DE102010025862B4 - Process for modifying plastic surfaces and the plastic component produced with them - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines an der Oberfläche modifizierten Kunststoffbauteils während der Formgebung mit vorbestimmter Oberflächenbeschaffenheit, die ein Verbinden des Kunststoffbauteils mit anderen Stoffen, beispielsweise durch Lackieren, Bedrucken, Metallisieren oder Verkleben, erlaubt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:a) Applizieren (100) einer chemischen Substanz auf die Oberfläche eines Werkzeugs, wobei die chemische Substanz hydrolysierbare Silane, insbesondere Alkoxysilane, Chlorsilane oder Silanester, oder Mischungen aus hydolysierbaren Silanen aufweist;b) Formgebung (200) eines plastisch verformbaren Kunststoffs durch Spritzgießen oder Extrusion, wobei die heiße Kunststoffoberfläche mit der Werkzeugoberfläche in Kontakt kommt;c) Erstarren lassen (300) des mit der Substanz behandelten Kunststoffs bis der Kunststoff ein fester Körper ist; undd) Applizieren (400) von Wasser auf die Oberfläche des erstarrten Kunststoffs.A method for producing a surface-modified plastic component during shaping with a predetermined surface quality which allows the plastic component to be connected to other materials, for example by painting, printing, metallizing or gluing, the method comprising the following steps: a) applying (100 ) a chemical substance on the surface of a tool, the chemical substance comprising hydrolyzable silanes, in particular alkoxysilanes, chlorosilanes or silane esters, or mixtures of hydrolyzable silanes; b) shaping (200) of a plastically deformable plastic by injection molding or extrusion, the hot plastic surface comes into contact with the tool surface; c) allowing (300) the plastic treated with the substance to solidify until the plastic is a solid body; and d) applying (400) water to the surface of the solidified plastic.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modifizieren von Kunststoffoberflächen, insbesondere von Polyolefinen. Als Polyolefine eignen sich Polyethylene, Polypropylene und deren Blends. Die Erfindung ist überall dort einsetzbar, wo Halbzeuge oder Bauteile aus Polyolefinen lackiert, bedruckt, metallisiert, verklebt oder anderweitig zu verbinden sind, z.B. Karosserieteile in der Automobilindustrie oder Bauteile, die eine entsprechende Oberflächenleitfähigkeit besitzen sollen, und wo es auf den Erhalt der vorteilhaften Grundeigenschaften des Polyolefins in Gänze ankommt.The invention relates to a method for modifying plastic surfaces, in particular polyolefins. Polyethylene, polypropylene and their blends are suitable as polyolefins. The invention can be used wherever semi-finished products or components made of polyolefins are painted, printed, metallized, glued or otherwise connected, e.g. body parts in the automotive industry or components that should have a corresponding surface conductivity, and where the maintenance of the advantageous basic properties is important of the polyolefin arrives in its entirety.

Es ist bekannt und in der einschlägigen Fach- und Patentliteratur beschrieben, Kunststoffoberflächen nach verschiedenen Methoden zu modifizieren. Da Kunststoffe im Allgemeinen an der Oberfläche zu hydrophob sind, weil sie zu wenige oder keine funktionellen reaktionsfähigen Gruppen besitzen, ist es erforderlich, die Polymeroberflächen zu aktivieren. Eine Aktivierung der Kunststoffoberflächen wird überwiegend durch Beflammen, Plasmabehandlung oder Bestrahlung erreicht, indem funktionelle Gruppen in Monolagen an der äußersten Grenze des Kunststoffes erzeugt werden. Diese Art der Aktivierung von Polymeroberflächen wird als zusätzlicher technologischer Schritt durchgeführt.It is known and described in the relevant technical and patent literature to modify plastic surfaces by various methods. Since plastics are generally too hydrophobic on the surface because they have too few or no functional reactive groups, it is necessary to activate the polymer surfaces. Activation of the plastic surfaces is mainly achieved by flame treatment, plasma treatment or irradiation by creating functional groups in monolayers at the outermost limit of the plastic. This type of activation of polymer surfaces is carried out as an additional technological step.

Die konventionellen Vorbehandlungsverfahren, wie beispielsweise die Koronaentladung, (Niederdruck-) Plasmamodifizierung oder Beflammung sind zwar generell zur Oberflächenmodifizierung geeignet; die damit erreichbaren Effekte sind aber nicht dauerhaft. Mit diesen hoch energetischen Vorbehandlungsverfahren werden Radikale an der Oberfläche erzeugt, die in Gegenwart von Sauerstoff oder Wasser zu Hydroxy-, Keto- oder Carboxylgruppen reagieren. Diese Gruppen tragen zur Erhöhung der Oberflächenenergie bei. Unterstützt werden diese Reaktionen durch UV-Licht und Radikale des Prozessgases. Bei einigen Polyolefinen, wie PE, LLD, metallocen-katalysierten Typen oder Polyolefinen mit hohen Additivgehalten, ist die Wirkung unbefriedigend.The conventional pretreatment processes, such as corona discharge, (low-pressure) plasma modification or flame treatment, are generally suitable for surface modification; however, the effects that can be achieved are not permanent. With these high-energy pretreatment processes, radicals are generated on the surface, which react in the presence of oxygen or water to form hydroxyl, keto or carboxyl groups. These groups help to increase the surface energy. These reactions are supported by UV light and radicals in the process gas. With some polyolefins, such as PE, LLD, metallocene-catalyzed types or polyolefins with high additive contents, the effect is unsatisfactory.

Weiterhin ist nachteilig, dass die Stabilität des Vorbehandlungseffektes über einen größeren Zeitraum gering ist. Deshalb muss eine Weiterverarbeitung der oberflächenmodifizierten Kunststoffe ohne Zwischenlagerung erfolgen, was in der Industrie nur schwer realisierbar ist.Another disadvantage is that the stability of the pretreatment effect is low over a relatively long period of time. For this reason, the surface-modified plastics must be processed further without intermediate storage, which is difficult to achieve in industry.

