DE69105741T2 - PLASTIC ITEM WITH ELECTROSTATIC COATING. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Kunststoffgegenstände, welche mit einer elektrostatisch aufgebrachten Beschichtung, insbesondere einer Muffelbeschichtung versehen sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Gegenstände.The invention relates to plastic objects which are provided with an electrostatically applied coating, in particular a muffle coating, and to a method for producing such objects.
Insbesondere in der Automobilindustrie besteht die Tendenz immer mehr Metallteile durch Kunststoffteile im Hinblick auf Verbesserung der Wetterbeständigkeft, Vervielfaltigung der Designoptionen und eine Gewichtseinsparung zu ersetzen. Kunststoffe werden darüber hinaus in zunehmendem Maße für die Herstellung von Gehäusen für die verschiedensten Maschinen verwendet. Eines der ständigen, mit der Verwendung von Kunststoffen assoziierten Probleme ist die Endbehandlung der Oberfläche, insbesondere, wenn dieses über eine Beschichtung erfolgen soll.In the automotive industry in particular, there is a tendency to replace more and more metal parts with plastic parts in order to improve weather resistance, increase design options and save weight. Plastics are also increasingly being used to manufacture housings for a wide variety of machines. One of the constant problems associated with the use of plastics is the finishing of the surface, especially if this is to be done using a coating.
Bislang hat es sich als unmöglich erwiesen, eine fertige Oberfläche in einem Verfahrensschritt ordnungsgemäß zur Verfügung zu stellen, wie es für Metallteile durch Muffeln, Streichen oder Aufsprühen möglich ist.To date, it has proven impossible to properly provide a finished surface in one process step, as is possible for metal parts by muffling, painting or spraying.
Speziell die Porosität und die inhomogene Struktur der Kunststoffoberfläche führen zu Blasen und anderen sichtbaren Defekten beim Lackauftrag, wodurch teure Endbehandlungen notwendig werden. Beim Muffeln ist außerdem das Problem der schlechten Leitfähigkeft von Kunststoffen mitumfaßt, sodaß elektrostatisches Beschichten, welches im Hinblick auf Umweltgesichtspunkte am erstrebenswertesten erscheint, wenn überhaupt, nicht richtig ausgeführt werden kann.In particular, the porosity and the inhomogeneous structure of the plastic surface lead to bubbles and other visible defects when applying the paint, which makes expensive finishing treatments necessary. The problem of the poor conductivity of plastics is also involved in muffling, so that electrostatic coating, which seems most desirable from an environmental point of view, cannot be carried out properly, if at all.
Es sind eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, um das elektrostatische Aufbringen einer Muffelbeschichtung zu ermöglichen. Die Zusammenfassung der JP-A-52 / 14641 offenbart die Einbettung von Metallpulver auf der Rückseite des zu beschichtenden Gegenstandes. Die Zusammenfassung der JP-A-57 / 180638 beschreibt letztlich das Aufbringen einer leitfähigen Grundierung vor dem elektrostatischen Beschichten.A number of proposals have been made to enable the electrostatic application of a muffle coating. The abstract of JP-A-52/14641 discloses the embedding of metal powder on the back of the object to be coated. Finally, the abstract of JP-A-57/180638 describes the application of a conductive primer prior to electrostatic coating.
Diese Verfahren haben den Nachteil, daß entweder die Eigenschaften des Gegenstandes verschlechtert oder zusätzliche Verfahrensschritte notwendig werden.These processes have the disadvantage that either the properties of the object are deteriorated or additional process steps are necessary.
Gemäß der Zusammenfassung der JP-A-59 / 89272 werden in einem Gegenstand Metallpulver, Fasern oder eine Faserbahn zur Verfügung gestellt, um eine elektromagnetische Abschirmung bereitzustellen.According to the abstract of JP-A-59/89272, metal powder, fibers or a fiber web are provided in an article to provide electromagnetic shielding.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein System, welches die genannten Nachteile umgeht, zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is therefore to provide a system which avoids the above-mentioned disadvantages.
