Kunststoffe für die Lackierung vorbereiten

Kunststoffe für die Lackierung vorbereiten

Die Verfahren zum Auftragen der meisten Flüssiglacke auf Kunststoffe unterscheiden sich kaum von denen für die Lackierung von Metallen, auch wenn die Pulverbeschichtung bei Kunststoffen noch recht ungewöhnlich ist. Zudem sind bestimmte, bei Metallen weit verbreitete Lackierverfahren wie die chemische Abscheidung (autophoretisch) und die elektrophoretische Tauchlackierung bei Kunststoffen nicht möglich. Alle anderen Verfahren wie Streichen, Tauchbeschichten, Flutbeschichten und Gießvorhang-Beschichten, einschließlich aller Varianten des Spritzens und der Rotationszerstäubung, werden sowohl für Metalle als auch für Kunststoffe eingesetzt. Mit dem Aufkommen der UV-Strahlungshärtung und der Niedertemperaturhärtung ausgewählter Pulverlacke wird der Pulverauftrag inzwischen auch auf bestimmten, einigermaßen hitzebeständigen Kunststoffen durchgeführt, wenngleich diese Technologie noch in den Kinderschuhen steckt.

Die Lackierbarkeit aller in der Fertigung üblichen Metalle ist ziemlich ähnlich. Das ist zum Teil möglich, weil Oberflächenenergie, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Hitzebeständigkeit von Metallen jeweils recht nah beieinanderliegen. Bei Kunststoffen ist das ausdrücklich nicht der Fall. Im Allgemeinen sind die Werte dieser Eigenschaften bei Kunststoffen deutlich niedriger als bei Metallen, und zwischen verschiedenen Kunststoffen unterscheiden sie sich extrem. Selbst innerhalb einer Kunststofffamilie kann die Lackierbarkeit überraschend unterschiedlich sein, bedingt durch Unterschiede im Molekulargewicht der Kunststoffe und durch die Zugabe verschiedener Additive bei der Herstellung der einzelnen Harze. Die Basiszusammensetzung des Kunststoffs kann aus einem einzelnen Harz oder einer Mischung aus zwei oder mehr verschiedenen Harzen bestehen. In eine Harzzusammensetzung können verschiedene Füllstoffe, Streckmittel und Weichmacher eingearbeitet sein. Additive werden Harzen häufig zugesetzt, um erwünschte physikalische und chemische Eigenschaften zu erzeugen; Pigmente werden zugegeben, um den Glanz zu verändern oder Farbe zu geben. Art und Menge dieser Additive verändern die Lackierbarkeit der jeweiligen Rezeptur voraussichtlich erheblich. Selbst Teile aus derselben Harzrezeptur sind in ihrer Lackierbarkeit nicht zwangsläufig gleich. Auch das Spritzgießen, Extrudieren oder ein anderes Formgebungsverfahren zur Herstellung des Teils kann durch induzierte Bauteilspannungen im Harz und durch Vernetzung eine wichtige Rolle für die Lackierbarkeit des Teils spielen.

Die chemische Natur des Harzes bestimmt weitgehend die Oberflächenenergie des Kunststoffs. Im Allgemeinen wird eine Oberfläche mit höherer Oberflächenenergie vom Lack leichter „benetzt“ und ist daher besser „lackierbar“, d. h. die Haftung der Beschichtung ist besser. Es wurde festgestellt, dass die Lackhaftung auf Metallen oft besser ist als auf Kunststoffen, weil Metalle typischerweise wesentlich höhere Oberflächenenergien haben als Kunststoffe. Die geringe Polarität der Moleküle in Kunststoffen wie Polyethylen und Polypropylen ist die Ursache für deren niedrige Oberflächenenergie (und schlechte Lackierbarkeit). Die Erhöhung der Oberflächenenergie und damit der Lackhaftung ist einer der Hauptzwecke der Vorbehandlung von Kunststoffen.

Das Wichtigste in Kürze

• Die meisten Flüssiglackverfahren lassen sich von Metall übertragen, chemische Abscheidung und elektrophoretische Tauchlackierung sind bei Kunststoffen jedoch nicht möglich.
• Statische Aufladung ist ein kunststoffspezifisches Problem. Kunststoffe sind Isolatoren, laden sich daher auf und ziehen vor dem Lackieren Staub aus der Luft an.
• Wachsbasierte Trennmittel sind der Feind des Lacks. Wasserlösliche Trennmittel sind weit besser und lassen sich mit gewöhnlichem wässrigem Reiniger abwaschen.
• Glatte Oberflächen müssen chemisch oder mechanisch aufgeraut werden, um die Verankerungsstellen zu schaffen, die der Lack braucht.
• Beschleunigte Alterungsprüfungen sagen die Leistung im Feld voraus – trockene Wärme, feuchte Wärme und eine Kontrollgruppe, danach Schälprüfung nach ASTM D3330.

