Thermisches Spritzen von Kunststoffen

Dipl.-Ing. Sven Hartmann, SFI

Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt (SLV), Duisburg

Einleitung

Die ersten Schritte zur Verarbeitung von Kunststoffen durch thermisches Spritzen wurden in den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts unternommen. Zu dieser Zeit stand Polyethylen als Kunststoff zur Verfügung; die Versuche, diesen Werkstoff durch thermisches Spritzen zu verarbeiten, waren jedoch zunächst nicht erfolgreich, da die Anlagen verwendet wurden, die zum damaligen Zeitpunkt zum Flammspritzen eingesetzt wurden. Diese waren jedoch für die Verarbeitung von im Vergleich zu Kunststoffen höherschmelzenden Werkstoffen ausgelegt, so dass die Kunststoff-Zusatzwerkstoffe beim Spritzprozess thermisch zersetzt wurden [1].
Daher sind Spritzanlagen mit speziellen Düsenkonfigurationen entwickelt worden, mit denen die thermische Belastung der Zusatzwerkstoffe reduziert werden konnte; es hat sich des weiteren gezeigt, dass eine längere Verweilzeit der Partikel in der Flamme angestrebt werden sollte, da die Partikel des verarbeiteten Kunststoffgranulats größer sind als die Korngrößen der üblichen Zusatzwerkstoffe zum thermischen Spritzen und es somit schwieriger ist, eine komplette Durchschmelzung des Materials zu erreichen.
Neben Flammspritzen zur Verarbeitung von Kunststoffen durch thermisches Spritzen werden heute auch die Verfahren Plasma- und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) eingesetzt. Auch bei diesen Verfahren mussten Anlagenmodifikationen durchgeführt werden, um Kunststoffe aufgrund der im Vergleich zu herkömmlichen, durch thermisches Spritzen verarbeitbaren Werkstoffen niedrigen Schmelztemperaturen auftragen zu können.
Zum thermischen Spritzen von Kunststoffen können unterschiedliche Polymere eingesetzt werden; diese sind jedoch auf die Gruppe der Thermoplaste beschränkt. Die unterschiedlichen Kunststoff-Werkstoffe sowie die eingesetzten Verfahren werden in diesem Beitrag beschrieben. Anhand von Anwendungsbeispielen wird die Verwendung in der Praxis demonstriert.

Zum thermischen Spritzen von Kunststoffen eingesetzte Verfahren

Flammspritzen

Flammspritzen ist das bei weitem am häufigsten eingesetzte Verfahren zum Verarbeiten von Kunststoffen durch thermisches Spritzen.
Um Kunststoffpulver durch Flammspritzen verarbeiten zu können, müssen spezielle Düsen eingesetzt werden, die die thermische Zersetzung der Kunststoffe verhindern, diese jedoch ausreichend aufschmelzen, um kompakte Schichten erzeugen zu können. Dabei können die eingesetzten Düsen z. B. so konfiguriert sein, dass sich zwischen dem äußeren Flammenring und dem zentralen Kunststoffgranulat-Strahl ein Kühlgasring befindet, s. Abb. 1. Dieser Kühlgasring fungiert als thermische Isolation, die verhindert, dass das Granulat direkt mit der heißen Flamme in Berührung kommt. Anlagen zum Flammspritzen von Kunststoffwerkstoffen stehen von verschiedenen Herstellern zur Verfügung (u. a. Sulzer Metco, Eutectic Castolin, GTV / UTP).
 










Abb. 1  Mögliche Düsenkonfiguration zum Flammspritzen von Kunststoff  [2]

