WO2023247091A1 - Befestigungselement, beschichtung, beschichtungsverfahren und verfahren zum verbinden von werkstücken - Google Patents

Befestigungselement, beschichtung, beschichtungsverfahren und verfahren zum verbinden von werkstücken Download PDF

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WO2023247091A1
WO2023247091A1 PCT/EP2023/060526 EP2023060526W WO2023247091A1 WO 2023247091 A1 WO2023247091 A1 WO 2023247091A1 EP 2023060526 W EP2023060526 W EP 2023060526W WO 2023247091 A1 WO2023247091 A1 WO 2023247091A1
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coating
fastening element
nail
screw
bio
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PCT/EP2023/060526
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Inventor
Hans Korte
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Raimund Beck Nageltechnik Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D167/00—Coating compositions based on polyesters obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D167/04—Polyesters derived from hydroxycarboxylic acids, e.g. lactones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B15/00—Nails; Staples
    • F16B15/0092—Coated nails or staples
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B33/00—Features common to bolt and nut
    • F16B33/06—Surface treatment of parts furnished with screw-thread, e.g. for preventing seizure or fretting

Definitions

  • the present invention relates to a fastening element, the use of a coating for coating at least a region of a fastening element which is intended for driving the fastening element into a workpiece, a method for coating a fastening element at least in a region which is intended for driving into a workpiece, and a method for connecting at least two workpieces using a fastener.
  • Fastening elements for example in the form of nails, screws, screw nails, which are also referred to as serails, clamps and the like, are known in a wide variety of designs in the prior art.
  • the DE 2201 496 A1 discloses a fastening element made of metal with a hard, smooth coating, a method for producing such a fastening element and a coating which is particularly suitable for Coating nails is provided.
  • the coating consists of a combination of two thermoplastic resins, one of which comprises an ethylene copolymer or terpolymer containing carboxyl groups and a resin similar to rosin.
  • the ethylene copolymer or terpolymer is dispersed in hot, volatile, aqueous alkalis and mixed with a rosin dissolved in organic solvents and emulsified.
  • the fastener is coated by dipping it into the emulsion.
  • the wet coating is dried to cure, removing water and solvents from the emulsion coating.
  • the fasteners provided with such a coating should show increased pull-out values compared to uncoated fasteners.
  • a coated metallic fastening element in the form of a nail is known, which is essentially completely coated with a thermoplastic, predominantly aliphatic polyurethane coating for use in timber construction. Furthermore, it is disclosed that the metallic fastening element can have a zinc layer and a chromate conversion layer to increase corrosion resistance. With the help of the thermoplastic polyurethane coating, the pull-out values should also be improved compared to uncoated nails.
  • DE 694 22 797 T2 discloses a fastening element, for example in the form of a clip or a nail, which is covered with a coating, the coating consisting one hundred percent of solids.
  • the solids are powders made of thermoplastic or thermoset material, such as a polyester resin, an epoxy resin, polyethylene or nylon. Polyester resin coatings are applied in the presence of accelerators, flow control agents, dispersants and surfactants.
  • Epoxy resin coatings included aromatic amines, pigment, calcium carbonate, calcium sulfate and bisphenol A. The coating creates a roughened surface on the fastener, which increases the holding power of the fastener after it has been driven into the surface of a workpiece.
  • EP 2 540 781 B1 describes a metallic fastening element with a coating in which fillers are embedded in a binder.
  • the fillers can be spherical, hemispherical, but preferably fibrous fillers.
  • all polymeric binders that are suitable for coating fasteners can be used as binders. These are particularly those that have good adhesion to the metal surface.
  • the coating composition may contain an organic solvent. Instead of a solvent, polymeric compounds of a reactive system, such as 1-K or 2-K polyurethane precursors or other mixtures that carry out polymerization reactions, can also be used. The increase in the extraction value is attributed to the packing. The only task assigned to the polymeric binder is to bind the packing to the fastening element.
  • a roughened surface is viewed as disadvantageous because, on the one hand, it requires more energy when driving in the fastening element compared to a smooth surface, and on the other hand, it causes more structural damage to the workpiece into which the fastening element is driven.
  • binders for the coatings are synthetically produced binders from fossil resources, which cause high carbon dioxide emissions during their production. They are also not biodegradable and therefore no longer meet the requirements of the highest possible environmental compatibility.
  • an object of the present invention is to provide an alternative fastener, an alternative use of a coating for coating at least a portion of a fastener, an alternative method for coating a fastener and an alternative method for connecting at least two workpieces using a fastener to accomplish.
  • the present invention creates a fastening element which is coated with a bio-based and biodegradable polymeric coating at least in an area intended for driving into a workpiece, preferably without the use of additional aids in the form of accelerators, flow control agents, dispersants, surfactants or the like.
  • the inventors have recognized that, depending on the speed at which the fastening element is driven into a workpiece, polymer coatings are thermally activated by the resulting friction in such a way that they develop a high adhesive strength, especially with wood. Accordingly, the fastening element and workpiece are additionally glued, which significantly improves the extraction values. Thanks to the use of a bio-based and biodegradable polymeric coating, the production of the fastening element according to the invention as well as the disposal, after removal of the ferritic components, for example in the context of industrial composting, are environmentally friendly.
  • the fastening element is advantageously a nail, a screw, a screw nail or a clip.
  • the coating is preferably chosen such that it increases the characteristic pull-out value when pulling out softwood by at least 10% compared to the uncoated fastening element.
  • the polymer is a bio-based polyester.
  • the coating advantageously has polylactic acid/polylactide (PLA) and/or polyhydroxyalkanoate (PHA) and/or polyhydroxybutyrate (PHB) and/or polyhydroxybutyrate-co-valerate (PHBV) and/or polyhydroxysuccinate (PBS) and/or thermoplastic starch or consists of one of these materials or a mixture of these materials.
  • PLA polylactic acid/polylactide
  • PHA polyhydroxyalkanoate
  • PHB polyhydroxybutyrate
  • PHBV polyhydroxybutyrate-co-valerate
  • PBS polyhydroxysuccinate
  • the coating can be a mixture of a polylactide and thermoplastic starch, a mixture of a polylactide and polyhydroxyalkanoates (PHA), a mixture of a polylactide and polyhydroxybutyrate (PHB), a mixture of a polylactide and polybutylene succinate (PBS) , a mixture from a polylactide and polyhydroxybutyrate co-valeriate (PHBV), a mixture of at least two biopolymers from the group of bio-based and biodegradable polyesters PLA, PHA, PHB, PHBV, PBS with or without thermoplastic starch or a mixture of at least three biopolymers the group of bio-based and biodegradable polyesters PLA, PHA, PHB, PHBV, PBS with or without thermoplastic starch, to name just a few examples.
