Industrielle Flüssigbeschichtung von Polyolefin-Produkten – Anwendungen im Innen- und Außenbereich

Industrielle Flüssigbeschichtung von Polyolefin-Produkten – Anwendungen im Innen- und Außenbereich

Die industrielle Beschichtung von Kunststoffen ist ein zentraler Prozess für Dekoration, Veredelung und kundenindividuelle Massenfertigung. Flüssigbeschichtungen sind äußerst vielseitig und eröffnen unendliche funktionale und ästhetische Möglichkeiten. Beschichtungen steigern den Wert, sind wirtschaftlich und umweltfreundlich. Beschichtungsprozesse sind vielschichtig und erfordern eine fachgerechte Auslegung. Die Wirkungen von Lackchemie und Polymerverträglichkeit müssen verstanden werden. Oberflächenqualität und Sauberkeit sind entscheidend für Haftung und fehlerfreie Qualität. Dieser Artikel ist der erste einer Reihe über Flüssigbeschichtungen für Kunststoffe. In dieser Ausgabe betrachten wir Polymereigenschaften, die Arten der Wechselwirkung zwischen Beschichtungen und Substraten, Anwendungen von Polypropylen und Beschichtungstechnologien.

Die Begriffe „Beschichten“ und „Lackieren“ werden oft synonym verwendet. Im Allgemeinen dient das „Lackieren“ der Ästhetik, während das „Beschichten“ der Funktion dient, indem eine funktionale Materialschicht auf das Substrat aufgebracht wird. Beispiele für Funktionsbeschichtungen sind Abdichtung, Selbstreinigung, antimikrobielle Ausrüstung, Rost- und Korrosionsschutz, UV-/Witterungsschutz, Flexibilität und Elastizität sowie Farbstabilität. Für eine gute Haftung müssen Kunststoffteile frei von statischer Aufladung, Schmutz, Ölen, Fingerabdrücken, Trennmittelrückständen usw. sein. Niedermolekulare oxidierte Stoffe (LMWOM) wie Antioxidantien, Weichmacher, Gleit- und Antistatikmittel, Farbmittel/Pigmente und Stabilisatoren können die Lackierbarkeit eines Teils verändern und zu Delamination und anderen Fehlern führen. Aufgrund der hydrophoben Natur von Polypropylen (PP) und vielen anderen Polymeren ist eine Plasma-Vorbehandlung erforderlich, mitunter in Verbindung mit chlorierten Polyolefin-Haftvermittlern.

Das Wichtigste in Kürze

• Lack und Polymer wechselwirken chemisch, thermisch und mechanisch – keine Wechselwirkung darf die Eigenschaften des Kunststoffs beeinträchtigen.
• PP ist der „Stahl“ der Kunststoffindustrie: zäh, steif, kristallin, unpolar und zu 100 % recycelbar.
• Lackierbarkeit ist eine Konstruktionsentscheidung. Die Typen unterscheiden sich selbst innerhalb einer Polymerfamilie, daher legt die Polymerwahl die Obergrenze fest.
• Drei Beschichtungsfamilien – einkomponentige Lacke, zweikomponentige Duroplaste und UV – sind alle in wasserbasierten Chemien erhältlich.
• Recyceltes PP ist ein echter Beschichtungsmarkt. Aus Autobatterien werden Bauprodukte mit 25 Jahren Garantie oder mehr.

Häufig gestellte Fragen

Warum lässt sich Polypropylen schwer lackieren?

PP ist hydrophob, unpolar und chemisch inert, was eine schlechte Benetzbarkeit der Oberfläche bedeutet. Es ist ein lineares Kohlenwasserstoffharz aus der Familie der Polyolefine und bildet bei der Polymerisation je nach Stellung der Methylgruppen ataktische, isotaktische oder syndiotaktische Kettenstrukturen – die jeweils das Verhalten beeinflussen.

Was ist beim Abstimmen von Lack auf Kunststoff zu beachten?

Drei Arten der Wechselwirkung: chemisch, thermisch und mechanisch. Keine darf die Eigenschaften des Kunststoffs beeinträchtigen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass es viele Kunststoffe und viele Typen innerhalb jeder Familie mit jeweils unterschiedlicher Lackierbarkeit gibt und auch das Urformen eine Rolle spielt.

