DE102005047710A1

DE102005047710A1 - Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern mit mineralischen Randschichten

Info

Publication number: DE102005047710A1
Application number: DE200510047710
Authority: DE
Inventors: Sandra Kruk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-03-29

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoff mit mineralischem Charakter unter Anwendung einer mit einem Boden versehenen Form (1) beschrieben. Der Formboden wird zumindest teilweise mit einer ersten Schicht (2) aus einem pulverförmigen Mineral belegt, die dann mit wenigstens einer zweiten Schicht (3a) aus einer zähflüssig zubereiteten Mischung bedeckt wird, die ein flüssiges, duro- oder thermoplastisches Kunststoffmaterial, ein Verdickungsmittel und Calciumcarbonatpulver oder Mikroglaskügelchen enthält und vor dem Aufbringen auf die erste Schicht (2) mit einem Härter und einem Beschleuniger versetzt wird. Nach dem Aushärten der Mischung wird die freie Oberfläche der zweiten Schicht (3a) mit einer dritten Schicht (4) aus einem Laminat belegt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern mit mineralischen Randschichten.
Formkörper dieser Art können in zahlreichen Varianten hergestellt und angewendet werden, beispielsweise in Form von Brunnenauskleidungen, Aquarienwänden, Kanälen für Wasserläufe, dekorativen Platten zur optischen Gestaltung von Hauswänden od. dgl. sowie Kunststeinen wie z. B. Felsen oder Findlingen.

Bekannte Formkörper dieser Art werden dadurch hergestellt, dass der Boden einer Form mit einer ersten Schicht aus einem vergleichsweise grobporigen Sand belegt und diese Schicht dann mit einer Mischung aus einem ungesättigten Polyester (UP), einem Härter und einem Beschleuniger bedeckt wird. Nach dem Aushärten wird auf die Rückseite der Polyesterschicht eine Laminatschicht aufgebracht, um einen mechanisch stabilen Formkörper zu erhalten. Nach der Fertigstellung der Laminatschicht erfolgt die Entformung und ggf. das Zusammensetzen von wenigstens zwei Formkörpern zu einem Hohlkörper wie z.B. einem Stein oder einer Figur.

Die am Boden der Form gebildete Randschicht des Formkörpers besteht überwiegend aus dem grobporigen, an die Oberfläche grenzenden und dieser einen mineralischen Charakter gebenden Sand und zum Teil aus Polyesterharz, das in flüssigem Zustand aufgebracht wird, teilweise durch die Sandkörner hindurch bis an die Oberfläche gelangt und für eine lose Einbindung der Sandkörner sorgt. Dadurch ergeben sich mehrere Probleme. Zunächst sind die Formkörper bzw. ihre den mineralischen Charakter prägenden Oberflächen nicht ausreichend stabil gegen Feuchtigkeit und ultraviolette Strahlung. Durch Ablösung des nur lose in die Randschicht eingebundenen Sandes nimmt die Oberfläche mit der Zeit eine unschöne, graue Färbung an. Auch die Abriebfestigkeit derartiger Formkörper ist gering, weshalb ihre Reinigung insbesondere bei Anwendung von mechanischen Hilfsmitteln wie z. B. Dampfstrahlgeräten od. dgl. zu einer schnellen Zerstörung der mineralischen Oberfläche bzw. des mineralischen Charakters führt. Schließlich können wegen der Anwendung von grobporigem Sand keine feinen Oberflächenstrukturen hergestellt werden. Die Böden der Formen müssen vielmehr vergleichsweise glatt ausgebildet sein, damit es keine Probleme bei der Entformung gibt.

Insgesamt ist das beschriebene und bekannte Verfahren daher nur bedingt zur Herstellung von Steinimitaten bzw. von Formkörpern mit mineralischem Charakter geeignet, obwohl hierfür angesichts der eingangs bezeichneten Anwendungsmöglichkeiten ein hoher Bedarf besteht.

