Projekt 22774/02

Entwicklung eines umweltfreundlichen Verfahrens zur Herstellung von Profilleisten unter Vermeidung lösungsmittelbasierter Haftvermittler

Projektträger

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

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel der Arbeiten war die umweltfreundliche Modifizierung des Prozessschrittes 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 Her-stellung von Polyurethan-Profilen in diesem Industriebereich lösungsmittelhaltige Haftvermittler eingesetzt. Um die Umweltbelastung mit Lösungsmitteln, insbesondere auch chlorierten Kohlenwasserstoffen zu vermeiden, wurde der vollständige Ersatz von Haftvermittlern durch ein Atmosphärendruck-Plasma (AD-Plasma) als umweltfreundliches Reinigungs- und Aktivierungsverfahrenuntersucht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Umsetzung des Verfahrens von den plasmatechnischen Laboranlagen auf eine Pilotanlage stand im Mittelpunkt der Arbeiten des Projektes AZ 22774/02. Es wurde eine Pilotanlage mit Vorbehandlungsein-heit aufgebaut und der Prozess auf diese übertragen. In Labor- und Technikumsarbeiten wurde die Ef-fektivität der Vorbehandlung verbessert und auf gekrümmte Oberflächen übertragen. Daneben stand die Einstellung der prozesstechnischen Parameter des Klebeprozesses der Dekorpapiere auf die vorbehandelten PU-Profile im Vordergrund. Hierzu wurden Klebungen unter Feuchtigkeits- und Temperaturein-fluss durchgeführt. Zur Verbesserung der Klebverbindungen sind zwei verschiedene Klebstoffgruppen untersucht worden, thermoplastische, d. h. nicht-reaktive und reaktive Schmelzklebstoffe. Ein weiterer Aspekt der Arbeiten war es, die Vermeidung von Trennmitteln zu erforschen, um dadurch trennmittelfreie Bauteiloberflächen zu erhalten. Dazuwurden permanente Trennschichten bei Entformungen in der Produktion eingesetzt. Um die Ergebnisse 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.


Ergebnisse und Diskussion

Die Verklebung von Polyurethan-Profilen mit Dekorpapieren war bisher nur mit Hilfe von Haftvermittlern möglich. Es konnte gezeigt werden, dass ein Plasmaverfahren für die Oberflächenvorbehandlung der PU-Profile auch im produktionstechnischen Maßstab geeignet ist, Produktionshilfsstoffe von der Bauteiloberfläche zu entfernen und die Oberfläche zu aktivieren. Einen wichtigen Einfluss bei der produktionstechnischen Umstellung stellte dabei die festgestellte inhomogene Verteilung der Trennmittel auf dem Bauteil dar. Die Oberflächenenergie eines mit Trennmittel entformten PU-Profils liegt im nicht behandelten Zustand bei ca. 30 mN/m und konnte durch die Vorbehandlung an der Pilotanlage auf 56 - 60 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 Polyamiden erzielt werden. Nichtreaktive Systeme auf Basis von Polyolefinen zeigten im technischen Maßstab keine ausreichenden Klebfestigkeiten. Diese Klebungen erwiesen sich als nichtlangzeitstabil.

Das Plasma entfernt nach den vorliegenden Untersuchungen oberflächlich vorhandene Trennmittel teilweise. Zum anderen Teil werden die Trennmittel im Plasma oxidiert und verbleiben 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 ne-ben Abstand und Geschwindigkeit der eingesetzten Plasmadüsen das zu verwendende Ionisationsgas und die elektrische Leistung. Als Ionisationsgas in den eingesetzten Plasmadüsen ist die Verwendung von Druckluft ausreichend, der Einsatz von speziellen Gasen ist nicht erforderlich. Eine gute Wirkung er-zielt man mit hohen elektrischen Leistungen. Zur flächigen Behandlung des Polyurethans eignen sich Rotationsdüsen. Für den Kantenbereich, in denen z. T. verstärkt Trennmittel nachgewiesen werden konnte, können auch Runddüsen verwendet werden, ohne das Polyurethan thermisch zu schädigen.

Als wichtigster Parameter für eine gute Haftung stellte sich die Kontakttemperatur zwischen Klebstoff und Polyurethan heraus. Die Temperaturführung im Klebprozess muss bei dem neuen Vorbehandlungsverfahren mit Atmosphärendruck-Plasma exakt eingestellt werden. Ein Einfluss der Feuchtigkeit auf die Klebqualität bei den reaktiven Klebstoffen konnte bei den Untersuchungen nicht nachgewiesen werden. Das Verfahren konnte erfolgreich übertragen werden. 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 ähnliche 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 chlorierte kohlenwasserstoffhaltige Haftvermittler verbraucht, die aufwändig entsorgt werden müssen. Zur Vorbehandlung im Plasma sind für die gleiche Fläche lediglich ca. 5 m³ Druckluft und 6 - 7 kW elektrische Leistung notwendig.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse fließen direkt in die Seminare und Veranstaltungen am Klebtechnischen Zentrum des IFAM ein. Dadurch wird gezielt ein Fachpublikum erreicht. Weiterhin wurden die Resultate bei einigen Messepräsenzen von der Schröter GmbH und vom IFAM präsentiert.


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. Durch die flexible Gestaltung der Plasmadüsen ist das Vorbehandeln auch von schwierigen Profilgeometrien möglich. Ein anschließendes Verkleben der Dekorfolien ist prozesssicher möglich. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass ohne Plasmavorbehandlung kein prozesssicheres Kleben der Dekorfoilen realisiert werden kann. Das Ziel, Profil- und Möbelteile auf Basis von PU-Schäumen ohne Haftvermittler zu kleben ist erreicht worden. Der Einsatz chlorierter Kohlenwasserstoffe ist in diesem Industriebereich nicht mehr notwendig. Die VOC-Richtlinien können eingehalten werden und somit wird die Umwelt nachhaltig entlastet.