Detektion migrierfähiger Additive auf Kunststoffsubstraten

In einem aktuellen Forschungsprojekt unter Federführung des Fraunhofer IPA, gemeinsam mit dem FILK Dresden und IPF Freiberg, steht die Aufklärung der Ursachen für die Schwächung der Lackhaftung durch Kunststoffadditive in der obersten Substratschicht im Vordergrund.

Auswahl von Modellsubstraten mit erhöhter Additivmenge und Schichtaufbau. Grafiken: Fraunhofer IPA -

Die durch den Einsatz von Kunststoffen erreichbare Gewichtsreduzierung ist ein wesentlicher Trend im Automobilbau, um Treibstoffverbrauch und CO2-Ausstoß von Fahrzeugen signifikant zu verringern. Insbesondere im Exterieur-Bereich besteht noch Spielraum für weitere Substitution von Metall durch Kunststoff. Beispiele für Anwendungen von Kunststoffen im Fahrzeugbau sind Türverkleidungen, Stoßfänger, Scheinwerfer, Schalter und Griffe, Sitzkomponenten, Armaturen, Fenster, aber auch weniger sichtbare Teile wie Steckverbinder, Batteriegehäuse, Ölwannen, Kraftstoffpumpen, Filtergehäuse oder Kühlwassertanks. Aufgrund der vielfältigen Fertigungsschritte bei Be­schichtungsprozessen auf Kunststoffsubstraten resultieren zahlreiche Fehlermöglichkeiten. Die Suche nach den Auslösern ist eine mühsame, zeitraubende und daher teure Zusatzarbeit. Die Effizienz der Oberflächenaktivierung (Art und Anteil der gebildeten polaren Gruppen, Polarität) steht im Fokus der meisten Untersuchungen zur Beschichtungshaftung auf Polypropylen-Substraten. Der negative Einfluss niedermolekularer Stoffe/Stoffgemische an der Werkstoffoberfläche, z. B. von Kunststoffadditiven, wird dagegen kaum diskutiert, weil davon ausgegangen wird, dass sie bei der Reinigung und Aktivierung weitgehend entfernt werden. In der Kunststoffindustrie werden u. a. Stabilisatoren, Fließhilfsmittel und Formtrennmittel als Additive bezeichnet. Diese Additive sind in Werkstoffen aus Kunststoff notwendig, um die erforderlichen Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften sicherzustellen. Die Additive sind im Kunststoff möglichst homogen verteilt und daher auch an dessen Oberfläche vorhanden. Bei den im Kunststoff migrierfähigen Additiven handelt es sich um niedermolekulare, meist organische Stoffe. In der Regel liegt ein Gemisch unterschiedlicher Stoffklassen (paraffinische Wachse, Fettsäureester und -amide, aromatische Verbindungen) vor. Um die Ursachen für die Schwächung der Lackhaftung durch Kunststoffadditive zu identifizieren, wurden Modellsubstrate mit deutlich erhöhten Mengen des jeweiligen Additivs hergestellt. Diese untersuchten die Experten hinsichtlich ihrer Lackierbarkeit und Haftfestigkeit im für Automotive üblichen Dreischichtaufbau (Grafik 1).

Migration von Additiven

Grafik 2: Oberflächennahe Additivauflagemengen je nach Modellsubstrat.

Grafik 2: Oberflächennahe Additivauflagemengen je nach Modellsubstrat.

Unter Migration von Additiven versteht man die Abgabe von niedermolekularen Inhaltsstoffen aus dem Polymersubstrat in die darüberliegende(n) Lackschicht(en). Möglich ist dies, weil Additive nicht chemisch in die Polymermatrix eingebunden sind, sondern als niedermolekulare Komponenten durch polymere Netzwerke hindurchdiffundieren können. Insbesondere unter Temperatureinwirkung, z.B. bei der Trocknung nach Powerwash-Reinigung, beim Beflammen, bei der Trocknung von Lackschichten oder auch beim anschließenden Temperaturwechseltest, wird die Migrationsneigung von Additiven verstärkt. Wie in Grafik 2 dargestellt, war die oberflächennahe Additivauflagemenge beim Modellsubstrat D mit der erhöhten Menge an Formtrennmittel am höchsten. Die Additivauflagemenge war nach Reinigung und Beflammung sogar etwas höher als im Ausgangszustand. Das Formtrennmittel wurde damit als das kritischste Additiv bzgl. Migration identifiziert. Infrarotspektroskopische Untersuchungen haben zusätzlich gezeigt, dass es durch die Temperatureinwirkung während der Lacktrocknung an die Beschichtungsoberfläche migrieren kann. So kann es massive Benetzungsstörungen sowie vermehrt Enthaftungen nach dem branchenüblichen Haftfestigkeitstest (HDW nach TWT) verursachen. Ähnliche Ausfälle treten bei Anwendern dann auf, wenn versehentlich fehlerhafte Kunststoffchargen mit erhöhten Additivauflagen produziert und ausgeliefert werden. Bei der Ursachenanalyse geraten oft zuerst Reinigungs- und Aktivierungsparameter in den Fokus, obwohl diese gegen ein Additiv mit starker Migrationstendenz wenig ausrichten können. Als Abhilfe kann zur Qualitätssicherung die Additivauflagemenge von Substratchargen erfasst und analysiert werden.

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Zum Netzwerken:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart,
Dr. Michael Hilt, Tel. +49 711 970-3820, michael.hilt@ipa.fraunhofer.de,
Dr. Katharina Weber, Tel. +49 711 970-3831, katharina.weber@ipa.fraunhofer.de,
www.ipa.fraunhofer.de/beschichtung

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