Ausgehend davon besteht das technische Problem der vorliegenden Erfindung darin, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die den mineralischen Charakter der Formkörper ausmachenden Oberflächen UV-stabiler, abriebfester und unempfindlicher gegenüber Feuchtigkeit sind sowie wahlweise glatt ausgebildet oder in vielfältiger Weise strukturiert werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass aufgrund von vor der Aushärtung des Kunststoffmaterials ablaufenden, chemischen Reaktionen eine an den Boden der Form grenzende Randschicht entsteht, in der das Kunststoffmaterial und das Calciumcarbonat bzw. die Mikrokügelchen innig mit dem vorher aufgebrachten Mineral vermischt sind. Dadurch werden die Mineralkörnchen fest in die Randschicht eingebunden mit der Folge, dass die sichtbare Oberfläche feuchtigkeitsstabil, UV-beständig und abriebfest ist. Je nach Feinkörnigkeit der verwendeten Materialien lassen sich außerdem zahlreiche Oberflächenstrukturen herstellen, wobei durch Wahl der Mineralien und/oder zugegebener Färbmittel od. dgl. an sich beliebige Farb- und Marmorierungseffekte erzielbar sind.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen
1 schematisch die Herstellung eines Formkörpers mit einer rauhen Oberfläche und
2 schematisch die Herstellung eines Formkörpers mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Form 1 verwendet, deren formgebender Boden gemäß 1 eine strukturierte, zerklüftete Oberfläche 1a und gemäß 2 eine glatte Oberfläche 1b aufweist. Die Oberflächen 1a, 1b stellen Negative derjenigen Oberflächen des herzustellenden Formkörpers dar, die einen mineralischen Charakter haben und einen Naturstein od. dgl. vortäuschen sollen. Die Form 1 besteht im Fall der 1 vorzugsweise aus einem Kunststoff-Bauteil, das z. B. aus Polyurethan hergestellt ist und dessen Innenseite bei Bedarf mit einer auf Siliconbasis hergestellten Schicht ausgekleidet wird, die auf ihrer freien, den Boden 1a bildenden Oberseite die gewünschte Struktur aufweist. Dagegen wird die Form 1 nach 2 zweckmäßig aus einem Metall oder einem Kunststoff mit einer durchgehend glatten, den Boden 1b bildenden Oberfläche hergestellt.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formkörpers gemäß 1 oder 2 wird auf die Oberfläche 1a, 1b des Formbodens zunächst eine erste Schicht 2 aus einem pulverförmigen Mineral aufgebracht. Die Wahl des Minerals ist entscheidend dafür, wie gut die angestrebte Imitation eines Natursteins bzw. der mineralische Charakter der Oberflächen-Randschicht des fertigten Produkts ausfällt. Als Mineralien können beispielsweise Sand, Schiefer oder Granit mit rauher oder glatter Oberfläche verwendet werden. Die Angabe "pulverförmig" bedeutet dabei, dass das Mineral vorzugsweise eine Korngröße zwischen 0,01 mm und 1 mm besitzt, wobei auch vorgewählte Kornabstufungen möglich sind. Außerdem können verschiedene Mineralien miteinander vermischt werden, um z. B. ein Mineralpulver mit einer roten, braunen, grünen oder sonstigen gewünschten Färbung und ggf. mit einer vorgewählten Marmorierung zu erhalten.
Die erste Schicht 2 wird vorzugsweise manuell und ein- oder mehrlagig mit einer Schichtdicke von vorzugsweise 0,1 mm bis 2 mm auf die Oberfläche 1a, 1b aufgebracht und gleich- oder zur Erzielung besonderer Strukturierungen ungleichförmig auf dieser verteilt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird als zweite Schicht 3a, 3b eine Kunststoffschicht in Form einer Reaktionsharzmischung aufgebracht. Diese Mischung wird zuvor dadurch hergestellt, dass ein flüssiges, duro- oder duroplastisches Kunststoffmaterial, z. B. ein ungesättigter Polyester (UP), mit einem vorzugsweise feinen, staubförmigen Kieselsäurepulver vermischt wird. Diesem Gemisch wird im Falle der rauhen Oberfläche 1a ein feines Calciumcarbonatpulver CaCO₃ zugesetzt. Im Falle der glatten Oberfläche 1b werden dem Gemisch aus UP und Kieselsäure dagegen Mikroglaskügelchen, sog. Ballotiniskügelchen beigegeben. Bei Bedarf kann dem Gemisch außerdem eine geringe Menge eines Färbmittels wie z. B. Titandioxid zugesetzt werden, wenn bestimmte Farbeffekte erwünscht sind. Das so erhaltene Gemisch wird gleichförmig vermengt und so angesetzt, dass eine insgesamt zähflüssige Mischung erhalten wird.
