Aktivierungsverfahren für Kunststoffe auf dem Prüfstand

In einem derzeit am Fraunhofer IPA in Zusammenarbeit mit zwei weiteren Instituten durchgeführten Forschungsvorhaben (Info-Kasten) wird das heute standardmäßig für 3D-Kunststoffformteile eingesetzte Beflammen mit der Gasphasenfluorierung und dem innovativen Atmosphärendruck-Plasmaverfahren verglichen. Für diese drei Aktivierungsverfahren wird herausgearbeitet, was jeweils an der Oberfläche von Polypropylen(PP)-Werkstoffen passiert und ob der mit dem Einbau funktioneller Gruppen einhergehende Polymerabbau zu potenziellen Schwachstellen hinsichtlich der Haftfestigkeit bzw. der Belastbarkeit wasserbasierender Beschichtungen führt. Bei analytischen Untersuchungen der Aktivierungseffekte geht es meist um die Art und den Anteil der erzeugten polaren funktionellen Gruppen sowie um die dadurch erzielte Polarität. Eine für die Haftfestigkeit genauso entscheidende, gleichzeitige Schwächung der Kunststoffoberfläche durch den Energieeintrag bei der Aktivierung wird dagegen bisher kaum beachtet. Bei PP-Werkstoffen, die besonders anfällig für einen Polymerabbau sind, stellt sich die Frage, wie intensiv die Aktivierung sein muss, um eine sichere Haftfestigkeit wasserbasierender Lacksysteme zu ermöglichen, ohne dass eine gegenteilige Wirkung aufgrund des Polymerabbaus eintritt.

Drei Aktivierungsverfahren im Vergleich

Die mit den drei Verfahren aktivierten Oberflächen verschiedener PP-Werkstoffe werden chemisch, physikalisch und morphologisch charakterisiert (polare Gruppen, Oberflächenspannung, Rauigkeit). Zusätzlich wird ein besonderes Augenmerk auf die von den aktivierten PP-Oberflächen ablösbaren Anteile gelegt, wie z.B. PP-Abbauprodukte oder Kunststoffadditive. Deren stoffliche Zusammensetzung wird infrarotspektroskopisch und die Auflagemenge (in mg/m ²) gravimetrisch bestimmt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass das Beflammen im Vergleich zur Gasphasenfluorierung und dem Atmosphärendruck-Plasmaverfahren relativ schonend zu sein scheint. Während bei den beiden

Bei optimaler Aktivierung von Polypropylenteilen zeigt die Beschichtung auch nach dem Dampfstrahltest keine Enthaftung. Die Abbildung zeigt einen Querschliff.Quelle (zwei Fotos): Fraunhofer IPA

letztgenannten Aktivierungsverfahren PP-Abbauprodukte infrarotspektroskopisch nachgewiesen werden können, ist dies beim Beflammen nicht der Fall. Die beim Beflammen erzielte Polarität ist deutlich schwächer als bei den beiden anderen Aktivierungsverfahren, dennoch ist die Lackhaftung ausreichend. Die höheren polaren Anteile bei der Gasphasenfluorierung und dem Atmosphärendruck-Plasmaverfahren scheinen durch PP-Abbauprodukte verursacht zu werden. Bei PP-Werkstoffen mit niedrigen Additivgehalten (u.a. Antioxidanzien) sind Lackenthaftungen nur bei schwacher Aktivierung (Inhomogenitäten) und Überbehandlung zu beobachten. Bei beflammten PP-Werkstoffen mit höherem Additivgehalt kommt es auch bei normaler Aktivierung zu Lackenthaftungen. Hierbei handelt es sich um ein kohäsives Versagen in der obersten Kunststoffschicht. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens gewonnenen Ergebnisse ermöglichen zukünftig eine qualifizierte Anpassung des Aktivierungs- und Lackierprozesses an die immer höheren Qualitätsanforderungen im Bereich der Automobil-Anbauteile. Die sichere Beherrschung der Kunststofflackierung stellt eine wichtige Voraussetzung bei der Umsetzung von modernen Karosseriekonzepten in Mischbauweise dar. Im Automobilbereich werden Kunststoffe zunehmend für großflächige Anbauteile verwendet. Die Gewichtsreduktion trägt zur Energieeinsparung bei, außerdem lassen sich neue Sicherheitskriterien, z.B. ein verbesserter Fußgängerschutz leichter erfüllen. Durch Formintegration kann zudem der cw-Wert reduziert werden. Zu den im Offline-Lackierprozess am häufigsten eingesetzten Kunststoffarten gehören Werkstoffe auf PP-Basis. PP-Werkstoffe sind inert und unpolar, wodurch sie eine gute chemische Beständigkeit und gute Gebrauchseigenschaften aufweisen. Nachteilig ist, dass im Fall einer Lackierung die Oberfläche aktiviert, d.h. polarer gemacht werden muss. In der Praxis werden Kunststoff-Formteile i.d.R. beflammt, abhängig von der Art und Intensität der Aktivierung entstehen dabei nebeneinander unterschiedliche polare Gruppen, wie z.B. Hydroxyl-/Ether- und Carboxyl-Gruppen. Diese erhöhen die Polarität und verbessern die Lackbenetzung, zudem können sie als Ankerplätze für die Lackierung dienen. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass trotz Aktivierung immer wieder Haftungsprobleme auftreten, insbesondere wenn wasserbasierende Lacksysteme aufgebracht und die Bauteile nach Alterung extremen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Mit der Einführung des Dampfstrahltests (DIN 55662), einem relativ neuen Haftungstest mit verschärften Prüfbedingungen und lokaler Vorschädigung wurden mehr Teile mit Haftungsschwächen auffällig

Das IGF-Vorhaben 387 ZBG der Forschungsvereinigung FPL (Forschungsgesellschaft für Pigmente und Lacke e.V.) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert. Die weiteren beteiligten Forschungsinstitute sind: Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen (FILK), Freiberg/Sachsen und Leibniz-Institut für Polymerforschung (IPF), Dresden.

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart, Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970-3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de; Dr. Betina Joos-Müller, Tel. +49 711 970-3832, betina.joos-mueller@ipa.fraunhofer.de, www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung