DE19846659A1

DE19846659A1 - Schichtwerkstoff und Verfahren zum Herstellen eines solchen

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Publication number: DE19846659A1
Application number: DE19846659A
Authority: DE
Inventors: Reiner Mehnert; Hans-Juergen Glaesel; Eberhard Hartmann; Heinz Haller; Bernhard Schwarz
Original assignee: WKP WUERTTEMBERGISCHE KUNSTSTO
Current assignee: WKP WUERTTEMBERGISCHE KUNSTSTO
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2018-10-10
Also published as: DE19846659C2; CA2346779C; EP1119589A1; US6663952B1; DE59908133D1; CA2346779A1; EP1119589B1; ATE256713T1; WO2000022039A1; ES2213393T3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff mit einem eine einseitig oder beidseitig aufgebrachte Beschichtung aus einem Acrylat aufweisenden planen Substrat, wobei das Kunstharz modifiziert ist mittels hochtemperaturbeständiger, polymerisierbarer Nanopartikel mit einer Glasübergangstemperatur der Homopolymerisate von >= 150 DEG C, die einen Kern aus Siliciumdioxid und mindestens eine über ein oder mehrere Sauerstoffatome des Oxids kovalent an den Kern gebundene Seitenkette der Formel DOLLAR A (MeO)¶x¶Me(CH¶2¶)¶n¶ - OCO-CR·1· = CH¶2¶ DOLLAR A aufweisen, worin DOLLAR A Me für Si oder Al steht, DOLLAR A x für 0 bis 3 steht, DOLLAR A n für 2 bis 6 steht und DOLLAR A R·1· für H oder CH¶3¶ steht, DOLLAR A wobei die freien Valenzen von Me eine Bindung an ein weiteres Sauerstoffatom des Kern darstellen oder durch Alkoxyreste abgesättigt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zum Herstellen eines platten- oder bahnförmigen, beschich teten Trägermaterials sowie eine Verwendung eines modifi zierten Kunstharzes zur Oberflächenbeschichtung eines Trä germaterials.

Gattungsgemäße Schichtwerkstoffe, beispielsweise in Form von sog. dekorativen Hochdruck-Schichtpressstoffplatten (DIN 16926), kunststoffbeschichteten, dekorativen Holzfa serplatten (DIN 68751) oder kunststoffbeschichteten, deko rativen Flachpressplatten nach DIN 68765 finden im Alltag breite Anwendungsbereiche. Gerade mittels Kunststoff ober flächenbeschichtete Spanplatten sind ein bevorzugter Werk stoff beispielsweise für die Möbelindustrie, um dort Pro dukte herzustellen, die hinsichtlich Kratz- und Abriebfe stigkeit belastbar sind und so etwa als Küchenmöbel einge setzt werden können. Noch höhere Anforderungen an die Be lastbarkeit einer Oberfläche entstehen etwa bei Beschich tungen für Fußbodenmaterialien.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, derartige Be schichtungen, insbesondere in Folienform zur späteren Lami nierung mit einem unterliegenden Trägermaterial, als Pa pier- oder Kunststofffolie zu realisieren, die mit einer Schicht aus einem flüssigen Acrylat beschichtet und nach folgend durch Elektronenstrahl- oder UV-Härtung durchgehär tet sind. Auch wenn diese bekannten Schichten bereits eine für die skizzierten Anwendungen oftmals bereits ausrei chende Oberflächenhärte bzw. Kratzfestigkeit besitzen, so ist insbesondere für stark kratzbelastete Oberflächen eines Endproduktes die so erreichbare Kratzfestigkeit oftmals je doch noch nicht ausreichend. Darüber hinaus konnte etwa bei konventionell beschichteten Spanplatten der nachteilige Ef fekt beobachtet werden, dass bei noch warmer Oberflächenbe schichtung einer in der beschriebenen Weise beschichteten Platte diese bereits durch einzelne Spanplattenpartikel beim Aufeinanderstapeln mehrerer Platten zum Verkratzen neigen, so dass hier - insbesondere bei Großserienferti gung und hohen Fertigungsgeschwindigkeiten - Beeinträchti gungen der Oberflächenqualität in für einen Kunden sichtba rer und störender Weise auftreten; es ist zu berücksichti gen, dass in der industriellen Fertigung eine Oberflächen beschichtung von Folien mit Bahngeschwindigkeiten oberhalb von 100 m/min. erfolgt, während die Beschichtung von Holz trägerwerkstoffen mit derartig beschichteten Folien Ge schwindigkeiten von bis zu 40 m/min. erreicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen gat tungsgemäßen Schichtwerkstoff dahingehend weiterzuentwick eln, dass seine Beschichtung hinsichtlich Kratzfestigkeit und/oder Abriebfestigkeit verbessert ist, und insbesondere auch der so verbesserte Schichtwerkstoff mit hohen Produk tions- bzw. Bahngeschwindigkeiten herstellbar ist. Ferner ist ein Herstellungsverfahren für einen solchen Schicht werkstoff zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch den Schichtwerkstoff mit den Merkma len der Patenansprüche 1 sowie 4, das Verfahren mit den Schritten des Patenanspruchs 10 sowie die Verwendung nach dem Patentanspruch 14 gelöst.

