DE102019131521A1

DE102019131521A1 - Verfahren zum Beschichten eines Kunststoffbauteils und Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102019131521A1
Application number: DE102019131521.2A
Authority: DE
Inventors: Udo Steffl; Markus Hölzel; Mustafa Yildirim; Manfred Schwartz; Benedikt Hiller
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-05-27
Also published as: EP3825014A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Kunststoffbauteils (10) mit den folgenden Schritten:(A) Bestrahlen wenigstens einer Teilfläche (12) der Oberfläche (14) des Kunststoffbauteils (10) mit ultraviolettem Licht (30), wobei die Teilfläche (12) mit einer Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm2für eine Dauer von wenigstens 5 Sekunden bestrahlt wird, und(B) nach Schritt A Aufbringen wenigstens einer Schicht (16) eines Beschichtungsmittels (18) auf die Teilfläche (12).Die Erfindung betrifft auch Kunststoffbauteil (10) mit einer Beschichtung (26) hergestellt mit einem derartigen Verfahren.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Kunststoffbauteils. Die Erfindung betrifft ferner ein Kunststoffbauteil mit einer mit einem derartigen Verfahren hergestellten Beschichtung.
Verfahren zum Beschichten von Kunststoffbauteilen - wie-z.B. Kunststoffstoßfängern - mit einem Beschichtungsmittel -, wie z.B. insbesondere einem Lack - sind in zahlreichen Varianten bekannt und unterliegen ständigen Optimierungsprozessen vgl. hierzu z.B. die in der DE 10 2004 060 453 A1 , der DE 10 2004 060 481 A1 oder der DE 10 2014 002 438 offenbarten Verfahren. So ist man insbesondere in der industriellen Serienfertigung von beschichteten Kunststoffbauteilen auch bemüht die Haftung der Beschichtung auf dem jeweiligen Kunststoffbauteil zu erhöhen.
Zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten eines Kunststoffbauteils anzugeben, mit dem die Haftung der Beschichtung auf dem Kunststoffbauteil gegenüber bekannten Beschichtungsverfahren wesentlich erhöht werden kann.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten eines Kunststoffbauteils weist die folgenden Schritte auf:

(A) Bestrahlen wenigstens einer Teilfläche der Oberfläche des Kunststoffbauteils mit ultraviolettem Licht, wobei die Teilfläche mit einer Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² (dies entspricht also 20000 mal 10^-6 W/cm²) für eine Dauer von wenigstens 5 Sekunden bestrahlt wird bestrahlt wird, und
(B) nach Schritt A Aufbringen wenigstens einer Schicht eines Beschichtungsmittels auf die Teilfläche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zum Beschichten wenigstens einer Teilfläche der Oberfläche bzw. der gesamten Oberfläche des Kunststoffbauteils bzw. des zu beschichtenden Kunststoffbauteils.
In Schritt A wird wenigstens eine Teilfläche der Oberfläche des Kunststoffbauteils mit ultraviolettem Licht bestrahlt, wobei die Teilfläche mit einer Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² für eine Dauer von wenigstens 5 Sekunden bestrahlt wird bzw. wobei in Schritt A die Teilfläche mit ultraviolettem Licht mit einer Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² für eine Dauer von wenigstens 5 Sekunden bestrahlt wird. Es versteht sich, dass in Schritt A die Teilfläche oder die gesamte Oberfläche jeweils zur Gänze mit dem ultraviolettem Licht in der gemäß Schritt A vorgegebenen Intensität und Dauer bestrahlt wird. Oder in anderen Worten: Die Bestrahlung in Schritt A erfasst die Teilfläche bzw. die gesamte Oberfläche zur Gänze.
Es versteht sich, dass es sich bei der Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² gemäß Schritt A um die an der Teilfläche bzw. am Ort bzw. an den Orten der Teilfläche vorliegende Strahlungsintensität handelt, welche bekannterweise von der Strahlungsintensität abweicht, die im Abstand zu der Teilfläche vorliegt, wenn die Teilfläche mittels einer von der Teilfläche beabstandeten UV- Licht-Quelle bestrahlt wird. Bei der Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² gemäß Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich also um die an der Teilfläche vorliegende Strahlungsintensität (bzw. am Ort bzw. an den Orten der Teilfläche vorliegende Strahlungsintensität), die z.B. durch Messung der Strahlungsintensität und/oder durch Berechnung der Strahlungsintensität vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ihrem Werte nach eingestellt bzw. bereitgestellt werden kann. So könnte man z.B. die am Ort der Teilfläche bzw. an den Orten der Teilfläche vorliegende Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der gerätespezifischen Intensitätseinstellung der von der Teilfläche beabstandeten UV-Licht-Quelle messen und/oder aus der Abstrahlcharakteristik der verwendeten UV-Licht-Quelle berechnen.
In Schritt A wird die gesamte Oberfläche oder wenigstens eine Teilfläche der Oberfläche mit einer Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² für eine Dauer von wenigstens 5 Sekunden mit dem ultravioletten Licht bestrahlt. Es versteht sich, dass die Bestrahlung in der gemäß Schritt A vorgegebenen Intensität und Dauer sukzessive oder auf einmal vorgenommen werden kann. Bei einer sukzessiven Bestrahlung können Bereiche bzw. Abschnitte, die zusammen die gesamte Teilfläche bilden, jeweils für die Dauer von wenigstens 5 Sekunden zeitlich aufeinanderfolgend bestrahlt werden, z.B. unter Einsatz eines verfahrbaren Industrieroboters. Je nach Größe der zu bestrahlenden Teilfläche bzw. der gesamten Oberfläche wäre es jedoch auch möglich, die Teilfläche bzw. die gesamte Oberfläche mittes einer geeigneten UV-Licht-Quelle zur Gänze mit einer einzigen Bestrahlung bzw. mit einem einzigen Bestrahlungsvorgang, der wenigstens 5 Sekunden andauert, zu bestrahlen, sofern mit diesem einzigen Bestrahlungsvorgang die gesamte Oberfläche bzw. die gesamte Teilfläche erfasst wird.
Es hat sich experimentell - insbesondere durch Messungen von Kontaktwinkeln und dem hieraus berechneten dispersen und polaren Anteil der Oberflächenenergie der in Schritt A bestrahlten Teilfläche bzw. der in Schritt A bestrahlten gesamten Oberfläche (berechnet z.B. mit der bekannten Methode von Owens und Wendt) - gezeigt, dass die Haftbarkeit der Teilfläche für das Beschichtungsmittel (vgl. den Schritt B) infolge der gemäß Schritt A vorgenommen Bestrahlung mit dem ultraviolettem Licht wesentlich erhöht werden konnte, was sich an einer deutlichen Erhöhung des polaren Anteils der Oberflächenenergie zeigte, so dass also eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Beschichtung ein Haftung an dem Kunststoffbauteil aufweist, welche gegenüber einer mit einem bekannten Beschichtungsverfahren erzielbaren Haftung wesentlich erhöht ist bzw. wesentlich verbessert ist bzw. welche im Vergleich zu einer mit einem bekannten Beschichtungsverfahren erzielbaren Haftung wesentlich erhöht ist bzw. wesentlich verbessert ist.
In Schritt B erfolgt nach Schritt A das Aufbringen wenigstens einer Schicht eines Beschichtungsmittels auf die Teilfläche bzw. auf die gesamte Teilfläche bzw. auf die gesamte Oberfläche, so dass also nach Schritt A die Teilfläche bzw. die gesamte Oberfläche zur Gänze mit der Schicht bzw. der wenigstens einen Schicht bedeckt ist. Das Aufbringen der wenigstens einen Schicht kann mittels dem Fachmann bekannter üblicher Verfahren, insbesondere z.B. durch Aufsprühen, Gießen oder Rakeln, erfolgen. Bei dem Beschichtungsmittel kann es sich insbesondere z.B. um einen Lack handeln. Es hat sich experimentell bei Lackhaftungsprüfungen mit nachfolgenden Dampfstrahltest gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere bei einem Lack als Beschichtungsmittel eine gegenüber bekannten Lösungen deutlich erhöhte bzw. verbesserte Haftung bzw. Haftbarkeit realisiert werden kann. Dies belegen auch die nachfolgenden Beispiele. Die Schritte A und B des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich vorteilhaft besonders einfach realisieren und daher vorteilhaft ohne großen Aufwand als Prozess-Schritte in eine bestehende Serienfertigung integrieren.
Besonders bevorzugt kann die Teilfläche oder die gesamte Oberfläche des Kunststoffbauteils vor Schritt A und sowohl als auch nach Schritt A und/oder während des Schritts A auf eine Temperatur von wenigstens 50 Grad Celsius erwärmt werden, was vorteilhaft die positive Wirkung der Bestrahlung mit dem ultraviolettem Licht auf die Haftbarkeit erhöht, wie sich experimentell gezeigt hat. Die Erwärmung kann z.B. durch Bestrahlung der Teilfläche bzw. der gesamten Oberfläche des Kunststoffbauteils mit Infrarotstrahlung vorgenommen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt B eine erste Schicht eines ersten Beschichtungsmittels auf die Teilfläche aufgebracht und nach Schritt B werden die folgenden Schritte vorgenommen:

(C) Bestrahlen der in Schritt B auf die Teilfläche aufgebrachten ersten Schicht mit ultraviolettem Licht, wobei die erste Schicht mit einer Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² für eine Dauer von wenigstens 5 Sekunden bestrahlt wird, und
(D) nach Schritt C Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten Beschichtungsmittels auf die erste Schicht.