Welche Beschichtungstechnologien gibt es für die Kunststoffveredelung?

Drei Hauptkategorien. Einkomponentige Lacke sind einfach in der Anwendung, haben niedrige Kosten pro Quadratfuß und trocknen durch Verdunsten von Lösemittel oder Wasser, typischerweise in 30 Minuten oder weniger. Die übrigen sind zweikomponentige Duroplaste und UV-Beschichtungen. Alle drei sind in wasserbasierten Chemien erhältlich.

Lässt sich recyceltes Polypropylen erfolgreich beschichten?

Ja, und es ist eine bedeutende Anwendung. Aus recycelten Autobatterien werden Produkte für den Innen- und Außenbereich von Gebäuden, teils mit über 25 Jahren Herstellergarantie, wobei die Beschichtung der bevorzugte Dekorationsprozess für die kundenindividuelle Massenfertigung ist.

Wann sind einkomponentige Lacke die richtige Wahl?

Wenn Kosten pro Quadratfuß und einfache Anwendung am wichtigsten sind und die Leistungsanforderung moderat ist. Sie lassen sich auf Härte und Abriebfestigkeit auslegen oder für weiche Kunststoffe flexibler einstellen und härten vollständig durch Verdunsten bei Raumtemperatur oder unter leichter Einbrennung aus.

Verträglichkeit von Lack und Polymer

Die Wirkungen von Lackchemie und Kunststoffverträglichkeit müssen verstanden werden, um robuste Prozesse und die Leistung im Endeinsatz zu erreichen. Bei der Auswahl von Lack und Kunststoff gibt es mehrere Wechselwirkungen, darunter chemische, thermische und mechanische2. Es wäre nicht hinnehmbar, dass ein Element die Kunststoffeigenschaften beeinträchtigt. Konstrukteure müssen das optimale Polymer wählen, einen Ausgleich zwischen Leistung und Lackierbarkeit. Eine Komplexität besteht darin, dass es so viele verschiedene Kunststoffe und Typen gibt, selbst innerhalb derselben Polymerfamilie, jeweils mit eigenen Eigenschaften und eigenem Grad der Lackierbarkeit. Das Urformen ist ein Einflussfaktor, darunter Materialreinheit, Werkzeugtemperatur, Anguss, Entgasung, Kristallinitätsgrad usw.

Chemische Effekte – Lösemittel und chemische Wechselwirkungen der Lacke können den Kunststoff schädigen. Häufig ist es erwünscht, dass die Lösemittel den Kunststoff anlösen (anätzen), was die Haftung in begrenztem Maß verbessern kann. Lösemittel können jedoch Oberflächenrisse (Crazing), Spannungsrissbildung, Quellung, Erweichung, Auflösung des Polymersubstrats und viele lösemittelbedingte Fehler (z. B. Nadelstiche, Lösemittelblasen und Lunker) verursachen.

Thermische Effekte – Einige Lackarten erfordern eine Härtung bei erhöhter Temperatur. Höhere Temperaturen (bezogen auf die Polymermoduln) können eingespritzte Eigenspannungen im Bauteil abbauen und Verzug verursachen. Lackschrumpf während der Härtung kann Restspannungen erzeugen. Extreme Temperaturen können das Polymer schädigen. Bei der Ofenhärtung sollte die Temperatur allmählich ansteigen.

Mechanische Effekte – Festigkeit und Steifigkeit des getrockneten Lacks müssen zum Kunststoff passen, und beide müssen als Einheit zusammenwirken. Die Wahl eines Lacksystems, das nicht richtig auf das jeweilige Kunststoffsubstrat abgestimmt ist, kann zu vorzeitigem Versagen führen, dem sogenannten „elastischen Mismatch“.

