DE102021116975A1

DE102021116975A1 - Kunststoffteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102021116975A1
Application number: DE102021116975.5A
Authority: DE
Inventors: Nadine Hirsch; Holger Semrau
Original assignee: R Stahl Schaltgeraete GmbH
Current assignee: R Stahl Schaltgeraete GmbH
Priority date: 2021-07-01
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2023-01-05
Also published as: EP4363183A1; US20240246270A1; WO2023274653A1; CN117597223A

Abstract

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein ebenso erfindungsgemäßes Kunststoffgehäuse oder sonstiges Kunststoffteil bereitgestellt, dessen Kunststoff ein Flammenschutzmittel, vorzugsweise roten Phosphor, enthält. Erfindungsgemäß sind oberflächennahe Bereiche des Kunststoffgehäuses oder des sonstigen Teils von Phosphor verarmt. Durch diese Maßnahme wird ohne Beeinträchtigung der flammenhemmenden Wirkung des als Flammenschutzmittel eingesetzten Phosphors eine Inertisierung der Kunststoffoberfläche in dem Sinne erreicht, dass von dieser kein korrosiver Angriff mehr auf benachbarte Metallteile und insbesondere elektrische oder elektronische Komponenten ausgeht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kunststoffteilen, insbesondere von Kunststoffgehäusen, insbesondere zur Aufnahme elektrischer oder elektronischer Komponenten.
In der Kunststofftechnik ist es bekannt, die Kunststoffe mit Flammenschutzmitteln zu versetzen, um bestimmten Brandschutzanforderungen zu genügen. Als Flammenschutzmittel werden elementarer roter Phosphor oder auch Phosphorverbindungen eingesetzt. Mit den Auswirkungen des Flammenschutzmittels auf die Kunststoffqualität befasst sich die DE 10 2009 059 771 A1 . Die WO 2013/03870584 A1 behandelt das Verhalten von solchen Kunststoffkörpern bei Nachlagerung bei Raumtemperatur. Eine gewisse Rolle spielt immer wieder die Hydrolysebeständigkeit von Kunststoffen, die Phosphor enthalten. Dazu wird auf die DE 10 2007 061 761 A1 , die DE 10 2007 061 762 A1 , die DE 10 2008 062 903 A1 , die WO 2014/086830 A1 , die WO 2014/086832 A1 und die WO 2014/086944 A1 verwiesen. Die Anwendung von phosphorhaltigen Kunststoffen für Gehäuse, die auch elektrische oder elektronische Komponenten enthalten können, geht aus der EP 0 768 336 B1 , der DE 199 20 276 A1 sowie der DE 10 2010 041 388 A1 hervor. Die DE 199 20 276 A1 geht im Weiteren darauf ein, dass phosphorhaltige Kunststoffe einen schädigenden Einfluss auf Kupfer haben können.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept zur Verwendung flammengeschützter Kunststoffe für Kunststoffteile, insbesondere zum Bau von Gehäusen anzugeben, die elektrische oder elektronische Komponenten enthalten können.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst:
Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einer Kunststoffmasse aus, die mit einem Flammenschutzmittel vermischt ist oder vermischt wird. Die Kunststoffmasse kann als formlose Masse in flüssiger oder breiiger Form, in fester Form in Gestalt von Pellets oder als Halbzeug (z.B.als Kunststoffdraht oder Kunststoffplatten) vorliegen. Ist sie bei Umgebungstemperatur flüssig, kann sie durch chemisches Aushärten in eine feste Form überführt werden. Ist sie aufgrund einer thermischen Plastifizierung in flüssige oder breiige Form überführt worden, kann sie durch Abkühlen in feste Form rücküberführt werden.
Die Kunststoffmasse kann bereits mit einem Flammenschutzmittel gemischt sein oder vor ihrer Weiterverarbeitung mit einem Flammenschutzmittel möglichst gleichmäßig vermischt werden.