Infolge der bereits oben dargelegten positiven Wirkung der Bestrahlung gemäß Schritt A weisen die beiden gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten beiden Schichten eine hohe Haftung zu dem Kunststoffbauteil und untereinander auf. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist/sind das erste und/oder das zweite Beschichtungsmittel vorzugsweise ein Lack, der Acrylat aufweist oder aus Acrylat besteht. Es hat sich experimentell durch Lackhaftungsprüfungen mit Dampfstrahltest gezeigt , dass bei dieser bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere mit einem Lack, der Acrlyat aufweist oder aus Acrylat besteht, eine gegenüber bekannten Lösungen deutlich erhöhte bzw. verbesserte Haftung bzw. Haftbarkeit realisiert werden kann Dies belegen auch die nachfolgenden Beispiele.
Besonders bevorzugt wird Schritt B innerhalb von 2 bis 6 Minuten nach Abschluss von Schritt A vorgenommen. Die positiven Effekte der Verbesserung der Lackhaftung werden aber auch noch gefunden, wenn zwischen Schritt A und Schritt B ein Zeitraum von vier Wochen liegt.
Es versteht sich, dass das erste Beschichtungsmittel ein sich von dem zweiten Beschichtungsmittel unterscheidendes Beschichtungsmittel sein kann. Das erste Beschichtungsmittel kann aber auch identisch zu dem zweiten Beschichtungsmittel sein bzw. dass erste Beschichtungsmittel kann ein zu dem zweiten Beschichtungsmittel identisches Beschichtungsmittel sein.
Besonders bevorzugt ist das ultraviolette Licht bzw. das in Schritt A zum Bestrahlen der Teilfläche bzw. der gesamten Oberfläche verwendete Licht ein von einer Quecksilber-Niederdrucklampe erzeugtes ultraviolettes Licht. Mit einer Quecksilber-Niederdrucklampe kann die Aktivierung bzw. die Erhöhung des polaren Anteils der Oberflächenenergie deutlich besser als mit einer LED- Lampe, die nur mit einer Wellenlänge arbeitet, erreicht werden.
Insbesondere kann das ultraviolette Licht auch ein von einer Ultraviolett-Leuchtdiode und/oder ein von einem Ultraviolett-Laser erzeugtes ultraviolettes Licht sein ist. Mit diesen UV-Licht-Quellen können durch die spezifische Wellenlänge, Leistung, Abstand und Geschwindigkeit Vorteile in Bezug auf die Lackhaftung bzw. in Bezug auf die Erhöhung des polaren Anteils der Oberflächenenergie erzielt werden.
Insbesondere kann das Kunststoffbauteil ein thermoplastisches Kunststoffmaterial aufweisen oder aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehen. Ein thermoplastisches Kunststoffmaterial eignet sich insbesondere zur Spritzgussfertigung und/oder Extrusionsfertigung einer Vielzahl unterschiedlicher Kunststoffbauteile. Es hat sich experimentell, insbesondere durch Messungen von Kontaktwinkeln und dem hieraus berechnetem dispersen und polaren Anteil der Oberflächenenergie der in Schritt A bestrahlten Teilfläche bzw. der in Schritt A bestrahlten gesamten Oberfläche (berechnet z.B. mit der bekannten Methode von Owens und Wendt) gezeigt, dass insbesondere die Haftbarkeit der jeweiligen bestrahlten Fläche infolge der gemäß Schritt A vorgenommen Bestrahlung mit dem ultraviolettem Licht wesentlich erhöht werden konnte, was sich an einer deutlichen Erhöhung des polaren Anteils der Oberflächenenergie zeigte. Eine besonders hohe Haftbarkeit konnte für ein Kunststoffbauteil festgestellt werden, welches Polycarbonat aufweist oder aus Polycarbonat besteht. Insofern kann das thermoplastische Kunststoffmaterial, welches das Kunststoffbauteil vorzugsweise aufweisen kann oder aus welchem es vorzugsweise bestehen kann, besonders bevorzugt ein Polycarbonat bzw. ein Polykarbonat sein.
