DE102013208235A1

DE102013208235A1 - Verfahren zum Sprühbeschichten

Info

Publication number: DE102013208235A1
Application number: DE102013208235.5A
Authority: DE
Inventors: Norbert Nicolai; Volkmar Schulze; Thomas Karcz; Sergej Kohlert; Joachim Meyke; Holger Schaarschmidt; Toni Nippe; Christian Urban
Original assignee: KraussMaffei Berstorff GmbH; HP Pelzer Holding GmbH
Current assignee: Adler Pelzer Holding GmbH
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2014-11-06
Also published as: EP2994242B1; CN105339095A; RU2015152031A; EP2994242A1; WO2014180817A1; US20160108511A1; KR20160007551A; RU2650520C2

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Sprühbeschichten von Substratoberflächen, das es ermöglicht, unterschiedliche thermoplastisch verarbeitbare Werkstoffe auf verschiedenste Oberflächen mittels der Sprühtechnologie aufzutragen.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Sprühbeschichten von Substratoberflächen, das es ermöglicht, unterschiedliche thermoplastisch verarbeitbare Werkstoffe auf verschiedenste Oberflächen mittels Sprühtechnologie aufzutragen.
Zur Herstellung dünnwandiger, flächiger Bauteile oder beispielsweise Isolationen auf Textilien sind die unterschiedlichsten Verfahren bekannt. Diese Verfahren unterscheiden sich je nach Anwendung in der Formqualität, dem Material, einer Dickenverteilung über das Substrat (Bauteil) und der Technologie selbst.
Bekannt sind die Verfahren des Tiefziehens, Vakuumtiefziehens und Pressens zur Verarbeitung von Folien zu Formteilen bzw. Einzelschichten. Bei der Herstellung von flächigen Bauteilen mittels dieser Verfahren ist eine lokale Massenverteilung durch die Deformation der Folie bestimmt und kann nicht definiert eingestellt werden. Aus diesem Grund sind dann zum Beispiel so hergestellte Isolationen schwerer als sie aus akustischer, funktionaler Sicht benötigt werden. Dies behindert speziell in Fahrzeugen einen angestrebten Leichtbau.
Zur stofflichen Abdichtung werden Folien auf die unterschiedlichsten Substrate durch Aufkleben oder Aufschmelzen aufgebracht.
Zur partiellen Schallisolation werden aus akustischer Sicht sogenannte Schwerschichtfolien auf Teppich- oder Stirnwandbereiche aufgelegt, wo sie ankleben oder einschmelzen.
Bekannt sind weitere Verfahren zur Erzeugung von dünnen, flächigen Bauteilen für Kraftfahrzeuge, wie Schwerschichtbauteile für akustische Isolationsbauteile, unter anderem Stirnwände, die durch Spritzguss von thermo- und duroplastischen Materialien hergestellt werden.
Das Spritzgießen (Thermoplast-Spritzgießen, oder Duroplast-Spritzgießen (Reaction Injection Moulding, RIM)) gestattet die Herstellung von Bauteilen mit unterschiedlichen, definierten Flächengewichten. Der hohe Invest der Anlagen wie auch der Werkzeuge begrenzt diese Verfahren auf hohe Stückzahlen.
Für das RIM-Verfahren besteht zusätzlich das Problem, dass das einzusetzende Material, beispielsweise Polyurethan, teuer ist und nicht rezykliert werden kann. Speziell für Isolationsbauteile in Fahrzeugen ist durch die Werkzeuggeometrie die Masseverteilung für alle Aufbauten festgelegt. Dies verhindert auch die gezielte akustische Optimierung einzelner Fahrzeugtypen (Motorvarianten) innerhalb einer Baureihe, die aus akustischer Sicht wünschenswert wäre.
Bekannt sind weiter Verfahren zur Herstellung solcher flächiger Bauteile mittels Sintern von Pulver. Das Pulver wird auf ein warmes Abformwerkzeug aufgebracht, wo es durch Sintern eine Kunststoffschicht bildet, anschließend abgekühlt und das Bauteil entnommen wird. Diese Technologie ist zeit-, Werkzeug- und energieintensiv. Damit bleibt dieses Verfahren auf die Herstellung hochwertige Bauteile, wie Slushhäute beschränkt.
Bekannt sind Verfahren zur Beschichtung wie auch die Herstellung flächiger Bauteile mittels Sprühen. Das Sprühen thermoplastischer Kunststoffe geschieht entweder aus der Schmelze mittels einer oder mehrerer Düsen oder über „kaltes“ Kunststoffpulver mittels Erwärmung über eine Flamme während der Flugphase und einem Trägergas oder direkt durch eine heiße Umgebung während der Flugphase. Diese Verfahren haben jedoch sehr geringe Durchsätze und sind bedingt zur Beschichtung von temperaturbeständigen Substraten geeignet. Bei einer Beschichtung von Textilien würden die hohen Temperaturen das Textilmaterial zerstören, bevor etwas aufgetragen ist.
Das Sprühverfahren findet auch Anwendung bei der Pulverregenerierung. In der DE 10 2005 050 890 A1 wird ein Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Nanokomposites beschrieben, bei dem die Trennung von Extraktions- und gegebenenfalls Dispersionsmittel von einer Polymerschmelze durch das Hochdrucksprühverfahren erfolgt. Hierbei erstarren die Polymertröpfchen schlagartig infolge der bei der Entspannung des hohen Druckniveaus auf Umgebungsdruck stattfindenden starken Abkühlung. Dabei entstehen die Nanokomposite.
Als Schwerschicht zum Sprühen sind vernetzende Systeme auf PUR-Basis im Einsatz. Ausführungen finden sich hierzu in der DE 101 61 600 A1 und der DE 10 2005 058 292 A1 . Diese Materialien sind sehr preisintensiv und nicht rezyklierbar.
Weiterhin sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Kunststoffstrang auf einer -meist vorbehandelten Substratoberflächeabgelegt wird. In EP 0 524 092 B2 wird ein Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Artikels mit einem ausgeformten Profilstrang beschrieben. Hierbei wird der Profilstrang durch einen Extrusionskopf, der mit dem Extruder über einen beheizten flexiblen Druckschlauch verbunden ist, erzeugt und abgelegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die unterschiedlichsten thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoffe in gewünschter, definierter Weise auf verschiedenartige Substratoberflächen aufgebracht werden können.
Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Sprühbeschichten von Substratoberflächen, wobei man

