EP2743375B1 - Verfahren zum beschichten eines bauteils - Google Patents

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EP2743375B1
EP2743375B1 EP12008271.4A EP12008271A EP2743375B1 EP 2743375 B1 EP2743375 B1 EP 2743375B1 EP 12008271 A EP12008271 A EP 12008271A EP 2743375 B1 EP2743375 B1 EP 2743375B1
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carbon fibre
reinforced plastics
metal layer
coating
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Wolf-Dieter Franz
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Dr Ing Max Schloetter GmbH and Co KG
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    • C23C18/30—Activating or accelerating or sensitising with palladium or other noble metal
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    • C23C18/31—Coating with metals
    • C23C18/32—Coating with nickel, cobalt or mixtures thereof with phosphorus or boron

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating a carbon fiber reinforced plastic component.
  • carbon fibers are embedded in a plastic material and mechanically reinforce it; in this way, components can be produced which can be distinguished, for example, by high mechanical strength, in particular by high tensile strength in the direction of the fibers. Due to the mechanical reinforcement through the carbon fibers, the components can also be realized with a reduced weight overall, which can be of interest with regard to lightweight construction applications, which are becoming increasingly important in the course of the increasing requirements for energy efficiency in mobility.
  • U.S. 2010/304063 A1 relates to a method of making a metal-coated polymeric article comprising providing a polymeric material, an optional intermediate layer, and a metal coating.
  • the polymer article can be a carbon fiber reinforced plastic part and various pickling methods can be used for pre-treatment.
  • the present invention is based on the object of specifying a particularly advantageous method for coating a plastic component.
  • the deposition of the metal layer can include seeding the component with palladium, for example;
  • the component can (after the pre-treatment) be placed, for example, in an acidic, ionogenic palladium solution, with palladium ions accumulating on the component surface. These can then be converted into palladium nuclei, for example in a reducing bath.
  • a metal layer is first deposited electrolessly, ie chemically.
  • the metal is stored, for example chemically deposited nickel, to the palladium nuclei, and an initially thin layer is formed ("seed layer"); this can then be reinforced, preferably galvanically, i.e. electrochemically in a bath.
  • seed layer preferably galvanically, i.e. electrochemically in a bath.
  • a nickel layer deposited electrolessly after palladium seeding can be reinforced galvanically, for example by a nickel and/or chromium and/or copper layer.
  • the metal layer can be deposited "in a bath” in this respect without current (chemically) and/or galvanically; a combination of electroless and galvanic deposition is preferred.
  • a criterion for assessing the quality of a correspondingly deposited metal layer can be its adhesion to the component.
  • the inventors have found that the adhesion of a metal layer deposited chemically/galvanically on a carbon fiber-reinforced plastic component can be significantly increased by pretreatment in gaseous sulfur trioxide, or that the pretreatment is what makes the deposition of the metal layer possible in the first place; this is surprising insofar as comparative tests with glass fiber reinforced plastic components have often not shown satisfactory results.
  • the inventors have observed as a possible reason for the good adhesion properties achieved with the method according to the invention that the wetting of the carbon fiber-reinforced plastic components can be improved by treatment in gaseous sulfur trioxide. Also due to the poor adhesion of metal layers experimentally deposited on glass fiber reinforced plastic components with the same pretreatment, it is assumed that there could be a certain interaction between the carbon fibers and the coating of plastic components treated in gaseous sulfur trioxide.
  • a period of at least 10 seconds, with increasing preference in this order of at least 20 seconds, 30 seconds, 40 seconds, 50 seconds, has proven particularly suitable for the pretreatment in the gaseous sulfur trioxide, also with a view to the adhesion properties of the subsequently deposited metal layer .
  • Limiting the treatment time is also advantageous with regard to throughput in mass production; possible upper limits are 10 minutes, 9 minutes, 8 minutes, 7 minutes, 6 minutes and 5 minutes, respectively, with increasing preference in this order.
  • the component is preferably rinsed, particularly preferably with water, immediately after the treatment in the gaseous sulfur trioxide, even before the metal layer is deposited.
  • Roughening of the surface can also contribute to the good adhesion properties, which can already occur during the course of the pretreatment in gaseous sulfur trioxide.
  • the roughness is further increased by an additional treatment.
  • the carbon fiber reinforced plastic component is treated in nitric acid before the pretreatment.
  • the plastic component is additionally sandblasted before the pretreatment in sulfur trioxide.
  • the plastic material in which the carbon fibers are embedded is a duroplastic material.
  • the inventors have achieved particularly good results, including the adhesion properties and insofar as the effectiveness of the pretreatment in gaseous sulfur trioxide is concerned, with carbon fibers embedded in a resin; a melamine resin is particularly preferably provided as the matrix material.