In vorteilhafter Weise bewirkt ein erfindungsgemäß modifi ziertes Acrylharz, dass die damit erreichbare Beschich tungsoberfläche nach dem Strahlungshärten gegenüber dem unmodifizierten Acrylat in ihrer Kratzfestigkeit bei Kratz beanspruchung deutlich erhöht ist. Bezogen wird dieses Maß für Kratzfestigkeit auf die DIN 53799 mit dem dort in Ab schnitt 4.15 angegebenen Vorgehen für das Ermitteln des Verhaltens bei Kratzbeanspruchung.

Im Rahmen der Erfindung erfolgt die Herstellung der Nano partikel ausgehend von Siliciumdioxid in fester, feinteili ger Form mit einer Teilchengröße im Bereich von 1 bis 500 nm. Ein derartiges Siliciumdioxid ist im Handel erhältlich, z. B. als Aerosil® der Degussa AG, Frankfurt, DE, oder Cab o-sil der Cabot Corp., Boston, Mass., USA.

Die Siliciumpartikel weisen an der Oberfläche Hydroxylgrup pen auf. Die Anbindung der Seitenketten erfolgt über diese Hydroxylgruppen durch Umsetzung mit Me(CH₂)_nOCOCR¹=CH₂, wo bei Me, n und R¹ die im Anspruch 1 angegebenen Bedeutungen besitzen und die freien Valenzen von Me durch Alkoxyreste abgesättigt sind, in Gegenwart starker Säuren, wie Schwe felsäure, Phosphorsäure, Methansulfonsäure oder p-Toluol sulfonsäure. Man verwendet im allgemeinen 1 bis 10 Gew.-% der starken Säure, bezogen auf die Menge an Siliciumdioxid. Die Reaktionstemperatur liegt im allgemeinen bei 30 bis 80°C. Nach beendeter Reaktion wird die starke Säure mit einer Base neutralisiert. Falls der Einbau von (MeO)_x er wünscht ist, führt man die Umsetzung in Anwesenheit der entsprechenden Me-Alkoxy-Verbindung, z. B. Tetramethoxysilan oder Al-isopropylat, durch.

Im Rahmen der Erfindung ist zudem ein Substrat nicht auf die in der DIN 53799 explizit genannten Werkstoffe be schränkt, sondern im Grundsatz sind insbesondere auch (bevorzugt bahnförmige) Kunststofffolien und Papiere als solches Substrat zu verstehen, die dann mit einer herkömm lichen Beschichtungsdicke, abhängig von einem gewünschten Einsatzzweck, versehen werden.

Als ein durch nanoskalige Kieselsäure modifiziertes Acrylat gemäß einer unabhängigen Realisierung der Erfindung ist jegliche chemische Verbindung zu verstehen, die durch die allgemeinen Strukturen

charakterisiert sind, wobei (Si-O-Si)_k(OH)_l nanoskalige Kieselsäurepartikel sind, die über Si-O-Si und/oder Si-O- Al-Bindungen an eine Acrylat- und/oder Methacrylatfunktio nalität angebunden sind, und wobei

als eine Spacergruppe fungiert.