  • PHA polylactide and polyhydroxyalkanoates
  • PHB polylactide and polyhydroxybutyrate
  • PBS polybutylene succinate
  • the fastening element in the uncoated state has unevenness in the form of threads and/or grooves and/or notches and/or embossed elevations and/or depressions, with the coating deteriorating these unevennesses at least largely, in particular completely, in relation to the volume.
  • the invention further proposes to use a coating for coating at least a region of a fastening element which is intended for driving the fastening element into a workpiece, the coating being a bio-based and biodegradable polymeric coating.
  • the fastening element is preferably a nail, a screw, a screw nail or a clip.
  • the coating can have the properties or compositions according to the invention already described above.
  • the present invention provides a method for coating a fastening element, preferably in the form of a nail, a screw, a screw nail or a clip, at least in a region of the fastening element which is intended for driving into a workpiece, wherein it the coating is a bio-based, thermoplastic and in particular biodegradable polymeric coating, which can have the properties or compositions according to the invention described above.
  • the polymers are preferably used solvent-free in powder form for coating, the powder particles in particular having a grain size of less than 500 pm and particularly preferably a grain size of less than 250 pm.
  • the fastening element is advantageously heated to or above the melting point of the polymer powder to be used for coating and then at least partially immersed in the polymer powder until a layer of powder grains adheres to the surface of the fastening element, which is smoothed by subsequent thermal treatment, in particular in such a way that that no grain can be seen with the naked eye. In this way, surface roughness is avoided, which increases the energy required to drive the fastener into a workpiece.
  • the present invention creates a method for connecting at least two workpieces using a fastening element according to one of claims 1 to 5, wherein the fastening element is driven into the workpieces by means of a setting tool at a minimum speed of 20 m/s in order to thermally heat the surface of the coating to activate.
  • FIG. 1 is a front view of a fastening element in the uncoated state
  • Figure 2 is a front view of the fastening element shown in Figure 1 in the coated state according to the invention, the coating being shown as transparent.
  • the figures show a fastening element 1 that is made of metal.
  • the fastening element 1 is a screw nail, which in the present case has a head section 2, a smooth shaft section 3 adjoining the head section 2, a threaded section 4 adjoining the smooth shaft section 3 and a tip 5 arranged at the free end of the threaded section 4 , wherein the threaded section 4 and the tip 5 are coated with a bio-based and biodegradable polymeric coating 6 according to the invention made of PLA, which completely fills the thread-like depressions of the threaded section 4.
  • the screw nail can be designed differently.
  • the fastening element 1 can also be a nail, a screw, a clip or the like.
  • the temperature of the fastening element is increased to close to or above the melting point of the coating composition.
  • the melting point for PLA is 145 - 180 °C, depending on the type.
  • the temperature of the fastening element is increased by heating, for example in an oven, by hot air, by electromagnetic radiation, such as infrared radiation, UV radiation or by electromagnetic induction.
  • the heated fastening element 1 is held in either a stationary or a fluidized powder bed (fluidized bed) until powder particles adhere to the surface.
  • the powder-coated fastening element is then annealed using one of the heating methods mentioned above, whereby the still rough, powdery surface is converted into a smooth coating.
  • the fastening element 1 can also be electrostatically coated with the powder.
  • the electrostatic coating is followed by a thermal post-treatment to a smooth surface using one of the heating methods mentioned above.
  • the aim is to achieve a coating that is as smooth and even as possible.
  • the threads are completely filled with polymer and the thread edges are covered with a thin polymer layer, as shown in Figure 2, so that the thread can no longer be seen and the screw nail or screw has a smooth shaft in the thread area nail equals.
  • the polymer powders have a grain size of less than 1500 pm, preferably a grain size of less than 500 pm and particularly preferably a grain size of less than 250 pm.
  • the polymers can also be applied to the fastening elements as solutions or in the form of emulsions and/or dispersions.
  • the solvents are dried out of the coating and what remains is a coating that is equivalent to powder coating and increases the pull-out strength. Coatings of fastening elements to increase the pull-out strength made of bio-based and biodegradable polymers, which are not applied to the fastening elements 1 by sintering, are therefore also the subject of the present invention.
  • the coating 4 serves to increase the pull-out strength of the fastening element 1 in a state in which it is driven into a workpiece.
  • the increase in pull-out strength is caused by thermal activation of the coating 4 caused by friction during the driving process, whereby the fastening element 1 is additionally glued to the workpiece.
  • the fastening element 1 is applied using such setting means, for example compressed air, gas or electric nailers, which achieve a sufficiently high speed when setting, which generates enough frictional heat to melt or at least soften the surface of the coating.
  • Speeds above 20 m/s are considered sufficiently high speeds.
  • the boundary layer between the surface of the fastening element and the matrix, e.g. softwood reaches temperatures of greater than 120 °C.
  • Surface temperatures of 200 °C can be achieved with driving speeds from 25 m/s.
  • the high adhesive strength of the coating after the fastening element 1 has been driven into two workpieces to be connected to one another is reflected in the fact that during the shear test of two wooden workpieces thermally bonded with PLA, the breakage occurs in the wood and not in the polymer.
  • the exposed surface of the adhesive layer is covered with wood fibers.
  • the fracture occurs along the bonding layer between one of the workpieces and the adhesive joint, whereby the surface does not contain any wood fibers.
  • Nails and screw nails (seraglios) with a shaft diameter of 2.8 mm, a thread diameter of 3.2 mm and a length of 75 mm were coated along the length of the thread with solvent-containing DiamondCoating (DC), a coating containing fillers according to EP 2 540781 B1 from Raimund Beck Nageltechnik GmbH, Mauermün, Austria. Additional nails and serails were coated with polymer powders. To do this, the nails or seraglios were heated in an oven to 240 °C and immersed in a fluidized bed, each containing the specific polymer powder. Depending on the immersion depth, the respective polymer powder sinters onto the surface and covers it. The nails or serails were then annealed in the oven until the surface of the thermoplastic powder had formed an even, homogeneous and smooth coating.
  • the polymer powders are:
  • PS Polystyrene (PS) powder TS 120, Jackon AG, Wismar, grain size distribution 80 - 120 pm, molecular weight (Mw) 240,000,
  • Polylactic acid (PLA) powder Polylactic acid (PLA) powder, NaturePlast PLHT 202, NaturePlast SAS, Ifs, France, ground with a eddy current mill at 12,000 rpm, grain size on average 288 pm, melting point 170 - 180 °C.