Überraschenderweise wurde nun gefünden, daß eine leitfähige Faserbahn zur wirksamen Bereitstellung der benötigten elektrostatischen Ladungen auf der Oberfläche des Kunststoffes verwendet werden kann.Surprisingly, it has now been found that a conductive fiber web can be used to effectively provide the required electrostatic charges on the surface of the plastic.
Dementsprechend betrifft die Erfindung einen aus Kunststoff hergestellten Gegenstand, bei dem an oder unter mindestens einer Oberfläche desselben eine elektrisch leitende Faserbalm angeordnet ist und der mit einer elektrostatisch aufgebrachten Beschichtung, insbesondere einer Muffelbeschichtung, versehen ist. Die bei dem Gegenstand verwendete Faserbahn ist vorzugsweise ein Gewebe aus metallisierten Fasern, insbesondere aus metallisierten Kunststofffasern.Accordingly, the invention relates to an article made of plastic, in which an electrically conductive fiber balm is arranged on or under at least one surface thereof and which is provided with an electrostatically applied coating, in particular a muffle coating. The fiber web used in the article is preferably a fabric made of metallized fibers, in particular metallized plastic fibers.
Der Oberflächenwiderstand der Faserbahn als solcher muß so niedrig wie möglich gehalten werden und beträgt vorzugsweise weniger als 1 Ohm. Geeignete Fasern sind Kunststoffasern, vorzugsweise Acryl- oder Polyesterfasern, oder Glasfasern, wobei die Fasern mit Nickel, Kupfer, Silber oder Legierungen auf Basis eines oder mehrerer dieser Metalle metallisiert wurden. Es hat sich herausgestellt, daß metallisierte Fasern für den gegenwärtigen Zweck erstrebenswert besser geeignet sind als Metallfasern, da metallisierte Fasern nach Einarbeiten in den Gegenstand eine in erwünschter Weise bessere Leitfahigkeit ergeben. Darüber hinaus weisen Metallfasern den Nachteil auf, daß sich mit der Zeit die Bindungen im Gegenstand verschlechtern. Dementsprechend wird, obwohl Metallfasern ebenfalls eingesetzt werden können, die Verwendung von metallisierten Fasern bevorzugt.The surface resistance of the fiber web as such must be kept as low as possible and is preferably less than 1 ohm. Suitable fibers are plastic fibers, preferably acrylic or polyester fibers, or glass fibers, the fibers being metallized with nickel, copper, silver or alloys based on one or more of these metals. It has been found that metallized fibers are desirably more suitable for the present purpose than metal fibers, since metallized fibers, when incorporated into the article, result in a desirably better conductivity. In addition, metal fibers have the disadvantage that that over time the bonds in the article deteriorate. Accordingly, although metal fibers can also be used, the use of metallized fibers is preferred.
Die leitfähige Faserbahn kann ausschließlich aus leitfähigen Fasern bestehen, es ist jedoch genauso möglich, eine Kombination leitfähiger und nichfleitfähiger Fasern in der Bahn einzusetzen. In diesem Fall beträgt die Länge der leitfähigen Fasern, um eine gute Leitfähigkeit zu erzielen, vorzugsweise 40 - 60 mm. Die Bahn kann thermisch, chemisch oder mechanisch verbunden sein. Wahlweise kann ein Gewebe eingesetzt werden.The conductive fiber web can consist exclusively of conductive fibers, but it is also possible to use a combination of conductive and non-conductive fibers in the web. In this case, the length of the conductive fibers is preferably 40 - 60 mm in order to achieve good conductivity. The web can be thermally, chemically or mechanically bonded. A fabric can be used as an option.
Zum Erhalt optimaler Leitfähigkeit wird eine Kombination einer Bahn aus metallisierten Fasern verwendet, die mit einem Netz aus Metalldrähten, beispielsweise mit Kupferdrähten mit einem Durchmesser von 0,05 - 0,5 mm in Verbindung stehen, wobei das Netz relativ grob sein, z.B. eine Maschenweite von 0,5 bis 10 cm haben kann.To achieve optimum conductivity, a combination of a web of metallized fibers is used, which are connected to a network of metal wires, for example copper wires with a diameter of 0.05 - 0.5 mm, whereby the network can be relatively coarse, e.g. have a mesh size of 0.5 to 10 cm.