Zur weiteren Herstellung eines erfindungsgemäßen Formkörpers wird die beschriebene Mischung in Form der zweiten Schicht 3a oder 3b auf die erste Schicht 2 aufgebracht, indem sie je nach Fall mit einem Pinsel aufgestrichen oder mit einer Spritzpistole aufgespritzt wird, bis sie eine Dicke von z. B. 2 mm bis 4 mm aufweist. Hierzu werden der Mischung oder einem portionierten Anteil davon kurz vor dem Aufbringen auf die erste Schicht 2 noch ein Reaktionshärter und ein Reaktionsbeschleuniger zugegeben. Die Mengen des Härters und Beschleunigers werden dabei zweckmäßig in Abhängigkeit von der Größe des herzustellenden Formkörpers so gewählt, dass die Mischung gut auf der ersten Schicht 2 verteilt werden kann, bevor sie aushärtet. Je größer die aufzubringende Menge der Mischung ist, um so mehr Härter und Beschleuniger sollten ihr zugesetzt werden. Als Härter und Beschleuniger können in der Kunststofftechnik (z. B. im Karosseriebau od. dgl.) in Verbindung mit Reaktionsharzen übliche Reaktionsmittel verwendet werden. Im Falle von UP eignen sich z. B. Kobalt- oder Aminbeschleuniger in Verbindung mit Peroxidhärtern wie z. B. Methylketonperoxid. Dabei wird die Mischung möglichst intensiv gemischt, um ein vorzeitiges Absinken des CaCO₃ bzw. der Ballotinikügelchen zu vermeiden. Zur Vermeidung durchsichtiger Kanten am Formkörper kann es auch zweckmäßig sein, zwei oder mehr derartige Schichten nacheinander aufzubringen.
Wenn die Mischung auf die in der Form befindliche erste Schicht 2 aufgestrichen oder aufgespritzt wird, setzt die übliche exotherme Reaktion ein. Dabei sinken das CaCO₃ bzw. die Mikroglaskügelchen erfindungsgemäß in wenigen Minuten in der Mischung nach unten, wodurch sich insbesondere die Polyester- und CaCO₃- bzw. Ballotinis-Anteile längs der gesamten Oberfläche 1a, 1b mit den zuvor aufgebrachten Mineralteilchen vermischen und die Lücken zwischen diesen durchdringen.
Die aufgebrachte Mischung wird nun z. B. zehn bis dreißig Minuten lang der Aushärtung überlassen. Es entsteht dadurch ein fester Verbund zwischen dem Mineral und der Mischung. Als Folge davon bildet sich auf der Oberfläche 1a, 1b des Formbodens eine Randschicht aus, innerhalb von der die Mineralkörner fest in die Mischung eingebunden sind.
Im Anschluss daran wird die freie Oberfläche der zweiten Schicht 3a, 3b mit einer dritten Schicht 4 aus einem Laminat belegt. Dieses Laminat dient als Trägermaterial zur mechanischen Stabilisierung des fertigen Formkörpers und wird zweckmäßig aus Glasfasergeweben od. dgl. und Polyesterharz oder irgendeinem anderen in der Technik bekannten Laminierharz hergestellt. Das Laminat wird zweckmäßig manuell und schichtweise aus mit Harz getränkten Trägerstoffen aufgebracht. Als geeignet haben sich für die Zwecke der Erfindung insbesondere Laminate erwiesen, die 40 Gew.% bis 60 Gew.% Polyesterharz und als Rest Glasfasergewebe enthalten. Alternativ ist auch die Ausbildung eines Spritzlaminats möglich.
Abschließend wird der erhaltene Formkörper entformt.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Form- bzw. Schichtenkörper bringen den Vorteil mit sich, dass die Mineralien nicht wie bisher eine im wesentlichen vor der Kunststoffschicht angeordnete Zone bilden, sondern innerhalb einer an die Sichtfläche grenzenden Randschicht fest in die Kunststoffschicht eingebunden sind. Daher sind die sichtbaren Flächen des Formkörpers widerstandsfähig gegen Wasser und Chemikalien (z. B. Chlor), UV-stabil und damit farbecht sowie insbesondere abriebfest, auch gegenüber Bürsten, Dampfstrahlen oder andere mechanische Behandlungen. Vorteilhaft ist auch die anhaltend gute Colorierung aufgrund der eingestellten Mineralmischung und die Möglichkeit, mit Hilfe von Formböden mit an sich beliebigen Strukturen rauhe und/oder strukturierte Oberflächen herzustellen, die durch die ebenfalls in die Randschicht eingebundenen Calciumcarbonatanteile oder die Mikrokügelchen (Ballotini) ebenfals eine gute Halbbarkeit besitzen. Wegen der Feinheiten der verwendeten Materialien ergeben sich außerdem keine Entformungsprobleme.
