DE102010025958A1 - Method for manufacturing modified surface of plastic component during molding in predetermined condition, involves molding plastic by extrusion, and solidifying body with substance mixture of plastic - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteils mit vorbestimmter Oberflächenbeschaffenheit, wobei als Kunststoffe vor allem Polyolefine, wie Polyethylene, Polypropylene oder deren Elends geeignet sind. Die Oberflächenbeschaffenheit ist dergestalt, dass ein Verbinden des Kunststoffbauteil mit anderen Stoffen möglich ist. Das Verbinden kann beispielsweise durch Lackieren, Bedrucken, Metallisieren oder Verkleben erfolgen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte. Eine Substanzmischung wird auf die Oberfläche eines Werkzeugs appliziert. Die Substanzmischung umfasst ein Monomer mit mindestens einer radikalisch polymerisierbaren Doppelbindung und einen Radikalinitiator. Ein plastisch verformbarer Kunststoffs wird während der Formgebung mit der Substanzmischung in Kontakt gebracht. Das mit der Substanzmischung behandelte Kunststoffsubstrat erstarrt, so dass es eine feste Form erlangt.The present invention relates to a method for producing a plastic component with a predetermined surface quality, with polyolefins such as polyethylenes, polypropylenes or their blends being particularly suitable as plastics. The surface properties are such that the plastic component can be connected to other materials. The connection can take place, for example, by painting, printing, metallizing or gluing. The procedure consists of the following steps. A mixture of substances is applied to the surface of a tool. The substance mixture comprises a monomer with at least one free-radically polymerizable double bond and a free-radical initiator. A plastically deformable plastic is brought into contact with the substance mixture during shaping. The plastic substrate treated with the substance mixture solidifies so that it acquires a solid shape.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modifizieren von Kunststoffoberflächen, insbesondere von Polyolefinen. Als Polyolefine eignen sich Polyethylene, Polypropylene und deren Elends. Die Erfindung ist überall dort einsetzbar, wo Halbzeuge oder Bauteile aus Polyolefinen lackiert, bedruckt, metallisiert, verklebt oder anderweitig zu verbinden sind, z. B. Karosserieteile in der Automobilindustrie oder Bauteile, die eine entsprechende Oberflächenleitfähigkeit besitzen sollen, und wo es auf den Erhalt der vorteilhaften Grundeigenschaften des Polyolefins in Gänze ankommt.The invention relates to a method for modifying plastic surfaces, in particular polyolefins. Suitable polyolefins are polyethylenes, polypropylenes and their blends. The invention can be used wherever semifinished products or components made of polyolefins are painted, printed, metallized, glued or otherwise connected, for. As body parts in the automotive industry or components that should have a corresponding surface conductivity, and where it depends on the receipt of the beneficial properties of the polyolefin in whole.
Es ist bekannt und in der einschlägigen Fach- und Patentliteratur beschrieben, Kunststoffoberflächen nach verschiedenen Methoden zu modifizieren. Da Kunststoffe im Allgemeinen an der Oberfläche zu hydrophob sind, weil sie zu wenige oder keine funktionellen reaktionsfähigen Gruppen besitzen, ist es erforderlich, die Polymeroberflächen zu aktivieren. Eine Aktivierung der Kunststoffoberflächen wird überwiegend durch Beflammen, Plasmabehandlung oder Bestrahlung erreicht, indem funktionelle Gruppen in Monolagen an der äußersten Grenze des Kunststoffes erzeugt werden. Diese Art der Aktivierung von Polymeroberflächen wird als zusätzlicher technologischer Schritt durchgeführt.It is known and described in the relevant technical and patent literature to modify plastic surfaces by various methods. Since plastics are generally too hydrophobic on the surface because they have too few or no functional reactive groups, it is necessary to activate the polymer surfaces. Activation of the plastic surfaces is achieved predominantly by flaming, plasma treatment or irradiation by producing functional groups in monolayers at the outermost border of the plastic. This type of activation of polymer surfaces is performed as an additional technological step.
