Kunststoffbeschichtung: Aktuell, kompakt und praxisnah 9783748602132

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Guido Wilke und Jürgen Ortmeier

Kunststoffbeschichtung Aktuell, kompakt und praxisnah

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Cover: Karl Wörwag Lack- und Farbenfabrik GmbH & Co. KG

Bibliographische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie ; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

Guido Wilke und Jürgen Ortmeier Kunststoffbeschichtung: aktuell, kompakt und praxisnah Hannover: Vincentz Network, 2009 (Farbe und Lack edition) ISBN 978-3-7486-0213-2 © 2009 Vincentz Network GmbH & Co. KG, Hannover Vincentz Network, P.O. Box 6247, 30062 Hannover, Germany Das Werk einschließlich seiner Einzelbeiträge aus Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung außerhalb der engen Grenzen des Urhebergesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für die Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Das Verlagsverzeichnis schickt Ihnen gern: Vincentz Network, Plathnerstr. 4c, 30175 Hannover, Germany Tel. +49 511 9910-033, Fax +49 511 9910-029 E-mail: [email protected], www.farbeundlack.de Satz: Vincentz Network, Hannover, Germany ISBN 978-3-7486-0213-2

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Farbe und Lack Edition

Guido Wilke und Jürgen Ortmeier

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Auf ein Wort In der Lackindustrie finden die Innovationen heute nicht mehr allein durch die Entwicklung von Beschichtungsstoffen mit spezifischen technischen Vorteilen statt, sondern in der gemeinschaftlichen Werkstückentwicklung mit den Lack verarbeitenden Kunden und den Endanwendern. Ein Beispiel ist die Entwicklung der Außenhaut von Automobilen. Hier ist der Kunststoffanteil in der Vergangenheit kontinuierlich gestiegen. Waren in den Siebziger Jahren Kunststoffteile noch als solche erkennbar, so gibt es mittlerweile an Kraftfahrzeugen kaum noch Kunststoffteile, die nicht beschichtet sind. Im gleichen Maße hat sich die Verwendung von Kunststoffen im häuslichen Bereich und bei den Gegenständen des täglichen Gebrauchs etabliert. Aus dekorativen und funktionellen Gründen sind viele dieser Oberflächen lackiert. Um das ganze Potenzial der Lackierung von Kunststoffbauteilen nutzen zu können, ist ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge wichtig. Dabei soll dieses Buch unterstützen. So wie das Spektrum der Beschichtungskonzepte sich in diesem Sinne ausweitet, wird es immer weniger ausreichen, funktionsfähige Lackmaterialien für Kunststoffe im Trial and Error-Verfahren aufzufinden. Erfolgreiche Entwicklungen werden daher mehr als bisher vorangetrieben durch intensive Kooperationen der Teilnehmer aus Kunststoff-, Bauteil-, Halbzeug- , Vorbehandlungs-, lackherstellende und lackverarbeitende Industrie. Das Buch richtet sich deshalb an alle Beteiligten im Prozess der Herstellung lackierter Kunststoffteile. Dem Entwickler von Kunststofflacken, dem Mitarbeiter im technischen Service von Lack- und Rohstoffherstellern und dem Lackierer von Kunststoffteilen mag es das notwendige Wissen der Fakten und Verständnis für die Zusammenhänge vermitteln, welches zur erfolgreichen Beschichtung von Kunststoffen notwendig ist. Dekorativ beschichtete Bauteile und Halbzeuge aus Kunststoff sind geometrisch definierte Kunststoff-Verbundsysteme. Die Applikationstechnik für die Kunststoffbeschichtung wird in diesem Buch bewusst knapp gehalten. Schwerpunkte des Buches bilden zunächst der in der Kunststofflackierung nicht zu unterschätzende materialtechnische Überblick inklusive der Kunststoffvorbehandlung; dann die Eigenschaften und Funktionen von Kunststoffen und Beschichtungsmaterialien, schließlich ihre gegenseitige Zuordnung und ihr Zusammenwirken. Zur Abrundung sollen die wichtigsten spezifischen Basiseigenschaften der beschichteten Kunststofferzeugnisse und Beschichtungsfehler behandelt werden.

Esslingen und Stuttgart, im März 2009 Dr. Guido Wilke und Jürgen Ortmeier

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Auf ein Wort

Vorbemerkung zu den Rezepturen Die ausgewählten Rezepturen stellen repräsentative Beispiele für die jeweiligen Anwendungen dar und sind aus den Empfehlungen von Rohstoffherstellern oder der Patentliteratur entnommen. Sind keine Rezepturen angegeben, so hat sich unter Umständen noch kein repräsentativer Stand der Technik etabliert. Die Rezepturen können nicht ohne eigene Prüfung und Weiterentwicklung übernommen werden. Jegliche Haftung aus Beratung wird hiermit ausgeschlossen. Einschränkungen durch Schutzrechte können nicht ausgeschlossen werden. Auf Markenzeichen (z.B. ® oder ™) wird nicht ausdrücklich hingewiesen. Markennamen und Bezugsquellen sind Veränderungen unterworfen.

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Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung....................................................................................................... 12

1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4

Historie und Marktentwicklung.......................................................................................... Aufgaben von Beschichtungen auf Kunststoff................................................................ Schutz....................................................................................................................................... Dekoration............................................................................................................................... Spezielle Eigenschaften........................................................................................................ Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft........................................................... Erhöhen der Prozesssicherheit........................................................................................... Emissionsarme Lacke............................................................................................................ Wirtschaftlichkeit................................................................................................................... Design.......................................................................................................................................

2

Kunststoff in der Beschichtungstechnik...................................................... 18

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.3.1 2.1.3.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.5.1 2.2.5.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2

Allgemeines zu Kunststoffen.............................................................................................. 18 Klassifizierung nach technischen Kriterien..................................................................... 18 Ökonomische und beschichtungstechnische Bedeutung.............................................. 19 Ursachen für die wachsende Bedeutung von Kunststoff.............................................. 20 Ökonomische und ökologische Aspekte........................................................................... 20 Technik und Design............................................................................................................... 21 Werkstoffeigenschaften........................................................................................................ 22 Mechanisches Verhalten...................................................................................................... 23 Thermisches Verhalten......................................................................................................... 24 Löslichkeit und Quellbarkeit von Kunststoffen............................................................... 26 Elektrische Eigenschaften.................................................................................................... 32 Oberflächeneigenschaften.................................................................................................... 33 Oberflächenstruktur.............................................................................................................. 33 Oberflächenspannung........................................................................................................... 34 Kunststoffe erfolgreich beschichten.................................................................................. 36 Allgemeines............................................................................................................................. 36 Substrateinflüsse.................................................................................................................... 37 Einfluss von Kunststoffverarbeitung,................................................................................ 40 Ursache und Wirkungszusammenhänge.......................................................................... 40 Tipps.......................................................................................................................................... 44

12 13 13 14 15 15 15 16 16 17

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Inhaltsverzeichnis

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Vorbehandlung von Kunststoffoberflächen.................................................. 48

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.3 3.2.3.4 3.2.3.5 3.2.3.6

Reinigung................................................................................................................................. 48 Aktivierung.............................................................................................................................. 49 Wirkungsweise der Aktivierung......................................................................................... 49 Analytik der Aktivierung..................................................................................................... 50 Aktivierungsverfahren.......................................................................................................... 51 Beflammung............................................................................................................................ 51 Prinzipien der Plasmabehandlung..................................................................................... 54 Plasmabehandlung bei Niederdruck................................................................................. 55 Plasmabehandlung bei Atmosphärendruck..................................................................... 56 Gasphasenfluorierung........................................................................................................... 58 Weitere Verfahren.................................................................................................................. 59

4

Beschichtungsmaterialien............................................................................. 62

4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.2.1 4.5.2.2 4.5.2.3 4.6 4.6.1 4.6.1.1 4.6.1.2 4.6.1.3 4.6.2 4.6.2.2 4.6.2.3 4.6.2.4 4.7 4.8 4.8.1 4.8.2 4.8.3 4.9 4.10

Industrielle Kunststofflackierung....................................................................................... 62 Haftvermittler......................................................................................................................... 64 Grundierungen, Primer, Füller........................................................................................... 65 Decklacke und Einschichtlacke.......................................................................................... 68 Filmbildner für Decklacke.................................................................................................... 69 Pigmente und Füllstoffe........................................................................................................ 70 Additive für Deck- und Einschichtlacke............................................................................ 71 Basislacke................................................................................................................................ 71 Lösemittelhaltige Basislacke............................................................................................... 72 Wasserbasislacke.................................................................................................................. 74 Filmbildner für Hydrobasislacke........................................................................................ 75 Rheologiesteuerung von Hydrobasislacken................................................................................... 76 Effektpigmente für Hydrobasislacke................................................................................. 77 Klarlacke für die Kunststofflackierung............................................................................. 79 Eigenschaftsprofil von Klarlacken...................................................................................... 80 Härte, Kratzfestigkeit, Schleif- und Polierbarkeit........................................................... 81 Chemikalienbeständigkeit................................................................................................... 82 Bewitterungsbeständigkeit.................................................................................................. 82 Formulierung von Klarlacken............................................................................................. 83 Wässrige Klarlacksysteme................................................................................................... 85 UV-Klarlacke........................................................................................................................... 86 Nanoklarlacke......................................................................................................................... 88 Softfeel-Lacke.......................................................................................................................... 91 IMC-Lacke................................................................................................................................ 92 IMC-Slush-Verfahren............................................................................................................. 93 SMC-IMC................................................................................................................................. 93 High-Pressure-IMC................................................................................................................ 94 Lackfolien................................................................................................................................. 94 Pulverlacke.............................................................................................................................. 96

5

Applikation..................................................................................................... 98

5.1 5.2 5.2.1 5.2.2

Zerstäubungsverfahren........................................................................................................ 98 Lackierprozesse...................................................................................................................... 100 Flächenspritzautomaten....................................................................................................... 100 Großlackieranlagen................................................................................................................ 101

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Inhaltsverzeichnis

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Beschichtungen auf Kunststoff..................................................................... 104

6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.3.1 6.2.3.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4 7.5

Allgemeines ........................................................................................................................... 104 Haftung ................................................................................................................................... 105 Versagensarten....................................................................................................................... 105 Adhäonstheorien und -mechanismen................................................................................ 107 Haftfestigkeit ......................................................................................................................... 109 Qualitative Prüfverfahren..................................................................................................... 109 Quantitative Prüfverfahren.................................................................................................. 111 Mechanisch-technologische Eigenschaften...................................................................... 115 Elastizität bei Stoß- und Schlagbeanspruchung.............................................................. 115 Härte, Abriebfestigkeit und Kratzbeständigkeit............................................................. 116 Chemikalien- und Wetterbeständigkeit............................................................................ 118 Fehler erkennen und vermeiden........................................................................................ 120 Einschlüsse/Verunreinigungen.......................................................................................... 121 Einschlussarten...................................................................................................................... 121 Einschlussanalyse.................................................................................................................. 123 Blasenbildung......................................................................................................................... 124 Mikroblasen ........................................................................................................................... 124 Benetzungsstörungen .......................................................................................................... 126 Störungen der Wechselwirkungen im Gesamtaufbau................................................... 127 Lackenthaftung....................................................................................................................... 127 Rissbildung.............................................................................................................................. 128 Runzelbildung......................................................................................................................... 128 Verlaufsstörungen.................................................................................................................. 129 Orangenschaleneffekt........................................................................................................... 129 Läuferbildung.......................................................................................................................... 129 Substratmarkierungen.......................................................................................................... 129 Farbton-, Effekt- und Glanzabweichungen....................................................................... 130 Checkliste für Reklamationen............................................................................................. 130

Lebensläufe.................................................................................................... 133 Index............................................................................................................... 134 Marktübersicht.............................................................................................. 139

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Einleitung

Einleitung

1.1 Historie und Marktentwicklung Beginnend mit der Beschichtung von Fernsehgehäusen, Sportgeräten, Automobil-Heckspoilern und Kleiderknöpfen in den 60er und 70er Jahren des 20ten Jahrhunderts hat sich das Beschichten von Kunststoffen nach dem Überstehen ihrer Kinderkrankheiten zu einer ausgereiften Technik entwickelt. Als Verfahren zur Oberflächenveredelung und -dekoration ist die Kunststofflackierung besonders fest etabliert. Wegweisend hierfür war und ist vor allem die Entwicklung im Automobilbau. Nahezu alle sichtbaren Kunststoffbauteile eines Autos werden heute beschichtet, wobei neben der Lackierung auch die Metallisierung von Bedeutung ist. Am aktuellen Entwicklungsstand der Kunststoffbeschichtung waren spezifische Innovationen und Anpassungen in verschiedenen Segmenten der Fertigungstechnik für Bauteile beteiligt. Hierzu gehören die Verarbeitung von Kunststoffen zu beschichtbaren Formteilen, die an Kunststoffbauteile adaptierte Lack-Applikationstechnik und schließlich auch die Entwicklung von speziell auf Kunststoffen haftenden Beschichtungssystemen. Anfänglich dominierten hier lösemittelhaltige Materialien, doch eroberten sich emissionsarme Systeme allmählich ihren Platz. So ist beispielsweise die Beschichtung großflächiger Karosserieanbauteile mit Wasserlacken im Karosserie identischen Farbton und Effekt heute Stand der Technik. Die Fortschritte in der Kunststoffbeschichtung sind nicht auf das Automobil beschränkt (Tabelle 1.1). Tabelle 1.1: Anwendungsgebiete und -beispiele für die Kunststoffbeschichtung Branche

Beispiele

Fahrzeug: Kfz, LKW, Nfz

Stoßfänger, Spiegelgehäuse

Elektronik

Mobiltelefone, Computergehäuse, TV-Geräte, Elektrogeräte

Haushaltsgeräte

Waschmaschinen

Medizin

Brillengläser, Aseptic Packaging

Informationstechnologie

CDs, Magnetbänder, Chipkarten

Verpackung

Lebensmittelbehälter, Folien

Bauwirtschaft

Bodenbeläge, Fensterrahmen, Türen, Möbel

Sport

Ski, Bootsbau, Sportbrillen, Rennwagen

Verlässliche und detaillierte Daten über den Markt für Kunststoffbeschichtungssysteme sind kaum publiziert. Die Abbildungen 1.1 und 1.2 stellen die Branchenaufteilung des Marktes für Kunststofflacke in Nordamerika und Deutschland dar.

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Historie und Marktentwicklung

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Abbildung 1.1: Markt für Kunststofflacke in Nordamerika (Quelle: The ChemQuestGroup [1])

Abbildung 1.2: Markt für Kunststofflacke in Deutschland (Quelle: Jahresbericht 2005/2006; Verband der deutschen Lackindustrie, aus [2])

1.2 Aufgaben von Beschichtungen auf Kunststoff Die Aufgaben von Beschichtungen auf Kunststoff lassen sich in drei Gruppen zusammenfassen: Schutz, Dekoration und spezielle Eigenschaften.

1.2.1 Schutz Die meisten Kunststoffe sind nicht bewitterungsstabil. Das Aussehen ihrer Oberfläche verschlechtert sich im Laufe der Zeit bedingt durch das komplexe Zusammenspiel klimatischer Faktoren wie UV-Licht, Sauerstoff, diverser anderer Schadstoffe sowie Schwankungen von

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Einleitung

Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Lackschichten, die mit UV-Absorbern und Radikalfängern ausgerüstet sind, helfen Kunststoffen diese Belastungen schadlos zu überstehen, ohne dass die gesamte Substratmasse mit den teuren Lichtschutzmitteln ausgerüstet werden muss. Viele thermoplastische Kunststoffe haben eine nur eingeschränkte Beständigkeit gegen Abrieb, Verkratzung, Lösemittel- und Chemikalieneinwirkung. Bedruckte und metallisierte Kunststoffe werden oft durch eine Lackschicht gegen Abrieb und Korrosion geschützt. Beschichtungen aus polymeren Netzwerken verleihen den betroffenen Teilen die erforderlichen Chemikalienbeständigkeiten und Härte. Einwandfreie Haftung der Beschichtung vor und nach Alterung, Bewitterung, mechanischer Beanspruchung und Medienbelastung ist für die Aufrechterhaltung ihrer Schutzfunktion eine notwendige, von den Endabnehmern lackierter Kunststoffartikel verlangte Voraussetzung. Bei Kunststoffen handelt es sich um mechanisch ganz unterschiedlich beschaffene Werkstoffe. Eine Lackierung kann unter anderem nur dann haften, wenn sie der Flexibilität des Substrates einigermaßen angepasst ist, was sich mittlerweile dank einer genügend großen Auswahl maßgeschneiderter Bindemittel in der Regel gut realisieren lässt. Der Stellenwert der Schutzfunktion spiegelt sich in aktuellen Entwicklungstrends wider: • E  inen Schwerpunkt der Entwicklung moderner Beschichtungsstoffe bilden Hybridmaterialien aus organischen Polymeren, die mit anorganischen Komponenten oder nano-skalierten Füllstoffen modifiziert sind. Mit derartig keramisch modifizierten organischen Schichten lassen sich die Vorteile anorganischer Hartstoffe mit denjenigen organischer Polymere nahezu beliebig kombinieren und zur hochwertigen, schützenden Veredelung von Kunststoffoberflächen ideal nutzen. • U  V-gehärtete kratzfeste Beschichtungen auf Kunststoffen wie Polycarbonat und Plexiglas sind seit langem Stand der Technik. Neben der Möglichkeit auf Lösemittel ganz zu verzichten bietet die UV-Härtung einige prozesstechnischen Vorteile wie die Schnelligkeit der Härtung und einen geringen Platzbedarf für die notwendigen Anlagen.

1.2.2 Dekoration Mit beeindruckender Vielfalt werden Kunststoffbauteile heute farbig, matt wie glänzend und mit Effekt lackiert. Die farbige Dekoration von Mobiltelefonen bringt dies ebenso zum Ausdruck wie das Automobil, bei dem der Laie keinen coloristischen Unterschied mehr erkennt zwischen Anbauteil und restlicher Karosse. Diese als selbstverständlich hingenommene Farbtonübereinstimmung muss jedoch immer wieder neu erarbeitet werden. Während das Beschichten mit pigmentierten Lacken die Kaschierung der Naturfarbe eines Kunststoffteils ermöglicht, verwendet man zur Erhöhung des Glanzgrades von massegefärbten Kunststoffteilen lediglich Klarlacke. Die Tatsache, dass Kunststoffformteile überhaupt hochwertig lackiert werden können, ist das Ergebnis langjähriger Bemühungen, Kunststoffe in einen lackierfähigen Zustand zu überführen. Bei der Kunststoffverarbeitung zu Formteilen wird längst nicht immer eine Class A-Oberfläche erzielt. So ist es bei problematischen Substraten erforderlich, zunächst Oberflächenfehler zu beseitigen, bevor die eigentlich dekorative Beschichtung aufgebracht werden kann. Bei thermoplastischen Spritzgussteilen markieren sich vorhandene Fließlinien und Bindenähte durch eine dekorative Lackschicht hindurch. So genannte Lunker und andere Fehlstellen von Langfaser verstärkten Duroplasten gehören ebenfalls egalisiert. Bauteile aus verstärkten Thermoplasten wie Polyamid weisen häufig infolge herausstehender Kurzfasern eine zu hohe Rauigkeit auf. Die Glättung der Oberfläche wird mit Hilfe von speziellen Grundierungen bzw. Spachteln erreicht.

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Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft

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1.2.3 Spezielle Eigenschaften Neben den schützenden und dekorativen Aufgaben gibt es andere, an speziellen Anforderungen ausgerichtete Funktionen, die mit der Beschichtung von Kunststoffen erreicht werden sollen. Einige klassische Beispiele seien hier aufgezählt. • S  chaffen einer Diffusionsbarriere bei Folien für die Verpackung gegenüber Inhaltsstoffen der Kunststoffe, des Verpackungsgutes und hinein dringende Gase und Flüssigkeiten • Herbeiführen der Metallbedampfbarkeit von Kunststoffoberflächen (Scheinwerferreflektoren) • E  rzeugen von Oberflächen mit spezifischen haptischen Eigenschaften (Autoinnenraumverkleidung) • A  bsorbieren oder Reflektieren bestimmter elektromagnetischer Wellen (Flugzeuge, Militärfahrzeuge) • Reduzieren der Gleitreibung bei Scheibenwischergummis Die Beschichtungstechnik kann auch dazu genutzt werden, ein Kunststoffteil mit Eigenschaften auszustatten, welche es aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung nicht aufweist. Elektrisch und magnetisch leitfähige Beschichtungen schaffen diese Zusatzeigenschaften, ohne dass die gesamte Kunststoffmasse modifiziert werden muss. Moderne funktionelle Beschichtungen, wie sie zurzeit im Trend sind, lassen sich grundsätzlich auch auf Kunststoff realisieren. So verwendet man intrinsisch leitfähige Polymere für antistatische Beschichtungen von Kunststofffolien in der Elektronikverpackung [3]. Die Flexibilität elektrisch leitfähiger Polymere ermöglicht es, Elektronik direkt in Kleidung und Verpackung zu integrieren. Hierzu werden die Polymere zur Bedruckung von Folien mit elektrischen Schaltkreisen und Strichcodes eingesetzt [4].

1.3 Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft 1.3.1 Erhöhen der Prozesssicherheit Die Komplexizität der Kunststoffbeschichtung bringt es mit sich, dass die Ursachen für Qualitätsmängel bei beschichteten Bauteilen gleichermaßen in allen Einflussfeldern, d.h. Substrat, Verarbeitung, Vorbehandlung, Lackmaterial und Applikationstechnik zu finden sind. Generell werden intensive Anstrengungen unternommen, die Nachbesserungsquote zu reduzieren und zu einer höheren First-Run-i.O.-Quote zu kommen. Bei faserverstärkten Kunststoffen sind substratbedingte Lackierfehler ein besonders häufiges Qualitätsproblem. So neigt der Werkstoff SMC (Sheet Molding Compound) zu Ausgasungen, die sich besonders an den Kanten der Bauteile durch Blasen, Kocher bzw. Nadelstiche bemerkbar machen. Bei einer Lackierung berücksichtigt man dieses Werkstoffverhalten, indem man die thermische Belastung soweit reduziert, dass Entgasungen minimiert werden. Dies erfordert entweder lange Trocknungszeiten oder alternative Trocknungskonzepte, deren Prozessfähigkeit unter seriellen Produktionsbedingungen umfassend geprüft werden muss. Dauerbrennerthema bei der Automobillackierung ist die Farbtonübereinstimmung der Anbauteile aus Kunststoff mit der Karosserie. Durch die Einschränkung der zulässigen Farbquadranten, den Einsatz der Farbmetrik und die Angleichung der Applikationstechnik von Anbauteil und Karosse, sind hier gerade in den letzten Jahren deutliche Fortschritte erzielt worden. Eine weitere Option ist die Vereinheitlichung von Basislack-Chargen und Karosse/Anbauteil. Die Tragfähigkeit der bestehenden Konzepte zur Farbtonübereinstimmung wird jedoch mit jedem neu einzuführenden Effekt-Farbton neu auf die Probe gestellt.