Das Formen des Kunststoffgehäuses oder Teilen davon kann in einem Urformprozess, z.B. durch Spritzgießen, erfolgen. Liegt die Kunststoffmasse als Halbzeug, z.B. in Form von Platten, vor, kann das Kunststoffgehäuse oder Teile davon auch durch Umformen, z.B. Erwärmen und Tiefziehen, erfolgen. Ein wesentlicher Arbeitsschritt bei der Herstellung des Kunststoffteils, z.B. Kunststoffgehäuses liegt dann in dem Schritt des Mobilisierens und Abführens oberflächlich gebundenen Flammenschutzmittels von dem Kunststoffgehäuse oder Teilen. Dabei werden Maßnahmen getroffen, durch die oberflächennahes Flammenschutzmittel aus dem Kunststoffteil, z.B. Kunststoffgehäuse oder dessen Teilen an die Oberfläche diffundiert und von dort weg geführt wird. An dem Kunststoffteil sowie in dem Kunststoffgehäuse entsteht dadurch eine dünne, von Flammenschutzmittel verarmte Oberflächenschicht, die jedoch hinsichtlich der Anforderungen bezüglich Brandsicherheit keine oder nur eine sehr untergeordnete Rolle spielt.
Ein derart bereitgestelltes Kunststoffteil kann dauerhaft in Nachbarschaft elektrischer oder elektronischer Bauteil angeordnet werden. Ein so bereitgestelltes Kunststoffgehäuse eignet sich zur Aufnahme elektrischer und elektronischer Schaltungen und zeigt auch bei Einsatz unter widrigen Bedingungen keinen oder kaum noch schädigenden Einfluss auf im Gehäuseinneren angeordnete Metallteile oder andere empfindliche Teile. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Gehäusen von Geräten, die unter schwierigen klimatischen Verhältnissen, d.h. bei besonders hohen oder besonders niedrigen Temperaturen oder wechselnden Temperaturen, sowie bei hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft wirkt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf Gehäuse aus, die Bedingungen ausgesetzt sind, in denen es im Gehäuseinneren zu einer hohen Feuchtigkeitskonzentration und auch Kondensatbildung kommen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Erzeugung von Kunststoffteilen und Kunststoffgehäusen Gehäusen, bei denen das Flammenschutzmittel roter Phosphor oder eine Phosphorverbindung ist. Die Nutzung von rotem Phosphor als Flammenschutzmittel ist sehr wirtschaftlich. Außerdem sind die Auswirkungen des Phosphors auf die physikalischen Eigenschaften des Kunststoffs bei den meisten verwendbaren Kunststoffen deutlich geringer als bei anderen Flammenschutzmitteln. Durch die erfindungsgemäße Mobilisierung und Abführung oberflächennah gebundenen Flammenschutzmittels - insbesondere Phosphors - wird erreicht, dass in dem Kunststoffgehäuse zumindest oberflächennah nur Phosphor verbleibt, der in die Matrix des Kunststoffs gut eingebunden ist.
Der Kunststoff kann ein duroplastischer Kunststoff (Gießharz, Polyesterharz, Polyurethan oder dergleichen) oder ein thermoplastischer Kunststoff sein (Polystyrole (HIPS), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyamide (PA6, PA66, PA12 oder ähnliches) sein. Vorzugsweise führt die Mobilisierung und Abführung von oberflächlich bzw. oberflächennah gebundenem Flammenschutzmittel dazu, dass die Oberflächenkonzentration von Phosphor an dem fertiggestellten Gehäuse unter 3%, vorzugsweise unter 2,5% liegt. Oberflächenkonzentrationen von 1,5% bis 2% sind tolerierbar.
Diese Werte lassen sich mit einer Kunststoffmasse errreichen, die vor der Formung der Gehäuseteile einen Phosphorgehalt von vorzugsweise mindestens 8%, dabei aber höchstens 15%, vorzugsweise höchstens 12% aufweisen. Das mit dem Verfahren erzeugte Gehäuse kann eine Wandstärke von 2-12mm aufweisen.
