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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elastischen
Kunststoff-Formhaut sowie ein eine solche Kunststoff-Formhaut aufweisendes mehrschichtiges
Bauteil.
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An
Teile der Innenraumverkleidung von Kraftfahrzeugen werden heutzutage
vielfältige Anforderungen gestellt. Eine Instrumententafel
eines Kraftfahrzeugs beispielsweise muss zum einen so stabil ausgeführt
sein, dass ein Zerstören der Instrumententafel in Extremsituationen,
wie beispielsweise einem Unfall, mit dem damit einhergehenden Verletzungsrisiko
für die Fahrzeuginsassen ausgeschlossen ist. Gleichzeitig
muss die Instrumententafel jedoch bei einem Aufprall eines Gegenstands
und insbesondere eines Körperteils eines Fahrzeuginsassen
Energie absorbierend wirken, um das Verletzungsrisiko durch den
Aufprall zu minimieren. Weiterhin werden an Teile der Innenraumverkleidung
hohe Anforderungen hinsichtlich der Optik und Haptik gestellt.
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Um
diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden Teile der Innenraumverkleidung
und insbesondere Instrumententafeln heutzutage regelmäßig
als mehrschichtige Bauteile hergestellt, wobei diese häufig
im so genannten Hinterschäumverfahren produziert werden.
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Hierbei
wird in der Regel eine in optischer und haptischer Hinsicht hochwertige
Oberflächenschicht zusammen mit einem Trägerbauteil,
das die Stabilität des Bauteils sicherstellt und der Befestigung
der Instrumententafel im Innenraum des Automobils dient, in eine
Spritzgussform eingelegt und der Zwischenraum zwischen diesen beiden
Elementen mit einem Kunststoff (häufig einem Polyurethan(PUR)-Schaum)
ausgeschäumt.
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Die
Oberflächenschicht wird häufig als Formhaut bereitgestellt,
d. h. diese weist bereits die Oberflächengeometrie des
späteren Bauteils auf.
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Aus
DE 103 20 341 A1 ist
es bekannt eine Formhaut für ein Interieurbauteil eines
Kraftfahrzeugs durch das Aufsprühen einer Polyurethanverbindung
auf eine offene Sprühform zu erzeugen. Dazu werden zwei
Komponenten der Polyurethanverbindung getrennt einer Sprühvorrichtung
zugeführt und auf die Formoberfläche ausgetragen,
wo diese zu einer kompakten, geschlossenen Polyurethanhaut reagieren.
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Mittels
des aus der
DE 103
20 341 A1 bekannten Verfahrens können auf einfache
Weise Formhäute auch mit komplexen Geometrien gefertigt werden,
wie sie insbesondere auch zur Herstellung von Instrumententafeln
durch das Hinterschäumverfahren benötigt werden.
Hierbei hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass, um
eine für die industrielle Serienfertigung erforderliche
Taktzeit erreichen zu können, der Polyurethansprühstrom
so groß gewählt werden muss, dass ein Verlaufen
des aufgesprühten Reaktionsgemisches vor dem Aushärten nicht
vollständig unterbunden werden kann. Insbesondere in hinterschnittigen
Bereichen und sonstigen Kanten und Winkel können sich dadurch
Masseanhäufungen des Polyurethanwerkstoffs bilden, die
bei der fertigen Instrumententafel als Verhärtungen spürbar
sind.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, eine elastische Kunststoff-Formhaut anzugeben, bei der dieser
Nachteil zumindest lediglich in verminderter Form auftritt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten
Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht vor, eine offene Form mit einem aufschäumenden
Kunststoff zu besprühen, um auf diese Weise eine elastische
Formhaut auszubilden.
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Das
Aufschäumen des Kunststoffs verhindert durch eine Beschleunigung
der Reaktionszeit in Verbindung mit einer Reduzierung der Dichte
und folglich der Verlaufneigung ein übermäßiges
Verlaufen des aufgesprühten Werkstoffs.
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Das
Aufschäumen des Kunststoffs kann auf beliebige Art erfolgen.
Vorzugsweise wird der Kunststoff oder eine Komponente des Kunststoffgemisches
mit einem physikalischen und/oder chemischen Treibmittel, beispielsweise
Kohlendioxid, Stickstoff, verschiedenen FKWs, KWs oder auch mit Additiven
angereichertem Wasser versetzt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Formhaut
aus einem Polyurethan. Hierbei handelt es sich um einen Kunststoff,
der aus der Polyadditionsreaktion eines Polyalkohols mit einem Polyisocyanat
entsteht. Er zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die werkstofftechnischen
Kennwerte insbesondere durch die Wahl des Alkohols bzw. des Isocyanats,
in weiten Bereichen variiert werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zur Herstellung
der Formhaut ein Sprühpolyurethansystem eingesetzt, das
eine Polyolkomponente (A) und eine Isocyanatkomponente (B) enthält,
wobei die Polyolkomponente (A) a1) mindestens eine mit Isocyanat
reaktive Verbindung enthält. Weiter enthält das
Sprühpolyurethansystem, vorzugsweise die Polyolkomponente
A, a2) mindestens einen Reaktivkettenverlängerer mit zumindest zwei
gegenüber Isocyanaten reaktiven Gruppen, wobei zumindest
eine gegenüber Isocyanaten reaktive Gruppe eine freie,
primäre NH2-Gruppe ist, a3) mindestens
einen Metallkatalysator, a4) Treibmittel und a5) gegebenenfalls
weitere Additive. Dabei enthält das Sprühpolyurethansystem
vorzugsweise keinen Aminkatalysator.
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Unter
einem Sprühpolyurethansystem im Sinne der vorliegenden
Erfindung wird ein System, bestehend aus mindestens zwei Komponenten,
verstanden, wobei beim Vermischen der Komponenten und Sprühen
der erhaltenen Reaktionsmischung in eine Form eine Formhaut aus
Polyurethan oder Polyisocyanurat erhalten werden kann. Dabei sind
Sprühpolyurethane reaktiver als Gießpolyurethane,
wodurch es möglich ist, bei Auftreffen des Reaktivsystems
auf die Form ein ortsfestes Produkt zu erhalten.