Polypropylene

Polypropylen (PP) wird oft als „Stahl“ der Kunststoffindustrie bezeichnet, weil es sich auf vielfältige Weise für bestimmte Zwecke modifizieren lässt. PP ist ein zäher, steifer und kristalliner, unpolarer Thermoplast, der aus dem Monomer Propen (bzw. Propylen) hergestellt wird. Zu 100 % recycelbar. PP lässt sich schwer kleben, weil es hydrophob, unpolar und chemisch inert ist, d. h. eine schlechte Benetzbarkeit der Oberfläche aufweist. PP ist ein lineares Kohlenwasserstoffharz aus der Gruppe der Polyolefine. Die chemische Formel von PP lautet (C3H6)n.

Bei der Polymerisation kann PP je nach Stellung der Methylgruppen drei grundlegende Kettenstrukturen bilden:

• Ataktisch (aPP) – unregelmäßige Anordnung der Methylgruppen (CH3)
• Isotaktisch (iPP) – Methylgruppen (CH3) auf einer Seite der Kohlenstoffkette angeordnet
• Syndiotaktisch (sPP) – alternierende Anordnung der Methylgruppen (CH3)

Es gibt zwei Haupttypen von PP: Homopolymere und Copolymere. Die Copolymere werden weiter in Blockcopolymere und statistische Copolymere unterteilt. Homopolymer-PP ist eine Universaltype. Blockcopolymer-PP hat Comonomer-Einheiten in Blöcken angeordnet und enthält zwischen 5 % und 15 % Ethylen. Statistisches Copolymer-PP hat die Comonomer-Einheiten in unregelmäßigen bzw. zufälligen Mustern entlang des Moleküls, typischerweise 1 % bis 7 % Ethylen1. Der Schmelzpunkt von PP liegt in einem Bereich, weshalb der Solltemperaturwert für die Ofenhärtung je nach Type bewertet werden sollte.

• Homopolymer: 160-165 °C
• Copolymer: 135-159 °C

Antistatika. PP hat ausgezeichnete elektrische Isoliereigenschaften und neigt dazu, statische Ladungen zu halten, die Schmutz an die Oberfläche ziehen. Antistatische Additive können an die Oberfläche „ausblühen“ und elektrische Ladungen ableiten, führen aber zu Lackdelamination. Zudem kann sich nach mehreren Monaten ein weißer Film (Ausblühung) auf der Oberfläche dunkler Farben zeigen.

Auswirkungen von Strahlung, Ultraviolett (UV). PP wird durch UV-Strahlung stark beeinflusst. Direkte Sonneneinstrahlung führt zu einem Verlust der Festigkeitseigenschaften, sofern nicht ein UV-Inhibitor oder ein hoher Anteil an Rußpigment verwendet wird. Selbst bei hoher Zugabe von Inhibitor oder Pigment ist die erwartbare Lebensdauer unter starker Sonneneinstrahlung begrenzt.

Polymerkonstruktive Aspekte bei PP und Polymeren mit niedriger Oberflächenenergie:

• PP-Copolymere lassen sich mitunter leichter haftfähig machen bzw. kleben als Homopolymere.
• Nylons und Polycarbonate sind hygroskopisch und müssen getrocknet werden. PP ist nicht hygroskopisch; befindet sich jedoch Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Harzpellets, verursacht sie dieselben Probleme wie feuchte hygroskopische Materialien.
• Die „Volumen“-Eigenschaften von Nylon sind hydrophob, die „Oberflächen“-Eigenschaften hygroskopisch1.
• Nylon 6 nimmt Feuchtigkeit leichter auf als Nylon 66, wobei die Feuchtigkeit als Weichmacher wirkt. Nylon 6 lässt sich mitunter leichter kleben als Nylon 11 oder 12.
• Acetal-POM-Copolymere (Celcon) lassen sich mitunter leichter kleben als Homopolymere (Delrin).
• Polyethylene lassen sich leichter kleben. Prüfen Sie, ob PP wirklich erforderlich ist.

Anwendungen aus recyceltem Polypropylen (rPP)

PP ist zu 100 % recycelbar und lackierbar. Siehe Abbildung 1. Autobatterien werden zu Produkten für den Innen- und Außenbereich von Gebäuden und Wohnräumen recycelt. Einige dieser Produkte haben eine Herstellergarantie von über 25 Jahren. Die Beschichtung ist der bevorzugte Dekorationsprozess für die kundenindividuelle Massenfertigung.

