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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
dekorativen Bauteils, dessen Oberfläche ganz oder teilweise einen
Verbundwerkstoff aufweist, bestehend aus einem Polymer und einer
darauf befindlichen metallischen Schicht, sowie dessen Verwendung.
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Gegenstände mit
einer Oberfläche,
die einen Verbundwerkstoff, bestehend aus einem Polymer und einer
darauf befindlichen metallischen Schicht, aufweist, sind bekannt.
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Im
Allgemeinen gibt es zwei verschiedene Arten solcher Gegenstände:
Zum
einen solche, bei denen mindestens eine Metallschicht durch ein
außenstromloses
Galvanisierverfahren direkt auf die Kunststoffoberfläche abgeschieden
wird. Das Einsatzgebiet solcher Gegenstände ist aufgrund der geringen
Haftfestigkeit der außenstromlos
aufgebrachten Metallschicht stark eingeschränkt und liegt fast ausschließlich im
dekorativen Bereich, wie z.B. verchromte Gegenstände aus ABS (Acryl/Butadien/Styrol-Kunststoffe)
oder Polymerblends, insbesondere als Zierleisten, Duschköpfe, Kühlergrill
von Automobilen und Kaffeekannen. Nachteilig ist weiterhin, dass
nur eine sehr eingeschränkte
Materialwahl möglich
ist, vor allem was die Wahl des Polymers anbetrifft, wenn ganz bestimmte
optische Effekte erzielt werden sollen, wie beispielsweise ein Edelstahl-Look, ein Aluminium-Look
oder ein Erscheinungsbild einer mattierten Metalloberfläche.
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Zum
anderen ist die Verwendung solcher Verbundwerkstoffe für dekorative
Bauteile, wie beispielsweise Gehäuse
von Mobiltelefonen, bekannt, bei denen die auf der Kunststoffoberfläche befindliche
Metallschicht durch Aufdampfen von Metall auf Kunststoff in einem
Vakuum (CVD/PVD-Verfahren) hergestellt wird. Hiermit werden geschlossene
metallische Beschichtungen auf nichtmetallische Substrate, wie beispielsweise
Kunststoffe, aufgebracht. Prinzipbedingt hat dieses Verfahren den
Nachteil, dass einerseits keine Gegenstände mit größeren Abmessungen im industriellen
Maßstab
wirtschaftlich hergestellt werden können und andererseits die Metallschichten
eine Dicke von maximal 3 μm
haben. Darüber
hinaus werden Gegenstände
mit Vertiefungen oder Hohlräumen
nicht vollständig
metallisiert und die Metallschicht hat nur eine sehr geringe Haftfestigkeit,
so dass ihre Verwendung für
mechanisch beanspruchte Gegenstände überhaupt
nicht möglich
ist.
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Aus
dem Artikel „Metallisierte
Polyamid-Spritzgußteile" von G.D. Wolf und
F. Finger in „Kunststoffe", (1989) Heft 5 S.
442-447, ist bekannt, Polyamid-Oberflächen metallisch zu beschichten.
Zur Aktivierung werden spezielle organische Palladiumkomplexe verwendet.
Die Verwendung von elementarem Palladium ist nicht möglich. Ebenfalls
ist eine Mikrostrukturierung der Oberfläche nicht offenbart, die Polyamidoberflächen werden
vor der Aktivierung chemisch gebeizt.
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Die
DE 197 29 891 A1 offenbart
ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von Kunststoffoberflächen. Die dort
beschriebenen Verfahren weisen keinen Behandlungsschritt zwischen
der Mikrostrukturierung und der Metallisierung auf. Auch sind keine
Haftfestigkeiten genannt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die
so erhaltenen Oberflächen
eine erhebliche Streuung der Haftfestigkeiten aufweisen.
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In
der
DE 38 87 365 T2 sind
Zusammensetzungen aus aromatischen Polysulfonharzen mit sehr guten Metallisierungsverhalten
beschrieben. Die hier offenbarten Poylsulfonharze werden im Spritzguss
geformt, die Oberfläche
wird durch herkömmliches Ätzen mit
Chrom-Schwefelsäure
vorbehandelt und die Metallschicht wird außenstromlos aufgetragen. Dabei
werden die so metallisierten Platten ausschließlich zur Herstellung von gedruckten
Schaltungsplatten für
die Elektronikindustrie verwendet (vgl. Seite 1, Zeilen 17, 20 bis
21 und 24, sowie Seite 4, Zeilen 1 bis 2). Die Mikrostrukturierung
von Kunststoffoberflächen
ist nicht offenbart.
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Aus
der
DE 42 117 12 A1 ist
vorbekannt, PET-Filme für
ferromagnetische Metalldünnschichten
herzustellen. Dabei wird der PET-Film mittels UV-Bestrahlung mit
einem speziellen Excimer-Laser vorbehandelt, bevor die Metallschicht
mit Hilfe eines PVD-Verfahrens
aufgedampft wird. Eine außenstromlose
Metallisierung oder die Mikrostrukturierung von Kunststoffoberflächen ist
nicht offenbart. Ebensowenig sind Werte zur Haftfestigkeit der metallischen
Schicht angegeben.