Zur Mobilisierung und Abführung des Phosphors von der Oberfläche sowie aus oberflächennahen Schichten des Kunststoffgehäuses oder von Teilen des Kunststoffgehäuses werden das Gehäuse oder die Teile vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb 80°C, weiter vorzugsweise oberhalb 90°C gelagert. Vorzugsweise erfolgt die Lagerung dabei in einer Atmosphäre mit einer relativen Feuchte von über 90%, vorzugsweise über 95%. Unter diesen Bedingungen wandert nicht fest in die Kunststoffmatrix eingebundener oberflächennaher Phosphor zur Kunststoffoberfläche und wird dort zu Phosphorsäure oxidiert. Entstehendes Phosphan oder Phosphinsäure gelangen als Aerosol oder durch direkte Verdampfung in die Atmosphäre und werden abgeführt. Zur Förderung dieses Vorgangs kann die warme und feuchte Atmosphäre, in der das Kunststoffgehäuse oder das Teil gelagert wird, auch bewegt werden. Die Reaktionsprodukte des Phosphors können somit von der Gehäuseoberfläche weg geführt und in einer technischen Vorrichtung, d.h. einem Filter, einer Kondensfalle oder ähnlichen Einrichtungen, aufgefangen werden. Werden solche Gehäuseteile oder sonstige Bauteile später ihrer Verwendung zugeführt, ist die verbleibende Konzentration an verfügbarem Phosphor so gemindert, dass die technische Funktion der Einbauten, insbesondere elektronischen oder elektrischen Einbauten, nicht beeinträchtigt wird.
Die Erfindung richtet sich sowohl auf das Verfahren zum Herstellen von Kunststoffbauteilen, insbesondere Kunststoffgehäuse oder deren Teilen, als auch auf die mit diesem Verfahren erzeugten Gehäuse oder Teile. Ein solches Kunststoffbauteil, insbesondere Gehäuse, zeichnet sich dadurch aus, dass sein Kunststoff an der Oberfläche eine Phosphorkonzentration aufweist, die geringer ist als 2,5 Gew.%, während es im Kern, beispielsweise in Bauteilmitte (z.B. Wandmitte), eine deutlich höhere Phosphorkonzentration von beispielsweise über 8 Gew.% aufweist. Die oberflächennahe phosphorarme Schicht kann dünn, beispielsweise dünner als 1 mm sein. Die Brandschutzeigenschaften des Kunststoffgehäuses sind insoweit nicht beeinträchtigt.
Weitere Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung sowie der zugehörigen Zeichnung und Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:

1 einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematisierter Darstellung,
2 ein erfindungsgemäßes Gehäuse in schematisierter, perspektivischer Darstellung,
3 einen Wandabschnitt des Gehäuses nach 2 in Schnittdarstellung,
4 ein Diagramm zur Darstellung der Phosphorkonzentration in der Wand nach 3, und
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Phosphorentgasung in dem Verfahren nach 1.

In 1 ist ein Verfahren zur Bereitstellung von Kunststoffgehäusen oder sonstigen Kunststoffbauteilen als Ablaufplan veranschaulicht. Ausgangspunkt nimmt das Verfahren in der Bereitstellung von Kunststoffmasse (Block 10) und der Bereitstellung eines Flammenschutzmittels, beispielsweise Phosphor (Block 11). Der Kunststoff kann beispielsweise als formlose Masse bereitgestellt werden. Es kann sich um ein Polystyrol, ein Polybutylenterephthalat oder Polyamide oder andere thermoplastische Kunststoffe handeln. Das in Block 11 bereitgestellte Flammenschutzmittel ist vorzugsweise eine Phosphorverbindung oder elementarer Phosphor (roter Phosphor).
In einem nächsten Verfahrensschritt werden der Kunststoff und der Phosphor oder das sonstige Flammenschutzmittel möglichst gleichmäßig vermischt und zur weiteren Verarbeitung z.B. in Pelletform oder auch in flüssiger oder pastöser Form bereitgestellt. Liegt der mit Flammenschutzmittel (insbesondere Phosphor) vermischte Kunststoff nach dem Mischen mit Phosphor in Pelletform vor, wird er im nächsten Verfahrensschritt (Block 13) plastifiziert. Er wird dann in Block 14 in eine Spritzgussform injiziert. Nach Erkalten wird das so erzeugte Kunststoffteil ausgeformt. In diesem Zustand weist das erzeugte Kunststoffteil, beispielsweise Gehäuseteil oder Gehäuse seine gewünschte Endform auf. Ein entsprechendes Gehäuse 15 ist in 2 symbolisch veranschaulicht. Seine Gehäusewand 16 ist in 3 im Schnitt und vergrößert dargestellt. Sie weist einen Kernbereich 17 und oberflächennahe Bereiche 18, 19 auf. Die chemische Zusammensetzung der Gehäusewand 16 ist in diesem Stadium in oberflächennahen Bereichen 18, 19 mit dem Kernbereich 17 weitgehend identisch.