Beispiel 1
Es werden 10 kg flüssiges UP-Polyesterharz mit 3000 ml einer hochdispersen (staubförmigen), pyrogenen Kieselsäure, wie sie z. B. unter der Marke "Aerosil" auf dem Markt erhältlich ist, und 2 kg eines pulverförmigen, sehr fein gemahlenen Calciumcar bonats zu einer leicht- bis zähflüssigen Masse vermengt. Die Kieselsäure wirkt als Verdickungsmittel und ist in dieser Variante ein weißes Pulver mit einem sehr hohen SiO₂-Gehalt (mehr als 90 %). Außerdem werden der Mischung 100 g Titandioxid zugegeben.
Als Form wird ein schalenförmiger Kunststoffkörper verwendet, dessen Innenwand mit einer formgebenden Siliconschicht verkleidet wird. Die Siliconschicht wird z. B. dadurch hergestellt, dass in zähflüssigem Zustand befindliches Silicon in mehreren Lagen auf ein vorbereitetes Modell aufgestrichen, aushärten gelassen und dann als flexible Schicht abgezogen wird. Die Innenfläche der Siliconschicht wird auf den Schalenboden der Form aufgelegt und bildet dann die eigentliche Negativform des herzustellenden Formkörpers. Die Siliconschicht weist zumindest im Bodenbereich eine rauhe, zerklüftete, strukturierte Innenfläche auf.
Der Boden der Form wird nun mit einem feinkörnigen Granitstein (Korngröße ca. 0,03 mm) belegt und mit einer Schichtdicke von 1 mm mehr oder weniger gleichförmig verteilt. Im Anschluss daran wird eine für eine zumindest teilweise Füllung der vorbereiteten Form 1 ausreichende Portion der Mischung mit einer abgemessenen Menge Methylketonperoxid als Härter und eines Kobaltbeschleunigers als Reaktionsbeschleuniger vermengt, gut durchmischt, dann durch Streichen ein- oder mehrlagig in die Form eingebracht und dabei gleichförmig auf der ersten Schicht 2 aus Mineralpulver ausgebreitet. Es setzt dadurch in der Form eine chemische Reaktion ein, während welcher das CaCO₃ in der beschriebenen Weise absinkt und zusammen mit einer geringen Menge Polyesterharz in die Zwischenräume zwischen den Mineralkörnern eindringt. Bei der nachfolgenden Aushärtung der Mischung bilden daher das Mineralpulver, das Calciumcarbonat und das Polyesterharz eine Randschicht, in der die Mineralkörner fest und dauerhaft in das übrige Material eingebunden sind, anstatt wie bisher lediglich eine im wesentlichen vor der Kunststoffmasse stehende Zone zu bilden.
Nach einer Aushärtungszeit von z. B. 10 min bis 30 min, die von der zugegebenen Menge an Härter und Beschleuniger abhängt, wird die freie Rückseite des Form- bzw. Schichtkörpers in der beschriebenen Weise zusätzlich laminiert, um diesem die beim Gebrauch erforderliche mechanische Stabilität zu geben. Anschließend erfolgt die Entformung des hergestellten Formkörpers.
Die zuvor dem Boden der Form zugewandte Oberfläche des Formkörpers hat einen täuschend echten Granitstein-Charakter.
Beispiel 2
Es wird im wesentlichen wie im Beispiel 1 vorgegangen. Allerdings wird ein Formkörper mit einer glatten Oberfläche bzw. Sichtseite angestrebt, weshalb eine Metallform mit einem Boden verwendet wird, der entsprechend 2 eine glatte Oberfläche 1b aufweist. Der Boden dieser Form 1 wird mehr oder weniger gleichförmig mit einer ersten Schicht 2 aus Schieferpulver bedeckt, das eine Korngröße von weniger als 0,01 mm aufweist.
Die auf die Mineralschicht aufzubringende Kunstharzschicht unterscheidet sich von der nach Beispiel 1 nur dadurch, dass anstelle von CaCO₃ hier 1000 g Ballotinis-Kügelchen zugegeben werden. Hierbei handelt es sich um hohle Mikroglaskügelchen (Durchmesser z. B. 1/100 mm), die u. a. von der Fa. Ballotini (Frankreich) hergestellt und vertrieben werden.