Der erfindungsgemäße Gegenstand kann die oben beschriebene Bahn an oder gerade unterhalb seiner Oberfläche tragen. Befindet sich die Bahn auf der Oberfläche, so erstrecken sich die metallisierten Fasern durch den Kunststoff, sodaß die Oberfläche außerdem antistatische Eigenschaften erhält. Der Oberflächenwiderstand des Gegenstandes kann gering sein, z.B. nicht mehr als 100, vorzugsweise nicht mehr als 10 und insbesondere nicht mehr als 1 Ohm betragen. Dieses ist für den Erhalt einer elektrostatisch zu beschichtenden Oberfläche sehr erstrebenswert. Ein weiterer Vorteil einer leitfähigen Oberfläche besteht darin, daß auf sehr einfache Weise eine Spannung mit Hilfe eines Leiterbandes angelegt werden kann, wobei der Anschluß auf der Oberfläche, beispielsweise in der Nähe der oder an den Ecken, bereitgestellt wird.The article according to the invention can carry the above-described web on or just below its surface. When the web is on the surface, the metallized fibers extend through the plastic, so that the surface also has antistatic properties. The surface resistance of the article can be low, e.g. not more than 100, preferably not more than 10 and especially not more than 1 ohm. This is very desirable for obtaining a surface to be electrostatically coated. A further advantage of a conductive surface is that a voltage can be applied very easily by means of a conductor strip, the connection being provided on the surface, for example near or at the corners.
Es ist ebenfalls möglich, die leitfähige Bahn gerade unterhalb der Oberfläche zur Verfügung zu stellen, z.B. 100 - 400 µm unterhalb der Oberfläche.It is also possible to provide the conductive path just below the surface, e.g. 100 - 400 µm below the surface.
Der Gegenstand kann aus thermoplastischem oder hitzehärtbarem Kunststoff hergestellt sein. Beispiele für hitzehärtbare Kunststoffe sind Phenol-, Epoxy-, Polyester- und Polyurethanharze. Die einsetzbaren thermoplastischen Kunststoffe umfassen die verschiedenen "technischen Kunststoffe" wie Polypropylen, ABS und verwandte Styrolpolymere, Polycarbonate, Polyetherimide, Polyphenylenoxide, Polyphenylensulfide sowie Gemische dieser Kunststoffe. Die Kunststoffe können außerdem mit Fasern verstärkt werden. Auf diesem Gebiet bekannte Anwendungsformen sind beispielsweise aus faserverstärkten Polyesterharzen hergestellte Gegenstände.The article can be made of thermoplastic or thermosetting plastic. Examples of thermosetting plastics are phenolic, epoxy, polyester and polyurethane resins. The thermoplastics that can be used include the various "engineering plastics" such as polypropylene, ABS and related styrene polymers, polycarbonates, polyetherimides, polyphenylene oxides, polyphenylene sulfides and mixtures of these plastics. The plastics can also be reinforced with fibers. For example, known applications in this field are articles made of fiber-reinforced polyester resins.
Die als leitfähige Faserbahn und gegebenenfalls auch als Aussteifung des Kunststoff verwendeten Fasers sind insbesondere Acryl-, Polyester-, Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern. Selbstverständlich hängt die Auswahl der Fasern zum Teil von den Temperaturen ab, gegenüber denen die Matrialien während der Herstellung und der Verwendung beständig sein müssen.The fibers used as conductive fiber webs and, if necessary, as reinforcement for the plastic are in particular acrylic, polyester, glass, carbon and aramid fibers. Of course, the choice of fibers depends in part on the temperatures to which the materials must be resistant during production and use.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum elektrostatischen Aufbringen einer Beschichtung auf der Oberfläche eines Kunststoffgegenstandes, wobei in diesem Gegenstand an oder unter mindestens einer Oberfläche desselben eine elektrisch leitfähige Faserbahn angeordnet ist.The invention also relates to a method for electrostatically applying a coating to the surface of a plastic object, wherein an electrically conductive fiber web is arranged on or under at least one surface of the object.
