DE3014164C2

DE3014164C2 - Verfahren zum Auftragen einer strukturintegrierten Metall- oder Keramikschicht auf einen nichtmetallischen oder andersmetallischen Gegenstand

Info

Publication number: DE3014164C2
Application number: DE3014164A
Authority: DE
Inventors: Alban 5456 Rheinbrohl Pütz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-04-12
Filing date: 1980-04-12
Publication date: 1982-04-22
Also published as: DE3014164A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen einer strukturintegrierten Metallschicht oder Keramikschicht auf einen nicht-metallischen oder anders-metallischen Gegenstand.

Das Auftragen einer Metallschicht auf einen nichtmetallischen Gegenstand. / B. aus Kunststoff, ist durch das deutsche Patent 2142 474 bekannt. Mit dem in dieser Patentschrift beschriebenen Verfahren ist es erstmals gelungen, auf Kunststoff eine auch unter Witterungseinflüssen und Erschütterungen haftende reiß- und schlagfeste witterungsbeständige Metallschicht beliebiger Stärke aufzutragen. Vor dem Bekanntwerden dieses Verfahrens war es nur in engem Rahmen möglich. Polykarbonate auf der Basis von 4.4-Dioxyphenyl-2.2-Propan mit einer dauerhaften Metallschicht zu versehen, und zwar nur auf kleinsten Flächen. Der derart metallisierte Kunststoff wird in der Elektronikindustrie für »aufgedruckte« Schaltungen insbesondere in der Transistortechnik verwendet. Die extrem hohen Kosten der Kunststoffgrundlage schließt die Metallisierung größerer Gegenstände nach diesem Verfahren aus.

Wie bereits vorhin gesagt, wurde eine bleibende Haftung Metall-Kunststoff erst durch die Lehre des deutschen Patentes 21 42 474 allgemein möglich. Dieses Patent lehrt, den zu metallisierenden nicht*metallischen Gegenstand zunächst mit einer Kleberschicht aus Kunstharzkleber zu versehen und nach der Erhärtung der Kleberschicht die Oberfläche des Gegenstandes mit geschmolzenem Zink zu besprühen, Das Zink bildet eine integrierte Verbindung mit der Klebeschicht; auf die Zinkschicht werden weitere Schichten des gewünschten Oberflächenmetalls aufgesprüht, das dann an der Zinkschicht bindet

Durch diese ältere Erfindung wurde erstmals die bisher nicht mögliche bleibende Haftung des aufgesprühten Metalls an praktisch jedem Kunststoff erreicht. Der Erfolg liegt darin, daß die Kleberschicht unter Einwirkung der von dem aufgesprühten flüssigen Metall abgegebenen Wärme ihre Kleberfähigkeit

ίο wieder zurückgewinnt und im Bereich der Oberfläche eine Mischzone mit den aufgesprühten Metallteilchen bildet. Diese Mischzone stellt eine unlösbare Bindung Metallschicht—Kleber dar.

Das Verfahren nach dem deutschen Patent 21 42 474 kann zwar einen großen Markterfolg verzeichnen, weist aber einige herstellungstechnische Nachteile auf. Erstens ist das Herstellungsverfahren recht umständlich und zeitraubend. Seine Verwendung ist ei j.ier hauptsächlich handwerksmäßig und besonders für die Erstellung von Türen u. ä. mit Metalloberflächen geeignet: auf diesem Gebiet sowie auf dem Gebiet des Kunsthandwerks liegt denn auch sein Erfolg. Industriemäßig läßt sich das Verfahren kaum wirtschaftlich nutzen. Zum anderen setzt das Verfahren das gleichzei tige Vorhandensein mindestens zweier Metalle voraus, das Zink als notwendiges Bindemetall und das als Zieroberfläche jeweils gewählte Ziermetall. Bronze. Messing, Kupfer usw. — es sei denn, man ist mit der Zinkoberfläche zufrieden.

Die deutsche Offenlegungsschrif' 27 48 990 beschreibt ein anderes Verfahren zur Herstellung metallisierter Verkleidungsplatten aus nicht-metallischem Werkstoff. Dieses jüngere Verfahren baut auf der Lehre des vorhin zitierten deutschen Patentes 21 42 474.