(a) einen thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoff in einem ersten Schritt aufschmilzt und damit verflüssigt,
(b) den schmelzflüssigen Werkstoff mit einem Trägergas unter Druck setzt,
(c) ein aus dem schmelzflüssigen Werkstoff und dem Trägergas entstehendes Gemisch durch eine oder mehrere Düsen presst und
(d) den entstehenden Sprühstrahl mit dem schmelzflüssigen Werkstoff auf die Substratoberfläche richtet, wobei der Werkstoff tropfenförmig im fließfähigen Zustand auf die Substratoberfläche auftrifft, eine kontinuierliche Beschichtung auf der Substratoberfläche ausbildet und anschließend erstarrt.

Der Kern der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass ein thermoplastisch verarbeitbarer Werkstoff alleine oder als Compound in einer Mischung mit anderen thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoffen, mit oder ohne Füllstoffe in einem Extruder aufgeschmolzen wird, mit einem anorganischen Trägergas unter definierten Druck gesetzt, durch eine oder mehrere Lochdüsen als Gemisch gepresst, auf Atmosphärendruck entspannt und erst auf der Substratoberfläche abgekühlt wird.
In einer speziellen Ausführung wird ein Compound in einem Doppelschneckenextruder direkt gemischt. In einer weiteren Ausführung schließt sich beispielsweise an diesen Doppelschneckenextruder ein Einschneckenextruder oder eine Schmelzepumpe an.
Als Materialen zum Versprühen sind praktisch alle thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoffe einsetzbar, unabhängig davon, ob sie als Homopolymer oder als Compound, ungefüllt oder mit nichtschmelzenden Stoffen gefüllt, vorliegen. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung sind thermoplastisch verarbeitbare Werkstoffe, wie Einstoff-Polymere, Co- und Terpolymere als auch thermoplastisch verarbeitbare Elastomere, insbesondere ausgewählt aus, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamid (PA), Polyactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC) einschließlich deren Copolymere und Compounds, die gegebenenfalls weitere Bestandteile, insbesondere Füllstoffe enthalten. In einer speziellen Ausführungsform auch können mit hohem Anteil an Gas und einer damit verbundenen Viskositätsverringerung Hochleistungswerkstoffe wie beispielsweise PEEK versprüht werden. Die Menge der Füllstoffe kann in weiten Bereichen frei variiert werden, wobei die Menge der Füllstoffe vorzugsweise 80 Gew. %, bezogen auf den Werkstoff nicht überschreiten sollte, da der Zusammenhalt der Beschichtung sonst nicht gewährleistet werden kann.
Die Füllstoffe können anorganischer Natur oder Polymere selbst, die bei Verarbeitungstemperatur nicht schmelzen, wie z B. Gummi sein, wobei die Füllstoffe keine Vorzugsrichtung besitzen. Des Weiteren können als Füllstoffe anorganische Kurzfasern, polymere Fasern mit einer höheren Schmelztemperatur als die Verarbeitungstemperatur des Werkstoffs oder des Compounds sowie natürliche Fasern eingesetzt werden. .