Es hat sich auch durch Messungen von Kontaktwinkeln und dem hieraus berechneten dispersen und polaren Anteil der Oberflächenenergie der in Schritt A bestrahlten Teilfläche bzw. der in Schritt A bestrahlten gesamten Oberfläche gezeigt, dass sich mit einer Wellenlänge des in Schritt A zum Bestrahlen verwendeten Lichts im Bereich von 150 nm (Nanometern) bis 450 nm (Nanometern) eine besonders hohe Haftbarkeit erzielen lässt, was sich an einer entsprechenden Erhöhung des polaren Anteils für diesen Wellenlängenbereich zeigte. Insofern weist das ultraviolette Licht besonders bevorzugt eine Wellenlänge innerhalb eines Bereichs von 350 nm (Nanometern) bis 450 nm (Nanometern) auf bzw. insofern weist das in Schritt A zum Bestrahlen verwendete ultraviolette Licht besonders bevorzugt eine Wellenlänge innerhalb eines Bereichs von 350 nm (Nanometern) bis 420 nm (Nanometern) auf. Insbesondere mit einer Wellenlänge von 365 nm (Nanometern) konnte in Versuchen eine sehr hohe Haftbarkeit erzielt werden.
Bei dem Kunststoffbauteil kann es sich um ein beliebiges Kunststoffbauteil handeln. Es kann sich z.B. um ein Kunststoffbauteil für ein Kraftfahrzeug handeln. Insbesondere kann das Kunststoffbauteil z.B. ein Stoßfänger für ein Kraftfahrzeug oder ein Heckspoiler für ein Kraftfahrzeug sein. Insofern kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere z.B. ein Verfahren zum Beschichten eines Stoßfängers für ein Kraftfahrzeug sein, welcher aus einem Kunststoffmaterial besteht. Insofern kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere z.B. auch ein Verfahren zum Beschichten eines Heckspoilers für ein Kraftfahrzeug sein, welcher aus einem Kunststoffmaterial besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann (allgemeiner) z.B. auch ein Verfahren zum Beschichten eines Kunststoffbauteils für ein Kraftfahrzeug sein.
Insbesondere kann es sich bei dem Kunststoffbauteil z.B. auch um einen Spoiler oder ein Kühlergitter oder einen Schweller für ein Kraftfahrzeug handeln, wobei es sich bei dem Kunststoffbauteil besonders bevorzugt auch um einen Stoßfänger für ein Elektrofahrzeug oder um einen Kühlergitterersatz für ein Elektrofahrzeug handeln kann, so dass also das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere auch zum Beschichten dieser beispielhaft aufgezählten Kunststoffbauteile verwendet bzw. eingesetzt werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kunststoffbauteil mit einer Beschichtung hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei einem derartigen Kunststoffbauteil besteht, wie bereits oben dargelegt, eine Haftung zwischen dem Kunststoffbauteil und der Beschichtung, die gegenüber einer mit einem bekannten Beschichtungsverfahren erzielbaren Haftung wesentlich erhöht ist bzw. wesentlich verbessert ist bzw. die im Vergleich zu einer mit einem bekannten Beschichtungsverfahren erzielbaren Haftung wesentlich erhöht ist bzw. wesentlich verbessert ist.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1A- 1C schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2A- 2F schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3A-3B Disperse und polare Anteile aus Kontaktwinkelmessungen berechneten Oberflächenenergien, und
4 eine Tabelle, in welcher die Ergebnisse von Versuchen zur Dampfstrahlprüfung nach Temperaturwechseltests zusammengefasst sind.

