"Gewusst wie" - Kunststoffe richtig lackieren Helga Stegen

SCHWERPUNKT: KUNSTSTOFF BESCHICHTEN
Gewusst wie
Kunststoffe richtig lackieren
Helga Stegen, Wuppertal
Kunststoffe bestehen meistens aus mehreren Polymeren und
enthalten Additive und Füllstoffe. Deshalb ist bei der Auswahl
des Lacksystems große Sorgfalt notwendig. Aber auch die Vorbehandlung besitzt einen großen Einfluss auf die Güte des
lackierten Kunststoffteils.
Kunststoff richtig lackieren bedeutet: Die
lackierten Teile müssen gut aussehen, die
Spezifikations- und Praxisanforderungen
müssen erfüllt werden, der Preis für die
Lackierung muss bezahlbar sein und die
gesetzlichen Auflagen bezüglich der Umweltbelastungen müssen eingehalten
werden.
In der Automobilindustrie werden
Kunststoffe aus den verschiedensten
Gründen lackiert. Die Optik, die Haptik
und die chemischen sowie mechanischen
Eigenschaften sollen verbessert werden.
Unlackierte Kunststoffe im Außenbereich, wie Stoßfänger, Rammschutzleisten und Außenspiegel kommen in der
deutschen Automobilindustrie praktisch
nicht mehr vor.
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Verbundsystem Kunststoff
Lackierte Kunststoffe sind als ein Verbundsystem anzusehen; Lack und Kunststoff beeinflussen sich gegenseitig. Geeignete Lacke, in der Regel speziell für die
Kunststofflackierung entwickelte Lacke,
vermindern das Risiko des mechanischen
und thermischen Versagens.
Doch nicht nur bei der Auswahl des
Lacksystems ist Sorgfalt notwendig, auch
der Kunststoff, der Herstellungsprozess
und die Vorbehandlung des Kunststoffteils haben entscheidenden Einfluss auf
die Güte des lackierten Bauteils und auf
dessen Funktionsfähigkeit (Bild 1). Die
am häufigsten eingesetzten Kunststoffe
(Bild 2) für lackierte Anbau- oder Karos-
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serieteile sind Thermoplaste (beispielsweise modifiziertes PP für Stoßfänger),
Duroplaste wie SMC/BMC für Hecktüren
und Kofferraumdeckel sowie Elastomere
(beispielweise RRIM für Stoßfänger,
Schweller und Kotflügel).
Diese Auflistung zeigt, dass die heutigen Kunststoffe selten aus nur einer
Komponente bestehen, sondern vielmehr
Blends aus mehreren Polymeren sind, um
das jeweilige Eigenschaftsniveau zu erfüllen. Außerdem enthalten diese Blends
Additive und Füllstoffe. Additive gewährleisten eine sichere Verarbeitung und
Anwendung sowie ein entsprechendes
Aussehen. Gebräuchliche Additive sind
Trennmittel, Lichtschutzmittel, Treibmittel und Antistatika. Migrierende Additive
können bei lackierten Kunststoffteilen
unter Umständen zu Verfärbungen, Benetzungs- und Haftungsproblemen führen (Bild 3).
Füllstoffe hatten ursprünglich die
Aufgabe, ein Produkt zu verbilligen, bis
es gelang, mit ausgesuchten Füll- beziehungsweise Verstärkungsstoffen die physikalischen Eigenschaften gezielt zu verändern.
Faserverstärkte Kunststoffe
Eine herausragende Stellung nehmen die
faserförmigen Verstärkungsstoffe ein. Bei
den faserförmigen Verstärkungsmaterialien werden zwei Gruppen unterschieden:
die preislich günstigeren Textilglasfasern
und Mineralfasern sowie die hochwertigeren und teureren Kohlenstoff- und
27
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Bild 1. Die Qualität
von lackierten
Kunststoffteilen wird
von vielen Faktoren
beeinflusst
Aramidfasern. Durch das Einbetten der
Verstärkungsmaterialien in die Polymermatrix werden vor allem die mechanischen und thermischen Eigenschaften
des Grundmaterials verbessert.
Eine höhere Wärmeformbeständigkeit
und eine geringere thermische Längenausdehnung werden häufig nur mit
Verstärkungsmaterialien erreicht, während die Schlag- und Kerbschlagzähigkeit
ohne entsprechende Korrekturmaßnahmen in den meisten Fällen reduziert werden. Dieser Nachteil kann durch die Zugabe elastifizierender Komponenten, wie
Elastomere, wieder ausgeglichen werden.
Beim Lackieren von verstärkten
Kunststoffen können zusätzliche Schwierigkeiten auftreten. Organische Kunststoffe und anorganische Glasfasern verfügen über unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten. Es kann zu
Schrumpfeffekten kommen. Solange in
den Oberflächen ungerichtete Kurzglasfasern, wie in PA-GF oder R-RIM, enthalten sind, kann das menschliche Auge
keine Orientierung erkennen und deutet
den optischen Effekt als Unruhe oder
Mikrorauigkeit.