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Einleitung

Bei den technischen Beschichtungseigenschaften ist das Grundproblem der Haftung weder für alle Substrate gelöst noch wissenschaftlich verstanden. Größte Herausforderung ist die Sicherstellung der Lackhaftung auf den sich im Markt immer mehr durchsetzenden Polyolefinen. Die im Bereich der Automobilserienlackierung schon lange erhobene Forderung nach Kratzbeständigkeit hat sich inzwischen auch im Bereich der Anbauteilelackierung etabliert.

1.3.2 Emissionsarme Lacke Die Einführung der Wasserlacktechnologie mitsamt angepasster Applikations- und Anlagentechnik ist in größeren Firmen vielerorts gut umgesetzt. Die Umstellung von konventionellen, lösemittelbasierten auf emissionsreduzierte Klarlacke ist eine Aufgabe, die in vielen Anwendungen noch gelöst werden muss. Neben Hydroklarlacken sind hier UV-härtende Lacke eine Lösungsoption. Die Materialentwicklung hat für beide Technologien das Grundlagenstadium verlassen und erprobt sich seit geraumer Zeit mit je nach Einsatzgebiet unterschiedlich gutem Erfolg im Markt. Die Pulverlackierung ist derzeit nur für solche Kunststoffe ein Thema, welche die vergleichsweise hohen Lackhärtungstemperaturen schadlos überstehen. In den marktdominierenden Branchen wie der Automobilzuliefererindustrie werden Pulverlacke auf absehbare Zeit nicht die klassischen Nasslacke ersetzen.

1.3.3 Wirtschaftlichkeit Ein sehr einfacher Weg Beschichtungskosten einzusparen wird bei der Lackierung von Automobilanbauteilen dadurch beschritten, dass man die Anzahl der Lackschichten im Gesamtaufbau reduziert. Positive Erfahrungen liegen auf dem Feld der primerfreien (grundierungsfreien) Lackierung von Fahrzeuganbauteilen vor. Diese Vorgehensweise erfordert jedoch unter anderem eine hohe Oberflächenqualität des Substrates, so dass in vielen Fällen, beispielsweise beim Einsatz von mit Glasfasern hochgefüllten Kunststoffen, nicht auf den Primer (Grundierung) verzichtet werden kann. Bei manchen Lackierprozessen von Stoßfängerverkleidungen sind die substratseitigen Anforderungen erfüllt, so dass lediglich Zweischichtaufbauten aus Hydrobasislack und Klarlack zum Einsatz kommen. In anderen Fällen kommt man aus Gründen der Farbtonübereinstimmung wegen der Substratgrundfarbe und des begrenzten Deckvermögens mancher Basislacke nicht ohne farbigen Primer (Grundierung) aus. Der Verzicht auf Lackschichten ist in extremster Ausprägung durch die Lackierung von eingefärbten Kunststoffteilen mit Klarlack praktiziert worden. Sehr elegant können auf diese Weise einfache Unifarben realisiert werden, wie dies bei den Body Panels des SMART praktiziert wird. Die Umsetzung für Effektfarbtöne wäre Grundvoraussetzung für einen erfolgreichen und auf andere Modelle erweiterten Einsatz. Doch sieht sich die Massefärbung hier mit dem Anspruch konfrontiert, eine zielgerichtete Effektgebung und einwandfreie Farbtonübereinstimmung mit dem Rest einer konventionell lackierten Karosserie zu ermöglichen. Da die Pigmentierung der Substratmasse naturgemäß nicht zu einer der Spritzlackierung äquivalenten Ausrichtung von Effektpigmenten führt, hat sich die Massefärbung mit zusätzlicher Klacklackierung bisher noch nicht als Konzept für die Beschichtung von Fahrzeuganbauteilen durchsetzen können. Eine ganz andere Richtung auf der Suche nach Alternativen für die Lackierung verfolgt die Folientechnologie. Besonders in Verbindung mit der Möglichkeit, mehrere Fahrzeugbauteile zu Modulen zusammenzufassen und außerhalb der Fertigungsstraße der Karosserie separat fertigen zu lassen, verspricht die Folientechnologie eine deutliche Reduktion der Fertigungstiefe und damit Prozesskosten. Es existiert mittlerweile eine ganze Reihe von Folienkonzepten, die alle im Kapitel 4 behandelt werden, und teilweise über Pilotprojekte bereits Eingang in den Markt gefunden haben. Die Anwendungen beschränken sich zurzeit auf den Bereich großflächiger Anbauteile mit mäßig komplexer Geometrie. Eine typische und geeignete Lokalisation für Foli-

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Herausforderungen der Gegenwart und Zukunft

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enkonzepte ist das Fahrzeugdach, welches sich in starre und bewegliche, deckende und transparente Module aufteilen lässt. Man hofft und erwartet, dass die Folientechnologie ihre derzeitigen technischen Herausforderungen meistern wird und sich weiter verbreiten wird.

1.3.4 Design Ein im Markt zurzeit allgemein beobachteter starker Trend ist die Individualisierung. Als Triebkraft für das derzeitige Wachstum des Kunststofflackmarktes wird der Wunsch nach Farbe und Effekt angesehen, vor allem bei Fahrzeugen. Auch in Sektoren wie der Elektronik, besonders für Mobiltelefone, spiegelt sich der Trend zur Individualisierung durch persönliches Farbdesign wieder. Ein individuelles Farbdesign kann heute am besten durch eine anspruchsvolle Lackiertechnik realisiert werden. Besonders deutlich wird dies bei Beschichtungen mit Perleffekt, die nur im Zusammenwirken von Lackmaterial und Applikationsprozess ihre optischen Eigenschaften wie z.B. Flop-Effekte voll entfalten können. Ein Gebiet, in welchem der Trend zu Personalisierung sich besonders stark ausprägen lässt, ist die Automobil-Innenlackierung. Die unterschiedlichsten Wünsche von einzelnen Kundengruppen lassen sich am besten mit vielen Materialien befriedigen, Kunststoffe, Leder und Textilmaterialien müssen sich farblich einander anpassen. Eine Lackierung von Innenraumteilen ist deshalb erforderlich, weil sich nur hierüber die größte Flexibilität in der Ausdifferenzierung der optischen Gestaltung vornehmen lässt. Eine große Breite an unterschiedlichen Farben im Automobil-Innenraum ist nur mit Kunststofflacken zu bewerkstelligen, allerdings haben auch innovative Folienkonzepte wie Insert Film Molding (IFM) ihren Platz gefunden. Durch das Hinterspritzen einer transparenten Folie, die mit einer Elektrolumineszenzschicht bedruckt ist, lassen sich dreidimensionale Kunststoffteile herstellen, die beim Anlegen einer Wechselspannung über die gesamte Fläche leuchten [5]. Ganz allgemein wird den schaltbaren Beschichtungssystemen eine große Zukunft prophezeit. Es ist davon auszugehen, dass die Fortschritte in der Entwicklung schaltbarer Beschichtungssysteme sich auch in anderen Fällen derart originell mit einem Kunststoffverarbeitungsverfahren verknüpfen lassen und die Möglichkeiten zur Gestaltung wie Funktionsausübung industrieller Erzeugnisse erweitern wird.

Literaturhinweise [1] The ChemQuestGroup, Inc., www.radtech.org/ An Overview of the North American Plastic Coatings, pdf, 2003 [2] U. Hoffmann, Journal für Oberflächentechnik (JOT) 46, 11 (2006), S. 56 [3] S. Kirchmeyer, L. Brassat, Kunststoffe 95, 10 (2005), S. 202 [4] H. Rost, Kunststoffe 95, 10 (2005), S. 209 [5] E. Foltin, G. Wießmeier, Journal für Oberflächentechnik (JOT) 3 (2004), S. 34

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Kunststoff in der Beschichtungstechnik

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2.1 Allgemeines zu Kunststoffen 2.1.1 Klassifizierung nach technischen Kriterien Kunststoffe lassen sich nach DIN 7724 einteilen in Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste. Die jeweiligen charakteristischen Merkmale dieser drei Gruppen werden im Folgenden erläutert und dazu einige Beispiele mit in Klammern gesetzten international üblichen Kurzzeichen nach DIN 7728 angeführt. Thermoplaste sind unvernetzte, mehr oder weniger lösliche und thermisch reversibel erweichbare, bzw. schmelzbare Kunststoffe. Hierzu gehören die Massenkunststoffe Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) und Polyvinylchlorid (PVC). Ebenfalls zu dieser Gruppe gehören die so genannten technischen Kunststoffe wie z.B. Polyethylenterephthalat (PET) und Polybutylenterephthalat (PBT), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polystyrol-Blends (ASA, ABS, SB, SBS) und Polymethylmethacrylat (PMMA). Elastomere sind weitmaschig kovalent vernetzte Kunststoffe, welche oberhalb von 20 °C ein gummielastisches Verhalten zeigen. Sie sind in organischen Lösemitteln nur schwer bzw. gar nicht löslich, aber quellbar und thermisch erweichbar, jedoch nicht plastisch verformbar. Beispiele hierfür sind vernetzter Natur- und Synthesekautschuk (NR, BR), Silikonkautschuk (SI), bestimmte Polyurethane (PUR) und Fluorkautschuk (FKM). Duroplaste sind dicht vernetzte, bei Raumtemperatur harte und spröde Kunststoffe. Sie sind in organischen Lösemitteln nicht löslich bzw. quellbar und erweichen erst ab Temperaturen oberhalb 50 °C. Im erweichten Zustand sind Duroplaste im Gegensatz zu Elastomeren nur begrenzt verformbar, weitere Temperaturerhöhung führt zu Zersetzung. Beispiele für Duroplaste sind jeweils vernetzte Epoxy- (EP), ungesättigte Polyester- (UP), Phenol- (PF), Melamin- (MF) und Harnstoffharze (UF). Tabelle 2.1: Beispiele für Kunststoffe in der Beschichtungstechnik Branche

Beispiele der Kunststoffe

Verpackung

PE, PP, PET

Fahrzeug

PP+EPDM, SMC, PA6-GF, PC+ABS, PUR-RRIM, PC+PBT, PPO+PA, PA+ABS

Luftfahrt

CFK (EP-CF)

Elektronik

PS, Styrol-Blends, PC, PP

Medizin

PC, PP

Informationstechnologie

PC, PVC

Bauwirtschaft

PVC, PS, EPS, PUR

Sport

GFK, CFK, PC, ABS

Wilke/Ortmeier: Kunststoffbeschichtung: aktuell, kompakt und praxisnah © Copyright 2009 by Vincentz Network, Hannover, Germany

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Allgemeines zu Kunststoffen

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Abbildung 2.1: Weltweite Produktion von Kunststoffen  (Quelle: Verband Kunststofferzeugende Industrie, aus [1])

Abbildung 2.1 stellt die weltweite Marktaufteilung nach Produktionsmenge im Jahr 2004 dar und Tabelle 2.1 fasst die beschichtungstechnisch bedeutendsten Kunststoffe nach Einsatzgebieten zusammen.

2.1.2 Ökonomische und beschichtungstechnische Bedeutung Die weltweite Produktion von Kunststoffen wächst seit 50 Jahren mit durchschnittlich ca. 10 %. Im Jahre 2007 lag die produzierte Menge bei 260 Millionen Tonnen [1]. Etwa die Hälfte des Verbrauchsvolumens der Kunststoffe entfällt auf Polyolefine, von denen Polyethylen (PE) den größten Anteil einnimmt und Polypropylen (PP) wegen seiner Eignung für hochwertige und kostengünstige Massenartikel mit stark wachsender Rate (weltweit 6 % p.a.), besonders in China (12 % p.a.) verbraucht wird. Polyolefine dürften in Zukunft wegen ihres noch nicht ausgeschöpften Hightech-Potenzials, des anhaltenden Preisdrucks auf Industrieerzeugnisse und dem Zwang, das Recycling durch Reduktion der Substratvielfalt zu vereinfachen, eine eher noch wichtigere Rolle als bisher spielen. Etwa 70 % aller im Automobil eingesetzten Kunststoffe basieren auf Polypropylen [2]. Die reinen Polyolefine PE und PP sind als Substrat für Beschichtungen vor allem in der Verpackungsbranche bedeutend. Sie werden hier vor allem als Folie im Walzverfahren mit Sperrschichten versehen bzw. als Hohlkörper bedruckt. Bei Formteilen im Automobilbau hat der elastifizierte Blend PP+EPDM (engl. TPO: Thermoplastic Polyolefines, thermoplastische Polyolefine) eine starke Position. So beträgt der Anteil an TPO bei den Kunststoffen des Automobils ca. 20 %. Beispiele für Artikel sind tiefgezogene Folien für Dashboards (Armaturenbretter oder Instrumententafeln) und spritzgegossene Stoßfängerverkleidungen. Wirtschaftlichkeit, Recyclingfähigkeit und sicherheitstechnische Vorteile (passiver Fußgängerschutz) sorgen für eine steigende Tendenz, andere übliche Kunststoffe gegen Polyolefine auszutauschen. Das ebenfalls zu den Massenkunststoffen zählende Polyvinylchlorid (PVC) wird als Material für Fußböden auch in beschichteter Form eingesetzt wird. Die Gruppe der Polystyrole (PS) und geschäumten, expandierten Polystyrole (EPS) steht seit Jahren bezüglich der Produktions-

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menge an vierter Stelle und hat seine Haupteinsatzgebiete in der Verpackungs- und Baubranche. Fernsehergehäuse aus Polystyrol gehörten zu den ersten Gegenständen aus Kunststoff, die man versucht hat, zu lackieren. Weitere Einsatzgebiete für lackiertes Polystyrol sind Hifi-Anlagen und Computer. In der Beschichtungstechnik bedeutender sind schon seit langem die elastifizierten und lackiertauglicheren Styrol-Co-Polymeren mit Butadien und Acrylnitril (ABS) sowie Acrylester-Elastomer (ASA). Sie haben sich im Consumer-Elektronikbereich und als Blend mit Polycarbonat (PC+ABS, PC+ASA) bei Automobilanbauteilen einen festen Platz erobert. Beispiele für beschichtete Teile aus diesen Substraten sind Außenspiegel, Kennzeichenblenden und Konsolen. Für online-lackierfähige Kotflügel wird ein verstärkter Blend aus ABS+PA eingesetzt. Thermoplaste wie Polycarbonat (PC), Polybutylen- und Polyethylenterephthalat (PBT bzw. PET) und Polyamid (PA) werden als technische Kunststoffe bezeichnet. Sie gehören mit einem Gesamtproduktionsvolumen von gut 9 % am Weltmarkt zu den eher kleinen Kunststoffvertretern; ihnen werden jedoch die mit 6 bis 8,5 % höchsten Produktionswachstumsraten prognostiziert. In der Beschichtungstechnik sind sie als Substrat bereits heute weit verbreitet. So wird PC als Material für Streu- und Sichtscheiben eingesetzt, wo sie noch mit einer vor UV-Licht schützenden und kratzbeständigen Beschichtung versehen werden müssen. PBT ist vor allem als Blend mit PC im Bereich der Automobilkarosserie im Einsatz, z.B. für Lufteinlassgitter. Der Werkstoff PET wird für beschichtete Folienverbünde in den Lebensmittelverpackung (Snacks) verwendet, lackiertes Polyamid (PA) beispielsweise im Haushalt bei Waschmaschinen. Glasfaserverstärkte Polyamide kommen vor allem für Werkzeuggehäuse, Autotürgriffe, Heckgriffleisten und Radblenden zum Einsatz. Eine wichtige Position hat auch der Blend von PA mit dem wärmeformstabileren Polyphenylenoxid (PPO) für Kotflügel. Für großflächige Fahrzeug- und Luftfahrzeugbauteile aus Kunststoff sowie für Bootsrümpfe werden sonst jedoch vornehmlich duroplastische, faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Solche Faserverbundwerkstoffe (FVK) können aus gehärteten ungesättigten Polyester- (UP) bzw. Epoxidharzen (EP) und Glasfasern (GF) oder Carbonfaser (CF) bestehen und tragen entsprechend die Kennzeichen GFK und CFK. Eine im Automobilbau für großflächige Anbauteile besonders wichtige Variante glasfaserverstärkter Kunststoffe ist das SMC (Sheet Molding Compound), welches aus einer zu einer Rolle aufgewickelten UP-Harzgetränkten Glasfasermatte besteht, in die neben dem Reaktionsmittel, Füllstoffe, Verdickungsmittel und weitere Additive eingearbeitet sind. Nach dem Zuschnitt erfolgt das Einlegen, die Aushärtung und Formgebung in beheizbaren Pressformen. Polyurethane werden ebenfalls als Beschichtungssubstrat eingesetzt. Durch Reaktion in der Form kommt man zu Bauteilen aus PUR-RIM (Reaction-Injection-Moulding), bzw. in der verstärkten Version zu PUR-RRIM (zusätzliches R steht für reinforced). Aus dieser Werkstoffgruppe fertigt man z.B. Front-, Seiten- bzw. Längsträgerverkleidungen für Fahrzeuge. Eine aktuelle Richtung der polymeren Werkstoffforschung sind Nanokomposite. Das extrem große Oberflächen-/Volumenverhältnis von Nanopartikeln verspricht gegenüber normal skalierten Partikeln sprunghaft veränderte physikalische Eigenschaften. Neben Sol-Gel-Materialien werden zur Verstärkung von Kunststoffen nanoskalierte Füllstoffe, Carbon-Nanoröhren und Nanoschichtsilikate eingesetzt [3].

2.1.3 Ursachen für die wachsende Bedeutung von Kunststoff Warum ist Kunststoff zu einem interessanten Werkstoff für Industrie- und Konsumgüter geworden? Die hierfür verantwortlichen Ursachen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

2.1.3.1 Ökonomische und ökologische Aspekte In der Diskussion über Gewichtsreduktion und der Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen und Flugzeugen spricht aufgrund der geringen Dichte viel für Kunststoff. Gegenüber Eisen mit einer Dichte von 7,873 g/cm3 erscheinen Polyolefine mit durchschnittlichen Dichten

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Allgemeines zu Kunststoffen

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von kaum 1 g/cm3 als wahre Fliegengewichte und haben damit auch größeres Leichtbaupotenzial als Aluminium (2,7 g/cm3). Noch geringere Dichten weisen Schäume auf. Verstärkungsmittel wie Glasfasern bewirken hingegen eine Erhöhung der Dichte. Um die Möglichkeiten der Gewichtsreduktion weitestgehend auszunutzen, bietet sich der Einsatz leichter Carbonfasern an, was im Flugzeugbau zunehmend, im Automobilbau hingegen weniger genutzt wird. Für den Automobilbau haben Erfahrungswerte im Durchschnitt ergeben, dass eine Gewichtsreduktion von 10 % einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 7 % entspricht [4]. Der Anteil von Kunststoff am Auto liegt heute durchschnittlich bei etwa 15 %, aufgeteilt in Exterieur, Interieur, under the Hood und Chassis [5]. Für die Fertigung eines Teils aus Kunststoff wird im Durchschnitt eine deutlich geringere Masse Kunststoff benötigt als für ein Teil gleichen Volumens aus Stahl. Für die Herstellung eines Liters Polypropylen werden im Durchschnitt etwa 1,2 Liter Erdöl benötigt; für dieselbe Volumenmenge Eisen acht Liter und für einen Liter Aluminium gar 15 Liter Erdöl. Zwar ist Erdöl die zurzeit einzig genutzte Rohstoffquelle für die Herstellung von Kunststoffen, aber grundsätzlich kann jede Kohlenstoffquelle genutzt werden, auch Kalk oder Kohlendioxid [6]. Die Massenproduktion von Formteilen zu niedrigen Kosten wird allgemein als der entscheidende wirtschaftliche Vorteil von Kunststoff angesehen. Auch Halbzeuge wie Folien und Platten sind mit Hilfe rationeller Kunststoffverarbeitungstechnik kostengünstig herstellbar. Thermoplaste lassen sich bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen und damit vergleichsweise geringem Energieeinsatz zu oft nachbearbeitungsfreien, komplexen Teilen verarbeiten. Das ermöglicht die Schonung fossiler Ressourcen und niedrige Produktionskosten. Die Herstellung hochwertiger Bauteile aus duroplastischen, häufig faserverstärkten Werkstoffen ist meistens teurer als die entsprechende Verwendung von Thermoplasten. Neben dem Materialpreis ist auch die Stückzahl eine entscheidende Größe für die Ermittlung der Herstellkosten von Bauteilen aus Stahl oder Kunststoff. Die Verarbeitungsmöglichkeiten von Kunststoff gehen über die Fertigung einfacher Formteile weit hinaus. Komplette Module aus mehreren Einzelteilen sind in wenigen Schritten dezentral herstellbar, wofür früher eine lange Kette nacheinander geschalteter Einzeloperationen notwendig war. Durch die Vereinfachung von Fertigungskonzepten und Reduktion der Fertigungstiefe hat Kunststoff die Tür zu neuen, produktiveren Fertigungskonzepten geöffnet.