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Als
mit Isocyanat reaktive Verbindung a1) kann jedes bei der Polyurethanherstellung
verwendbares Polyol eingesetzt werden. Vorzugsweise ist das Polyol
ausgewählt aus Polyetherpolyolen, Polyesterpolyolen, aminfunktionalisierten
Polyolen und Mischungen daraus. Besonders bevorzugt sind Polyetherpolyole.
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Geeignete
Polyetherpolyole können nach bekannten Verfahren, beispielsweise
durch anionische Polymerisation mit Alkalihydroxiden, wie Natrium-
oder Kaliumhydroxid, oder Alkalialkoholaten, wie Natriummethylat,
Natrium- oder Kaliumethylat, oder Kaliumisopropylat als Katalysatoren
und unter Zusatz mindestens eines Startermoleküls, das
2 bis 4 reaktive Wasserstoffato me gebunden enthält, oder durch
kationische Polymerisation mit Lewis-Säuren, wie Antimonpentachlorid,
Borfluorid-Etherat u. a., oder Bleicherde als Katalysatoren aus
einem oder mehreren Alkylenoxiden mit 2 bis 4 Kohlenstoffatomen
im Alkylenrest hergestellt werden.
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Geeignete
Alkylenoxide sind beispielsweise Tetrahydrofuran, 1,3-Propylenoxid,
1,2- bzw. 2,3-Butylenoxid, Styroloxid und vorzugsweise Ethylenoxid und
1,2-Propylenoxid. Die Alkylenoxide können einzeln, alternierend
nacheinander oder als Mischungen verwendet werden.
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Als
Startermoleküle kommen beispielsweise in Betracht: Wasser,
organische Dicarbonsäuren, wie Bernsteinsäure,
Adipinsäure, Phthalsäure und Terephthalsäure,
aliphatische und aromatische, gegebenenfalls N-mono-, N,N- und N,N'-dialkylsubstituierte Diamine
mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylrest, wie gegebenenfalls mono-
und dialkylsubstituiertes Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, 1,3-Propylendiamin,
1,3- bzw. 1,4-Butylendiamin, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5- und 1,6-Hexamethylendiamin, Phenylendiamine,
2,3-, 2,4- und 2,6-Toluylendiamin und 4,4'-, 2,4'- und 2,2'-Diaminodiphenylmethan.
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Als
Startermoleküle kommen ferner in Betracht: Alkanolamine,
wie Ethanolamin, Diethanolamin, N-Methyl- und N-Ethyl-ethanolamin,
N-Methyl- und N-Ethyl-diethanolamin und Triethanolamin und Ammoniak.
Vorzugsweise verwendet werden mehrwertige, insbesondere zwei- bis
achtwertige Alkohole, wie Ethandiol, Propandiol-1,2 und -1,3, Diethylenglykol,
Dipropylenglykol, Butandiol-1,4, Hexandiol-1,6, Glycerin und Trimethylol-propan.
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Die
Polyetherpolyole, vorzugsweise Polyoxypropylen- und Polyoxypropylenpolyoxyethylenpolyole,
besitzen eine gemittelte Funktionalität von 1,5 bis 3,5,
bevorzugt von 1,8 bis 2,5 und insbesondere von 2,0 bis 2,2 und zahlengemit telte
Molekulargewichte von vorzugsweise 1800 bis 10000, besonders bevorzugt
2400 bis 8000 und insbesondere 2500 bis 6000.
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Die
Polyetherpolyole können einzeln oder in Form von Mischungen
verwendet werden. So kann es zweckmäßig sein,
geeignete Mischungen aus Polyetherpolyolen mit zahlengemittelten
Molekulargewichten von 1500 bis 4000, bevorzugt von 1500 bis 3500
und besonders bevorzugt von 1500 bis 3000 und einer Funktionalität
von 2,1 und kleiner, bevorzugt 2,0 und kleiner, und solchen mit
zahlengemittelten Molekulargewichten von 3000 bis 6000 und einer Funktionalität
von 2,2 und größer, bevorzugt von 2,5 und größer,
zu verwenden. Die unterschiedlichen Funktionalitäten werden
dabei bevorzugt durch die Verwendung unterschiedlicher Starter erhalten.
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Als
Polyole eignen sich ferner polymermodifizierte Polyole, vorzugsweise
polymermodifizierte Polyesterole oder Polyetherole, besonders bevorzugt Pfropf-Polyetherole.
Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes Polymerpolyol, welches üblicherweise einen
Gehalt an, bevorzugt thermoplastischen, Polymeren von 5 bis 50 Gew.-%,
bevorzugt 10 bis 45 Gew.-%, besonders bevorzugt 15 bis 25 Gew.-%
und insbesondere 18 bis 22 Gew.-%, aufweist. Diese Polymerpolyesterole
sind beispielsweise in
EP-A-250 351 beschrieben
und werden üblicherweise durch radikalische Polymerisation
von geeigneten olefinischen Monomeren, beispielsweise Styrol, Acrylnitril, Acrylaten
und/oder Acrylamid, in einem als Pfropfgrundlage dienenden Polyesterol
bzw. Polyetherol hergestellt. Die Seitenketten entstehen im allgemeinen
durch Übertragung der Radikale von wachsenden Polymerketten
auf Polyesterole oder Polyetherole. Das Polymer-Polyol enthält
neben dem Propfcopolymerisaten überwiegend die Homopolymere
der Olefine, dispergiert in unverändertem Polyesterol oder
Polyetherol.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform werden als Monomere Acrylnitril,
Styrol, insbesondere ausschließlich Styrol verwendet. Die
Monomere werden gegebenenfalls in Gegenwart weiterer Monomerer,
eines Makromers, eines Moderators und unter Einsatz eines Radikal-Initiators,
meist Azo- oder Peroxidverbindungen, in einem Polyesterol als kontinuierlicher
Phase polymerisiert.