Häufig gestellte Fragen

Welche Verunreinigungen müssen vor dem Lackieren von Kunststoff entfernt werden?

Fingerabdrücke, Staub, Flusen und Trennmittelrückstände. Die Reinigung mit Reiniger entfernt in der Regel die Salze und Öle, die bloße Hände hinterlassen, und Fingerabdrücke lassen sich vollständig vermeiden, wenn die Bediener vom Formgebungsprozess bis zum Lackauftrag flusenfreie Handschuhe tragen.

Warum ziehen Kunststoffteile vor dem Lackieren Staub an?

Weil die meisten Kunststoffe Isolatoren oder schlechte elektrische Leiter sind und deshalb statische Ladungen aufbauen, die Partikel aus der Luft anziehen und festhalten. Die Kontrolle der statischen Aufladung ist ein Schritt, den Lackierlinien für Metall schlicht nicht benötigen.

Welche Trennmittel sind mit dem Lackieren verträglich?

Wasserlösliche Trennmittel, die sich bei der Reinigung mit gewöhnlichem wässrigem Reiniger leicht entfernen lassen. Wachsbasierte Trennmittel lassen sich manchmal mit Lösemittel entfernen, werden für zu lackierende Teile aber nicht empfohlen; vom Einsatz von Lösemitteln wird ohnehin aus Gründen von VOC, Brandschutz und Gesundheit abgeraten.

Wie erreicht man, dass Lack auf einer glatten Kunststoffoberfläche haftet?

Durch Aufrauen. Kunststoffe haben eine niedrige Oberflächenenergie und ein geringes Oberflächenprofil, und glatte Oberflächen ergeben eine schlechte Haftung. Üblich ist chemisches Anätzen, um Mikrorauheit und Verankerungsstellen zu erzeugen, idealerweise durch die Lösemittel, die bereits im aufgetragenen Lack enthalten sind.

Wie sollte die Lackhaftung langfristig geprüft werden?

Mit beschleunigter Alterungsprüfung. Ein praktikabler Aufbau sind drei Gruppen – fünf Tage bei 158 °F trocken, fünf Tage bei 90 °F und 90 % Luftfeuchtigkeit sowie eine Kontrollgruppe bei Umgebungsbedingungen. Unmittelbar danach visuell mit der Kontrolle vergleichen, dann nach Stabilisierung der Proben eine Schälprüfung nach ASTM D3330 durchführen, meist bei 180°.

Reinigen von Kunststoffsubstraten

Wie jede andere zu lackierende Oberfläche müssen auch Kunststoffe weitgehend frei von Verschmutzungen und Fremdstoffen sein. Typische Verschmutzungen auf zu beschichtenden Kunststoffteilen sind Fingerabdrücke, Staub, Flusen und Trennmittelrückstände. In der Regel entfernt die Reinigung mit Reiniger die Salze und Öle zufriedenstellend, die beim Anfassen mit bloßen Händen auf den Kunststoff gelangen. Fingerabdruck-Verschmutzungen lassen sich vollständig vermeiden, wenn die Mitarbeiter, die die Teile vom Formgebungsprozess bis zum Lackauftrag handhaben, flusenfreie Handschuhe tragen.

Die meisten Kunststoffe sind entweder Isolatoren oder schlechte elektrische Leiter. Dadurch neigen sie dazu, statische Ladungen aufzubauen, die Flusen- und Staubpartikel anziehen und hartnäckig festhalten. Das Abwischen mit einem Klebetuch entfernt möglicherweise nicht alle diese Verunreinigungen. Ein hervorragendes Verfahren zum Entfernen statisch angezogener Flusen und Schmutzpartikel ist ein Ionisier-Abblasen (Entstatisierung). Der Entstatisierer sollte positive und negative Ladungen erzeugen; die meisten Geräte nutzen eine schwache radioaktive Strahlungsquelle in der Abblasluft. Die Ansaugluft wird gefiltert, und ionenbeladene Luft wird über das Teil geblasen, sodass positive und negative Ionen alle statischen Ladungen neutralisieren. Die Entstatisierung muss unmittelbar vor dem Lackieren erfolgen, damit die Teile möglichst sauber in den Beschichtungsprozess gehen. Verzögerungen zwischen Entstatisierung und Lackierung lassen die Ladungen neu entstehen, sodass die Teile erneut Partikel auf ihrer Oberfläche ansammeln.

Wenn die Kunststofflackierung in einem „Reinraum“ erfolgt, lassen sich Schmutz wie Staub und Flusen leichter beherrschen. Die Zuluft sollte gefiltert und auf etwa 50 % relativer Luftfeuchtigkeit gehalten werden. Zutritt zu diesem Raum sollten jederzeit nur befugte Personen in flusenfreien Overalls, mit Haarnetz und Überschuhen haben.

Trennmittel und Weichmacher

Es gibt einige lackierbare Trennmittel, doch viele andere Trennmittel beeinträchtigen die Lackhaftung. Zum Entfernen dieser Mittel, die das Lösen der Kunststoffteile aus den Werkzeugen erleichtern, können verschiedene Verfahren erforderlich sein. Wachsbasierte Trennmittel lassen sich manchmal durch Lösemittelreinigung entfernen, doch wird diese Art von Trennmittel für zu lackierende Teile nicht empfohlen. Vom Einsatz von Lösemitteln wird wegen der Beschränkungen für VOC-Emissionen und möglicher Brand- und Gesundheitsgefahren vieler Lösemittel nahezu automatisch abgeraten. Wasserlösliche Trennmittel sind deutlich vorzuziehen. Ihre Entfernung von der Kunststoffoberfläche gelingt mit gewöhnlichen wässrigen Reinigerlösungen problemlos.

Trennmittel können auch in Kunststoffrezepturen eingemischt werden; man spricht dann von „inneren“ Trennmitteln. Innere Trennmittel sind nach Möglichkeit zu vermeiden. Die Lackierbarkeit ist unter Umständen zunächst nicht beeinträchtigt, und QS-Haftungsprüfungen können eine ausgezeichnete Anfangshaftung zeigen. In einigen Fällen sind innere Trennmittel jedoch langsam an die Bauteiloberfläche gewandert und haben Monate nach der Lackierung eines Teils zu Lackhaftungsversagen geführt.

Weichmacher können Formmassen zugesetzt werden, um die Schlagzähigkeit zu erhöhen, doch verringern sie häufig – wie Trennmittel – die Lackhaftung. Manche Weichmacher wandern langsam an die Oberfläche und erweichen die Grenzfläche zwischen Kunststoff und Lack, was zum Haftungsverlust führt. Auch hier können erste Lackhaftungsprüfungen völlig zufriedenstellend ausfallen, während sich der Lackfilm später vom Kunststoff abhebt oder ablöst. Dies kann lange nach Inbetriebnahme des Teils zu kostspieligen Feldausfällen und späteren Haftungsansprüchen führen.

Robuste Lackhaftung erzielen

Die meisten Kunststoffoberflächen haben nicht nur eine niedrige Oberflächenenergie, sondern von Natur aus auch ein geringes Oberflächenprofil. Glatte Oberflächen ergeben tendenziell eine schlechte Lackhaftung, sofern die Oberfläche nicht zuvor chemisch oder mechanisch aufgeraut wird. Konversionsschichten auf Metallen tragen zur Lackhaftung unter anderem durch die mikrorauhe Oberfläche der auf dem Metall erzeugten anorganischen Schicht bei. Das gängigste Mittel gegen die Glätte von Kunststoffoberflächen ist das Anätzen mit einem chemischen Mittel, um Mikrorauheit und Verankerungsstellen zu erzeugen, die dem Lack Haftung bieten. Wenn möglich, erfolgt das Anätzen durch die Lösemittel im aufgetragenen Lack, um einen separaten Prozessschritt zu vermeiden. Die Wahl des Lacklösemittels ist ziemlich kritisch, da verschiedene Lösemittel Kunststoffe unterschiedlich schnell anätzen. Sowohl Über- als auch Unterätzung sind zu vermeiden. Unzureichendes Anätzen sorgt nicht für eine ordentliche Haftung; übermäßiges Anätzen kann den Kunststoff schädigen. Es kann das Teil verziehen, Partikel von Füllstoffen und Streckmitteln freilegen und möglicherweise sogar Stellen erzeugen, an denen Bestandteile des Kunststoffs in die Beschichtung ausbluten. Manche Kunststoffe, etwa Polycarbonat oder Polystyrol, reißen oder zeigen übermäßige Oberflächenrisse (Crazing), wenn Lösemittel angreifen, gegenüber denen sie besonders empfindlich sind. Weisen Kunststoffe Bereiche mit hoher Spannung aus dem Formgebungsprozess auf, können Lösemittel in diesen Bereichen durch Spannungsabbau sichtbare Risse bilden. Beim Lösemittelätzen ist daher ein gewisses Maß an Sorgfalt erforderlich.

