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Dokumentenidentifikation DE10130428B4 22.12.2005
Titel Verfahren zum flächenartigen Verbinden von Körpern
Anmelder Boehringer Ingelheim microParts GmbH, 44227 Dortmund, DE
Erfinder Peters, Ralf-Peter, Dipl.-Phys. Dr., 51467 Bergisch Gladbach, DE;
Stöters, Wolfgang, 45481 Mülheim, DE
DE-Anmeldedatum 23.06.2001
DE-Aktenzeichen 10130428
Offenlegungstag 27.03.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.12.2005
IPC-Hauptklasse B29C 65/48
IPC-Nebenklasse B32B 31/20   B81C 1/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flächenartigen Verbinden von Körpern, von denen mindestens ein Körper aus Kunststoff besteht.

Die Erfindung bezweckt, zwei Körper unlösbar miteinander flächenartig zu verbinden, wobei auf der zu verbindenden Fläche gegebenenfalls vorhandene Mikrostrukturen unverändert bleiben.

In WO 98/45693 A1 sind Verfahren zum flächenartigen Verbinden von Körpern abgegeben, von denen mindestens ein aus Kunststoff bestehender Grundkörper Mikrokanäle enthält, die beim flächenartigen Verbinden mit dem Abdeckkörper überdeckt werden. Die miteinander zu verbindenden Flächen der beiden Körper sind im allgemeinen eben. Beide Körper können gegeneinander gepreßt werden und durch Erwärmen oder mittels Ultraschall miteinander verschweißt werden. Die angewendete Temperatur liegt 2 °C bis 5 °C oberhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs.

Weiter wird auf eine Seite bevorzugt des nicht mikrostrukturierten Abdeckkörpers eine filmartige Schicht eines fließfähigen Klebstoffes aufgetragen und in einen nicht fließfähigen Zustand überführt. Die beschichtete Fläche des Abdeckkörpers wird auf den Grundkörper gepreßt, und der Klebstoff wird ausgehärtet. Nach dem Härtungsvorgang wird ein mit überdeckten Mikrokanälen versehener Körper erhalten, bei dem der Grundkörper mit dem Abdeckkörper mittels der Klebeschicht zwischen den aufeinander liegenden Flächen der beiden Körper dauerhaft zusammengehalten wird.

Als Klebstoffe werden Schmelzkleber, klebende härtbare Stoffe, elastomere Klebstoffe, klebender natürlicher oder synthetischer Kautschuk, klebender Gummi, Polyurethane, Polysulfide oder Silikone verwendet. Die elastomeren Klebstoffe liegen als Lösung, als Emulsion oder als Zubereitung aus zwei reaktiven Komponenten vor. Die Klebstoffe sind Haftklebstoffe oder Reaktionsklebstoffe. Die Reaktionsklebstoffe werden durch Erhitzen oder durch Polymerisieren gehärtet. Dabei wird gegebenenfalls ein Photoinitiator oder ein thermischer Initiator verwendet. Die Reaktion wird unter Einwirkung von Licht oder Wärme auf die zusammengefügte Fläche des Grundkörpers und des Abdeckkörpers ausgeführt.

Bei den Verfahren nach dem Stand der Technik wird entweder ein Klebstoff als Hilfsstoff verwendet, der in der Zwischenschicht zwischen den beiden miteinander verbundenen Körpern verbleibt, oder der für den Grundkörper und/oder den Abdeckkörper verwendete Kunststoff wird auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs liegt.