2.1.3.2 Technik und Design Die Spritzgussverarbeitung von Kunststoffen zu Formteilen hat in vielen Bereichen der Fertigung von Industriegütern die Möglichkeiten der Formgestaltung stark vergrößert. Paradebeispiel hierfür ist der Karosseriebau, wo die Verwendung von Kunststoff statt Metall ein harmonisches Übergehen von Anbauteilen in die Karossenform ermöglicht. Außenspiegel, Stoßfänger und Türgriffe sind schon seit Jahren keine abgegrenzten Anschraubteile mehr, sondern auch wegen der verschwindend klein gewordenen Fugen ein integraler Bestandteil der Karosserie. Der Austausch typischer Metallanbauteile gegen Kunststoffformteile führte zwangsläufig zu einer Zunahme an Design-Freiheit. Mit der zunehmend harmonischeren Integration von Anbauteilen in die Karosserie stellte sich die Frage der Farbtonübereinstimmung. Stoßfänger im karosserieidentischen Farbton wurden als wertsteigernd für das Automobil und damit zum Design-Standard erhoben, ungeachtet etwaiger technischer Nachteile, wie erhöhte Empfindlichkeit gegen Verletzungen der Oberfläche und aufwändigere Reparatur von Beschädigungen. Aus dem heutigen Straßenbild sind Fahrzeuge mit Stoßfängern in Grau oder Schwarz fast verschwunden. Auch in manch anderer Hinsicht vergrößert die Verwendung von Kunststoff die Gestaltungsmöglichkeiten des Automobils: Antennen sind heutzutage immer häufiger unsichtbar, weil sie in die Karosserie integriert werden können. Sie lassen sich in Heckdeckeln aus SMC einbauen, eine mit Stahl nicht mögliche Verfahrensweise der Fertigung. Eine physikalische Ursache hierfür liegt

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in der gegenüber Metallen deutlich geringeren elektromagnetischen Leitfähigkeit. Im Innenbereich von Fahrzeugen ermöglichen Kunststoffe die Integration von verschiedenen Funktionen in einem Bauteil und die Platz sparende Unterbringung von Airbags. Die Kombination von Kunststoff mit anderen Materialien in Hybridbauweise bietet weitere, größtenteils noch gar nicht voll ausgeschöpfte Möglichkeiten der alternativen Fertigungstechnologien. Ein Beispiel hierfür sind Fahrzeug-Dachmodule aus Glas mit Kunststoff, deren Gestalt und werkstoffliche Verbindung mit Metall nicht möglich wäre. Abgesehen von gestalterischen Aspekten sind Kunststoffe vor allem durch eine sehr flexible Ausprägung von technischen Merkmalen gekennzeichnet (Werkstoffe nach Maß). Die wichtigsten Eigenschaften sind im Folgenden beschrieben, wobei sie sich teilweise ambivalent darstellen. Oft kommt es bei Kunststoff auf den Anwendungsfall an und auf die Möglichkeiten der Werkstoffanpassung, ob die technischen Eigenschaften zum Vor- oder Nachteil gereichen und Kunststoff zum gegenüber anderen Werkstoffen bevorzugten Material erscheinen lassen.

2.2 Werkstoffeigenschaften Die physikalischen und werkstofftechnischen Eigenschaften von Kunststoffen sind in einigen Monographien gut zusammengefasst [7-9]. Nicht alle in diesen Darstellungen aufgeführten Eigenschaften und Werkstoffe haben jedoch eine Relevanz in der Beschichtungs- bzw. Lackiertechnik. Es wird im Folgenden daher nicht jedes technische Merkmal von jedem Werkstoff behandelt, sondern vorwiegend solche, zu welchen ein unmittelbarer Bezug zu den Themen der Kunststoffbeschichtung hergestellt werden kann. Dies betrifft z.B. die Werkstoffauswahl für die Bauteilauslegung, vor allem die Beschichtbarkeit und die Auswirkung der Werkstoffeigenschaften auf das Beschichtungsergebnis, oder umgekehrt die Auswirkungen des Beschichtens auf Bauteileigenschaften. Die Tabelle 2.2 stellt Werkstoffeigenschaften und Auswirkungen anhand einiger Beispiele stichwortartig gegenüber.

Tabelle 2.2: Gegenüberstellung von Werkstoffeigenschaften und beschichtungstechnischer Auswirkung Werkstoffeigenschaft

Auswirkung

Mechanisches Verhalten

Lackhaftung Steinschlagbeständigkeit Impact-Verhalten

Thermisches Verhalten

Wärmeformbeständigkeit (Lackhärtung) Vergilbung Maßhaltigkeit, Dimensionsstabilität von Bauteilen Eigenspannungen/Spannungsrisse

Löslichkeit/Quellbarkeit

Lackhaftung Spannungsrisse Kohäsion (Impact-Verhalten)

Elektrisches Verhalten

ESTA-Lackierbarkeit Elektrostatische Aufladung (Staub)

Oberflächeneigenschaften

Lackverlauf (Welligkeit, Struktur) Benetzbarkeit (Lackhaftung)

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Werkstoffeigenschaften

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2.2.1 Mechanisches Verhalten Verformungsverhalten (Mechanische Basiskennwerte) Erkenntnisse zu fundamentalen mechanischen Eigenschaften werden aus Verformungsexperimenten erhalten. Genormte Zug-, Biege-, Torsions- und Druckversuche liefern klare physikalische Kennwerte. Zu unterscheiden ist das Verhalten a) unter Belastungen geringen Ausmaßes mit reversibler Verformung und b) unter Belastungen hohen Ausmaßes, mit der Folge von irreversiblen Verformungen bis zum Versagen des Werkstoffes. Die Untersuchung des temperaturabhängigen Verformungsverhaltens unter geringen, schwingungsförmig ausgeübten Belastungen, wie sie in der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) angewendet werden, eignet sich zur Klassifizierung der Kunststoffe nach DIN 7724 (siehe Abbildung 2.2). Außerdem ermöglicht die DMA die Gewinnung von Elastizitätsmoduln, Übergangstemperaturen und Netzwerkdichten (siehe auch Kapitel 2.2.2). Hingegen gibt das Verhalten unter linearen Verformungsbelastungen, wie sie z.B. im Zugversuch zum Tragen kommen, auch Aufschluss über das Versagensverhalten von Werkstoffen. Mit Hilfe des Zugversuches nach ISO 527 kann man Einblicke in den allgemeinen mechanischen Charakter eines Polymers erhalten (Abbildung 2.3). Die weit verbreitete qualitative Charakterisierung von Polymeren je nach praktischem Eindruck z.B. als „steif“, „spröde“, „fest“, „flexibel“ oder „zäh“ lässt sich auf diesem Wege differenzierter vornehmen und durch Kennwerte quantifizieren.

Abbildung 2.2: Dynamisch Mechanische Analyse von Kunststoffen - vereinfachte schematische Darstellung (E´: Speichermodul,T: Temperatur)

Aus der Anfangssteigung der ZugDehnkurve kann der Elastizitätsmodul (kurz E, Einheit: N/mm2) als Zugmodul ermittelt werden. Dieser entspricht der Steifigkeit des Materials. Dem höchsten Punkt der Kurve entspricht die Zugfestigkeit σM (Einheit: N/mm2). Viele thermoplastische Kunststoffe weisen zusätzlich noch ein separates Maximum auf, welches, wie hier Abbildung 2.3: Zugversuch – Kennwerte gezeigt, unterhalb des Kurvenmaximums liegen kann, aber häufig auch selbst das Maximum darstellt. Allgemein wird dieses erste Maximum als Streckgrenze bezeichnet, dessen Lage durch Streckspannung σY und Streckdehnung εY definiert ist. Der Zugversuch endet mit dem Versagen der Probe an einem Punkt, der durch die Bruchdehnung εB (relative Längenänderung bis zum Bruch in %) und Bruchspannung σB (in N/mm2) charakte-

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risiert ist. In unserem Beispiel (Abbildung 2.3) ist die Bruchspannung identisch mit der Zugfestigkeit. Durch Flächenintegration der Zugkurve kann die auf das Volumen der Probe bezogene Arbeitsaufnahme bzw. Energie bis zum Bruch ermittelt werden. Sie entspricht der Zähigkeit des Kunststoffes. Bei der Betrachtung von mechanischen Kenndaten aus dem Zugversuch muss man sich grundsätzlich darüber im Klaren sein, dass ihre Werte außer von der Art des Polymers auch von Temperatur und Dehnungsgeschwindigkeit abhängen. Variabilität und Steuerbarkeit von Kunststoffen Eine Besonderheit von Kunststoffteilen ist sicher die Variabilität und Steuerbarkeit, mit der mechanische Eigenschaften durch die Zusammensetzung und den Verarbeitungsprozess eingestellt werden können. Anorganische Füllstoffe ermöglichen das Erreichen höherer Elastizitätsmodule und Festigkeitswerte. Organische Füllstoffe erhöhen die Zähigkeit. Kohlenstoff in Form von Pigmentruß dient bei Elastomeren der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, der elektrischen Leitfähigkeit oder der Verbesserung der Lichtbeständigkeit. Harte Kunststoffe lassen sich durch den Zusatz von Weichmachern (Ester, Wachse) elastifizieren (z.B. PVC). Durch den Einbau von Fasern können Festigkeit und Steifigkeit um ein vielfaches gesteigert werden. Wichtige Kenngrößen für den Leichtbau sind der Elastizitäts- bzw. Zugmodul und die Zugfestigkeit. Für das Crash-Verhalten von Kraftfahrzeugen spielt auch die Schlagzähigkeit eine Rolle. Die bei 23 °C und -30 °C festgestellten Werte der Schlagzähigkeit nach Charpy bzw. Izod dürfen durch eine Beschichtung gegenüber dem unbeschichteten Zustand nicht wesentlich abnehmen. Tabelle 2.3 zeigt einige mechanische Kennwerte von Kunststoffen, wie sie aus dem Zugversuch nach ISO 527 erhalten werden können und in der Datenbank CAMPUS hinterlegt sind. Zusätzlich stellt sie den Einfluss von Elastifizierung, Verstärkung, Weichmachung und Luftfeuchtigkeit auf die mechanischen Eigenschaften dar.

2.2.2 Thermisches Verhalten Tabelle 2.4 gibt einen Überblick über thermische Kenngrößen von Kunststoffen, welche ihr Erweichungs- und Schmelzverhalten, die Wärmeleitfähigkeit und ihre thermische Ausdehnung reflektieren. Kunststoffe weisen eine gegenüber metallischen Werkstoffen deutlich geringere thermische Beständigkeit auf. Ihre Glasübergangs- (Tg) und Schmelztemperatur (Tm) liegen verglichen mit Stahl bzw. Eisen oder Aluminium viel näher an der Umgebungstemperatur (Tabelle 2.4). Die Werte für Tg und Tm lassen sich über die Temperaturabhängigkeit des E-Moduls (bzw. seiner Varianten wie Zug-, Torsionsmodul), der Wärmekapazität, mittels der dynamischen Differenzkalorimetrie (engl. Differential Scanning Calorimetry, DSC) oder des spezifischen Volumens bestimmen. Diese hängen in ihrem Betrag u.a. von der Art des Bestimmungsverfahrens ab. Zur Bestimmung der Wärmeformbeständigkeit sind mehrere Verfahren in Gebrauch, deren Werte an spezifischen Prüfteilen ermittelt werden und miteinander nicht vergleichbar sind. Ein gängiges Verfahren zur Untersuchung der Wärmeformbeständigkeit von Kunststoffen, welches vor allem das Verhalten im oberen Temperaturbereich der betrachteten Erweichung reflektiert, ist die Bestimmung der Vicat-Temperatur. Die maximalen Einsatztemperaturen von Kunststoffen richten sich nach der Dauer der Wärmebelastung und sind auch von der Art des Bauteils abhängig. Die vergleichsweise geringe thermische Formbeständigkeit bzw. Dimensionsstabilität von Kunststoffbauteilen begrenzt im Beschichtungsprozess die durchführbaren Trocknungs-/Härtungstemperaturen. Eine wichtige Größe in der Betrachtung der Dimensionsstabilität von Bauteilen aus Kunststoff unter Wärmeeinwirkung ist der lineare thermische Längenausdehnungskoeffizient (engl. Coefficient of Thermal Expansion, kurz CTE). Während man sich für Bauteile eine geringe thermische

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Werkstoffeigenschaften

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Tabelle 2.3: Mechanische Kennwerte von Kunststoffen, Einfluss verschiedener Materialeinflussgrößen,  (Quelle: Datenbank CAMPUS) Kunststoff

Zugfestigkeit [MPa]

E-Modul [MPa]

Bruchdehnung [%]

Kerbschlagzähigkeit a: Izod +23/-30 °C [kJ/m2] b: Charpy +23/-30 °C [kJ/m2]

PP

37

1450

>50

2/1,3 (a); 4,5/- (b)

PP-GF30

80

6200

3

26/24 (b)

PP+EPDM*

18

1.200 bis 1.500

>50

30 bis 50/4-5 (b)

45 bis 55

3.300

4

2/2 (a); 3-4/- (b)

ABS

45

2.200 bis 3.000

30

37/22

PC

65

2.200 bis 2.400

>50

-

PC+ABS

45

2.100 bis 2.700

>50

-/16

PBT

55

2.600

>50

-

2.200

>50

60/18

PS

PC+PBT PA6 trocken

85

2600

>50

PA6 luftfeucht

85

1000

>50

PA6-GF25 trocken

160

8.500

13/10 (b)

PA6-GF25 luftfeucht

100

5.500

27/10 (b)

PPE+PA

60

2.200

>50

65/30

PVC hart

75

3.000

10 bis 30

3,5/-

PVC weich UP UP-GF28 lp (für SMC)

>50 50 bis 80

3.000 bis 4.800

75

13.000

5 bis 10

* 15 % mit Mineralstoffen verstärkt

Ausdehnung wünscht, gilt dies nicht unbedingt für den Kunststoff-Beschichtungsverbund. Es kommt vielmehr darauf an, dass Beschichtung und Substrat sich unter Wärmeeinwirkung nicht zu verschieden ausdehnen, damit es z.B. aufgrund von härtungsbedingtem Schrumpf nicht zu einer Enthaftung kommt. Kunststoffe sind gute thermische Isolatoren, d.h. ihre Wärmeleitfähigkeit ist vergleichsweise gering. Bedeutung in der Beschichtungstechnik hat die Wärmeleitfähigkeit bei Trocknungs- und

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Kunststoff in der Beschichtungstechnik

Tabelle 2.4: Thermische Eigenschaften (Erweichungs- und Schmelzpunkte, Vicat B50, Wärmeleitfähigkeit und linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient) [9-12] Kunststoff

Tg/Tm [°C]

Vicat VST B 50 [°C] ISO 306

CTE a [ K-1 106] DIN 53752

Wärmeleitfähigkeit [W/(mK)] bei 20 °C DIN 52612

PE-HD

30 Minuten >80 °C 10 bis 15

15 bis 30

100

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Beschichtungsmaterialien

Üblicherweise sind Grundierungen hell- bis dunkelgrau, in Sonderfällen für schlecht deckende Basis- und Decklacke auch in analogen Farben im Einsatz. Die wichtigsten Eigenschaften typischer 1K- und 2K-Grundierungen zeigt Tabelle 4.2. Grundierungen können 1- oder 2-komponentig, lösemittelhaltig oder wasserverdünnbar sein. Für einkomponentige Materialien spricht die leichtere Verarbeitbarkeit. 2K-Materialien haben häufig die bessere Performance, vor allem bezüglich der Haftung, insbesondere bei Feuchtebelastung (Kondenswasserkonstantklima, Bewitterung). Ein spezieller Anwendungsbereich sind Grundierungen für das InMold Coating (IMC). Hierbei wird der Grundierauftrag in das Spritzguss- oder Presswerkzeug verlagert. Eine Herausforderung ist hierbei, dass die Formulierung lösemittelfrei sein muss, da es ansonsten zu Blasenbildung und Oberflächenstörungen durch in der Form eingeschlossenes Lösemittel oder Wasser kommen kann. Die Bindemittelbasis für Grundierungen und Füller für Kunststoffuntergründe sind elastische, wässrige oder lösemittelhaltige Polyester, Polyurethan-Polyester oder Polyurethane. Zur Steuerung der Trocknung oder der Schleifbarkeit können Acrylate (thermoplastisch oder vernetzbar) mit verwendet werden. In diesen Fällen muss auf die mechanischen Eigenschaften des Lackaufbaus besonders geachtet werden. Sind die Grundierungen zweikomponentig, so werden diese in der Regel mit aliphatischen Polyisocyanaten z.B. vom HDI-Typ vernetzt. Bei lösemittelhaltigen Grundierungen können zur Verbesserung der Trocknungsgeschwindigkeit auch aromatische Polyisocyanate Verwendung finden. Ebenso wie bei Isocyanaten auf Basis von IPDI, die die Trocknung beschleunigen können, ist hier ein spezielles Augenmerk auf die erforderliche Elastizität zu richten. Die verwendeten Lösemittel müssen auf das zu lackierende Substrat abgestimmt werden. Eine gewisse Anquellung der Kunststoffoberfläche kann die Haftung der Grundierung fördern. Auch wässrige Grundierungen enthalten häufig noch kleine Mengen (70 % erzielt werden. Abbildung 5.2 stellt das Prinzip der Direktaufladung dar. Die Versuchung liegt nahe, die Verfahrensgrenzen immer weiter zu höherer Leistung zu verschieben. Dies hat oft eine schlechtere Oberflächenqualität durch einen zu hohen Lackvolumenstrom für die verfügbare Zerstäubungsleistung und geringere Materialausbeute durch zu große Bahngeschwindigkeiten zur Folge. Im ersten Fall reicht die Zerstäubungskapazität nicht aus, um das gewünschte, feine und gleichmäßige Tropfenspektrum zu erhalten. Im zweiten Fall kann man sich vorstellen, dass das elektrische Feld sich zu schnell bewegt, um die Lackwolke effektiv führen zu können.

Elektrostatisch unterstützte Hochrotationszerstäubung Sehr vorteilhaft bei der Kunststofflackierung mit elektrostatisch unterstützter Hochrotationszerstäubung ist die Verwendung von Wasserlacken. Diese sind als flüssiges Medium selbst leitfähig und können die auf die Oberfläche aufgebrachte Ladung über die entstehende Lackschicht im Sinne einer dynamischen Erdung ohne weitere leitfähige Schicht ableiten. Zu berücksichtigen ist dabei die erforderliche Potenzialtrennung zwischen Lackversorgung und Applikationsgerät, da es sonst zu gefährlichen Spannungsüberschlägen bis hin zum Lackvorratsgefäß kommen kann. Das Prinzip der Ladungsableitung über den flüssigen Lackfilm wurde in jüngster Zeit auch auf Lösemittellacke übertragen, die entsprechend leitfähig eingestellt werden.

Hochrotationszerstäuber ohne elektrostatische Unterstützung Die neueste Entwicklung bei der Zerstäubertechnologie sind Hochrotationszerstäuber ohne elektrostatische Unterstützung, welche die übliche Lenkluft zur Sprühstrahlformung und zum Materialtransport auch in Vertiefungen und Faradaykäfige nutzen. Mit diesen Zerstäubern ist es möglich selbst brillante Effektlacke farb- und effektkonform zu applizieren.

5.2 Lackierprozesse Abhängig von den in Abbildung 4.1 gezeigten Kriterien wird man den am besten geeigneten Lackierprozess wählen. Wesentliche Auswahlkriterien sind • Größe, • Form und • Komplexität der zu lackierenden Werkstücke. Die Stückzahl gleichartiger Bauteile bestimmt den Grad der möglichen Automatisierung. Die Anforderungen an die Qualität und die Optik der Lackierung ist Grundlage für die Auswahl des Lacksystems und damit der Anzahl der erforderlichen Lackierstationen, Trockner, Inspektionsund Bearbeitungsstationen. Üblicherweise wird man für eher kleinteilige Werkstücke Flachoder Rundspritzautomaten mit pneumatischer Zerstäubung, evtl. elektrostatisch unterstützt, auswählen. Sonderserien sind möglicherweise in Handlackieranlagen am vorteilhaftesten zu lackieren. Große Bauteile für die Serienbelieferung der Automobilindustrie, z.B. Stoßfänger, werden in großen Lackieranlagen mit Robotern überwiegend mit Hochrotationstechnik lackiert.

5.2.1 Flächenspritzautomaten Flächenspritzautomaten transportieren das Lackiergut auf einem flachen Fördersystem durch die verschiedenen Stationen der Applikation (Abbildung 5.3). An die Aufgabe der Werkstücke kann sich eine Vorbehandlungszone mit Beflammung oder Coronaentladung anschließen, bevor in der eigentlichen Lackierzone um 90° versetzt zur Förderrichtung bewegte Lackierpistolen

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Lackierprozesse

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für den Lackauftrag sorgen. Dabei können flächige bis maximal in zwei Ebenen geformte Teile in einem Durchgang beschichtet werden. Die Einstellung eines Flächenspritzautomaten für ein optimales Lackierergebnis setzt Erfahrung voraus. Die Positionierung der Teile auf dem Förderer muss hinsichtlich Wirkungsgrad (möglichst dichte Anordnung) und Oberflächenanforderung (keine gegenseitige Abschirmung) optimiert werden. Die Anzahl der eingesetzten Pistolen und die relativen Geschwindigkeiten von Förderer und Pistolenschlitten müssen aufeinander abgestimmt werden. Die Pistolen müssen zur besseren Auslackierung aller Teilflächen entsprechend ausgerichtet werden. An die Spritzkabine schließt sich die übliche Abdunstzone und der Trockner an. Für Mehrschichtlackierungen kann der Flächenspritzautomat mehrfach durchlaufen werden oder es werden mehrere Spritzkabinen mit den entsprechenden Zwischentrockneren kombiniert.

5.2.2 Großlackieranlagen Lackieranlagen für Großserien-Kunststoffteile unterscheiden sich in der Anlagentechnik und der Komplexität nicht wesentlich von Anlagen für die Serienlackierung von Karossen. Jedes Fahrzeug benötigt zwei Stoßfänger, Schwellerverkleidungen, vielleicht auch Seitenschutzleisten, Spiegelschalen, eventuell Kotflügel oder Heckdeckel und andere Karosserieteile, die heute ganz überwiegend in Wagenfarbe zugeliefert werden. Die farbliche Übereinstimmung der Anbauteile und der Karosse führte zu einer Annäherung der Applikationsprozesse, so dass, wie bereits erwähnt, die Hochrotationszerstäubung mit Lackierrobotern derzeit den Stand der Technik darstellt.