  • a nickel layer is then particularly preferably chemically deposited and this is then reinforced by a galvanically deposited nickel layer.
  • a copper layer can then be deposited in an acidic bright copper process (acidic copper), preferably in several steps, ie in at least two bright copper steps; between the individual bright copper steps, the surface is preferably ground.
  • another layer of nickel can be deposited and brushed to give the surface an attractive aesthetic appearance.
  • a nickel and/or a chromium layer can then be applied.
  • the method according to the invention is used to produce a carbon-fiber-reinforced plastic component.
  • a component is designed as a component that belongs to the load-bearing structure of a motor vehicle, in particular a passenger car, i.e. as part of the underbody with, for example, an engine mount, side member and cross member (as well as the boot floor and wheel housings); the component coated according to the invention can therefore be part of the side member, for example.
  • a correspondingly coated component can be characterized by increased mechanical stability, for example by high torsional rigidity;
  • the component can thus be used not only as a decorative covering (which is of course also possible in general, of course), but also as part of the supporting structure.
  • the component can also be part of the body of the motor vehicle.
  • the component also provides a visible surface of the motor vehicle interior.
  • the component is at the same time part of the supporting structure, which can help to save material, for example because otherwise one component would have to be used as part of the supporting structure and an additional component to cover it; the saving of material can be of interest with a view to an overall light construction.
  • the component can thus, for example, provide a decorative surface for the center console of a passenger car and at the same time be part of the side member.
  • a component coated according to the invention in the interior of a motor vehicle can also be advantageous in that the well-adhering metal layer can hold the component (or fragments thereof) together in the event of fracture or at least prevent the smallest fragments from splintering. If the component breaks in a traffic accident, for example, the metal layer can reduce the risk of sharp-edged fragments forming.
  • a component coated according to the invention is generally preferred in applications in which, on the one hand, there may be a risk of breakage and, on the other hand, personal contact with fragments cannot be ruled out.
  • this can also be the case, for example, with sports equipment and aircraft or watercraft.
  • a component coated according to the invention preferably has no further coating in addition to the metal coating; in particular, no plastic coating is provided that would otherwise be necessary as protection against splintering, which is also advantageous with regard to an overall cost-effective design and can help to save weight.
  • carbon fiber mats are first pre-soaked in the plastic material, an epoxy resin. The pre-soaked mats are then bonded under pressure in a mold and harden to form the carbon fiber reinforced plastic component.
  • the surface of the carbon fiber reinforced plastic component to be coated (hereinafter “the component") is first sandblasted and roughened to prepare for the coating.
  • the component is then pre-treated in gaseous sulfur trioxide for a period of one minute. After rinsing with water, the component is seeded with palladium, i.e. first placed in an ionogenic palladium solution, with palladium ions accumulating on the surface; these then become palladium nuclei in a reducing bath.
  • Nickel can then accumulate on these palladium nuclei, specifically in the first step of an electroless, i.e. chemical, nickel deposition.
  • the electrolessly deposited nickel layer is reinforced with a galvanically deposited nickel layer.
  • a copper layer (acidic copper) is then applied to the galvanically deposited nickel layer, the component is then ground and then another copper layer (acidic copper) is deposited. The component is then nickel-plated, brushed and finished with a nickel/chrome layer.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffbauteils.
  • Bei solchen Bauteilen werden Kohlenstofffasern (im Folgenden "Kohlefasern") in ein Kunststoffmaterial eingebettet und verstärken dieses mechanisch; so lassen sich Bauteile herstellen, die sich beispielsweise durch eine hohe mechanische Festigkeit auszeichnen können, insbesondere durch eine hohe Zugfestigkeit in Richtung der Fasern. Aufgrund der mechanischen Verstärkung durch die Kohlefasern lassen sich die Bauteile zugleich insgesamt gewichtsreduziert realisieren, was etwa mit Blick auf Leichtbau-Anwendungen von Interesse sein kann, die im Zuge der steigenden Anforderungen die Energieeffizienz der Mobilität betreffend weiter an Bedeutung gewinnen.
  • US 2010/304063 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallbeschichteten Polymerartikels umfassend die Bereitstellung eines Polymermaterials, einer optionalen Zwischenschicht und einer Metallbeschichtung. Beim Polymerartikel kann es sich um ein Kohlenstofffaser-verstärktes Kunststoffteil handeln, und es können verschiedene Beizverfahren zur Vorbehandlung eingesetzt werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Beschichten eines Kunststoffbauteils anzugeben.
  • Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe ein Verfahren mit den Schritten:
    • Vorsehen eines Kohlefaser-verstärkten Kunststoffbauteils;
    • Vorbehandeln des Bauteils für die Beschichtung, und zwar in gasförmigem Schwefeltrioxid, und anschließend
    • Abscheiden der Metallschicht in einem Bad,
    wobei das Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffbauteil vor dem Vorbehandeln in Salpetersäure behandelt wird.
  • Das Abscheiden der Metallschicht kann beispielsweise ein Bekeimen des Bauteils mit Palladium umfassen; das Bauteil kann dazu (nach dem Vorbehandeln) zum Beispiel in eine saure, ionogene Palladiumlösung gegeben werden, wobei sich Palladiumionen an der Bauteiloberfläche anlagern. Diese können dann anschließend zu Palladiumkeimen umgewandelt werden, etwa in einem reduzierenden Bad.
  • Üblicherweise wird dann zunächst eine Metallschicht stromlos, also chemisch, abgeschieden. Dabei lagert sich das Metall, beispielsweise chemisch abgeschiedenes Nickel, an den Palladiumkeimen an, und es bildet sich eine zunächst dünne Schicht aus ("seed layer"); diese kann anschließend verstärkt werden, und zwar vorzugsweise galvanisch, also elektrochemisch in einem Bad. Es kann also beispielsweise eine nach einer Palladiumbekeimung stromlos abgeschiedene Nickelschicht galvanisch verstärkt werden, etwa durch eine Nickel- und/oder Chrom- und/oder Kupferschicht.
  • Das Abscheiden der Metallschicht "in einem Bad" kann insoweit stromlos (chemisch) und/oder galvanisch erfolgen; bevorzugt ist eine Kombination aus stromloser und galvanischer Abscheidung.
  • Ein Kriterium für die Beurteilung der Güte einer entsprechend abgeschiedenen Metallschicht kann deren Haftung auf dem Bauteil sein. Die Erfinder haben festgestellt, dass sich die Haftung einer auf ein Kohlefaser-verstärktes Kunststoffbauteil chemisch/galvanisch abgeschiedenen Metallschicht durch die Vorbehandlung in gasförmigem Schwefeltrioxid wesentlich erhöhen lässt bzw. die Vorbehandlung das Abscheiden der Metallschicht überhaupt erst möglichen kann; dies ist insofern überraschend, als Vergleichsversuche mit Glasfaser-verstärkten Kunststoffbauteilen vielfach keine zufriedenstellenden Ergebnisse gezeigt haben.
  • Als eine mögliche Ursache für die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten, guten Haftungseigenschaften haben die Erfinder beobachtet, dass durch die Behandlung in gasförmigem Schwefeltrioxid die Benetzung der Kohlefaser-verstärkten Kunststoffbauteile verbessert werden kann. Auch aufgrund der bei gleicher Vorbehandlung zum Teil nur schlechten Haftung von versuchsweise auf Glasfaserverstärkte Kunststoffbauteile abgeschiedenen Metallschichten, ist eine Vermutung, dass eine gewisse Wechselwirkung zwischen den Kohlefasern und der Beschichtung in gasförmigem Schwefeltrioxid behandelter Kunststoffbauteile bestehen könnte.
  • Der Stand der gegenwärtigen Untersuchungen ist, dass sich bei einer chemischen Abscheidung an den Kohlefasern aufgrund deren (wenn auch gegebenenfalls nur geringen) elektrischer Leitfähigkeit Metall auch direkt, also gegebenenfalls auch ohne Vorbehandlung, anlagern kann; mit der Behandlung in gasförmigem Schwefeltrioxid könnte demnach vorrangig das Kunststoffmaterial für die Beschichtung vorbereitet werden. Insoweit scheint eine Wechselwirkung dahingehend zu bestehen, dass die Kohlefasern "Lücken" der Vorbehandlung/Bekeimung des Kunststoffmaterials schlie-ßen, welche anderenfalls (Referenzversuche mit Glasfaser-verstärkten Kunststoffbauteilen) eine Metallbeschichtung mit nicht zufriedenstellenden Haftungswerten zur Folge haben können; andererseits schließt die Vorbehandlung in gasförmigem Schwefeltrioxid eben auch die "Lücken" zwischen den Kohlefasern.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und in der nachstehenden Beschreibung.