Obwohl die erreichbaren Oberflächenenergien sehr hoch sein können, sind die Haftfestigkeiten von nachfolgenden Beschichtungen oft unbefriedigend. Ursächlich dafür sollen Schichten von polaren Stoffen an der Oberfläche sein, sogenannte „weak boundary layer“, die nicht fest mit dem Substrat verbunden sind. Diese Schicht besteht sowohl aus Additiven als auch aus Fragmenten der Polymerkette, die durch die hochenergetische Vorbehandlung erzeugt werden. Eine Modifizierung der Schicht konnte durch lang andauerndes Ätzen mit oxydierenden Reagenzien unterstützt durch Ultraschall erreicht werden. Die genannten Verfahren beruhen auf unspezifischen Reaktionen mit den Kohlenstoffatomen an der Oberfläche der Polymere. Auch diese Modifizierungen sind meist nicht dauerhaft.Although the surface energies that can be achieved can be very high, the adhesive strengths of subsequent coatings are often unsatisfactory. This is said to be caused by layers of polar substances on the surface, so-called “weak boundary layers”, which are not firmly attached to the substrate. This layer consists of additives as well as fragments of the polymer chain that are created by the high-energy pretreatment. A modification of the layer could be achieved by long-lasting etching with oxidizing reagents supported by ultrasound. The processes mentioned are based on unspecific reactions with the carbon atoms on the surface of the polymers. These modifications are usually not permanent either.

Die Gasphasenfluorierung liefert zwar eine geringere Anhebung der Oberflächenenergie im Vergleich zur Plasma- und Koronavorbehandlung; die erzielbaren Haftfestigkeiten für wässrige und strahlen härtbare Veredlungssysteme und die Langzeitstabilität sind jedoch besser. Allerdings gibt es auch bei diesen Verfahren Polyolefintypen, die sich nur gering modifizieren lassen.The gas phase fluorination provides a lower increase in surface energy compared to plasma and corona pretreatment; however, the achievable adhesive strengths for aqueous and radiation-curable finishing systems and the long-term stability are better. However, even with these processes there are types of polyolefin that can only be modified slightly.

Ein Weg zu einer dauerhaften Oberflächenmodifizierung besteht im Aufpfropfen polarer Polymere auf die Polyolefinoberfläche. Diese Reaktionen werden durch Radikale an der Polyolefinoberfläche gestartet, die durch Ozon, Plasma oder UV-Bestrahlung erzeugt werden. Die aus der Flüssig- oder Dampfphase zugeführten Monomere werden auf die Oberfläche aufgepfropft. Als Monomere werden meist Acrylderivate, teilweise auch Silane verwendet. Dadurch werden neben den funktionellen Gruppen, wie Carboxyl-, Hydroxy- oder Aldehydgruppen auch noch Silanreste an der Polymer- bzw. Kunststoffoberfläche gebunden bzw. SiOx-Ablagerungen erzeugt, die dann ebenfalls als Haftvermittler zur Verfügung stehen. Nachteilig hierbei ist, dass die Modifizierung als zusätzlicher Verfahrensschritt zur Formgebung, vorzugsweise für planare Oberflächen, durchgeführt werden muss.One way to achieve permanent surface modification is to graft polar polymers onto the polyolefin surface. These reactions are started by radicals on the polyolefin surface that are generated by ozone, plasma or UV radiation. The monomers supplied from the liquid or vapor phase are grafted onto the surface. Acrylic derivatives and sometimes also silanes are used as monomers. As a result, in addition to the functional groups such as carboxyl, hydroxyl or aldehyde groups, silane residues are also bonded to the polymer or plastic surface or SiO x deposits are produced, which are then also available as adhesion promoters. The disadvantage here is that the modification has to be carried out as an additional process step for shaping, preferably for planar surfaces.

Beispielsweise wird in der Deutschen Patentschrift DE 199 02 948 A1 ein Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche von Polymersubstraten mittels strahleninduzierter oder thermisch induzierter Pfropfpolymerisation eines Monomers und eines eigenschaftsbestimmenden Polymers beschrieben. Dabei wird das Polymersubstrat vor der Pfropfung mit dem Polymer mit einer Lösung aus mindestens einem olefinisch ungesättigtem Monomer, mindestens einem Thermoinitiator und/oder einem Photoinitiator und gegebenenfalls einem Lösungsmittel vorbehandelt.For example, in the German patent DE 199 02 948 A1 describes a process for modifying the surface of polymer substrates by means of radiation-induced or thermally induced graft polymerization of a monomer and a property-determining polymer. In this case, the polymer substrate is pretreated with a solution of at least one olefinically unsaturated monomer, at least one thermal initiator and / or a photoinitiator and optionally a solvent before the grafting with the polymer.

Die Europäische Patentschrift EP 0491 293 B1 befasst sich mit oberflächenmodifizierten Polyolefinartikeln und mit einem Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche dieser Artikel. Die Oberfläche des hydrophoben Polyolefins wird mit einem Copolymermaterial kontaktiert, während das hydrophobe Polyolefin im wesentlichen geschmolzen ist und das Copolymermaterial mit dem hydrophoben Polyolefin warm verschweißt ist, so dass eine modifizierte Oberfläche geschaffen wird. Die Anwendung des Verfahrens erfolgt bei der Herstellung von Fasern im Extrusionsverfahren.The European patent specification EP 0491 293 B1 deals with surface modified polyolefin articles and a method for modifying the surface of these articles. The surface of the hydrophobic polyolefin is contacted with a copolymer material, while the hydrophobic polyolefin is essentially melted and the copolymer material with the hydrophobic one Polyolefin is heat-welded so that a modified surface is created. The process is used in the manufacture of fibers in the extrusion process.