Die konventionellen Vorbehandlungsverfahren, wie beispielsweise die Koronaentladung, (Niederdruck-)Plasmamodifizierung oder Beflammung sind zwar generell zur Oberflächenmodifizierung geeignet; die damit erreichbaren Effekte sind aber nicht dauerhaft. Mit diesen hoch energetischen Vorbehandlungsverfahren werden Radikale an der Oberfläche erzeugt, die in Gegenwart von Sauerstoff oder Wasser zu Hydroxylgruppen, Ketogruppen oder Carboxylgruppen reagieren. Diese Gruppen tragen zur Erhöhung der Oberflächenenergie bei. Unterstützt werden diese Reaktionen durch UV-Licht und Radikale des Prozessgases. Bei einigen Polyolefinen, wie PE, LLD, metallocenkatalysierten Typen oder Polyolefinen mit hohen Additivgehalten, ist die Wirkung unbefriedigend.Conventional pretreatment methods, such as corona discharge, (low pressure) plasma modification, or flame treatment are generally suitable for surface modification; however, the effects that can be achieved are not permanent. These high-energy pretreatment processes generate surface-generated radicals which react in the presence of oxygen or water to form hydroxyl groups, keto groups or carboxyl groups. These groups contribute to increasing the surface energy. These reactions are supported by UV light and process gas radicals. In some polyolefins, such as PE, LLD, metallocene-catalyzed types or polyolefins with high additive contents, the effect is unsatisfactory.
Weiterhin ist nachteilig, dass die Stabilität des Vorbehandlungseffektes über einen größeren Zeitraum gering ist. Deshalb muss eine Weiterverarbeitung der oberflächenmodifizierten Kunststoffe ohne Zwischenlagerung erfolgen, was in der Industrie nur schwer realisierbar ist.Furthermore, it is disadvantageous that the stability of the pretreatment effect over a relatively long period of time is low. Therefore, a further processing of the surface-modified plastics without intermediate storage must take place, which is difficult to achieve in the industry.
Obwohl die erreichbaren Oberflächenenergien sehr hoch sein können, sind die Haftfestigkeiten von nachfolgenden Beschichtungen oft unbefriedigend. Ursächlich dafür sollen Schichten von polaren Stoffe an der Oberfläche sein, so genannte „weck boundary layer”, die nicht fest mit dem Substrat verbunden sind. Diese Schicht besteht sowohl aus Additiven als auch aus Fragmenten der Polymerkette, die durch die hochenergetische Vorbehandlung erzeugt werden. Eine Modifizierung der Schicht konnte durch lang andauerndes Ätzen mit oxydierenden Reagenzien unterstützt durch Ultraschall erreicht werden. Die genannten Verfahren beruhen auf unspezifischen Reaktionen mit den Kohlenstoffatomen an der Oberfläche der Polymere. Auch diese Modifizierungen sind meist nicht dauerhaft.Although the achievable surface energies can be very high, the adhesive strengths of subsequent coatings are often unsatisfactory. The reason for this is said to be layers of polar substances on the surface, so-called "weck boundary layer", which are not firmly bonded to the substrate. This layer consists of both additives and fragments of the polymer chain, which are generated by the high-energy pretreatment. A modification of the layer could be achieved by long-term etching with oxidizing reagents supported by ultrasound. The processes mentioned are based on unspecific reactions with the carbon atoms on the surface of the polymers. These modifications are usually not permanent.
Die Gasphasenfluorierung liefert zwar eine geringere Anhebung der Oberflächenenergie im Vergleich zur Plasmavorbehandlung und Koronavorbehandlung; die erzielbaren Haftfestigkeiten für wässrige und strahlen härtbare Veredlungssysteme und die Langzeitstabilität sind jedoch besser. Allerdings gibt es auch bei diesen Verfahren Polyolefintypen, die sich nur gering modifizieren lassen.Although the gas phase fluorination provides a lower increase in surface energy compared to plasma pretreatment and corona pretreatment; However, the achievable adhesive strengths for aqueous and radiation curable finishing systems and the long-term stability are better. However, there are also polyolefin types in these processes, which can only be modified slightly.