Damit stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zum flächenartigen Verbinden von zwei Körpern anzugeben, wobei mindestens einer der Körper aus Kunststoff besteht. Beide Körper sind ohne Verwendung eines zwischen den verbundenen Körpern verbleibenden Hilfsstoffes, zum Beispiel eines Klebstoffes, der in einer Schicht zwischen den aufeinanderliegenden Flächen der beiden Körper vorliegt, miteinander dauerhaft zu verbinden. Die Oberflächen der beiden miteinander zu verbindenden Körper können gegebenenfalls nur vorübergehend und reversibel verändert werden. Die Körper sind nur auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der sie praktisch unverändert bleiben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit folgenden kennzeichnenden Merkmalen:

  • • Ein dampfhaltiges Gas wird hergestellt, das aus einem Trägergas und dem Dampf einer Flüssigkeit besteht, die ein Quellmittel für den Kunststoff ist.
  • • Mindestens die Verbindungsfläche des mindestens einen Kunststoffkörpers wird dem Quellmitteldampf-haltigen Gas ausgesetzt, wodurch die Verbindungsfläche in einer oberflächennahen Schicht angequollen wird.
  • • Der mindestens eine Körper aus Kunststoff hat während der Behandlung in dem Quellmitteldampf-haltigen Gas eine Temperatur, die unterhalb seiner Glasübergangstemperatur liegt.
  • • Der oberflächlich angequollene Körper aus Kunststoff wird aus dem Quellmitteldampf-haltigen Gas entnommen und (bevorzugt sofort) mit dem anderen Körper durch Aufeinanderpresse verschweißt bei einer Temperatur, die unterhalb seiner Glasübergangstemperatur liegt.
  • • Die miteinander verschweißten Körper werden bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs getempert.

Für dieses Verfahren wird zum Beispiel eine Vorrichtung benutzt, die im wesentlichen folgende Geräte umfaßt: einen Behälter für das Trägergas, einen thermostatisierten Flüssigkeitsbehälter, einen Vorkühlen, eine Bedampfungskammer, einen Hauptkühler, eine Kondensatfalle, eine Preßvorrichtung und einen Ofen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchgeführt: Der Flüssigkeitsbehälter enthält das flüssige Quellmittel für den Kunststoff. Die Temperatur der Flüssigkeit wird mittels eines Thermostaten auf einem vorgegebenen Wert gehalten. Das Trägergas wird in die flüssige Phase innerhalb des Flüssigkeitsbehälters geleitet und durchströmt die Flüssigkeit. Die Temperatur der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter kann zwischen 15 °C und etwa 10 Grad unterhalb der Siedetemperatur der Flüssigkeit liegen. Das Trägergas kann vor der Beladung mit Flüssigkeitsdampf eine Temperatur von 10 °C bis 110 °C haben.

Das Quellmitteldampf-haltige Gas wird dem Flüssigkeitsbehälter entnommen und durch einen Vorkühler geleitet. Im Vorkühler wird das Quellmitteldampf-haltige Gas auf eine konstante Temperatur abgekühlt. Die Temperatur des Quellmitteldampf-haltigen Gases kann von 15 °C bis 110 °C betragen.

Dieses Quellmitteldampf-haltige Gas wird durch die Bedampfungskammer und anschließend durch den Hauptkühler geleitet, in dem der größte Teil des Quellmitteldampfes aus dem Quellmitteldampf-haltigen Gas durch Kondensation abgetrennt und in der Kondensatfalle gesammelt werden kann. Das Kondensat kann in den Flüssigkeitsbehälter zurückgeführt werden.

Das aus der Kondensatfalle abgeleitete Gas, das nur noch wenig Quellmitteldampf enthält, kann bei Verwendung eines brennbaren Quellmittels verbrannt werden. Gegebenenfalls kann der Rest des Quellmitteldampfes mittels eines Absorbers aus dem Trägergas entfernt werden. Das von Quellmitteldampf befreite Trägergas kann entweichen oder aufgefangen werden. Andererseits kann das aus der Bedampfungskammer abgeleitete Quellmitteldampf-haltige Gas direkt oder nach dem Durchgang durch den Hauptkühler in den Flüssigkeitsbehälter zurückgeleitet werden.

