Projekt 22774/01

Entwicklung eines umwelt- und gesundheitsfreundlichen Verfahrens für die Oberflächenbehandlung von PU-Teilen

Projektträger

Schröter GmbH
Talstr. 13
71546 Aspach
Telefon: 07191/9250-50

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel der Arbeiten war die Untersuchung der Verklebung von Polyurethanbauteilen mit Dekorfolien insbesondere für die Inneneinrichtung von Caravan, Flugzeug und Schiffen in Leichtbauweise. Zum Erreichen einer ausreichenden Haftung werden bis heute bei der Herstellung von Polyurethan-Profilen für die Möbelindustrie lösungsmittelhaltige Haftvermittler eingesetzt. Um die Umweltbelastung mit den in den Lösungsmitteln enthaltenen (chlorierten) Kohlenwasserstoffe zu verringern, wurde die Substituierbarkeit der Haftvermittler durch ein Atmosphärendruck-Plasma (AD-Plasma) als umweltfreundlicheres Reinigungs- und Aktivierungsverfahren untersucht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung des Verfahrens an vorhandenen plasmatechnischen Laboranlagen stand im Mittelpunkt der Arbeiten. Im ersten Arbeitsschritt wurde das bisher eingesetzte Verfahren untersucht und eine Analyse der eingesetzten Produkte durchgeführt. In einer Parameterstudie zur Vorbehandlung mit Atmosphärendruck-Plasmadüsen zur Reinigung und Aktivierung der Polyurethanoberfläche von anhaftenden Trennmitteln, wurde die Eignung der Methode für diese Anwendung getestet. Eingesetzt wurden verschiedene Geräte zur Erzeugung eines Plasmastrahls und zum Vergleich als weitere Vorbehandlungsmethode die Beflammung.
Um die Ergebnisse makroskopisch zu bewerten, wurden Messungen der Oberflächenenergie und lichtmikroskopische Untersuchungen durchgeführt. Die begleitenden Untersuchungen zur Analyse der Elemente und Bindungen erfolgten mit spektroskopischen Verfahren. Dabei wurden die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie XPS und die Infrarotspektroskopie in abgeschwächter Totalreflexion (ATR) eingesetzt. Um die Qualität der Vorbehandlung in der Praxis zu testen, wurden Bauteile verklebt und die Festigkeiten geprüft. Aufgrund der Ergebnisse wurden weitere Untersuchungen zum Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit erforderlich. Die Auswirkung unterschiedlicher klimatischer Bedingungen, wie sie in der Produktion auftreten können, konnte verdeutlicht werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die Untersuchungen zeigten, dass die bei der Herstellung der PU-Profile benötigten Trennmittel nicht homogen auf den Produktionsformen verteilt sind. Die Schichtstärken liegen nach den durchgeführten Abschätzungen bei ca. 1 - 2 µm. Die Schichten werden teilweise von der Form auf das PU-Profil übertragen. Es konnte gezeigt werden, dass ein Plasmaverfahren für die Oberflächenvorbehandlung der PU-Profile prinzipiell geeignet ist. Die Oberflächenenergie eines mit Trennmittel abgeformten PU-Profils liegt im nicht behandelten Zustand bei ca. 30 mN/m und konnte durch die Vorbehandlung im Plasma auf 60 - 72 mN/m erhöht werden. Auf den Materialien konnte anschließend eine gute Haftung der Dekorfolien mit reaktiven Schmelzklebstoffen auf Basis von Polyurethan und nichtreaktiven Systemen auf Basis von Polyolefinen erzielt werden. Das Plasma entfernt nach den vorliegenden Untersuchungen oberflächlich vorhandene Trennmittel teilweise. Zum anderen Teil werden die Trennmittel im Plasma oxidiert und verblei-ben auf der Oberfläche. Die Veränderung der PU-Oberfläche durch eine Behandlung im AD-Plasma zeigt sich bei der Aufnahme eines ATR-Spektrums. Aus der Intensitätsabnahme der CH2- und CH3-Banden (2850 - 2920 cm-1) lässt sich ableiten, dass eine Oxidation stattfindet.