Ein Weg zu einer dauerhaften Oberflächenmodifizierung besteht im Aufpfropfen polarer Polymere auf die Polyolefinoberfläche. Diese Reaktionen werden durch Radikale an der Polyolefinoberfläche gestartet, die durch Ozon, Plasma oder UV-Bestrahlung erzeugt werden. Die aus der Flüssig- oder Dampfphase zugeführten Monomere werden auf die Oberfläche aufgepfropft. Als Monomere werden meist Acrylderivate, teilweise auch Silane verwendet. Dadurch werden neben den funktionellen Gruppen, wie Carboxylgruppen, Hydroxylgruppen oder Aldehydgruppen auch noch Silanreste an der Polymeroberfläche bzw. Kunststoffoberfläche gebunden bzw. SiOx-Ablagerungen erzeugt, die dann ebenfalls als Haftvermittler zur Verfügung stehen. Nachteilig hierbei ist, dass die Modifizierung als zusätzlicher Verfahrensschritt zur Formgebung, vorzugsweise für planare Oberflächen, durchgeführt werden muss.One way to achieve permanent surface modification is by grafting polar polymers onto the polyolefin surface. These reactions are initiated by radicals on the polyolefin surface, which are generated by ozone, plasma or UV irradiation. The fed from the liquid or vapor phase monomers are grafted onto the surface. The monomers used are usually acrylic derivatives, in some cases also silanes. As a result, in addition to the functional groups, such as carboxyl groups, hydroxyl groups or aldehyde groups, silane radicals are also bound to the polymer surface or plastic surface or SiO x deposits are produced, which are then likewise available as adhesion promoters. The disadvantage here is that the modification as an additional process step for shaping, preferably for planar surfaces, must be performed.
Beispielsweise wird in der Deutschen Patentschrift
Die Europäische Patentschrift
In der Deutschen Patentschrift
In der Deutschen Patentschrift
Die Verwendung von Primern wurde vielfach vorgeschlagen. Die Wirkung beruht auf der Diffusion einer Lösung aus funktionellen Verbindungen in die Oberflächenschicht von Kunststoffen. Das Lösungsmittel hat die Aufgabe, die Oberflächenschicht aufzuquellen und so die Diffusion der Primer in die geschaffene offene Polymerstruktur zu ermöglichen. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels bleibt der Primer in der Oberflächenschicht zurück. Als Primer wurden sowohl funktionelle Polymere [
Alle Verfahren zur Oberflächenmodifizierung von Polyolefinen haben zum Nachteil, dass die Langzeitstabilität der Oberflächenmodifizierung ungenügend, d. h. nicht dauerhaft ist. Weiterhin ist nachteilig, dass die Verfahren gemäß dem Stande der Technik nicht für alle Polyolefintypen geeignet sind und in separaten, teilweise aufwändigen Prozessschritten durchgeführt werden müssen.All methods of surface modification of polyolefins have the disadvantage that the long-term stability of the surface modification is insufficient, i. H. is not permanent. Another disadvantage is that the methods according to the prior art are not suitable for all polyolefin types and must be carried out in separate, sometimes complex process steps.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, dass eine Oberflächenmodifizierung eines Kunststoffbauteils mit Langzeitstabilität ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a method that allows a surface modification of a plastic component with long-term stability.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von beigefügtem Anspruch 1 gelöst. Anspruch 1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoffbauteils mit vorbestimmter Oberflächenbeschaffenheit. Die Oberflächenbeschaffenheit ist dergestalt, dass ein Verbinden des Kunststoffbauteil mit anderen Stoffen möglich ist. Das Verbinden kann beispielsweise durch Lackieren, Bedrucken, Metallisieren oder Verkleben erfolgen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Einem plastisch verformbares Kunststoffsubstrat wird in eine vorbestimmte Form gebracht. Eine Substanzmischung wird auf die Oberfläche der plastisch verformbaren Kunststoffsubstrat appliziert. Die Substanzmischung umfasst ein Monomer mit mindestens einer radikalisch polymerisierbaren Doppelbindung und einen Radikalinitiator. Das mit der Substanzmischung behandelte Kunststoffsubstrat erstarrt, so dass es eine feste Form erlangt.The object is solved by the subject matter of appended