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Die
DE 41 01 650 A1 zeigt
spezielle Polyproplyenfolien, die nach Bedampfung mit Aluminium
oder Zink als Elektroisolierfolie in der Kondensatorherstellung
verwendet werden. Eine außenstromlose
Metallisierung oder die Mikrostrukturierung von Kunststoffoberflächen ist
nicht offenbart.
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In
der
DE 198 49 661
A1 und in der
DE
197 23 468 A1 sind Lebensmittelverpackungen offenbart,
bei denen die Polyesterfolien durch die bekannten Bedampfungsverfahren
metallisiert werden. Eine außenstromlose
Metallisierung oder die Mikrostrukturierung von Kunststoffoberflächen ist
nicht offenbart.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens
für ein
dekoratives Bauteil, dessen Oberfläche ganz oder teilweise einen
Verbundwerkstoff aus einem Kunststoff und einer Metallschicht aufweist,
das die zuvor geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwindet
und in industriellem Maßstab
herstellbar ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung eines dekorativen Bauteils, dessen
Oberfläche
ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff aufweist, wobei der Verbundwerkstoff
aus einem nichtmetallischen Substrat, enthaltend mindestens ein
Polymer, und einer darauf befindlichen außenstromlos abgeschiedenen
metallischen Schicht besteht, wobei das Verfahren folgende Schritte
umfasst:
- – Mikrostrukturierung
der Oberfläche
des ein Polymer enthaltenden Substrats durch eine Strahlbehandlung derart,
dass die der Metallisierung zugewandte Oberfläche des ein Polymer enthaltenden
Substrats eine Rauhigkeit mit einem Rz-Wert
von höchstens
35 μm und
mit einem Ra-Wert von höchstens 5 μm aufweist,
- – Behandlung
der mikrostrukturierten Oberfläche
vor dem Metallisieren mit einem Gemisch aus entionisiertem Wasser
und Butylglykol;
woher eine Haftfestigkeit der außenstromlos
abgeschiedenen metallischen Schicht von mindestens 4 N/mm2 resultiert.
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Die
Haftfestigkeiten (angegeben in N/mm2) der
erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe
werden ausschließlich
anhand des Stirnzugversuchs nach DIN 50160 bestimmt:
Der Stirnzugversuch
(senkrechter Zugtest) nach DIN 50160 wird seit Jahren zur Prüfung von
Halbleitern, der Bestimmung der Haft-Zugfestigkeit thermisch gespritzter
Schichten und bei verschiedenen Beschichtungstechnologien eingesetzt.
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Für die Bestimmung
der Haftfestigkeit im Stirnzugversuch wird der zu prüfende Schicht/Substrat-Verbund
zwischen zwei Prüfstempeln
verklebt und unter einachsiger zügiger
Kraft bis zum Bruch belastet (vgl.
1). Ist
die Haftfähigkeit
des Klebstoffs größer als
die der Beschichtung und erfolgt der Bruch zwischen Schicht und
Substrat, so kann nach Gleichung
(mit σ
H exp:
experimentell erfassbare Haftfestigkeit, F
max:
Maximalkraft beim Bruch des Verbundes und A
G:
geometrische Bruchfläche)
die Haftfestigkeit berechnet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Standardabweichung der Haftfestigkeit an sechs verschiedenen, über die
Oberfläche
des Verbundwerkstoffes verteilten Messwerte von höchstens
25 % des arithmetischen Mittelwerts auf.
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Die
angegebene Gleichmäßigkeit
der Haftfestigkeit ermöglicht
die Verwendung von Gegenständen
mit einem Verbundwerkstoff als dekorative Bauteile in besonderer
Weise. So weisen die Gegenstände
eine erhöhte
Alltagstauglichkeit auf und sind so verschleißbeständig, dass auch ganz neue Einsatzgebiete
erschlossen werden können.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird ein Verfahren eingesetzt, dessen Verbundwerkstoff ein nichtmetallisches
Substrat aufweist, das zugleich die Oberfläche des Gegenstands ist. Bevorzugt
basieren diese Oberflächen
auf einem polymeren Werkstoff. Als besonders bevorzugt sind faserverstärkte Kunststoffe, Thermoplaste
und andere, industriell verwendete Polymere zu nennen.
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Gleichermaßen ist
es aber auch möglich,
solche Verfahren einzusetzen, bei denen das nichtmetallische Substrat
nicht die Oberfläche
des Gegenstands ist. So kann der aus dem Verfahren resultierende
Gegenstand aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff bestehen,
der mit einem nichtmetallischen Substrat überzogen ist, das mindestens
ein Polymer enthält.
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Beispiele
hierfür
sind ein lackiertes Emblem aus Aluminium, welches selektiv metallisiert
ist oder ein Metallgehäuse,
welches mit einem Pulverlack überzogen
ist, und teilweise metallisiert ist.
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Der
Rz-Wert ist ein Maß für die durchschnittliche vertikale
Oberflächenzerklüftung. Der
Ra-Wert
ist ein messtechnisch reproduzierbares Maß für die Rauhigkeit von Oberflächen, wobei
Profil-Ausreißer
(d.h. extreme Täler
oder Hügel)
durch die Flächenintegration
weitgehend unberücksichtigt
bleiben.
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Zur
Bestimmung der Rauhigkeitswerte Ra und Rz wird aus einem erfindungsgemäßen Gegenstand eine
Probe entnommen und es wird ein Querschliff gemäß der nachfolgend angeführten Methode
angefertigt.
