Farbmittel und Additive zum Laserschweißen von Kunststoffen

Transkript

1 VDI-Fachtagung Kunststoffe in der Medizintechnik 23. und 24. April 2008 in Friedrichshafen Farbmittel und Additive zum Laserschweißen von Kunststoffen Martin Ebenhög Treffert GmbH & Co.KG

2 Vortragsinhalt Treffert Gruppe Polymer Technologie Was ist Farbe? Farbmittel im Allgemeinen Farbmittel und Additive für Laserschweiß-Anwendungen: - NIR transparent - NIR absorbierend Schwierigkeitsgrad Ausblick

3 Treffert Gruppe Polymer Technologie Treffert GmbH & Co. KG In der Weide Bingen Germany Treffert S.A.S. Z.I. Rue de la Jontière B.P Ste-Marie-aux-Chênes France

4 Daten und Fakten Die Farbspezialisten: Gegründet 1928 Zwei Standorte: Frankreich-Deutschland Ca. 100 Mitarbeiter 20 Extrusionsliniena Lasertechnikum zum Schweißen und Beschriften Produktprogramm: Polymertechnologie, Farbsysteme Masterbatch Farbpulver, Farbgrieß Additive, Compounds und Einfärbungen Kundenspezifische Lösungen in großen und kleinen Mengen

5 Was ist Farbe? Elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 380 bis 700 nm sind für das menschliche Auge sichtbar. Beleuchtete Objekte reflektieren eine Teil dieser Strahlung, welche vom Auge wahrgenommen und als Farbe identifiziert wird. Dieser Farbreiz entsteht aus einer unzertrennlichen Dualität zwischen Licht und Betrachter. Die beobachtete Farbe ist von der Lichtquelle abhängig. Farbe ist subjektiv.

6 Was beeinflußt Farbe? Lichtquelle Oberflächenstruktur Umgebung

7 Einfärben von Kunststoffen - Optische Eigenschaften des Kunststoffes Kundenanforderungen - Farbe (Muster, RAL...) - Kunststoff - Anwendung - Verarbeitung Farbmittel-Eigenschaften - Farbe - Licht- und Wetterechtheit - Hitzebeständigkeit -Migration - Verhalten im NIR (LM, LS)

8 Einteilung der Farbmittel Farbmittel Farbstoffe Pigmente Löslich im Kunststoff Unlöslich im Kunststoff organisch organisch anorganisch

9 Eigenschaften von Farbmitteln Eigenschaften Teilchengröße Farbstärke Deckvermögen Farbton-Temperatur-Zeit- Beständigkeit Lichtechtheit Wetterechtheit Migration Plate-out Dispergierbarkeit Anorganische Pigmente 0,5 1,0 mm Niedrig im allgemeinen deckend hoch gut bis sehr gut sehr gut keine kein Einfluss leicht Organische Pigmente /Farbstoffe 0,01 0,1 mm / löslich hoch im allgemeinen transparent in geringeren Konzentrationen kritisch schlecht bis sehr gut schlecht bis sehr gut abhängig von Kunststoff und Konzentration rezepturabhängig schwierig/löslich

10 Metamerie Sample A Sample B Norm Reflektionsspektrum light D65 Artificial sunlight Sample A Sample A Sample B Sample B Norm light A Tungsten light

11 CIELAB-Farbsystem Farbkoordinaten und Standardabweichung CIELAB (L*a*b*) Minolta E* ab =[( L 2 )+ ( a 2 )+ ( b 2 )] 1/2 Standard deviation

12 Laserschweißen von Kunststoffen

13 Kunststofftypen Amorph (transparent) Teilkristallin (transluzent/opak) Thermoplaste Schmelzbar Steif bei Raumtemperatur können mehrmals wiederverarbeitet werden Teilvernetzte Kunststoffketten Elastomere Nicht schmelzbar Elastisch auch bei Raum- Temperatur Nicht mehrmals verarbeitbar Hochvernetzte Kunststoffketten Duroplaste Nicht Schmelzbar Steif bei Raumtemperatur Nicht mehrmals verarbeitbar

14 Schmelz- und Zersetzungsbereiche der Kunststoffe Polymer Glas- Erweich.- Schmelz- Zerstz. Temperatur [ C] T g [ C] T f [ C] T m [ C] T d [ C] ABS PA ~ 325 PA PC HD-PE PEEK PMMA POM PP PS PTFE PVC ~250 SAN Schmelzbereich Zersetzungstemperatur

15 Wechselwirkung von Licht und Kunststoff Absorptionsbereiche von Kunststoffen Elektronen-Anregung Schwingungs-Anregung Absorption Additive Ultraviolett Excimer ArF: 193 nm KrF: 248 nm XeCl: 308 nm Sichtbarer Bereich 400 nm 700 nm Nd:YAG/SHG 532 nm Nd:YAG/THG 355 nm Nd:YAG 1064 nm Diode laser 808, 940, 980 nm Infrarot CO µm 10.6 µm

16 Absorption-Reflexion-Streuung-Transmission Reflektierter Laserstrahl Vorwärtsstreuung durch obere Schicht Einfallender Laserstrahl Diffuse Streuung durch obere Schicht Absorption Streuung durch untere Schicht Transmittiertes Licht