Abbildung 5.3: Flächenspritzanlage, Quelle: Fa. Venjakob Maschinenbau GmbH & Co. KG, Rheda-Wiedenbrück

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Applikation

Abbildung 5.4: Lackieranlage für Kunststoff-Stoßfänger, Quelle: Fa. Eisenmann, Böblingen

Abbildung 5.4 zeigt den Aufbau einer Lackieranlage für Stoßfänger in Übersicht. An die Aufgabe der Teile auf die Warenträger, so genannte Skids, heute in der Regel mit Bodenförderern zur Vermeidung von Schmutzeinfall in die frische Lackierung, schließt sich die Vorbehandlung in Form einer mehrstufigen Power Wash-Anlage an. In nacheinander geschalteten Behandlungszonen werden die Teile mit Reinigungslösungen besprüht, die in abschließenden Spülzonen mit voll entsalztem Wasser (VE-Wasser) zur Vermeidung von Spülmittel- oder Salzrückständen gespült werden. Diese Nachreinigung muss hoch wirksam sein, da Rückstände aus den Waschzonen oder angetrocknete Mineralsalze aus nicht ausreichend enthärtetem Wasser in der anschließenden Lackierung zu Oberflächendefekten oder später im Gebrauch zu Blasenbildung oder Enthaftung führen können. Das oberflächlich anhaftende Wasser wird in Blaszonen und im Haftwassertrockner entfernt. Problematisch sind schöpfende Bereiche der Werkstücke. In diesen kann sich so viel Wasser ansammeln, dass alleine der Haftwassertrockner nicht ausreicht, diese Menge zu entfernen. Dieses kann während der Lackierung oder dem Teiletransport durch die Anlage auf darunter liegende Teile tropfen und so zu Oberflächenstörungen führen. Aufwändiges manuelles Ausblasen der Bereiche ist häufig die einzige Abstellmaßnahme. Die Vorbehandlung wird gefolgt von der Aktivierungszone, in den meisten Fällen einer Beflammung mit oxydierender Gasflamme zur Erhöhung der Oberflächenspannung durch den Einbau polarer Gruppen in die Polymeroberfläche. Grundierungskabine, Basislackkabine und Klarlackkabine mit den erforderlichen Abdunstzonen und Trocknern folgen. Ein typischer Anlagendurchlauf ist in Tabelle 5.1 dargestellt. Variationen sind an jeder Stelle möglich und üblich. Bei der Verwendung von Lösemittelsystemen sind auch so genannte Nassin-Nass-Lackierungen ganz oder teilweise ohne Zwischentrocknung zwischen den einzelnen Lackschichten bekannt. Diese Prozesse erfordern physikalisch extrem schnell trocknende Lackformulierungen. Das Applikationsfenster, also die Bandbreite der möglichen Prozessparameter mit denen ein gutes Lackierergebnis erzielt wird, ist dadurch sehr klein.

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Lackierprozesse

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Tabelle 5.1 Typische Prozesszeiten in Lackieranlagen Lackierablauf Aufgabe der Teile bis Vorbehandlung

Standard wässrig 5 Minuten

Powerwash und Blaszone

10 Minuten

Haftwassertrockner

20 Minuten

Kühlzone

10 Minuten

Minimal lösemittelhaltig 5 Minuten

Beflammen

5 Minuten

5 Minuten

Kühlzone

5 Minuten

5 Minuten

Primer lackieren

5 Minuten

5 Minuten

Abdunsten

10 Minuten

5 Minuten

Trocknen

20 Minuten

Kühlzone

5 Minuten

Basislack lackieren, 2 mal

10 Minuten

10 Minuten

Abdunsten

10 Minuten

5 Minuten

Trocknen

15 Minuten

Kühlzone

5 Minuten

Klarlack lackieren

5 Minuten

5 Minuten

Abdunsten

10 Minuten

5 Minuten

Trocknen

45 Minuten

30 Minuten

Kühlzone bis zur Abnahme

15 Minuten

10 Minuten

210 Minuten

90 Minuten

Summe Mögliche Lackierabläufe

Die Kunststoffteile werden nach der Abnahme einer Oberflächeninspektion unterzogen. Kleinere Fehlstellen durch Staubeinschlüsse werden durch gezieltes Anschleifen und Polieren nachgearbeitet. Größere Fehler (Einschlüsse, Läufer, Magerlackierungen) werden häufig durch einen erneuten Anlagendurchlauf nach vorherigem Ausschleifen des Fehlers repariert. Die Wirtschaftlichkeit dieses Vorgehens wird diskutiert, da die Erfolgsquote in der Regel kleiner ist als die sonst erzielbare First-Run-Rate1.

Literaturhinweise [1] Th. Brock, M. Groteklaes, P. Mischke: Lehrbuch der Lacktechnologie, 2. Auflage, Vincentz, Hannover, 1998, S. 299

1

 irst-Run: Bauteil, dessen Oberfläche direkt nach der Lackierung ohne weitere Bearbeitung den Vorgaben F entspricht

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6

Beschichtungen auf Kunststoff

Beschichtungen auf Kunststoff

6.1 Allgemeines Die technischen Eigenschaften industriell beschichteter Kunststoffgegenstände werden nach vereinbarten Prüfverfahren untersucht und mit den Vorgaben der Lastenhefte verglichen. Bei den Anforderungen lassen sich einige Basiseigenschaften und zusätzliche, für den jeweiligen Anwendungsfall typische Spezialeigenschaften unterscheiden. Letztere hängen zunächst davon ab, ob es sich bei den Gegenständen um Bauteile handelt oder um Halbzeuge wie beispielsweise Folien bzw. Bahnenware. Auch innerhalb dieser beiden Gruppen können die Anforderungen sehr unterschiedlich akzentuiert sein, es stehen häufig ganz bestimmte Eigenschaften im Vordergrund. Die nachfolgenden Beispiele in Tabelle 6.1 sollen die Heterogenität spezifischer Anforderungen illustrieren. Von zentraler Bedeutung für die nachhaltige Akzeptanz einer Beschichtung auf Kunststoff sind jedoch zunächst einige Basiseigenschaften: • Haftung • mechanische Beständigkeiten • chemische Beständigkeiten • optische Eigenschaften Von einer robusten Beschichtung erwartet man, dass diese Eigenschaften auch dann noch erfüllt sein sollen, wenn sie über- oder unterbrannt, bzw. in nicht adäquater Schichtdicke aufgetragen worden ist. Ausdruck der Robustheit ist ein möglichst großes Prozessfenster, welches darstellt, wie groß die Toleranzbreite aller möglichen Applikations- und Trocknungsparameter für die Erfüllung des Anforderungsprofils maximal sein darf. Zu den Einflussgrößen der Fertigung eines lackierten Kunststoffteils gehören neben dem Applikationsprozess noch das Lackmaterial, das Kunststoffmaterial und der Kunststoffverarbeitungsprozess. Alle vorgenannten Faktoren beziehen sich auf den Fertigungsprozess des Produktes, dessen Robustheit dann in möglichst beliebig breit einstellbaren Prozessparametern besteht. Hier gibt es jedoch klare Grenzen, die man kennen und feststellen sollte. Nun kommt noch folgendes Tabelle 6.1: Spezifische Anforderungen bei unterschiedlichen Kunststoffbeschichtungen Anwendung

Anforderung

Automobilinnenraum

Haptik

Verscheibungen

Kratzbeständigkeit

Verpackungsfolien

Diffusionsdichtigkeit

Fußböden

Barriere gegenüber Weichmacher

Scheibenwischer

Gleitvermögen

Wilke/Ortmeier: Kunststoffbeschichtung: aktuell, kompakt und praxisnah © Copyright 2009 by Vincentz Network, Hannover, Germany

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Haftung

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erschwerend hinzu: Die Forderung nach einwandfreien Filmeigenschaften bezieht sich nicht nur auf den Initialzustand der Beschichtung, sondern auch auf den Zustand nach verschiedenartigen Alterungen bzw. Belastungen wie Bewitterung, Klimawechsel, Schwitzwasser, mechanischer Belastung durch Kratzer, Abrieb, Vibration etc. Gewünscht ist schließlich, dass Haftfestigkeit, Schutzfunktionen und ästhetischer Charakter der Beschichtung nach Einwirkung dieser Belastungen vollständig erhalten bleiben. Wenn diese Belastungsfaktoren mit in eine graphische Beschreibung der Robustheit des Produktes mit einbezogen werden sollen, lässt sich dies nicht mehr zweidimensional realisieren, sondern kann nur zu einer dreidimensionalen Darstellung führen. Bevor die Beschichtungseigenschaften geprüft werden, ist es ratsam, die Schichtdicke der Lackierung zu untersuchen von der die Beschichtungseigenschaften stark abhängen. Hierfür stehen einige direkte und indirekte Prüfverfahren zur Verfügung. • Indirekte Verfahren – Mitlackierung von Metallplättchen für eine elektromagnetisch induktive Bestimmung • Direkte Verfahren – Mikroskopie (zerstörend) • Wärmewellen (nicht zerstörend) • Ultraschall (nicht zerstörend) Die Anforderungen an chemische Beständigkeiten und optische Eigenschaften von Kunststoffbeschichtungen unterscheiden sich nicht prinzipiell von denen für Metallbeschichtungen. Hierzu ist das wichtigste in Kapitel 4 bei den Deck- und Klarlacken bereits ausgeführt worden. Die im wichtigsten Einsatzfeld für Kunststofflacke, der Automobillackierung, wichtigen Anforderungen und dazu gehörigen Prüfmethoden sind in der Literatur ausführlich dargestellt [1]. Deshalb soll hier eine vollständige Beschreibung der Beschichtungseigenschaften und Methoden zurücktreten zugunsten einer Darstellung der speziell für Beschichtungen auf Kunststoff bedeutenden Themen Haftung und mechanisch-technologische Eigenschaften. Die nachfolgenden Seiten enthalten zunächst eine Beschreibung der zu diesen Themen gehörenden Eigenschaften, dann eine kurze Darstellung der Prüfmethoden und, wo vorhanden, der wissenschaftlichen Untersuchungsmethoden.

6.2 Haftung 6.2.1 Versagensarten Von fast allen Beschichtungen (bis auf Abziehlacke und andere temporäre Beschichtungen), wird eine einwandfreie Haftung zum Untergrund erwartet. Viele weitere Funktionen sind mit der Haftung verknüpft. Dieser Umstand gilt natürlich auch für die Kunststofflacke und gewinnt dadurch an Bedeutung, dass sich auf bestimmten Kunststoffen nur schwer eine gute Haftung erzielen lässt. Wenn es um die Frage geht, wie eine Enthaftung im Verbund von Beschichtung und Kunststoff überhaupt aussieht, so lassen sich drei verschiedene Versagensarten analytisch feststellen (Abbildung 6.1). • A  dhäsives Versagen liegt vor, wenn die Trennung der Beschichtung vom Substrat oder von einer darunter liegenden Beschichtung in der Grenzfläche erfolgt. • K  ohäsives Versagen in der Beschichtung liegt vor, wenn die Trennung vom Untergrund im Gefüge der Beschichtung erfolgt. Man kann hieraus schließen, dass die Kohäsionskräfte in der Beschichtung geringer sind als die im Substrat und als die Summe der in der Grenz-

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Beschichtungen auf Kunststoff

fläche wirkenden Wechselwirkungskräfte zwischen der Beschichtung und dem Substrat (adhäsive Kräfte). Die Kohäsion einer Beschichtung kann physikalisch als Festigkeit bzw. Zähigkeit an freien Filmen bestimmt werden. • K  ohäsives Versagen im Substrat liegt vor, wenn die Trennung vom Untergrund im Gefüge des Substrates erfolgt. Die Kohäsionskräfte im Substrat sind demzufolge geringer als die der Beschichtung und als die adhäsiven Kräfte. Beide Fälle voneinander zu unterscheiden ist mit Hilfe mikroskopischer Techniken möglich. Beispielsweise lassen sich die Rückseiten von enthafteten Lackbeschichtungen mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) elementanalytisch untersuchen, so dass man ohne Mühe Substratreste auffinden kann wie in Abbildung 6.2 dargestellt. Abbildung 6.1: Adhäsives und kohäsives Versagen einer Beschichtung auf Kunststoff

Abbildung 6.2: REM-Aufnahme von Substratresten (PP+EPDM) auf einer Lackrückseite

Abbildung 6.3: REM-Aufnahme von Lackresten auf PP+EPDM

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Andersherum ist es auch möglich, nach Enthaftung verbleibende Lackreste auf dem Substrat auf diese Weise zu identifizieren (siehe Abbildung 6.3). Beide Versagensarten kommen auch nebeneinander vor, was eine klare Ursachenzuordnung erschweren kann. Dies wird dadurch erschwert, dass die Lackenthaftung in nicht immer nachvollziehbarer Weise an unterschiedlichen Stellen von Bauteilen, scheinbar zufällig, d.h. lokal und zeitlich wenig vorhersehbar, auftritt. Oft kann eine an Bauteilen aufgetretene Lackenthaftung im Labor des Lackherstellers nicht nachgestellt werden. Sie wird aber häufig bei Extrembelastungen festgestellt, wie sie durch die Einwirkung eines Wasserdampfstrahls auf geritzte Lackoberflächen auftreten können (zu sehen in Abbildung 6.4). Grundsätzlich versteht es sich, dass die Haftung eines Lackes von der Qualität des Lackmaterials und dessen Verarbeitung, dem Substrat sowie dem werkstofflichen sowie oberflächentechnischen Zustand des Bauteils nach Formgebung und Verarbeitung abhängt.

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6.2.2 Adhäsions theorien und -mechanismen Die Gesamtheit aller molekularen Wechselwirkungen zwischen einer Beschichtung und ihrem Untergrund wird als Adhäsion bezeichnet. Hierunter versteht man üblicherweise die Haftung der Beschichtung, so wie dieses Wort auch die deutsche Übersetzung des englischen Ausdruckes „adhesion“ ist. Adhäsion mit Haftung gleichzusetzen, erscheint nicht ganz widerspruchsfrei, da das Versagen der Haftung, wie in Kapitel 6.2.1 dargestellt, verschiedenartige Ursachen haben kann. Die Adhäsion bestimmt nur zu einem Teil das Abschneiden eines Kunststoff-Beschichtungsverbundes in Haftungsprüfungen. Den anderen Teil stellen die kohäsiven Kräfte von Substrat und Beschichtung. Insofern wäre es besser, von Verbundhaftung zu sprechen. Wie auch immer, die Adhäsion repräsen- Abbildung 6.4: Lackenthaftung nach Dampfstrahltest (aus [1]) tiert auch hiervon einen bestimmten Anteil und ist theoretisch recht intensiv beleuchtet worden. Nachfolgend sollen diese Adhäsionstheorien, bzw. die sich daraus ableitenden Mechanismen der Adhäsion, mit Ausnahme der schon in Kapitel 3. behandelten Weak-Boundary-Layer-Theorie vorgestellt werden. Thermodynamisch betrachtet ist die Adhäsion einer Beschichtung definiert als Grenzflächenspannung (interfacial tension) zwischen Beschichtung und Substrat. Sie wird gemessen als Adhäsionsarbeit, das ist die Arbeit, die notwendig ist, um die Beschichtung vom Substrat abzulösen [2]. Die moderne Adhäsionsforschung beschäftigt sich mit diesen Mechanismen, welche auf molekularer Ebene die Adhäsion ausmachen und makroskopisch der Lackhaftung zugrunde liegen. Eine Grundvoraussetzung hierfür, aber nicht alleinige Ursache, ist die Benetzung des Untergrundes. Je nach Literaturquelle werden vier bis fünf Grundmechanismen diskutiert und in Theorien beschrieben [3–5]

Mechanische Theorie Dieser Adhäsionsmechanismus beruht auf der Annahme, dass eine höhere Oberflächenrauigkeit die mechanische Verankerung der Beschichtung befördert [6]. Das Beschichtungsmaterial sollte im Zuge der Filmbildung in Poren, Löcher, Risse und Hohlräume eindringen und sich dort verfestigen (Abbildung 6.5). Die Haftung von Metallschichten auf ABS konnte auf diesen Mechanismus zurückgeführt werden. Hierfür muss das Kunststoffsubstrat so vorbehandelt werden, dass sich verankerungsfähige Hohlräume an der Oberfläche ausbilden. Das Ziel solcher Maßnahmen ist die Erhöhung des kontaktfähigen Oberflächenanteils. Die Methode der Wahl hierfür ist das Aufrauen durch Anschleifen, wie es serienmäßig bei faserverstärkten Bauteilen der Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie praktiziert wird.

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Beschichtungen auf Kunststoff

Chemische Bindungstheorie

Abbildung 6.5: Adhäsionsmechanismen: ‚ Mechanische Verankerung

Die Bildung von kovalenten Bindungen in einer Grenzfläche von Substrat und Beschichtung ist möglich und findet leicht bei vernetzenden Beschichtungen statt. Diese Art von Bindungen wird als die stärkste und dauerhafteste angesehen. Sie setzt allerdings voraus, dass zueinander passende funktionelle Gruppen an Substratoberfläche und im Beschichtungsmaterial vorhanden sind. Kovalente Bindungen sind wegen der geringen Abmessung von Grenzflächen schwer nachzuweisen, obwohl dies schon gelungen ist.

Einige Kunststoffsubstrate, beispielsweise Komposite enthalten diverse funktionelle Gruppen, welche prinzipiell mit dem Lackmaterial reagieren können. Organosilane werden als Primer für Glasfasern in damit verstärkten Kunststoffen eingesetzt. Die darin enthaltenen und während der Trocknung zusätzlich freigelegten Silanolgruppen können mit den Silanolgruppen der Glasoberfläche kovalente Bindungen eingehen. Lacke mit reaktiven Gruppen wie Carboxyl- und Hydroxylgruppen haften oft gut auf Untergründen, die ebenfalls mit diesen funktionellen Gruppen ausgestattet sind. So zeigen AcrylatMelaminharz-haltige Decklacke oft eine gute Haftung auf Primern aus Polyester-Melaminharz. Vermutet wird, dass hieran Reaktionen von restlichen OH-Gruppen des Primers mit Melaminharzanteilen des Decklackes beteiligt sind. Überbrennt man den Primer, so wird die Haftung schlechter. Eine für 2K-Lacke recht plausibel erscheinende Bindungsknüpfung zwischen Lack und Untergrund ist die Reaktion von Isocyanatgruppen von 2K-PUR-Lacken mit Hydroxylgruppen von Kunststoffen zu Urethangruppen (Polyester, Celluloseester, oxidisch-aktivierte Polyolefine), siehe Abbildung 6.6.

Abbildung 6.6: Adhäsionsmechanismen: chemische Bindung, Reaktion eines Isocyanat-Härters mit Hydroxylgruppen der Kunststoffoberfläche

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Haftung

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Elektrostatische Theorie Die Polymerketten von Beschichtungen und Kunststoffsubstraten weisen eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Polarität auf. An den Oberflächen beider Phasen richten sich permanente und induzierte Dipole so aus, dass sie einander entgegen gesetzte Teilladungen zuwenden und elektrische Doppelschichten ausbilden. Einen weiteren Anteil elektrostatischer Haftkräfte stellen dispersive Wechselwirkungen sehr schwacher Abbildung 6.7: Adhäsionsmechanismen: Diffusionstheorie Dipole (Dispersionskräfte) dar. Alle Arten dieser Bindungen sind rein physikalischer Natur. Ihre Bindungsenergie nimmt mit der sechsten bis siebten Potenz der Distanz ab. Sie sind daher nur über eine sehr geringe Distanz wirksam, etwa bis 0,5 nm.

Diffusionstheorie Grundsätzlich können Polymerketten des Substrates und des Beschichtungsmaterials nach dem Benetzungsvorgang über die Grenzfläche in die jeweils andere Phase diffundieren. Voyutzki und andere haben vorgeschlagen, dass die Haftfestigkeit eines polymeren Verbunds aus Beschichtung und Substrat durch die Interdiffusion der Polymermoleküle hervorgerufen wird [7–9]. Dies setzt zunächst eine einwandfreie Benetzung des Substrates voraus. Weiterhin ist das Ausmaß der Interdiffusion stark von den Materialeigenschaften und den Trocknungsbedingungen abhängig. Gleichartige Polymereigenschaften, z.B. ein ähnlicher Diffusionskoeffizient, begünstigen die Interdiffusion. Man konnte theoretisch wie experimentell zeigen, dass sich Kettensegmente zweier verschiedener Polymere unter Ausbildung einer diffusen Grenzschicht mit einer Dicke von 1 bis 100 nm ausbilden, so wie in Abbildung 6.7 schematisch dargestellt [3, 4]. Welchen Anteil diese Mechanismen jeweils haben, ist nicht bekannt. Zudem sind sie von Fall zu Fall verschieden, je nachdem, welcher Stoff mit welcher Oberfläche adhäsive Bindungen eingeht. So gibt es keine allgemein gültige Aussage darüber, wie eine Oberfläche für eine optimale Haftung aussehen muss.

6.2.3 Haftfestigkeit Die der Adhäsion zu Grunde liegenden molekularen Wechselwirkungen zwischen Beschichtung und Untergrund entziehen sich weitestgehend jeglicher Messung. Sie und die bei einer Haftungsprüfung angesprochenen kohäsiven Kräfte im Substrat und in der Beschichtung sind jedoch makroskopisch in flächiger Betrachtung ihrer gemeinsamen Wirkung wahrnehmbar. Die dieser Wirkung zugeordnete Prüfeigenschaft hat den Charakter einer Verbundfestigkeit und wird Haftfestigkeit genannt. Nach DIN EN 971-1 ist die Haftfestigkeit (adhesive strength) einer Beschichtung definiert als die Gesamtheit der Bindekräfte zwischen der Beschichtung und ihrem Untergrund. Je nach Prüfmethoden können unterschiedliche Werte für die Haftfestigkeit erhalten werden. Man unterscheidet qualitative und quantitative Methoden.

6.2.3.1 Qualitative Prüfverfahren Rein praktisch lässt sich der Wunsch nach immer währender Haftung eines Lackes wie folgt formulieren: Man will, dass die Lackbeschichtung auf dem Substrat bleibt, was immer auch geschieht.