Das mittels der 1A bis 1C veranschaulichte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beschichten eines Kunststoffbauteils 10 weist die folgenden Schritte A (vgl. 1A) und B (vgl. 1B) auf:

(A) Bestrahlen einer Teilfläche 12 der Oberfläche 14 eines Kunststoffbauteils 10 mit ultraviolettem Licht 30, wobei die Teilfläche 12 mit einer Strahlungsintensität von 20000 µW/cm² bis maximal 200000 µW/cm² für eine Dauer von 5 Sekunden bis maximal 300 Sekunden bestrahlt wird (vgl. 1A), und
(B) nach Schritt A Aufbringen einer Schicht 16 eines Beschichtungsmittels 18 auf die Teilfläche 12 (vgl. 1B).

Beim dem Kunststoffbauteil 10 handelt es sich um ein Gitterersatzbauteil 10 für ein Elektrofahrzeug, das aus Polycarbonat oder einem Blend des Polycarbonats wenigstens teilweise oder zur Gänze besteht und nur sehr schematisch in Form einer Schnittdarstellung veranschaulicht ist. Zum Bestrahlen des Kunststoffbauteils 10 mit dem ultravioletten Licht mit der in Schritt A vorgegebenen Intensität und Dauer wird eine nur schematisch dargestellte Ultraviolett-Leuchtdiode 24 verwendet, die mittels eines nicht dargestellten Industrieroboters über die Teilfläche 12 gefahren wird, so dass die gesamte Teilfläche 12 mit der erwünschten Intensität und Dauer bestrahlt wird. Bei der Teilfläche 12 der Oberfläche bzw. der gesamten Oberfläche des Kunststoffbauteils 10 handelt es sich um eine Fläche 12, die unter anderem auch die Fläche der Vorderseite des Kunststoffbauteils 10 umfasst bzw. einschließt, welche im am Kraftfahrzeug angebrachten Zustand von außerhalb des Kraftfahrzeugs sichtbar ist. Die Wellenlänge des verwendeten ultravioletten Lichts beträgt 365 nm (Nanometer). Es versteht sich, dass die Teilfläche 12 alternativ zu dem hier angewendeten sukzessiven Bestrahlen - bei dem Bereiche bzw. Abschnitte, die zusammen die gesamte Teilfläche 12 bilden, jeweils für die Dauer von 5 Sekunden zeitlich aufeinanderfolgend mit der vorgegebenen Intensität bestrahlt werden -mittels einer geeigneten UV-Lichtquelle zur Gänze mit einer einzigen Bestrahlung bzw. mit einem einzigen Bestrahlungsvorgang, der 5 Sekunden andauert, bestrahlt werden kann.
Das Aufbringen der Schicht 16 des Beschichtungsmittels 18 auf die Teilfläche 12 erfolgt mittels einer Lackiereinrichtung 28, welche zum Aufbringen bzw. Auftragen der Schicht 16 auf die gesamte Teilfläche 12 mittels eines nicht dargestellten Industrieroboters über die Teilfläche 15 gefahren wird. Bei der Schicht 16 mit einer Dicke von ca. 15µm handelt es sich um eine Lackschicht 16 aus Acrylat, so dass es sich also bei dem Beschichtungsmittel 18 um einen aus Acrylat bestehenden Lack handelt.
Die 1C veranschaulicht das nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegende fertig beschichtete Kunststoffbauteil 10. Es handelt sich also bei dem Kunststoffbauteil 10 nach 1C um ein Kunststoffbauteil 10 mit einer Beschichtung 26 hergestellt mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bzw. es handelt sich also bei dem Kunststoffbauteil 10 nach 1C um ein Kunststoffbauteil 10, das eine Beschichtung 26 aufweist, die mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
Die 2A- 2F zeigen schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Schritt A (vgl. 2A und oben, Schritt A identisch zu Schritt A gemäß 1A) in Schritt B eine erste Schicht 16 eines ersten Beschichtungsmittels 18 auf die Teilfläche 12 aufgebracht (vgl. 2B und oben, Schritt B identisch zu Schritt B gemäß 1B) und nach Schritt B werden die folgenden Schritte C und D vorgenommen:

(C) Bestrahlen der in Schritt B auf die Teilfläche 12 aufgebrachten ersten Schicht 16 mit ultraviolettem Licht 30, wobei die erste Schicht 16 mit einer Strahlungsintensität von 20000 µW/cm² bis maximal 200000 µW/cm² für eine Dauer von 5 Sekunden bis maximal 300 Sekunden bestrahlt wird (vgl. 2D), und
(D) nach Schritt C Aufbringen einer zweiten Schicht 20 eines zweiten Beschichtungsmittels 22 auf die erste Schicht (16) (vgl. 2E).