  • Table 1 shows characteristic pull-out values in N/mm 2 according to DIN EN 14358:2016-11 of uncoated and coated screw nails (serails) with a shaft diameter of 2.8 mm, a thread diameter of 3.2 mm and a length of 57 mm.
  • Table 1 shows characteristic pull-out values in N/mm 2 according to DIN EN 14358:2016-11 of uncoated and coated screw nails (serails) with a shaft diameter of 2.8 mm, a thread diameter of 3.2 mm and a length of 75 mm as well as a uncoated fully threaded screw Spax with a diameter of 3.5 mm and a length of 60 mm.
  • Table 5 shows the maximum temperatures measured on the nail surface during shooting using a Metis H318 high-speed pyrometer from Sensortherm GmbH.
  • an 8 mm diameter hole is drilled horizontally through a spruce square 15 mm below the surface at the point through which the nail will later be driven vertically.
  • the measuring beam of the pyrometer is directed into the hole.
  • the surface temperature of the nail is measured.
  • One series of nails was made with black polyolefin powder (high density polyethylene, HDPE), another with PLA (98.5 Percent by weight) coated with Coathylene GL2561 plus black pigment (1.5 percent by weight).
  • 6 nails each of both coated nails and an uncoated reference were shot in and measured.
  • the pyrometer's temperature measurement only begins above 119.9 °C, so lower temperatures are not recorded.
  • the temperature curves of the coated nails show a steep rise up to a maximum temperature and then a slow leveling off of the temperature.
  • the reference measurements on the uncoated steel nails only reached values higher than 120 °C three times in 6 measurements.
  • the coating material has a significant influence on the pull-out strength or the characteristic pull-out value.
  • a coating with polyolefin polypropylene reduces the characteristic pull-out value compared to uncoated serails with an external thread diameter of 3.2 mm and a length of 57 mm from 11.24 N/mm 2 to 8.04 N/mm 2 , which is a reduction of approximately 28.5%.
  • a coating with polystyrene increases the characteristic extraction value slightly by approx. 7.3%, while a coating with polylactic acid (PLA PLHT 202) increases it significantly by approx. 37.4%. This value is also around 11.5% higher than the coating previously used in practice (DiamondCoating).
  • Table 2 shows the comparison of uncoated and coated serails with a thread outside diameter of 3.2 mm and a length of 75 mm and an uncoated screw (Spax) with a thread outside diameter of 3.5 mm and a length of 60 mm.
  • the characteristic pull-out strength of the screw is 14.49 N/mm 2 , which is approximately 29% higher compared to the uncoated Seraglio (11.24 N/mm 2 ).
  • a coating with PLA powder (Coathylene GL 2561) increases the characteristic pull-out strength compared to uncoated Serail by approx. 80% and thus significantly exceeds the value of the screw and that of the coating with DiamondCoating (approx. 7%).
  • a Serail coated with PHA powder (NaturePlast PHI 003) also outperforms the (Spax) screw by almost 10% with a pull-out strength of 15.89 N/mm 2 and is approx. 41% above the uncoated reference value.
  • Table 3 shows characteristic pull-out values for uncoated and coated nails with a diameter of 3.1 mm and a length of 88 mm.
  • the nails are either smooth-shafted or have a ring or screw shaft. Instead of a bare surface, they can also be hot-dip galvanized. All coatings, both with DiamondCoating and with PLA powder Coathylenen GL 2561, have characteristic pull-out values that are approximately twice as high as the value for uncoated nails. The characteristic extraction values of DiamondCoating and PLA do not differ significantly.
  • Table 4 shows uncoated and coated nails with a wire diameter of 2.5 mm and nail lengths from 45 mm (25/45) to 75 mm (25/75). Coatings with Coathylene GL 2561 increase the characteristic extraction values by 24% to 45%. These statements apply to nails made of steel as well as nails made of stainless steel (25/52 rg. V4A). Furthermore, it can be seen from Table 4 that as the nail length increases, the standard deviation (sdv) for uncoated nails decreases from 5.3% (25/45) to 2.4% (25/75). In other words, the shorter the nails, the greater the spread of the characteristic pull-out value for uncoated nails. For nails coated with PLA, the scatter across all length ranges is between 2.2 and 2.9.
  • Table 5 shows that coating with a thermoplastic (HDPE, PLA) leads to an increase in the surface temperature to approx. 200 °C when shooting. In both cases the melting point (HDPE 135 °C, PLA 145 - 180 °C) is exceeded. If one considers the non-polar polyolefins polyethylene and polypropylene to be equivalent in their affinity for the polar wood matrix, it is clear that the increase in pull-out strength is not a purely physical effect, but rather a physico-chemical effect that depends on the selection of the polymer.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Befestigungselement (1), wobei das Befestigungselement zumindest in einem Bereich, der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, mit einer bio-basierten und biologisch abbaubaren polymeren Beschichtung (6) beschichtet ist.

Description

BESCHREIBUNG
Befestigungselement, Beschichtung, Beschichtungsverfahren und Verfahren zum Verbinden von Werkstücken
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Befestigungselement, die Verwendung einer Beschichtung zum Beschichten zumindest eines Bereiches eines Befestigungselements, der zum Eintreiben des Befestigungselements in ein Werkstück vorgesehen ist, ein Verfahren zum Beschichten eines Befestigungselements zumindest in einem Bereich, der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, und ein Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Werkstücke unter Verwendung eines Befestigungselements.
Befestigungselement beispielsweise in Form von Nägeln, Schrauben, Schraubnägeln, die auch als Serails bezeichnet werden, Klammern und dergleichen sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt.
Um dem Problem des Lösens von Befestigungselementen durch Arbeiten des Untergrundes, insbesondere Holz bei Feuchtewechseln, entgegenzutreten, wurden in der Vergangenheit Beschichtungen für Nägel, profilierte Nägel, Nagelschrauben bzw. Schrauben entwickelt, welche die Ausziehwerte dieser Befestigungselemente erhöhen und damit die Haltbarkeit einer mit solchen Befestigungselementen erstellten Verbindung verbessern.