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Beschichtungen auf Kunststoff

Dieser Ansatz liegt den Gebrauchsprüfverfahren der Haftfestigkeit zu Grunde. Es handelt sich hier um praktische, rein qualitative Methoden, mit denen man prüft, ob dies tatsächlich der Fall ist. Sie unterscheiden sich in ihrer Ausführung und Belastung relativ stark. Die wichtigsten Prüfverfahren für Beschichtungen auf Kunststoff sollen im Folgenden kurz vorgestellt werden. Es sind hauptsächlich der Gitterschnitt nach ISO 2409, verschiedene Kratztests mit Messern und im Bereich der Fahrzeugteilelackierung verschiedene Dampfstrahltests. Eine genaue Darstellung der qualitativen Prüfmethoden liegt außerhalb des Fokus dieses Buches, es wird auf die einschlägigen Normen und Fachbücher verwiesen [1, 10]. Die Gitterschnittprüfung nach ISO 2409 hat den Vorteil der Eignung als Feldtest. In die Beschichtung wird mit einem speziellen Messer ein bis zum Substrat gehendes rechtwinklig angeordnetes Gitter aus Ritzspuren angebracht. Der Abstand zwischen den Ritzspuren beträgt je nach Schichtdicke 1 mm (0 bis 60 µm), 2 mm (60 bis 120 µm) oder 3 mm (120 bis 250 µm). Schon beim Ritzen kann es bedingt durch zu geringe Haftung und Flexibilität zu Abplatzungen innerhalb des Gitters kommen. Durch Applikation und Abziehen eines spezifizierten Klebebandes lässt sich dieses Schadensbild noch verstärken und dann in Kennwerten ausdrücken, die durch Vergleich mit genormten Schadensbildern ermittelt werden. Die als Kratzprobe bekannte manuelle Behandlung der Lackoberfläche mit einem Messer, entweder am Ritz (Andreaskreuz) oder auch an intakter Fläche, erfordert zur Erzielung eines aussagekräftigen Resultats eine gewisse Erfahrung des Prüfers. Anhand der gefühlten Leichtigkeit und Art des Abtragens der Beschichtung lässt sich in Grenzen die Verbundfestigkeit beurteilen. Der im Bereich der Fahrzeuglackierung praktizierte Dampfstrahltest gilt allgemein als für die Beurteilung des Verbunds aus Substrat und Beschichtung entscheidende, weil besonders harte Beanspruchung. Sie beruht auf der Belastungssimulation durch einen heißen Wasserdampfstrahl, wie er bei der Autowäsche zur Vorreinigung eingesetzt wird. Die Dampfstrahlprüfung führt man in einer speziellen Prüfkammer durch, welche das in seiner Position zum Objekt definiert einstellbare Wasserdampfstrahlgerät trägt. Auf die Beschichtung wird zuvor ein nach ISO 3409 bis zum Untergrund gehendes Andreaskreuz eingeritzt. Der Wasserdampfstrahl wird auf diese Verletzung gerichtet, und nach Ende der Belastung die Prüfzone auf Ablösungen der Beschichtung hin untersucht. Die für die Spezifikation der Prüfung maßgeblichen Parameter sind in Tabelle 6.2 zu sehen.

Tabelle 6.2: Maßgebliche Parameter der Wasser-Dampfstrahlprüfung Wasser-Dampfstrahldüse

Parameter

Wassertemperatur an der Düse

50 bis 90 °C

Druck an der Düse

30 bis 120 bar

Distanz Düse zum Objekt

20 bis 250 mm

Düse

fixiert, oszillierend

Winkel der Düse zum Objekt

25 bis 90°

Dauer

15 bis 300 s

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Haftung

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In der Automobilindustrie existieren heute bis zu 15 verschiedene Spezifikationen zur Durchführung des Dampfstrahltests. Aus Bemühungen, die unterschiedlichen Prüfversionen zu vereinheitlichen, ging vor kurzem ein Normentwurf für eine standardisierte Dampfstrahlprüfung hervor. Die Prüfeinrichtung unterliegt einer strengen Kontrolle in Bezug auf die einzuhaltenden Prüfparameter, von deren Konstanz die Reproduzierbarkeit der Prüfung mit abhängen. Hierzu gehört die Kalibrierung der Düsenstrahlgeometrie in Länge, Breite und Tiefe mittels eines Blockes aus expandiertem Polystyrol (Styrodur) [1]. Zur statistischen Absicherung führt man die Dampfstrahlprüfung in bis zu 20-facher Bestimmung durch. Gemeinsam ist allen qualitativen Prüfverfahren der Haftfestigkeit, dass sie nicht physikalische Kenngrößen ermitteln, sondern zunächst eine Antwort auf die Frage geben, ob sich die Lackbeschichtung nach Belastung noch unverändert auf dem Untergrund befindet. Dies ist dann nicht mehr der Fall, wenn sich die Lackbeschichtung • ganz- oder teilweise abgelöst hat oder • innerlich gebrochen ist. Eine quantitative Ermittlung der Haftfestigkeit können die rein praktischen, qualitativen Methoden nicht leisten. Es wäre schon ein guter Zustand, ihre Reproduzierbarkeit im Sinne einer statistischen Messmittelfähigkeit in jedem Fall gegeben zu sehen. Sicher ist die Diskussion der Prüfmethoden einer Spezifikation zur Erlangung von Freigaben ein spezielles Thema, welches außerhalb des Rahmens dieses Buches liegt. Interessant und davon unberührt ist jedoch der Bedarf nach Verständnis der Lackhaftung. Es gibt einige quantitative Messverfahren, mit denen man dem Ziel näher kommen kann, eine von Störeinflüssen bereinigte Bewertung der Lackhaftung zu erhalten. Mechanische Beanspruchungen, die zu einer Enthaftung von Beschichtungen führen, wirken häufig als eine Kombination aus Stauchung und Scherung. Ein gutes Beispiel ist die Kollision von Automobilen bei geringer Geschwindigkeit. Durch die geringe mechanische Beanspruchung bleibt zwar die Bauteilform erhalten, dennoch kann eine Enthaftung der Beschichtung durch mechanische Beschädigung, Scherung und Stauchung in der Kollisionszone auftreten. Derartige komplexe Belastungen können laborseitig mit Hilfe des in den Vereinigten Staaten von Nordamerika SLIDO genannten Spezialgerätes simuliert werden, welches die Beschichtung über einen auf ihr sich mehrachsig bewegenden Metallschlittenkörper komprimierend und scherend, sozusagen „quetschend“ beansprucht. Die Auswertung dieser Prüfmethode erlaubt u.a. Aussagen zum adhäsiven oder kohäsiv bedingtem Versagen der Haftung [11].

6.2.3.2 Quantitative Prüfverfahren Während die qualitativen Prüfverfahren ihre Vorteile in der Praxisnähe und Einfachheit der Durchführung haben, dienen die in diesem Abschnitt als quantitativ bezeichneten Messverfahren der Gewinnung von Messwerten der Haftfestigkeit. Wie noch zu sehen sein wird, ist dies nicht immer perfekt möglich, sondern mitunter nur mit Einschränkungen und Näherungen. Im Folgenden wird nur auf diejenigen Prüfverfahren eingegangen, die im Geschäft der Kunststofflackierung stärkere Verbreitung gefunden haben. Dies sind der Peel-Test (Zugrollenschältest), der Stirnabzugstest und im nordamerikanischen Raum noch das Keilvorschubverfahren. Gemeinsam sind ihnen die instrumentierte Ablösung eines Flächenanteils der Beschichtung und die Messung der dafür notwendigen Kraft. Sie unterscheiden sich vor allem in der Art des Ablösens, durch Abreißen, Abziehen- bzw. Abschälen, und im sich daraus ergebenden Versuchsaufbau, mit notwendigen Apparaten und Hilfsmitteln. Bezüglich des ebenfalls in dieses Prüfprinzipschema passenden, aber weniger verbreiteten Dreipunktbiegetests und der verschiedenen Varianten des Blistertests sei auf die Literatur verwiesen [12, 13].

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Beschichtungen auf Kunststoff

Stirnabzugsprüfung

Abbildung 6.8: Schema einer Prüfanordnung für die Stirnabzugsprüfung nach ISO 4626

Dieses in der Norm ISO 4624 beschriebene Prüfverfahren ist geeignet zur „Abschätzung der Haftfestigkeit einer einschichtigen Beschichtung oder eines Mehrschichtsystems aus Lacken, Anstrichstoffen oder ähnlichen Produkten durch Messung der minimalen Zugspannung, die erforderlich ist, um die Beschichtung senkrecht vom Untergrund abzutrennen oder abzureißen. Zur Durchführung wird die Probebeschichtung mit einem Prüfstempel verklebt. Abbildung 6.8 zeigt das Schema einer typischen Prüfanordnung.

Der Prüfstempel wird mit einer Zugprüfmaschine bei definierter Zuggeschwindigkeit senkrecht abgezogen. Die zum Abziehen/Abreißen des Stempels notwendige Kraft wird auf die Querschnittsfläche bezogen und ist nach DIN EN 13494 definiert als die Haftzugsfestigkeit. Dieser auch als Haftwert (H) bezeichnete Kennwert stellt werkstoffprüftechnisch die Bruchspannung einer Beschichtung dar und wird in der Dimension N/mm2 (=Mpa) angegeben. Da er selbst keine Information über die Ursache bzw. Lokalisation des Bruches enthält, müssen diese separat im Prüfbericht angegeben werden. Ein Kohäsionsbruch kann im Untergrund, in der Beschichtung und im Klebstoff auftreten. Adhäsives Versagen (Adhäsionsbruch) kann zwischen Untergrund und erster Beschichtung, zwischen den Einzelschichten eines Mehrschichtaufbaus, zwischen letzter Beschichtung und Klebstoff und zwischen Klebstoff und Stempel auftreten. Zur besseren Abgrenzung der Prüffläche von der restlichen Beschichtungsoberfläche können Klebereste und die darunter liegenden Beschichtungsanteile außerhalb des Prüfstempels auch durch Fräsen oder Schneiden entfernt werden. Zur Aussagefähigkeit der Prüfung sind folgende Vorgaben wichtig: • D  er Klebstoff ist sorgfältig auszuwählen und muss eine höhere kohäsive und adhäsive Haftfestigkeit besitzen als die zu prüfende Beschichtung und eine höhere Zugfestigkeit als das Substrat. • Substrat, Prüfstempel und Zugvorrichtung müssen koaxial ausgerichtet sein. • D  ie Zugkraft muss senkrecht zur Prüffläche ausgerichtet sein und sich gleichmäßig über die gesamte Prüffläche verteilen. • Der Bruch muss innerhalb von 90 s nach Beginn der Kraftaufnahme erfolgen. • Dünne und nachgiebige Substrate müssen verstärkt werden.

Zugrollenschälversuch (Peel-Test) Beim Peel-Test wird ein Streifen des Beschichtungsfilms der Breite B unter einem Winkel Θ mit einer Zugprüfmaschine vom Untergrund abgezogen (siehe Abbildung 6.9). Es existieren mehrere Varianten dieses Prüfverfahrens, die sich bereits in der Probenpräparation stark unterscheiden. Meistens wird in die Beschichtung ein Textilgewebe eingearbeitet, wodurch die Verformung der Beschichtung und deren Einfluss auf die gemessene Delaminationsarbeit minimiert werden kann.

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Haftung

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Wenn man, wie in Abbildung 6.10 dargestellt, die zur Ablösung notwendige Kraft als Funktion der PeelStrecke a aufträgt, so entspricht die Abzugsarbeit näherungsweise der Fläche unter der Messkurve über diese Peel-Strecke. Die zur Ablösung eines Lackfilms der Fläche A erforderliche Abzugsarbeit kann nach Gleichung 6.1. berechnet werden. Gleichung 6.1:

G=

F ⋅a F = (1 − cos Θ) A B

Abbildung 6.9: Schema des Peel-Test

wobei G = Abzugsarbeit in [N/mm] a = Peel-Strecke B= Breite des Films A = a∙B = F  läche des abgelösten Lackfilms Für den Fall des Abziehens unter einem Winkel von 90° vereinfacht sich Gleichung 6.1. zu Gleichung 6.2. Gleichung 6.2:

G=

F B

Das Einbringen eines Textilgewebes bringt fremde Einflüsse mit, wie bei- Abbildung 6.10: Peel-Test-Messkurve spielsweise Grenzflächen zwischen (vereinfachte schematische Darstellung) Textilfaser und Beschichtungsmaterial. Von diesen Störfaktoren befreien, lässt sich das Prüfverfahren, wenn es gelingt, einen Teil der Beschichtung als freies Ende zu präparieren, so dass sie im Originalzustand vom Untergrund abgezogen werden kann. Die zum Abziehen der Beschichtung verwendete Gesamtarbeit setzt sich dann jedoch in komplexerer Weise zusammen: Zur Adhäsionsarbeit kommt die Verformungsarbeit der Beschichtung, die sich weiter aufteilt in Spannungen, Dehnungen und Biegungen, wie von Kinloch beschrieben wurde (Gleichung 6.3) [14]. Gleichung 6.3:

dUext: Externe Arbeit dUs: Gespeicherte Dehnungsenergie im Peel-Streifen dUdt: Durch Zugdehnung dissipierte Energie

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Beschichtungen auf Kunststoff

dUdb: Durch Biegung des Peel-Streifens dissipierte Energie nahe der Peel-Front da:

Peel-Strecke

B:

Breite des Peel-Streifens

Die zur Dehnung des Lackfilmes aufgewendete Arbeit lässt sich durch separat durchzuführende Zugversuche an freien Lackfilmen erhalten. Sie kann dann mit Hilfe eines Software-Paketes rechnerisch von der im Peel-Test ermittelte Gesamtarbeit abgetrennt werden [15].

Keilvorschubverfahren (Häsiometer-Test) Diese Prüfung stellt eine instrumentierte Schälprobe dar. Ein keilförmiges Messer mit sehr harter Schneide aus Carbon-Stahl wird zwischen Lackbeschichtung und Substrat positioniert und parallel zum Untergrund bewegt (siehe Abbildung 6.11). Dadurch wird die Beschichtung mehr oder weniger leicht abgeschält. Die zur Bewegung des Messers notwendige Vorschubkraft F wird gemessen und ihr Produkt mit der Weglänge s als Arbeit wie in Gleichung 6.4 dargestellt, auf die abgeschälte Fläche A bezogen, analog zur Berechnung der Abzugsarbeit im Peel-Test. Gleichung 6.4:

G=

F ⋅s F = A B

wobei A = B∙s = Fläche des abgelösten Lackfilms G = Abzugsarbeit Die Auswertung des Bruchbildes liefert zusätzliche Informationen über das Verformungsverhalten (hart-spröde, zäh-elastisch). Das Bruchbild und die gemessenen Kraftwerte hängen jedoch stark von der Schichtdicke ab, wie aus Prüfungen an keilförmig aufgetragenen Schichtdickenprofilen erfahren wurde. Aus dem Vergleich von Bruchbildern mit Schälkraftwerten bei verschiedenen Schichtdicken konnte gezeigt werden, dass die Anteile an kohäsivem und adhäsiven Versagen ebenfalls von der Schichtdicke abhängen [16].

Abbildung 6.11: Schema des Keilvorschubverfahrens (Häsiometer)

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Mechanisch-technologische Eigenschaften

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6.3 Mechanisch-technologische Eigenschaften Lackschichten sind während ihrer Lebensdauer mannigfaltigen Deformationen ausgesetzt. Dies gilt vor allem für solche auf Kunststoff. Gründe hierfür sind die generell wesentlich höhere Dehnbarkeit und geringere Festigkeit von Kunststoffen z.B. verglichen mit metallischen Substraten. Hinzu kommt ihre Empfindlichkeit gegenüber Lösemitteln, die sich in Versprödung oder Weichmachung äußern kann. Durch das Beschichten dürfen sich die mechanischen Eigenschaften des Substrates jedenfalls nicht verschlechtern. Selbstverständlich dürfen Deformationen einer Beschichtung auch nicht zu einer Beeinträchtigung ihrer Haftung, ihrer Funktionalität und ihres Aussehens führen. Eine spezielle Art der Verformungsbeanspruchung wird durch die inneren Spannungen des Kunststoffsubstrates hervorgerufen. Sie kann sich in Form einer Ablösung der Lackschichten und Rissbildung durch alle Schichten des Verbunds bemerkbar machen. Grundsätzlich ist hier der Formteilherstellprozess (z.B. Werkzeugtemperatur, siehe Kapitel 2) zu optimieren, möglicherweise auch die Werkstoffauswahl (geringere CTE, siehe Kapitel 2).

6.3.1 Elastizität bei Stoß- und Schlagbeanspruchung Die bei Kunststofflackierungen für Fahrzeuge typischerweise auftretenden Deformationen sind im Gegensatz zur Metallbeschichtung nicht bleibend, jedoch vibrationsartig und schlagartig. So unterzieht man lackierte Kunststofftafeln und -bauteile entsprechenden Steinschlagtests und diversen Impact-Prüfungen. Reine Biege- oder Tiefungsprüfungen können zur schnellen Orientierung dienen, auch wenn sie nicht immer ausdrücklich spezifiziert sind. Die an einem Fahrzeug gegenüber Steinschlag exponierten Zonen bestehen zu einem beträchtlichen Teil aus lackierten Kunststoffoberflächen. Betroffen sind Stoßfänger, Lufteinlassgitter, Außenspiegel, Verscheibungen und bei einigen Modellen die vorderen Kotflügel. Typischerweise führt man die Prüfung der Steinschlagbeständigkeit von Kunststofflackierungen als Multischlagtest nach DIN EN ISO 20567-1 oder individueller Fahrzeugspezifikation durch. Ähnlich wie bei einer Karosserieserienlackierung spielt die Tieftemperaturbelastbarkeit eine große Rolle, umso mehr, wenn es sich um Kunststoffsubstrate handelt, auf denen Lackmaterialien nur mäßig haften. Hier kann eine stoßartige Belastung bei Minusgraden schnell zu einem

Abbildung 6.12: Instrumentierter Durchstoßtest nach ISO 6603-2

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Beschichtungen auf Kunststoff

Abbildung 6.13: Schema des Head-Impact Tests an einer Stoßfängerverkleidung

Abplatzen der Beschichtung führen. Die Untersuchung der Auswirkung einer Lackierung auf die Schlagzähigkeit des Kunststoffes bei verschiedenen Temperaturen wird mit Hilfe des instrumentierten Durchstoßtests nach ISO 6603-2 durchgeführt. Ein Metallbolzen wird hierzu mit definierter und instrumentell gesteuerter Beschleunigung durch eine lackierte Tafel gestoßen und die Kraft entlang des Weges gemessen. Die Auftragung der Kraft über den Weg ergibt eine Kurve, aus der die Arbeit bis zum ersten Bruch erhalten werden kann (siehe Abbildung 6.12).

Die Schadensbildung kann mit einer Hochgeschwindigkeitskamera festgehalten werden, so wie in Kapitel 4.6.1.1 in Abbildung 4.14 dargestellt. Generell ist ein nicht splitternder Bruch bzw. Durchstoß gefordert. Gleichzeitig wünscht man sich in diesem Test von beschichteten Probekörpern ein gegenüber dem unbeschichteten Zustand gleichwertiges Verhalten. Ein wichtiger Aspekt dieser Prüfung ist auch die Ermittlung des Spröd-Zäh-Übergangs, das ist die Temperatur, bei der die Arbeitsaufnahme beim Durchstoßen in ihrem Wert sprunghaft zunimmt. Angestrebt ist ein möglichst geringer Temperaturwert für diesen Übergang, um ein splitterfreies Brechen bei möglichst geringen Temperaturen zu erreichen. Zur Simulation von Unfällen mit Fußgängerbeteiligung befestigt man ganze, lackierte Bauteile wie Stoßfängerverkleidungen oder Kotflügel auf eine Vorrichtung, um sie in so genannten Headimpact-Tests der Einwirkung eines kugeltragenden Pendels auszusetzen (Abbildung 6.13).

6.3.2 Härte, Abriebfestigkeit und Kratzbeständigkeit Die Härte lackierter Kunststoffteile wird in der Praxis in ganz unterschiedlicher Weise auf die Probe gestellt. Bei der Verpackung von Kleinteilen kann es zu Eindruckmarkierungen kommen, wenn der Decklack noch nicht ausreichend ausgehärtet bzw. gealtert ist oder zu früh verpackt wird. Diese Blockfestigkeit wirkt sich auch auf die Stapelfähigkeit von (frisch) beschichteten Materialien aus, welche nach ISO 4622 (Stapelfestigkeit) oder nach ISO 3678 geprüft werden kann [17]. Als labortaugliches Prüfkriterium der Blockfestigkeit einer Lackbeschichtung kann man auch die Pendeldämpfung nach König oder die Mikroeindringhärte (Fischerscope) heranziehen. Eine wichtige Anforderung an Decklacke bzw. Klarlacke für Automobile ist ihre Polierfähigkeit. Die vergleichsweise harten Karosseriedecklacke lassen sich normalerweise gut polieren. Decklacke für Kunststoff können jedoch mit Rücksicht auf die Anforderungen hinsichtlich Schlagzähigkeit nicht gleich hart eingestellt werden. Zu weiche Klarlacke sind wiederum nicht befriedigend polierbar. Härte und Elastizität einer Kunststoffbeschichtung müssen also in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen. Die Abriebfestigkeit von Kunststoffbeschichtungen ist von Bedeutung wegen der vielfältigen abrasiven Beanspruchungen durch Schmutz, Sand, Splitt und auch durch den manuellen Gebrauch. Letzteres betrifft einen breiten Bereich beschichteter Konsumgüter aus Kunststoff, beispielsweise der Elektronikindustrie. Auch bei Luftfahrzeugen kommt es infolge der hohen

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Mechanisch-technologische Eigenschaften