Auch ist als Strahlung im Rahmen der Erfindung jegliche, für eine strahlenchemische Härtung des Beschichtungsmateri als geeignete Strahlung, beispielsweise Elektronenstrahlung oder UV-Strahlung, umfasst, wobei mittels ansonsten bekann ter Maßnahmen die Härtungskinetik geeignet eingestellt wird, im Fall eines verwendeten UV-Strahlers etwa durch ge eignete Zugabe von Photoinitiatoren.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise kann im Ergebnis eine Oberflächenbeschichtung erhalten werden, die gegenüber dem unmodifizierten Acrylat üblicherweise um mindestens 50% höhere Werte für Kratzfestigkeit aufweist, ohne dass jedoch die ansonsten auch anzuwendenden großserientauglichen Be schichtungsvorgänge bzw. -verfahren modifiziert werden müssten oder aber in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträch tigt wären. Vielmehr ermöglicht es das erfindungsgemäß ein gesetzte durch nanoskalige Kieselsäure modifizierte Acrylat (NKMA), den flüssigen modifizierten Beschichtungswerkstoff in analoger Weise insbesondere auf konventionellen Be schichtungsanlagen praktisch ohne Umbauten einzusetzen, so dass darüber hinaus auch ein Umstieg auf die erfindungs gemäße Technologie herstellungstechnisch günstig und mit wenig Aufwand verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen beschrieben.

So läßt sich die erzielbare Oberflächenhärte der erfin dungsgemäß modifizierten, polymerisierten Beschichtungs oberfläche, neben DIN 53799 zusätzlich durch signifikant erhöhte Härtewerte gemäß DIN 55350 bzw. Härteprüfung nach Erichsen (Prüfstab 318) charakterisieren.

Erfindungsgemäß zu beschichtende Kunststofffolien weisen bevorzugt Schichtdicken zwischen 40 und 300 µm auf, während im Rahmen der Erfindung zu beschichtende Papiere besonders bevorzugt Gewichte zwischen 30 und 90 g/m² aufweisen. Je nach Anwendungszweck liegen besonders bevorzugte Schicht dicken der erfindungsgemäß aufgebrachten Beschichtung zwi schen 10 und 200 µm.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Strahlungshärten die Beschich tungsoberfläche durch UV-Bestrahlung, insbesondere mit Wel lenlängen von 172 nm bzw. 222 nm, photoinitiatorfrei mat tiert wird. So hat sich vorteilhaft herausgestellt, dass eine Bestrahlung der flüssigen, modifizierten Acrylat-Be schichtung mit Photonen der genannten Wellenlängen (ausgestrahlt von sog. Excimer-Lampen) unter Inertgas eine eine Mattierung herbeiführende, charakteristische Oberflä chenverfestigung bewirkt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Figur; diese verdeut licht schematisch den Aufbau einer möglichen Beschichtungs anlage zum Aufbringen erfindungsgemäß modifizierter Acry late mit zusätzlicher UV-Mattierung vor einem Elektronen strahlhärten.

Beispiel 1

Es wird eine NKMA-Acrylatformulierung hergestellt, in dem in einem Rührgefäß 25 kg Sartomer 494 (Hersteller: Cray Valley, Importvertrieb in Deutschland über CRAY VALLEY Kunstharz GmbH, D-47918 Tönisvorst) als Präpolymer vorge legt und auf 80°C erwärmt wird. Diesem wird bei dieser Tem peratur unter intensivem Rühren Kieselsäure TT 600 (Degussa) sowie DYNASYLAN MEMO (Hersteller: SIVENTO Chemie GmbH) im Massenverhältnis 1,4 : 1 in Teilmengen alternierend zugegeben, bis ein Gesamtanteil von 7 kg TT 600 und 5 kg DYNASYLAN MEMO im Ansatz vorliegt. Danach wird unter fort währendem, intensivem Rühren bei 80°C so schnell wie mög lich 3 kg 97%iges Aluminiumisopropylat dosiert; nach weite ren 15 Minuten erfolgt die Zugabe eines Gemisches von 1,95 kg Wasser, 0,368 kg 30%iger wässriger Natriumdodecylsulfat- Lösung sowie 0,2 kg 70%iger wässriger Methansulfonsäure in nerhalb von 0,25 Stunden. Das Gemisch wird noch etwa eine Stunde bei 80°C nachgerührt, und danach wird der Ansatz schnellstmöglich auf Raumtemperatur für die Beschichtungs verarbeitung abgekühlt.

