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Dokumentenidentifikation DE19922018A1 07.12.2000
Titel Mehrkomponentenkleber und Vorrichtung zum Kleben mit einem solchen Mehrkomponentenkleber
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eV, 80636 München, DE
Erfinder Muth, Oliver, 76227 Karlsruhe, DE;
Hirth, Thomas, Dr., 77815 Bühl, DE
Vertreter Lichti und Kollegen, 76227 Karlsruhe
DE-Anmeldedatum 12.05.1999
DE-Aktenzeichen 19922018
Offenlegungstag 07.12.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.12.2000
IPC-Hauptklasse C09J 11/04
Zusammenfassung Es wird ein Mehrkomponentenkleber mit wenigstens zwei reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten, von denen wenigstens eine in wenigstens einem Lösungsmittel gelöst ist, vorgeschlagen, wobei das Lösungsmittel flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid (CO2) ist. Durch die Verwendung vom komprimiertem bzw. flüssigem oder überkritischem CO2 können einerseits flüssige, häufig toxische und entflammbare organische Lösungsmittel substituiert werden, andererseits ist das Lösevermögen von flüssigem oder überkritischem CO2 durch Variation der Parameter Druck und Temperatur steuerbar und somit der Kleber leicht dosierbar. Ferner wird eine Vorrichtung zum Kleben mit einem solchen Mehrkomponentenkleber vorgeschlagen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Mehrkomponentenkleber mit wenigstens zwei reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten, von denen wenigstens eine in wenigstens einem Lösungsmittel gelöst ist, und eine Vorrichtung zum Kleben mit einem solchen Mehrkomponenten.

Mehrkomponentenkleber sind insbesondere in Form von Zweikomponentenklebern bekannt. Sie bestehen einerseits aus reaktiven Mono-, Di- oder Oligomeren, andererseits aus Härtern, die jeweils als separate Komponenten bevorratet sind und unmittelbar vor der Benutzung gemischt werden. Ferner sind aus Mischungen von polymerisierbaren Komponenten und inaktiven Härtern bestehende Zweikomponentenkleber bekannt, wobei die Härter unmittelbar vor der Benutzung, z. B. durch Wärmeenergie, aktiviert werden. Während die reaktiven Mono-, Di- oder Oligomere meist flüssig oder in einem organischen Lösungsmittel gelöst sind, liegen die Härter häufig in fester Form, z. B. partikelförmig vor.

Um das Adhäsionsvermögen von Mehrkomponentenklebern zu erhöhen und insbesondere großflächige Fügeteile vollständig benetzen zu können, werden entweder einer Komponente, beiden Komponenten bzw. - im Falle eines mehr als zwei Komponenten aufweisenden Mehrkomponentenklebers - allen Komponenten vor dem Vermischen organische Lösungsmittel zugesetzt, oder es werden ein organisches Lösungsmittel vorgelegt und die jeweiligen Komponenten des Klebers in dieses eingemischt. Nachteilig hierbei ist einerseits, daß die flüssigen, häufig toxischen und entflammbaren organischen Lösungsmittel ein erhöhtes Umwelt- und Sicherheitsrisiko darstellen, andererseits verzögern sie die Aushärtezeit des Klebers, da sie sich nur langsam verflüchtigen und die Endfestigkeit des Klebers erst nach vollständiger Verflüchtigung der Lösungsmittel erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrkomponentenkleber der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welcher die Verwendung flüssiger, organischer, häufig toxischer und entflammbarer Lösungsmittel entbehrlich macht und darüber hinaus kürzere Aushärtungszeiten bei einem erhöhten Adhäsionsvermögen aufweist. Sie ist ferner auf eine Vorrichtung zum Kleben mit einem solchen Mehrkomponentenkleber gerichtet.

Der erste Teil dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Mehrkomponentenkleber der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Lösungsmittel flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid (CO2) ist.

Die Verwendung von überkritischem CO2 als Lösungs- und Extraktionsmittel ist bekannt. Überkritisches CO2 wird beispielsweise zur Extraktion von Feststoffen (SFE, supercritical fluid extraction) eingesetzt. Die DE 44 06 899 A1 beschreibt ein Verfahren zur Dekontamination von Böden, die mit militärischen Schadstoffen, wie Explosivstoffen, Treibladungspulvern, Raketenfesttreibstoffen, pyrotechnischen Sätzen oder flüssigen Treibmitteln, kontaminiert sind, wobei die Schadstoffe mit überkritischem CO2 als Lösungsmittel gegebenenfalls in Mischung mit organischen Lösungsmitteln aus dem Boden extrahiert und anschließend chemisch zersetzt werden. Überkritisches CO2 wird weiterhin als Matrixflüssigkeit zur Durchführung chemischer Reaktionen, z. B. zur Durchführung von Polymerisationen (DE 36 09 829 A1, US 5 663 237) verwendet. Die bekannten Verfahren konnten der Fachwelt bislang jedoch keine Anregung zur Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems geben.