Verglichen mit metallischen Werkstoffen, die beim Flammspritzen verarbeitet werden (z. B. Aluminium oder Zink) werden bei der Beschichtung mit Kunststoffen meist dickere Schichten aufgetragen; häufig werden Schichtdicken von mehr als 1 mm erzeugt. Als Vorbereitung zum Flammspritzen wird das Substrat aufgerauht und in der Regel durch die Flamme vorgeheizt auf Temperaturen im Bereich 60...250°C in Abhängigkeit vom Substratwerkstoff und dem zu verarbeitenden Kunststoffmaterial.
Flammgespritzte Schutzschichten eignen sich besonders für den Korrosionsschutz in Bereichen, in denen keine oder nur geringe mechanische Beanspruchungen der Schichten auftreten. Beispielhaft genannt seien hier der Korrosionsschutz von Brücken, Geländern, Schiffsrümpfen und –decks, Bojen, Kaminen oder Rohrleitungssystemen. Des weiteren werden z. B. auch Teile von Chemie- und Abwasseranlagen oder Raffinerien sowie Pumpen, Geräte und Anlagen aus der Lebensmittelindustrie durch Flammspritzen beschichtet. Weitere bedeutende Einsatzbereiche sind Behälter-Innenauskleidungen sowie elektrische Isolationsschichten in der Elektrotechnik und Elektronik [1, 3, 4, 5, 6].

Plasmaspritzen

Auch der Plasmaspritzprozess wird für die Verarbeitung von Polymeren durch thermisches Spritzen eingesetzt, jedoch in erheblich geringerem Maße und lediglich für spezielle Anwendungen. Es lassen sich sowohl Polyethylen und Ethylencopolymere als auch Nylon und Epoxydharz durch diese Verfahrensvariante verarbeiten [1, 7, 8, 9, 10].

Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen

Zum Einsatz des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems zur Verarbeitung von Kunststoff-Spritzwerkstoffen sind bereits Untersuchungen durchgeführt worden. Dabei ist insbesondere betrachtet worden, ob sich die thermische Zersetzung durch die höheren Geschwindigkeiten und somit kürzeren Verweilzeiten der Partikel in der Flamme reduzieren lassen. Verwendet wurden bei diesen Versuchen Nylon-Werkstoffe. Ein weiterer Vorteil des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems sind die aufgrund der höheren Geschwindigkeiten stärkeren Deformationen der Partikel beim Auftreffen auf das Substrat und die daher dichteren Schichten; weiterhin ist betrachtet worden, ob aufgrund der niedrigeren erforderlichen Temperaturen eine externe Zugabe der Spritzwerkstoffe hinter der Pistole vorteilhaft ist.
Ergebnisse dieser Untersuchungen war, dass sich zwar kompakte, gut haftende Schichten durch eine externe Zugabe erzeugen lassen. Es sind aber hohe Flammentemperaturen erforderlich, die dazu führten, dass die Substrate so stark erhitzt wurden, dass die aufgetragenen Schichten überhitzt und teilweise thermisch zersetzt wurden. Eine interne Zugabe der Spritzwerkstoffe erwies sich daher als vorteilhafter, insbesondere konnte die thermische Zersetzung aufgrund der hohen Geschwindigkeiten und somit kurzen Verweilzeiten in der Flamme weitestgehend verhindert werden [1, 11].
Es sind bereits Beschichtungen durch thermisches Spritzens im industriellen Bereich mittels des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahrens ausgeführt worden. Dabei sind PEEK sowie LCP als korrosionsbeständige Behälterbeschichtungen in der petrochemischen Industrie, Brauereien und der sonstigen Nahrungsmittelindustrie ausgeführt worden [12].

Kunststoffe als Zusatzwerkstoffe zum thermischen Spritzen

Kunststoff ist ein Werkstoff, der aus Makromolekülen aufgebaut ist und durch Umwandlung aus Naturprodukten oder durch Synthese aus Primärstoffen wie Erdöl, Erdgas, Kohle oder Quarz hergestellt wird. Die durch Synthese hergestellten Stoffe sind zum Beispiel Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Epoxydharz (Epoxy-Kleber) oder Silikone.

Werkstofftechnische Grundlagen

Unterteilung der Kunststoffe

Die Kunststoffe können hinsichtlich ihrer Herstellungsart und ihrer Struktur unterteilt werden.