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Während
der radikalischen Polymerisation werden die Makromere mit in die
Copolymerkette eingebaut. Dadurch bilden sich Blockcopolymere mit
einem Polyester- und einem Poly-acrylnitril-styrol-Block, welche
in der Grenzfläche von kontinuierlicher Phase und dispergierter
Phase als Phasenvermittler wirken und das Agglomerieren der Polymerpolyesterolpartikel
unterdrücken. Der Anteil der Makromere beträgt üblicherweise
1 bis 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der zur Herstellung
des Polymerpolyols eingesetzten Monomere.
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Vorzugsweise
ist der Anteil an Polymerpolyol größer als 5 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponente a1). Die Polymerpolyole
können beispielsweise, bezogen auf das Gesamtgewicht der
Komponente a1), in einer Menge von 30 bis 90 Gew.-%, bevorzugt von
55 bis 80 Gew.-% enthalten sein. Besonders bevorzugt handelt es
sich bei dem Polymerpolyol um Polymerpolyesterol oder Polyetherol.
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Als
Reaktivkettenverlängerer a2) werden Substanzen eingesetzt,
die zwei gegenüber Isocyanaten reaktive Gruppen aufweisen,
wobei die Substanzen zumindest eine freie primäre NH2-Gruppe aufweisen und die Polyurethanreaktion
beschleunigen. Die weitere gegenüber Isocyanat reaktive
Gruppe kann beispielsweise ausgewählt sein aus einer primären
Aminogruppe, einer Alkoholgruppe oder einer Thiolgruppe. Als Reaktivkettenverlängerer
(a2) können beispielsweise aliphatische oder aromatische
Amine verwendet werden. Vorzugsweise trägt der Reaktivkettenverlängerer
zum thixotropen Verhalten der Reaktionsmischung bei. Besonders bevorzugte
Reaktivkettenverlängerer sind daher niedermolekulare Diamine,
insbesondere aliphatische Diamine. Dabei enthalten die Reaktivkettenverlängerer im
Rahmen dieser Erfindung zwischen den zwei gegenüber Isocyanaten
reaktiven Gruppen vorzugsweise zumindest zwei Alkylengruppen mit
jeweils einem oder zwei Kohlenstoffatomen, wobei die Alkylengruppen
jeweils von einem Heteroatom getrennt werden. Vorzugsweise ist das
Molekulargewicht des Reaktivkettenverlängerers (a2) zwischen
100 und 400 g/mol, besonders bevorzugt zwischen 100 und 200 g/mol und
insbesondere zwischen 100 und 150 g/mol. Besonders bevorzugt wird
Triethylenglykoldiamin als Reaktivkettenverlängerer eingesetzt.
Der Anteil der Reaktivkettenverlängereran der Polyolkomponente (A)
beträgt vorzugsweise 0,2 bis 4,0 Gew.-%, besonders bevorzugt
0,5 bis 2,0 Gew.-%, bezogen auf die Polyolkomponente (A).
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Neben
den Reaktivkettenverlängerern a2) können gegebenenfalls
auch Reaktiv-Vernetzer eingesetzt werden, die zumindest eine freie
primäre NH2-Gruppe aufweisen, die
Polyurethanreaktion beschleunigen und eine Funktionalität
größer 2 aufweisen.
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Neben
den erfindungsgemäßen Reaktivkettenverlängerern
können weitere übliche Kettenverlängerer
eingesetzt werden. Diese sind beispielsweise Diole, besonders bevorzugt
sind Monoethylenglykol und Butandiol. Besonders bevorzugt werden
im Rahmen der Erfindung Mischungen aus einem erfindungsgemäßen
Reaktivkettenverlängerer und einem Kettenverlängerer,
bestehend aus einem Diol, eingesetzt. Dabei ist das Gewichtsverhältnis
von erfindungsgemäßem Reaktivkettenverlängerer
zu Diol vorzugsweise 1:5 bis 1:50, besonders bevorzugt 1:10 bis
1:15. Besonders bevorzugt werden Mischungen aus 1,4-Butandiol und
Triethylenglykoldiamin eingesetzt.
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Als
Metallkatalysatoren a3) können alle Verbindungen, enthaltend
ein Metallatom, eingesetzt werden, die die Polyurethanreaktion beschleunigen. Solche
Katalysatoren werden beispielsweise im "Kunststoffhandbuch,
Band 7, Polyurethane", Carl Hanser Verlag, 3. Auflage 1993, Kapitel
3.4.1 beschrieben.
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Beispiele
solcher geeigneter Metallkatalysatoren sind zirkonium-, titan-,
zinn-, kalium-, wismut-, zink-, quecksilber- und bleibasierte Katalysatoren, wie
Zinnchlorid, Dibutylzinn, Zinnoxid, Bismuth-Zink-Neodecanoat, Dimethylzinncarboxylate, Zinn-(II)-salze
von organischen Carbonsäuren, z. B. Zinn-(II)-acetat, Zinn-(II)-octoat,
Zinn-(II)-ethylhexoat und Zinn-(II)-laurat und die Dialkylzinn-(IV)-salze
von organischen Carbonsäuren, z. B. Dibutyl-zinndiacetat,
Dibutylzinndilaurat, Dibutylzinn-malest und Dioctylzinn-diacetat,
sowie Bismutcarboxylate, wie Bismut(III)-neodecanoat, Bismut-2-etyhlhexanoat
und Bismut-octanoat oder Mischungen davon. Besonders bevorzugt sind
Bismuth-Zink-Neodecanoat und Dimethylzinncarboxylate.