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Bei
der Querschliffanfertigung besteht die besondere Schwierigkeit,
dass die Grenzfläche
zwischen Substrat und Oberfläche
durch die Bearbeitung sehr schnell zerstört oder abgelöst werden
kann. Um dies zu vermeiden, wird bei jeder Querschliffanfertigung
eine neue Trennscheibe der Firma Struer Typ 33TRE DSA Nr. 2493 verwendet.
Darüber
hin aus muss darauf geachtet werden, dass der Anpressdruck, der von
der Trennscheibe auf die Substratbeschichtung übertragen wird, so gerichtet
ist, dass die Kraft von der Beschichtung aus in Richtung Substrat
verläuft.
Bei der Trennung ist darauf zu achten, dass der Anpressdruck so
gering wie möglich
gehalten wird.
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Die
zu untersuchende Probe wird in eine transparente Einbettmasse (Epofixkitt,
erhältlich
von der Firma Struer) gegeben. Die eingebettete Probe wird an einer
Tischschleifmaschine der Firma Struer, Typ KNUTH-ROTOR-2 geschliffen.
Dabei werden verschiedene Schleifpapiere mit Siliziumcarbid und
unterschiedlichen Körnungen
verwendet. Die genaue Reihenfolge ist wie folgt:
| Körnung | Zeit |
1.
Schleifbehandlung | P800 | ca.
1 min |
2.
Schleifbehandlung | P1200 | ca.
1 min |
3.
Schleifbehandlung | P2400 | ca.
30 sec |
4.
Schleifbehandlung | P4000 | ca.
30 sec |
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Während des
Schleifvorgangs wird Wasser eingesetzt, um die Schleifpartikel abzutransportieren.
Die Tangentialkraft, die am Querschnitt auftritt und durch Reibung
entsteht, wird so gerichtet, dass die metallische Schicht gegen
das nichtmetallische Substrat gedrückt wird. So wird wirksam verhindert,
dass sich die metallische Schicht sich beim Schleifvorgang von dem
nichtmetallischen Substrat ablöst.
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Anschließend wird
die so behandelte Probe mit einem motorbetriebenen Präparationsgerät des Typs DAP-A
der Firma Struer poliert. Dabei wird nicht der übliche Probenbeweger verwendet,
vielmehr wird die Probe ausschließlich von Hand poliert. Je
nach zu polierendem Substrat wird eine Drehzahl zwischen 40 bis
60 U/min und eine Anpresskraft zwischen 5 und 10 N angewandt.
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Der
Querschliff wird anschließend
einer REM-Aufnahme unterzogen. Für
die Bestimmung der Grenzlinienvergrößerung wird die Grenzlinie
der Schicht zwischen nichtmetallischem Substrat und metallischer Oberfläche bei
10.000-facher Vergrößerung bestimmt.
Zur Auswertung wird das Programm OPTIMAS der Firma Wilhelm Mikroelektronik
verwendet. Als Ergebnis werden X-Y-Wertepaare ermittelt, die die
Grenzlinie zwischen Substrat und Schicht beschreiben. Zur Bestimmung
der Grenzlinienvergrößerung im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Strecke von mindestens
100 μm erforderlich.
Dabei ist der Verlauf der Grenzlinie mit mindestens 10 Messpunkten
pro μm zu
bestimmen. Die Grenzlinienvergrößerung bestimmt
sich aus dem Quotienten von wahrer Länge durch geometrische Länge. Die
geometrische Länge
entspricht dem Abstand der Messstrecke, das heißt zwischen dem ersten und
letzten Messpunkt. Die wahre Länge
ist die Länge
der Linie, die durch alle aufgenommenen Messpunkte verlauft.
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Der
Oberflächenrauheitswert
Ra bestimmt sich nach der Norm DIN 4768/ISO
4287/1 ebenfalls unter der Verwendung der zuvor aufgenommenen X-Y-Wertepaare.
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Gemäß einer
weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird ein nichtmetallisches Substrat behandelt, dass mindestens
ein faserverstärktes
Polymer, insbesondere ein Kohlenstofffaser verstärktes Polymer, enthält und wobei
der Durchmesser der Faser weniger als 10 μm beträgt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung eines dekorativen Bauteils, dessen
Oberfläche
ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff aufweist, wobei der Verbundwerkstoff
aus einem nichtmetallischen Substrat und einer darauf befindlichen
außenstromlos
abgeschiedenen metallischen Schicht besteht, wobei das nichtmetallische
Substrat mindestens ein faserverstärktes. Polymer, insbesondere
ein Glasfaser verstärktes
Polymer, enthält
und der Durchmesser der Faser mehr als 10 μm beträgt, und wobei das Verfahren
folgende Schritte umfasst:
- – Mikrostrukturierung der Oberfläche des
ein Polymer enthaltenden Substrats durch Strahlbehandlung derart,
dass die der Metallisierung zugewandte Oberfläche des ein Polymer enthaltenden
Substrats eine Rauhigkeit mit einem Rz-Wert
von höchstens
100 μm und
mit einem Ra-Wert von höchstens 10 μm aufweist,
- – Behandlung
der mikrostrukturierten Oberfläche
vor dem Metallisieren mit einem Gemisch aus entionisiertem Wasser
und Butylglykol;
woher eine Haftfestigkeit der außenstromlos
abgeschiedenen metallischen Schicht von mindestens 4 N/mm2 resultiert.