Faserverstärkte Kunststoffe zeigen
nach dem Lackieren häufig schlechtere
Oberflächen im Vergleich zu nicht faserverstärkten Kunststoffen. Die von der
Automobilindustrie für Karosserie-Außenteile geforderte erstklassige Oberflächenqualität, die „Appearance“, wird
nicht oder nicht ausreichend erreicht.
Das heißt, die Mikrostruktur, die
durch die Verstärkung mittels ungerichteter Kurzglasfasern hervorgerufen wird,
wird durch das anschließende Lackierverfahren oft nur unzureichend abgedeckt
und bleibt als Kurzwelligkeit (Wave Scan)
sichtbar. Langglasfasern oder Glasgewebe
führen zu Orientierungen der Fasern und
sind als Muster deutlich sichtbar.
Die Haftfestigkeit
ist entscheidend
Der übliche Lackaufbau für Kunststoffanbauteile besteht aus Primern, den farbgebenden Basislacken und Zweikomponen-
Bild 2. Wichtige Kunststofftypen im Karosserieaußenbereich
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ten-Klarlacken. Primer und Basislacke
sind heute zunehmend wasserverdünnbar. Die Klarlacke sind fast ausnahmslos
zweikomponentige Polyurethan-Klarlacke, konventionell in organischen Lösemitteln gelöst. Wässrige, zweikomponentige Klarlacke werden zwar häufig beschrieben und untersucht, aber ein Großserieneinsatz ist bisher bei der Kunststofflackierung nicht realisiert worden.
Beim Lackieren der unterschiedlichen
Substrate ist neben der Vorbehandlung
die Auswahl der richtigen Primer für die
Lackhaftung entscheidend. Primer werden kunststoff- und anwendungsspezifisch entwickelt. Auf Grund der eingeschränkten Wärmeformbeständigkeit der
meisten Thermoplaste werden hauptsächlich Zweikomponenten-Systeme eingesetzt.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass
die Kunststoffe für Automobilanbau- oder
Karosserieteile in der Regel nicht leitfähig
sind und für eine elektrostatische Applikation üblicherweise mit leitfähigen
Grundierungen beschichtet werden müssen. Die Hauptvorteile der elektrostatischen Applikation sind der hohe Auftragswirkungsgrad und das größere Automatisierungspotenzial.
Die Voraussetzung für eine gute Lackhaftung ist eine möglichst vollständige
Benetzung der Oberfläche. Je polarer die
Oberfläche ist, desto größer ist die freie
Oberflächenenergie, die Oberflächenspannung, und desto eher ist eine ausreichende Haftung eines Lacksystems auf
der Kunststoffoberfläche zu erwarten.
Physikalisch gesehen, ist eine vollständige Benetzung dann gegeben, wenn die
Oberflächenspannung des Lacks kleiner
ist als die der zu benetzenden Oberfläche
des Kunststoffteils.
Trotzdem kann es auch bei einer vollständigen Benetzung zu gravierenden
Haftungsstörungen kommen. Der Grund
hierfür ist, dass die Benetzung zwar die
Voraussetzung für die Haftung, nicht aber
die Ursache ist. In der Praxis ist die Haftfestigkeit einer Lackierung dann gegeben, wenn die Spezifikationsanforderungen des Endabnehmers, in der Regel der
Automobilindustrie, erfüllt werden und
es zu keinen Feldreklamationen bezüglich der Enthaftung kommt.
Zu den üblichen Haftungsprüfungen
sind die Gitterschnittprüfung, unterschiedliche Kratzproben, Steinschlagund Dampfstrahlprüfungen zu zählen,
wobei diese Prüfungen je nach Endab-
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nehmer nach unterschiedlichen Bedingungen, unter anderem nach vorheriger
Feuchtwarmbelastung, Temperaturbelastung und Bewitterung, durchgeführt werden müssen. Bei einigen Kunststoffen
kann die Zugabe von organischen Lösemitteln, die eine Anquellung bewirken,
die Haftung unterstützen. Dabei darf es
zu keiner Schädigung des Kunststoffs
kommen. Bei Thermoplasten kann es
durch Lösemitteleinwirkung zu einer
Spannungsrisskorrosion kommen.
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Bild 3. Optische
und haftungstechnische
Probleme bei
Lacken auf
Kunststoffen
können viele
Ursachen haben
Haftungsprobleme
ausschließen
Im Allgemeinen begünstigt eine chemische Verwandtschaft zwischen dem
Kunststoff und dem Lack die Haftung.
Sucht man beispielsweise nach Rohstoffen für das Lackieren von Polyurethan, so
hat man eine große Palette geeigneter
Bindemittel zur Verfügung. Schwierig
wird es, wenn man nach polyolefinischen
Bindemitteln für das Lackieren von modifizierten Polypropylen sucht. Da ist die
Auswahl sehr begrenzt. Sie beschränkt
sich im Wesentlichen auf die chlorierten
Polyolefine. Mit chlorierten Polyolefinen
kann man jedoch nicht auf allen modifizierten Polypropylentypen eine ausreichende Haftung erzielen.