Unterteilung der Kunststoffe hinsichtlich ihrer Herstellungsart

Bei der Herstellung der Kunststoffe werden folgende Herstellungsprinzipien voneinander unterschieden:
- Polymerisation: Bildung der Makromoleküle durch Kettenbildung der Monomere; keine  Abspaltung von Reaktionsprodukten; Produkte: Polymerisate
- Polyaddition: Reine Addition von Monomeren; keine Abspaltung von Reaktionsprodukten; Produkte: Polyaddukte
- Polykondensation: Bildung von Makromolekülen durch Reaktion von Endgruppen unter Abspaltung eines Reaktionsproduktes (z. B. Wasser); Produkte: Polykondensate

Einteilung der Kunststoffe nach ihrer molekularen Struktur

Kunststoffe können nach ihrer molekularen Struktur in drei Hauptgruppen unterteilt werden, s. Abb 1.
- Thermoplaste: Thermoplaste bestehen aus linearen oder verzweigten Makromolekülen. Sie sind unter Wärmeeinwirkung wiederholt plastifizierbar und daher auch schweißbar und recycelbar. Man unterscheidet des weiteren amorphe und teilkristalline Thermoplaste. Amorphe Thermoplaste (z. B. PVC, PC) sind, solange sie nicht eingefärbt sind, glasklar. Teilkristalline Thermoplaste sind (z. B. PE, PP, PA) chemisch beständiger und je nach Kristallinitätsgrad von opak über milchig-trüb bis durchscheinend.
- Duroplaste: Duroplaste (z. B. Polyesterharz (UP)), Epoxydharz (EP)) bestehen aus räumlich stark vernetzten Makromolekülen. Sie haben eine amorphe Struktur und Warmumformungen sind kaum möglich.
- Elastomere: Elastomere bestehen aus Makromolekülen, die weitmaschig vernetzt sind. Sie sind nicht wieder schmelzbar aber aufgrund der Weitmaschigkeit gummielastisch.

Abb. 2  Strukturen verschiedener Kunststoffarten  [2]

Zum thermischen Spritzen eingesetzte Thermoplaste

Grundvoraussetzung für durch thermisches Spritzen verarbeitbare Kunststoff-Spritzzusätze ist eine gute Rieselfähigkeit; diese wird durch ein definiertes Korngrößenspektrum erreicht (bei Flammspritzen ca. 50 bis 250 µm). Den Zusätzen werden Additive beigemischt, um u. a. die UV-Beständigkeit und die Thermostabilität zu erhöhen. Des weiteren ist durch Zugabe von Farbstoff-Additiven häufig ein Einfärben der Zusatzwerkstoffe möglich.

Tabelle 1 zeigt die wichtigsten für das thermische Spritzen eingesetzten Kunststoffwerkstoffe.

 

Tab. 1  Für das thermische Spritzen eingesetzte Kunststoffwerkstoffe

Polyethylen und Ethylencopolymere

Ethylencopolymere werden vor allem im Bereich der Lebensmittelverpackungsindustrie verarbeitet. Durch Zugabe von Additiven kann eine besser Haftung auf metallischen Oberflächen erzielt werden; bei der Auswahl der Additive muss darauf geachtet werden, dass die Trenneigenschaften dieser Kunststoffmaterialien hinsichtlich des Schutzes von Lebensmitteln nicht verschlechtert werden.
Ethylencopolymere können als transparente oder durch entsprechende Additive gefärbte Oberflächen aufgetragen werden. Polyethylen und Ethylencopolymere sollten nicht bei Temperaturen oberhalb von 75°C eingesetzt werden.

Nylon, Polyester und Fluorpolymere

Die Temperaturbeständigkeit von Nylon, Polyester und Fluorpolymeren ist höher als bei Polyethylen und Ethylencopolymeren. Nylonbeschichtungen sind abriebfest, können aber Wasser aufnehmen.
Fluorpolymere zeichnen sich durch geringe Reibwerte und aufgrund der starken C-F – Bindung hohe chemische Beständigkeit über einen für Kunststoffe weiten Temperaturbereich aus. Nachteile sind der hohe Preis und die aufgrund des Fluors bestehende gesundheitliche Gefährdung bei thermisches Zersetzung der Polymere.

