Spritzgießtechnisch hergestellte Lotus-Effect® Oberflächen (Kunststoff-Institut Lüdenscheid)

Innerhalb eines zweijährigen Entwicklungsprojektes am Kunststoff-Institut Lüdenscheid wurde gemeinsam mit der Degussa AG die serientechnische Umsetzung von Lotus-Effect® Oberflächen auf Kunststoff-Formteilen untersucht.

Ziel des Entwicklungsprojektes "Lotus-Effect® auf Kunststoff-Formteilen" war es zu untersuchen, inwieweit Lotus-Effect® Bauteile durch den Formgebungsprozess herzustellen sind. Hierbei sollte der Lotus-Effect® durch Nanopartikel, die in die Prozesskette zur Herstellung der Formteile eingebunden werden, hergestellt werden. Die zur Verfügung stehenden Nanopartikel wurden von der Degussa unter der Bezeichnung AEROXIDE® LE entwickelt und lagen als Pulverform vor. Ihre Oberfläche ist hydrophob und durch die Anlagerung an der Bauteiloberfläche ergibt sich eine mikro- und nanostrukturierte Oberfläche, die nötig ist um eine Lotus-Effect® Oberfläche auszubilden. Die so hergestellten Bauteile zeichnen sich durch Ihre Selbstreinigung in Kombination mit bewegtem Wasser aus. Sie sind aber nicht beständig gegen Fette, Öle oder Tenside, wodurch der Einsatzbereich eingeschränkt wird.

Um die AEROXIDE® LE in die Prozesskette zur Herstellung der Kunststoffteile einzubinden, wurden unterschiedliche Wege untersucht. Die Partikel wurden zum einem direkt auf das Formgebungswerkzeug oder beispielsweise bei extrusionstechnischen Produkten unmittelbar auf den Schmelzestrang aufgesprüht und zum anderen durch Eincompoundieren in das zu verarbeitende Granulat eingebracht. Zur Untersuchung wurden verschiedene Formteilgeometrien, Kunststoffe und AEROXIDE® LE Variationen eingebunden. Die Voruntersuchungen wurden an Spritzgießbauteilen durchgeführt. Hier sollten erste Erfahrungswerte gesammelt werden hinsichtlich Anhaftung, Verarbeitung, Belastbarkeit, etc. der Oberflächen. Im zweiten Step wurden diese Ergebnisse in Praxisversuchen, wie beispielsweise Extrudieren, Tiefziehen, Vergießen auf Ihre Anwendbarkeit überprüft.

Innerhalb der Vorversuche wurden die Kavitäten der Spritzgießwerkzeuge vor jeder Bauteilherstellung mit AEROXIDE® LE mittels Sprühprozess belegt. Durch den Einspritzprozess verkrallten sich die Partikel mit der Kunststoffoberfläche und lagen nach der Entformung auf der Bauteiloberseite vor. Der Sprühprozess wurde mit AEROXIDE® LE-Dispersionen und AEROXIDE® LE-Luftgemischen durchgeführt. Bei der Verwendung von AEROXIDE® LE-Dispersionen kommt es bei geringen Werkzeugwandtemperaturen zu einer Kondensatbildung auf der Werkzeugoberfläche, die die Ausbildung einer Lotus-Effect® Oberfläche vermeidet. Bei höheren Werkzeugwandtemperaturen tritt dieser Effekt nicht auf. Um die Kondensatbildung zu vermeiden, kann ein AEROXIDE® LE Luft Gemisch verwendet werden. Hierbei können die Partikel elektrostatisch aufgeladen werden, sodass eine zielgerichtete Applikation auf metallische Oberflächen möglich ist. Beide Systeme neigen zu einem Overspray, das eine entsprechende Einhausung des zu besprühenden Bereiches unverzichtbar macht.

