Haftung auf Kunststoffbauteilen: Aktivierungsmethoden kennen

Werkstoffe aus Kunststoff enthalten, neben dem reinen Polymer-Grundbaustein(en), eine Vielzahl weiterer Formulierungskomponenten in Form von Trennmitteln, Additiven, Füllstoffen, Pigmenten und Fasern, welche die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften der Kunststoffe wesentlich beeinflussen und verbessern. Bei der Lackierung von Kunststoffteilen treten daher im Gegensatz zu einer Lackierung auf Metallsubstraten zusätzliche erschwerende Faktoren auf.

Lösliche Inhaltsstoffe beeinträchtigen die Haftung

Auf die Kunststoffoberfläche gelangt, können sich insbesondere die löslichen Inhaltsstoffe negativ auf die Haftung auswirken. Dies fällt besonders dann auf, wenn die Bauteile dem Dampfstrahltest nach DIN EN ISO 16925:2014-016 (starke mechanische Belastung und erhöhte Temperatur mit lokaler Vorschädigung) unterzogen werden. Hier treten oftmals Lackenthaftungen auf. Vor allem Polyolefine wie Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) gelten als schwer lackierbar. PP ist zudem ein hinsichtlich Polymerabbau sehr empfindlicher Werkstoff, bei dessen Aktivierung die Bildung geschwächter Grenzflächen (“weak boundary layers”) und somit Haftungsprobleme vorprogrammiert sind. Beflammen: Hierbei wird die Oberfläche sehr schonend aktiviert. Mit der Beflammungsintensität nehmen der Sauerstoffgehalt und die polaren funktionellen Gruppen an der Werkstoffoberfläche zu, während die Rauigkeit nahezu unverändert bleibt. Lösliche Polymerabbauprodukte waren nicht nachzuweisen. Durch das Beflammen werden daher polare funktionelle Gruppen erzeugt, die fest mit dem Grundwerkstoff verbunden sind. Insgesamt ist der Anstieg der Polarität aber nur schwach ausgeprägt. Mit steigendem Additivanteil auf der Kunststoffoberfläche nimmt die Lackhaftung auf PP-Bauteilen jedoch stark ab. Die Additive konnten durch praxisübliche Reinigung bzw. Reinigung und Beflammung nicht von der Oberfläche entfernt werden und wirken einer guten Haftung entgegen. Auch hat das eingesetzte Reinigungsverfahren (PowerWash, CO2-Schneestrahlreiniung oder ­Wasser-Isopropanol/Ultraschall) keinen Einfluss. Mit chlorierten Reinigungsmitteln gelang zwar die Entfernung der typischen Additivstoffgemische (Antioxidantien, Wachse, Antistatika, etc.), jedoch migrierten die Additive binnen kurzer Zeit vom Werkstoffinneren wieder an die Oberfläche.

Gasphasenfluorierung: Dabei werden, speziell in Gegenwart von Sauerstoff (Oxifluo­rierung), Oberflächen mit einer ­hohen Polarität erzeugt. Der ­Anstieg der Oberflächenenergie korreliert dabei mit einem höheren Sauerstoffgehalt und einer erhöhten Acidität. Ursache dafür sind PP-Abbauprodukte, welche bei der Oxifluorierung als lösliche Anteile entstehen. Darüber hinaus finden sich außerdem PP-Additive auf der Oberfläche. Der Aktivierungseffekt bei der Gasphasenfluorierung mit Sauerstoff beruht nicht auf einer Anoxidation des Polymers, sondern auf der Bildung einer löslichen Oberflächenschicht. Bei einer Fluorierung ohne Sauerstoff entspricht die Menge der löslichen Anteile denen der Additive im Werkstoff. Atmosphärendruck-Plasmaaktivierung: Hier sind die Effekte besonders stark ausgeprägt. Die Zunahme der Oberflächenenergie geht einher mit einem Anstieg im Sauerstoffgehalt und der Bildung polarer (saurer) funktioneller Gruppen. Nachteilig ist jedoch die Aufrauhung und Heterogenität der behandelten Oberfläche. Es bilden sich stets PP-Abbauprodukte, wobei die rotierende Plasmadüse im Gegensatz zur starren Plasmadüse etwas schonender agiert. Nach der Beschichtung wird eine verstärkte Migration von Additiven in die Grenzfläche Polymer-Lack beobachtet.

Migrierfähige Additive

Generell hat sich gezeigt, dass die PP-Abbauprodukte und Kunststoffadditive eine wichtige Rolle bei der Lackenthaftung spielen. Dabei spielt nicht nur die Auflagemenge auf dem Grundwerkstoff eine Rolle, vielmehr beeinflusst auch die stoffliche Zusammensetzung die Haftung. Die PP-Abbauprodukte verursachen dabei nur bei extremer Überbelastung partielle Lackenthaftungen. Als problematischer erweisen sich die vom Substrat auf die Oberfläche migrierfähigen Kunststoffadditive, die aufgrund ihrer Strukturmerkmale nicht mit den funktionellen Gruppen des Beschichtungsstoffes reagieren können. Diese führen daher ab einer bestimmten Auflagemenge zwangsläufig zur partiellen Lackenthaftung, auch bei optimal gereinigten und aktivierten PP-Substraten.

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