Flüssige, optisch klare, klebende Laminierlösungen für Glas

Datum: 15. Februar 2023

Author: Chris Davis – HB Fuller (Kömmerling Chemische Fabrik GmbH)

Flüssige Zwischenschichten stellen eine alternative duroplastische Lösung zu herkömmlichen thermoplastischen Folienmaterialien dar, um Glas mit sich selbst oder mit alternativen Substrattypen zu verbinden. Das Prinzip der Flüssiglaminierung erfordert im Allgemeinen, dass der Hohlraum zwischen den Substraten vor dem Einbringen des vorgehärteten flüssigen Polymers dauerhaft oder vorübergehend umlaufend abgedichtet wird. Es erfordert im Allgemeinen nur einen signifikanten Phasenwechsel von flüssig zu einem ausgehärteten Polymer durch entweder Katalysator- oder durch ultraviolettes Licht aktivierte Photoinitiatormechanismen.

Frei fließende Flüssigkeiten passen sich leichter der Form, Kontur und Oberflächentextur der Umhüllungen an, in die sie eingespritzt werden, und können als „passiv“ betrachtet werden, da die Verarbeitung im Allgemeinen bei Raumtemperatur und ohne übermäßiges mechanisches Pressen oder Vakuumextraktion erfolgt.

Bei einigen Materialien werden die Polymerketten als vollständig vernetzt eingestuft und bieten anschließend ein viskoelastisches Verhalten, das bei Betrachtung über Temperatur, Zeit und Belastungsdauer eine relativ geringe Abhängigkeit aufweisen kann.

LOCA-Materialien sind für die Herstellung von Verbundglasverbundwerkstoffen für den Einsatz in den meisten Standardanwendungen konzipiert und werden sowohl in Bauprodukten als auch in Automobilanwendungen eingesetzt, bei denen Sicherheit und strukturelle Stabilität im Vordergrund stehen. Der Schwerpunkt liegt nun zunehmend auf der Verwendung von LOCA-Produkten zur Einbettung und Kapselung passiver und dynamischer Funktionen bei gleichzeitiger Bereitstellung mechanischer Stabilität und Schutz vor potenziell schädlichen Umwelteinflüssen.

Zu den Hauptvorteilen der Materialien und Verarbeitungssysteme zählen:

LOCA-Materialien können auf Polyurethan- oder Acrylat-Plattformen basieren und fallen im Allgemeinen in die folgenden Paketgruppen:

i) Katalytische Aushärtung auf Polyurethanbasisii) Mit ultraviolettem Licht ausgehärtete Materialien auf Acrylbasisiii) Katalytisch aushärtende Materialien auf Acrylbasis

i) Polyurethan Systeme bestehen im Allgemeinen aus zwei Teilen, die aus einem Basispolyolmaterial (Komponente A) und einer entsprechenden Komponente auf Isocyanatbasis (Komponente B) bestehen. Der Aushärtungsmechanismus ist oft eine katalytische Polyadditionsreaktion mit der Funktion, kleine Mengen atmosphärischer Feuchtigkeit innerhalb der Hülle und Feuchtigkeit, die durch den Glasreinigungsprozess auf der Oberfläche des Substrats eingefangen wird, zu absorbieren. Diese Materialien gelten als hydrophob und weisen einen geringen Restfeuchtigkeitsgehalt auf. Während der Aushärtungsphase sollte jedoch überschüssige Feuchtigkeit vermieden werden, da es zu einer Nebenreaktion innerhalb des Isocyanats kommen kann, bei der Kohlendioxid entsteht, das in der Folge eine Matrix mit Blaseneinschlüssen bildet.

Die Konditionierung beider Komponenten erfordert eine Entgasung und die Haftung wird durch eine Reaktion des PU-Materials mit der Glasoberfläche erreicht und durch Haftvermittler verstärkt.

ii) Einteilige UV-HärtungAcryl -basierte Materialien enthalten einen eingebetteten Photoinitiator, der unter UVA-Einwirkung die radikalische Polymerisation startet und so zur Bildung von Polymerketten führt. Der Einschluss von Comonomeren kann Eigenschaften wie die Zugfestigkeit für die Schlagzähigkeit verbessern oder anpassen.

iii) Mehrkomponentige katalytisch härtende Acrylmaterialien bestehen oft aus drei Komponenten, basierend auf einem Grundmaterial, einem Katalysator und einem separaten Haftvermittler. Der Härtungsmechanismus erfolgt im Allgemeinen durch radikalische Polymerisation über einen Katalysator, sodass die Reaktion erst beginnt, wenn die Komponenten gemischt werden.

Beide Härtungsmechanismen (die radikalische Polymerisation der Acrylsysteme und die Polyaddition der PU-Systeme) können als exotherm angesehen werden.

Adhäsion

Beispiel für die Klebearten (siehe Beispiel 1)

Substrattypen

Die Laminierung der meisten Standardsubstrate ist möglich, Änderungen in Art und Dicke erfordern jedoch möglicherweise eine Änderung der Zwischenschichtdicke. Bestimmte Nichtglassubstrate erfordern besondere chemische Vorbereitungen oder Vorbehandlungen.

Die Abmessungen der Zwischenschichten sind der Schlüssel zur Erzielung einer vollständigen Vernetzung und gleichen so die sich ändernden Oberflächenspannungsbedingungen und Steifigkeitseigenschaften verschiedener Glastypen aus. Beispielsweise kann sich die Zwischenschichtdicke für Floatglas von standardmäßig 1,0 mm auf 1,5 mm und maximal 2,0 mm erhöhen, sobald die Dicke des Floatglases auf 6,0 mm und dann auf 8,0 mm ansteigt. Wenn die Oberflächenspannungen von gehärtetem Glas zunehmen, beginnt die minimale Zwischenschichtdicke automatisch bei 1,5 mm und dann bei 2,0 mm für alle Substrate, die dicker als eine nominelle Designdicke von 5,0 mm sind. Diese Erhöhung der Zwischenschichtdicke ist auch erforderlich, um den sich ändernden Walzenwellen- und Kanteneinfalleigenschaften von wärmebehandeltem Glas Rechnung zu tragen.

Kunststoffe

Zusätzlich zu Glassubstraten wird die Verbindung von Glas mit Polycarbonat durch speziell entwickelte PU-basierte Materialien ermöglicht, die eine naturalisierte chemische Beziehung zur Oberfläche von Polycarbonat aufweisen. Der unterschiedliche Wärmeausdehnungswert von Glas und Polycarbonaten, wobei die lineare und/oder volumetrische Ausdehnung von Polycarbonat viel größer ist als die von Glas, wodurch viel größere Spannungen auf und in das Zwischenschichtmaterial ausgeübt werden. Aufgrund dieser unterschiedlichen Ausdehnung ist es wichtig, dass das Material, das diese beiden unterschiedlichen Substrate verbindet, ein gewisses Maß an Zwang oder Steifigkeit mit Kriech- und Relaxationsverhalten zum Ausgleich kombiniert. Um die Haftung der Glasoberfläche auf PUR zu verbessern, werden speziell entwickelte Primer eingesetzt.

i) Floatglas

Die Verarbeitung ist mit allen gängigen Kalknatron-Floatglasarten möglich, ohne dass besondere Oberflächenvorbereitungen für die Haftung auf der „Zinn“- oder „Luft“-Seite berücksichtigt werden müssen.

ii) Beschichtetes Glas

Bei Verklebungen auf pyrolytisch beschichteten Glasoberflächen ist neben der Haftung auf Substratoberflächen auch die ineinandergreifende Verklebung der metallisierten Beschichtungen untereinander zu berücksichtigen. Vor Beginn der Vorbereitung oder Bearbeitung sollten stets die Eigenschaften dieser Oberflächen berücksichtigt werden.

i) Reinigung

Prozessreinigung unter Verwendung einer standardisierten 3-stufigen Warmwasser-Reinigungsstation, entmineralisierter Spülung und abschließender Lufttrocknung. Überhöhte Restfeuchten durch den Reinigungsprozess und Nebenfeuchtigkeit sollten nach Möglichkeit vermieden werden. Nicht konforme zufällige Oberflächenverunreinigungen wie Öle werden normalerweise in einem sekundären Reinigungsprozess mit einer Mischung aus Isopropanol und entionisiertem Wasser behandelt.