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Sofern
die Verbundwerkstoffe nicht nur thermischen Beanspruchungen unterliegen
sondern auch mechanischen werden besonders bevorzugt verstärkte Kunststoffe
eingesetzt, insbesondere Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe (CFK), Glasfaser
verstärkte
Kunststoffe (GFK), auch durch Aramitfasern verstärkte Kunststoffe oder Mineralfaser
verstärkte
Kunststoffe.
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Mit
der Verwendung dieser Gegenstände
wird eine hohe Steifigkeit der resultierenden Bauteile bei geringem
Gewicht erzielt, die aufgrund ihrer geringen Kosten für den industriellen
Einsatz besonders interessant sind wie z.B. Bauteile für den Kabinenbereich
von Flugzeugen. Insbesondere Glasfaser verstärkte Polymere als Bestandteil
des nichtmetallischen Substrates, die Fasern mit einem Durchmesser
größer als
10 μm aufweisen, sind
sehr preiswert und gut zu verarbeiten. Der Faserdurchmesser hat
einen großen
Einfluss auf die Rauhigkeitswerte, so dass bei solchen Werkstoffen
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Rauhigkeitswert Ra von höchstens
10 μm erzielt
wird. Gleichzeitig ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, ausgezeichnete
Werte für
die Haftfestigkeit zu erzielen. Darüber hinaus weisen die erfindungsgemäß hergestellten
Gegenstände
eine hohe Gleichmäßigkeit
der Haftung auf. Dies ermöglicht
erstmals, die Lebensdauer für
das dekorative Bauteil deutlich zu erhöhen. Denn bereits eine lokale
Delamination des Schichtenverbundes führt zu einem Versagen des gesamten
Bauteils. Besonders gravierend ist der Vorteil bei Bauteilen mit
einer durch den Schichtenverbund bedeckten Oberfläche von
mehr als 10 dm2, also bei großen Bauteilen
bzw. Bauteilen mit einer großen
Oberfläche.
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Gerade
für den
Einsatz von faserverstärkten
Polymeren, deren Faserstärke
mehr als 10 μm
beträgt, ist
es wichtig, möglichst
geringe Rz-Werte zu erzielen. Bei dieser
Kombination ist es überraschenderweise möglich, hohe
Haftfestigkeiten bei – im
Verhältnis
den verwendeten großen
Faserdurchmessern – geringen Rz-Werten zu erzielen.
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Das
Polymer des nichtmetallischen Substrats ist in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ausgewählt
aus der Gruppe von Polyamid, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Epoxidharzen,
Polyetheretherketon, Polyoxymethylen, Polyformaldehyd, Polyacetal,
Polyurethan, Polyetherimid, Polyphenylsulfon, Polycarbonat und Polyimid.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann die metallische Schicht eine Haftfestigkeit von mindestens
12 N/mm2 aufweisen.
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Gleichermaßen kann
das Polymer des nichtmetallischen Substrats in einer anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung aber auch ausgewählt sein aus Polypropylen oder
Polytetrafluorethylen.
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In
den Fällen,
in denen die nichtmetallische Schicht entweder Polypropylen und/oder
Polytetrafluorethylen enthält,
werden Haftfestigkeiten von mindestens 4 N/mm2 erzielt.
Dies stellt einen ausgezeichneten Wert dar, insbesondere in Verbindung
mit der hohen Gleichmäßigkeit
der Haftfestigkeit, die bisher nicht erzielt werden konnte.
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Besonders
bevorzugt sind erfindungsgemäße Ausführungsformen,
bei denen eine Standardabweichung der Haftfestigkeit sechs verschiedener, über die
Oberfläche
des Schichtenverbundes verteilten Messwerte von höchstens
25 %, insbesondere höchstens
15 %, des arithmetischen Mittelwerts erhalten wird.
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Auf
diese Weise ist eine noch höhere
mechanische Beanspruchbarkeit der resultierenden Bauteile gewährleistet.
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Gemäß einer
weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die außenstromlos
abgeschiedene Metallschicht eine Metalllegierung oder Metalldispersionsschicht.
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Auf
diese Weisen können
erstmals Gegenstände
mit einem Verbundwerkstoff als dekorative Bauteile hergestellt werden,
die eine ausgezeichnete Haftung der metallischen Schicht auf dem
nichtmetallischen Substrat aufweisen. Auch die Gleichmäßigkeit
der Haftung der metallischen Schicht spielt eine wesentliche Rolle für die Eignung
der Gegenstände
als stark beanspruchte Bauteile. Eine gezielte Auswahl des nichtmetallischen
Substrates und der darauf befindlichen metallischen Schicht ermöglicht eine
exakte Anpassung des Eigenschaftsprofils an die Bedingungen des
Einsatzgebietes.
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Besonders
bevorzugt wird auf das nichtmetallische Substrat des erfindungsgemäß verwendeten
Gegenstands als außenstromlos
abgeschiedene Metallschicht eine Kupfer-, Nickel- oder Goldschicht
aufgebracht.