In der Deutschen Patentschrift DE 100 42 566 A1 wird ein Verfahren zur Modifizierung von Kunststoffoberflächen beschrieben, welches zur Aktivierung oder Passivierung der Kunststoffoberflächen eingesetzt werden kann. Die Modifizierung erfolgt, indem die Kunststoffoberfläche mit Modifikatoren in Kontakt gebracht wird, die mit der Oberfläche eine Reaktion eingehen und/oder ganz oder teilweise durch Interdiffusion in die Oberfläche eindringen und/oder auf der Oberfläche aufschmelzen.In the German patent specification DE 100 42 566 A1 describes a method for modifying plastic surfaces which can be used to activate or passivate the plastic surfaces. The modification takes place in that the plastic surface is brought into contact with modifiers which react with the surface and / or completely or partially penetrate the surface by interdiffusion and / or melt on the surface.

In der Deutschen Patentschrift DE 10 2005 011 594 A1 wird ein innovatives Verfahren beschrieben, mit dem eine Oberflächenmodifizierung von Polymeroberflächen im Spritzgießprozess ermöglicht wird. Das Verfahren beruht auf der Initiierung von Radikalreaktionen durch den Kontakt mit der heißen Kunststoffschmelze, die schließlich durch Radikalreaktionen einen polymeren Modifikator an die Kunststoffoberfläche koppeln. Der technische Einsatz wird jedoch durch Nachteile erschwert, die durch die Anwendung der Radikalreaktionen begründet sind. Insbesondere muss es bei diesem Verfahren zu einer Wasserstoffabstraktion im Polyolefin kommen. Dafür geeignete Radikalinitiatoren sind jedoch bei den thermischen Verhältnissen beim Spritzgießen nicht ausreichend reaktiv. Daher sind die erzielbaren Effekte für viele Anwendungen noch nicht ausreichend.In the German patent specification DE 10 2005 011 594 A1 an innovative process is described that enables the surface modification of polymer surfaces in the injection molding process. The process is based on the initiation of radical reactions through contact with the hot plastic melt, which finally couple a polymeric modifier to the plastic surface through radical reactions. However, technical use is made more difficult by disadvantages which are justified by the use of the radical reactions. In particular, this process must lead to hydrogen abstraction in the polyolefin. However, radical initiators suitable for this purpose are not sufficiently reactive under the thermal conditions in injection molding. Therefore, the achievable effects are not yet sufficient for many applications.

Die Verwendung von Primern wurde vielfach vorgeschlagen. Die Wirkung beruht auf der Diffusion einer Lösung aus funktionellen Verbindungen in die Oberflächenschicht von Kunststoffen. Das Lösungsmittel hat die Aufgabe, die Oberflächenschicht aufzuquellen und so die Diffusion der Primer in die geschaffene offene Polymerstruktur zu ermöglichen. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels bleibt der Primer in der Oberflächenschicht zurück. Als Primer wurden sowohl funktionelle Polymere [ DE 43 16 585 C1 ] als auch niedermolekulare Stoffe [ Primers for Adhesive Bonding to Polyolefins JIYUE YANC and ANDREW GARTON, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 48, 359-370 (1993) ], wie Silane [ DE 600 23 430 T2 ] vorgeschlagen. Durch chemische Reaktionen kann es zur Hydrolyse der Silane und nachfolgend zur Bildung von Siloxanen und zur Vernetzung oder Verankerung der Siloxane kommen. Nachteilig ist die Verwendung von Lösungsmitteln, die die Umwelt belasten und die meist von Hand ausgeführte Prozessführung.The use of primers has been proposed many times. The effect is based on the diffusion of a solution of functional compounds into the surface layer of plastics. The solvent has the task of swelling the surface layer and thus enabling the primers to diffuse into the open polymer structure created. After the solvent has evaporated, the primer remains in the surface layer. Both functional polymers [ DE 43 16 585 C1 ] as well as low molecular weight substances [ Primers for Adhesive Bonding to Polyolefins JIYUE YANC and ANDREW GARTON, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 48, 359-370 (1993) ], like silanes [ DE 600 23 430 T2 ] suggested. Chemical reactions can lead to hydrolysis of the silanes and subsequently to the formation of siloxanes and to crosslinking or anchoring of the siloxanes. The disadvantage is the use of solvents that pollute the environment and the process management, which is usually carried out by hand.

Nach der US 6 352 658 B1 ist ein Verfahren zur Formgebung eines dekorativen Bauteils mit einer äußeren elastomeren Schicht und einer mit ihr verbundenen inneren Schaumschicht bekannt. Dabei wird ein Polyurethan-Gemisch durch Kombination von Polyisocyanaten und von Polyol hergestellt und mittels Versprühens der beiden Komponenten auf die Oberfläche einer Form aufgebracht, wodurch eine elastomere Schicht erzeugt wird. Während des weiteren Aufbringens des Polyurethan-Gemisches auf die Oberfläche der Form wird ein Wasserstrom der Polyurethan-Mischung hinzugegeben, wodurch ein Polyurethan-Gemisch gebildet wird, dass ein Treibmittel enthält. Durch das Aufbringen des Polyurethan-Gemisches mit dem Treibmittel in Richtung der Formoberfläche wird eine innere Schaumschicht gebildet, die sich mit der äußeren elastomeren Schicht verbindet. Abschließend erfolgt die Entnahme des Bauteils aus der Form.After U.S. 6,352,658 B1 a method is known for shaping a decorative component with an outer elastomeric layer and an inner foam layer connected to it. A polyurethane mixture is produced by combining polyisocyanates and polyol and applied to the surface of a mold by spraying the two components, creating an elastomeric layer. During the further application of the polyurethane mixture to the surface of the mold, a stream of water is added to the polyurethane mixture, whereby a polyurethane mixture is formed that contains a blowing agent. By applying the polyurethane mixture with the blowing agent in the direction of the mold surface, an inner foam layer is formed which bonds with the outer elastomer layer. Finally, the component is removed from the mold.