REM Aufnahme einer spritzgießtechnisch hergestellten Lotus-Effect® Oberfläche (Kunststoff-Institut Lüdenscheid)

Die erzielten Oberflächen auf den Kunststoffteilen können als matt und je nach Werkstoff als fleckig bezeichnet werden. Begründet ist letzteres in der unregelmäßigen Abnahme der Partikel von der Werkzeugoberfläche, die wiederum je nach Kunststoff zu einem Schichtaufbau auf dem metallischen Formgebungswerkzeug führen kann. Bei den verwendeten Materialien zeigen die teilkristallinen Werkstoffe eine bessere Anhaftung der Partikel als die untersuchten amorphen Kunststoffe. Entsprechende REM Aufnahmen zeigen eine auf der Oberfläche gleichmäßig verteilte Nanopartikel die eine Art Blumenkohlstruktur und somit eine Lotus-Effect® Oberfläche darstellen. Bei der Ausbildung, Gleichmäßigkeit und Belastung der Lotus-Effect® Oberfläche besitzen die Verfahrensparameter, wie Werkzeugwandtemperatur, Schmelzetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit einen nicht unerheblichen Einfluss.

So zeigt der Nachdruck einen prägnanten Einfluss auf die Größe der Lotus-Effect® Oberfläche und die Werkzeugwandtemperatur auf die Beständigkeit gegenüber Wischen oder Beaufschlagung mit wässrigen Medien.

Da für die Erzeugung des Lotus-Effectes® die Kombination einer hydrophoben und strukturierten Oberfläche erforderlich ist, sind die Oberflächen nur geringfügig mechanisch belastbar, sodass ein Wischen der Oberflächen beispielsweise mit einem Lappen vermieden werden sollte. Je nach Werkstoff kann aber ein nach geschalteter Fertigungsgang die Belastbarkeit steigern. Durchgeführte Klimawechsel- und Alterungstests beeinflussten die Lotus-Effect® Eigenschaften nicht. Bauteile aus POM und PP mit einer Lotus-Effect® Oberfläche zeigten, dass nach einer simulierten Beregung von 5,5 Monaten, die Eigenschaften vollständig erhalten bleiben. Bei der Freilagerung von Lotus-Effect® Bauteilen beeinflussen die UV Strahlen die hydrophoben Eigenschaften, sodass der entsprechende Anwendungsfall geprüft werden muss.

Auftrag der Lotus-Effect® Partikel bei der Herstellung einer Folie mittels Kalanderverarbeitung (Kunststoff-Institut Lüdenscheid)

Die Übertragung der spritzgießtechnischen Voruntersuchungen auf weitere Kunststoff Formgebungsverfahren, zeigten unterschiedliche Ergebnisse. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die beständigsten Oberflächen erzielt werden, bei denen ein hohes Druck- und Temperaturniveau zum Zeitpunkt der Applikation der AEROXIDE® LE auf die Kunststoffoberfläche vorliegt. Dies sind insbesondere die Verfahren Spritzgießen und Kalandrieren. Bei Verfahren die nicht in diesem Druck- und oder Temperaturbereich angesiedelt sind, kommt es nur zu geringen Anhaftungskräften der Partikel an die Kunststoffoberfläche. Hierzu zählen beispielsweise, dass Blasformen, die Profilextrusion, das Tiefziehen, usw.

Um die Kontamination der Umgebung durch das erzeugte Overspray bei den verwendeten Auftragungsverfahren zu vermeiden und entsprechende Oberflächen gleichmäßiger mit einer Lotus-Effect® Oberfläche herstellen zu können, wurden spezielle Lotus-Compounds in die Versuchsreihe eingebunden. Ein konventionelles eincompoundieren der AEROXIDE® LE brachte hierbei allerdings keinen Erfolg. Die Partikel blieben nach der Bauteilherstellung unter der Oberfläche, sodass sich der gewünscht Effekt, auch nicht durch ein nachträgliches Plasma- bzw. Säureätzen, einstellen konnte. In weiteren Versuchen wurden zusätzlich Gleitschienen in das Material eincompoundiert die ein Migrieren der Partikel verursachen. Eine weitere Möglichkeit Lotus-Effect® Oberflächen durch AEROXIDE® LE herzustellen, ist das Lackieren von Kunststoffteilen mit einem AEROXIDE® LE-Lack. Hier muss durch weiterführende Untersuchungen Lackformulierungen ermittelt werden, die aufgrund ihrer Schwindungsverhältnisse die AEROXIDE® LE freilegen oder eine Migration derselben in der Flüssigphase zulassen.