Die Erfindung nutzt aus, dass das Kunststoffsubstrat im Zustand plastischer Verformbarkeit eine geringere Dichte aufweist. Das trifft insbesondere dann zu, wenn das Kunststoffsubstrat durch Wärmezufuhr verflüssigt ist. Die Substanzmischung kann folglich leichter in die Oberfläche des Kunststoffsubstrates eindringen. Außerdem werden vorzugsweise Radikalinitiatoren verwendet, die aufgrund ihrer chemischen Struktur mit dem Polyolefin kompatibel sind, womit deren Diffusion begünstigt wird. Deshalb ist der Einsatz von Lösungsmitteln zum Aufquellen der Oberfläche überflüssig.The invention makes use of the fact that the plastic substrate has a lower density in the state of plastic deformability. This is especially true when the plastic substrate is liquefied by supplying heat. The substance mixture can consequently penetrate more easily into the surface of the plastic substrate. In addition, it is preferred to use free-radical initiators which are compatible with the polyolefin because of their chemical structure, favoring their diffusion. Therefore, the use of solvents to swell the surface is unnecessary.
Bei Kontakt des Substanzmischung mit der heißen Kunststoffoberfläche kommt es zu zwei Prozessen. Zum Einen diffundieren die niedermolekularen Komponenten der Substanzmischung sehr schnell in die äußerste Oberflächenschicht. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist durch die hohe Temperatur und die geringe Dichte der Schmelze, im Vergleich zum erstarrten Kunststoff, erhöht. Zum Anderen wird durch die hohe Temperatur der Schmelze der radikalische Zerfall des Radikalinitiators ausgelöst. Die entstehenden Radikale initiieren eine Polymerisation der Monomere bzw. bei Verwendung von multifunktionellen Monomeren eine Vernetzung. Dadurch werden die entstehenden funktionellen Polymere in der Oberflächenschicht der Kunststoffteile verankert. Nach dem Entformen enthält die Oberflächenschicht der Formteile die fest verankerten Substanzen, die zu einer Oberflächenmodifizierung führen können.Upon contact of the substance mixture with the hot plastic surface, two processes occur. On the one hand, the low-molecular components of the substance mixture diffuse very quickly into the outermost surface layer. The diffusion rate is increased by the high temperature and the low density of the melt, compared to the solidified plastic. On the other hand, the high temperature of the melt triggers the radical decomposition of the radical initiator. The resulting radicals initiate polymerization of the monomers or crosslinking when multifunctional monomers are used. As a result, the resulting functional polymers in the surface layer of the plastic parts anchored. After demolding, the surface layer of the moldings contains the firmly anchored substances which can lead to a surface modification.
Eine weitere prozessintegrierte Oberflächenmodifizierung von Polyolefinen auf Basis von Radikalreaktionen sieht vor, einen so genannten Modifikator unter Beteiligung von Radikalreaktionen an die Polyolefinoberfläche zu koppeln. Da Polyolefine jedoch bei den üblichen Verarbeitungstemperaturen radikalisch schwer durch Wasserstoffabstraktion aktivierbar sind, ist der Effekt gering. Im Gegensatz dazu ist der Effekt mit der vorgeschlagenen Lösung weit größer, da die Monomere nur untereinander reagieren müssen, um sich in der Oberflächenschicht zu verankern.Another process-integrated surface modification of polyolefins based on radical reactions involves coupling a so-called modifier to the polyolefin surface with the participation of radical reactions. However, since polyolefins are radically difficult to activate by hydrogen abstraction at the usual processing temperatures, the effect is low. In contrast, the effect with the proposed solution is far greater since the monomers only need to react with each other to anchor in the surface layer.