Beim Formen mancher Bauteilgeometrien gibt es Bereiche, in denen der schnelle Kunststoff-Einspritzstrom im Werkzeug erhebliche Reibungswärme im Teil erzeugt. In diesen Bereichen bildet sich eine stark vernetzte (verglaste) Haut, die gegen Lösemittelätzen beständig ist. Die Lackhaftung ist in diesen Bereichen schlecht, sofern die übermäßig harte Kunststoffhaut nicht entfernt wird. Diese Bereiche lassen sich durch Trommeln mit mäßig abrasivem Medium oder durch Strahlen der Oberfläche mit mild aggressivem Strahlmittel so weit entglasen, dass eine zufriedenstellende Lackhaftung möglich ist. Auch eine kurze Behandlung im heißen Lösemittel oder in Lösemitteldampf ist bei einigen Teilen wirksam. Mikrorauheit mit Lösemitteln zu erzeugen, ist jedoch im Allgemeinen nur wirksam, wenn der Kunststoff selbst zumindest etwas polar ist.

Wenn Entglasen oder Lösemittelätzen nicht wirksam oder anderweitig unerwünscht sind, kann es nötig sein, per chemischer Reaktion polare oxidierte Gruppen auf der Oberfläche zu erzeugen. Dies gilt insbesondere für extrem unpolare Kunststoffoberflächen. Polypropylen und Polyethylen sind zwei Beispiele für gering polare Kunststoffe, die oxidativ behandelt werden. Diese Harze und ähnliche gering polare Kunststoffe können kurz einer offenen Flamme eines Gasbrenners ausgesetzt werden. Dadurch wird eine oxidative chemische Reaktion (beginnende Verbrennung) ausgelöst, die zwar nicht sichtbar ist, aber genügend Polarität auf der Oberfläche erzeugt, um eine ausgezeichnete Lackhaftung zu ermöglichen. Auch das Führen von Kunststoffteilen durch eine elektrische Koronaentladung, die Ozon erzeugt, wird zur Oberflächenoxidation genutzt. Die Korona erzeugt angeregte Sauerstoffatome, die Ozon bilden, das den Kunststoff wiederum oxidativ angreift und polare Gruppen wie Hydroxyl-, Carbonyl- und Carbonsäuregruppen erzeugt.

Gering polare Kunststoffe lassen sich auch mit lichtempfindlichen Chemikalien, sogenannten Photosensibilisatoren, und anschließender Bestrahlung mit ultraviolettem Licht oberflächenoxidieren. Das UV-Licht „spaltet“ die Moleküle der lichtempfindlichen Verbindungen und bildet freie Radikale. Freie Radikale sind äußerst reaktive Spezies, die bei diesem Prozess mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff reagieren. Sauerstoff-Radikale reagieren wiederum mit dem Kunststoff und erzeugen polare Gruppen auf der Oberfläche.

Die Kaltgasplasma-Technologie lässt sich zur Vorbehandlung von Kunststoffen einsetzen und oxidiert die Oberfläche, um die Oberflächeneigenschaften für die Lackhaftung erheblich zu verbessern. Wird ein Gas gezwungen, genügend Energie aufzunehmen, wird es ionisiert, es entsteht ein „Plasma“. Ein Hochfrequenzgenerator sorgt für die Anregung. Lichtbogenschweißen und Leuchtstofflampen sind beides Beispiele für ein Phänomen, bei dem ein „Leuchten“ entsteht, weil angeregte Ionen in ihren stabilen Energiezustand zurückfallen. Innerhalb der Sicherheitsgrenzen der Anlage kann dieser Prozess jedes einzelne Gas oder Gasgemisch nutzen. Sauerstoff, Stickstoff, Helium, Argon, Luft und Ammoniak wurden hierfür verwendet.