Die erfindungsgemäßen Gegenstände können in Abhängigkeit von den zu verwendenden Materialien auf verschiedene Weise hergestellt werden. Im allgemeinen wird in solchen Systemen eine geschlossene Form eingesetzt. Die leitfähige Faserbahn wird gegebenenfalls in Kombination mit einer Faserbahn, welche als Aussteifung des Kunststoffes, beispielsweise zur Herstellung eines faserverstärkten Laminates dient, in eine Form eingebracht. Zur Herstellung der effindungsgemäßen Gegenstände geeignete Verfahren sind SMC- und RTM-Verfahren. Bei SMC-Verfahren (Harzmattenverfahren) wird eine sogenannte SMC-Formmasse in die Form eingebracht, worauf die Form geschlossen wird und die SMC-Formmasse unter dem Einfluß von Druck und Temperatur verläuft.The objects according to the invention can be manufactured in various ways depending on the materials to be used. In general, a closed mold is used in such systems. The conductive fiber web is introduced into a mold, optionally in combination with a fiber web which serves to stiffen the plastic, for example for producing a fiber-reinforced laminate. Suitable methods for producing the objects according to the invention are SMC and RTM methods. In SMC methods (resin mat methods), a so-called SMC molding compound is introduced into the mold, whereupon the mold is closed and the SMC molding compound flows under the influence of pressure and temperature.
Die leitfähige Faserbahn liegt schon in der Form vor und wird anschließend mit der SMC-Formmasse imprägniert. Ein anderes Verfahren ist das RTM (Harzübertragungsformen), bei dem ein fluides Harz, wie ein hitzehärtbares Polyesterharz, in eine geschlossene Form injiziert wird, welche bereits die leitfähige Faserbahn und eine Faserbahn, die als Aussteifung des Kunststoffes fungieren kann, enthält. Schließlich läßt sich beobachten, daß im Falle von hitzehärtbaren Systemen auch übliche Verfahren zur Herstellung von Laminaten, bei denen alle Materialien von Hand aufgetragen werden, verwendet werden können.The conductive fiber web is already present in the mold and is then impregnated with the SMC molding compound. Another process is RTM (resin transfer molding), in which a fluid resin, such as a thermosetting polyester resin, is injected into a closed mold that already contains the conductive fiber web and a fiber web that can act as a stiffener for the plastic. Finally, it can be observed that in the case of thermosetting systems, conventional processes for producing laminates, in which all materials are applied by hand, can also be used.
Bei Verwendung eines Systems mit geschlossener Form werden die eingesetzten Faserbahnen zur Verbesserung der Qualität der Oberfläche des Materials bevorzugterweise mit Befeuchtern und/oder Enflüftern versehen. Auf diese Weise kann eine glatte, von Gasblasen freie Kunststoffoberfläche erhalten werden.When using a closed-mold system, the fiber webs used are preferably provided with humidifiers and/or deaerators to improve the quality of the surface of the material. In this way, a smooth plastic surface free of gas bubbles can be obtained.
Erfindungsgemäß wird die Beschichtung elektrostatisch unter Verwendung eines Pulverbeschichtungsverfahrens, insbesondere des Muffelbeschichtens, aufgetragen. Geeignete Pulver sind die üblichen, sinterbaren Pulver auf Nylon-, Polyester-, Polyurethan- oder Epoxidbasis. Nach dem Aufbringen der pulverförmigen Beschichtung wird der Lack auf bekannte Weise eingebrannt. Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele erläutert; diese sollen die Erfindung nicht beschränken.According to the invention, the coating is applied electrostatically using a powder coating process, in particular muffle coating. Suitable powders are the usual sinterable powders based on nylon, polyester, polyurethane or epoxy. After the powder coating has been applied, the paint is baked in a known manner. The invention is explained using the following examples; these are not intended to limit the invention.