Gemäß der DE 101 13 272 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von dekorbeschichteten Formteilen bekannt. Dazu werden die Dekormaterialien in ein Werkzeug eingelegt und mit einem schmelzeförmigen Kunststoff hinterspritzt und nachfolgend die dekorbeschichteten Formteile in Wasser gelagert oder mit Wasser besprüht und abschließend getrocknet.
Die Behandlung in Wasser wird realisiert, um das natürliche Erscheinungsbild der Dekoroberflächen ohne strukturgebende Maßnahmen beizubehalten.
According to the DE 101 13 272 A1 a method for producing decorative coated molded parts is known. For this purpose, the decorative materials are placed in a tool and back-injected with a molten plastic and then the decorative-coated molded parts are stored in water or sprayed with water and then dried.
The treatment in water is carried out in order to maintain the natural appearance of the decorative surfaces without any structural measures.

Aus der GB 2 300 587 A ist ein mit einem thermoplastischen Material beschichtetes Substrat bekannt, wobei das thermoplastische Material aus einer thermoplastischen Legierung und mindestens einer Substanz besteht, ausgewählt aus unschmelzbaren Materialien, UV-Stabilisatoren und Antioxydanzien. Dieses thermoplastische Material kann recyceltes Material enthalten.From the GB 2 300 587 A a substrate coated with a thermoplastic material is known, the thermoplastic material consisting of a thermoplastic alloy and at least one substance selected from infusible materials, UV stabilizers and antioxidants. This thermoplastic material can contain recycled material.

Weiterhin ist aus der EP 0 625 418 A1 ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Harzprodukten bekannt, die während des Aufschmelzens beschichtet werden. Diese Erfindung ermöglicht es, die Außenfläche eines geformten Harzprodukts als Ganzes mit einem Beschichtungsmaterial gleichmäßig zu bedecken.Furthermore, from the EP 0 625 418 A1 discloses a process for the manufacture of coated resin products which are coated during melting. This invention makes it possible to uniformly cover the outer surface of a molded resin product as a whole with a coating material.

Alle Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Polyolefinen haben zum Nachteil, dass die Langzeitstabilität der Oberflächenmodifizierung ungenügend, d.h. nicht dauerhaft ist. Weiterhin ist nachteilig, dass die Verfahren gemäß dem Stande der Technik nicht für alle Polyolefintypen geeignet sind und in separaten, teilweise aufwändigen Prozessschritten durchgeführt werden müssen.All processes for surface modification of polyolefins have the disadvantage that the long-term stability of the surface modification is insufficient, i.e. not permanent. A further disadvantage is that the processes according to the prior art are not suitable for all types of polyolefin and have to be carried out in separate, sometimes complex process steps.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine Oberflächenmodifizierung eines Kunststoffbauteils mit Langzeitstabilität ermöglicht.It is therefore the object of the present invention to provide a method which enables a surface modification of a plastic component with long-term stability.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von beigefügtem Anspruch 1 gelöst. Anspruch 1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines an der Oberfläche modifizierten Kunststoffbauteils während der Formgebung mit vorbestimmter Oberflächenbeschaffenheit. Die Oberflächenbeschaffenheit ist dergestalt, dass ein Verbinden des Kunststoffbauteils mit anderen Stoffen möglich ist. Das Verbinden kann beispielsweise durch Lackieren, Bedrucken, Metallisieren oder Verkleben erfolgen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Ein plastisch verformbares Kunststoffsubstrat wird in eine vorbestimmte Form gebracht. Eine chemische Substanz wird auf die Oberfläche eines Werkzeugs appliziert. Die chemische Substanz umfasst hydrolysierbare Silane, insbesondere Alkoxysilane, Chlorsilane oder Silanester, oder Mischungen aus hydrolysierbaren Silanen.The object is achieved by the subject matter of the attached claim 1. Claim 1 relates to a method for producing a surface-modified plastic component with a predetermined surface quality during the shaping process. The surface quality is such that the plastic component can be connected to other materials. The connection can take place, for example, by painting, printing, metallizing or gluing. The method comprises the following steps: A plastically deformable plastic substrate is brought into a predetermined shape. A chemical substance is applied to the surface of a tool. The chemical substance comprises hydrolyzable silanes, in particular alkoxysilanes, chlorosilanes or silane esters, or mixtures of hydrolyzable silanes.

Nachfolgend erfolgt die Formgebung eines plastisch verformbaren Kunststoffs durch Spritzgießen oder Extrusion, wobei die heiße Kunststoffoberfläche mit der Werkzeugoberfläche in Kontakt kommt.
Das mit der Substanz behandelte Kunststoffsubstrat erstarrt, so dass der Kunststoff ein fester Körper ist. Abschließend wird auf die Oberfläche des erstarrten Kunststoffs Wasser in flüssiger oder gasförmiger Form appliziert.
A plastically deformable plastic is then shaped by injection molding or extrusion, the hot plastic surface coming into contact with the tool surface.
The plastic substrate treated with the substance solidifies, so that the plastic is a solid body. Finally, water in liquid or gaseous form is applied to the surface of the solidified plastic.

Die Erfindung nutzt aus, dass das Kunststoffsubstrat im Zustand plastischer Verformbarkeit eine geringere Dichte aufweist. Das trifft insbesondere dann zu, wenn das Kunststoffsubstrat durch Wärmezufuhr verflüssigt ist. Die Silane können folglich leichter in die Oberfläche des Kunststoffsubstrates eindringen. Deshalb ist der Einsatz von Lösungsmitteln zum Aufquellen der Oberfläche überflüssig.The invention takes advantage of the fact that the plastic substrate has a lower density in the state of plastic deformability. This is particularly true when the plastic substrate is liquefied by the supply of heat. The silanes can consequently penetrate more easily into the surface of the plastic substrate. Therefore the use of solvents to swell the surface is unnecessary.