Die Mischung wird nach dem Einbringen des Härters und Beschleunigers auf die zuvor auf den Formboden aufgelegte Mineralschicht aufgebracht. Um zu vermeiden, dass dabei der feine Mineralstaub von der glatten Oberfläche 1b des Formbodens weggeblasen oder weggewischt wird, erfolgt der Auftrag vorzugsweise manuell und mit der erforderlichen Sorgfalt, z. B. mit einem Pinsel.
Die Ballotinis-Mikroglaskügelchen dienen in diesem Beispiel dem Zweck, beim Aushärten des Polyestersharzes dessen Schrumpfung zu vermeiden oder wenigstens stark zu reduzieren. Die Glaskügelchen reduzieren die Oberflächenspannung und verhindern ein Ablösen des Materials von der Formoberfläche. Die Einbindung des Mineralpulvers in die Randschicht des Formkörpers ist dennoch ähnlich fest wie im Beispiel 1.
Nach der Entformung wird ein Formkörper erhalten, dessen sichtbare Oberfläche gleichförmig glatt ist, keine Risse oder sonstigen Imperfektionen aufweist und täuschend echt eine Schieferplatte nachahmt.
Ist es erwünscht, dass die sichtbare Oberfläche des Formkörpers ein perlmuttartiges Aussehen hat, kann dem Mineralpulver ein feingemahlener Glimmer, in besondere in Form von Muscovit, zugesetzt werden. Die durchsichtigen bis durchscheinenden Glimmerblättchen geben der Oberfläche einen besonderen Glanz.
Die Erfindung ist auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Beispielsweise wäre es möglich, anstelle eines Duroplasts ein thermoplastisches Kunststoffmaterial zu verwenden und dieses im erwärmten und verflüssigten Zustand z. B. durch Gießen auf die erste Schicht 2 aufzubringen. Weiter können andere Duroplaste wie z. B. Epoxidharze und anstelle der Kieselsäure (Aerosil) auch andere in der Kunststofftechnik bekannte Verdickungsmittel verwendet werden. Kieselsäurepulver hat sich allerdings als am besten erwiesen, weil es eine gute Einstellung der Viskosität der Mischung und dadurch der Sinkgeschwindigkeit der CaCO₃-Körner bzw. Mikrokügelchen nach dem Aufbringen der Kunstharzmischung auf die erste Schicht 2 und damit eine einfache Steuerung der Eigenschaften innerhalb der die Mineralien enthaltenden Randschicht ermöglicht. Außerdem wurden die Mengenangaben, Korngrößen und Schichtdicken nur als bevorzugte Beispiele erwähnt, von denen in Abhängigkeit vom Einzelfall auch abgewichen werden kann. Abgesehen davon können durch Versuche leicht mögliche Alternativen dafür ermittelt werden. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoff mit mineralischem Charakter unter Anwendung einer mit einem Boden versehenen Form (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Formboden zumindest teilweise mit einer ersten Schicht (2) aus einem pulverförmigen Mineral belegt wird, die erste Schicht (2) dann mit wenigstens einer zweiten Schicht (3a, 3b) aus einer zähflüssig zubereiteten Mischung bedeckt wird, die ein flüssiges, duro- oder thermoplastisches Kunststoffmaterial, ein Verdickungsmittel und Calciumcarbonatpulver oder Mikroglaskügelchen enthält und vor dem Aufbringen auf die erste Schicht (2) mit einem Härter und einem Beschleuniger versetzt wird, die Mischung nach dem Aufbringen auf die erste Schicht (2) der Aushärtung überlassen wird, die freie Oberfläche der zweiten Schicht (3a, 3b) mit einer dritten Schicht (4) aus einem Laminat belegt wird und die dadurch erhaltenen Formkörper entformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Duroplast ein ungesättigtes Polyesterharz (UP) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdickungsmittel eine hochdisperse (pyrogene) Kieselsäure verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung ein Färbmittel zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschleuniger ein Kobalt- oder Aminbeschleuniger verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Härter ein Peroxidhärter verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung durch Streichen, Spritzen oder Gießen aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminatschicht (4) aus Polyesterharz und Glasfasergeweben gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung Glimmerblättchen zugesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulverförmiges Mineral mit einer Korngröße 0,01 mm bis 1 mm verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2) mit einer Dicke von 0,1 mm bis 2 mm aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Formkörpern mit rauher Oberfläche die Innenseite der Form mit einer auf Siliconbasis hergestellten Schicht ausgekleidet wird.