Dieses Kunststoffgehäuse 15 oder sonstige Kunststoffteil wird nun in den oberflächennahen Bereichen 18, 19 chemisch verändert. Dazu wird in Block 20 Phosphor (oder sonstiges Flammenschutzmittel) aus den oberflächennahen Bereichen 18, 19 entfernt. 4 veranschaulicht dazu den Gehalt an Phosphor P in der Gehäusewand 16 vor dem Schritt des Entfernens von Phosphor in gestrichelter Form. Wie ersichtlich, weist die Gehäusewand 16 dort sowohl in den oberflächennahen Bereichen 18, 19 als auch im Kernbereich 17 einen hohen Phosphorgehalt von 8% oder darüber auf.
Zum Entfernen von Phosphor aus den oberflächennahen Bereichen 18 und/oder 19 wird das Gehäuse 15 einer Behandlung in einer Atmosphäre mit einer Temperatur von vorzugsweise oberhalb 80°C bei einer relativen Feuchte oberhalb 90%, vorzugsweise 95% und im Idealfalle von 100% ausgesetzt. Beispielsweise kann dieser Verfahrensschritt in einem Gefäß mit reinem Nassdampf durchgeführt werden. Unter Nassdampf wird Dampf verstanden, der mit einer Wasseroberfläche in Berührung und in thermischem Gleichgewicht steht. Der Sattdampf oder Nassdampf kann unter Normaldruck stehen. Er hat dann eine Temperatur von etwa 100°C. Bei leicht vermindertem Druck lassen sich auch niedrigere Temperaturen einstellen. Alternativ kann anstelle einer Behandlung mit gesättigtem Dampf auch eine Behandlung mit einer Gasatmosphäre (Stickstoff, Sauerstoff oder Luft) stehen, die mit Wasserdampf gesättigt ist, d.h. eine relative Feuchte von 95% - 100% aufweist.
5 veranschaulicht die Rate G, mit der Phosphor P die Oberfläche der Gehäusewand 16 verlässt. Kurz nach Beginn der Behandlung zum Zeitpunkt t₀ beginnt sich das Gehäuse 15 zu erwärmen und es tritt zunehmend Phosphor aus der Oberfläche des Gehäuses 5 aus. Über die Lagerzeit t₁ nimmt dann mit zunehmender Verarmung der oberflächennahen Wandbereiche 18, 19 die Ausgasung ab und geht zu Ende der Behandlungsdauer t₁ mit der Abkühlung des Gehäuses 15 auf praktisch Null zurück. Die Lagerdauer von t₀ bis t₁ ist mindestens so lang, dass sich auch der Kernbereich 17 auf die Temepratur der umgebenden Atmosphäre , z.B. 80°C oder 90°C erwärmt hat. In diesem Zustand folgt die Phosphorkonzentration in der Wand 16 der Kurve nach 4. Die Lagerung bei erhöhter Temperatur und Feuchtigkeit kann beendet werden, wenn der Phosphorgehalt in den oberflächennahen Wandbereichen 18, 19 deutlich, z.B. auf einen Wert von an der Oberfläche 2%-2,5% gesenkt ist. Im Kernbereich ist er nur wenig oder nicht abgesenkt. Die Lagerdauer von t₀ bis t₁ wird in Abhängigkeit von der Kunststoffart, der anfänglichen Phosphorkkonzentration, der Lagertemperatur und der Feuchtigkeit beim Lagern so bemessen, dass dieser Zustand eintritt.