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Als
Treibmittel a4) können chemisch wirkende Treibmittel und/oder
physikalisch wirkende Verbindungen eingesetzt werden. Unter chemischen Treibmitteln,
wie beispielsweise Wasser oder Ameisensäure, versteht man
Verbindungen, die durch Reaktion mit Isocyanat gasförmige
Produkte bilden. Unter physikalischen Treibmitteln versteht man
Verbindungen, die in den Einsatzstoffen der Polyurethan-Herstellung
gelöst oder emulgiert sind und unter den Bedingungen der
Polyurethanbildung verdampfen. Dabei handelt es sich beispielsweise
um Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, und andere
Verbindungen, wie zum Beispiel perfluorierte Alkane, wie Perfluorhexan,
Fluorchlorkohlenwasserstoffe, und Ether, Ester, Ketone und/oder
Acetale, beispielsweise (cyclo)aliphatische Kohlenwasserstoffe mit
4 bis 8 Kohlenstoffatomen, Fluorkohlenwasserstoffe, wie Solkane® 365 mfc, oder Gase, wie Kohlendioxid.
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Der
Gehalt an physikalischen Treibmitteln a4) liegt in einer bevorzugten
Ausführungsform im Bereich zwischen 1 und 20 Gew.-%, insbesondere
5 und 20 Gew.-%, die Menge an Wasser vorzugsweise im Bereich zwischen
0,5 und 10 Gew.-%, insbesondere 1 und 5 Gew.-%.
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Weiter
enthält die Komponente A eines erfindungsgemäßen
Sprühpolyurethansystems vorzugsweise Additive a5). Diese
umfassen Additive zur Thixotropierung.
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Als
Additive zur Thixotropierung der Reaktionsmischung können
alle bekannten Additive eingesetzt werden, die zur Thixotropierung
beitragen. Vorzugsweise werden Additive verwendet, die die Viskosität
der Polyolkomponente erhöhen. Besonders bevorzugt sind
solche Additive, die sich auch bei längerer Lagerung der
Polyolkomponente nicht absetzen. Insbesondere wird Siliziumdioxidpulver
verwendet. Vorzugsweise hat dieses Pulver eine Oberfläche
von mindestens 100 m2/g, besonders bevorzugt
von mindestens 130 m2/g und insbesondere
von mindestens 150 m2/g
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Wenn
ein Additiv zur Thixotropierung verwendet wird, ist die Menge an
eingesetztem Additiv zur Thixotropierung vorzugsweise größer
0,5 Gewichtsprozent. Besonders bevorzugt ist die Menge an Additiv
zur Thixotropierung in einem Bereich von 0,6 bis 2,5 Gewichtsprozent,
jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Sprühpolyurethansystems.
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Ein
erfindungsgemäßes Sprühpolyurethansystem
kann des weiteren Additive, wie Füllstoffe, Antioxidantien,
Farbstoffe, Pigmente, optische Aufheller und Stabilisatoren gegen
Wärme, Licht, UV-Strahlung, Weichmacher oder oberflächenaktive Substanzen
enthalten. Beispiele für Antioxidantien, Stabilisatoren
gegen Wärme, Licht oder UV-Strahlung sind Stabilisatoren
aus der Gruppe der sterisch gehinderten Phenole, wie zum Beispiel
Cyanox 1790 der Firma Cytec Industries INC, HALS-Stabilisatoren (hindered
amine light stabilizer), Triazine, Benzophenone und der Benzotriazole.
Beispiele für Pigmente und Mattierungsmittel sind Titandioxid,
Magnesiumstearat, Silikonöl, Zinkoxid und Bariumsulfat.
Beispiele für Farbstoffe sind saure Farbstoffe und Dispersionsfarbstoffe.
Diese Additive können der Komponente (A) oder vorzugsweise
einer Komponente (C) zugegeben werden. Werden solche Ad ditive in
einer Komponente (C) zugegeben, enthält die Komponente
(C) vorzugsweise des weiteren ein Löse- oder Dispergiermittel.
Als Löse- oder Dispergiermittel dient vorzugsweise eine
gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindung, besonders bevorzugt
ein Poyetherpolyol.
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Als
Isocyanatkomponente werden vorzugsweise aromatische Isocyanate verwendet.
Vorzugsweise werden aromatische Isocyanate der allgemeinen Formel
R(NCO)z eingesetzt, wobei R ein polyvalenter
organischer Rest ist, der einen Aromaten aufweist, und z eine ganze
Zahl von mindestens 2 ist. Beispiele hierfür sind 4,4'-Diisocyanatobenzol, 1,3-Diisocyanato-o-xylol,
1,3-Diisocyanato-p-xylol, 1,3-Diisocyanato-m-xylol, 2,4-Diisocyanato-1-chlorobenzol,
2,4-Diisocyanato-1-nitro-benzol, 2,5-Diisocyanato-1-nitrobenzol,
m-Phenylendiisocyanat, p-Phenylendiisocyanat, 2,4-Toluoldiisocyanat,
2,6-Toluoldiisocyanat, Mischungen aus 2,4- and 2,6-Toluoldiisocyanat,
1,5-Naphthalindiisocyanat, 1-Methoxy-2,4-phenylendiisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat,
2,4'-Diphenylmethandiisocyanat, 4,4'-Biphenylendiisocyanat, 3,3'-Dimethyl-4,4'-diphenylmethandiisocyanat,
und 3,3'-Dimethyldiphenylmethan-4,4'-diisocyanat; Triisocyanate,
wie 4,4',4''-Triphenylmethantriisocyanat und 2,4,6-Toluoltriisocyanat,
und Tetraisocyanate, wie 4,4'-Dimethyl-2,2'-5,5'-diphenylmethantetraisocyanat.
Besonders geeignet Besonders bevorzugt sind Toluoldiisocyanat, 2,4'-Diphenylmethandiisocyanate,
4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, Polymethylenpolyphenylenpolyisocyanat,
and Mischungen daraus.