Der mindestens eine Körper aus Kunststoff wird in die Bedampfungskammer eingebracht, in der bevorzugt nur die für die Verbindung vorgesehene Fläche des Körpers dem Quellmitteldampf-haltigen Gas ausgesetzt wird. Das Quellmitteldampf-haltige Gas hat eine Temperatur von 15 °C bis 60 °C. Der Anteil an Quellmitteldampf beträgt von 1 × 10–6 bis 5 × 10–2 (von 1 ppm bis 5 %). Der mindestens eine Körper aus Kunststoff kann während der Behandlung im Quellmitteldampf-haltigen Gas eine Temperatur haben, die von 30 °C unterhalb bis 10 °C oberhalb der Temperatur des Quellmitteldampf-haltigen Gases liegt. Die Behandlungszeit des mindestens einen Körpers aus Kunststoff in der Bedampfungskammer kann von 0,5 Sekunden bis 180 Sekunden betragen.

Das Quellmittel diffundiert aus der Gasphase in den Kunststoffkörper. Der Kunststoffkörper quillt in seiner oberflächennahen Schicht durch das eindiffundierte Quellmittel. Durch die Quellung wird der Kunststoffkörper um wenige Mikrometer reversibel dicker. In der gequollenen Schicht ist die Beweglichkeit von Molekülen in der Oberfläche des Kunststoffkörpers erhöht. Die Diffusionsschicht kann einige zehn Mikrometer dick sein, sie ist im Inneren des Kunststoffkörpers nicht scharf begrenzt. Die Dicke der Diffusionsschicht ist durch die Verfahrensführung einstellbar. Die dafür wesentlichen Verfahrensparameter sind

  • • die Temperatur des flüssigen Quellmittels im Flüssigkeitsbehälter, die Temperatur des Trägergases vor dem Eintreten in den Flüssigkeitsbehälter und die Verweilzeit des durch das flüssige Quellmittel geleiteten Trägergases im Flüssigkeitsbehälter;
  • • die Temperatur des Quellmitteldampf-haltigen Gases beim Eintritt in die Bedampfungskammer;
  • • die Temperatur des Kunststoffkörpers in der Bedampfungskammer;
  • • der Temperaturunterschied zwischen Quellmitteldampf-haltigem Gas und Kunststoffkörper;
  • • die Verweilzeit des Kunststoffkörpers in der Bedampfungskammer;
  • • die Art des Kunststoffs;
  • • die An des Quellmittels.

Der oberflächlich angequollene Körper wird bevorzugt außerhalb der Bedampfungskammer sofort in die Preßvorrichtung gelegt und mit dem anderen Körper zusammengepreßt. Dabei werden beide Körper flächenartig miteinander verbunden. Die zu verbindenden Körper können bei einem Druck von 10 N/cm2 bis 500 N/cm2 während einer Zeitspanne von 3 Sekunden bis 120 Sekunden miteinander verschweißt werden. Der Druck wird auf der zu verschweißenden Fläche gleichmäßig aufgebracht.

Die beiden verschweißten Körper werden in dem Ofen – ohne oder mit einem aufgebrachten Druck – getempert, wobei das in dem mindestens einen Kunststoffkörper eingedrungene Quellmittel ausgetrieben wird. Die verschweißten Körper können bei einer Temperatur von 30 °C bis 3 Grad unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs während einer Zeitspanne von 10 Minuten bis 60 Minuten unter einem mechanischen Druck von 5 N/cm2 bis 50 N/cm2 oder während einer Zeitspanne von 10 Minuten bis 180 Minuten ohne mechanischen Druck getempert werden.

Schnelles Austreiben des Quellmittels aus der gequollenen Schicht, zum Beispiel durch Tempern bei erhöhter Temperatur, unter Aufrechterhaltung eines mechanischen Druckes ergibt feste und dauerhafte Verbindungen. Langsames Austreiben des Quellmittels, zum Beispiel durch Liegenlassen der verbundenen Körper bei Umgebungstemperatur, ergibt weniger feste und weniger dauerhafte Verbindungen.

Es hat sich in vielen Fällen als hinreichend erwiesen, zum flächenartigen Verbinden von zwei Kunststoffkörpern nur die Verbindungsfläche des einen Kunststoffkörpers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Quellmitteldampf-haltigem Gas zu behandeln. Andererseits kann es zweckmäßig sein, die Verbindungsflächen beider zu verbindenden Kunststoffkörper nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Quellmitteldampf-haltigem Gas zu behandeln.