Das insoweit behandelte Kunststoffgehäuse 15 kann nun weiter verwendet, beispielsweise mit elektrischen oder elektronischen Bauteilen bestückt werden und in Gebrauch gehen. Eine Korrosion der enthaltenen, von dem Kunststoffgehäuse 15 umhüllten Komponenten und eine relevante Schädigung elektrischer oder elektronischer Bauelemente ist nicht zu befürchten. Dies gilt auch dann, wenn das Kunststoffgehäuse 15 unter widrigen klimatischen Bedingungen, beispielsweise in Maschinenräumen, unter tropischen Bedingungen, bei Temperaturwechselbeanspruchungen oder in nasser Umgebung verwendet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein ebenso erfindungsgemäßes Kunststoffgehäuse 15 oder sonstiges Kunststoffteil bereitgestellt, dessen Kunststoff ein Flammenschutzmittel, vorzugsweise roten Phosphor, enthält. Erfindungsgemäß sind oberflächennahe Bereiche des Kunststoffgehäuses 15 oder des sonstigen Teils von Phosphor verarmt. Durch diese Maßnahme wird ohne Beeinträchtigung der flammenhemmenden Wirkung des als Flammenschutzmittel eingesetzten Phosphors eine Inertisierung der Kunststoffoberfläche in dem Sinne erreicht, dass von dieser kein korrosiver Angriff mehr auf benachbarte Metallteile und insbesondere elektrische oder elektronische Komponenten ausgeht.
Bezugszeichenliste

10: Block „Bereitstellung von Kunststoff“
11: Block „Bereitstellung von Phosphor“
12: Block „Mischen von Kunststoff und Phosphor“
13: Block „Plastifizieren des Kunststoffs“
14: Block „Spritzgießen des Kunststoffgehäuses“
15: Kunststoffgehäuse
16: Gehäusewand
17: Kernbereich
18, 19: oberflächennahe Bereiche
20: Block „Entfernen von Phosphor“

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009059771 A1 [0002]
WO 201303870584 A1 [0002]
DE 102007061761 A1 [0002]
DE 102007061762 A1 [0002]
DE 102008062903 A1 [0002]
WO 2014086830 A1 [0002]
WO 2014086832 A1 [0002]
WO 2014086944 A1 [0002]
EP 0768336 B1 [0002]
DE 19920276 A1 [0002]
DE 102010041388 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen, insbesondere von Kunststoffgehäusen (15) zur Aufnahme elektrischer oder elektronischer Komponenten, Bereitstellen (10) einer Kunststoffmasse und Bereitsellen (11) eines Flammenschutzmittels sowie Vermischen (12) der Kunststoffmasse mit dem Flammenschutzmittel, Formen (14) des Kunststoffteils (15), Mobilisieren und Abführen (20) oberfläch gebundenen Flammenschutzmittels von dem Kunststoffteil (15).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flammenschutzmittel roter Phosphor oder eine Phosphorverbindung ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmasse ein thermoplastischer Kunststoff ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Flammenschutzmittels mindestens 5 Gew.%, vorzugsweise mindestens 8 Gew.% der Mischung aus der Kunststoffmasse und dem Flammenschutzmittel beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Flammenschutzmittels höchstens 15 Gew.%, vorzugsweise höchstens 12 Gew.% der Mischung aus der Kunststoffmasse und dem Flammenschutzmittel beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen (14) ein Spritzgussverfahren ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mobilisieren und Abführen (20) des Flammschutzmittels durch Lagern des Kuststoffteils (15) oder bei einer Temperatur oberhalb 80°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mobilisieren und Abführen (20) des Flammschutzmittels durch Lagern des Kunststoffteils (15) bei einer Temperatur oberhalb 90°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mobilisieren und Abführen (20) des Flammenschutzmittels durch Lagern des Kunststoffteils (15) und bei einer relativen Feuchte von über 90% erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mobilisieren und Abführen (20) des Flammenschutzmittels durch Lagern des Kunststoffteils (15) und bei einer relativen Feuchte von über 95% erfolgt.
Kunstoffteil (15), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Kunststoffteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffteil einen Kernbereich (17) aufweist, in dem der Gehalt des Flammenschutzmittels wenigstens an einer Stelle größer als 8 Gew.% ist und dass das Kunststoffteil seine gesamte Oberfläche einnehmende oberflächennahe Wandbereiche (18, 19) aufweist, die einen Gehalt des Flammenschutzmittels an der Oberfläche von weniger als 2,5 Gew.% aufweisen.