Die DE 2201 496 A1 offenbart beispielsweise ein Befestigungselement aus Metall mit einem harten, glatten Überzug, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Befestigungselements und eine Beschichtung, die insbesondere zum Beschichten von Nägeln vorgesehen ist. Die Beschichtung besteht aus einer Kombination von zwei thermoplastischen Harzen, von denen eines, ein Car- boxylgruppen enthaltendes Ethylenco- bzw. terpolymer sowie ein Kolophonium ähnliches Harz umfasst. Das Ethylenco- bzw. terpolymer wird in heißen, flüchtigen, wässrigen Alkalien dispergiert und mit einem in organischen Lösemitteln gelösten Kolophonium versetzt und emulgiert. Das Befestigungselement wird durch Eintauchen in die Emulsion beschichtet. Die feuchte Beschichtung wird zur Härtung getrocknet, wobei Wasser und Lösemittel aus der Emulsionsbeschichtung entfernt werden. Die mit einer solchen Beschichtung versehenen Befestigungselemente sollen gegenüber unbeschichteten Befestigungselementen erhöhte Ausziehwerte zeigen.
Weiterhin ist aus der DE 40 28 133 C1 ein beschichtetes metallisches Befestigungselement in Form eines Nagels bekannt, welches für den Einsatz im Holzbau mit einer thermoplastischen, überwiegend aliphatischen Polyurethanbeschichtung im Wesentlichen vollständig beschichtet ist. Weiterhin ist offenbart, dass das metallische Befestigungselement eine Zinkschicht sowie eine Chromatumwandlungsschicht zur Steigerung der Korrosionsresistenz aufweisen kann. Mit Hilfe der thermoplastischen Polyurethanbeschichtung sollen auch hier die Ausziehwerte gegenüber unbeschichteten Nägeln verbessert werden.
Die DE 694 22 797 T2 offenbart ein Befestigungselement, beispielsweise in Form einer Klammer oder eines Nagels, das mit einer Beschichtung bedeckt ist, wobei die Beschichtung einhundertprozentig aus Feststoffen besteht. Bei den Feststoffen handelt es sich um Pulver aus thermoplastischem oder duroplastischem Material, wie beispielsweise einem Polyesterharz, einem Epoxidharz, Polyethylen oder Nylon. Polyesterharzbeschichtungen werden in Gegenwart von Beschleunigern, Flusssteuerungsmitteln, Dispersionsmitteln und oberflächenaktiven Mittel angewendet. Epoxidharzbeschichtungen enthalten aromatische Amine, Pigment, Kalziumkarbonat, Kalziumsulfat und Bisphenol A. Die Beschichtung erzeugt eine aufgeraute Oberfläche am Befestigungselement, durch welche die Haltekraft des Befestigungselements gesteigert werden, nachdem es in die Oberfläche eines Werkstücks eingetrieben wurde.
EP 2 540 781 B1 beschreibt ein metallisches Befestigungselement mit einer Beschichtung, bei der Füllkörper in ein Bindemittel eingebettet sind. Bei den Füllkörpern kann es sich um sphärische, hemisphärische, bevorzugt aber faserige Füllstoffe handeln. Als Bindemittel können im Prinzip sämtliche polymere Bindemittel eingesetzt werden, die sich zur Beschichtung von Befestigungselementen eignen. Dies sind insbesondere solche, die eine gute Adhäsion zur Metalloberfläche aufweisen. Neben dem polymeren Bindemittel kann die Beschichtungszusammensetzung ein organisches Lösemittel enthalten. Anstelle eines Lösemittels können auch polymere Verbindungen eines Reaktivsystems, wie z.B. 1-K oder 2-K Polyurethanvorstufen oder auch andere Mischungen, welche Polymerisationsreaktionen durchführen, eingesetzt werden. Die Erhöhung des Ausziehwertes wird auf die Füllkörper zurückgeführt. Dem polymeren Bindemittel wird nur die Aufgabe zugeschrieben, die Füllkörper an das Befestigungselement zu binden.
Die vorgenannten Lösungen sind nicht in jeder Hinsicht befriedigend.
Aus Sicht des Umweltschutzes sind Systeme, die organische Lösemittel enthalten, die zur Härtung der Beschichtung ausgetrieben werden müssen, als kritisch anzusehen, weil die organischen Lösemittel in die Umwelt gelangen können. Eine vollständige Absaugung und Rückgewinnung insbesondere leichtflüchtiger organischer Lösemittel wie Aceton, Ethylacetat usw., wie in EP 2 540 781 B1 aufgelistet, ist sehr energie- und kostenaufwendig. Harte Beschichtungen, wie sie in DE 2201 496 A1 beschrieben sind, neigen gerne zur Sprödigkeit. Ein Abplatzen wird nur dann verhindert, wenn die Anbindung an die Metalloberfläche hoch ist.
Eine aufgeraute Oberfläche wird als nachteilig angesehen, weil sie einerseits beim Eintreiben des Befestigungselements gegenüber einer glatten Oberfläche mehr Energie benötigt, andererseits das Werkstück, in die das Befestigungselement eingetrieben wird, in seiner Struktur stärker schädigt.
Die oben genannten Bindemittel für die Beschichtungen sind, bis auf Kolophonium, aus fossilen Ressourcen synthetisch hergestellte Bindemittel, die bei ihrer Produktion einen hohen Kohlendioxidausstoß verursachen. Sie sind zudem biologisch nicht abbaubar und entsprechen damit nicht mehr den Erfordernissen möglichst hoher Umweltverträglichkeit.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein alternatives Befestigungselement, eine alternative Verwendung einer Beschichtung zum Beschichten zumindest eines Bereiches eines Befestigungselements, ein alternatives Verfahren zum Beschichten eines Befestigungselements und ein alternatives Verfahren zum Verbinden zumindest zweierWerkstücke unter Verwendung eines Befestigungselements zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Befestigungselement, das zumindest in einem Bereich, der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, mit einer bio-basierten und biologisch abbaubaren polymeren Beschichtung beschichtet ist, bevorzugt ohne den Einsatz zusätzlicher Hilfsmittel in Form von Beschleunigern, Flusssteuerungsmitteln, Dispersionsmitteln, oberflächenaktiven Mitteln oder dergleichen. Die Erfinder haben erkannt, dass polymere Beschichtungen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der das Befestigungselement in ein Werkstück eingetrieben wird, durch die entstehende Reibung thermisch dahingehend aktiviert werden, dass sie insbesondere zu Holz eine hohe Klebkraft entfalten. Entsprechend werden Befestigungselement und Werkstück zusätzlich verklebt, wodurch die Ausziehwerte deutlich verbessert werden. Dank des Einsatzes einer bio-basierten und biologisch abbaubaren polymeren Beschichtung sind die Herstellung des erfindungsgemäßen Befestigungselementes ebenso wie die Entsorgung, nach Entfernung der ferritischen Anteile, zum Beispiel im Rahmen einer industriellen Kompostierung umweltfreundlich.