Die Bestrahlung in den Schritten A und C erfolgt mit der gleichen bzw. derselben Ultraviolett-Leuchtdiode 24 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Auch das Aufbringen der Beschichtungsmittel 18, 22 in den Schritten B und D erfolgt mit der gleichen bzw. derselben Lackiereinrichtung 28 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, welche zum Aufbringen bzw. Auftragen der Schichten 16 und 20 auf die Teilfläche 12 bzw. auf die erste Schicht 16 mittels eines nicht dargestellten Industrieroboters über die gesamte Teilfläche 12 bzw. die gesamte erste Schicht 16 gefahren wird. Bei den Beschichtungsmitteln 18, 22 der Schichten 16, 20 handelt es, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, um einen aus Acrylat bestehenden Lack, so dass also die beiden Schichten 16, 20 Lackschichten aus Acrylat sind. Die Dicke der Lackschichten16, 20 beträgt ca. 15 µm. Das gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zu beschichtende Kunststoffbauteil 10 ist das gleiche bzw. dasselbe Kunststoffbauteil 10, wie das gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zu beschichtende Kunststoffbauteil 10.
Die 2F veranschaulicht das nach Abschluss des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegende fertig beschichtete Kunststoffbauteil 10. Es handelt sich also bei dem Kunststoffbauteil 10 nach 2F um ein Kunststoffbauteil 10 mit einer Beschichtung 26 hergestellt mit dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. es handelt sich also bei dem Kunststoffbauteil 10 nach 2F um ein Kunststoffbauteil 10, das eine Beschichtung 26 aufweist, die mit dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist.
Die 2C veranschaulicht noch den nach Durchführung des Schritts B und vor Durchführung des Schritts C vorliegenden Zustand des Kunststoffbauteils 10. In diesem Zustand ist das Kunststoffbauteil 10 fertig mit der ersten Schicht 16 beschichtet.
Die 3A und 3B zeigen disperse Anteile in Prozent (vgl. 3B) und polare Anteile in Prozent (vgl. 3A) der Oberflächenenergie (Einheit mN/m), die aus Kontaktwinkelmessungen nach der bekannten Methode von Owens und Wendt berechnet worden sind. Der linke Balken der 3A veranschaulicht hierbei den prozentualen polaren Anteil der Oberflächenenergie einer Teilfläche eines Kunststoffbauteils aus Polycarbonat, die nicht gemäß Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem ultravioletten Licht bestrahlt wurde. Der rechte Balken hingegen veranschaulicht den prozentualen polaren Anteil der Oberflächenenergie dieser Teilfläche des Kunststoffbauteils aus Polycarbonat, die gemäß Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem ultravioletten Licht bestrahlt wurde. Man erkennt eine sehr hohe Steigerung des prozentualen polaren Anteils (von 3,43 Prozent auf 13, 42 Prozent). Durch die Bestrahlung wurde der disperse Anteil der Oberflächenspannung dieser Teilfläche entsprechend gesenkt (von 96,57 Prozent auf 86,58 Prozent -vgl. 3B, dort veranschaulicht der linke Balken den dispersen prozentualen Anteil ohne Bestrahlung und der rechte Balken veranschaulicht den dispersen prozentualen Anteil mit Bestrahlung gemäß Schritt A). Die 3A und 3B zeigen, dass die Haftbarkeit der Teilfläche für ein Beschichtungsmittel infolge der gemäß Schritt A vorgenommenen Bestrahlung mit dem ultraviolettem Licht wesentlich erhöht werden konnte, was sich insbesondere an einer deutlichen Erhöhung des polaren Anteils der Oberflächenenergie zeigt, so dass also eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Beschichtung ein Haftung an einer Teilfläche des Kunststoffbauteil aus Polycarbonat aufweist, welche gegenüber einer mit einem bekannten Beschichtungsverfahren erzielbaren Haftung wesentlich erhöht ist bzw. wesentlich verbessert ist.
Es konnte insbesondere auch anhand von Dampfstahlprüfungen nach Temperaturwechseltests experimentell nachgewiesen werden, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Haftung der Beschichtung auf dem Kunststoffbauteil gegenüber bekannten Beschichtungsverfahren wesentlich erhöht werden kann. Die Dampfstahlprüfungen nach Temperaturwechseltests umfassend Ergebnisse, Versuchsbedingungen, Versuchsbauteile, Versuchsmittel und Durchführung sind nachfolgend beschrieben, wobei nachfolgend Teile als Gewichtsteile zu verstehen sind.
Als Versuchsbauteile wurden Kunststoffbauteile in Form von Platten bzw. Plättchen aus Polycarbonat verwendet, und zwar aus einem Polycarboant (Abkürzung „PC“) des Typs Makrolon AP 2677, erhalten von Covestro AG (in Fig. nachfolgend auch kurz PC-Mak genannt).
Bei den Versuchen erfolgte eine Beschichtung der Kunststoffbauteile aus dem Polycarbonat mit folgenden Beschichtungsmitteln:

• Wörwag Haftprimer schiefergrau leitfähig, erhalten von KARL WÖRWAG Lack- und Farbenfabrik GmbH & Co KG
• Basislack Schwarz uni MB 9040, erhalten von BASF Coatings
• Wörwag Hochglanzklarlack 11141, erhalten von KARL WÖRWAG Lack- und Farbenfabrik GmbH & Co KG
• Peter-Lacke Iridium silber matt Einschichtlack, erhalten von Peter-Lacke GmbH
• Mankiewicz Ink Jet Tinte CYCONJET-LED-Ink 680-05, erhalten von Mankiewicz GmbH & Co KG
• WW Einheitshärter, erhalten von KARL WÖRWAG Lack- und Farbenfabrik GmbH & Co KG.

Bei den ersten fünf Beschichtungsmitteln handelt es sich um Rohstoffe für Lacke. Bei dem letzten Beschichtungsmittel handelt es sich um ein Additiv bzw. Additive.
Die Zubereitung des Primers und des Isocyanats erfolgte folgendermaßen:

Es wurden 100 Teile Wörwag Haftprimer schiefergrau leitfähig und 10 Teile WW Einheitshärter kurz vor Primerapplikation mit 600 U.p.m (Umdrehungen pro Minute) und einer dem Fachmann bekannten Rührscheibe für 3 min gemischt.

Die Zubereitung des Klarlacks und des Isocyanats erfolgte folgendermaßen:

Es wurden 100 Teile Hochglanzklarlack 11141 und 35 Teile WW Einheitshärter kurz vor Klarlackapplikation mit 600 U.p.m. (Umdrehungen pro Minute) und einer dem Fachmann bekannten Rührscheibe für 3 min gemischt.