Die Beschichtung erfolgt auf einer Papierbahn mit einem Walzenauftragsverfahren durch eine in der Figur gezeigten Beschichtungsanlage bei einer Bahngeschwindigkeit von 100 m/min.

Mittels Dosierwalze 10, Auftragswalze 12 sowie Gummiwalze 14 wird die NKMA-Acrylat-Mischung mit einem Auftragsgewicht von ca. 10 g/m² auf die Papierbahn 16 (abgerollt von einer Vorratsrolle 18 und vorbereitet durch Coronastrahlung 20) aufgebracht und dann zu Mattierungszwecken entweder unter einem 172 nm Excimer-Strahler 22 oder unter einem Paar von 222 nm Excimer-Strahlern 24 vorbeigeführt. Das Aushärten der mattierten Beschichtung erfolgt mittels eines Elektro nenstrahlers 26; das ausgehärtete, beschichtete Substrat wird dann auf eine Produktrolle 28 aufgerollt.

Kratz- und Abriebfestigkeit der so erzeugten Beschichtung wurden dann im Vergleich zu einer unmodifizierten Acrylat modifizierung, basierend auf Sartomer 494, gemessen, wobei sich die jeweiligen Werte aus der nachfolgenden Tabelle 1 ergeben:

Tabelle 1

Vergleich modifiziertes Acrylat (Erfindung)vs. unmodifiziertes Acrylat

Die Messung der Kratzbeanspruchung erfolgte dabei unter Einsatz der in der DIN 53799, Fassung Januar 1986, Ab schnitt 4.15 vorgesehenen Verfahrensweise; die Prüfung wurde unter Verwendung eines Härteprüfstabs Modell 318 der Firma Erichsen GmbH & Co. KG, D-58675 Hemer, durchgeführt.

In beiden Fällen zeigt sich, dass das erfindungsgemäß modi fizierte Acrylat mehr als doppelt so hohe Werte für die Kratzfestigkeit bei Kratzbeanspruchung bzw. die Härteprü fung aufweist, als das unmodifizierte, für herkömmliche Be schichtung bekannte Acrylat.

Damit erweist sich ein in der angegebenen Weise beschichte ter Werkstoff als besonders geeignet für Einsatzzwecke und Umgebungen mit hoher Kratzbeanspruchung, wie beispielsweise bei Fußböden oder Arbeitsplatten.

Beispiel 2

In einem Rührgefäß werden 33,125 kg EB 952 (UCB-Chemie Kerpen) vorgelegt und auf 80°C erwärmt. Anschließend gibt man bei dieser Temperatur Kieselsäure TT 600 und DYNASYLAN MEMO im Massenverhältnis 2 : 1 in Teilmengen alternierend zu, bis ein Gesamtanteil von 11,25 kg TT 600 und 5,625 kg DYNASYLAN MEMO im Ansatz vorliegt. Danach wird unter inten sivem Rühren bei 80°C im Verlauf von 75 min ein Gemisch von 1,45 kg Wasser, 0,27 kg SERDET-Lösung (Eurochemie GmbH Mühlheim) und 0,25 kg 70%iger wäßriger Methansulfonsäure zugegeben. Man rührt noch 0,5 h bei 80°C weiter und neutra lisiert anschließend die Methansulfonsäure durch 15-minüti ges Zutropfen von 150 g 50%iger Natronlauge. Zuletzt wird der Ansatz so schnell wie möglich auf Raumtemperatur abge kühlt.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend ge schilderten Ausführungsbeispiele hinsichtlich der Bereitung des Beschichtungsmaterials bzw. Vorgehen bei der Beschich tung beschränkt. So eignen sich grundsätzlich sämtliche vorbekannte Beschichtungsverfahren auch zur Verwendung mit dem erfindungsgemäß modifizierten Acrylat, und Zusammenset zung, chemische Struktur und Bereitung dieses Acrylats im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst jegliche geeig nete strahlenchemisch härtbare, Siloxan-modifizierte Methacrylate.