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Besonders
bevorzugt enthält die Isocyanatkomponente ein modifiziertes,
multivalentes Isocyanat, beispielsweise ein Produkt, das durch chemische
Reaktion der oben genannten Polyisocyanate erhalten wird. Beispiele
schließen Polyisocyanate ein, welche Estergruppen, Biuretgruppen,
Allophanatgruppen und vorzugsweise Carbodiimidgruppen, Uretonimingruppen,
Isocyanuratgruppen und/oder Urethangruppen enthalten. Spezielle
Beispiele sind aromatische Polyisocyanate, die Urethangruppen enthalten
und einen NCO-Gehalt von 8 bis 33,6 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt
von 18 bis 25 Gewichtsprozent, aufweisen, beispielsweise 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat
oder Toluoldiisocyanat, das durch Reaktion mit Diolen, Triolen,
Oxyalkylenglykolen, Dioxyalkylenglykolen, Polyoxyalkylenglykolen,
Polyesterpolyolen oder Polytetrahydrofuran, die alleine oder als
Mischungen von Polyoxyalkylenglykole eingesetzt werden können,
modifiziert wurde. Spezielle Beispiele der Polyoxyalkylenglykole
schließen Diethylenglykole, Dipropylenglykole, Polyoxyethylenglykole,
Polyoxypropylenglykole und Polyoxypropylenpolyoxethylenglykole ein.
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Insbesondere
werden Umsetzungsprodukte von 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat und
Polyetherpolyolen mit einer Funktionalität von 1,8 bis
3,0, bevorzugt 1,8 bis 2,5, als modifiziertes, multivalentes Isocyanat
eingesetzt.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird als Polyisocyanatkomponente
(B) eine Mischung aus 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat und einem 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat,
das durch den Einbau von Uretdion-, Carbamat-, Isocyanurat-, Carbodiimid- oder
Allophanatgruppen modifiziert ist, verwendet. Besonders bevorzugt
enthält die Isocyanatkomponente dabei Mischungen aus 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat
und carbodiimid-modifiziertem 4,4' Diphenylmethandiisocyanat.
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Das
Sprühpolyurethansystem im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise
thixotrop. Dabei wird unter thixotropem Verhalten verstanden, dass
die Viskosität einer bei einer konstanten Scherrate gescherten
Probe bei ansonsten jeweils identischen Bedingungen, wie Temperatur
und Zeit seit Vermischen der Komponenten, bei höheren Scherraten
(beispielweise Scherraten größer 200 s–1) geringer ist als bei geringen
Scherraten (beispielsweise kleiner 1 s–1).
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Vorzugsweise
wird die Viskosität des Sprühpolyurethansystems
so eingestellt, dass sich Polyolkomponente (A) und Isocyanatkomponente
(B) leicht vermischen lassen, diese aber beim Aufsprühen
in eine Form nicht verlaufen, so dass eine gleichmäßige Verteilung
des auf eine senkrechte Fläche aufgesprühten Materials
möglich ist.
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Die
mittlere Funktionalität der eingesetzten Reaktivkomponenten
des Sprühpolyurethansystems pro Mol, beträgt vorzugsweise
von 1,5 bis 3,5, besonders bevorzugt 1,8 bis 2,5 und insbesondere
2,0 bis 2,2. Dabei werden im Rahmen dieser Erfindung unter Reaktivkomponenten
die eingesetzten Isocyanate, Polyole, Reaktivkettenverlängerer
und Kettenverlängerer verstanden.
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Das
Sprühpolyurethansystem im Sinne der Erfindung enthält
vorzugsweise keine Aminkatalysatoren. Unter Aminkatalysatoren im
Sinn der Erfindung sind Verbindungen zu verstehen, welche die Reaktion
von Isocyanat mit einer mit Isocyanat reaktiven Komponente katalysieren
und ein sekundäres oder tertiäres Stickstoffatom
enthalten.
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Zur
Herstellung von Formhäuten wird das erfindungsgemäße
Polyurethansystem vermischt und in eine Form gesprüht.
Vorzugsweise beträgt der Isocyanatindex einer erfindungsgemäßen
Mischung aus Polyolkomponente (A) und Isocyanatkomponente (B) und
gegebenenfalls der Komponente (C) 90 bis 110, insbesondere 95 bis
105. Unter dem Isocyanatindex wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung
das stöchiometrische Verhältnis an Isocyanatgruppen
zu mit Isocyanat reaktiven Gruppen, multipliziert mit 100, verstanden.
Unter mit Isocyanat reaktiven Gruppen werden dabei alle in der Reaktionsmischung
enthaltenen, mit Isocyanat reaktiven Gruppen verstanden, nicht aber
die Isocyanatgruppe selbst.
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Überraschenderweise
zeigt ein erfindungsgemäßes Sprühpolyurethansystem
hervorragende Verarbeitungseigenschaften. So zeigt ein erfindungsgemäßes
Sprühpolyurethansystem nach Vermischen der Komponenten
(A), (B) und gegebenenfalls (C) bei gleicher Entformzeit eine gegenüber
dem Stand der Technik verlängerte Topfzeit. Damit ist es
möglich, ein solches System nach dem Vermischen länger
zu verarbeiten. Dies ist insbesondere wichtig, wenn die Reaktionsmischung
nach dem Vermischen im Mischkopf durch ein Rohrleitungssystem zum
Sprühkopf geführt wird. Dadurch wird ein Zusetzen
dieses Rohrleitungssystems durch bereits gebildetes Polyurethan
verhindert bzw. verzögert. So beträgt die „Offene
Zeit", während der die Reaktionsmischung verarbeitet werden
kann, für ein System, das eine Entformzeit von 60 s ermöglicht,
bei 25°C vorzugsweise mehr als 30 Sekunden, besonders bevorzugt
mehr als 45 Sekunden und insbesondere mehr als 50 Sekunden. Unter „Entformzeit"
wird dabei die Zeitspanne zwischen Aufsprühen des Sprühpolyurethansystems
auf die Form und dem Zeitpunkt, zu dem das fertige Formteil unbeschädigt
aus der Form entnommen werden kann, verstanden. Weiter härtet
ein erfindungsgemäßes Sprühpolyurethansystem
nach Beginn der Reaktion schnell aus.