Das Befestigungselement ist vorteilhaft ein Nagel, eine Schraube, ein Schraubnagel oder eine Klammer.
Bevorzugt ist die Beschichtung derart gewählt, dass sie den charakteristischen Ausziehwert beim Auszug aus Nadelholz im Vergleich zum unbeschichteten Befestigungselement um mindestens 10% erhöht.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Polymer ein bio-basierter Polyester.
Die Beschichtung weist vorteilhaft Polymilchsäure/Polylactid (PLA) und/ oder Polyhydroxyalkanoat (PHA) und/oder Polyhydroxybutyrat (PHB) und/oder Po- lyhydroxybutyrat-co-Valerat (PHBV) und/oder Polyhydroxysuccinat (PBS) und/oder thermoplastische Stärke auf oder besteht aus einem dieser Materialien oder aus einem Gemisch dieser Materialien. So kann es sich bei der Beschichtung um ein Gemisch aus einem Polylactid und thermoplastische Stärke, um ein Gemisch aus einem Polylactid und Polyhydroxyalkanoate (PHA), ein Gemisch aus einem Polylactid und Polyhydroxybutyrat (PHB), ein Gemisch aus einem Polylactid und Polybutylensuccinat (PBS), ein Gemisch aus einem Polylactid und Polyhydroxybutyrat co-Valeriat (PHBV), ein Gemisch von mindestens zwei Biopolymeren aus der Gruppe der bio-basierten und biologisch abbaubaren Polyester PLA, PHA, PHB, PHBV, PBS mit oder ohne thermoplastischer Stärke oderein Gemisch aus mindestens drei Biopolymeren aus der Gruppe der bio-basierten und biologisch abbaubaren Polyester PLA, PHA, PHB, PHBV, PBS mit oder ohne thermoplastischer Stärke handeln, um nur einige Beispiele zu nennen.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Befestigungselement im unbeschichteten Zustand Unebenheiten in Form von Gewindegängen und/oder Rillen und/oder Kerben und/oder aufgeprägten Erhöhungen und/oder Vertiefungen auf, wobei die Beschichtung diese Unebenheiten volumenbezogen zumindest zum Großteil, insbesondere vollständig verfällt.
Ferner schlägt die Erfindung vor, eine Beschichtung zum Beschichten zumindest eines Bereiches eines Befestigungselements, der zum Eintreiben des Befestigungselements in ein Werkstück vorgesehen ist, zu verwenden, wobei es sich bei der Beschichtung um eine bio-basierte und biologisch abbaubare polymere Beschichtung handelt.
Das Befestigungselement ist bevorzugt ein Nagel, eine Schraube, ein Schraubnagel oder eine Klammer.
Die Beschichtung kann die zuvor bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Eigenschaften bzw. Zusammensetzungen aufweisen.
Zudem schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Befestigungselements, bevorzugt in Form eines Nagels, einer Schraube, eines Schraubnagels oder einer Klammer, zumindest in einem Bereich des Befestigungselements, der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, wobei es sich bei der Beschichtung um eine bio-basierte, thermoplastische und insbesondere biologisch abbaubare polymere Beschichtung handelt, welche die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Eigenschaften bzw. Zusammensetzungen aufweisen kann.
Die Polymere werden bevorzugt lösemittelfrei in Pulverform zur Beschichtung eingesetzt, wobei die Pulverpartikel insbesondere eine Körnung kleiner 500 pm und besonders bevorzugt eine Körnung kleiner 250 pm aufweisen.
Das Befestigungselement wird vorteilhaft bis an oder über den Schmelzpunkt des zur Beschichtung einzusetzenden Polymerpulvers erhitzt und anschließend so lange zumindest teilweise in das Polymerpulver getaucht, bis eine Schicht aus Pulverkörnchen an der Oberfläche des Befestigungselements anhaftet, die durch anschließende thermische Behandlung geglättet wird, insbesondere derart, dass mit bloßem Auge keine Körnung mehr zu erkennen ist. Auf diese Weise werden Oberflächenrauheiten vermieden, welche die zum Eintreiben des Befestigungselementes in ein Werkstück erforderliche Energie erhöhen.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Werkstücke unter Verwendung eines Befestigungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Befestigungselement mittels eines Setzgerätes mit einer Mindestgeschwindigkeit von 20 m/s in die Werkstücke eingetrieben wird, um die Oberfläche der Beschichtung thermisch zu aktivieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist Figur 1 eine Vorderansicht eines Befestigungselementes im unbeschichteten Zustand und
Figur 2 eine Vorderansicht des in Figur 1 gezeigten Befestigungselementes im erfindungsgemäß beschichteten Zustand, wobei die Beschichtung durchsichtig dargestellt ist.
Die Figuren zeigen ein Befestigungselement 1 , das aus Metall hergestellt ist. Bei dem Befestigungselement 1 handelt es sich um einen Schraubnagel, der vorliegend einen Kopfabschnitt 2, einen sich an den Kopfabschnitt 2 anschließenden glatten Schaftabschnitt 3, einen sich an den glatten Schaftabschnitt 3 anschließenden Gewindeabschnitt 4 und eine am freien Ende des Gewindeabschnitts 4 angeordnete Spitze 5 aufweist, wobei der Gewindeabschnitt 4 und die Spitze 5 mit einer erfindungsgemäßen bio-basierten und biologisch abbaubaren polymeren Beschichtung 6 aus vorliegend PLA beschichtet sind, welche die gewindeartigen Vertiefungen des Gewindeabschnitts 4 vollständig ausfüllt.
Alternativ kann der Schraubnagel abweichend ausgeführt sein. Ebenso kann es sich bei dem Befestigungselement 1 auch um einen Nagel, eine Schraube, eine Klammer oder dergleichen handeln.
Zum Beschichten des Befestigungselementes 1 mit der Beschichtung 6 wird, um Polymerpulver an zumindest Teilen der Oberfläche des Befestigungselements 1 aufzusintern, die Temperatur des Befestigungselements bis nahe an oder über den Schmelzpunkt der Beschichtungszusammensetzung erhöht. Der Schmelzpunkt für PLA liegt je nach Type bei 145 - 180 °C. Die Temperaturerhöhung des Befestigungselements erfolgt durch Aufheizen, z.B. in einem Ofen, durch Heißluft, durch elektromagnetische Strahlung, wie z.B. Infrarotstrahlung, UV-Strahlung oder durch elektromagnetische Induktion. Das aufgeheizte Befestigungselement 1 wird so lange entweder in ein unbewegtes oder ein fluidisiertes Pulverbett (Wirbelbett) gehalten, bis an der Oberfläche Pulverpartikel anhaften. Anschließend wird das pulverbeschichtete Befestigungselement mit einem der oben genannten Heizverfahren nachgetempert, wobei die noch raue, pulverige Oberfläche zu einem glatten Überzug umgewandelt wird.