Vorzugsweise werden niedermolekulare, insbesondere monomere oder olygomere Silane, eingesetzt, denn diese Silane können besonders leicht in die Oberfläche des Kunststoffsubstrates diffundieren.Low molecular weight, in particular monomeric or olygomeric, silanes are preferably used because these silanes can diffuse particularly easily into the surface of the plastic substrate.

Konventionelle Verfahren gehen von einer Nachbehandlung einer ausgehärteten Kunststoffoberfläche aus. Dieses sind zusätzliche Prozessschritte, die mit einer aufwändigen Logistik, einem Mehraufwand an Energie und Arbeitszeit verbunden sind. Da das erfindungsgemäße Verfahren in den Formgebungsprozess integriert ist, entfällt die Nachbehandlung.Conventional methods are based on post-treatment of a hardened plastic surface. These are additional process steps that are associated with complex logistics, additional energy and working hours. Since the method according to the invention is integrated into the shaping process, there is no post-treatment.

Als letzter Schritt führt die Applikation von Wasser auf der Oberfläche dazu, dass sich auf der Oberfläche aufliegende Silane und in die Oberfläche diffundierte Silane miteinander verbinden. Somit bildet sich ein komplexes Netzwerk von Verbindungen aus, welches aufgrund der diffundierten Moleküle fest mit der Oberfläche verankert ist. Es entstehen lineare und/oder verzweigte Netzwerke in der äußersten Oberflächenschicht des Kunststoffsubstrates. Dieses Netzwerk ist fest verankert und bestimmt so die Oberflächeneigenschaften des Kunststoffbauteils dauerhaft. Die Eigenschaften werden durch die Art und Zusammensetzung der Silane bestimmt. Falls gewünscht können auch Silane mit weiteren funktionellen Gruppen eingesetzt werden. As a final step, the application of water to the surface leads to the fact that silanes lying on the surface and silanes diffused into the surface combine with one another. This creates a complex network of connections which is firmly anchored to the surface due to the diffused molecules. Linear and / or branched networks arise in the outermost surface layer of the plastic substrate. This network is firmly anchored and thus determines the surface properties of the plastic component permanently. The properties are determined by the type and composition of the silanes. If desired, silanes with further functional groups can also be used.

Werden beispielsweise Alkoxysilane als chemische Substanz eingesetzt, dann reagieren die Wassermoleküle mit den Alkoxysilanen unter Bildung von Silanolgruppen. Beim Aufeinandertreffen von zwei Silanolgruppen können diese kondensieren, wobei die Siliziumatome über Siloxangruppen miteinander verbunden werden. Diese Reaktionen können pro Siliziumatom mehrfach auftreten. Als Folge entstehen lineare oder verzweigte Siloxanpolymere oder ein Siloxannetzwerk in der äußersten Oberflächenschicht. Diese Siloxane sind fest verankert und bestimmen so die Oberflächeneigenschaften des Formteils dauerhaft. Die Eigenschaften werden durch die Art und Zusammensetzung der Alkoxysilane bestimmt.If, for example, alkoxysilanes are used as the chemical substance, the water molecules react with the alkoxysilanes to form silanol groups. When two silanol groups meet, they can condense, the silicon atoms being bonded to one another via siloxane groups. These reactions can occur several times per silicon atom. As a result, linear or branched siloxane polymers or a siloxane network are formed in the outermost surface layer. These siloxanes are firmly anchored and thus permanently determine the surface properties of the molded part. The properties are determined by the type and composition of the alkoxysilanes.

Das Verfahren sieht vor, ein Netzwerk aus chemischen Substanzen auf der Basis von Siloxanbindungen in der äußersten Oberflächenschicht von Kunststoffteilen oder - bahnen zu bilden. Die Applikation der Substanzen erfolgt dabei in den Formgebungsprozess integriert. Mit Hilfe des Verfahrens werden die Oberflächen von Kunststoffen für einen weiten Aufgabenbereich modifiziert. Insbesondere eignet sich das Verfahren für wenig reaktive Kunststoffe, wie Polyolefine, aber auch für Kunststoffe, die in Kontakt mit reaktiven Stoffen leicht abbauen würden, wie POM. Je nach chemischer Zusammensetzung der Substanzen können die Oberflächen dadurch polarer oder unpolarer, chemisch reaktiv oder inert werden und so die Grundlage für weitere Schritte der Oberflächenveredlung bilden.The method provides for a network of chemical substances based on siloxane bonds to be formed in the outermost surface layer of plastic parts or sheets. The application of the substances is integrated into the shaping process. With the help of this process, the surfaces of plastics are modified for a wide range of tasks. The process is particularly suitable for less reactive plastics, such as polyolefins, but also for plastics that would break down easily in contact with reactive substances, such as POM. Depending on the chemical composition of the substances, the surfaces can become more polar or non-polar, chemically reactive or inert and thus form the basis for further steps in surface finishing.