Claims

1. Schichtwerkstoff mit
einem eine einseitig oder beidseitig aufgebrachte Be schichtung aus einem härtbaren Kunstharz, bevorzugt einem Acrylat, aufweisenden planen Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharz modifiziert ist mittels hochtemperatur beständiger, polymerisierbarer Nanopartikel mit einer Glasübergangstemperatur der Homopolymerisate von ≧ 150°C, die einen Kern aus Siliciumdioxid und minde stens eine über ein oder mehrere Sauerstoffatome des Oxids kovalent an den Kern gebundene Seitenkette der Formel
(MeO)_xMe (CH₂)_n- OCO-CR¹ = CH₂
aufweisen, worin
Me für Si oder Al steht,
x für 0 bis 3 steht,
n für 2 bis 6 steht und
R¹ für H oder CH₃ steht,
wobei die freien Valenzen von Me eine Bindung an ein weiteres Sauerstoffatom des Kerns darstellen oder durch Alkoxyreste abgesättigt sind.

2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass das Kunstharz ein durch Strahlung polymeri sierbares Kunstharz ist.

3. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass das Kunstharz so modifiziert ist, dass eine polymerisierte Beschichtungsoberfläche bei einer Kratzbeanspruchung von bis zu mindestens 3,5 Newton, bevorzugt bis zu mindestens 4,5 Newton, gemes sen nach DIN 53799 (Fassung Januar 1996, Abschnitt 4.15), kratzfest ist.

4. Schichtwerkstoff mit einem eine einseitig oder beid seitig aufgebrachte Beschichtung aus einem durch eine Strahlung polymerisierbaren Kunstharz, bevorzugt einem Acrylat, aufweisenden planen Substrat, dadurch gekenn zeichnet, dass das Kunstharz mittels nanoskaliger Kie selsäure und Silan so modifiziert ist, dass eine poly merisierte Beschichtungsoberfläche bei einer Kratzbe anspruchung von bis zu mindestens 3,5 Newton, bevor zugt bis zu mindestens 4,5 Newton, gemessen nach DIN 53799 (Fassung Januar 1986, Abschnitt 4.15), kratzfest ist.

5. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsoberfläche eine mit dem Härteprüfstab Erichsen Modell 318 ge messene Härte von höher als 4 Newton aufweist.

6. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Kunst stofffolie einer Dicke im Bereich von zwischen 40 und 300 µm oder Papier eines Gewichts von 30 bis 90 g/m² ist.

7. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Holz platte, insbesondere Mehrschicht- oder Spanplatte, für die Herstellung von Möbeln ist.

8. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Be schichtung zwischen 10 und 200 µm beträgt.

9. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsoberfläche auf einen Glanzgrad (60°) kleiner 10 mattiert ist, ge messen nach DIN 67530.

10. Verfahren zum Herstellen eines platten- oder bahnför migen, mit einer kratzfesten Beschichtung versehenen Trägermaterials, insbesondere eines Schichtwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit den Schritten:

1. Bereitstellen eines durch Strahlung polymerisierba ren, flüssigen Kunstharzes, bevorzugt eines Acry lats,
2. Modifizieren des Kunstharzes mit nanoskaliger Kie selsäure und Silan,
3. Auftragen des modifizierten Kunstharzes als Be schichtung auf das Trägermaterial und
4. Aushärten der Beschichtung durch Bestrahlen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Aushärtens die aufgetragene Beschichtung mit Photonen im Wellenlängenbereich zwi schen 160 und 230 nm, insbesondere 172 nm oder 222 nm, bestrahlt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetragene Beschichtung keine Photoinitia toren aufweist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bahngeschwindigkeit eines kontinuierlichen Beschichtungsprozesses zwischen 50 und 200 m/min., bevorzugt 100 bis 130 m/min., beträgt.

14. Verwendung eines durch nanoskalige Kieselsäure und Si lan modifizierten Kunstharzes, insbesondere eines Methacrylats, zur Oberflächenbeschichtung eines plat ten- oder bahnförmigen Trägermaterials, wobei eine po lymerisierte Beschichtungsoberfläche bei einer Kratz beanspruchung von bis zu mindestens 3,5 Newton, bevor zugt bis zu mindestens 4,5 Newton, gemessen nach DIN 53799 (Fassung Januar 1986, Abschnitt 4.15), kratzfest ist.