Die Applikation der Substanzmischung erfolgt dabei in den Formgebungsprozess integriert. Mit Hilfe des Verfahrens werden die Oberflächen von Kunststoffen für einen weiten Aufgabenbereich modifiziert. Insbesondere eignet sich das Verfahren für wenig reaktive Kunststoffsubstrate mit niedriger Glasübergangstemperatur, wie Polyolefine. Je nach chemischer Zusammensetzung der Substanzen können die Oberflächen dadurch polarer oder unpolarer, chemisch reaktiv oder inert werden und so die Grundlage für weitere Schritte der Oberflächenveredlung bilden.The application of the substance mixture takes place integrated into the molding process. The process modifies the surfaces of plastics for a wide range of tasks. In particular, the process is suitable for low reactivity, low glass transition temperature plastic substrates, such as polyolefins. Depending on the chemical composition of the substances, the surfaces may become more polar or nonpolar, chemically reactive or inert and thus form the basis for further surface treatment steps.
Mit der Erfindung wird im Anwendungsfall eine dauerhafte Oberflächenmodifizierung von Kunststoffbauteilen mit verbesserten Adhäsions- und Benetzungseigenschaften erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Verbesserung der Lackierbarkeit mit auf Wasser basierenden Lacken bzw. eine Verbesserung der Benetzbarkeit mit Klebstoffsystemen und eine bessere Haftung von Lacken bzw. eine verbesserte Haftung der Verklebung. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kunststoff verarbeitende Industrie in die Lage versetzt, Halbzeuge oder Bauteile aus Kunststoffen herzustellen, die einer Oberflächenveredlung direkt zugänglich sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zusätzliche Investitionen, Verfahrenskosten und Energie eingespart, da die Modifizierung unmittelbar von dem Kunststoffverarbeiter und nicht erst bei der Weiterverarbeitung durchgeführt wird. Eine Oberflächenvorbehandlung der Kunststoffprodukte entfällt. Die Kunststoffoberfläche muss nicht mit hochenergetischen und damit die Oberfläche angreifenden Verbindungen oder Strahlen behandelt werden. Technologische Schritte der Kunststoffverarbeitung können flexibler gestaltet werden, d. h. die Prozesskette wird flexibler.With the invention, a durable surface modification of plastic components with improved adhesion and wetting properties is achieved in the application. The process according to the invention makes it possible to improve the paintability with water-based paints or to improve the wettability with adhesive systems and to improve the adhesion of paints or to improve the adhesion of the bond. Due to the method according to the invention, the plastics processing industry is able to produce semi-finished products or components made of plastics, which are directly accessible to a surface finishing. With the method according to the invention additional investments, process costs and energy savings because the modification is carried out directly by the plastics processor and not only in the further processing. A surface pretreatment of the plastic products is eliminated. The plastic surface need not be treated with high energy and thus surface attacking compounds or jets. Technological steps in plastics processing can be made more flexible, i. H. the process chain becomes more flexible.
Als Folge entstehen lineare und/oder verzweigte Polymere bzw. ein Netzwerk in der äußersten Oberflächenschicht des Kunststoffsubstrates. Dieses Netzwerk ist fest verankert und bestimmen so die Oberflächeneigenschaften des Kunststoffbauteils dauerhaft. Die Eigenschaften werden durch die Art und Zusammensetzung der Substanzmischung bestimmt. Falls gewünscht können auch Monomere mit weiteren funktionellen Gruppen eingesetzt werden. Eine solche zusätzliche Funktionalisierung der Monomere ist aber in den meisten Fällen nicht erforderlich.As a result, linear and / or branched polymers or a network are formed in the outermost surface layer of the plastic substrate. This network is firmly anchored and thus permanently determines the surface properties of the plastic component. The properties are determined by the nature and composition of the substance mixture. If desired, it is also possible to use monomers having further functional groups. However, such additional functionalization of the monomers is not required in most cases.