  • Als besonders geeignet, auch mit Blick auf die Haftungseigenschaften der anschließend abgeschiedenen Metallschicht, hat sich für die Vorbehandlung in dem gasförmigen Schwefeltrioxid eine Zeitdauer von mindestens 10 Sekunden, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 20 Sekunden, 30 Sekunden, 40 Sekunden, 50 Sekunden, erwiesen. Eine Begrenzung der Behandlungsdauer ist etwa auch einen Durchsatz in der Massenfertigung betreffend vorteilhaft; mögliche Obergrenzen liegen in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei 10 Minuten, 9 Minuten, 8 Minuten, 7 Minuten, 6 Minuten bzw. 5 Minuten.
  • Das Bauteil wird vorzugsweise unmittelbar nach der Behandlung in dem gasförmigen Schwefeltrioxid, noch vor dem Abscheiden der Metallschicht, gespült, und zwar besonders bevorzugt mit Wasser.
  • Beitragen zu den guten Haftungseigenschaften kann zum Beispiel auch eine Anrauung der Oberfläche, die sich etwa auch schon im Zuge der Vorbehandlung in gasförmigem Schwefeltrioxid einstellen kann. Die Rauigkeit wird durch eine zusätzliche Behandlung weiter erhöht. Erfindungsgemäß wird das Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffbauteil vor der Vorbehandlung in Salpetersäure behandelt. In bevorzugter Ausgestaltung wird zusätzlich das Kunststoffbauteil vor der Vorbehandlung in Schwefeltrioxid sandgestrahlt.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Kunststoffmaterial, in welches die Kohlenstofffasern eingebettet sind, ein duroplastisches Material. Besonders gute Ergebnisse, auch die Haftungseigenschaften und insoweit die Wirksamkeit der Vorbehandlung in gasförmigem Schwefeltrioxid betreffend, haben die Erfinder mit in ein Harz eingebetteten Kohlefasern erzielt; besonders bevorzugt wird ein Melaminharz als Matrixmaterial vorgesehen.
  • Das in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehene Bekeimen des Bauteils mit Palladium wurde bereits eingangs beschrieben; besonders bevorzugt wird im Anschluss daran eine Nickelschicht chemisch abgeschieden und wird diese dann durch eine galvanisch abgeschiedene Nickelschicht verstärkt. Im weiteren Verfahren kann dann beispielsweise eine Kupferschicht in einem sauren Glanzkupferverfahren (sauer Kupfer) abgeschieden werden, vorzugsweise mehrschrittig, also in mindestens zwei Glanzkupferschritten; zwischen den einzelnen Glanzkupferschritten wird die Oberfläche vorzugsweise geschliffen. Im Anschluss kann zum Beispiel eine weitere Nickelschicht abgeschieden und strichmattiert werden, um der Oberfläche eine ansprechende ästhetische Anmutung zu verleihen. Abschließend können dann beispielsweise noch eine Nickel- und/oder eine Chromschicht aufgebracht werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffbauteils Ein solches Bauteil ist als zur tragenden Struktur eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens, gehörendes Bauteil ausgelegt, also etwa als Bestandteil der Bodengruppe mit beispielsweise Motorträger, Längsträger und Querträger (sowie Kofferraumboden und Radkästen); das erfindungsgemäß beschichtete Bauteil kann also beispielsweise ein Teil des Längsträgers sein. Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass sich ein entsprechend beschichtetes Bauteil durch eine erhöhte mechanische Stabilität, etwa durch eine hohe Verwindungssteifigkeit, auszeichnen kann; vorteilhafterweise ist das Bauteil somit nicht nur als dekorative Verblendung einsetzbar (was im Allgemeinen selbstverständlich gleichwohl auch möglich ist), sondern auch als Teil der tragenden Struktur. Das Bauteil kann etwa auch ein Bestandteil der Karosserie des Kraftfahrzeugs sein.
  • Vorzugsweise stellt das Bauteil (auch) eine sichtbare Oberfläche des Kraftfahrzeuginnenraums zur Verfügung. Besonders bevorzugt ist das Bauteil zugleich Teil der tragenden Struktur, was Material einsparen helfen kann, etwa weil ansonsten ein Bauteil als Teil der tragenden Struktur und ein zusätzliches zu dessen Verblendung eingesetzt werden müssten; die Materialersparnis kann mit Blick auf eine insgesamt leichte Bauweise von Interesse sein. Das Bauteil kann also beispielsweise eine dekorative Oberfläche der Mittelkonsole eines Personenkraftwagens zur Verfügung stellen und zugleich Teil des Längsträgers sein.
  • Der Einsatz eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils im Innenraum eines Kraftfahrzeugs kann auch insofern vorteilhaft sein, als die gut haftende Metallschicht das Bauteil (bzw. Bruchstücke davon) im Bruchfall teilweise zusammenhalten bzw. zumindest das Absplittern kleinster Bruchstücke verhindern kann. Kommt es also beispielsweise bei einem Verkehrsunfall zu einem Bruch des Bauteils, kann die Metallschicht die Gefahr der Bildung scharfkantiger Bruchstücke verringern.