Die Plättchen bzw. Kunststoffbauteile bzw. deren Teilfläche bzw. gesamte Oberfläche wurden in Abstand von 60 mm mit einer Hg-Niederdrucklampe bei einer Wellenlänge von 285 nm für eine Dauer von 5 Sekunden bis maximal 300 Sekunden bestrahlt, so dass an der Teilfläche bzw. Oberfläche des jeweiligen Plättchens eine Strahlungsintensität von 20000 µW/cm² bis maximal 200000 µW/cm² vorlag. Nach dieser Bestrahlung bzw. Aktivierung wurden die Plättchen bzw. deren Teilflächen bzw. Oberflächen in Abhängigkeit der Beispiele mit Primer, Basislack und Klarlack in dieser Reihenfolge (also erste Schicht: Primer, zweite Schicht: Basislack, dritte Schicht: Klarlack) unter folgenden Bedingungen beschichtet:

Primer: Wörwag Haftprimer schiefergrau leitfähig wurde im Kreuzgang mit einer Pistole so gespritzt, dass eine Schichtdicke von 12 µm erreicht wurde. Es wurde für 25 min bei 85 °C getrocknet und dann wurde in Abhängigkeit der Beispiele der Basislack aufgetragen.
Basislack: Basislack schwarz uni MB 9040 wurde im Kreuzgang mit einer Pistole so gespritzt, dass die Schichtdicke von 15 µm erreicht wurde. Es wurde für 20 min bei 85°C getrocknet und dann wurde der Hochglanzklarlack aufgetragen.
Hochglanzklarlack: Wörwag Hochglanzklarlack 11141 wurde im Kreuzgang mit der Pistole so gespritzt, dass die Schichtdicke von 35 µm erreicht wurde. Es wurde für 30 min bei 85 °C getrocknet.
Einschichtlack: Einschichtlack Peter-Lacke Iridium silber matt wurde im Kreuzgang mit der Pistole so gespritzt, dass die Schichtdicke von 35 µm erreicht wurde. Es wurde für 30 min bei 85°C getrocknet.
Inkjet Druck: Die Mankiewicz Ink Jet Tinte CYCONJET-LED-Ink 680-05 wurde auf der Maschine bei Mankiewicz von FPT Prototyp je nach Beispiel auf das Poylcarbonat aufgebracht mittels einer UV-LED Lampe bei 395 nm gepinnt und mit einer Hg-Niederdrucklampe endgehärtet.

Nach Reifung wurden lacktechnische Prüfungen durchgeführt. Die beschichteten Platten wurden somit folgenden Tests unterzogen:
Dampfstrahlprüfung (HDW)
Die Abkürzung „HDW“ leitet sich von dem Begrifft „Hochdruckwasserstrahl“ ab. Dieser Test, also die Dampfstrahlprüfung (HDW) dient zur Prüfung der Lackhaftung von decklackierten oder beschichteten Kunststoffaußenteilen und zur Delaminationsprüfung.
Durchführung:

A Probenvorbereitung: plan, Größe > 5 x 13 cm (bauteil- und geometrieabhängig), Ausnahmen möglich
B Beschädigung: Andreaskreuz (in Anlehnung an DIN 55662 1. Ritz >12 cm, 2. Ritz >5 cm)
C Positionierung: starr, deckend über einen Ritz, Strahlzentrum über Schnittpunkt des Andreaskreuz, Positionierung Probekörper und Dampfstrahllanze wurden während gesamter Prüfung fixiert
D Prüfung: Probekörper wurde mit vorgegebenen Prüfparametern (Volumenstrom, Temperatur, Strahllänge und -breite, DIN 55662) belastet.
E Auswertung: visuelle Begutachtung unter Vergleich mit Standardbildern
F Bewertung: Auswertung erfolgte mittels Vergleich mit Standardbildern der DIN 55662, dabei ist:
- Kennwert 0 und 1 = grün,
- Kennwert 2 = gelb,
- Kennwert 3 bis 5 = rot.

Hierbei kennzeichnet der Kennwert 0 einen hervorragenden Wert. Der Kennwert 1 kennzeichnet einen sehr guten Wert. Der Kennwert 2 kennzeichnet einen guten Wert und der Kennwert 3 kennzeichnet einen befriedigenden Wert.
Prüfparameter: Prüfparameter nach DIN 55662 Verfahren B
Der Gerätedruck wurde mit einer vorgeschriebenen Düse so geregelt, dass der vorgegebene Volumenstrom eingehalten wurde. Auf eine Angabe des Prüfdrucks wurde bewusst verzichtet, da dieser über den Volumenstrom und die Prüfdüse definiert ist.
Schnittgerät: Für alle Werkstoffe Ritzstichel nach Sikkens, Klinge 1 mm. Mögliche Hersteller Fa. Erichsen oder Fa. mtv Messtechnik.
Prüfdüse:

Hersteller: Spraying Systems GmbH
Paul-Strähle-Straße 10
73614 Schorndorf
Tel. 07181/40970
Bezeichnung: PowerWashJet
Bestellnummer: ¼ PMEG-2506
Beruhigungsstrecke: linear, min. 30 cm vor Düse
Strahlbild: siehe DIN 55662
Strahlkraftverteilung: trapezförmig, keine Druckspitzen