Beschichtungstechnologien

Für die OEM-Kunststoffveredelung gibt es mehrere Beschichtungstechnologien, jeweils mit eigenen Vorteilen je nach Anforderungen an Leistung, Kosten und Anlagenfläche. Diese Technologien lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen:

Einkomponentige Lacke: Einkomponentige Lacke sind einfach anzuwenden und haben niedrige Kosten pro Quadratfuß; sie werden in der Kunststoffdekoration häufig eingesetzt. Diese Beschichtungen trocknen und härten vollständig durch Verdunsten von Lösemittel oder Wasser und trocknen typischerweise in 30 Minuten oder weniger bei Raumtemperatur oder unter leichter Einbrennung. Einkomponentige Lacke lassen sich auf Härte und Abriebfestigkeit auslegen oder für weiche Kunststoffe flexibel und dehnbar einstellen. Die Lufttrocknung bei Raumtemperatur senkt den Investitionsbedarf, wobei eine leichte Einbrennung bei 100-120 °F die Zykluszeit verkürzt. Einkomponentige Lacke eignen sich am besten für Fertigprodukte, bei denen eine Belastung durch kondensierende Feuchtigkeit, Wassereintauchen und aggressive Chemikalien nur begrenzt zu erwarten ist. Diese Produkte sind in lösemittel- und wasserbasierten Formulierungen erhältlich und lassen sich mit HVLP- oder Druckluft-Spritzverfahren auftragen.

Zweikomponentige Duroplast-Beschichtungen: Zweikomponentige Duroplaste bieten hohe Leistung und lassen sich für eine Vielzahl extremer Industrieanwendungen, Konsumgüter im Außenbereich und Automobilanwendungen optimieren. Epoxide, Polyurethane und in geringerem Maße M-Cure-Reaktivmodifikatoren dominieren diesen Bereich. Polyurethan-Beschichtungen haben hohe Kosten pro Quadratfuß, bieten aber ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit sowie Farb- und Glanzbeständigkeit in Automobilqualität bei längerer direkter Sonneneinstrahlung. Epoxide sind günstiger als Urethane und zeichnen sich durch Filmhärte, Chemikalienbeständigkeit und Wasserdampf-Sperreigenschaften aus. Bei Decklack-Anwendungen haben Epoxide jedoch eine schlechte Farbstabilität und Beständigkeit bei direkter Sonneneinstrahlung und neigen zum Anlaufen (Blushing), weshalb sie typischerweise als Grundierung verwendet werden. Zudem ist bei epoxidbeschichteten Produkten in der Regel ein Hinweis nach der kalifornischen Proposition 65 erforderlich.

Im Allgemeinen benötigen zweikomponentige Duroplast-Beschichtungen eine lange Aushärtezeit bis zur Handhabung bzw. Verpackung, da sich der Großteil der Filmhärte durch chemische Vernetzung (Aushärtung) entwickelt. Wegen der Wärmeempfindlichkeit von Kunststoffsubstraten ist die Möglichkeit, die Aushärtung zweikomponentiger Duroplaste durch Wärmezufuhr zu beschleunigen, begrenzt. Mehrkomponenten-Mischanlagen können den Einsatz schneller härtender Formulierungen ermöglichen, wenn kürzere Zykluszeiten gefordert sind. Für Anwendungen, bei denen Kosten- oder Aushärtezeit-Beschränkungen den Einsatz zweikomponentiger Urethane ausschließen, ist M-Cure eine mögliche Option: Dank neuer M-Cure-Harztechnologie, die deutlich längere Topfzeiten ermöglicht als bisher, lassen sich kürzere Trocknungszeiten bei Umgebungstemperatur oder niedriger Einbrenntemperatur ohne Mehrkomponenten-Mischanlage erreichen. Wasserbasierte und lösemittelbasierte Duroplast-Formulierungen sind erhältlich und werden typischerweise mit HVLP- oder Druckluft-Spritzverfahren aufgetragen.