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Ein
weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Trägerschicht
aus Polyurethan ist eine geringe Emission. So liegt die Emission
leichtflüchtiger Bestandteile (VOC) gemäß VDA
278 unter einem Wert von 100 ppm, vorzugsweise unter 50 ppm und
besonders bevorzugt unter 40 ppm. Weiter liegt die Emission der
kondensierbaren Bestandteile (FOG) einer erfindungsgemäßen
Trägerschicht gemäß VDA 278 unter 20
ppm, vorzugsweise unter 10 ppm und besonders bevorzugt unter 8 ppm.
Die Emissionen gemäß DIN 75201/B (FOGGING) einer
erfindungsgemäßen Trägerschicht liegen
unter 1,5 mg, bevorzugt unter 1 mg und insbesondere unter 0,5 mg.
Unter Emission soll im Rahmen dieser Erfindung Emission nach VOC
gemäß VDA 278 verstanden werden. Speziell umfasst
der Ausdruck „Emission" die Emissionen kondensierbarer
Bestandteile (FOG) nach VDA 278 sowie nach DIN 75201/B (FOGGING).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kunststoff in
einer Menge aufgesprüht, die einer Dicke der Kunststoffschicht
nach dem Aufschäumen von mindestens 1 mm und vorzugsweise
von 1 bis 3 mm entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass eine erfindungsgemäße
Formhaut in diesem Stärkebereich einen guten Kompromiss
für das nachträgliche Hinterschäumen
darstellt, da sie einerseits ausreichend dünn und somit
elastisch, andererseits ausreichend stabil ist, um eine einfache
Handhabung bei der Weiterverarbeitung ohne Gefahr einer Beschädigung
zu ermöglichen.
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Eine
Dichte von 0,1 g/cm3 bis 0,5 g/cm3 und vorzugsweise von 0,1 g/cm3 bis
0,15 g/cm3 in Abhängigkeit von
dem verwendeten Werkstoff hat sich insbesondere bei einer Verwendung
der Formhaut für Interieurbauteile von Kraftfahrzeugen
und hier insbesondere für eine Instrumententafel als vorteilhaft
herausgestellt.
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Vorteilhafterweise
kann vor dem Aufsprühen des aufschäumenden Kunststoffs
eine zusätzliche Schicht eines kompakten Kunststoffs auf
die Form gesprüht werden, die sich durch eine höhere
Verschleiß- und/oder Reißfestigkeit gegenüber
der Schicht aus geschäumtem Kunststoff auszeichnen kann.
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Unter
kompaktem Kunststoff wird erfindungsgemäß ein
Kunststoff verstanden, der nicht oder nur unwesentlich aufgeschäumt
ist. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Kunststoff ebenfalls um
ein Polyurethan, insbesondere wird das gleiche Material eingesetzt,
das später zur Erzeugung des geschäumten Kunststoffs
verwendet wird, wobei zur Herstellung des kompakten Kunststoffs
kein Treibmittel verwendet wird.
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Vorzugsweise
wird die Schicht aus kompaktem Kunststoff so dünn aufgetragen,
dass ein Verlaufen des Kunststoffs mit der Gefahr der Bildung von Masseanhäufungen
im wesentlichen verhindert wird; gleichzeitig sollte die Schicht
so dick ausgeführt werden, dass die erforderliche Verschleiß-
und/oder Reißfestigkeit erreicht wird. Gegebenenfalls kann
es vorteilhaft sein, die Schicht aus kompaktem Kunststoff in mehreren
Sprühvorgängen zu erzeugen, um ein Verlaufen des
Kunststoffs vor dem Aushärten wirkungsvoll zu verhindern.
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Für
eine Formhaut, die zur Verwendung bei der Herstellung eines Interieurbauteils
für ein Kraftfahrzeug vorgesehen ist, hat sich eine Dicke
der Schicht aus kompaktem Kunststoff im Bereich von 0,1 mm bis 0,5
mm und insbesondere von ca. 0,1 mm als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Die Dichte der Schicht aus kompaktem Kunststoff liegt in Abhängigkeit
von dem verwendeten Werkstoff vorzugsweise bei ca. 1 g/cm3.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht
vor, eine Oberflächenschicht vor dem Aufsprühen
des aufschäumenden und gegebenenfalls des kompakten Kunststoffs
auf die Form aufzutragen. Hierbei kann es sich um eine Schicht aus einem
beliebigen Werkstoff handeln, die zudem unterschiedlichsten Zwecken
dienen kann. Bei einer Formhaut, die zur Herstellung eines Interieurbauteils für
ein Kraftfahrzeug dienen soll, kann diese Oberflächeschicht
insbesondere eine Lackschicht sein, die der Formhaut unter anderem
die geforderte Farbe und Oberflächegüte verleihen
kann. Gleichzeitig kann diese dem Verschleißschutz dienen.
Die Oberflächenschicht kann durch ihren Verschleißschutz
zudem ermöglichen, einen aromatischen an Stelle eines aliphatischen
Polyurethans für die nachfolgende Schicht zu verwenden,
was sich positiv auf die Kosten zu Herstellung des Bauteils auswirken
kann.
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Vorzugsweise
wird die Lackschicht in einer Dicke von 30 μm bis 120 μm
und besonders vorzugsweise von 50 μm bis 80 μm
aufgebracht. Diese Oberflächenschicht kann sowohl anstelle,
als auch zusätzlich zu der zusätzlichen Schicht
eines kompakten Kunststoffs eingesetzt werden. Dabei können
La cke eingesetzt werden, die üblicherweise zur Herstellung von
Polyurethanformteilen für den Einsatz in Automobilen verwendet
werden. Vorzugsweise werden als Lacke Polyurethanlacke mit aliphatischen
Isocyanaten eingesetzt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird die Schicht aus aufschäumendem Kunststoff
so auf die Form aufgetragen, dass sich eine über ihrer
Dicke ändernde Dichte ergibt. Vorzugsweise nimmt die Dichte
ausgehend von der der Form zugewandten Seite mit zunehmender Dicke
ab, so dass der Kunststoff auf der als Oberfläche der Formhaut
dienenden Seite kompakter und dadurch auch verschleißfester ist
als auf der gegenüberliegenden Seite. Die Schicht aus aufschäumendem
Kunststoff kann so ausgebildet werden, dass sich die Dichte über
der Dicke kontinuierlich ändert, wobei die Änderung
beliebig verlaufen kann, insbesondere linear, degressiv oder progressiv.