Durch die Änderung der Mischung über den Sprühvorgang, des thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoffes und/oder des Füllstoffes selbst, sowie des Verhältnisses von thermoplastisch verarbeitbarem Werkstoff zu Füllstoff, kann ein schichtweise unterschiedlicher Materialaufbau erzeugt werden.
Als Trägergas bieten sich inerte, insbesondere anorganisch Gase oder Gasgemische an. Besonders bevorzugt im Sinne der Erfindung wird beispielsweise Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder Luft einsetzt.
Das Trägergas wird bevorzugt in einem Gewichtsverhältnis von thermoplastisch verarbeitbarem Werkstoff zu Trägergas im Bereich von 100 zu 0,1 Gewichtsteilen bis 100 zu 30 Gewichtsteilen, insbesondere 100 zu 0,3 bis 100 zu 15 Gewichtsteilen eingesetzt. Vorzugsweise wird ein Sprühstrahl mit einem Druck von 10 bis 500 bar, insbesondere 20 bis 400 bar versprüht.
Mit steigendem Druck verringert sich die Tröpfchengröße; der Materialauftrag wird dadurch homogener. Mit steigendem Druck kühlt das jedoch das Material beim Expandieren und Entspannen stärker ab. Dies führt materialabhängig dazu, dass kein Verbund mit der Substratoberfläche mehr erzielt wird. In diesem Fall muss dann ein erwärmtes Gas zur Druckerzeugung zugeführt werden oder für eine entsprechende Temperaturführung während der Flugphase der Tröpfchen gesorgt werden.
Die Düsen befinden sich beispielsweise an einem flexiblen Druckrohr und können mittels Roboter so über die Substratoberfläche bewegt werden, dass ein vollständiger Auftrag mit Material möglich ist. Die Düse(n) selbst ist (sind) beispielsweise als Lochdüse(n) ausgebildet mit 1 bis 50 Öffnungen, bevorzugt 5 bis 20 Öffnungen, mit einem Durchmesser von 0,1 mm–10 mm, bevorzugt jedoch 0,5 mm–2 mm oder Öffnungen mit einer äquivalenten Querschnittsfläche definierter Lochgeometrie der genannten Öffnungsdurchmesser. Zum zusätzlichen Erwärmen kann heiße Luft eingebracht werden.
Auch können Schlitzdüsen zum Einsatz kommen, mit den Abmessungen 0,1–3,0 × 3–30 mm, bevorzugt 0,5–2,0 × 5–10 mm; auch hierbei können mehrere Schlitzdüsen im Sprühkopf angeordnet sein.
Ausführungsbeispiel:
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert. Anwendung fanden handelsübliche Extruder KraussMaffei Bernstorff ZE40 Ax29D und KE90x30D in Reihe geschaltet; jeweils ausgerüstet mit speziell ausgelegten Schnecken. Das Werkzeug war ein Einfachrohrkopf mit 24 Lochdüsen von jeweils 1,1 mm Lochdurchmesser, zweireihig angeordnet.
Als thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoff wurde ein Compound von 75 Gew. % anorganischer Füllstoff (Schwerspat) und 25 Gew. % eines Kunststoffgemisch aus PE/EVA, Weißöl, Fließadditiv und Temperaturstabilisierer in Granulatform angewendet. Die Ausstoßleistung betrug 90 kg/h und die Gasmenge lag bei 1,1 kg/h CO₂. Als Substratoberfläche diente ein handelsübliches verpresstes Mischfaservlies.
Mit diesen Einstellungen wurde ein gutes Sprühverhalten erzielt und eine biegeweiche Kunststoffschicht auf der textilen Oberfläche hergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005050890 A1 [0011]
DE 10161600 A1 [0012]
DE 102005058292 A1 [0012]
EP 0524092 B2 [0013]