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Es
kann aber auch eine außenstromlos
abgeschiedene Metalllegierung oder Metalldispersionsschicht aufgebracht
werden, bevorzugt eine Kupfer-, Nickel- oder Goldschicht mit eingelagerten
nichtmetallischen Partikeln. Dabei können die nichtmetallischen
Partikel eine Härte
von mehr als 1.500 HV aufweisen und ausgewählt sein aus der Gruppe von
Siliziumcarbid, Korund, Diamant und Tetraborcarbid.
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Diese
Dispersionsschichten weisen somit neben den zuvor beschriebenen
Eigenschaften weitere Funktionen auf, beispielsweise kann die Verschleißbeständigkeit
oder Oberflächenbenetzung
der verwendeten Gegenstände
verbessert werden.
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Ebenfalls
bevorzugt können
die nichtmetallischen Partikel reibungsvermindernde Eigenschaften
aufweisen und ausgewählt
sein aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen, Molybdänsulfid,
kubisches Bornitrid und Zinnsulfid.
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Die
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Gegenstände
weisen als Verbundwerkstoff zunächst
ein nichtmetallisches Substrat auf, das mindestens ein Polymer enthält. Zur
Herstellung des Verbundwerkstoffes gemäß der Erfindung wird die Oberfläche des
nichtmetallischen Substrates in einem ersten Schritt mittels einer
Strahlbehandlung mikrostrukturiert. Das verwendete Verfahren ist
zum Beispiel in der
DE
197 29 891 A1 beschrieben. Als Strahlmittel werden besonders
verschleißbeständige, anorga nische
Partikel verwendet. Bevorzugt handelt es um Kupfer-Aluminiumoxid
oder Siliziumcarbid. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
dass das Strahlmittel eine Partikelgröße zwischen 30 und 300 μm aufweist.
Dort ist weiterhin beschrieben, dass auf die so aufgerauhten Oberflächen eine
Metallschicht aufgebracht werden kann mittels einer außenstromlosen
Metallabscheidung.
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Wie
bereits die Verfahrensbezeichnung aussagt, wird bei der außenstromlosen
Metallabscheidung während
des Beschichtungsprozesses keine elektrische Energie von außen zugeführt, sondern
die Metallschicht wird ausschließlich durch eine chemische
Reaktion abgeschieden. Die Metallisierung von nichtleitenden Kunststoffen
in einer chemisch reduktiv arbeitenden Metallsalzlösung benötigt einen
Katalysator an der Oberfläche,
um an diesem das metastabile Gleichgewicht des Metallreduktionsbades
zu stören
und an der Oberfläche
des Katalysators Metall abzuscheiden. Dieser Katalysator besteht
aus Edelmetallkeimen wie Palladium, Silber, Gold und vereinzelt
Kupfer, die auf der Kunststoffoberfläche aus einem Aktivatorbad
angelagert werden. Bevorzugt wird, verfahrenstechnisch begründet, jedoch
eine Aktivierung mit Palladiumkeimen.
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Im
wesentlichen erfolgt die Aktivierung der Substratoberfläche in zwei
Schritten. In einem ersten Schritt wird das Bauteil in eine kolloidale
Lösung
(Aktivatorbad) eingetaucht. Dabei werden die für eine Metallisierung notwendigen,
bereits in der Aktivatorlösung
vorhandenen Palladiumkeime an der Kunststoffoberfläche adsorbiert.
Nach der Bekeimung wird durch Spülen
in einer alkalischen, wäßrigen Lösung (Konditionierung)
das sich beim Eintauchen in die kolloidalen Lösung zusätzlich gebildete Zinn-II- bzw.
Zinn-IV-Oxidhydrat aufgelöst
und dadurch der Palladiumkeim freigelegt. Nach dem Spülen kann
mit chemischen Reduktionsbädern
vernickelt oder verkupfert werden.
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Dies
erfolgt in einem durch einen Stabilisator im metastabilen Gleichgewicht
gehaltenen Bad, welches sowohl das Metallsalz als auch das Reduktionsmittel
enthält.
Die Bäder
für die
Nickel- bzw. Kupferabscheidung haben die Eigenschaft, die in ihnen
gelösten
Metallionen an den Keimen zu reduzieren und elementares Nickel oder
Kupfer abzuscheiden. Im Beschichtungsbad müssen sich die beiden Reaktionspartner
den Edelmetallkeimen an der Kunststoffoberfläche nähern. Durch die hierdurch stattfindende
Redoxreaktion entsteht die Leitschicht, wobei die Edelmetallkeime
dabei die Elektronen des Reduktionsmittels aufnehmen und sie bei
Annäherung
eines Metallions wieder abgeben. Bei dieser Reaktion wird Wasserstoff
freigesetzt. Nachdem die Palladiumkeime mit Nickel bzw. Kupfer überzogen
wurden, übernimmt
die aufgebrachte Schicht die katalytische Wirkung. Dies bedeutet,
dass die Schicht von den Palladiumkeimen aus zusammenwächst, bis
sie völlig
geschlossen ist.
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Exemplarisch
wird an dieser Stelle auf die Abscheidung von Nickel eingegangen.
Beim Beschichten mit Nickel wird die bekeimte und konditionierte
Kunststoffoberfläche
in ein Nickelmetallsalzbad eingetaucht, welches in einem Temperaturbereich
zwischen 82°C
und 94°C
eine chemische Reaktion zulässt.