Der mindestens eine Körper aus Kunststoff kann zum Beispiel aus Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat, Polyether-sulfon oder Polystyrol bestehen.

Als Quellmittel kommen Lösemittel für den Kunststoff und andere Quellmittel in Betracht. Geeignet sind

  • • gesättigte Kohlenwasserstoffe, wie Hexan, Heptan, Cyclohexan,
  • • Alkohole, wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, Amylalkohol, Cyclohexanol,
  • • Aldehyde, wie Azetaldehyd, Benzaldehyd,
  • • Ketone, wie Azeton, Methylethylketon, Diethylketon, Cyclohexanon,
  • • halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie Methylenchlorid, Dichlormethan, Trichlormethan, Tetrachlorkohlenstoff, Ethylenchlorid, Dichlorethan, Trichlorethan, Tetrachlorethan, Amylchlorid,
  • • Ether, wie Diethylether, Di-isopropyl-ether
  • • Ester, wie Methylazetat, Ethylazetat, Propylazetat, Butylazetat, Amylazetat,
  • • aromatische Kohlenwasserstoffe und substituierte aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Xylol, Styrol, Isopropylbenzol, Dichlorbenzol,
  • • sowie Schwefelkohlenstoff, Dioxan, N-Methyl-pyrrolidon, Tetrahydrofuran, Tetrahydronaphthalin und andere.

Als Trägergas ist zum Beispiel Stickstoff, Kohlendioxid, Argon, Neon oder Helium geeignet. Aus Sicherheitsgründen ist ein nicht brennbares Trägergas oder ein Sauerstofffreies Gas zu bevorzugen. Ein brennbares Trägergas oder ein Sauerstoff-haltiges Trägergas, zum Beispiel Luft, ist bei angemessenen Sicherheitsvorkehrungen ebenfalls geeignet.

Zu beachten ist die im Trägergas gegebenenfalls vorhandene Feuchtigkeit oder das im Quellmittel gegebenenfalls vorhandene Wasser. Die Anwesenheit von Wasser oder Wasserdampf kann die Konzentration des Quellmitteldampfes im Trägergas beeinflussen und sich auf den Quellvorgang auswirken.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist verwendbar zum flächenartigen Verbinden von Körpern, die beide aus bevorzugt demselben Kunststoff bestehen, sowie zum flächenartigen Verbinden von Körpern, von denen der eine Körper aus Kunststoff und der andere zum Beispiel aus Glas, Silizium oder Metall oder aus einem anderen Kunststoff besteht. Eine glatte Oberfläche der zu verbindenden Körper ist günstiger als eine rauhe Oberfläche.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann diskontinuierlich durchgeführt und auf einzelne flächenartig zu verbindende Körper angewendet werden, die jeweils mit Hilfe einer Preßvorrichtung unter Druck verschweißt werden. Weiter kann es als quasi-kontinuierliches Verfahren oder als kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden, wenn mindestens einer der beiden flächenartig zu verbindenden Körper in bandartiger oder gegurteter Form vorliegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt angewendet zum flächenartigen Verbinden von Körpern, von denen mindestens ein Körper mit einer Mikrostruktur versehen ist. Der mikrostrukturierte Körper kann aus Kunststoff bestehen und kann mit einem nicht mikrostrukturierten Körper aus demselben Kunststoff flächenartig verbunden werden. In diesem Fall wird bevorzugt die für die flächenartige Verbindung vorgesehene Seite des nicht mikrostrukturierten Körpers dem Quellmitteldampf-haltigen Gas ausgesetzt und angequollen.

Falls der mikrostrukturierte Körper aus einem nicht quellbaren Stoff besteht, zum Beispiel aus Silizium, kann dieser Körper mit einem anderen aus Kunststoff bestehenden Körper flächenartig verbunden werden, nachdem der Kunststoffkörper bevorzugt auf seiner einen Seite nach dem erfindungsgemäßen Verfahren angequollen wurde.