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Geschwindigkeiten an bestimmten Zonen zur Abrasionsbelastung, z.B. an den Kanten der schon teilweise aus polymeren Faserverbundwerkstoffen gefertigten Leitwerke. Man nimmt an, dass die Ursachen der Abrasion einer Lackbeschichtung in komplexer Weise aus polymermechanischen Einzelfaktoren zusammengesetzt sind. Sicher spielt der strukturelle Aufbau der Polymermoleküle, ihre Vernetzung und der aus diesen Einflüssen resultierende viskoelastische Charakter eine Rolle, natürlich auch die sonstigen Formulierungsbestandteile wie Füllstoffe, und äußere Faktoren wie die Temperatur. Die Untersuchung der Abriebfestigkeit muss also alle Faktoren berücksichtigen und erfolgt aus diesen Gründen am besten als eine Gebrauchsprüfung, im Sinne einer möglichst reellen Simulation der Praxisbelastung. Man verwendet hierfür einen Taber-Abraser-Gerät, welches beschichtete Probetafeln nach DIN 53754 durch rotierende Reibrollen mit festgelegter Auflagekraft „schmirgelnd“ beansprucht [10]. Gemessen wird die durch Abrasion in einer vorgegebenen Prüfzeit erfolgte Gewichtsabnahme der Prüftafeln, die Änderung des Glanzgrades und Änderung des Haze-Wertes. Die Prüfung der Kratzbeständigkeit simuliert die Glanzminderung, die entsteht, wenn abrasive Medien keinen signifikanten Abrieb sondern nur oberflächliche Kratzspuren erzeugen. Dieses Thema steht seit langer Zeit im Fokus der Entwicklungsziele von Herstellern von Automobilklarlacken. Kunststoffklarlacke sind hier mitbetroffen, vor allem seit sich die Lackierung von Stoßfängern in Wagenfarbe durchgesetzt hat. Seit einiger Zeit erhält das Thema Kratz- und Abriebbeständgkeit von Beschichtungen auf Kunststoff zunehmendes Gewicht durch den steigenden Anteil an Kunststoffverscheibungen (Polymer glazing). Zur Erhöhung der Kratz- (und Wetter-) Beständigkeit der Polycarbonatverscheibung werden dünne Polysiloxanschichten eingesetzt [18]. Kratzbeständigkeit ist eine Eigenschaft, welche differenziert betrachtet werden muss. Es wird beispielsweise unterschieden zwischen der Anfangskratzbeständigkeit und der Kratzbeständigkeit während der Gebrauchsdauer des beschichteten Objektes. Bei letzterer interessiert besonders die Waschkratzerbeständigkeit. Hohe Aufmerksamkeit gilt auch dem zeitlichen Verlauf der Änderung des Schadensbildes (Recovery-Verhalten). Eine für die Fahrzeuglackierung gute Übersicht der Prüfmethoden findet sich in Quelle [1]. Diese können im Grunde auf die Kunststofflackierung übertragen werden. Die Prüfung der Waschkratzerbeständigkeit erfolgt am besten über den Amtec-Kistler-Test. Hierbei werden Prüftafeln mit rotierenden Kunststoffbürsten, analog zu einer Waschanlage, bei gleichzeitiger Besprühung mit wässrigen Quarzsandaufschlämmungen (1,5 g/l) beansprucht. Beurteilungskriterium ist die Abnahme des Glanzgrades, die natürlich für eine kratzbeständige Lackierung möglichst gering sein sollte. Es hat sich gezeigt, dass auch einfache mechanische Labortests wie der Crockmeter-Test mit Hammer und Topfreiniger [19] eine ganz gute Korrelation zur Praxisbelastung einer Autowaschanlage leisten können. Für wissenschaftliche Untersuchungen der Kratzbeständigkeit eignet sich der Einzelkratztest mit dem Nano-Scratcher (auch Nano-Indentor) [20]. Allgemein gilt die Faustregel, dass Kunststofflackschichten infolge eines geringeren Elastizitätsmoduls eine stärkere Tendenz zur Selbstheilung über reflow (bzw. recovery) zeigen als Fahrzeugserienlacke für die Metallkarosse. Eine Korrelation zwischen viskoelastischen Grundeigenschaften polymerer Beschichtungen für Kunststoff und Gebrauchsprüfung der Kratzbeständigkeit sind von Ryntz et al. für verschiedene Klarlacke untersucht worden [21]. Materialeigenschaften der Schichten wie ihre Mikroeindringhärte, ihre im Zugversuch an freien Filmen ermittelte Gesamtarbeitsaufnahme (essential work of fracture) und ihr Recovery-Verhalten im Ford Five-Finger-Test (einem modifizierten Einzelindentortest) wurden hierbei als die wichtigsten Einflussgrößen definiert. Untersuchungen von Kunststoffbeschichtungen im NanoScratcher-Test ermittelten die für einen Bruch kritische Eindringtiefe (critical depth to fracture) als den die Kratzbeständigkeit von Kunststoffklarlacken am meisten bestimmenden Faktor. Demnach scheinen Indentoren in Kunststoffbeschichtungen grundsätzlich tiefer einzudringen

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Beschichtungen auf Kunststoff

als in die weniger flexiblen Karosserieklarlackschichten, deren Kratzbeständigkeit eher durch die kritische Last (=flächenbezogene Eindringkraft) bei Bruch (critical load to fracture) bestimmt zu sein scheint [22]. Die vielfältigen Prüfverfahren und Belastungstests von lackierten Kunststoffteilen konnten hier nur auszugsweise behandelt werden. Ergiebige Quellen für weitere Informationen sind die Spezifikationen von Herstellern für Consumer Electronics und Kraftfahrzeugen sowie Veröffentlichungen in den bekannten Fachzeitschriften.

6.3.3 Chemikalien- und Wetterbeständigkeit Je nach Einsatzgebiet fallen die sich über das weite Feld der Chemikalien- und Wetterbeständigkeit erstreckenden Spezifikationsvorgaben ganz unterschiedlich aus. Bei Gegenständen des Consumer Electronic-Bereiches und der Haushaltsanwendungen spielt die Resistenz gegenüber Handschweiß und Reinigungschemikalien eine wichtige Rolle. Kunststofflacke für den Außenbereich müssen zusätzlich zu den anwendungsspezifischen Chemikalien z.T. sehr hohe Anforderungen der Wetterbeständigkeit erfüllen. Je nach Branche werden hier unterschiedliche Ansprüche gestellt. So benötigt man für Kunststofflacksysteme der Luftfahrt, wo mit zunehmenden Anteil Außen- und Strukturteile aus kohlefaserverstärkte Kunststoffen eingesetzt werden, Beständigkeit gegen die extrem hohe UV-Strahlungseinwirkung und gegen die ebenso extremen Temperaturwechsel. Bei Kraftfahrtzeugen müssen die lackierten Kunststoffanbauteile in ihren Beständigkeiten gegen Einflüsse des Wetters und Chemikalien mit dem Rest der Karosserie harmonieren. Wegen ihrer tendenziell flexibleren Bindemittelzusammensetzung und den geringeren Trocknungstemperaturen liegen die Glastemperaturen von Decklackbeschichtungen für Kunststoffanbauteile in der Regel unterhalb derjenigen für OEM-Klarlackschichten. Diese allgemeine Regel kann nur als ein Trend gelten, denn die Flexibilität und damit auch Beständigkeit der Decklacksysteme werden den Anforderungen der Bauteile und ihrer Substrate angepasst. So kann es vorkommen, dass ein Stoßfänger aus PP+EPDM mit einem stoßelastischen, flexibleren und gleichzeitig weniger chemikalienbeständigen Klarlack ausgestattet wird als ein solcher für Türgriffe aus glasfaserverstärktem Polyamid, dessen Beschichtung den häufigen Kontakt mit Handschweiß unbeschadet überstehen muss. Die Prüfung der Feuchte-, Wetter- und Klimawechselbeständigkeit richtet sich nach den Einsatzgebieten und den dort geltenden Lastenheftvorgaben bzw. Spezifikationen. Für die Fahrzeuglackierung enthält die Fachliteratur Übersichten der geltenden DIN-/EN-/ und ISO-Normen sowie Spezifikationen des VDA (Verband der deutschen Automobilindustrie) [1, 10]. Bei einer Belastung des lackierten Kunststoffgegenstandes mit Feuchtigkeit, Wetter und Temperaturwechsel sollten die Reaktivität des Kunststoff-Substrates und seine Wechselwirkung mit der Beschichtung ebenfalls berücksichtigt werden. Auch nach Frost und Alterung müssen Kunststofflacke noch einwandfrei auf dem Substrat haften. Alterung, Klimaeinwirkung und zeitbedingte Migration von Kunststoffadditiven und Weichmacher können die Natur des Substrates während der Gebrauchszeit ändern, dürfen aber weder der Optik noch den funktionellen Eigenschaften einer Beschichtung auf Kunststoff etwas anhaben. Vorrangige Prüfungen hierfür sind die während der Gebrauchsdauer in bestimmten Abständen wiederholte Bestimmung des Glanzgrades und -schleiers, des Farbortes, die Inspektion auf Blasen und Nadelstichen sowie Haftungs- und Steinschlagtests.

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Literaturhinweise

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Literaturhinweise [1] H. J. Streitberger und K. F. Dössel (Herausgeber), Automotive paints and coatings, 2. Auflage, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2008, Kapitel 12 [2] S. Paul, Painting of Plastics: New challenges and possibilities, Surface Coatings International Part B: Coatings Transactions, Vol. 85, B2, (2002), S. 79 [3] Jamil A. Bagdachi, Journal of Coatings Technology, Vol 69, No. 870, July 1997 [4] M. Rasche, JOT 9 (2007), S. 46 [5] G. L. Nelson, K. N. Gray, Waterborne & Higher Solids Coatings Symposium, sponsored by Southern Society for Coatings Technology and University of Southern Mississippi, Feb. 5-7, 1986, New Orleans, LA, USA [6] W. Brockmann, Adhäsion, 22 (1998) S. 6 [7] S. S. Voyutzki, V. L. Vakula, J. Appl. Polym. Sci., 7 (1963) S. 475 [8] S. S. Voyutzki , J. Adhes. 3 (1971) S. 69 [9] L. H. Sharpe, J. Adhesion 67 (1998) S. 277-289 [10] A. Goldschmidt, H. J. Streitberger, BASF-Handbuch Lackiertechnik, Vincentz, 2002, Kapitel 3 [11] R. A. Ryntz, JCT Coatings Tech, 2, 18 (2005) S. 30 [12] G. Meichsner, T. Mezger, J. Schröder, Lackeigenschaften messen und steuern, Vincentz Network (2003), S. 135 [13] J. S. Meth, D. Sanderson, C. Mutchler, S. J. Bennison, J. Adhesion, 58 (1998) S. 117-142 [14] A. J. Kinloch, C. C. Lau, J. G. Williams, International Journal of Fracture 64 (1994) S. 45-70 [15] Adhesion and fracture of polymeric coatings, D. R. Moore, Surface Coatings International Part B: Coatings Transactions, Vol 84, B4, 243-336, November 2001 [16] W. K. Asbeck, Journal of Coatings Technology Tech.,12 (2005) S. 48 [17] T. Brock, M. Groteklaes, R. Mischke, Lehrbuch der Lacktechnologie, 3. Auflage, Vincentz, Hannover, (2009) S. 392 [18] K. Brammer, A. Ramlow, Kunststoffe, 8 (2006) S. 84 [19] M. Fies et al., Farbe und Lack, 118, 4 (2008) S. 22 [20] E. Klinke, M. Kordisch, G. Kunz, Claus D. Eisenbach, Farbe und Lack, 108 (2002) [21] R.A. Ryntz, D. Britz, Journal of Coatings Technology, 74, 925 (2002) S. 77 [22] V. Jardet, R. A. Ryntz, Journal of Coatings Technology Research, 2, 8 (2005) S. 591

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Fehler erkennen und vermeiden

Fehler erkennen und vermeiden

Fehler bei der Beschichtung von Kunststoffteilen führen zu Beeinträchtigung der Produktionsabläufe, zu Nacharbeiten und Stillstandzeiten, zur Verteuerung der Fertigung und damit der Produkte sowie zu Imageverlust oder Regressforderungen bei Kunden. Deshalb ist es notwendig, Fehler frühzeitig zu erkennen und durch geeignete Maßnahmen zu korrigieren und in Zukunft zu vermeiden [1]. Ist dieses anspruchsvolle Ziel überhaupt zu erreichen? In vielen Fällen kann der Fehler identifiziert werden, doch nicht immer gelangt man, trotz sorgfältiger Vorgehensweise, zu einer eindeutigen Zuordnung von Fehler und Ursache. Die Grenzen einer Fehleranalyse sind schon dadurch vorgegeben, dass Proben nie perfekt, sowie Zeit und Geld für diesen Zweck limitiert sind. Auch ist unser Verständnis der Lackiertechnik noch immer begrenzt, woraus folgt, dass man nicht immer 100 %ig sicher sagen kann, warum etwas funktioniert bzw. versagt. Bei einem soliden Grundverständnis des gesamten Fertigungsprozesses für lackierte Bauteile, der Verfügbarkeit wirksamer analytischer Techniken und geeigneter Proben, einer intakten Kommunikation zwischen allen Beteiligten und letztlich bei Bewahren einer offenen, unvoreingenommenen und fragenden Haltung sollten der vorgenannten Einschränkungen zum Trotz die meisten Probleme bei der Kunststoffbeschichtung gelöst werden können [2]. Die Fehlererkennung und -vermeidung ist in der Regel eine komplexe Aufgabe, die alle am Lakkierprozess Beteiligten herausfordert. Eine nachhaltige, und damit erfolgreiche Fehleranalyse beschränkt sich nicht auf die Anwendung von Techniken, sondern ist durch eine systematische und umfassende Vorgehensweise gekennzeichnet. Diese ist zu einem guten Teil erlernbar [3]. Zunächst gilt es, Störungen richtig zu beschreiben. Die neutrale Beobachtung und Beschreibung ohne voreilige Diagnosestellung stehen am Anfang und bilden die Grundlage für eine erfolgreiche Analyse des Problems. Auf Basis der unvoreingenommenen Beschreibung der Störung lässt sich durch eine mikroskopische Analyse in vielen Fällen bereits der eigentliche Fehler identifizieren. Oft ist es hilfreich, zusätzlich Laborexperimente zur Simulation bzw. Nachstellung des Fehlers durchzuführen. Im Zweifel kann in solchen Versuchen eine Verstärkung der vermuteten Ursache zur Aufklärung führen. In anderen Fällen müssen zunächst geduldig „Mosaiksteine“ gesammelt werden, um das Gesamtbild zu erkennen. Für eine nachhaltige Beseitigung des Fehlers ist es unerlässlich, die dahinter steckende Material- oder Prozessabweichung zu erkennen. Eine Grundvoraussetzung hierfür ist eine sorgfältige Dokumentation der jeweiligen Mitarbeiter vor Ort (siehe Checkliste im Anhang). Dabei sind die erkannten notwendigen Korrekturen am Prozess oft nicht kurzfristig umsetzbar. Um Ausfallzeiten und Ausschuss zu minimieren, kann es ggf. vorteilhafter sein, Sofortmaßnahmen einzuleiten („Erste Hilfe“), um eine auf Ursachenanalyse basierende, nachhaltige Beseitigung des Fehlers später vorzunehmen. Für viele Fehler gelingt es, klar umrissene Ursachen zu ermitteln. Wenn keine anderen Zwänge vorliegen, und die gefundene Ursache mit ausschließlich negativen Konsequenzen verknüpft ist, dann besteht die Fehlervermeidung schlichtweg in der Abstellung der Ursache. Dies mag ohne Nebenwirkungen nicht immer realisierbar sein, beispielsweise wenn es um die Änderung

Wilke/Ortmeier: Kunststoffbeschichtung: aktuell, kompakt und praxisnah © Copyright 2009 by Vincentz Network, Hannover, Germany

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Einschlüsse/Verunreinigungen

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der Viskosität des Lackes und seine Auswirkung auf das Läufer- und Kocherverhalten geht. Von solchen lacktypischen Konflikten abgesehen gibt es für einzelne Problemfelder ganz allgemeine, vorbeugende Maßnahmen, die helfen sollten, bestimmte Fehlerbilder in ihrer Fallzahl zu reduzieren. Dazu gehören z.B. Wartungs-, Reinigungs- und Kontrollmaßnahmen. Was sind die häufigsten Fehler bei der Kunststofflackierung? Wie sind sie zu erkennen und welche Maßnahmen können getroffen werden, um sie zu vermeiden?

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Einschlüsse/Verunreinigungen

Hierbei handelt es sich meistens um kleine, unregelmäßige Erhebungen im Lackfilm, die durch Fremdpartikel in unterschiedlicher Größe, Form, Art und Verteilung auftreten. Diese Fehler sind entweder sofort erkennbar oder ihre Auswirkung bei späterer Belastung der Lackierung, z.B. in Form von Blasenbildung nach Feuchtebelastung. Insofern sind die Fehler-Themen Einschlüsse/Verunreinigungen und Blasenbildung nicht klar voneinander zu trennen und werden hier gemeinsam abgehandelt.

7.1.1 Einschlussarten Die häufigsten Ursachen für Einschlüsse sind Fasern und Spritznebelablagerungen. Daneben finden sich Metallpartikel, Kocherblasen, Haare, Schleifstaub und undefinierbare Staub- bzw. Schmutzpartikel. Auch eventuell im Lack befindliche Teilchen kommen in Betracht. Durch Homogenitätsuntersuchungen an Nassmustern, z.B. mit Hilfe eines Glasaufgusses sowie durch die chemische Analyse von Siebrückständen (IR, EDX) lassen sich fertigungsbedingte Ursachen wie Gelteilchen, Mahlkörperabrieb und Härterkristalle (Harnstoffverbindungen) auffinden bzw. ausschließen. Im Folgenden sollen die einzelnen Arten der Einschlüsse und ihre Ursachen behandelt werden.

Fasern Fasereinschlüsse können ganz unterschiedliche Ursachen haben. Mögliche Stellen im Prozess, bei denen es zu einer Faserkontamination kommen kann, sind die Lagerung der Rohteile, die Reinigung, die Teileaufgabe sowie, über die Luftströmung, die gesamte Lackierung und Trocknung. Schon die Lagerung von Rohteilen mit Zwischenlagen aus Pappe oder wenig verleimtem Papier kann zu einer Kontamination mit Fasern führen. Einschlüsse von Fasern und Haaren in einer Lackbeschichtung können zudem hervorgerufen werden durch ungeeignete Handschuhe, Reinigungstücher und Kleidung des Lackieranlagenpersonals.

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Abbildung 7.1: Lichtmikroskopische Aufnahme eines Fasereinschlusses im Querschnitt, (Quelle: Lackfabrik Karl Woerwag GmbH & Co. KG)

Abbildung 7.2: Baumwollfasern Abbildung 7.3: Synthetikfasern Jeweils REM-Aufnahmen, (Quellen: BASF Coatings AG, [4])

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Fehler erkennen und vermeiden

Eine andere Faserquelle sind Raumreinigungshilfsmittel in der Umgebung (Bodenwischer etc.).

Abbildung 7.4: Spritznebeleinschluss in Aufsicht, REMAufnahme, (Quelle: BASF, Coatings AG [5])

Abbildung 7.1 zeigt die lichtmikroskopische Aufnahme eines typischen Fasereinschlusses im Querschnitt. Die Faser ist in der Lackschicht gut eingebettet und in Aufsicht häufig nicht selbst, sondern nur als Erhebung sichtbar. Der von einer Bekleidung abstammende Fasertyp, ob Baumwoll- oder Synthesefaser, ist mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie relativ leicht zu erkennen (siehe Abbildungen 7.2 und 7.2). Baumwollfasern zeigen eine flache, gurtartige Struktur mit „verdrillten“ Stellen. Synthetikfasern können verschiedene Querschnitte haben, die Struktur ist jedoch über die gesamte Länge gleich.

Baumwollgewebe geben deutlich mehr Fasern ab als SynthetikfaAbbildung 7.5: Spritznebel-Einschluss im Querschnitt, sermaterialien. Deswegen sind lichtmikroskopische Aufnahme, (Quelle: BASF Coatings AG [6]) letztere für Anwendungen im Lackierbereich besser geeignet als Baumwollgewebe. Bei Handschuhen ist grundsätzlich darauf zu achten, dass sie keine offenen Schnittkanten haben.

Spritznebel Ungleichmäßig verteilte Stippen im Decklack sind meistens zurückzuführen auf Spritznebel in der Basislackkabine bzw. in der Grundierungskabine. Eine häufige Quelle für bunte Pigment- und Lackagglomerate (Multicolorpartikel) sind mit Overspray kontaminierte Artikelträger, Fördersysteme, Trockner- und Kabinenluft. Natürlich gibt es auch unbunte Spritznebel-Einschlüsse, beispielsweise bestehend aus grauem Primer (siehe Abbildungen 7.4 und 7.5). Die Overspray-Belastung steigt generell an, wenn die Kabinentemperatur zu hoch, die Spritzviskosität zu hoch und/oder die Verdünnung zu schnell abdunstend eingestellt ist.

Lackrückstände und -zersetzungsprodukte Häufige Fehlerquellen sind Ablagerungen bzw. Schmutz in Spritzpistolen, Ringleitungen und Druckgefäßen. Hinzu kommen Schleifstäube bestehend aus Lack- und Kunststoffsubstratmaterial. Es können auch durch den Förderprozess bedingte Beschädigungen des Lackmaterials auftreten. So hat man nachweisen können, dass durch mechanische Überbeanspruchung in der Ringleitung Aluminium-Teilchen geknickt werden und diese später als Stippen im Decklack auftreten können. Generell steigt das Risiko der Verschmutzung der Fördertechnik bei einer zu geringen Abnahme und auch bei Verwendung ungeeigneter Ringleitungspumpen an. Weitere mögliche Ursachen für Einschlüsse aus Lackmaterial liegen in der Abweichung von den Verarbeitungsvorgaben der Lackmaterialien und den sich deswegen bildenden Koagulaten und Zersetzungsprodukten. So können z.B. bei Wasserbasislacken, wenn die Lagerstabilität über-

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Einschlüsse/Verunreinigungen

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schritten ist, durch Koagulation Inhomogenitäten entstehen, die sich nach der Verarbeitung als Stippen in der Beschichtung bemerkbar machen. Eine bei der Verarbeitung von 2K-PUR-Lacken mögliche Fehlerquelle besteht in der Verwendung einer nicht mehr adäquaten Härter-Charge. Durch Reaktion des Isocyanat-Härters mit Wasser kommt es zu Harnstoffbildung und CO2-Bildung, oft erkennbar am Druckaufbau des Behälters und an kristallinen Abscheidungen an der Behälteröffnung.

Undefinierbare Schmutzpartikel Nicht immer kann die Herkunft von Schmutzeinschlüssen geklärt werden. Als mögliche Ursachen kommen in diesen Fällen in Betracht: • Staub auf dem Substrat (ungenügende Reinigung) • Staubhaltige Außenluft, angesaugt durch Unterdruck in der Lackieranlage • D  efekte Zuluftfilter und eine unzureichende Abtrennung der Lackierzone vom Außenbereich erhöhen das Risiko einer Kontamination mit staubhaltiger Luft aus der Umgebung der Lackieranlage.

7.1.2 Einschlussanalyse Einschlüsse sollten, wie Krater und andere Oberflächenfehlstellen, nicht mit den Fingern berührt und auch nicht angeschliffen werden. Zur Untersuchung werden die betreffenden Fehlstellen zunächst mit einem Stereomikroskop mit 40 bis 80facher Vergrößerung voruntersucht. Dann werden die Einschlüsse in dünnen Schichten angeschnitten oder horizontal frei präpariert und anschließend mit einem höher vergrößernden Mikroskop identifiziert (siehe Abbildungen 7.6 und 7.7). Nach Fixierung auf einem Objektträger bzw. Klebeband können sie zudem mit Hilfe der IR-Spektroskopie, Licht- und Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgenmikroanalyse untersucht werden.

Vorbeugen von Einschlüssen Als vorbeugende Maßnahmen werden empfohlen: • P  raxisgerechte Eingangskontrolle der Lackmaterialien • Sauberkeit im Lackansatzraum • R  egelmäßige Wartung der Spritzkabinen und Funktionsprüfung (inklusive Luftführung, Ionisierung u.ä.)