Der Elektrolyt ist im allgemeinen eine schwache Säure mit
einem pH-Wert, der zwischen 4,4 und 4,9 liegt.
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Die
aufgebrachten dünnen
Nickelüberzüge können mit
einer elektrolytisch abgeschiedenen Metallschicht verstärkt werden.
Eine Beschichtung von Bauteilen mit Schichtendicken > 25 μm ist aufgrund
der niedrigen Abscheidungsgeschwindigkeit chemischer Beschichtungsprozesse
nicht wirtschaftlich. Weiterhin können mit den chemischen Beschichtungsprozessen
nur wenige Beschichtungswerkstoffe abgeschieden werden, so dass
es vorteilhaft ist, für
weitere technisch wichtige Schichtwerkstoffe auf elektrolytische
Verfahren zurückzugreifen.
Ein weiterer wesentlicher Punkt sind die unterschiedlichen Eigenschaften
chemisch und elektrolytisch abgeschiedener Schichten bei Schichtstärken > 25 μm , beispielsweise
Einebnung, Härte
und Glanz. Die Grundlagen der elektrolytischen Metallabscheidung
sind in B. Gaida, „Einführung in
die Galvanotechnik", E.G.
Leuze-Verlag, Saulgau, 1988 oder in H. Simon, M. Thoma, „Angewandte
Oberflächentechnik
für metallische
Werkstoffe", C.
Hanser-Verlag, München
(1985) beschrieben.
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Kunststoffteile,
die durch einen außenstromlosen
Beschichtungsprozess eine elektrisch leitende Schicht aufweisen,
unterscheiden sich hinsichtlich der elektrolytischen Metallisierung
nur unwesentlich von denen der Metalle. Trotzdem sollten einige
Punkte bei der elektrolytischen Metallisierung von metallisierten Kunststoffen
nicht außer
acht gelassen werden. Aufgrund der meist geringen Leitschichtstärke muss
die Stromdichte zu Beginn der elektrolytischen Abscheidung reduziert
werden. Wird dieser Punkt nicht beachtet, kann es zum Ablösen und
zum Verbrennen der Leitschicht kommen. Ferner sollte darauf geachtet
werden, dass störende
Anlaufschichten mit speziell dafür
geeigneten Dekapierbädern
entfernt werden. Weiterhin können
Eigenspannungen zum Zerstören
der Schicht führen.
Bei der Abscheidung von Nickelschichten aus einem ammoniakalischen
Bad können
beispielsweise Zugspannungen in der Größenordnung von 400 bis 500
MPa auftreten. Durch Zusätze,
wie Saccharin und Butindiol, kann eine Veränderung der Struktur der Nickelüberzüge in Form
einer veränderten
Korngröße und Bildung
von Mikrodeformationen den Abbau von inneren Spannungen begünstigen,
was sich auf ein mögliches
vorzeitiges Versagen bei der Beschichtung positiv auswirken kann.
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Beispiele
für außenstromlos
aufgebrachte Metallschichten sind in dem Handbuch der Firma AHC Oberflächentechnik
ausführlich
beschrieben („Die
AHC-Oberfläche" Handbuch für Konstruktion
und Fertigung, 4. Auflage, 1999).
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Auf
der metallischen Schicht können
noch eine oder mehrere Schichten, insbesondere metallische, keramische
sowie vernetzte oder gehärtete
Polymerschichten angeordnet sein.
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So
ist es zum Beispiel möglich,
auf einer außenstromlos
abgeschiedenen Nickelschicht als metallische Schicht der vorliegenden
Erfindung eine weitere, elektrolytisch abgeschiedene Nickelschicht
aufzubringen und darauf eine Chromschicht abzuscheiden. Die elektrolytische
Abscheidung der zweiten Nickelschicht wird vorgenommen, um größere Schichtdicken
kostengünstig
herstellen zu können.
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Des
weiteren können
die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Gegenstände
als metallische Schicht eine Kupferschicht aufweisen, auf die anschließend eine
weitere Kupferschicht aufgebracht werden kann. Anschließend wird
zum Beispiel eine Goldschicht auf die bereits vorhandenen Metallschichten
appliziert. Solche Beschichtungen können ihre Anwendung zum Beispiel
zur Herstellung vergoldeter Armaturen, beispielsweise im Sanitär- oder
Automobilbereich, finden.
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Auch
können
die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellten Gegenstände
eine Nickelschicht als metallische Schicht aufweisen, auf die eine
weitere Nickelschicht aufgebracht wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine
hohe Steifigkeit der resultierenden Kunststoffteile zu erreichen
und so eine Anwendung für
mechanisch stark beanspruchte Komponenten zu gewährleisten.
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Des
weiteren können
metallische Schichten nicht nur elektrolytisch sondern auch mit
Hilfe anderer Verfahren wie CVD/PVD auf einen Gegenstand mit einer
metallischen Schicht der vorliegenden Erfindung aufgebracht werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
Aluminium oder Edelstahl auf einen Gegenstand aufzubringen, der zum
Beispiel aus Kunststoff besteht und mit einer Nickelschicht gemäß der vorliegenden
Erfindung versehen ist.