Der Einsatz von überkritischem Kohlendioxid als inertem Lösungsmittel in einem Mehrkomponentenkleber gestattet den völligen Verzicht herkömmlicher flüssiger Lösungsmittel, die häufig toxisch und/oder entflammbar sind. Der kritische Punkt von Kohlendioxid liegt bei etwa 31°C und 73 bar. Überkritisches Kohlendioxid ist chemisch inert, toxikologisch unbedenklich und läßt sich durch Überführen in den unterkritischen Bereich, in dem es in Gasform übergeht, spontan abtrennen. Kohlendioxid weist in komprimiertem und insbesondere in überkritischem Zustand sehr gute Lösungsmitteleigenschaften auf, wobei die Lösemitteleigenschaften durch Variation der Parameter Temperatur und Druck steuerbar sind. Weiterhin erniedrigt es die Viskosität der Reaktionskomponenten bzw. der Mischung der Reaktionskomponenten und ermöglicht somit das Kleben von Fügeteilen in schwer zugänglichen Fügebereichen, beispielsweise das Kleben von großflächige Ausnehmungen oder Vorsprünge aufweisenden Fügeteilen im industriellen Bereich. Durch die spontane Verflüchtigung von Kohlendioxid im unterkritischen Zustand, beispielsweise bei Normalbedingungen, weist der Mehrkomponentenkleber kurze Aushärtungszeiten auf, die ausschließlich durch die Reaktionszeit der reaktionsfähigen Komponenten bestimmt ist. Darüber hinaus inhibiert Kohlendioxid die chemische Reaktion der Komponenten - d. h. die Polymerisation bzw. Vernetzung der reaktionsfähigen Komponenten - so daß eine Vormischung der Komponenten über längere Zeit lagerbar ist. Durch die reaktionsinhibierende Wirkung von komprimiertem bzw. überkritischem Kohlendioxid sind die Verarbeitungszeiten des Mehrkomponentenklebers beispielsweise durch Variation der Konzentration der Mischung der Polymerkomponenten im Kohlendioxid steuerbar. Je nach Temperatur, Druck und Menge an komprimiertem oder überkritischem Kohlendioxid können somit filmartig dünne oder schaumartig dicke Kleberschichten erzeugt werden.

Zur Erhöhung des Lösevermögens können dem CO2 sogenannte Modifier zugesetzt sein, wobei als Modifier in der Regel geringe Mengen organischer Lösungsmittel, z. B. Aceton, Alkohole od. dgl., verwendet werden.

Der Mehrkomponentenkleber kann, wie gesagt, aus zwei oder mehr reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten bestehen.

In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, daß die reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten polyaddierende Prepolymere und Härter sind. Die Prepolymere können z. B. Di-, Tri- oder Polyole, wie Polyether-, Polyesterpolyole od. dgl., und die Härter Isocyanate mit wenigstens zwei Isocyanatgruppen (-N=C=O) sein. Die Prepolymere können beispielsweise auch Epoxide mit wenigstens zwei Epoxidgruppen und die Härter Amine mit wenigstens zwei Aminogruppen sein.

Eine Vorrichtung zum Kleben mit einem solchen Mehrkomponentenkleber ist dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei Behälter zur Aufnahme der reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten, von denen wenigstens einer mit CO2 unter Druck beaufschlagbar ist, und eine mit beiden Behältern in Verbindung stehende Dosiereinrichtung aufweist. Ist ein Vormischen der reaktiven Komponenten mit komprimiertem bzw. überkritischem Kohlendioxid erwünscht, so sind beide Behälter der Vorrichtung mit CO2 unter Druck beaufschlagbar ausgebildet.

Um das Kohlendioxid in einen überkritischen Zustand zu überführen, ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, daß zumindest der mit CO2 unter Druck beaufschlagbare Behälter beheizbar ist.

In weiterhin bevorzugter Ausführung weist der mit Druck beaufschlagte Behälter ein Rührwerk auf, um eine homogene Lösung der jeweiligen Komponente im komprimierten bzw. überkritischen Kohlendioxid herzustellen.

Aus den genannten Gründen ist auch die beispielsweise als Düse ausgebildete Dosiereinrichtung vorzugsweise beheizbar.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß zwischen den Behältern und der Dosiereinrichtung eine mit Druck beaufschlagte, vorzugsweise beheizbare und ein Rührwerk aufweisende Mischkammer angeordnet ist, um durch Variation der Parameter Druck, Temperatur und Konzentration der Mischung der Komponenten im komprimierten oder überkritischen Kohlendioxid die Adhäsionseigenschaften, die Viskosität und die Verarbeitungszeit bzw. die mögliche Bevorratungszeit des bereits gemischten Mehrkomponentenklebers in der Mischkammer, ohne daß dieser dort aushärtet, einzustellen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Eine Mischung von polyaddierenden Prepolymeren in Form von Polyolen (Komponente 1) und Härtern in Form von Di- und Triisocyanaten (Komponente 2) wird in einem Autoklaven mit einer Rühreinrichtung mit einer Einrichtung zur Messung des Drehmoments bei konstanter Temperatur mit komprimiertem, flüssigen oder überkritischem Kohlendioxid beaufschlagt. Die Verringerung der Viskosität der Reaktionsmischung zeigt sich nach kurzer Mischzeit in einer Verringerung des Drehmomentes der Rühreinrichtung. Die Reaktionsmischung wird über eine Dosiereinrichtung auf die Fügefläche benetzend aufgebracht und ausgehärtet. Gelchromatographische Analysen an solchermaßen gebildeten Polyurethanen zeigen, daß diese einen geringeren Polymerisationsgrad als die ohne den Zusatz von Kohlendioxid, aber unter ansonsten identischen Bedingungen aus den gleichen Ausgangskomponenten (Polyole und Di- bzw. Triisocyanate) erzeugten Polymere aufweisen. Flüssiges bzw. überkritisches Kohlendioxid inhibiert folglich die Bildungsreaktion des Polyurethans bzw. die Polymerisation oder Vernetzung der reaktionsfähigen Komponenten.