Keton und Flüssigkristallines Polymer

Keton und Flüssigkristallines Polymer (LCP) gehören zu den Polymeren mit den höchsten Temperaturbeständigkeiten. Das Keton PEEK ist beständig gegenüber den meisten chemischen Medien. Der Schmelzpunkt liegt bei ca. 335°C, PEEK kann nur geringe Mengen Wasser aufnehmen. Auch der Schmelzpunkt von LCP liegt oberhalb von 300°C. LCP hat sowohl eine hohe Temperatur- als auch chemische Beständigkeit, die Wasseraufnahmefähigkeit von LCP ist gering (< 0,03 %) [1, 13].

Zusammenfassung

Durch das thermische Spritzen von Kunststoffen können Beschichtungen aufgetragen werden, die in Abhängigkeit vom verarbeiteten Kunststoffmaterial unterschiedliche Einsatzzwecke haben. Das häufigste Einsatzgebiet ist der Korrosionsschutz, daneben werden Kunststoffschichten z. B. auch als elektrische Isolationsschichten oder zu dekorativen Zwecken aufgetragen.
Eingesetzt wird in der Regel das Flammspritzverfahren, um diese Schichten zu erzeugen; dabei kommen spezielle Düsen zum Einsatz, die verhindern, dass die Kunststoffwerkstoffe direkt mit der heißen Flamme in Berührung kommen. Daneben kann für spezielle Einsatzzwecke auch das Plasmaspritzverfahren oder das Hochgeschwingkeits-Flammspritzen zum Einsatz kommen.
Bei der Verarbeitung von Kunststoffen müssen die Spritzparameter immer auf die Eigenschaften des jeweiligen Polymer-Materials abgestimmt werden. Insbesondere muss sichergestellt sein, dass die Partikel ausreichend aufgeschmolzen werden, um kompakte, gut haftende Schichten erzeugen zu können. Andererseits dürfen die Kunststoffe durch zu hohe Temperaturen nicht zersetzt werden.

Literatur

[1] BROGAN, J.A.:Thermal Spraying of Polymers and Polymer Blends,MRS Bulletin, Material Re- search Society, Vol. 25, S. 48 – 53, Pittsburgh, U.S.A. 2000
[2] BREUER, H., JERZ, A.:Erweiterung der Anwendungsbereiche des Kunststoffpulver-Flammspritzens. Diplomarbeit Fachhochschule Niederrhein, Krefeld, 1997
[3] LUGSCHEIDER, E.; JUNGKLAUS, H.; MICHELS, H.: Flammspritzen mit Kunststoffpulvern. Studien- arbeit RWTH Aachen, 1994
[4] LUGSCHEIDER, E.: Thermisch gespritzte Beschichtungen mit Hochleistungspolymeren. Abschlußbericht zum AIF-Forschungsvorhaben AIF-Nr.: 10.628 N – DVS-Nr.: 2.013, 1998
[5] GEORGE, E. R.; REIMER, J.:  Flamesprayed thermoplastic Powder Coatings. Polymer Engineering & Science, Nr. 11, Jg. 31, S. 789 - 792
[6] N. N.: Plastic flame spraying. Industrial Paint & Powder, v 70, 1994, n 6, June, S. 31-32
[7] BAO, Y, GAWNE, D. T. National Thermal Spraying Conference, S. 417, ASM International, Materials Park, Ohio, U.S.A. 1993
[8] BAO, Y, GAWNE, D. T. Surface Engineering, Vol. 11 (3), 1995
[9] ZHANG, T., GAWNE, D. T. U. BAO, Y. United Thermal Spraying Conference, S. 237, ASM International, Materials Park, Ohio, U.S.A. 1997
[10] TUFA, K. Y., GITZHOFER, F. International Thermal Spraying Conference, S. 223, ASM International, Materials  Park, Ohio, U.S.A. 1997
[11] SCHADLER, L.S., LAUL, K. O., SMITH, R.W. U. PETROVICOVA, E. JTST 6 (4), 1997
[12] REIGNIER, C.: High Perfomance Polymer Coatings for the Protection of large Components TWI Connect, Vol. 117, March/April 2002, S. 1, Cambridge, UK 2002
[13] N. N.: DVS Merkblatt 2312: Richtlinien für das thermische Spritzen von Kunststoffen. DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf 1994