Auch die Plasmakonditionierung ermöglicht das Lackieren von Kunststoffen mit guter Haftung. Der Plasmareaktor ist in der Regel ein Vakuumbehälter mit einer dicht verschließbaren Öffnung zum Be- und Entladen der Teile. Beim Betrieb des Reaktors ist eine Glimmentladung zu beobachten. Die Gasplasma-Behandlung ätzt die Oberfläche im Mikrobereich an und aktiviert sie zugleich. Eine kurze Behandlung erzeugt auf einem ansonsten gering polaren oder unpolaren Kunststoff eine polare Oberfläche mit hoher Oberflächenenergie, sodass der Lack sie vollständig und gleichmäßig „benetzen“ kann. Plasmaprozesse verändern das Oberflächenaussehen in der Regel nicht, sodass Materialien ohne Verfärbung behandelt werden können. Mit demselben Lack, der auch auf Metallen verwendet wird, lässt sich eine ausgezeichnete Haftung erzielen. Für manche Hersteller kann dies ein wichtiges Merkmal sein, da eine montierte Einheit aus Kunststoff und Metall in einem Arbeitsgang mit derselben Beschichtung lackiert werden kann.

Weniger wirksam ist der Einsatz chemischer Oxidationsmittel im Lack selbst, um die Kunststoffoberfläche ausreichend zu oxidieren und so eine bessere Lackhaftung zu erzielen. Reflexions-Infrarotspektroskopie hat bestätigt, dass diese Behandlungen auf der Kunststoffoberfläche dieselben sauerstoffhaltigen Gruppen (Hydroxyl, Carbonyl und Carbonsäure) erzeugen wie die anderen Oxidationsverfahren, nur in geringerer Menge. Nur in begrenzten Fällen verursachen Oxidationsmittel im Lack selbst eine für dauerhafte Lackhaftung ausreichende Polarität.

Oberflächenvorbehandlungen erweitern das Prozessfenster. So haben „unbehandelte“ Polyolefine Oberflächenenergien im Bereich von 29-31 dyn/cm. Für Lackierprozesse benötigen diese Oberflächen je nach Beschichtungschemie, z. B. lösemittelbasiert, wasserbasiert oder UV, Behandlungsniveaus im Bereich von 38-60 dyn/cm. Jedes Vorbehandlungsverfahren ist anwendungsspezifisch und hat mögliche Vorteile, Einschränkungen und Kostenfolgen. Unter bestimmten Umständen können Gasphasen-Oxidationsverfahren nachgelagerte Fertigungsschritte wie das Heißsiegeln nachteilig beeinflussen. Eine gründliche Bewertung vor der Produktionseinführung ist entscheidend.

Haftungsprüfung

Zur Messung von Lackhaftung und Kratzhärte werden zahlreiche Verfahren eingesetzt. Die beschleunigte Alterungsprüfung ist ein Verfahren, das helfen kann, die langfristige Produktleistung vorherzusagen. Der folgende Versuchsaufbau ist ein Beispiel:

• Gruppe 1: fünf (5) Tage, 158 °F, trocken, ohne Luftfeuchtigkeit
• Gruppe 2: fünf (5) Tage, 90 °F, 90 % Luftfeuchtigkeit
• Gruppe 3: Kontrollgruppe, Umgebungsbedingungen

Unmittelbar nach der Prüfung sollte eine Sichtprüfung erfolgen und mit der Kontrollgruppe verglichen werden. Sobald sich die Proben stabilisiert haben, sollten Schälprüfungen nach ASTM D3330 durchgeführt werden. In vielen Anwendungen wird am häufigsten eine 180°-Schälprüfung verwendet. Zu Vergleichszwecken wird zusätzlich ein 90°-Schälversuch empfohlen. Dieser Test kann ein zutreffenderes Bild der Haftungsleistung liefern, auch wenn die Werte niedriger ausfallen können als beim 180°-Schälversuch. Eine Verlängerung der Prüfung von Gruppe 1 von 5 auf 10 Tage würde keine doppelte Feldleistung vorhersagen, da der Zusammenhang nicht linear ist; sie würde jedoch belastbarere Ergebnisse liefern.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group Inc. (TSG). TSG ist ein Technologieunternehmen, das auf die Ingenieurleistung für sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist: Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Laserbeschriftung. Dr. Norman R. Roobol (770-487-9133 oder [email protected]) ist Berater für Industrielackierung mit über 35 Jahren Erfahrung und hat mehrere Bücher verfasst. Weitere Informationen erhalten Sie unter 888-SABREEN oder auf www.sabreen.com.

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