Mit der Erfindung wird im Anwendungsfall eine dauerhafte Oberflächenmodifizierung von Kunststoffbauteilen mit verbesserten Adhäsions- und Benetzungseigenschaften erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Verbesserung der Lackierbarkeit mit auf Wasser basierenden Lacken bzw. eine Verbesserung der Benetzbarkeit mit Klebstoffsystemen und eine bessere Haftung von Lacken bzw. eine verbesserte Haftung der Verklebung. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kunststoff verarbeitende Industrie in die Lage versetzt, Halbzeuge oder Bauteile aus Kunststoffen herzustellen, die einer Oberflächenveredlung direkt zugänglich sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zusätzliche Investitionen, Verfahrenskosten und Energie eingespart, da die Modifizierung unmittelbar von dem Kunststoffverarbeiter und nicht erst bei der Weiterverarbeitung durchgeführt wird. Eine Oberflächenvorbehandlung der Kunststoffprodukte entfällt. Die Kunststoffoberfläche muss nicht mit hochenergetischen und damit die Oberfläche angreifenden Verbindungen oder Strahlen behandelt werden. Technologische Schritte der Kunststoffverarbeitung können flexibler gestaltet werden, d.h. die Prozesskette wird flexibler.With the invention, a permanent surface modification of plastic components with improved adhesion and wetting properties is achieved in the application. The process according to the invention enables an improvement in the paintability with water-based paints or an improvement in the wettability with adhesive systems and better adhesion of paints or improved adhesion of the bond. On the basis of the method according to the invention, the plastics processing industry is enabled to manufacture semi-finished products or components from plastics that are directly accessible for surface finishing. The method according to the invention saves additional investment, process costs and energy, since the modification is carried out directly by the plastics processor and not only during further processing. Surface pretreatment of the plastic products is not required. The plastic surface does not have to be high-energy compounds or rays that attack the surface are treated. Technological steps in plastics processing can be designed more flexibly, ie the process chain becomes more flexible.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Formgebung durch Spritzgießen des Kunststoffsubstrates in eine Form mit vorgegebener Kavität erfolgt. Das Applizieren der chemischen Substanz erfolgt dadurch, dass die Oberfläche der Kavität mit der Substanz benetzt wird, bevor das Kunststoffsubstrat in die Form eingebracht wird. Vorzugsweise wird lediglich ein dünner Film der Substanz auf die Kavitätsoberfläche appliziert. Dabei können beispielsweise in einem flüchtigen Lösungsmittel gelöste Substanzen angewandt werden. Bei Kontakt der Kavitätsoberfläche mit geschmolzenem Kunststoffsubstrat diffundieren die Silane sehr schnell in die äußerste Oberflächenschicht des Ku nststoffsu bstrates.A preferred embodiment of the present invention provides that the shaping is carried out by injection molding the plastic substrate into a mold with a predetermined cavity. The chemical substance is applied by wetting the surface of the cavity with the substance before the plastic substrate is introduced into the mold. Preferably only a thin film of the substance is applied to the cavity surface. For example, substances dissolved in a volatile solvent can be used. When the cavity surface comes into contact with the molten plastic substrate, the silanes diffuse very quickly into the outermost surface layer of the plastic substrate.

Die Diffusionsgeschwindigkeit ist durch die hohe Temperatur und die geringe Dichte der Schmelze, im Vergleich zum erstarrten Kunststoff, erhöht. Nach dem Entformen kommt es, begünstigt durch die geringe Glasübergangstemperatur, zur Diffusion von Wassermolekülen in die Oberflächenschicht des Kunststoffsubstrates.The diffusion speed is increased by the high temperature and the low density of the melt compared to the solidified plastic. After removal from the mold, water molecules diffuse into the surface layer of the plastic substrate, favored by the low glass transition temperature.

Die Wassermoleküle können aus der Luftfeuchtigkeit stammen. Es ist auch möglich diesen Vorgang zu beschleunigen, indem mit Wasserdampf aufgedampft wird oder das erstarrte Kunststoffsubstrat in ein Wasserbad getaucht wird. In manchen Fällen ergibt sich dieser Prozessschritt zwanglos, wenn z.B. die weitere Verarbeitung der Oberfläche durch eine Lackierung mit wasserhaltigen Lacken geplant ist.The water molecules can come from the humidity. It is also possible to accelerate this process by evaporating with water vapor or by dipping the solidified plastic substrate in a water bath. In some cases, this process step is unconstrained, e.g. if the further processing of the surface is planned by painting with water-based paints.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht insbesondere vor, Alkoxysilan-Monomere als Modifikatorsubstanzen zu verwenden und diese auf der Oberfläche der Kavität eines Spritzgießwerkzeugs in einem dünnen Film zu applizieren. Dafür können die Silane auch in einem flüchtigen Lösungsmittel gelöst angewandt werden. Bei Kontakt mit der heißen Schmelze diffundieren die Alkoxysilane sehr schnell in die äußerste Oberflächenschicht.The method according to the invention provides in particular to use alkoxysilane monomers as modifier substances and to apply these to the surface of the cavity of an injection molding tool in a thin film. For this purpose, the silanes can also be used in solution in a volatile solvent. On contact with the hot melt, the alkoxysilanes diffuse very quickly into the outermost surface layer.

Als alternativer Prozess zur Formgebung ist die Extrusion des Kunststoffsubstrates einsetzbar. Bei der Extrusion wird das Kunststoffsubstrat in einem kontinuierlichen Verfahren durch eine speziell geformte Öffnung gepresst. Es entstehen Körper mit dem Querschnitt der Öffnung in beliebiger Länge. Dazu wird das Kunststoffsubstrat zunächst durch einen Extruder (auch Schneckenpresse genannt) aufgeschmolzen. Weiterhin wird im Extruder der für das Durchfließen der Düse notwendige Druck aufgebaut. Die Oberfläche des aus dem Extruder austretenden Kunststoffsubstrats wird mit der chemischen Substanz über eine Walze benetzt.The extrusion of the plastic substrate can be used as an alternative process for shaping. During extrusion, the plastic substrate is pressed through a specially shaped opening in a continuous process. Bodies with the cross-section of the opening in any length are created. To do this, the plastic substrate is first melted using an extruder (also known as a screw press). The pressure required to flow through the nozzle is also built up in the extruder. The surface of the plastic substrate emerging from the extruder is wetted with the chemical substance via a roller.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