Claims

Verfahren zum Sprühbeschichten von Substratoberflächen, wobei man (a) einen thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoff in einem ersten Schritt aufschmilzt und damit verflüssigt, (b) den schmelzflüssigen Werkstoff mit einem Trägergas unter Druck setzt, (c) ein aus dem schmelzflüssigen Werkstoff und dem Trägergas entstehendes Gemisch durch eine oder mehrere Düsen presst und (d) den entstehenden Sprühstrahl mit dem schmelzflüssigen thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoff auf die Substratoberfläche richtet, wobei der Werkstoff tropfenförmig im fließfähigen Zustand auf die Substratoberfläche auftrifft, eine kontinuierliche Beschichtung auf der Substratoberfläche ausbildet und anschließend erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastisch verarbeitbare Werkstoff, ausgewählt ist aus Einstoff-Polymeren, Co- und Terpolymeren oder thermoplastisch verarbeitbaren Elastomeren insbesondere Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamid (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC) einschließlich deren Copolymere und Compounds, der gegebenenfalls weitere Bestandteile, insbesondere Füllstoffe enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Menge an Füllstoffen von 0 bis zu 80 Gew. %, bezogen auf den thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoff einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff anorganischer Natur ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff als anorganische Kurzfaser vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff polymere Fasern mit höherer Schmelztemperatur als die Verarbeitungstemperatur des Compounds aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff natürliche Fasern umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man im Verlauf des Sprühvorgangs die Mischung, den thermoplastisch verarbeitbaren Werkstoff und / oder den Füllstoff selbst, sowie das Gewichtsverhältnis von thermoplastisch verarbeitbarem Werkstoff zu Füllstoff variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man als Trägergas Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder Luft einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Sprühstrahl mit Gewichtsverhältnis von thermoplastisch verarbeitbarem Werkstoff zu Trägergas im Bereich von 100 zu 0,1 Gewichtsteilen bis 100 zu 30 Gewichtsteilen, insbesondere 100 zu 0,3 bis 100 zu 15 Gewichtsteilen einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Sprühstrahl mit einem Druck von 10 bis 500 bar, insbesondere 20 bis 400 bar einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man 1 bis 50, insbesondere 5 bis 20 Düsen mit unterschiedlichen Austrittsquerschnittsflächen einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man das Gemisch durch Loch- und/oder Schlitzdüsen presst.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass man Lochdüsen mit gleichem der verschiedenen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 10 mm, insbesondere 0,5 bis 2 mm oder Austrittsöffnungen mit vergleichbarer Querschnittsfläche einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass man Schlitzdüsen mit gleichem der verschiedenen Querschnitten von 0,1 bis 3 mm × 3 bis 30 mm, insbesondere 0,5 bis 2 mm × 5 bis 10 mm einsetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet dass die kontinuierliche Beschichtung porös oder in sich geschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Substrat einsetzt, das ausgewählt ist aus Textilien oder einer Werkzeugkavität mit oder ohne Oberflächenstruktur.