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Ein
weiteres interessantes Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren
ist ein Kunststoff, der zunächst
mit einer außenstromlos
aufgebrachten Nickelschicht versehen ist. Auf diese Nickelschicht
werden anschließend
nacheinander Schichten von Silber und Gold elektrolytisch aufgetragen.
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Insgesamt
zeigen die oben angeführten
Beispiele, dass die erfindungsgemäßen hergestellten Gegenstände in einem
sehr großen
Bereich technischer Anwendungen eingesetzt werden können.
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Die
gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten dekorativen Bauteile finden beispielsweise Verwendung
als Gehäuse,
Behälter,
Griff, Abdeckung, Emblem, Halter und Zierleiste.
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Beispiel (erfindungsgemäß)
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Eine
Platte aus Polyamid-6 mit den Abmessungen 200·100·12 mm mit einer Ausgangsrauhigkeit
von Ra = 0,64 μm und Rz =
7,5 μm wurde
oberflächenbehandelt:
Die
Oberflächenvorbehandlung
wird mit einer modifizierten Druckstrahlanlage der Fa. Straaltechnik
International vorgenommen. Die Strahlanlage wird mit einem Druck
von 4 bar betrieben. Als Strahldüse
wird eine Borcarbiddüse
mit einem Durchmesser von 8 mm eingesetzt. Die Strahldauer beträgt 4,6 s.
Als Strahlmittel wird SiC der Körnung
P80 mit einem mittleren Korndurchmesser von 200 bis 300 μm verwendet.
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Um
das Strahlsystem speziell an die Anforderungen der Kunststoffmodifikation
hinsichtlich reproduzierbarer Oberflächentopographien anzupassen,
wurden 2 Druckkreisläufe
installiert, je einer für
den Transport des Strahlmittels und den eigentlichen Beschleunigungsvorgang.
Diese Modifikation ergab einen sehr konstanten Volumenstrom und
einen großen
Druckbereich.
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Ein
Druckluftstrom transportiert das Strahlmittel mit einem möglichst
geringen Druck zur Düse.
Die Strömungsverhältnisse
gewährleisten,
verursacht durch einen hohen Volumenstrom des Strahlmittels und
einen geringen Anteil an Druckluft, einen geringen Verschleiß der Anlage
und des Strahlmittels. Erst am Ende des Transportschlauches vor
der Mischdüse
wird der Querschnitt reduziert, um den gewünschten Volumenstrom einzustellen.
Bei allen Kunststoffvorbehandlungen wurde ein konstanter Volumenstrom
von 1 l/min vorgegeben. Im zweiten Teil des Systems strömt bis zur
Düse Druckluft
(Volumenstrom 1), die sich in einem Druckbereich von 0,2-7 bar stufenlos
einstellen lässt.
Das Strahlmittel, welches mit einer sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeit
in die Mischdüse
gefördert
wird, wird dann durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Druckluftstroms
beschleunigt.
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Die
so aufgerauhte Platte wir in ein Ultraschallbad mit einem Gemisch
aus entionisiertem Wasser und 3 Vol.-% Butylglykol fünf Minuten
lang behandelt.
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Die
für die
Metallabscheidung der Leitschicht verwendeten Badreihen basieren
auf der bekannten kolloidalen Palladiumaktivierung in Verbindung
mit einer abschließenden
katalysierten Metallreduktion. Alle hierfür benötigten Badreihen wurden von
der Fa. Max Schlötter
bezogen. Die vom Hersteller angegeben Tauchreihenfolgen, Behandlungszeiten
und -temperaturen wurden bei allen Prozeßschritten der Nickelabscheidung eingehalten:
- (1) Aktivatorvortauchlösung:
Dient
zur Vermeidung der Einschleppung von Verunreinigungen und zur vollständigen Benetzung
der Probe vor dem eigentlichen Aktivieren der Oberfläche.
Tauchzeit:
2 min, Raumtemperatur
- (2) Aktivator GS 510:
Aktivierung der Oberfläche mit
Zinn/Palladium-Kolloid.
Tauchzeit: 4 min, Raumtemperatur
- (3) Spülbäder: entionisiertes
Wasser
Vermeidung der Einschleppung von Aktivator GS 510-Bestandteilen
durch Spülen
in entionisiertem Wasser.
Tauchzeit: 1 min, Raumtemperatur
- (4) Conditioner 101:
Konditionierung der Werkstoffoberfläche durch
Ablösen
störender
Zinnverbindungen von der Oberfläche.
Tauchzeit:
6 min, Raumtemperatur
- (5) Spülbäder: entionisiertes
Wasser.
Tauchzeit: 1 min, Raumtemperatur
- (6a) Chemisches Nickelbad SH 490 LS:
Metallisieren der
Kunststoffe mit einer hellen, halbglänzenden amorphen Schicht bei
einer Abscheidetemperatur von 88-92°C.
Tauchzeit: 10 min
-
Bei
der gewählten
Tauchzeit im Nickelbad ergab sich eine Schichtstärke von 1,4 μm. Diese
Stärke
der Nickelschicht reicht für
eine elektrolytische Beschichtung aus.
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Sämtliche
Prozeßschritte,
die zur Abscheidung der Leitschicht nötig waren, erfolgten in 50
l fassenden Kunststoffwannen, wobei bei der Nickelabscheidung durch
eine zusätzliche
Heizplatte mit Temperaturregelung eine Badtemperatur von 90° ± 0,5°C während des
gesamten Beschichtungszyklus eingehalten wurde. Um eine gleichmäßige und
reproduzierbare Schichtqualität
zu erhalten, wurden die Badreihen nach einem Durchsatz von 20 Proben
nach Angaben der Fa. Max Schlötter
analysiert und ergänzt.