17 Naturmaterialien Transmission in % PA 6-3T 20 MABS 10 PA 66 PBT Materialdicke: 1mm Wellenlänge in nm

18 Streuung Grund der Streuung: Teilkristalline Struktur Füllstoffe (Glasfasern, etc.) Pigmente Obere Schicht: Streuung verbreitert den Strahldurchmesser Streuung erniedrigt die Leistungsdichte Konsequenz: Höhere Laserleistung und breitere Schweißnähte Die Schichtdicke spielt eine wichtigen Rolle Untere Schicht: Streuung bewirkt eine homogene Strahlqualität Streuung verkürzt die Absorptionstiefe Generell keine negative Auswirkung amorph z.b. PC teilkristallin z.b. PBT

19 Der Streufaktor ist abhängig von Morphologie, Größe, Verteilung. Einfluss der Füllstoffe Füllstoff Transmission % (2mm Wandstärke, Wellenlänge 1064nm) Talkum (PP) Konz. Trans. 0% 88 0,2% 83 0,5% 76 1% 67 2% 53 Titandioxid (PP) Konz. Trans. 0% 88 0,02% 63 0,1% 55 0,5% 30 1% 22 Glaskugeln (PP) Konz. Trans. 0% 88 20% 66 Glasfasern (PA 6) Konz. Trans. 0% 85 15% 75 25% 67 30% 60 35% 50

20 Einfluss der Farbmittel Blau Grün Gelb Rot Transmission Reflexion / Streuung Absorption Unterschiedliche Farben zeichnen sich durch unterschiedliche spektrale Reflexion, Absorption und Transmission aus. Gleiche Farbtöne, die durch unterschiedliche Farbmittel hergestellt werden, können unterschiedliche spektrale Absorptionen im IR aufweisen. Farbmittel reduzieren die Transmission im NIR ( nm) teilweise signifikant, d.h. farbige Oberschichten benötigen höhere Laserleistung Deckende Farben sind stark streuend.

21 Farbmittel für NIR-transparente Teile Voraussetzungen für ein ideales NIR-transparentes Farbmittel: Hohe Transmission im NIR Niedrige Reflektion, Absorption und Streuung im NIR Keinen Einfluss auf mechanische Eigenschaften des Trägermaterials In allen Kunststoffen anwendbar

22 Transmission von ausgewählte Farbstoffen Transmission in % Carrier material D.Y.54 S.R.179 S.G Wavelength in nm

23 Transmission verschied. Typen P.R. 101 Transmission in % Type 1 Type 2 Type 3 Type Wavelength in nm

24 Schwierigkeitsgrad

25 Schwarz NIR transparent/-absorbierend Ruß Absorber für die Wellenlängen: 808, 940, 1064 nm Medizinapplikation: Ruß unerwünscht Nur anwendbar in schwarzer oder dunkler Kunststoffware Quelle: Paragon AG. 1,0 0,8 %/100 0,6 0,4 Transmission Reflexion Absorption 0,2 0, Wellenlänge [nm] Patent Marquardt (DE A1 ) und Bayer (EP A1 )

26 Schwierigkeitsgrad

27 Farbig/Farbig Laser transparente und absorbierende Teile benötigen unterschiedlichen Farbrezepturen Herausforderung: Metameriefrei zu bleiben, d.h. beide Teilen sehen auch bei unterschiedliche Lichtquellen identisch aus

28 Farbmittel und Additive für NIR-absorbierende Teile Ideales NIR-absorbierendes Additiv Keine Absorption im sichtbaren Bereich Keine Streuung im sichtbaren Bereich Hohe Transparenz im sichtbaren Bereich Hohe Absorption im nahinfrarot Bereich Kein Einfluss auf mechanische Eigenschaften des Polymers Auch für Hochtemperatur-Kunststoffe einsetzbar Einsetzbar für amorphe und teil-kristalline Polymere Nicht-toxisch (FDA) für Medizin-Anwendungen

29 Transparent-Transparent der strahlende Farben 1a. Farbstoffe im Polymer Dioden-Lasers (808 nm) Optisch transparent 1b. Anorganische Pigmente im Polymer Dioden oder YAG Laser Streuung 2. Farbstoff in Zwischenschicht Dioden-Laser (940 nm) oder Nd:YAG (1064 nm) Farbe verschwindet nach Bestrahlung Farbstoff Anorganische Pigmente ClearWeld

30 Quasi-transparente NIR-Absorber

31 Schwierigkeitsgrad

32 Weiß / Weiß Unteres Teil Herausforderung => weiß absorbierend (RAL 9003) Bester Ansatz: IR-Additive Weiß absorbierend Oberes Teil Herausforderung => transmissive Streuung/Reflektion Weiß transparent

33 Ausblick Für die Formulierung von NIR-transparenten und absorbierenden Rezepturen ist das Wissen über das spektrale Verhalten von Farbmitteln und Additiven essentiell. Fast grenzenlose Farbfreiheit Eine große Bandbreite von Farben von transparent bis opaque und von hell bis dunkel sind aufgrund transparenter Absorber-Additive möglich.

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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