Alternativ zur Beschichtung in einem unbewegten Pulverbett oder einem Wirbelbett kann das Befestigungselement 1 auch elektrostatisch mit dem Pulver beschichtet werden. Auf die elektrostatische Beschichtung folgt eine thermische Nachbehandlung zu einer glatten Oberfläche unter Einsatz eines der oben genannten Heizverfahren.
In allen drei Fällen, also unbewegtes Pulverbett, Wirbelbett und elektrostatisches Beschichten, können den Polymerpulvern in geringen Mengen kleiner 5 Gewichtsprozent Pigmente beigefügt werden, die bei der thermischen Nachbehandlung und beim Glätten der Oberfläche in den Polymerfilm eingebunden werden und für eine Farbgebung sorgen.
Ziel ist es, eine möglichst glatte und ebene Beschichtung zu erreichen. Im Idealfall werden z.B. bei Schraubnägeln und Schrauben die Gewindegänge vollständig mit Polymer gefüllt und die Gewindekanten mit einer dünnen Polymerschicht überzogen, wie es in Figur 2 gezeigt ist, so dass das Gewinde nicht mehr zu erkennen ist und der Schraubnagel oder die Schraube im Gewindebereich einem glattschaftigen Nagel gleicht.
Die Polymerpulver haben eine Körnung kleiner 1500 pm, bevorzugt eine Körnung kleiner 500 pm und besonders bevorzugt eine Körnung kleiner 250 pm. Je kleiner die Körnung, desto homogener die Beschichtung. Statt einer Beschichtung mittels aufgesinterter und thermisch nachbehandelter thermoplatischer Polymerpulver können die Polymere auch als Lösungen oder in Form von Emulsionen und/oder Dispersionen auf die Befestigungselemente aufgetragen werden. Die Lösungsmittel werden aus der Beschichtung herausgetrocknet und es verbleibt eine der Pulverbeschichtung gleichwertige Beschichtung, welche die Auszugfestigkeit erhöht. Beschichtungen von Befestigungselementen zur Erhöhung der Auszugfestigkeit aus biobasierten und biologisch abbaubaren Polymeren, die nicht durch Aufsintern auf die Befestigungselemente 1 aufgebracht werden, sind deshalb ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Die Beschichtung 4 dient zur Erhöhung der Auszugsfestigkeit des Befestigungselementes 1 in einem Zustand, in dem dieses in ein Werkstück eingetrieben ist. Die Erhöhung der Auszugsfestigkeit wird durch ein durch Reibung verursachtes thermisches Aktivieren der Beschichtung 4 während des Eintreibvorganges bewirkt, wodurch das Befestigungselement 1 zusätzlich mit dem Werkstück verklebt wird.
Das Befestigungselement 1 wird mit solchen Setzmitteln, z.B. Druckluft-, Gasoder Elektronagler appliziert, die eine ausreichend hohe Geschwindigkeit beim Setzen erzielen, die genügend Reibungswärme erzeugt, um die Oberfläche der Beschichtung anzuschmelzen oder zumindest zu erweichen. Als ausreichend hohe Geschwindigkeiten gelten Geschwindigkeiten oberhalb von 20 m/s. Bei diesen Geschwindigkeiten erreicht die Grenzschicht zwischen der Oberfläche des Befestigungselements und der Matrix, z.B. Nadelholz, Temperaturen von größer 120 °C. Oberflächentemperaturen von 200 °C können mit Eintreibgeschwindigkeiten ab 25 m/s erreicht werden. Die hohe Klebkraft der Beschichtung nach dem Eintreiben des Befestigungselementes 1 in zwei miteinander zu verbindenden Werkstücken zeigt sich in dem Faktum, dass beim Schertest von zwei mit PLA thermisch verklebten hölzernen Werkstücken der Bruch im Holz und nicht im Polymer stattfindet. Die freigelegte Oberfläche der Klebschicht ist mit Holzfasern bedeckt. Bei einer thermischen “Verklebung“ mit einem Polyolefin erfolgt der Bruch entlang der Verbindungsschicht zwischen einem der Werkstücke und der Klebefuge, wobei die Oberfläche keine Holzfasern enthält.
Bei Auszugsversuchen, bei denen Befestigungselemente 1 entlang ihrer Eintreibrichtung aus dem Matrixmaterial, z.B. Fichtenholz, herausgezogen wurden, wurde unerwarteter Weise eine Steigerung der charakteristischen Ausziehwerte nach DIN EN 14358:2016-11 von bis zu 80% bei Schraubnägeln (Tab. 2) und bis zu 154% bei Nägeln (Tabelle 4) im Vergleich zu dem jeweiligen unbeschichteten Befestigungselement 1 festgestellt.
Nägel und Schraubnägel (Serails) mit Schaftdurchmesser von 2,8 mm, einem Gewindedurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 75 mm wurden über die Länge des Gewindegangs mit Lösemittel haltigem DiamondCoating (DC) beschichtet, einer Füllkörper enthaltenden Beschichtung gemäß EP 2 540781 B1 von Raimund Beck Nageltechnik GmbH, Mauerkirchen, Österreich. Weitere Nägel und Serails wurden mit Polymerpulvern beschichtet. Dazu wurden die Nägel bzw. Serails in einem Ofen auf 240 °C aufgeheizt und in ein Wirbelbett, das jeweils das spezifische Polymerpulver enthält, getaucht. In Abhängigkeit von der Eintauchtiefe sintert das jeweilige Polymerpulver auf der Oberfläche an und bedeckt diese. Anschließend wurden die Nägel bzw. Serails im Ofen nachgetempert, bis die Oberfläche des thermoplastischen Pulvers einen gleichmäßigen homogenen und glatten Überzug gebildet hat. Die Polymerpulver sind:
• Polypropylen (PP) -Pulver Rowalit 690, Rowak AG, Klettgau-Griessen, Korngröße kleiner 500 pm
• Polystyrol (PS) -Pulver TS 120, Jackon AG, Wismar, Korngrößenverteilung 80 - 120 pm, Molekulargewicht (Mw) 240.000,
• Polymilcsäure (PLA) - Pulver, Coathylene GL2561 , Axalta Polymer Powders Switzerland Sari, Bulle, Schweiz, Korngröße kleiner 315 pm, im Durchschnitt 210 - 270 pm, Schmelzpunkt 165 - 180 °C.
