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Schema der Erzeugung von funktionalisierten Mikrokavitäten an der Kunststoffoberfläche für die Galvanik. Nach dem neuen Verfahren entstehen sie durch Herauslösen von Opferpartikeln, wobei chemisch gekoppelte Funktionspolymere eine Funktionalisierung bewirken. (Bild: IPF/Judith Nelke)

Metallisierte Kunststoffe sind für viele Anwendungen im Alltag gefragt, zum Beispiel bei Kfz-Innen- und Außenteilen, bei Badarmaturen oder in der Elektronik. Die Metallisierung verleiht dem Leichtbauwerkstoff Kunststoff eine gehobene Ästhetik, schützt gegen Medien (Chemikalien, Strahlung) und mechanische Belastung und kann auch funktionell wirken.
Zur Metallisierung sind galvanische Verfahren etabliert. Der industrielle Standard sieht als ersten Prozessschritt eine Beize mit Chromschwefelsäure als Vorbereitung für die notwendige chemische Abscheidung einer leitenden Schicht auf der Kunststoffoberfläche vor. Mit der Aufnahme von Cr(VI)-Verbindungen als zulassungspflichtige Substanz in die EU-Chemikalienverordnung, die so genannte REACH-Liste, wird intensiv nach Alternativen gesucht.

Kavernen beim Spritzgießen erzeugen

Eine außerordentlich vielversprechende Methode resultiert aus Untersuchungen am IPF zur chemischen Oberflächenmodifizierung beim Spritzgießen. Kern-Schale-Partikel aus einem löslichen Kern (z.B. Calcit) und einer Hülle aus einem Funktionspolymer (z.B. einem Polyamin) werden auf die Oberfläche des Spritzgießwerkzeugs appliziert. Beim Einspritzvorgang werden sie von der Schmelze nur teilweise umschlossen. Die hohe Temperatur initiiert eine chemische Kopplung des Funktionspolymers an die Schmelze. Nach dem Herauslösen des Kerns, zum Beispiel im Rahmen der Eingangsspülung in der Galvanik, entstehen Mikrokavitäten mit chemisch funktionalisierten inneren Oberflächen. Untersuchungen der IPF-Forscher haben gezeigt, dass diese Kavitäten Reaktionen mit Metallen ermöglichen. Die nachfolgende chemisch abgeschiedene Metallschicht weist aufgrund der chemischen Wechselwirkungen zum Funktionspolymer und aufgrund von Hinterschneidungen an der Kunststoffoberfläche eine hohe Haftfestigkeit auf, sodass weitere Schichten galvanisch abgeschieden werden können. Die Haftfestigkeit erreicht schon in den Vorversuchen Industriestandard.

Die Vorteile der Methode sind:

(1) REACH-konform und ökologisch;

(2) Nutzung der etablierten Galvaniktechnologie mit Einsparung vieler Bäder;

(3) anwendbar auf beliebige Kunststoffe, nicht nur ABS;

(4) Größe und Gestalt der Mikrokavitäten werden nicht durch den Kunststoff, sondern durch den Prozess gesteuert;

(5) die Funktionalisierung erfolgt kontrollierbar und mit höherer Dichte an gezielt eingestellten funktionellen Gruppen; und

(6) die Funktionalisierung kann örtlich selektiv erfolgen, ebenfalls über den Prozess gesteuert.

Bei dieser chromfreien Methode werden Zwischenschritte eingespart. Zudem weist die Technologie ein großes Potential zur Integration weiterer Funktionen in die Partikel auf.

Im VIP+-Projekt No Chrom sollen besonders die technische Integration des Applizierens beim Spritzgießen, das Optimieren der Partikelzusammensetzung sowie das Anpassen des Galvanikprozesses vorangetrieben werden.
Durch die Anbindung der Galvanikindustrie an das seit April 2021 laufende Projekt, bestehen sehr gute Chance zum schnellen Überführen der Innovation in die Anwendung. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert im Rahmen seiner Maßnahme „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP+“ für drei Jahre das Transferprojekt „NoChrom2: Chrom(VI)-freies Verfahren zur galvanischen Metallisierung von Kunststoffteilen“. Es wird wesentlich zur Sicherung der Zukunft der europäischen Kunststoffgalvanik auf umweltverträglicher Basis beitragen. (sf)

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