Die Herstellung der Mikrostruktur ist für das erfindungsgemäße Verfahren weitgehend von untergeordneter Bedeutung. Die Mikrostruktur kann durch subtraktive Strukturierung, also durch bildmäßiges Abtragen von Material (zum Beispiel durch bildmäßige feinmechanische Präzisionsbearbeitung oder anisotropes Ätzen), durch additive Strukturierung, also durch bildmäßiges Auftragen von Material (zum Beispiel durch bildmäßiges Abscheiden von Material aus der Dampfphase oder durch bildmäßiges elektrolytisches Abscheiden von Metall), oder durch eine Kombination beider Verfahren, oder durch Urformen (zum Beispiel durch Abformen eines mikrostrukturierten Formeinsatzes beim Spritzgießen), oder durch Umformen (zum Beispiel durch Prägen) hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf fast beliebige Mikrostrukturen, insbesondere auf Mikrostrukturen mit einer Hohlraumtiefe von 2 &mgr;m bis 1000 &mgr;m und einer Hohlraumbreite von 2 &mgr;m bis 500 &mgr;m bei einem Aspektverhältnis (Verhältnis von Hohlraumtiefe zu Hohlraumbreite) von 0,05 zu 1 bis 100 zu 1, zum Beispiel auf kanalartige Mikrostrukturen oder auf Mikrostrukturen in Form eines Feldes aus Säulen mit einem Abstand von 2 &mgr;m bis 1000 &mgr;m zwischen zwei Säulen und einer Säulenhöhe von 5 &mgr;m bis 1000 &mgr;m auf einer Fläche von zum Beispiel 100 mm × 100 mm, oder auf Lochfelder. Es ist günstig, wenn im mikrostrukturierten Bereich des Mikrostrukturkörpers die Fläche der verschweißten Bereiche zwischen dem mindestens einen Körper aus Kunststoff und dem damit zu verschweißenden anderen Körper größer ist als die Fläche der nicht verschweißten Bereiche, und wenn die verschweißten und die nicht verschweißten Bereiche einigermaßen gleichmäßig über die mikrostrukturierte Fläche verteilt sind.

Durch feinmechanische Präzisionsbearbeitung in einem Kunststoffkörper hergestellte Mikrostrukturen sind gegen Verformung beim Quellen weniger empfindlich als durch Abformen eines Formeinsatzes hergestellte mikrostrukturierte Kunststoffkörper, bei denen innere Spannungen im Bereich der Mikrostrukturen vorliegen können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist einsetzbar sowohl bei zu verbindenden Flächen ohne Mikrostruktur als auch bei mikrostrukturierten Flächen.

Das Verfahren ist nicht beschränkt auf ebene Flächen, sondern kann auch bei gekrümmten Flächen, die flächenartig in Berührung gebracht werden können, angewendet werden.

Das Verfahren ermöglicht bei Verwendung eines Durchlaufofens mit temperaturgesteuerten Zonen die Fertigung großer Stückzahlen von verbundenen Körpern.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile:

  • • Bei der mäßig erhöhten Temperatur der Körper, die deutlich unterhalb der Schmelztemperatur liegt, wird eine gegebenenfalls vorhandene Mikrostruktur in den zu verbindenden Oberflächen durch mechanischen Druck gar nicht oder nur geringfügig beeinflußt.
  • • Der Querschnitt von überdeckten Mikrokanälen ist gar nicht oder nur geringfügig verformt.
  • • Überdeckte Mikrokanäle haben gute fluidische Eigenschaften.
  • • In Hohlräume der Mikrostruktur kann kein Klebstoff oder ein anderes Hilfsmaterial, zum Beispiel ein Haftvermittler, eindringen, da kein Hilfsmaterial benutzt wird
  • • Die aufeinanderliegenden Flächen der beiden Körper liegen nach dem Ende des Verbindungsvorganges praktisch wieder im Ausgangszustand vor; sie sind nicht dauerhaft verändert.
  • • Die verbundenen Körper sind praktisch frei von Quellmittel.
  • • Die verbundenen Körper enthalten in der Verbindungsfläche keinen Zusatzwerkstoff (z.B. Klebstoff oder Haftvermittler)
  • • Die durch Quellschweißen verbundene Fläche der beiden Körper hat eine hohe Festigkeit.