Abbildung 7.6

• R  egelmäßiger Wechsel der Filter • G  ründliche Reinigung und Wartung der Spritzpistolen, Pumpen und Leitungen

Abbildung 7.7

• R  einigungstücher- und hilfsmittel, Kleidung, Handschuhe aus geeigneten Materialien (Synthetikfasern, keine Baumwolle) • A  lle Komponenten temperiert einsetzen

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Abbildungen 7.6 und 7.7: Anschnitt- und Horizontalschnitt von Lackfilmeinschlüssen, schematische Skizze

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Fehler erkennen und vermeiden

• Bei gehäuftem Auftreten von Einschlüssen: ⇒ Sofort Einschlüsse mikroskopisch, ggf. spektroskopisch identifizieren ⇒F  ehlteile, Siebrückstände, inklusive des zeitlichen Verlaufes (neue Chargen, Wartungsarbeiten usw.) dokumentieren ⇒ Nach erfolgter Analyse konsequent die Fehlerquelle(n) beseitigen

7.1.3 Blasenbildung Flüssigkeitsgefüllte Blasen entstehen gewöhnlich, wenn es aufgrund von Mängeln in der Oberflächenqualität des Untergrundes, beispielsweise durch eine unsachgemäße Vorbehandlung zum Verbleib von hygroskopischen Substanzen auf der Oberfläche kommt, die bei Feuchteeinwirkung den Film als Blase abheben. Hierzu gehört auch die Blasenbildung nach Feuchtebelastung oder Alterung, hervorgerufen durch Handschweiß, oder durch Verschleppung von Reinigungsmitteln in die letzte Spülzone einer Power Wash-Anlage. Durch den Verbleib von Wasser nach Power Wash in wasserschöpfenden Zonen der Bauteile kann es ebenso zu einer Blasenbildung kommen wie durch eine zu feuchte Lagerung der zu lackierenden Teile. Eine andere mögliche Ursache für Blasenbildung sind interne salzartige Stoffe des Kunststoffes, wenn diese im Zuge der Lacktrocknung ausschwitzen. Als Beispiel sei hier der Zuschlagstoff Zinkstearat genannt. Bei verstärkten Kunststoffen findet man im Zentrum einer Blase nicht selten Fasern und mineralische Verstärkungsmittel. Bei unzureichend gereinigten Kunststoffteilen können auf den Rückseiten von abgehobenen Blasen oft noch die Salzkristalle nachgewiesen werden, welche die Entstehung der Blasen durch Osmose ausgelöst haben (siehe Abbildung 7.8). Eine EDX-Analyse gibt meistens Aufschluss über die Elementzusammensetzung der die Blasen verursachenden Substanz.

Vorbeugen der Blasenbildung Zur Vermeidung einer Blasenbildung sollte die Oberfläche der Kunststoffteile trocken und sauber sein. Am besten lagert man die Teile temperiert, beginnt die Vorbehandlung mit einer gut überwachten Reinigungsprozedur und achtet darauf, dass durchweg adäquate Handschuhe (Synthetik, keine offene Schnittkanten) getragen werden. Wenn eine Reinigung durch Power Wash eingesetzt wird, sollte das Wasser in den Spülzonen regelmäßig auf seine elektrische Leitfähigkeit hin überprüft werden, gegebenenfalls sind die Austauschzyklen zu verkürzen. Außerdem sollte der Haftwassertrockner als letzte Zone der Power Wash-Anlage auf seine Effektivität hin überprüft werden.

7.1.4

Abbildung 7.8: Kristall in geöffneter Blasenkuppe, REM-Aufnahme, (Quelle: BASF, Coatings AG [5])

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Mikroblasen (Nadelstiche, Kocher)

Mikroblasen im übergreifenden Sinne werden meistens als Nadelstiche bezeichnet. Hervorgerufen werden sie durch Schaum- und sonstige Gaseinschlüsse. Teilweise wird der Begriff Nadelstiche auch als Synonym für Kocher verwendet. Hierunter versteht man üblicherweise durch abdunstende Lösemittel hervorgerufene Mikroblasen, die gegen Ende des Aushärtungsprozesses im Lackfilm „eingefroren“ werden.

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Einschlüsse/Verunreinigungen

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Kocher im Decklack (bzw. Klarlack) entstehen, wenn Lösemittel nicht mehr aus der Decklackschicht entweichen können, beispielsweise weil diese vor dem Beginn der Ofentrocknung nicht ausreichend ablüftet. Als mögliche Ursache kommt hier zunächst eine zu langsam abdunstende Lösemitteleinstellung des Decklackes in Betracht. Wenn die Viskosität des Nassfilms bei der Härtung zu schnell anzieht, werden nicht vollständig entwichene Lösemittelreste in der aushärtenden Schicht als Blasen eingefangen. Auch eine zu hohe Schichtdicke des Decklackes verursacht häufig Kocher, denn dadurch verlängert sich der Diffusionsweg für alle flüchtigen Bestandteile. Der Lösemittelhaushalt des Nassfilms ist zudem durch die Art der Zerstäubung beeinflussbar und daher ist die Kocherproblematik auch mit der Applikationstechnik verknüpft. So führt ein zu grobes Tropfenspektrum, infolge zu geringen Luftdruck/Materialdurchfluss-Verhältnisses oder zu geringen Lackierabstandes leicht zu einem zu nassen Film, für dessen Vortrocknung die Ablüftbedingungen nicht ausreichen. Auch in der Trocknertechnologie kann die Ursache für eine Kocherbildung liegen. Faktoren, welche die Lösemittelverdunstung verzögern und Kocher induzieren sind hier: eine zu hohe Kabinentemperatur, eine mangelnde Luftumwälzung im Trockner und ein zu schneller Temperaturanstieg (Ofenkurve zu steil). Schließlich können die Kocherblasen im Decklack ihre eigentliche Ursache auch in der Grundierung haben, wenn diese nicht ausreichend getrocknet ist, bevor sie überlackiert wird. Analog zur Fallbetrachtung des Decklackes können Blasen in einer Grundierung entstehen, wenn die Ablüftzeit der Grundierung vor dem Einlauf in den Primertrockner zu kurz ist, um Lösemittel ausreichend zu entfernen. Blasen bzw. Poren im Substrat, die bei der Trocknung entlüften, können ebenfalls Anlass zu Kochern in einer Grundierung geben, sowie ein zu hoher Feuchtegehalt des Substrates, wenn dieses zur Aufnahme von Wasser neigt, wie im Fall der Polyamide und Polyamidblends (PPO+PA). Abhilfe schafft eine ausreichende Konditionierung vor dem Beschichten. Manche Substrate enthalten auch andere flüchtige Bestandteile, z.B. Restmonomere oder andere Prozesschemikalien (SMC, PUR-Schäume etc.), siehe Abbildung 7.9.

Vermeidung von Mikroblasen und Erste Hilfe • Mikroskopische Identifizierung • Ü  berprüfung aller Lackier- und Trocknungsparameter, insbesondere Kontrolle der Schichtdicken (möglichst mikroskopisch) • L  acktemperatur bei der Viskositätseinstellung beachten • Ü  berprüfung der Funktionsfähigkeit von Manometern, Thermometern u.ä.

7.1.5 Benetzungs störungen Eng umgrenzte, meistens kreisförmige Benetzungsstörungen werden üblicherweise als Krater bezeichnet. Physikalisch erklärt werden können sie durch Differenzen in der Oberflächenspannung zwischen Störstelle und Umgebung. Ursachen können feste oder flüssige Kontaminationen sein, sowohl aus dem Lack

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Abbildung 7.9: Blasen im Substrat mit Übertritt in die Lackschicht, (Quelle: BASF Coatings AG [6])

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Fehler erkennen und vermeiden

als auch aus der Umgebung (siehe Abbildung 7.10). Die Fremdteilchen lassen sich manchmal instrumentell analytisch, beispielsweise mit der Time-of-flight-Sekundärionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) oder Röntgenmikroanalyse, chemisch identifizieren. Großflächige Krater nennt man auch Fischaugen.

Mögliche Ursachen für Krater in der Grundierung können:

Abbildung 7.10: Krater, REM-Aufmnahme, (Quelle: BASF Coatings AG [5])

• F  ettreste oder andere fettartige Fremdstoffe (Silicone, Fluorkohlenwasserstoffe) auf dem Substrat, • Poren im Substrat, • h  erausstehende Fasern und generell • e in schlechter Verlauf der Grundierung ein. Bei ungeeigneter Applikation des Basislackes können aufrecht stehende Effektpigment-Partikel die Benetzung des Basislackes durch den Klarlack behindern. Krater im Decklack können hervorgerufen werden durch

Abbildung 7.11: Lichtmikroskopische Aufnahme einer Benetzungsstörung, hervorgerufen durch einen langkettigen Kohlenwasserstoff, (Quelle: Lackfabrik Karl Woerwag GmbH & Co. KG)

• e inen schlechten Verlauf des Decklackes, • e ine zu geringe Schichtdicke des Decklackes und • d  urch Spritznebel, der in der Grundierung eingeschlossen ist.

Neben Kratern und Fischaugen gibt es noch Benetzungsstörungen, die weder eine rundliche Begrenzung haben, noch durch Inhomogenitäten des Lackmaterials oder Fremdkontaminationen hervorgerufen werden. So besitzt jeder Lack eine bestimmte Schichtdicke, unterhalb der er nicht mehr den Untergrund benetzt. Wird diese also im Lackierprozess unterschritten, benetzt der Lack den Untergrund nicht mehr vollständig. Vor allem für einen Klarlack gehört eine möglichst niedrige Benetzungsgrenze zu den anwendungstechnischen Qualitätskriterien. Oberflächen von sehr inhomogen aufgebauten Kunststoffsubstraten können lokal schlecht benetzbare Areale aufweisen, an denen es zu unförmigen Benetzungsstörungen kommt (siehe Abbildung 7.11).

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Störungen der Wechselwirkungen im Gesamtaufbau

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Krateranalytik Der erste Schritt einer zielführenden Krateranalytik besteht in der sachgerechten Behandlung der Fehlstellen. Die zu untersuchende Oberfläche sollte nicht berührt und auch nicht mit einem Stift markiert werden. Vor einem Transport deckt man die Stelle idealerweise mit einem sauberen Stück Papier oder Aluminiumfolie ab und fixiert dieses an den Rändern mit Klebeband (siehe Abbildung 7.12). Für die sichere Identifizierung von in Kratern befindlichen Fremdkontaminationen, wie Siliconölen und Fluorkohlenwasserstoffen, hat sich die TOF-SIMS bewährt.

Abbildung 7.12: Fehlstellenabdeckung bei Kratern, (Quelle: BASF Coatings AG [4])

7.2 Störungen der Wechselwirkungen im Gesamtaufbau 7.2.1 Lackenthaftung Ein Teil der Schadensfälle mit Lackenthaftung ist auf eine nicht lackiergerechte Bauteilherstellung zurückzuführen. Hierzu sei auf die Ausführungen in Kapitel 2 (2.3.3.2-Empfehlungen) verwiesen.

Ursachen und Vermeidung von Lackenthaftung Nachfolgend sind die größtenteils schon in den vorangegangenen Kapiteln diskutierten, möglichen Ursachen für ein Haftungsversagen von Beschichtungen auf Kunststoff stichwortartig aufgelistet: • Substrat, Bauteil (siehe Kapitel 2.3.3) – Inhaltsstoffe (Additive, Formtrennmittel, Molmassenverteilung, Recyclatanteil) – Verarbeitungsparameter (Einspritzgeschwindigkeit, Nachdruck u.a.) – Verarbeitungshilfsmittel (externe Entformungshilfsmittel u.a.) – Lagerung, Handling • Vorbehandlung (Reinigung und Aktivierung, siehe Kapitel 3) – Reinigungsprozess unzureichend – Fingerabdrücke – Power Wash verschmutzt – Aktivierungsverfahren oder -Parameter unzureichend • Lackmaterial – Formulierung/Material für Substrat ungeeignet – Handling, Lagerung

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Fehler erkennen und vermeiden

• Lackverarbeitung – Mischungsverhältnis nicht korrekt eingestellt – Schichtdicke zu hoch/zu gering – Trocknungsbedingungen unzureichend (Ofentemperatur, Bandgeschwindigkeit, klimatische Bedingungen) – Fremdkontamination (Abgrenzung der Lackieranlage)

7.2.2 Rissbildung Risse in unterschiedlicher Länge und Tiefe im Gesamtaufbau können zum einen durch Aufbaufehler entstehen. Wenn beispielsweise ein elastisches Substrat mit einem zu harten Lacksystem beschichtet wird, bilden sich schon bei vergleichsweise geringer mechanischer Beanspruchung Risse, ausgehend von der Beschichtung in Richtung Substrat. Ein von außen entstehender Riss wirkt hierbei wie ein Keil senkrecht auf die Substratoberfläche ein und pflanzt sich dort fort. Das Beschichten eines Kunststoffes mit einem Lack, dessen Lösemittel das Substrat zu stark anlösen, kann zu Spannungsrissen führen. Einige Kunststoffe wie PS- und PC-Blends sowie PMMA neigen besonders stark zur Spannungsrissbildung (Kapitel 2, Tabelle 2.10), besonders bei Kontakt mit Estern, Aromaten und Ketonen. Ein wichtiger Einflussfaktor ist die durch den Formgebungsprozess hervorgerufene Eigenspannung des Bauteils, die in ihrem Ausmaß stark von der Steuerung der Abkühlung der Schmelze bestimmt wird. Bei der Kunststoffverarbeitung wird zwar möglichst spannungsarmes Spritzgießen angestrebt, doch ist dies in der Praxis nur begrenzt realisierbar. So baut manches Bauteil seine Eigenspannungen bei Kontakt mit Lösemittel schlagartig durch Spannungsrissbildung ab. Schließlich können Risse in einer Beschichtung auch dann auftreten, wenn die Oberfläche des Substrates bereits gerissen ist. Das Lacksystem kann in diesem Fall den Substratriss nicht mehr überspannen.

7.2.3 Runzelbildung Das Hochziehen eines Decklackes vom Untergrund unter Ausbildung von Falten oder Runzeln ist ein auffälliges, optisch intolerables Fehlerbild, welches zudem die Funktionstüchtigkeit des Schichtverbundes beeinträchtigt (siehe Abbildung 7.13). Zurückzuführen ist die Runzelbildung meistens auf ein zu starkes Anlösen der abhebenden Schicht (häufig die ganze Basis-/KlarlackDoppelschicht). Als Ursachen hierfür kommen in Betracht: • Lösemitteleinstellung des Klarlackes zu aggressiv • Vortrocknung des Klarlackes nicht ausreichend • Basislackschichtdicke zu hoch Abbildung 7.13: Lichtmikroskopische Aufnahme einer Runzelbildung, (Quelle: BASF Coatings AG [5])

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Demzufolge lässt sich die Runzelbildung auch meist durch Korrektur der genannten Faktoren beseitigen.

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Verlaufsstörungen

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7.3 Verlaufsstörungen 7.3.1 Orangenschaleneffekt Eine mangelhaft verlaufende Lackierung kann sich im Extremfall dem Betrachter als Orangenschaleneffekt oder Orangenhaut präsentieren. Mögliche Ursachen liegen meistens im Decklack, manchmal bereits schon in der Grundierung. Bei der Applikation der Grundierung bzw. Decklackes kann beispielsweise die Viskosität des Lackes zu hoch, oder die Verdünnung zu schnell abdunstend gewesen sein. Da es bezüglich der Viskosität letztlich auf den Zustand des frisch applizierten Nassfilms ankommt, und dessen Viskosität auch stark von der Lackauftragstechnik bestimmt wird, sind die Zerstäubungsparameter, die Substrat-, Kabinen- und Vortrocknertemperatur sowie die applizierte Schichtdicke weitere hierfür wichtige Parameter. Bei 2K-Materialien kommt die Überschreitung der Topfzeit als mögliche Ursache in Betracht. Ferner kann eine orangenhautartige Lackoberfläche auch durch Inhomogenitäten der Substratoberfläche verstärkt werden, wie Poren oder eine Narbenstruktur.

7.3.2 Läuferbildung Bekannt sind tropfen- oder wellenförmige Verdickungen von Lackschichten an senkrechten Flächen („Nasen, Tränen, Gardinen“). Diese werden durch eine oder eine Kombination der folgenden Faktoren verursacht: • zu langsam abdunstende Lösemitteleinstellung • zu niedrige Viskosität • zu hohe Schichtdicken • zu kurze Ablüftzeit • zu grobe Zerstäubung wegen – zu geringem Zerstäuberabstand – zu großer Zerstäuberdüse – zu hoher Durchflussrate, zu geringem Zerstäuberdruck

7.3.3 Substratmarkierungen Sichtbare Angüsse, Fließfronten und Bindenähte von Bauteilen lassen sich durch eine Lackierung oft nicht vollständig abdecken. Als Resultat scheint dann beispielsweise das „Tigerfell“ Muster des Rohteils durch die Beschichtung hindurch. Es handelt sich bei allen Substratmarkierungen eigentlich weniger um Lackierfehler als um Oberflächendefekte, die durch einen mangelhaften Formgebungsprozess hervorgerufen werden. Die seitens der Formteilherstellung gegebenen Einflüsse sind in Kapitel 2, Abschnitt 2.3.3 beschrieben. Substratmarkierungen können manchmal durch eine Beschichtung, z.B. über die Formulierung (Füllstoffauswahl und -gehalt) abgemildert, häufig jedoch nicht verändert oder beseitigt werden. Ebenso kommt leider das Gegenteil vor, dass die Substratmarkierung durch eine Lackierung noch verstärkt wird, vor allem durch den Einsatz ungeeigneter Lösemittel. Welche Lösemittel sich hier günstiger verhalten, muss je nach Substrat bzw. Bauteil individuell ermittelt werden. In erster Näherung kommen diejenigen Lösemittel in Betracht, deren Löslichkeitsparameter denjenigen des polymeren Grundstoffs wenig ähneln (siehe Tabellen 2.5 und 2.6), bzw. welche am wenigsten anlösend für das Substrat sind (siehe Tabelle 2.7).

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Fehler erkennen und vermeiden

7.4 Farbton-, Effekt- und Glanzabweichungen Hierbei handelt es sich um einen Problemkreis, der aufgrund der gestiegenen ästhetischen Ansprüche an Oberflächen, der Wertschöpfung einer dekorativen Beschichtung und dem Trend hin zur Individualisierung, für die Kunststoffbeschichtung von hoher Bedeutung ist. Dies gilt besonders für die Fälle, bei denen Bauteile in ein größeres Objekt eingebaut werden. Dann können Farbtonprobleme sich nicht nur als Defizite in der Farbtonübereinstimmung mit einer Farbtonvorlage, sondern auch mit der Umgebung darstellen, bei der Fahrzeuglackierung also mit dem Rest der Karosserie. Bei der Fahrzeuglackierung ist der Abgleich von Farbvorlagen, die Vereinbarung farbmetrischer Toleranzen zwischen OEM, Teilelieferant und Lacklieferant in den letzten Jahren systematisch weiterentwickelt worden und hat in einzelnen Fällen einen sehr hohen Stand erreicht. Dieses gute Fundament ist jedoch natürlich nicht ausreichend, um im täglichen Geschäft Farbtonabweichungen zu vermeiden. Wenn Farborte und zulässige Abweichungen als Toleranzen definiert sind, müssen als nächstes die Prüfparameter, mit denen ein Betriebslabor des Lackherstellers Probetafeln von einer Lackcharge lackiert, auf den Kundenprozess abgestimmt werden. Änderungen der Lackierlinienparameter sollten dem Lacklieferanten zeitnah mitgeteilt werden. Doch auch bei perfekter Kommunikation kann noch eine ganze Reihe von Prozessabweichungen die Farbtonübereinstimmung zwischen Kunde und Lieferant beeinträchtigen. Dazu gehören: • S  chichtdickenschwankungen (besonders bei Effektlacken und schlecht deckenden Unifarbtönen wie gelb und rot) • z u nasses/zu trockenes Spritzen (nass: Ausflussrate zu hoch, Zerstäuberdruck zu niedrig, Kabinentemperatur zu niedrig) zu trocken:

heller silbriger grauer

zu nass:

dunkler farbintensiver

Wolkenbildung ist ein anderes Fehlerbild, welches ebenfalls stark von der Weise der Lackauftragstechnik beeinflusst werden kann. Risiken sind hier ein zu nasser Auftrag des Basislackes, eine zu geringe Schichtdicke und ein unzureichendes Vortrocknen des Basislackes vor dem Klarlackauftrag. Auch eine zu nasse Applikation bzw. zu langsam abdunstende Einstellung des Klarlackes stellt eine mögliche Ursache für Wolkenbildung dar. Für einen zu geringen Glanz der Klarlackschicht kommen als mögliche Prozessabweichungen in Betracht: • Schichtdicke des Basislackes zu hoch • Viskosität des Klarlackes zu niedrig • Schichtdicke des Klarlackes zu gering • Basislack noch nicht trocken

7.5 Checkliste für Reklamationen Diese Checkliste mit den wichtigsten Fragen und zwei folgende Tabellen zur Erfassung von Reklamationen kann als Vorlage oder Anregung dienen (nach [3]).

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Checkliste für Reklamationen

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Checkliste Reklamation aufgenommen am: Kunde: _________________________ Werk/Anlage: ___________________________________ Betroffenes Produktionsprogramm: ___________________________________________________ 1. Was beanstandet der Kunde? 2. Beschreibung der Beobachtungen (fernmündlich/vor Ort ermittelt?): • Qualitativ/quantitativ • Auf welcher Fläche? • Seit wann? • Über welchen Zeitraum? • Welche Qualitäten und Chargen im Einsatz? • Gab es früher ähnliche Probleme? • Wie wurden vom Kunden vorgelegte Proben gewonnen (wichtig bei Schmutzanalyse)? • Zahl der lackierten Teile • Welche Artikel? • Welche Lackmenge wurde verarbeitet?

3. Ursachenermittlung/Abweichungsanalyse Tabelle 7.1: Abweichungsanalyse - Material Material

Typ/Qualität/ Charge

Abweichung vom Pflichtenheft, ja/nein

Worin abweichend?

Probe mitbringen, ja/nein

Substrat (inkl. Trennmittel) Waschmittel im Reinigungsprozess Haftvermittler/Primer (inkl. Härter, Verdünnung, Mischungsverhältnis, Trocknung, Schichtdicke) Basislack (inkl. Verdünnung, Trocknung, Schichtdicke) Klarlack (inkl. Härter, Verdünnung, Mischungsverhältnis, Trocknung, Schichtdicke) Decklack (inkl. Härter, Verdünnung, Mischungsverhältnis, Trocknung, Schichtdicke)

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Fehler erkennen und vermeiden

Tabelle 7.2: Abweichungsanalyse - Beschichtungsprozess Prozessteil

Abweichung vom Pflichtenheft, ja/nein

Worin abweichend?