Eventuelle zusätzliche Haftvorbereitungen, z. B. Grundierungen, werden an dieser Stelle auf die Glasoberfläche aufgetragen, bevor abschließend mit entionisiertem Wasser gespült wird.

ii) Erstellung des Füllumschlags

Beim Erstellen eines versiegelten Gehäuses wird eine Umfangsabdichtung mit einer der folgenden Methoden verwendet:

a) Auf einer Rolle geformtes Isobutylenmaterial, das manuell oder automatisch mit etwa 1 bar gepresst werden kann, um die richtige Hüllentiefe bereitzustellen. Es wird davon ausgegangen, dass Butylmaterialien über Wärmeausdehnungswerte verfügen, die denen der LOCA-Zwischenschichtmaterialien besser entsprechen. Sie gelten im Allgemeinen auch als hervorragende Barrieren gegen die Feuchtigkeitsübertragung, sind jedoch im Allgemeinen nicht transparent.

b) Vorgeformte Acryl-Kantenbänder mit Standardstärken von 1,0 mm, 1,5 mm und 1,8 mm. Die vollständige Benetzung der Klebeflächen kann durch einen Primer und eine Benetzungszeit von bis zu 24 Stunden verbessert werden, um eine gute Haftung zu gewährleisten. Die Empfehlung, getestete, vollständig ausgehärtete und zugelassene Materialien zu verwenden, stellt sicher, dass:

c) Eine frei geformte Kantenversiegelung ohne proprietäres Klebematerial kann durch den Einsatz speziell entwickelter, mechanisch aufgebrachter Systeme erreicht werden.

iii) Mischen und Dosieren von Materialien

Mit einer vorübergehenden oder dauerhaften Randversiegelung auf der Hülle kann das LOCA-Material gegebenenfalls gemischt und anschließend durch ein Injektionsverfahren in die Hülle dosiert werden. Das Mischen erfolgt normalerweise am Lieferort, um eine übermäßige Spülung nach der Anwendung zu vermeiden.

Die Berechnung der richtigen Materialmengen erfolgt in Abhängigkeit von der erforderlichen Zwischenschichtdicke, der Fläche der Hülle und den entsprechenden Schrumpfwerten.

Die Schrumpfungswerte schwanken bei verschiedenen Materialien im Bereich von 2 bis 13 Volumenprozent, wobei die Schrumpfungswerte für Polyurethanmaterialien im Allgemeinen niedriger sind als die für Acrylmaterialien.

PU-Materialien erfordern eine effiziente Entgasung der A- und B-Komponenten vor dem Mischen und Dosieren. Dies gilt auch für einkomponentige Acrylmaterialien, bei denen die Evakuierung des Sauerstoffs aus dem vorgehärteten Material die Effizienz der Polymerisationsreaktion erhöht.

Katalytisch aushärtende Zwischenschichten werden in speziell entwickelten Dosiereinheiten gemischt und dosiert, die für die Verwaltung der unterschiedlichen Materialdichten unerlässlich sind, um die richtige Enddichte der gemischten Flüssigkeit und die Enddichte des vollständig ausgehärteten Materials zu erreichen.

Die Mischungsverhältnisse für katalytisch aushärtende PU- und Acrylmaterialien werden nach Gewicht und/oder Volumen berechnet. Die Berechnung der Verhältniswerte für 3-Komponenten-Acrylmaterialien unterscheidet sich von der für PU-basierte. Einkomponentige, ultravioletthärtende LOCA-Acrylmaterialien erfordern offensichtlich kein Mischen.