Eine Polyesternadelbahn von etwa 100 g/m², welche aus 100 % PBTP/PETP-Fasern bestand und bei 170 ºC unter einem Druck von 4 g/cm² vorfixiert war, wurde an eine heißverschweißte Bahn von 35 g/m² laminiert, welche aus 80 % vernickelten Fasern und 20 % PBTP/PETP-Fasern bestand, wobei zwischen den Bahnen ein Polyestergewebe von etwa 10 g/m² eingesetzt war, welches alle 5 cm diagonal angeordnete Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 0,1 mm aufwies. Das Laminieren wurde bei einer Temperatur von 185 ºC unter einem Nahtdruck von 18 N/cm ausgeführt.A polyester needle web of about 100 g/m², consisting of 100% PBTP/PETP fibers and pre-fixed at 170 ºC under a pressure of 4 g/cm², was laminated to a heat-welded web of 35 g/m², consisting of 80% nickel-plated fibers and 20% PBTP/PETP fibers, with a polyester fabric of about 10 g/m² inserted between the webs, which had diagonally arranged copper wires every 5 cm. with a diameter of 0.1 mm. Lamination was carried out at a temperature of 185 ºC under a seam pressure of 18 N/cm.
Die so erhaltene Bahn wies eine Dichte von 0,48 g/cm³, gemessen unter einem Druck von 40 g/cm², und einen über eine Distanz von 10 m gemessenen Oberflächenwiderstand unterhalb von 0,1 Ohm auf. Die Bahn wurde als Oberflächenbahn mit einer SMC-Formmasse (auf Basis eines ungesättigten Polyesterharzes) zum Erhalt eines Produktes mit hoher Glätte der Oberfläche und geringer Porosität verpreßt. Anschließend wurde das Produkt mit einer pulverförmigen Polyesterbeschichtung elektrostatisch überzogen. Das beschichtete Produkt wurde bei 180 ºC ausgehärtet. Es wurde eine homogene und glatte Oberfläche erhalten.The sheet thus obtained had a density of 0.48 g/cm³, measured under a pressure of 40 g/cm², and a surface resistance of less than 0.1 ohms, measured over a distance of 10 m. The sheet was pressed as a surface sheet with an SMC molding compound (based on an unsaturated polyester resin) to obtain a product with a high surface smoothness and low porosity. The product was then electrostatically coated with a powdered polyester coating. The coated product was cured at 180 ºC. A homogeneous and smooth surface was obtained.
40 g vernickelte Acrylfasern wurden auf eine Bahn aus statistisch angeordneten Polyacrylnadeln von 60 g/m² genadelt, wobei ein Gewebe von etwa 10 g/m², welches im Abstand von 5 cm diagonal aufgebrachte Kupferdrähte mit 0,1 mm Durchmesser aufwies, dazwischen angeordnet wurde.40 g of nickel-plated acrylic fibers were needled onto a web of randomly arranged 60 g/m² polyacrylic needles, with a fabric of about 10 g/m², which had 0.1 mm diameter copper wires diagonally applied at 5 cm intervals, placed in between.
Die auf diese Weise erhaltene Nadelbalm wies beim Zerreißen eine Überdehnung von über 80 % und einen Oberflächenwiderstand unterhalb von 0,1 Ohm auf. Diese Bahn wurde als Oberflächenbahn im RTM-Verfahren (auf Basis eines ungesättigten Polyesterharzes) eingesetzt. Nach dem Aushärten des Produktes und dem Anlegen einer Differenzspannung zwischen der leitfähigen Schicht und dem aufzubringenden Pulver konnte die Oberfläche elektrostatisch beschichtet werden.The needle balm obtained in this way showed an overstretch of over 80% when torn and a surface resistance of less than 0.1 ohm. This sheet was used as a surface sheet in the RTM process (based on an unsaturated polyester resin). After the product had hardened and a differential voltage had been applied between the conductive layer and the powder to be applied, the surface could be coated electrostatically.
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