Die Änderung der Dichte über der Schichtdicke
kann erfindungsgemäß auch in beliebig vielen Stufen
erfolgen.
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Das
Erzeugen der Schicht aus aufschäumendem Kunststoff mit
sich ändernder Dichte kann auf jede beliebige hierfür
geeignete Art erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann hierzu ein mit einem physikalischen und/oder chemischen
Treibmittel versetzter Kunststoff, der besonders bevorzugt ein Polyol-Isocyanat-Gemisch
ist, auf eine auf eine „hohe" Temperatur beheizte Form
gesprüht werden, wobei der Kunststoff/das Gemisch reaktiv
so eingestellt und/oder das Treibmittel so ausgewählt ist,
dass ein Kontakt mit der Form zu einer sehr schnellen Verfestigung
in dem der Form zugewandten Randbereich führt, so dass
eine Expansion des Treibmittels in diesem Randbereich im wesentlichen
ausbleibt, bzw. nur in dem gewünschten Maß erfolgt.
Auf diese Weise kann eine Schicht mit einem Randbereich aus einem
definiert kompakten Kunststoff hergestellt werden. Die Angabe „hohe
Temperatur" ist erfindungsgemäß relativ zu verstehen;
sie gibt an, dass die Form auf eine Temperatur gebracht wird, die – unter
Berücksichtigung des verwendeten Kunststoff(gemische)s
bzw. Treibmittels und der weiteren Prozessparameter – die
Reaktion bzw. Aushärtung des Kunststoff(gemische)s so beschleunigt,
dass die Expansion des Treibmittels in dem Randbereich im wesentlichen
nicht oder nur in dem gewünschten Maß erfolgt.
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Bei
der Anwendung dieses Verfahrens und unter Verwendung eines Polyol-Isocyanat-Gemisches
wird die Form unter Berücksichtigung der Art des verwendeten
Treibmittels und anderer Prozessparameter vorzugsweise auf eine
Temperatur von ca. 60°C bis 95°C und besonders
bevorzugt von ca. 90°C aufgeheizt.
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Eine
alternative Vorgehensweise zur Erzeugung einer Schicht mit sich ändernder
Dichte kann das Aufsprühen eines mit einem physikalischen und/oder
chemischen Treibmittels versetzten Kunststoffs, bevorzugt eines
Polyol-Isocyanat-Gemisches auf eine auf eine „niedrige"
Temperatur beheizte Form vorsehen, wobei der Kunststoff/das Gemisch reaktiv
so eingestellt und/oder das Treibmittel so ausgewählt ist,
dass ein Kontakt mit der Form – aufgrund der lediglich
geringen Wärmeeinbringung – zu keinem wesentlichen
Aufschäumen des Kunststoffs in dem der Form zugewandten
Randbereich führt, wohingegen eine Expansion des Kunststoffs
in dem übrigen Bereich beispielsweise durch die mit einer
exothermen Reaktion des Kunststoff(gemische)s verbundene oder auch
durch eine gezielte äußere Wärmeeinbringung
von der der Form abgewandten Seite erfolgt. Diese Wärmeeinbringung
kann beispielsweise durch Wärmestrahlung oder mit Hilfe
eines Warmluftstroms erfolgen. Auch auf diese Weise kann eine Schicht
mit einem Randbereich aus einem definiert kompakten Kunststoff hergestellt
werden. Die Angabe „niedrige Temperatur" ist erfindungsgemäß wiederum
relativ zu verstehen; sie gibt an, dass die Form auf eine Temperatur
gebracht wird, die – unter Berücksichtigung des
verwendeten Kunststoff(gemische)s bzw. Treibmittels und der übrigen
Prozessparameter – die das Aufschäumen des Kunststoff(gemische)s
in dem entsprechenden Randbereich im gewünschten Maß verhindert.
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Bei
der Anwendung dieses Verfahrens und unter Verwendung eines Polyol-Isocyanat-Gemisches
wird die Form vorzugsweise auf eine Temperatur von ca. 30°C
bis 50°C erwärmt.
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Eine
alternative Vorgehensweise zur Erzeugung einer Schicht mit sich ändernder
Dichte kann das Aufsprühen eines mit einem physikalischen und/oder
chemischen Treibmittel versetzten Kunststoffs, bevorzugt eines Polyol-Isocyanat-Gemisches auf
eine einen Entschäumer aufweisende Oberflächenschicht
vorsehen, so dass der Entschäumer das Aufschäumen
des Kunststoff(gemische)s in dem entsprechenden Randbereich im gewünschten
Maß unterdrückt. Bei der Verwendung eines Polyol-Isocyanat-Gemisches
und von Wasser, Kohlenwassstoffe und/oder halogenierten Kohlenwasserstoffen
als Treibmittel kann voretilhafterweise ein oberflächenaktives
Mittel mit entschäumenden Wirkung, z. B. Polyalkylsilane,
Silikone, wie Antifoam® MSA (Dow) oder
Lösung schaumzerstörendere silikone-freie Polymere,
wie Byk® 054 (Byk Chemie), als
Entschäumer zur Anwendung kommen.