• Polymilcsäure (PLA) - Pulver, NaturePlast PLHT 202, NaturePlast SAS, Ifs, Frankreich, gemahlen mit einer Wirbelstrommühle bei 12.000 U/rnin, Korngröße im Durchschnitt 288 pm, Schmelzpunkt 170 - 180 °C.
• Polyhydroxyalkanoat (PHA) - Pulver, NaturePlast PHI 003, NaturePlast SAS, Ifs, Frankreich, Schmelzpunkt 170 - 176 °C., Korngröße D50 17 pm, D90 45,61 pm.
• Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvaleriate) (PHBV) - Pulver, Nature- Matte 31 , MicroPowders, Inc., Tarrytown NY 10591 , USA, Schmelzpunkt 170 - 180 °C, Korngröße D50 7,5 - 10,5 pm.
Tab. 1 zeigt charakteristische Ausziehwerte in N/mm2 nach DIN EN 14358:2016-11 von unbeschichteten und beschichteten Schraubnägeln (Serails) mit einem Schaftdurchmesser von 2,8 mm, einem Gewindedurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 57 mm. Tabelle 1
Figure imgf000014_0001
Tabelle 2 zeigt charakteristische Ausziehwerte in N/mm2 nach DIN EN 14358:2016-11 von unbeschichteten und beschichteten Schraubnägeln (Serails) mit einem Schaftdurchmesser von 2,8 mm, einem Gewindedurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 75 mm sowie einer unbeschichteten Vollgewindeschraube Spax mit einem Durchmesser von 3,5 mm und einer Länge von 60 mm.
Tabelle 2
Figure imgf000014_0002
Figure imgf000015_0002
Tabelle 3 zeigt charakteristische Ausziehwerte in N/mm2 nach DIN EN 14358:2016-11 von unbeschichteten und beschichteten Nägeln mit folgenden Kennzahlen: Drahtdurchmesser 3,1 mm, Nagellänge 88 mm, gl.= glatt, rg.= Ringschaft, Bl.= blank, DC= DiamondCoating, GL=Coathylene GL2561 , schr.=Schraubenschaft, Fvz.=Feuer verzinkt.
Tabelle 3
Figure imgf000015_0001
Tabelle 4 zeigt charakteristische Ausziehwerte in N/mm2 nach DIN EN 14358:2016-11 von unbeschichteten und beschichteten Nägeln mit folgenden Kennzahlen: Drahtdurchmesser 2,5 mm, Nagellänge 45 mm bis 75 mm, rg.= Ringschaft, Bl.= blank, GL=Coathylene GL2561 , V4A=Edelstahl 1.4401.
Tabelle 4
Figure imgf000016_0001
Tabelle 5 zeigt die mittels eines Hochgeschwindigkeitspyrometers Metis H318, Sensortherm GmbH, an der Nageloberfläche gemessenen Maximaltempera- turen beim Einschießen. Im Versuchsaufbau wird in horizontaler Richtung 15 mm unter der Oberfläche ein 8 mm durchmessendes Loch an der Stelle durch ein Fichtenkantholz gebohrt, durch die später senkrecht der Nagel eingetrieben wird. Der Messstrahl des Pyrometers wird in das Loch ausgerichtet. Beim Passieren des Nagels durch das Loch wird die Oberflächentemperatur des Nagels gemessen. Es wurden Stahlnägel mit 4,6 mm Durchmesser, deren Kopf abgeschnitten wurde und Längen von ca. 80 mm aufwiesen, mit 6 bar Luftdruck (ca. 35 m/s) eingeschossen. Eine Nagelserie wurde mit schwarzem Polyolefinpulver (Polyethylen hoher Dichte, HDPE), eine weitere mit PLA (98,5 Gewichtsprozent) Coathylene GL2561 plus Schwarzpigment (1 ,5 Gewichtsprozent) beschichtet. Jeweils 6 Nägel beider beschichteter Nägel sowie eine unbeschichtete Referenz wurden eingeschossen und gemessen. Die Temperaturmessung des Pyrometers beginnt erst oberhalb von 119,9 °C, so dass niedrigere Temperaturen nicht erfasst werden. Die Temperaturkurven der beschichteten Nägel zeigen einen steilen Anstieg bis zu einer Maximaltemperatur und danach ein langsames Abflachen der Temperatur. Die Referenzmessungen an den unbeschichteten Stahlnägeln erreichten bei 6 Messungen nur dreimal Werte höher als 120 °C.
Tabelle 5
Figure imgf000017_0001
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Aus Tabelle 1 ist zu ersehen, dass das Beschichtungsmaterial erheblichen Einfluss auf die Ausziehfestigkeit bzw. auf den charakteristischen Ausziehwert hat. Eine Beschichtung mit Polyolefin (Polypropylen) reduziert den charakteristischen Ausziehwert im Vergleich zu unbeschichteten Serails mit einem Außengewindedurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 57 mm von 11 ,24 N/mm2 auf 8,04 N/mm2, was einer Reduktion von ca. 28,5% entspricht. Eine Beschichtung mit Polystyrol erhöht den charakteristischen Ausziehwert geringfügig um ca. 7,3%, eine Beschichtung mit Polymilchsäure (PLA PLHT 202) hingegen deutlich um ca. 37,4%. Dieser Wert liegt auch um ca. 11 ,5% höher als die bislang in der Praxis eingesetzte Beschichtung (DiamondCoating).
Tabelle 2 zeigt den Vergleich von unbeschichteten und beschichteten Serails mit einem Gewinde-Außendurchmesser von 3,2 mm und einer Länge von 75 mm sowie einer unbeschichteten Schraube (Spax) mit einem Gewinde-Außen- durchmesser von 3,5 mm und einer Länge von 60 mm. Die charakteristische Auszugfestigkeit der Schraube liegt mit 14,49 N/mm2 im Vergleich zur unbeschichteten Serail (11 ,24 N/mm2) um ca. 29% höher. Eine Beschichtung mit PLA-Pulver (Coathylene GL 2561) bewirkt eine Steigerung der charakteristischen Ausziehfestigkeit gegenüber der unbeschichteten Serail um ca. 80% und übertrifft damit deutlich den Wert der Schraube sowie den der Beschichtung mit DiamondCoating (ca. 7%). Auch eine mit PHA-Pulver (NaturePlast PHI 003) beschichtete Serail übertrifft mit einer Auszugfestigkeit von 15,89 N/mm2 die (Spax) Schraube um knapp 10% und liegt um ca. 41 % über dem unbeschichteten Referenzwert.