Erfindungsgemäß flächenartig miteinander verbundene Körper können beispielsweise verwendet werden als Mikrotiterplatte zur Untersuchung der Wirkung von Antibiotika auf lebende Zellen, oder zur Trennung von Zellsuspensionen, oder als Kanalplatte für die Kapillarelektrophorese, oder zum Herstellen von fluidischen Funktionsteilen wie Ventile oder Reservoire, oder zum hermetischen Einschließen von empfindlichen Bauteilen wie Sensoren.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Figuren weiter erläutert. In den 1 bis 4 sind Körper im Querschnitt dargestellt, von denen mindestens ein Körper aus Kunststoff besteht, und von denen ein Körper mikrostrukturiert ist.

In 1 ist ein mit Mikrokanälen (4) versehener Körper sowie ein nicht mikrostrukturierter Kunststoffkörper (2) vor dem Verschweißen dieser beiden Körper dargestellt. Der Kunststoffkörper (2) ist auf seiner einen Seite durch Einwirken eines Quellmitteldampf-haltigen Gases in der oberflächennahen Schicht (3) angequollen. 2 zeigt die beiden flächenartig miteinander verschweißten Körper (1) und (2). Die Oberfläche des Körpers (2) ist an den Stellen, an denen im Körper (1) die Mikrokanäle vorhanden sind, praktisch eben.

In den 3 und 4 sind analog zu 2 zwei durch Quellschweißen flächenartig miteinander verbundenen Körper (1) und (2) dargestellt. In beiden Fällen ist die Oberfläche des Körpers (2) an den Stellen, an denen im Körper (1) die Mikrokanäle vorhanden sind, geringfügig im Mikrometerbereich verformt, und zwar in 3 in den Körper (2) hinein und in 4 aus dem Körper (2) heraus. Hierdurch werden die fluidischen Eigenschaften der Mikrokanäle nicht beeinträchtigt.

In 5 ist eine Hilfsanordnung in Schrägansicht dargestellt, mit der die Festigkeit eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Körpers ermittelt werden kann. Gemäß Beispiel 1 wurden mehrere Körper hergestellt, die jeweils aus einer 2 mm dicken quadratischen Lochplatte aus PMMA mit einer Fläche von 22 mm mal 22 mm und einer damit quellverschweißten 1 mm dicken nicht mikrostrukturierten Platte aus PMMA bestanden. Die Lochplatte war mit 16 auf der Platte gleichmäßig angeordneten Löchern mit einem Durchmesser von etwa 2 mm versehen sowie auf der mit der anderen Platte verbundenen Seite mit Verbindungskanälen mit 10 &mgr;m Tiefe und 20 &mgr;m Breite zwischen jeweils benachbarten Löchern.

Für die Ermittlung der Festigkeit der miteinander flächenartig quellverschweißten Platten (1) und (2) wurde auf die beiden Flachseiten des verschweißten Körpers jeweils ein T-förmiger Halter (5a; 5b) mittels Epoxidharz aufgeklebt. Die eine Klebeschicht ist mit (6) angedeutet. Beim Anbringen des Halters auf der Lochplattenseite wurde das Eindringen von Epoxidharz in die einseitig offenen Löcher vermieden. Die von der Lochplatte abstehenden Schenkel der T-förmigen Halter waren parallel zueinander und senkrecht übereinander angeordnet. Die beiden Pfeile zeigen die Richtung der Zugkraft an.

Beispiel 1

Dichlormethan wird unter Umgebungsdruck auf 35 °C erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten. Die Flüssigkeit wird mit Stickstoff (von etwa 20 °C) durchspült. Das abgezogene Quellmitteldampf-haltige Gas hat eine Temperatur von etwa 33 °C; es wird an einem Vorkühler auf 27 °C abgekühlt.