Reinigung, Aktivierung, Ionisierung Primer-Auftrag Basislack-Auftrag Klarlack-Auftrag Decklack-Auftrag Sonstiges (z.B. Luftführung, Wartungsarbeiten, Teile-Handlingund Lagerung, Bandstillstände, Zustand und Geschehnisse in der Umgebung der Lackieranlage, z.B. Bauarbeiten, Verkehrsbetrieb, Reinigungsarbeiten etc.)

Literaturhinweise [1] B. Mayer, JOT 6 (2001) 32 [2] D. G. Weldon, Failure Analysis of Paints and Coatings, John Wiley & Sons, LTD, Chichester, New York, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, (2001) [3] H.-J. Oslowski, Lehrgang Kunststofflackierung, Technische Akademie Esslingen, 26-27.05.1997 [4] Fehlstellen in der Automobillackierung und deren Ursachen, Pocket guide, BASF Coatings AG, (2002) [5] Glasurit-Info, Der Ratgeber bei Lack- und Lackierschäden, Firmendruckschrift der Glasurit GmbH (BASF Coatings AG) [6] Industrielacke, Fehleranalyse bei der Lackbeschichtung von Kunststoffteilen, Firmendruckschrift der BASF Lacke + Farben AG

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Lebensläufe

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Lebensläufe Prof. Dr. Guido Wilke, Diplom-Chemiker, Jahrgang 1962 begann nach dem Chemiestudium, der Promotion und einem einjährigen Forschungsaufenthalt in den USA seine berufliche Laufbahn 1992 bei der BASF Coatings AG. Dort befasste er sich mit der Entwicklung von Kunstharzen, Fahrzeug- und Kunststofflacken. Seit 2002 ist er Professor für das Fachgebiet Polymerwerkstoffe an der Hochschule Esslingen.

Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Ortmeier, Jahrgang 1958, hatte bereits während des Studiums zum Chemieingenieur Farbe, Lack, Kunststoff ersten Kontakt mit der industriellen Kunststofflackierung bei Mercedes in Sindelfingen. Nach dem Abschluss des Studiums 1984 führte der Weg von der Anwendung in die Entwicklung von Lacken für Kunststoffe zur Wörwag GmbH. Vieles aus der 25-Jährigen Erfahrung mit den Formulierungen und Anwendungen von Lacken für Kunststoffe wird in diesem Band weitergegeben.

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Stichwortverzeichnis

A Abrasion, von Lackschichten 117 Abriebfestigkeit 116 Acrylacrylate 88 Acrylate 69 Additive, in Kunststoffen 39 Adhäsion 36, 39, 107 Adhäsionsarbeit 36, 107 Adhäsionsmechanismen 107 Adhäsionstheorie 36, 107 adhäsives Versagen 105 Aktivierung 36, 49 – nasschemische 60 – von Folien 56 Aktivierungsverfahren 36, 49, 51 Aluminiumpigmente 77 Amtec-Kistler-Test 117 Anforderungen an Beschichtungen auf Kunststoff 104 Angussmarkierungen 41 Anlösen 128 Anquellung 66 Antioxidantien 39 Anwendungsgebiete für die Kunststoffbeschichtung 12 Atmosphärendruck-Plasmabehandlung 56 Aufrauung 34 Auftragswirkungsgrad 98 Ausgasungen 39

B Barriereentladung 56 Basislack 63, 68 Basispolymer 37 Baumwollfasern 121 Bauteiloberfläche 44 Beflammung 51, 64, 100, 102 – Aktivierung 51 – Qualität 52 – vollautomatische 52 Beflammungsanlagen 51 Beflammungsgase 53 Beflammungsintensität 53 Beflammungsparameter 52 Benetzbarkeit und Haftung 36 Benetzung – von Fasern 42 – von Kunststoffoberflächen 34 Benetzungsstörungen 126 Beschichtbarkeit von Kunststoffen 36, 40 Beschichtungsfehler 120 Beständigkeit gegen Lösemittel 30

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Bindemittel 69 Bindenähte 41 Blasenbildung 124 Blockfestigkeit 116 Brenner 52

C Celluloseacetobutyrat 69, 72 Chemical Vapour Deposition (CVD) durch Plasma 56 Chemikalienbeständigkeit 81 chemische Bindungstheorie der Adhäsion 108 chlorierte Polyolefine 64 Coefficient of Thermal Expansion 24 Consumer Electronics 69, 79, 95 Crockmeter-Test 117

D Dampfstrahltest 107, 110 Decklack 63 Deformationen von Lackschichten 115 Dekoration als Beschichtungsaufgabe 14 Delamination 50 Design 17 Design-Freiheit 21 Dichte von Kunststoffen 20 Diffusionstheorie der Adhäsion 109 Doppelbindungsdichte 87 Dreischichtaufbau 79 Dual Cure 88, 95, 96 Durchstoßtest 116 Duroplaste 18 Dynamisch Mechanische Analyse 23

E easy-to-clean 89 Effektausbildung 72, 74, 76 Effektlacke 63 Effektpigmente 73 Eigenspannungen 30 Eindruckmarkierungen 116 Einfallstellen, Vermeidung 44 Einsatzgebiete von Kunststoffen 19 Einschlussanalyse 123 Einschlüsse 121 Einspritzgeschwindigkeit 45 Elastifizierung 24 Elastizitätsmodul 23 Elastomere 18 elektrische Leitfähigkeit 32 elektrisch leitfähige Polymere 33 elektrostatische Theorie der Adhäsion 109

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Stichwortverzeichnis

Emissionen aus Kunststoffen 39 Emissionsreduktion als Entwicklungsaufgabe 16 Entformen 44, 45 Entformungshilfsmittel 38 Enthaftung von Lackschichten auf Kunststoff 105 Entladung 54 Entlüftung 45 Entschäumer 85 Erweichungs- und Schmelzverhalten 24 ESTA 33 Etching 82

F Farbtonübereinstimmung 15, 21, 130 Fasereinschlüsse 121 Fasern 38, 42 – von Staubbindetüchern 48 Faserverbundwerkstoffe 20 Fehleranalyse 120 Fehlerursache 120 Fertigungstiefe 21 Festigkeit 23, 44 Festkörperoberfläche 35 First-Run 103 Fließmarkierungen 41 Flopeffekt 72 Fluorierung 58 Folientechnologie 16 Formhaut 93 Füllstoffpartikeln und -kugeln 38 Funktionalisierung – durch Plasmabehandlung 54 – von Kunststoffoberflächen 50

G Gaseinschlüsse, Vermeidung von 44 Gasflamme 51 Gasphasenfluorierung 58 Geometrie von Formteilen 37, 41 Gewichtsreduktion 21 Gitterschnittprüfung 110 Glanzpigmente 77 Gleitmittel 39 Gradientenofen 82 Grenzflächenspannung 34 Grundierung 63

H Haftfestigkeit, Definition und Prüfverfahren 109

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Haftung 36, 105, 107 – von CPO-Primern auf Polyolefinen 60 Haftvermittler 60, 63 Haftwassertrockner 102 Handschweiß 124 Hansen-Löslichkeitsparameter 29 Haptik 92 Harnstoffbildung 123 Härte 116 Häsiometer-Test 114 Headimpact-Test 116 Heißspritzen 98 High Solid-Basislacke 72 Hindered Amine Light Stabilizer (HALS) 83 Hochrotationszerstäuber 99 Hochziehen von Lackschichten 128 Homogenisierung der Kunststoffschmelze 45 Hybridbauweise 22 Hydrolyse 82 Hydroxylgruppen an Kunststoffoberflächen nach Aktivierung 52

I Impact-Prüfungen 115 Individualisierung 17 Inertgasatmosphäre 87 Inmold Decoration 95 Innere Spannungen 43 Insert Film Molding 17 Integration von Anbauteilen 21 Interdiffusion 43 – von Polymeren 50 – von Polymermolekülen 109 Interferenzpigmente 78

K Keilvorschubverfahren 114 Klarlacke 63, 68 Kocher 124 Kohäsionskräfte 105 kohäsives Versagen 105 Kohlendioxid, Reinigung mit 49 Komposit 37 Konditionierung von Bauteilen 39, 125 Konstruktion, von Bauteilen 44 Kontaktwinkelmodell 34 Korona 57 Koronabehandlung – direkte 56 – indirekte 57 Krateranalytik 126 Kratzbeständigkeit 117 Kratzfestigkeit 81, 88

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Stichwortverzeichnis

Kratzprobe 110 Kunststoffbeschichtungen, spezielle Eigenschaften 15 Kunststoffe 18 – nach Einsatzgebieten 19 Kunststoffgranulat 45 Kunststofflackierung 12 Kunststoffoberfläche 33 – Homogenität der 42 Kunststoffschmelze 41, 42 Kunststoffverarbeitung 40, 44

L Lackapplikation 42 Lackenthaftung 106, 127 Lackfolientechnik 63 Lackhaftung 42, 43, 44, 49, 54 Lackierbarkeit, von Kunststoffen 40 Lackierfehler 120 Lackreste auf Kunststoff nach Enthaftung 106 Lackrückstände 122 Läuferbildung 129 Leitpigmente 66 linearer thermischer Längenausdehnungskoeffizient 24 Lösemittelbeständigkeiten 31 Löslichkeit 26 Löslichkeitsparameter 27 Lotus-Effekt 89 Luftfeuchtigkeit 39, 74 Lunker 39, 93

M Markt für Kunststofflacke 13 Massefärbung 16 Massenkunststoffe 19 Massenproduktion von Formteilen aus Kunststoff 21 Maßhaltigkeit 37 Mattierungsmittel 71 mechanische Theorie der Adhäsion 107 Mehrschichtlackierungen 71 Melaminharze 72, 76 Metalleffektpigmente 77 Mikroeindringhärte 116 Mikrowellen zur Erzeugung von Plasmen 54 Mischungsenthalpie 27 Molekulargewichtsabbau 44 Multicolorpartikel 121

N Nachdruck 45

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Nadelstiche 124 Nanokomposite 20 Nano-Scratcher 117 Nasschemische Vorbehandlung/Aktivierung 60 Nichtleiter 32 Niederdruck-Plasmabehandlung 55

O Oberflächenkontamination 41 Oberflächenrauigkeit. Erhöhung der 50 Oberflächenspannung 33, 34 Oberflächenstruktur 33 Oberflächentopographie und -morphologie durch Beflammung 52 Oberflächenzustand von Kunststoffen 41 Orangenschaleneffekt 129 Osmose 124 Overspray 66, 98

P Peel-Test 112 Pendeldämpfung 116 Perlglanz 78 Perlglanzpigmente 77 Photoinitiatoren 87, 88 Plasma 54 – Jet-Behandlung 57 – Temperatur 56, 57 Plasmabehandlung 54 Plasmafilamente 54, 57 Plasmaprozessgase 55 Plasmen 51, 54 Polierfähigkeit 82, 116 Polyacrylatdispersionen 75 Polyacrylate 84 Polyester 66, 69, 72, 76, 84 Polyesteracrylate 88 Polyharnstoff 84 Polymerabbau 44 polymere Verbundschichtstoffe 37 Polymer Glazing 117 Polyolefine – Lösemittelbeständigkeit 31 – wirtschaftliche und beschichtungstechnische Bedeutung 19 Polyphenylenoxid 20 Polypropylen-Blends 19 Polyurethandispersionen 69, 75 Polyurethane 66 Pop-ups 93 Potenzialtrennung 100 Power Wash 42, 49, 102, 124

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Stichwortverzeichnis

Präparation von Lackfilmeinschlüssen 123 Primer 63 primerfreie Lackierung 16 Produktion von Kunststoffen 19 Prozessfenster 104 Prozesssicherheit 15 Prüfmethoden 104, 105 Pulverlack 94

Q Quellbarkeit 26

R Radikalfänger 83 Rakelverfahren 95 Randwinkel 35 Rauheit 34 Reaction-Injection-Moulding 20 Recovery-Verhalten 117 Recyclat 44 Recycling 19 Reduktion von Lackschichten 16 Reflow-Verhalten 81, 117 Reinigung 48 Reklamationen 130 Rheologieadditive 84 Rissbildung 128 Robustheit 104 RöntgenPhotoelektronenspektroskopie (XPS) 50 Rückseite von Lackbeschichtungen 106 Runzelbildung 128

S Sagging 76 Sauerstoffinhibierung 87 Sauerstoffkonzentration – an Polypropylenoberflächen nach Beflammung 52, 53 schaltbare Beschichtungssysteme 17 Schattenzonen 42 Scherrate 45 – der Kunststoffschmelze beim Spritzgießen 45 Scherung 42 Schichtdickenbestimmung 105 Schichtverbund 37 Schlagzähigkeit 24, 44, 80 – von Kunststofflackierungen 116 Schleifen von Kunststoffoberflächen 34 Schleifriefen 34 Schleifstaub 34 Schmelzerheologie 44

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Schmelzetemperatur 45 Schmutzeinschlüsse 123 Schneestrahlreinigung 49 Schreibempfindlichkeit 71 Schutzfunktionen von Beschichtungen auf Kunststoff 13 Schwitzwasserblasen 34 Sheet Molding Compound 20 Sol/Gel 89, 90 Spannungsrissbildung 128 Spannungsrisse 30, 44 spezifischer Durchgangswiderstand 32 Spritzgießen 41, 42 – Prozesstechnik 44 Spritzgießwerkzeug – Auslegung 44 – Gestaltung 44 – Konstruktion 44 Spritznebel 121 Spröd-Zäh-Übergang 116 Sprühkoronaverfahren 57 Spülzonen 49 Stabilisatoren 39 Stapelfähigkeit 116 Staub 33 Staubbindetücher 48 Steinschlagbeständigkeit 65, 115 Steinschlagtest 115 Stippen 122 Stirnabzugsprüfung 112 Stoffaustausch 37 Stoßfängerverkleidungen 41 Strukturlacke 63 Stückzahl 21 styrolhaltige Kunststoffe, Lösemittelbeständigkeit 31 Substratmarkierungen 129 Substratmorphologie 42 Substratoberflächen 33 Synthetikfasern 121

T Taber-Abraser-Test 117 technische Kunststoffe 20 Teileaufhängung 37 Telegraphing 39 Temperatur von Gasflammen 51 Testtinten 35 thermische Ausdehnung 24 thermische Beständigkeit 24 thermodynamische Adhäsionstheorie 36 Thermooxydation 82 Thermoplaste 18, 20

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Stichwortverzeichnis

Thermoplastic Polyolefines 19 Tigerfellmuster von Kunststoffoberflächen 41, 129 Time-of-FlightSekundärionenmassenspektrometrie (TOF-SIMS) 126 Toleranzbreite von Prozessparametern 104 Topfzeit, Überschreitung 129 Topographie 33 Trennmittel 93 Trocknungstemperaturen und -zeiten 37

U

X X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 50

Z Zähigkeit 24 Zugfestigkeit 23 Zugrollenschälversuch 112 Zugversuch 23 Zusatzstoffe 38 Zweischichtaufbau 79 Zweischichtlackierung 63 Zykluszeit 41

Urethanacrylate 88 UV-Bestrahlung zur Aktivierung von Kunststoffoberflächen 59

V Verarbeitungsparameter bei der Formteilherstellung 42 Verbundschichtstoffe 37 Verformungsverhalten 23 Verlauf 85 Verlaufsmittel 71, 85 Verlaufsstörungen 129 Verpackungsbranche 19 Versagensarten der Lackhaftung 105 Versprödung 66 Verstärken mit Fasern 42 Verstärkungsmittel 24, 38 Verunreinigungen 121 Verweilzeit der Kunststoffschmelze 45 Vicat-Temperatur 24 VOC-Verordnung 72, 85 Vorbehandlung 48

W Wärmeformbeständigkeit 24 Wärmeleitfähigkeit 24 Waschkratzerbeständigkeit 117 Wasseraufnahme 31, 39 Wassergehalt 32 Weak-Boundary-Layer 50 Weichmacher 39 Weich-PVC 39 Welligkeit 33 Werkzeugqualität 33, 41 Werkzeugtemperatur 44 Wirtschaftlichkeit 16 Wolkenbildung 130

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Marktübersicht

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Marktübersicht Rohstoffe Bindemittel Acrylatharze Acrylatharz-Dispersionen www.worlee.de

Acrylatharze für Pulverlacke www.worlee.de

Acrylatharze, wasserverdünnbare www.worlee.de

Alkydharze Alkydharz-Dispersionen www.worlee.de

Alkydharze, modifizierte www.worlee.de

Alkydharze, thixotrope www.worlee.de

Alkydharze, wasserlösliche www.worlee.de

Alkydharze, wasserverdünnbare www.worlee.de

Druckfarbenharze www.worlee.de

Latex Latex-Dispersionen www.worlee.de

Polyacrylate

Polyester Polyester, gesättigte www.worlee.de

Polyester, OH-funktionelle www.worlee.de

Polyisocyanate Polyisocyanate, aliphatische www.coating-products.com www.worlee.de

Polyisocyanate, aromatische www.coating-products.com

Polyisocyanate, wasserverdünnbare www.coating-products.com www.worlee.de

Bindemittel, unspezifizierte CYTEC Surface Specialties Austria GmbH A-8010 Graz, Leechgasse 21 Tel. +43 (0) 50 399-0 Fax +43 (0) 50 399-1249

Farbmittel und Pigmente Farbpigmente, anorganische Gelbpigmente, anorganische Chromtitangelb www.worlee.de

Eisenoxidgelb, synthetische www.worlee.de

Nickeltitangelb www.worlee.de

Polyacrylat-Dispersionen www.worlee.de

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Rot- und Orangepigmente, anorganische Eisenoxidrot, synthetische www.worlee.de

Weißpigmente Titandioxide Titandioxide, rutile www.worlee.de

Schwarzpigmente Schwarzpigmente, anorganische Eisenoxidschwarz, synthetische www.worlee.de

Ruße www.worlee.de

Effektpigmente Aluminiumbronze Schlenk Metallic Pigments GmbH www.schlenk.de

Aluminiumpasten Schlenk Metallic Pigments GmbH www.schlenk.de www.worlee.de

Aluminiumpigmente Schlenk Metallic Pigments GmbH www.schlenk.de www.worlee.de

Aluminiumpulver Schlenk Metallic Pigments GmbH www.schlenk.de www.worlee.de

Bronzepasten Schlenk Metallic Pigments GmbH www.schlenk.de

Fluoreszenzpigmente www.coating-products.com

Marktübersicht

Goldbronzepasten Schlenk Metallic Pigments GmbH www.schlenk.de

Goldbronzepulver Schlenk Metallic Pigments GmbH www.schlenk.de

Metalleffektpigmente Schlenk Metallic Pigments GmbH www.schlenk.de

Mikronisiertes Titandioxid www.worlee.de

Perlglanzpigmente www.worlee.de

Phosphoreszierende Pigmente www.coating-products.com

Effektpigmente, unspezifizierte www.coating-products.com www.worlee.de

Funktionale Pigmente Korrosionsschutzpigmente Korrosionsschutzpigmente, unspezifizierte www.worlee.de

Pigmentpräparationen Pigmentdispersionen (pastös) Pigmentdispersionen (pastös), wässrige www.worlee.de

Farbstoffe www.coating-products.com

Füllstoffe Kieselsäure www.worlee.de

www.worlee.de

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Marktübersicht

Additive Antiblockmittel KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de www.coating-products.com

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Netzadditive SILCONA GmbH & Co. KG Tel. +49 6724 602245, Fax +49 6724 602375 [email protected], www.silcona.de

SchleifbarkeitVerbesserungsmittel

www.worlee.de

KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de

Dispergieradditive

Soft-feel-Additive

Antikratermittel

SILCONA GmbH & Co. KG Tel. +49 6724 602245, Fax +49 6724 602375 [email protected], www.silcona.de

Entgasungsadditive www.worlee.de

Entschäumungsmittel www.worlee.de

Gleitadditive KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de www.coating-products.com www.worlee.de

Haftvermittler KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de www.worlee.de

Hydrophobierungsmittel KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de www.coating-products.com

Mattierungsadditive KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de www.worlee.de

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KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de

Trennmittel KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de

Verlaufsmittel SILCONA GmbH & Co. KG Tel. +49 6724 602245, Fax +49 6724 602375 [email protected], www.silcona.de

Wachse KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de

Additive, unspezifizierte CYTEC Surface Specialties Austria GmbH A-8010 Graz, Leechgasse 21 Tel. +43 (0) 50 399-0 Fax +43 (0) 50 399-1249 KEIM-ADDITEC Surface GmbH Tel. +49 6763 9333-0, Fax +49 6763 9333-30 [email protected] www.keim-additec.de SILCONA GmbH & Co. KG Tel. +49 6724 602245, Fax +49 6724 602375 [email protected], www.silcona.de

Prüf- und Messtechnik Bewitterungsgeräte Gebr. Liebisch GmbH & Co. KG D-33649 Bielefeld Tel. 0521 94647-0 www.liebisch.de

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Marktübersicht

KondenswasserKlimaprüfgeräte Gebr. Liebisch GmbH & Co. KG D-33649 Bielefeld Tel. 0521 94647-0 www.liebisch.de

Korrosionsprüfbleche Gebr. Liebisch GmbH & Co. KG D-33649 Bielefeld Tel. 0521 94647-0 www.liebisch.de

Korrosionsprüfgeräte Gebr. Liebisch GmbH & Co. KG D-33649 Bielefeld Tel. 0521 94647-0 www.liebisch.de

Korrosionswechselprüfgeräte Gebr. Liebisch GmbH & Co. KG D-33649 Bielefeld Tel. 0521 94647-0 www.liebisch.de

Salzsprühgeräte Gebr. Liebisch GmbH & Co. KG D-33649 Bielefeld Tel. 0521 94647-0 www.liebisch.de

Schwitzwasserprüfgeräte Gebr. Liebisch GmbH & Co. KG D-33649 Bielefeld Tel. 0521 94647-0 www.liebisch.de

Serviceleistungen Gefahrgutcontainer HOYER GmbH Multilog Tel. +49 40 21044211 [email protected]

Unternehmensberatungen Coatings Science Lab eK Wir entwickeln und projektieren Oberflächen (u.a. auch FVK/K). www.coatings-science-lab.de

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