Beim Ändern der Kunststofftype kann
es bei gleichbleibender Grundierung zu
einem Haftungsverlust kommen. Selbst
einwandfreie Haftungsergebnisse auf
Versuchsplatten müssen unbedingt auf
Formteilen aus dem Originalwerkzeug
überprüft werden, da auch Spritzgussbe-
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dingungen und die eventuelle Zugabe von
weiteren Additiven über Haftung oder
Nichthaftung entscheiden können.
Anfänglich wurde die Haftungsproblematik mit stark lösemittelhaltigen chlorierten Polyolefinen (Haftvermittler) gelöst. Die frühen CPO-Primer enthielten
im verarbeitungsfertigem Zustand etwa
95 Prozent organische Lösemittel (in den
USA und Japan gelöst in Toluol, in Europa
gelöst in Xylol) und wurden mit 1 bis
3 µm Trockenfilmdicke aufgebracht. Die
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nachfolgenden Entwicklungen gingen in
zwei Hauptrichtungen:
■ Das Reduzieren der Lösemittelemissionen und das Erhöhen der Trockenfilmdicken bei CPO-haltigen Primern
durch Kombination mit anderen, besser pigmentierbaren Bindemitteln,
■ Entwicklung und Optimierung von
Vorbehandlungsmethoden, die haftungsfördernde Primer überflüssig
machen.
Hier sind auch wasserverdünnbare Primer einsetzbar. Leider kann man dem
lackierten Kunststoffteil nicht ansehen,
ob die Lackhaftung ausreichend gut ist.
Eine Aussage hierzu ist nur mit einer zerstörenden Haftungsprüfung möglich. Die
geprüften Teile sind dann nicht mehr verkaufsfähig.
Fazit
Bei der Auswahl der Lacksysteme ist
nicht nur auf eine ausreichende Haftung
zum Substrat zu achten, sondern es darf
auch kein Kohäsionsversagen innerhalb
Metallic-Lackierung in einem Arbeitsgang
Ein Metallic-Pulverlack, der in einem Arbeitsgang aufgetragen
wird, verspricht Kosteneinsparungen. Der Lack kann in Standardanlagen im konventionellen elektrostatischen Applikationsverfahren auf alle metallischen Untergründe appliziert
werden.
Mit „Delta Mono Metallic Pluss“ stellt
Dörken einen Pulverlack vor, mit dem
metallische Effekte in einem Arbeitsgang
erzielt werden können. Laut Hersteller
zeichnet sich die Beschichtung durch eine
hohe Oberflächengüte, gute Gleiteffekte
und Kratzbeständigkeit aus. Das Material
eignet sich besonders für das Veredeln
von Küchenanbauteilen, Möbelbeschlägen oder die stark beanspruchten Führungen von Schubladenauszügen.
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Viele dieser Teile wurden bisher auf
Grund der hohen mechanischen Belastungen zweischichtig lackiert. Der Metallic-Lack kann in Standardanlagen im
konventionellen elektrostatischen Applikationsverfahren auf alle metallischen
Untergründe appliziert werden. Er wird
je nach Objekt 5 bis 15 min lang bei einer
Temperatur zwischen 180 und 200 °C eingebrannt. Er steht in 19 Gold- und Silbernuancen sowie in verschiedenen Glanzgraden zur Verfügung, darunter auch mit
Chrom- und Eloxal-Effekten. Darüber hinaus werden auch spezielle Farbtonwünsche erfüllt.
In mehr als einem Jahr Entwicklungsarbeit ist es gelungen sowohl die
erforderlichen optischen als auch
mechanischen Ansprüche zu erfüllen.
Beim Herstellungsprozess wird bewusst
vom klassischen Bonding abgewichen.
Der Markteinführung gingen Testreihen
voraus, in denen vor allem die Oberflächengüte der beschichteten Teile
begutachtet wurde. Die ersten Praxistests im Alltagseinsatz hat das Material
laut Dörken bereits mit Erfolg bestanden.
des Lacksystems auftreten. Werden beispielsweise Mischaufbauten mit Materialien verschiedener Lackhersteller eingesetzt, muss dieses durch entsprechende
Prüfungen abgesichert werden.
Lackierte Kunststoffteile sind Verbundsysteme. Änderungen im Kunststoff,
im Herstellungsverfahren, in der Vorbehandlung, im Lackierverfahren und im
Lacksystem müssen durch ausreichende
Untersuchungen abgesichert werden.
Die Autorin dieses Beitrags
Frau Helga Stegen ist seit 1979 im Unternehmen DuPont Performance Coatings,
Wuppertal tätig. Sie ist als Laborleiterin
in der Entwicklung von Spritzsystemen
für Kunststoffe in der Automobilindustrie
zuständig.
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Brillant und kratzfest
Der Metallic-Pulverlack steht in 19 Goldsowie Silbernuancen zur Verfügung
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