Das Quellmitteldampf-haltige Gas mit einer Temperatur von 27 °C wirkt für 15 Sekunden auf eine Seite eines nicht mikrostrukturierten Körpers aus PMMA ein, dessen Temperatur 22 °C beträgt Durch das in die Oberfläche des Körpers eindiffundierende Quellmittel wird eine Schicht nahe der Oberfläche dieses Kunststoff-Körpers angequollen.

Der zweite Körper besteht ebenfalls aus PMMA und ist mit einer kanalartigen Mikrostruktur versehen. Die Kanäle sind 100 &mgr;m breit, 20 &mgr;m tief und einige Millimeter lang. Der auf einer Seite oberflächlich angequollene Kunststoffkörper wird 25 Sekunden lang mit einem Druck von 50 N/cm2 auf die mikrostrukturierte Seite des anderen Körpers gedrückt. und unter diesem auf die zu verbindenden Flächen gleichmäßig wirkenden Druck gehalten Die Temperatur der beiden weiterhin mit 50 N/cm2 zusammengedrückten Körper wird auf 45 °C erhöht und für 60 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Dabei wird das in den Kunststoff eindiffundierte Dichlormethan ausgetrieben, das bevorzugt über die zumindest an einem Ende offenen Kanäle der Mikrostruktur entweichen kann. Nach dem Tempern der beiden flächenartig miteinander verschweißten Körper liegt der fertige Körper vor.

Beispiel 2

Styrol wird unter Umgebungsdruck auf 44 °C erwärmt und auf dieser Temperatur gehalten. Die Flüssigkeit wird mit Stickstoff (von etwa 20 °C) durchspült Das abgezogene Quellmitteldampf-haltige Gas hat eine Temperatur von etwa 41 °C; es wird an einem Vorkühlen auf 36 °C abgekühlt.

Das Quellmitteldampf-haltige Gas mit einer Temperatur von 36 °C wirkt für 30 Sekunden auf eine Seite einer 1 mm dicken nicht mikrostrukturierten Platte aus Polystyrol ein, deren Temperatur 31 °C beträgt. Dabei wird die Oberfläche dieses Kunststoff-Körpers angequollen.

Der zweite Körper besteht aus einer 1 mm dicken Lochplatte aus Polystyrol, die mit durchgehenden Löchern von 2 mm Durchmesser versehen ist. Die auf einer Seite oberflächlich angequollene nicht mikrostrukturierte Kunststoffplatte wird 30 Sekunden lang mit einem Druck von 40 N/cm2 auf die mikrostrukturierte Seite der Lochplatte gedrückt und unter diesem auf die zu verbindenden Flächen gleichmäßig wirkenden Druck gehalten. Die Temperatur der beiden weiterhin mit 40 N/cm2 zusammengedrückten Platten wird auf 55 °C erhöht und für 45 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Dabei wird das in den Kunststoff eindiffundierte Styrol ausgetrieben. Nach dem Tempern der beiden flächenartig miteinander verschweißten Körper liegt der fertige Körper von, der aus einer Lochplatte mit einseitig offenen Löchern und einem Boden mit 1 mm Dicke besteht.

Beispiel 3

Die Festigkeit von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander quellverschweißten Körpern wurde unter Benutzung der in 5 schematisch dargestellten Anordnung wie folgt ermittelt.

Jeweils ein mit Haltern versehener Körper, bestehend aus der Lochplatte und der damit quellverschweißten nicht mikrostrukturierten Platte wurde in die Klemmen einer Zugprüfmaschine eingespannt. Auf den Prüfkörper wurde senkrecht zur verschweißten Fläche eine Zugkraft aufgebracht. Bei einigen Prüfkörpern riß einer der beiden aufgeklebten T-förmigen Halter ab, bevor sich die beiden quellverschweißten Körper an ihrer Verbindungsfläche trennten.