Die wichtigsten Parameter für die Vorbehandlung sind das zu verwendende Ionisationsgas und die notwendige elektrische Leistung. Als Ionisationsgas in den eingesetzten Plasmadüsen ist die Verwendung von Druckluft ausreichend. Eine gute Wirkung erzielt man mit hohen elektrischen Leistungen. Um den Wärmeeintrag in das Polyurethan zu verringern und somit lokale Materialschädigungen zu vermeiden, eignen sich für die Vorbehandlung insbesondere Rotationsdüsen und spezielle Schlitzdüsen. Nach Abschluss der Laborarbeiten wurden erste Versuche zur Übertragung in die technische Anwendung durchgeführt. Die guten Haftungsergebnisse für die Schmelzklebstoffe konnten grundsätzlich bestätigt werden. Bei einigen Mustern, die mit reaktiven Systemen verklebt wurden, kam es jedoch unerwartet zu lokalen Haftungsproblemen. In weiteren Versuchen konnte gezeigt werden, dass neben der Oberflächenvorbehandlung die klimatischen Aushärtebedingungen einen großen Einfluss auf die Haftungsergebnisse haben. Dieser Einfluss ist bei nichtreaktiven Systemen nicht zu erwarten. Umweltschädliche lösungsmittelbasierte Haftvermittler können durch eine Vorbehandlung im AD-Plasma substituiert werden.
Für die Ökologische Betrachtung ist nur die Vorbehandlung zu berücksichtigen. Die anderen Hilfsstoffe brauchen zum Vergleich nicht herangezogen zu werden, da die gleichen Trennmittel und Klebstoffe verwendet werden können. Durch den Ersatz der lösungsmittelbasierten Haftvermittler mit einer Reinigung und Aktivierung im Plasma kann die Umwelt erheblich entlastet werden. Für eine Möbeloberfläche von 100 m² werden nach dem herkömmlichen Verfahren etwa 10 l Haftvermittler verbraucht. Zur Vorbehandlung im Plasma sind für die gleiche Fläche ca. 10 m³ Druckluft und 2 - 3 kW elektrische Leistung notwendig. Da die Lösungsmittel der Haftvermittler auch chlorierte Kohlenwasserstoffe beinhalten, ist der Bau einer Rückgewinnungsanlage aus ökologischen Gründen angezeigt und zur Einhaltung der VOC-Richtlinie gesetzlich gefordert.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse fließen direkt in die Ausbildung am Klebtechnischen Zentrum des IFAM ein. Dadurch wird gezielt ein Fachpublikum erreicht. Von Seiten des Herstellers der PU-Bauteile wird den Kunden von den Ergebnissen insbesondere auf Messen berichtet.


Fazit

Im Projekt konnte gezeigt werden, dass bei der Herstellung von Profilen in der Möbelindustrie die Primerung mit chlorierten Kohlenwasserstoffen durch eine umweltfreundlichere AD-Plasma Vorbehandlung ersetzt werden kann. Das Ziel, die Haftung der Dekorfolie auf den PU-Bauteilen wesentlich zu verbessern, ist erreicht worden. Prinzipiell ist das Verfahren für die Oberflächenvorbehandlung von PU-Profilen geeignet. Es wurde jedoch auch deutlich, dass das Klima der Produktionsstätten die Klebfestigkeiten und Aushärtezeiten der Reaktivklebstoffe beeinflusst. Da eine Klimatisierung der Produktionshallen nicht sinnvoll ist, erscheint eine Anpassung der Klebsysteme und des Klebprozesses auf die Produktionsbedingungen als ein möglicher Weg. Ein Schwerpunkt weiter notwendiger Arbeiten ist die Anpassung des Plasmaprozesses an die Produktionsbedingungen, eine Verbesserung bei Einsatz der Trennmittel durch gleichmäßigeren Auftrag und die Auswahl sowie das Testen weiterer Klebstoffe, die eine höhere Temperaturstabilität aufweisen.