Die Ergebnisse der Dampfstrahlprüfung nach Temperaturwechseltest (HDW nach TWT) sind in der Tabelle nach 4 zusammengefasst. Die Prüfdauer waren 3 Zyklen. Jeder Zyklus bestand aus 15 h bei 105 °C, 30 min bei 23 ± 2 °C; 8 h bei -40 °C und 30 min bei 23 ± 2 °C, daran folgte anschließend die oben beschriebene Dampfstrahlprüfung. Die Ergebnisse der Dampfstrahlprüfung nach dem Temperaturwechseltest sind in der Tabelle nach 4 zusammengefasst. Es wurde fünffach bestimmt, also z.B. an fünf Platten bzw. an fünf Plättchen aus dem Polycarbonat.
Die Ergebnisse - vgl. hierbei die entsprechenden Kennwerte in der Tabelle nach 4 - zeigen: Die erfindungsgemäße Bestrahlung der Teilflächen bzw. gesamten Oberflächen des Kunststoffs bzw. Kunststoffbauteils, also der Platten bzw. Plättchen aus dem Polycarbonat (PC) mit dem ultraviolettem Licht verbessert bzw. erhöht die Haftung bzw. die Grundhaftung bei einer Beschichtung mit drei Schichten - hier also Primer (erste Schicht), Basislack (zweite Schicht) und Klarlack bzw. Hochglanzklarlack (dritte Schicht) - im Vergleich zu einem bekannten konventionellen Lackierprozess, bei dem die drei Schichten aufgetragen werden ohne eine erfindungsgemäße Bestrahlung mit dem ultraviolettem Licht vorzusehen (vgl. in der Tabelle nach 4 die Versuche 1 und 2, wobei in der ganzen Tabelle unter „PC unbehandelt“ jeweils ein Versuch zu verstehen ist, bei dem keine erfindungsgemäße Bestrahlung mit dem ultraviolettem Licht erfolgte).
Die erfindungsgemäße Bestrahlung mit dem ultraviolettem Licht verbessert auch die Haftung bzw. Grundhaftung von sogenannten „Primerless-Applikationen“, und zwar im Vergleich zu einem bekannten konventionellen Lackierprozess, bei dem zwei Schichten bzw. zwei Lackschichten aufgetragen werden ohne eine erfindungsgemäße Bestrahlung mit dem ultraviolettem Licht vorzusehen (vgl. in der Tabelle nach 4 die Versuche 5 und 6).
Bezugszeichenliste

10: Kunststoffbauteil
12: Teilfläche
14: Oberfläche
16: Schicht (erste)
18: Beschichtungsmittel (erstes)
20: Schicht (zweite)
22: Beschichtungsmittel (zweites)
24: Ultraviolett-Leuchtdiode
26: Beschichtung
28: Lackiereinrichtung
30: Ultraviolettes Licht

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 102004060453 A1 [0002]
DE 102004060481 A1 [0002]
DE 102014002438 [0002]

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Kunststoffbauteils (10) mit den folgenden Schritten: (A) Bestrahlen wenigstens einer Teilfläche (12) der Oberfläche (14) des Kunststoffbauteils (10) mit ultraviolettem Licht (30), wobei die Teilfläche (12) mit einer Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² für eine Dauer von wenigstens 5 Sekunden bestrahlt wird, und (B) nach Schritt A Aufbringen wenigstens einer Schicht (16) eines Beschichtungsmittels (18) auf die Teilfläche (12).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt B eine erste Schicht (16) eines ersten Beschichtungsmittels (18) auf die Teilfläche (12) aufgebracht wird und wobei nach Schritt B die folgenden Schritte vorgenommen werden: (C) Bestrahlen der in Schritt B auf die Teilfläche (12) aufgebrachten ersten Schicht (16) mit ultraviolettem Licht (30), wobei die erste Schicht (16) mit einer Strahlungsintensität von wenigstens 20000 µW/cm² für eine Dauer von wenigstens 5 Sekunden bestrahlt wird, und (D) nach Schritt C Aufbringen einer zweiten Schicht (20) eines zweiten Beschichtungsmittels (22) auf die erste Schicht (16).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste und/oder das zweite Beschichtungsmittel (18, 22) ein Lack ist, der Acrylat aufweist oder aus Acrylat besteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das ultraviolette Licht ein von einer Quecksilber-Niederdrucklampe erzeugtes ultraviolettes Licht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das ultraviolette Licht ein von einer Ultraviolett-Leuchtdiode (24) und/oder ein von einem Ultraviolett-Laser erzeugtes ultraviolettes Licht ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kunststoffbauteil (10) ein thermoplastisches Kunststoffmaterial aufweist oder aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das thermoplastische Kunststoffmaterial ein Polycarbonat ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das ultraviolette Licht (30) eine Wellenlänge innerhalb eines Bereichs von 150 nm (Nanometer) bis 450 nm (Nanometer) aufweist.
Kunststoffbauteil (10) mit einer Beschichtung (26) hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.