Nachstehend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Kleben mit einem Zweikomponentenkleber in schematischer Darstellung zeigt.

Die dargestellte Vorrichtung weist zwei Behälter 1a, 1b zur Aufnahme der reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten auf, von denen der Behälter 1a beheizbar und über Ventile 5, 11 mittels einer Pumpe 12, z. B. einer Membranpumpe, mit komprimiertem bzw. flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid druckbeaufschlagbar ist. Das Kohlendioxid ist in einem Vorratsbehälter 13 bevorratet.

Während der Behälter 1a z. B. Prepolymere in Form von Polyolen enthält, sind im Behälter 2b z. B. Härter in Form von Di- oder Triisocyanaten socyaraten bevorratet. Zur Herstellung einer homogenen Vormischung weist der Behälter 1a ein Rührwerk 6 auf.

Die in den Behältern 1a, 1b bevorrateten Komponenten sind über ein Ventil 8 bzw. über ein Ventil 9 und eine z. B. als Spritzen-, Kolbenpumpe oder dergleichen ausgebildete Pumpe 14 in eine beheizbare Mischkammer 4 überführbar. In der Mischkammer 4 wird die Polyole, Isocyanate und flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid enthaltende Reaktionsmischung mittels eines Rührwerks 7 homogenisiert. Die Mischkammer 4 ist über die Ventile 5, 8, 11 mittels der Pumpe 12 mit flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid beaufschlagbar. Alternativ oder zusätzlich kann die Mischkammer 4 ihrerseits ein (nicht dargestelltes) Ventil zur direkten Beaufschlagung mit flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid aufweisen.

An die Mischkammer 4 schließt über ein Ventil 10 eine Dosiereinrichtung 2 in Form einer beheizbaren Düse 3 an. Die Ventile 5, 8, 9, 10, 11 sind insbesondere als Hochdruckventile ausgebildet.

Durch Variation der Parameter Druck, Temperatur und Konzentration von flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid im Behälter 1a bzw. in der Mischkammer 4 können filmartig dünne oder schaumartig dicke Kleberschichten erzeugt werden. Alternativ kann auch die Mischkammer 1b über ein (nicht dargestelltes) Ventil mit Kohlendioxid druckbeaufschlagbar bzw. beheizbar sein und in diesem Fall die in den Behältern 1a, 1b bevorrateten Vormischungen über Ventile auch unmittelbar in der Dosiereinrichtung miteinander gemischt und dosiert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Mehrkomponentenkleber mit wenigstens zwei reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten, von denen wenigstens eine in wenigstens einem Lösungsmittel gelöst ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel flüssiges oder überkritisches Kohlendioxid (CO2) ist.
  2. 2. Mehrkomponentenkleber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem CO2 Modifier zur Erhöhung seines Lösevermögens zugesetzt sind.
  3. 3. Mehrkomponentenkleber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Zweikomponentenkleber ist.
  4. 4. Mehrkomponentenkleber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten polyaddierende Prepolymere und Härter sind.
  5. 5. Mehrkomponentenkleber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prepolymere Di-, Tri- oder Polyole und die Härter Isocyanate mit wenigstens zwei Isocyanatgruppen (-N=C=O) sind.
  6. 6. Mehrkomponentenkleber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prepolymere Epoxide mit wenigstens zwei Epoxidgruppen und die Härter Amine mit wenigstens zwei Aminogruppen sind.
  7. 7. Vorrichtung zum Kleben mit einem Mehrkomponentenkleber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei Behälter (1a, 1b) zur Aufnahme der reaktionsfähigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymerkomponenten, von denen wenigstens einer (1a) mit CO2 unter Druck beaufschlagbar ist, und eine mit beiden Behältern (1a, 1b) in Verbindung stehende Dosiereinrichtung (2) aufweist.
  8. 5. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der mit CO2 beaufschlagbare Behälter (1a) beheizbar ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der mit CO2 beaufschlagbare Behälter (1a) ein Rührwerk (6) aufweist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (2) beheizbar ist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiereinrichtung (2) eine Düse (3) ist.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Behältern (1a, 1b) und der Dosiereinrichtung (2) eine mit Druck beaufschlagbare Mischkammer (4) angeordnet ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) beheizbar ist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (4) ein Rührwerk aufweist.






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