-
Nachdem
die Nickelleitschicht chemisch aufgebracht war, wurden die Probe
von ca. 90°C
auf ca. 60°C in
destilliertem Wasser abgekühlt,
um dann bei 55°C
elektrolytisch mit Nickel weiterbeschichtet zu werden. Dieser Zwischenschritt
diente dazu, das Entstehen von Reaktionsschichten zu vermeiden und
durch rasches Abkühlen
hervorgerufene Eigenspannungen auszuschließen. Die Proben, die ausschließlich mit
einer Nickelleitschicht beschichtet wurden, kühlten in einem destillierten
Wasserbad langsam bis auf 25°C
ab.
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Die
Querschliffuntersuchung durch REM (1.500-fach und 3.000-fach) sind
in den folgenden Abbildungen (2) wiedergegeben.
-
Die
Ergebnisse der Haftfestigkeitsuntersuchungen sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
Nr. | Haftfestigkeit |
1 | 20,5
N/mm2 |
2 | 19,5
N/mm2 |
3 | 13,4
N/mm2 |
4 | 16,4
N/mm2 |
5 | 22,3
N/mm2 |
6 | 20,3
N/mm2 |
7 | 16,8
N/mm2 |
8 | 14,5
N/mm2 |
9 | 13,2
N/mm2 |
10 | 12,9
N/mm2 |
11 | 16,7
N/mm2 |
12 | 24,5
N/mm2 |
13 | 18,4
N/mm2 |
14 | 19,2
N/mm2 |
15 | 15,4
N/mm2 |
16 | 22,9
N/mm2 |
17 | 16,7
N/mm2 |
18 | 17,3
N/mm2 |
19 | 12,8
N/mm2 |
20 | 14,5
N/mm2 |
21 | 18,2
N/mm2 |
22 | 19,7
N/mm2 |
23 | 23,4
N/mm2 |
24 | 18,9
N/mm2 |
25 | 20,1
N/mm2 |
26 | 21,4
N/mm2 |
|
Standardabweichung | 3,4
N/mm2 |
Mittelwert | 18,1
N/mm2 |
Variationskoeffizient | 19
% |
-
Vergleichsbeispiel (nicht erfindungsgemäß)
-
Das
erfindungsgemäße Beispiel
wird wiederholt, jedoch wird nach der Strahlbehandlung die Platte
in einem Ultraschallbad in einer Suspension von 5 Gew.-% CaCO3 in 96 % Ethanol 5 Minuten lang behandelt.
-
Anschließend wird
die Platte in einem weiteren Ultraschallbad mit reinen, 96-%igem
Ethanol für
weitere fünf
Minuten lang behandelt.
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Die
Querschliffuntersuchung durch REM (1.500-fach und 3.000-fach) sind
in den folgenden Abbildungen (3) wiedergegeben.
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Die
Auswertung der EDX-Analyse ergab eine Restmenge an Calcium von 0,91
Gew.-%, die aus der Behandlung der CaCO3/Ethanol-Suspension
stammt.
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Die
Ergebnisse der Haftfestigkeitsuntersuchungen sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
Nr. | Haftfestigkeit |
1 | 9,9
N/mm2 |
2 | 19,1
N/mm2 |
3 | 10,1
N/mm2 |
4 | 13,1
N/mm2 |
5 | 16,6
N/mm2 |
6 | 10,3
N/mm2 |
7 | 19,8
N/mm2 |
8 | 13,3
N/mm2 |
9 | 21,4
N/mm2 |
10 | 10,9
N/mm2 |
11 | 20,0
N/mm2 |
12 | 10,9
N/mm2 |
13 | 11,7
N/mm2 |
14 | 13,0
N/mm2 |
15 | 16,4
N/mm2 |
16 | 14,1
N/mm2 |
17 | 15,4
N/mm2 |
18 | 10,5
N/mm2 |
19 | 15,8
N/mm2 |
20 | 16,7
N/mm2 |
21 | 8,5
N/mm2 |
22 | 17,2
N/mm2 |
23 | 7,0
N/mm2 |
24 | 18,2
N/mm2 |
25 | 7,2
N/mm2 |
26 | 19,4
N/mm2 |
|
Standardabweichung | 4,2
N/mm2 |
Mittelwert | 14,1N/mm2 |
Variationskoeffizient | 29,8
% |
-
Die
Ergebnisse zeigen deutlich einen signifikanten Unterschied in der
Standardabweichung der Haftfestigkeit der verschiedenen, über die
Oberfläche
des Verbundwerkstoffes verteilten Messwerte.
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Dieser
Unterschied bewirkt beispielsweise bei der Verwendung von Türgriffen
von Automobilen aus Polyamid, dass neben der optischen Eigenschaft
des Bauteils auch die thermische Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen
für einen
Zeitraum von mehr als 15 Jahren ohne lokal auftretenden Delaminationen gewährleistet
ist.
-
- 1
- Zugstempel
- 2
- Kleber
- 3
- Metallschicht
- 4
- Substrat