Ziel ist eine möglichst homogene Benetzung der Oberfläche des Kunststoffsubstrates. Deshalb kommen insbesondere flüssige Substanzen zum Aufsprühen oder gasförmige Substanzen zum Aufdampfen zum Einsatz.The aim is a very homogeneous wetting of the surface of the plastic substrate. Therefore, in particular, liquid substances for spraying or gaseous substances for vapor deposition are used.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Formgebung durch Spritzgießen des Kunststoffsubstrates in eine Form mit vorgegebener Kavität erfolgt. Das Applizieren der Substanzmischung erfolgt dadurch, dass die Oberfläche der Kavität mit der Substanzmischung benetzt wird, bevor das Kunststoffsubstrat in die Form eingebracht wird. Vorzugsweise wird lediglich ein dünner Film der Substanzmischung auf die Kavitätsoberfläche appliziert. Dabei können beispielsweise in einem flüchtigen Lösungsmittel gelöste Substanzmischungen angewandt werden. Als Lösungsmittel kann beispielsweise Wasser verwendet werden.A preferred embodiment of the present invention provides that the shaping takes place by injection molding of the plastic substrate into a mold with a predetermined cavity. The application of the substance mixture takes place in that the surface of the cavity is wetted with the substance mixture before the plastic substrate is introduced into the mold. Preferably, only a thin film of the substance mixture is applied to the cavity surface. In this case, for example, dissolved in a volatile solvent substance mixtures can be applied. As a solvent, for example, water can be used.
Als alternativer Prozess zur Formgebung ist die Extrusion des Kunststoffsubstrates einsetzbar. Bei der Extrusion wird das Kunststoffsubstrat in einem kontinuierlichen Verfahren durch eine speziell geformte Öffnung gepresst. Es entstehen Körper mit dem Querschnitt der Öffnung in beliebiger Länge. Dazu wird das Kunststoffsubstrat zunächst durch einen Extruder (auch Schneckenpresse genannt) aufgeschmolzen. Weiterhin wird im Extruder der für das Durchfließen der Düse notwendige Druck aufgebaut. Die Oberfläche des aus dem Extruder austretenden Kunststoffsubstrats wird mit der Substanzmischung über eine Walze benetzt.As an alternative process for shaping, the extrusion of the plastic substrate can be used. During extrusion, the plastic substrate is pressed through a specially shaped opening in a continuous process. It creates bodies with the cross section of the opening in any length. For this purpose, the plastic substrate is first melted by an extruder (also called screw press). Furthermore, in the extruder necessary for the flow of the nozzle pressure is built up. The surface of the plastic substrate emerging from the extruder is wetted with the substance mixture via a roller.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Show it:
Die in
Die Einspritzvorrichtung
Das in
Im ersten Schritt
In Schritt
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Schneckeslug
- 2020
- Trichterfunnel
- 3030
- Düsejet
- 4040
- Heizungheater
- 5050
- Kavitätcavity
- 6060
- Formshape
- 7070
- Spritzvorrichtungsprayer
- 8080
- Kanalchannel
- 100100
- Benetzen der Kavitätsoberfläche mit SubstanzmischungWetting the cavity surface with substance mixture
- 200200
- Einspritzen des KunststoffsubstratesInjection of the plastic substrate
- 300300
- Erstarren lassen des KunststoffsubstratesFreeze the plastic substrate
- 400400
- Entnahme des Kunststoffsubstrates aus der FormRemoval of the plastic substrate from the mold
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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