UV-härtende Beschichtungen: UV-härtende Beschichtungen bieten unter allen Beschichtungstechnologien für Kunststoffe die beste Kombination aus schneller Trocknung/Härtung und Leistung. Die Härtung ist je nach Formulierung und Bauteilgeometrie typischerweise in nur 3-10 Sekunden erreichbar. Nach der Härtung sind mit UV-härtenden Beschichtungen dekorierte Kunststoffprodukte sofort verpackungsfertig. UV-härtende Beschichtungen zeichnen sich durch Zähigkeit und Chemikalienbeständigkeit aus und lassen sich für langfristige Außenbeständigkeit formulieren oder für weniger anspruchsvolle Anwendungen wirtschaftlicher auslegen. UV-härtende Beschichtungen benötigen in der Regel direkte Sichtverbindung zu einer UV-Härtungslampe, um Filmhärte zu erreichen; wasserbasierte UV-härtende Beschichtungen bilden dagegen schon vor der Härtung einen grifftrockenen Film, sodass kleine Schattenbereiche an komplexen Teilen nicht zu ungehärteten, klebrigen Rückständen an den Fertigwaren führen. Quecksilberdampflampen sind die am häufigsten verwendete UV-Quelle zur Härtung und können mikrowellen- oder lichtbogenerzeugt sein. Lichtbogenlampen sind in der Anschaffung kostengünstiger, benötigen aber Aufwärmzeit und erzeugen erhebliche Wärme. Mikrowellenangeregte Lampen sind teurer als Lichtbogenlampen, sind aber wenige Sekunden nach dem Einschalten einsatzbereit, erzeugen weniger Wärme und haben eine längere Lampenlebensdauer. Sowohl Mikrowellen- als auch Lichtbogenlampen sind mit Eisen- oder Gallium-Dotierung erhältlich, wodurch sie sich zur Härtung pigmentierter Farben eignen, und lassen sich je nach Spitzenleistungsbedarf und Bauteilgeometrie mit elliptischen (Flutlicht-) oder parabolischen (fokussierten) Reflektoren kombinieren. Neben Quecksilberlampen haben sich LED-UV-Lampen als konkurrierende Technologie etabliert, mit Sofort-Ein/Aus-Fähigkeit, sehr geringem Energieverbrauch und extrem geringer Wärmeentwicklung; wegen der Einschränkungen bei der Fokusgeometrie eignen sie sich am besten für regelmäßig geformte zylindrische oder flache Teile. Außerdem sind LED-Lampen zwar hervorragend für die Durchhärtung stark pigmentierter oder dick aufgetragener Filme, doch kann ihr Einsatz eine Nachhärtung mit einer diffusen oder leistungsschwachen Quecksilberlampe für die vollständige Oberflächenhärtung erfordern. Verfügbar sind 100-%-Festkörper-, lösemittelbasierte und wasserbasierte Formulierungen. UV-Beschichtungen lassen sich mit HVLP spritzen oder auf ebenen Flächen im Walzverfahren auftragen.

Auswahlhilfe für Flüssigbeschichtungen

Fazit

Beschichtungsprozesse sind vielschichtig und erfordern präzise Auslegung und Qualitätskontrollen. Die Wirkungen von Lackchemie und Kunststoffverträglichkeit sowie die Oberflächenqualität sind entscheidend für die Produktleistung. Einkomponentige Lacke, zweikomponentige Duroplaste und UV-Beschichtungstechnologien eignen sich zum Lackieren und Beschichten von Polypropylen-Werkstoffen und sind in wasserbasierten Chemien erhältlich.

Quellen

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. und Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurberatungsunternehmen, das auf Verfahren der sekundären Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Oberflächenvorbehandlung, Adhäsionsverbindung, Tintenstrahldruck, Laserbeschriftung, Industriebeschichtungen, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit mehr als 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Er ist unter 972.820.6777 erreichbar oder über www.sabreen.com.

Dustin Kurath ist technischer Leiter von Northern Coatings and Chemical Co., einem Lackhersteller, der auf Hochleistungs-Industriebeschichtungen spezialisiert ist. Kurath befasst sich seit Mitte der 2000er-Jahre mit der Beschichtungsforschung für Hochleistungs-Industrie- und Automobilbeschichtungen, Luftfahrtbeschichtungen, Verpackungsbeschichtungen und strahlungshärtende Beschichtungen. Kurath ist unter 906.352.5060 oder www.northern-coatings.com erreichbar.

---