgens een der conclusies 6-12.

14. Werkwijze voor het aan elkaar verbinden van niet-geleidende materialen onder gebruikmaking van een werkwijze volgens een der conclusies 6-13, met het kenmerk, dat de electromagnetische veldenergie inductief lassen is.

15. Werkwijze voor het aanbrengen van een beschermende laag op materialen onder gebruikmaking van een werkwijze volgens een der conclusies 6-12.

16. Voorwerp verkregen door toepassing van één of meer werkwijzen volgens conclusie 6-15.

17. Voorwerp verkregen door toepassing van een polymeer-samenstelling en/of werkwijze volgens een der conclusies 1-16. UITTREKSEL De uitvinging heeft betrekking op het gebruik maken van M0.n(Fe202), waarbij M een tweewaardig metaa'lion is en waarbij n groter is dan 1, voor het maken van een mengsel dat verder tenminste één thermoplast bevat, met het kenmerk, dat het mengsel door middel van electromagnetische veld-energie vloeibaar gemaakt wordt. De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het door middel van electromagnetische veldenergie vloeibaar maken van een polymeersamenstelling die een thermoplast en een vulstof bevat, met het kenmerk, dat de vulstof een ferriet bevat met als algemene formule M0.n(Fe203) waarbij M een tweewaardig metaalion is en waarbij n groter dan 1 is. De amplitude en/of frequentie van de electromagnetische veldenergie ter plaatse van de verbinding kan een een resultante zijn van een electromagnetische veldenergie met een frequentie tussen 0.1-100 KHz en De thermoplast kan een condensatieproduct bevatten van 1,4-butaandiamine en adipinezuur. De thermoplast kan ook een vloeibaar kristallijn polymeer zijn.