Änderungen der Umgebungstemperaturen außerhalb der für die Produktion empfohlenen Werte von 18 0 C – 23 0 C (je nach Materialtyp) können Auswirkungen auf die korrekte Mischung der Komponenten haben. Daher ist die Steuerung der Temperatur in der Produktionsumgebung innerhalb des vorgeschriebenen Betriebsfensters wichtig, um eine optimale Materialmischung zu erreichen.

Die Topfzeit verschiedener Systeme kann für die katalytischen Systeme angepasst werden, obwohl sie von der Umgebungstemperatur beeinflusst wird.

iv) Aushärten

Die Methode zum Aushärten des flüssigen Materials zum halbfesten Polymer hängt von den Aushärtungsmechanismen ab, wie oben beschrieben:

a) Einkomponentige Materialien auf Acrylbasis werden im Allgemeinen mit UVA-Licht ausgehärtet, das innerhalb eines bestimmten vorgeschriebenen Wellenlängenfensters ausgestrahlt wird. Dadurch werden die im Polymer eingebetteten Photoinitiatoren aktiviert, die die chemische Reaktion initiieren und die Bindungen innerhalb der Polymerketten bilden. UV-Lichtquellen können von oben oder sowohl von oben als auch von unten gerichtet sein.

Umgebungstemperaturen außerhalb der empfohlenen Betriebsfenster können die Reaktion verhindern, verzögern oder beschleunigen, was zu einer unvollständigen oder beschleunigten Aushärtung und damit zur Bildung örtlicher Spannungen führt. Eine unterschiedliche Aushärtung kann auch durch eine unterschiedliche Dicke der Zwischenschicht verursacht werden, die die zulässige Toleranz überschreitet, die im Allgemeinen mit +/- 0,5 mm/m ausgedrückt wird. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass die Substrate nicht eben sind oder die Aushärtungstische ungleichmäßig sind. Es sollten Toleranzen festgelegt werden, um die Werte einer akzeptablen gleichmäßigen Intensität für die UV-Strahlungsquellen festzulegen. Dabei kann es sich entweder um herkömmliche Schwarzlichtröhren oder alternativ um UV-LED-Einheiten handeln. Ungleiche Strahlungsintensitäten außerhalb der eingestellten Parameter der UV-Lichtquellen müssen kontrolliert werden, um übermäßige Differenzbelastungen zu vermeiden.

Aushärtungsprofile können durch Messung von Temperaturänderungen, die aus der exothermen Reaktion resultieren, überwacht werden. Mit dem Abschluss der Reaktion kann im Allgemeinen nach 6 bis 20 Minuten gerechnet werden. Änderungen in der Art und Dicke der verwendeten Substrate wirken sich direkt auf die Intensität der von der flüssigen Zwischenschicht absorbierten UV-Strahlung aus und verändern dadurch die Dauer der erforderlichen Aushärtung. Zur Zeit bis zum Erreichen der Maximaltemperatur wird im Allgemeinen eine zusätzliche Zeit (Sicherheitsfaktor) hinzugerechnet, um sicherzustellen, dass alle Materialien vollständig und gleichmäßig ausgehärtet sind. Dadurch wird sichergestellt, dass man sich nicht nur auf den Bereich der Hülle verlässt, der überwacht wird, sondern dass man sich nicht vollständig darauf verlässt, wodurch die Möglichkeit einer übermäßigen unterschiedlichen Aushärtung verringert wird.

b) Bei der katalytischen Härtung wird die Materialhärtung durch eine chemische Reaktion zwischen der Katalysatorkomponente und dem Grundmaterial aktiviert oder beschleunigt. Die Umgebungstemperaturen spielen eine wichtige Rolle bei der Phaseneinteilung des Reaktionsprozesses. Die Messung der maximalen Temperaturen und Dauer des Temperaturzyklus bietet einen Qualitätsmanagementprozess für die Wirksamkeit der endgültigen Aushärtung.

Es können zusätzliche Kontrollen nach der Aushärtung durchgeführt werden.

Glossar