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Eine
weitere alternative Vorgehensweise zur Erzeugung einer Schicht mit
sich ändernder Dichte kann das Aufsprühen eines
mit einem physikalischen und/oder chemischen Treibmittel versetzten
Kunststoffs, bevorzugt eines Polyol-Isocyanat-Gemisches auf eine
einen Katalysator aufweisende Oberflächenschicht vorsehen,
wobei der Katalysator eine Verfestigung des Kunststoff(gemische)s
in dem entsprechenden Randbereich so weit beschleunigt, dass ein Aufschäumen
des Kunststoff(gemische)s in dem entsprechenden Randbereich im gewünschten
Maß unterbunden wird. Bei der Verwendung eines Polyol-Isocyanat-Gemisches
können beispielsweise organische Metallverbindungen, vorzugsweise
organische Zinnverbindungen, wie Zinn-(II)- salze von organischen
Carbonsäuren, z. B. Zinn-(II)-acetat, Zinn-(II)-octoat,
Zinn-(II)-ethylhexoat und Zinn-(II)-laurat und die Dialkylzinn-(IV)-salze
von organischen Carbonsäuren, z. B. Dibutylzinndiacetat, Dibutylzinndilaurat,
Dibutylzinnmaleat und Dioctylzinndiacetat, sowie Bismutcarboxylate,
wie Bismut(III)-neodecanoat, Bismut-2-etyhlhexanoat und Eismut-octanoat
oder Mischungen verwendet werden. Weiter können herkömmliche,
in der Polyurethanchemie eingesetzte Aminkatalysatoren, bevorzugt
Gelkatalystoren, als Katalysatoren eingesetzt werden. Vorzugsweise
kommen als Gelkatalysatoren Verbindungen, wie Trimethylamin, Triethylamin,
Tributylamin, Trioctylamin, Diethylcyclohexylamin, N-Methylmorpholin,
N-Ethylmorpholin, N-Octadecylmorpholin, N-Methyldiethanolamin, N,N-Dimethylethanolamin,
N,N'-Bis(2-hydroxypropyl)piperazin, N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin,
N,N,N',N'-Tetramethyl-1,3-propandiamin, Triethylendiamin, 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan,
1,8-Diazabicyclo(5.4.0)undecen-7,1,4-Bis(2-hydroxypropyl)-2-methylpiperazin,
N,N'-Dimethylbenzylamin, N,N-Dimethylcyclohexylamin, Benzyltriethylammoniumbromid, Bis(N,N-diethylaminoethyl)adipat,
N,N-Diethylbenzylamin, N-Ethylhexamethylenamin, N-Ethylpiperidin, α-Methylbenzyldimethylamin,
Dimethylhexadecylamin und Dimethylcetylamin. Vorzugsweise kommen
Triethylendiamin oder, wie Dabco® NE
1070 (AirProducts) oder Metalkatalysatoren, bevorzugt Zinn oder
Wismuthverbindungen z. B. Alkylzinnmerkaptid Fomrez® UL
32 (GE Silicone) oder Wismuth Neodecanoat Coscat® 83
(Erbslöh), sowie Mischungen davon als Katalysator zur Anwendung.
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Selbstverständlich
können auch mehrere oder alle dieser Vorgehensweisen in
Kombination zur Anwendung kommen, um eine Formhaut herzustellen,
die eine sich über ihrer Dicke ändernde Dichte aufweist.
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In
sämtlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann vor dem Aufbringen der ersten Schicht, d. h. einer
Oberflächenschicht oder der Schicht aus kompaktem oder
aufschäumendem Kunststoff ein Trennmit tel auf die Form
aufgebracht werden, dass eine übermäßige
Haftung der verfestigten Formhaut an der Form verhindert, so dass
diese auf einfache Weise entformt werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
Kunststoffformhaut eignet sich in vorteilhafter Weise für
die Herstellung eines mehrschichtigen Bauteils, wie beispielsweise
einer Instrumententafel für ein Kraftfahrzeug mittels eines
Hinterschäumverfahrens. Hierzu wird die erfindungsgemäß hergestellte
Kunststoffformhaut in eine Schäumform eingelegt, in die
zusätzlich ein Einleger in einem definierten Abstand zu
der Formhaut positioniert wird. Eine Verbindung von Formhaut und
Einleger wird durch das Einbringen eines vorzugsweise aufschäumenden
Kunststoffs in den Zwischenraum zwischen Formhaut und Einleger erreicht.
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Auf
diese Weise wird ein mehrschichtiges Kunststoffbauteil hergestellt,
dass eine erfindungsgemäße Formhaut aus mindestens
einer Schicht aus einem geschäumten Kunststoff, eine Zwischenschicht, vorzugsweise
ebenfalls aus einem geschäumten Kunststoff, und einen Einleger
aufweist.
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Insbesondere
bei einer Verwendung des mehrschichtigen Kunststoffbauteils als
Interieurbauteil für ein Kraftfahrzeug und hier insbesondere
als Instrumententafel hat sich eine Dichte für den Werkstoff
der Formhaut von 0,1 g/cm3 bis 0,5 g/cm3 und vorzugsweise von 0,1 g/cm3 bis
0,15 g/cm3 sowie für die Zwischenschicht
von 0,08 g/cm3 bis 0,2 g/cm3 und vorzugsweise
von 0,11 g/cm3 bis 0,16 g/cm3 als
vorteilhaft herausgestellt, da auf diese Weise ein Bauteil hergestellt
werden kann, das sowohl gute haptische als auch Energie absorbierende
Eigenschaften aufweist.
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Der
Einleger kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und
aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Ein Teil des Einlegers
besteht zumindest teilweise vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff,
der häufig auch faserverstärkt ausgeführt sein
kann. Alternativ kann auch faserverstärkter Polyurethan
(Duroplast) zum Einsatz kommen. Beide Werkstoffgruppen zeichnen
sich durch die Möglichkeit einer stoffschlüssigen
Verbindung mit dem Kunststoff der Zwischenschicht aus, so dass gegebenenfalls
auf zusätzliche Befestigungsmittel verzichtet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10320341
A1 [0006, 0007]
- - EP 250351 A [0023]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - "Kunststoffhandbuch,
Band 7, Polyurethane", Carl Hanser Verlag, 3. Auflage 1993, Kapitel
3.4.1 [0030]