  • Insoweit ist die Verwendung eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils generell in Anwendungen bevorzugt, bei denen einerseits eine Bruchgefahr bestehen kann und sich andererseits ein Personenkontakt mit Bruchstücken nicht ausschließen lässt. Neben dem Kraftfahrzeugbereich kann dies beispielsweise auch bei Sportgeräten und Luft- bzw. Wasserfahrzeugen der Fall sein.
  • Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäß beschichtetes Bauteil neben der Metallbeschichtung keine weitere Beschichtung auf; es ist also insbesondere keine ansonsten gegebenenfalls als Splitterschutz notwendige Kunststoffbeschichtung vorgesehen, was auch hinsichtlich einer insgesamt kostengünstigen Bauweise vorteilhaft ist und Gewicht einsparen helfen kann.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Referenzbeispiels näher erläutert.
  • Zur Herstellung eines Kohlefaser-verstärkten Kunststoffbauteils, das als Teil des Längsträgers eines Kraftfahrzeugs ausgelegt ist und später eine dekorative Oberfläche im Innenraum zur Verfügung stellen soll, werden zunächst Kohlefasermatten in dem Kunststoffmaterial, einem Epoxidharz, vorgetränkt. Die vorgetränkten Matten werden anschließend in einer Form unter Druck verklebt und härten zu dem Kohlefaser-verstärkten Kunststoffbauteil aus.
  • Die zu beschichtende Oberfläche des Kohlefaser-verstärkten Kunststoffbauteils (im Folgenden "das Bauteil") wird zur Vorbereitung der Beschichtung zunächst sandgestrahlt und dabei angeraut.
  • Im Anschluss daran wird das Bauteil in gasförmigem Schwefeltrioxid vorbehandelt, und zwar für eine Zeitdauer von einer Minute. Nach einem Spülen mit Wasser wird das Bauteil mit Palladium bekeimt, also zunächst in eine ionogene Palladiumlösung gegeben, wobei sich Palladiumionen an der Oberfläche anlagern; diese werden anschließend in einem reduzierenden Bad zu Palladiumkeimen.
  • An diesen Palladiumkeimen kann sich dann Nickel anlagern, und zwar bei einer im ersten Schritt stromlosen, also chemischen, Nickelabscheidung. Die stromlos abgeschiedene Nickelschicht wird in einem zweiten Schritt mit einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht verstärkt.
  • Im Weiteren wird auf die galvanisch abgeschiedene Nickelschicht eine Kupferschicht (sauer Kupfer) aufgebracht, wird das Bauteil dann geschliffen und anschließend eine weitere Kupferschicht (sauer Kupfer) abgeschieden. Danach wird das Bauteil vernickelt, strichmattiert und zum Abschluss mit einer Nickel-/Chromschicht versehen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Beschichten eines Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffbauteils mit einer Metallschicht,
    umfassend die Schritte:
    - Vorsehen des Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffbauteils,
    - Vorbehandeln des Bauteils für die Beschichtung, und zwar in gasförmigem Schwefeltrioxid, und anschließend
    - Abscheiden der Metallschicht in einem Bad,
    dadurch gekennzeichnet dass
    das Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffbauteil vor dem Vorbehandeln in Salpetersäure behandelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffbauteil in dem gasförmigen Schwefeltrioxid für eine Zeitdauer von mindestens 10 Sekunden und von höchstens 10 Minuten behandelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffbauteil unmittelbar nach der Behandlung in dem gasförmigen Schwefeltrioxid gespült wird, vorzugsweise mit Wasser.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffbauteil vor dem Vorbehandeln sandgestrahlt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein Kunststoffmaterial des Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffbauteils, in welches Kunststoffmaterial die Kohlenstofffasern eingebettet sind, ein duroplastisches Material ist, vorzugsweise ein Harz, besonders bevorzugt ein Melaminharz.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Abscheiden der Metallschicht als ersten Schritt ein Bekeimen des Bauteils mit Palladium umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Bekeimen des Bauteils mit Palladium eine Behandlung in zunächst einer ionogenen Palladiumlösung und anschließend einem reduzierenden Bad umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Abscheiden der Metallschicht in einem ersten Schritt stromlos und in einem zweiten Schritt galvanisch erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem in dem ersten Schritt chemisch eine Nickelschicht abgeschieden wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die chemisch abgeschiedene Nickelschicht in dem zweiten Schritt durch eine galvanisch abgeschiedene Nickelschicht verstärkt wird.
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