Tabelle 3 zeigt charakteristische Ausziehwerte für unbeschichtete und beschichtete Nägel mit einem Durchmesser von 3,1 mm und einer Länge von 88 mm. Die Nägel sind entweder glattschaftig oder besitzen einen Ring- oder Schraubenschaft. Statt einer blanken Oberfläche können sie auch feuerverzinkt sein. Alle Beschichtungen, sowohl mit DiamondCoating als auch mit PLA- Pulver Coathylenen GL 2561 weisen charakteristische Ausziehwerte auf, die etwa doppelt so hoch liegen wie der Wert für unbeschichtete Nägel. Die charakteristischen Ausziehwerte von DiamondCoating und PLA unterscheiden sich nicht signifikant.
Tabelle 4 zeigt unbeschichtete und beschichtete Nägel mit einem Drahtdurchmesser von 2,5 mm und Nagellängen von 45 mm (25/45) bis 75 mm (25/75). Die Beschichtungen mit Coathylene GL 2561 erhöhen die charakteristischen Ausziehwerte um 24% bis 45%. Diese Aussagen gelten sowohl für Nägel aus Stahl als auch für Nägel aus rostfreiem Stahl (25/52 rg. V4A). Weiterhin ist aus Tabelle 4 zu ersehen, dass mit zunehmender Nagellänge die Standardabweichung (sdv) bei unbeschichteten Nägeln von 5,3% (25/45) auf 2,4% (25/75) abnimmt. Anders ausgedrückt, je kürzer die Nägel, umso größer die Streuung des charakteristischen Ausziehwertes bei unbeschichteten Nägeln. Bei mit PLA beschichteten Nägeln liegen die Streuungen über alle Längenbereiche zwischen 2,2 und 2,9.
Tabelle 5 zeigt, dass die Beschichtung mit einem Thermoplasten (HDPE, PLA) zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur auf ca. 200 °C beim Einschießen führt. In beiden Fällen wird der Schmelzpunkt (HDPE 135 °C, PLA 145 - 180 °C) überschritten. Betrachtet man die unpolaren Polyolefine Polyethylen und Polypropylen in ihrer Affinität zur polaren Holzmatrix als gleichwertig, so ist klar erkennbar, dass die Erhöhung der Auszugfestigkeit kein rein physikalischersondern ein physikalisch-chemischer Effekt ist, der von der Auswahl des Polymers abhängig ist.
Es sollte klar sein, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Befestigungselementes 1 nur als Beispiel dienen und nicht als einschränkend zu verstehen sind. Vielmehr sind Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den durch die beiliegenden Ansprüche definierten Schutzbereich zu verlassen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Befestigungselement (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement zumindest in einem Bereich, der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, mit einer bio-basierten und biologisch abbaubaren polymeren Beschichtung (6) beschichtet ist.
2. Befestigungselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) ein Nagel, eine Schraube, ein Schraubnagel oder eine Klammer ist.
3. Befestigungselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) derart gewählt ist, dass sie den charakteristischen Ausziehwert beim Auszug aus Nadelholz im Vergleich zum unbeschichteten Befestigungselement (1) um mindestens 10% erhöht.
4. Befestigungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein bio-basierter Polyester ist.
5. Befestigungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) Polymilchsäure (PLA) und/oder Polyhydroxyalkanoat (PHA) und/oder Polyhydroxybutyrat (PHB) und/oder Polyhydroxybutyrat-co-Valerat (PHBV) und/oder Polyhydroxysuc- cinat (PBS) und/oder thermoplastische Stärke aufweist oder aus einem dieser Materialien oder aus einem Gemisch dieser Materialien besteht.
6. Verwendung einer Beschichtung (6) zum Beschichten zumindest eines Bereiches eines Befestigungselements (1), der zum Eintreiben des Befestigungselements (1) in ein Werkstück vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Beschichtung (6) um eine bio-basierte und biologisch abbaubare polymere Beschichtung handelt.
7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) ein Nagel, eine Schraube, ein Schraubnagel oder eine Klammer ist.
8. Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) derart gewählt ist, dass sie den charakteristischen Ausziehwert beim Auszug aus Nadelholz im Vergleich zum unbeschichteten Befestigungselement (1) um mindestens 10% erhöht.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein bio-basierter Polyester ist.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) Polymilchsäure (PLA) und/oder Polyhydroxyal- kanoat (PHA) und/oder Polyhydroxybutyrat (PHB) und/oder Polyhydroxybuty- rat-co-Valerat (PHBV) und/oder Polyhydroxysuccinat (PBS) und/oder thermoplastische Stärke aufweist oder aus einem dieser Materialien oder aus einem Gemisch dieser Materialien besteht.
11. Verfahren zum Beschichten eines Befestigungselements (1 ), bevorzugt in Form eines Nagels, einer Schraube, eines Schraubnagels oder einer Klammer, zumindest in einem Bereich des Befestigungselements (1), der zum Eintreiben in ein Werkstück vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Beschichtung (6) um eine bio-basierte und biologisch abbaubare polymere Beschichtung handelt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein bio-basierter Polyester ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) Polymilchsäure (PLA) und/oder Polyhydroxyalkanoat (PHA) und/oder Polyhydroxybutyrat (PHB) und/oder Polyhydroxybutyrat-co- Valerat (PHBV) und/oder Polyhydroxysuccinat (PBS) und/oder thermoplastische Stärke aufweist oder aus einem dieser Materialien oder aus einem Gemisch dieser Materialien besteht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere lösemittelfrei in Pulverform zur Beschichtung eingesetzt werden, wobei die Pulverpartikel insbesondere eine Körnung kleiner 500 pm und besonders bevorzugt eine Körnung kleiner 250 pm aufweisen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) bis an oder über den Schmelzpunkt des zur Beschichtung einzusetzenden Polymerpulvers erhitzt und anschließend so lange zumindest teilweise in das Polymerpulver getaucht wird, bis eine Schicht aus Pulverkörnchen an der Oberfläche des Befestigungselements (1) anhaftet, die durch anschließende thermische Behandlung geglättet wird.
16. Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Werkstücke unter Verwendung eines Befestigungselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (1) mittels eines Setzgerätes mit einer Mindestgeschwindigkeit von 20 m/s in die Werkstücke eingetrieben wird, um die Oberfläche der Beschichtung (6) thermisch zu aktivieren.
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