  • 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Spritzgießen, die in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
  • 2 zeigt ein Blockschaltdiagramm, das die Verfahrensschritte zum Herstellen eines Kunststoffbauteils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Preferred exemplary embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying figures. Show it:
  • 1 Fig. 3 schematically shows an injection molding apparatus used in the preferred embodiment of the present invention;
  • 2 FIG. 3 shows a block circuit diagram which illustrates the method steps for producing a plastic component according to the preferred exemplary embodiment of the present invention.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung zum Spritzgießen umfasst zwei separate Bauteile. Zum einen umfasst die Vorrichtung eine Form 60, zweimal dargestellt, und eine Einspritzvorrichtung 70. Die Form 60 besitzt eine Kavität 50, die dazu vorgesehen ist, ein flüssiges Kunststoffsubstrat aufzunehmen. Die äußere Gestalt des herzustellenden Kunststoffbauteils entspricht der Form der Kavität 50. Als Kunststoffsubstrat wird bevorzugt ein Polyethylen wie beispielsweise PE-HD (Moplen HF 500 N) eingesetzt. Ferner ist eine Heizung 40 vorgesehen, die die Temperatur der Form auf einen vorbestimmten Wert regelt. Die Prozesstemperatur für die Form kann beispielsweise auf ca. 20 °C voreingestellt werden.In the 1 The illustrated device for injection molding comprises two separate components. On the one hand, the device comprises a mold 60 , shown twice, and an injector 70 . Form 60 has a cavity 50 which is intended to receive a liquid plastic substrate. The external shape of the plastic component to be produced corresponds to the shape of the cavity 50 . A polyethylene such as PE-HD (Moplen HF 500 N) is preferably used as the plastic substrate. There is also a heater 40 provided which regulates the temperature of the mold to a predetermined value. The process temperature for the mold can be preset to approx. 20 ° C, for example.

Die Einspritzvorrichtung 70 umfasst einen Trichter 20 zum Einfüllen des Kunststoffsubstrates. Das Kunststoffsubstrat wird vorzugsweise als Granulat in die Einspritzvorrichtung eingegeben. Im Inneren der Einspritzvorrichtung ist ein Hohlraum vorgesehen, in dem eine sogenannte Schnecke 10 platziert ist. Die Schnecke 10 befördert das Kunststoffgranulat zu einer Düse 30. Ferner sind am Rande des Hohlraumes Heizungen 40 vorgesehen, die das Kunststoffgranulat verflüssigen. Die Prozesstemperatur liegt üblicherweise über der Schmelztemperatur des Kunststoffsubstrates und beträgt bei Polyethylen ca. 220 °C. Über eine Düse 30 und einen Kanal 80 in der Form gelangt das verflüssigte Kunststoffsubstrat in die Kavität 50. Die Schnecke befördert das Kunststoffsubstrat, so dass das Kunststoffsubstrat unter hohem Druck in die Kavität 50 eingespritzt wird.The injector 70 includes a funnel 20th for filling the plastic substrate. The plastic substrate is preferably introduced into the injection device as granules. Inside the injection device a cavity is provided in which a so-called screw 10 is placed. The snail 10 conveys the plastic granulate to a nozzle 30th . There are also heaters at the edge of the cavity 40 provided that liquefy the plastic granulate. The process temperature is usually above the melting temperature of the plastic substrate and is approx. 220 ° C for polyethylene. Via a nozzle 30th and a channel 80 the liquefied plastic substrate enters the cavity in the mold 50 . The screw conveys the plastic substrate so that the plastic substrate enters the cavity under high pressure 50 is injected.

Das in 2 dargestellte Blockschaltbild stellt den Verfahrensablauf zur Herstellung des Kunststoffbauteils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.This in 2 The block diagram shown represents the process sequence for producing the plastic component according to a preferred exemplary embodiment of the present invention.

Im ersten Schritt 100 wird die Oberfläche der Kavität 50 mit der chemischen Substanz benetzt. Vorzugsweise wird Aminopropyltrimethoxysilan (APTMS) in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs als dünner Film appliziert. Im nächsten Schritt 200 wird das Kunststoffsubstrat zur Formgebung in die Kavität 50 gespritzt. Das Kunststoffsubstrat wird als Granulat über den Trichter 20 in die Einspritzvorrichtung und mittels der Schnecke 10 über die Düse 30 durch die Öffnung 80 mit hohem Druck in die Kavität gespritzt. Als Kunststoffsubstrat wird vorzugsweise ein Standardtyp von Polyethylen HD (Moplen HF 500 N) in die Kavität 50 der geschlossenen Form 60 eingespritzt. Das Einspritzen erfolgt unter Verwendung von Standardverarbeitungsbedingungen, beispielsweise bei einer Schmelzetemperatur von 220 °C für das Kunststoffsubstrat und einer Werkzeugtemperatur von 20 °C für die Form 60.In the first step 100 becomes the surface of the cavity 50 wetted with the chemical substance. Aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) is preferably applied as a thin film into the cavity of the injection molding tool. In the next step 200 the plastic substrate is used for shaping in the cavity 50 injected. The plastic substrate is as granules over the funnel 20th into the injector and by means of the screw 10 over the nozzle 30th through the opening 80 injected into the cavity at high pressure. A standard type of HD polyethylene (Moplen HF 500 N) is preferably inserted into the cavity as the plastic substrate 50 the closed form 60 injected. Injection takes place using standard processing conditions, for example a melt temperature of 220 ° C for the plastic substrate and a tool temperature of 20 ° C for the mold 60 .

In Schritt 300 erstarrt das Kunststoffsubstrat in der Form 60, bis es im Wesentlichen ein fester Körper ist. Die Form wird anschließend geöffnet und in Schritt 400 erfolgt die Applikation von Wasser. Nach dem Entformen wird das Kunststoffsubstrat für einige Minuten in Wasser oder einige Tage an Luft gelagert. Die Messung des Randwinkels gegenüber Wasser ergibt Werte unter 60 °, so dass eine Lackierung mit wasserbasierenden Lacken möglich wird.In step 300 the plastic substrate solidifies in the mold 60 until it is essentially a solid body. The form is then opened and in step 400 the application of water takes place. After demoulding, the plastic substrate is stored in water for a few minutes or in air for a few days. The measurement of the contact angle with respect to water results in values below 60 °, so that painting with water-based paints is possible.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird 1-[3-(Trimethoxysilyl)propyl]urea als chemische Substanz eingesetzt und auf die Oberfläche des Spritzgießwerkzeugs als dünner Film appliziert. Die weiteren Materialien und Verfahrensschritte entsprechen denen in Ausführungsbeispiel 1. Bei der Messung des Randwinkels gegenüber Wasser ergibt sich ein Wert von unter 60°. According to a further exemplary embodiment of the present invention, 1- [3- (trimethoxysilyl) propyl] urea is used as a chemical substance and applied to the surface of the injection molding tool as a thin film. The other materials and process steps correspond to those in embodiment 1. When measuring the contact angle with respect to water, a value of less than 60 ° results.

Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird 3-(2-Aminoethylamino)propyl-methyldimethoxysilan als chemische Substanz eingesetzt und ansonsten wie in Beispiel 1 verfahren. Der Randwinkel nach der Modifizierung beim Spritzgießen liegt bei unter 60°.According to a third exemplary embodiment of the present invention, 3- (2-aminoethylamino) propyl-methyldimethoxysilane is used as the chemical substance and the procedure is otherwise as in Example 1. The contact angle after modification in injection molding is less than 60 °.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
Schneckeslug
2020th
Trichterfunnel
3030th
Düsejet
4040
Heizungheater
5050
Kavitätcavity
6060
Formshape
7070
SpritzvorrichtungSpray device
8080
Kanalchannel
100100
Benetzen der Kavitätsoberfläche mit chemischer SubstanzWet the cavity surface with chemical substance
200200
Einspritzen des KunststoffsubstratesInjection of the plastic substrate
300300
Erstarren lassen des KunststoffsubstratesAllow the plastic substrate to solidify
400400
Applikation von Wasser auf die Oberfläche des erstarrten KunststoffsubstratesApplication of water to the surface of the solidified plastic substrate

Claims (9)

Verfahren zum Herstellen eines an der Oberfläche modifizierten Kunststoffbauteils während der Formgebung mit vorbestimmter Oberflächenbeschaffenheit, die ein Verbinden des Kunststoffbauteils mit anderen Stoffen, beispielsweise durch Lackieren, Bedrucken, Metallisieren oder Verkleben, erlaubt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Applizieren (100) einer chemischen Substanz auf die Oberfläche eines Werkzeugs, wobei die chemische Substanz hydrolysierbare Silane, insbesondere Alkoxysilane, Chlorsilane oder Silanester, oder Mischungen aus hydolysierbaren Silanen aufweist; b) Formgebung (200) eines plastisch verformbaren Kunststoffs durch Spritzgießen oder Extrusion, wobei die heiße Kunststoffoberfläche mit der Werkzeugoberfläche in Kontakt kommt; c) Erstarren lassen (300) des mit der Substanz behandelten Kunststoffs bis der Kunststoff ein fester Körper ist; und d) Applizieren (400) von Wasser auf die Oberfläche des erstarrten Kunststoffs.A method for producing a surface-modified plastic component during the shaping process with a predetermined surface quality which allows the plastic component to be connected to other substances, for example by painting, printing, metallizing or gluing, the method comprising the following steps: a) applying (100) a chemical substance to the surface of a tool, the chemical substance having hydrolyzable silanes, in particular alkoxysilanes, chlorosilanes or silane esters, or mixtures of hydrolyzable silanes; b) shaping (200) a plastically deformable plastic by injection molding or extrusion, the hot plastic surface coming into contact with the tool surface; c) allowing the plastic treated with the substance to solidify (300) until the plastic is a solid body; and d) applying (400) water to the surface of the solidified plastic. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils gemäß Anspruch 1, wobei die Formgebung (200) durch Spritzgießen des Kunststoffs in eine Form (60) mit vorgegebener Kavität (50) erfolgt; und das Applizieren (100) der Substanz auf die Oberfläche der Form erfolgt, indem die Oberfläche der Kavität (50) mit der Substanz benetzt wird, bevor der Kunststoff in die Form eingespritzt wird.Method for producing a plastic component according to Claim 1 wherein the shaping (200) takes place by injection molding of the plastic in a mold (60) with a predetermined cavity (50); and the substance is applied (100) to the surface of the mold by wetting the surface of the cavity (50) with the substance before the plastic is injected into the mold. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils gemäß Anspruch 2, wobei die Benetzung (100) der Kavität (50) mit der Substanz durch Spray-Coating erfolgt.Method for producing a plastic component according to Claim 2 , wherein the wetting (100) of the cavity (50) with the substance takes place by spray coating. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung (200) durch Extrusion des Kunststoffsubstrates erfolgt, wobei die Substanz auf eine Walze appliziert wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the shaping (200) takes place by extrusion of the plastic substrate, the substance being applied to a roller. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffbauteils nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zu applizierende Substanz polare Gruppen enthält.Method for producing a plastic component according to one of the preceding claims, wherein the substance to be applied contains polar groups. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zu applizierende Substanz hydrolysierbare Gruppen enthält.Method according to one of the preceding claims, wherein the substance to be administered contains hydrolyzable groups. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die hydolysierbaren Gruppen Alkoxygruppen, insbesondere Methoxygruppen oder Ethoxygruppen, sind.Procedure according to Claim 6 , the hydrolyzable groups being alkoxy groups, in particular methoxy groups or ethoxy groups. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kunststoff Polyolefin aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the plastic comprises polyolefin. Kunststoffbauteil mit vorbestimmter Oberflächenbeschaffenheit, die ein Verbinden des Kunststoffbauteils mit anderen Stoffen, beispielsweise durch Lackieren, Bedrucken, Metallisieren oder Verkleben, erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.Plastic component with a predetermined surface quality which allows the plastic component to be connected to other substances, for example by painting, printing, metallizing or gluing, characterized in that the plastic component is produced by a method according to one of the Claims 1 to 8th is made.
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