Die auf die quellverschweißte Fläche eines Prüfkörpers (berechnet ohne die Querschnittsfläche aller Löcher und ohne die Längsschnittsflächen der Verbindungskanäle) bezogene senkrecht zur quellverschweißten Fläche wirkende Zugkraft, die zur Trennung der miteinander quellverschweißten Körper an ihrer Verbindungsfläche aufzubringen war, lag oberhalb 120 N/cm2.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum flächenartigen Verbinden von zwei Körpern, von denen mindestens ein Körper aus Kunststoff besteht, wobei

    • ein dampfhaltiges Gas hergestellt wird, das aus einem Trägergas und dem Dampf einer Flüssigkeit besteht, die ein Quellmittel für den Kunststoff ist, und

    • mindestens die Verbindungsfläche es mindestens einen Kunststoffkörpers dem Quellmitteldampf-haltigen Gas ausgesetzt wird und in einer oberflächennahen Schicht angequollen wird, und

    • der mindestens eine Körper aus Kunststoff während der Behandlung in dem Quellmitteldampf-haltigen Gas eine Temperatur hat, die unterhalb seiner Glasübergangstemperatur liegt, und

    • der oberflächlich angequollene Körper aus Kunststoff aus dem Quellmitteldampf-haltigen Gas entnommen wird und mit dem anderen Körper durch Aufeinanderpressen verschweißt wird bei einer Temperatur, die unterhalb seiner Glasübergangstemperatur liegt, und

    • die miteinander verschweißten Körper bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs getempert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei

    • der mindestens eine Körper aus Kunststoff während der Behandlung in dem Quellmitteldampf-haltigen Gas eine Temperatur hat, die von 30 °C unterhalb bis 10 °C oberhalb der Temperatur des Quellmitteldampf-haltigen Gases liegt.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei

    • der mindestens eine Körper aus Kunststoff während einer Zeitspanne von 0,5 Sekunden bis 180 Sekunden dem Quellmitteldampf-haltigen Gas ausgesetzt wird.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, wobei

    • die Temperatur des Quellmitteldampf-haltigen Gases von 15 °C bis 110 °C beträgt.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei

    • die zu verbindenden Körper bei einem mechanischen Druck von 10 N/cm2 bis 500 N/cm2 während einer Zeitspanne von 3 Sekunden bis 120 Sekunden miteinander verschweißt werden.
  6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei

    • die verschweißten Körper bei einer Temperatur von 30 °C bis 3 Grad unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs während einer Zeitspanne von 10 Minuten bis 60 Minuten unter einem mechanischen Druck von 5 N/cm2 bis 50 N/cm2 getempert werden
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei

    • die verschweißten Körper bei einer Temperatur von 30 °C bis 3 Grad unterhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffs während einer Zeitspanne von 10 Minuten bis 180 Minuten ohne mechanischen Druck getempert werden.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei

    • der mindestens eine aus Kunststoff bestehende Körper mit einer Mikrostruktur versehen ist mit einer Hohlraumtiefe von 2 &mgr;m bis 1000 &mgr;m und einer Hohlraumbreite von 2 &mgr;m bis 500 &mgr;m und einem Aspektverhältnis von 0,05 zu 1 bis 100 zu 1.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei

    • beide Körper aus Kunststoff bestehen und mindestens ein Körper mit einer Mikrostruktur versehen ist.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, wobei

    • der mindestens eine Kunststoff-Körper aus Polymethyl-methacrylat besteht und als Quellmittel Dichlormethan verwendet wird.
  11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 wobei

    • der mindestens eine Kunststoff-Körper aus Polystyrol besteht und als Quellmittel Styrol verwendet wird.
  12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 wobei

    • der mindestens eine Kunststoff-Körper aus Polycarbonat besteht und als Quellmittel Benzol verwendet wird.
  13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9 wobei

    • der mindestens eine Kunststoff-Körper aus Polyether-sulfon besteht und als Quellmittel N-Methyl-pyrrolidon verwendet wird
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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