J5 weist aber einen einfacheren Verfahrensgang auf. der eine industriegerechte Reihenfertigung erlaubt. Die Zinkschicht als Bindeschichi entfällt; es braucht nur eine einzige Metallschicht aufgetragen zu werden

Die Lehre der jüngeren Erfindung DE-OS 27 48 990

•ίο geht auf einen Negativ-Effekt hinaus. Erst wird ein wasserdurchlässiger oder in sonstiger Weise ausspülbarer Formkern erstellt, dessen Oberfläche das gewünschte Relief als Negativ zeigt. Auf die Kernoberfläche wird eine wasserlösliche Leimschicht aufgetragen; nach Austrocknen des Leims sprüht man die Metallschicht auf den Formkern. Nach Abkühlung der Metallschicht trägi man auf diese eine Klebeharzschicht auf. wonach das Plattenmatenal. sofern gießbar, in die Form eingegossen wird und sich mit der Kleberschicht verbindet. Ist das Plattenmaterial vorgefertigt — ζ. Β. wenn es sich um glatte Platten handelt — druckt man es en,fach an den Formkern heran Nach Aushärtung des Klebehar/es wird die Form von der Formkernseite her mit Wasser durchspült, bis sich die Leimschicht auflöst Dieses jüngere Verfahren ist zwangsläufig auf die Herstellung von metallisierten Verkleidungsplatten. Turverkleidungen. Kunsthandwerksgegenständen usw abgestellt und auf diese beschränkt. Zum Schutz gegen Witterung wird die Oberfläche mit einer Schutzschicht aus Acrylharz versehen. Das Negativ Prinzip verhindert den Gebrauch dieser Lehre an Werkstücken, die rundum metallisiert werden sollen oder eine Gestalt und einen Umfang aufweisen, welche die Erstellung eines Formkerns erschweren oder wirtschaftlich untragbar

mächen. Die Lehre der DE-OS 27 48 990 ist daher im wesentlichen auf pläUenförniige Werkstücke beschränkt, die lediglich an einer Seile metallisiert werden sollen.

Unter dem Eindruck der Lehre des älteren deutschen Patentes 21 42 474 ist in vielen Fachbereichen der Wunsch nach einem Verfahren zum Metallisieren von nicht-metallischen Werkstücken entstanden, das für industrieprodukte allgemein verwendbar und für Reihenfertigung geeignet ist. Dieses Bedürfnis ist sogar auch auf das Metallisieren von Metallgegenständen ausgerichtet, d. h. auf das Auftragen eines »edleren« Metalls mit besonderen Eigenschaften auf ein »unedleres« oder auf ein sonstiges Metall. Einfaches Aufsprühen eines Metalls auf ein anderes ist altbekannt und bisher glücklos. Selbst wenn das Aufsprühen unmittelbar nach einer Sandstrahlbehandlung erfolgt, haftet die Metallschicht nur für kurze Zeit; es bilden sich elektrische Ströme zwischen den Metallen, die schnell die Verbindung zerstören.

Das Aufsprühen einer haftfähigen Keramikschicht auf einen nicht-metallischen oder metallischen Gegenstand wurde bisher nicht für durchführbar gehalten. Bisher war es lediglich bekannt. Metallgegenstände la (meist Eisen) mit einem Überzug eines keramikähnlichen undurchsichtigen Sonderglas aus Silikaten (Borsihkaten des Bleis, des Aluminiums, der Erdalkalien usw.) zu versehen, den sogenannten Emailüberzug. Das Emaillierverfahren ist jedoch davon abhängig, daß der Gegenstand mit dem Überzug in einen Emaillierofen eingebracht und dort bei rd. 800^: — 300⁰C eingebrannt wird.

Schon dieser Vorgang schließt eine Emaillierung von den meisten nicht-metallischen Gegenständen aus, ganz v> abgesehen von der Problematik der Haftung. Langgeitreckte Gegenstände, wie z. B. Rohre oder Rinnen, deren Innenwände mit en er sät efesten oder ver- »chieißfesten Oberfläche versehen werden sollen, können nicht emailliert werden, sov :nig wie Gegen- 3Ί »tände, die ihre Maße nicht verändern dürfen.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren zum Auftragen einer strukturintegrierten Metall- oder Keramikschicht auf einen nicht-metalli- »chen oder anders-metallischen Gegenstand, welches die Nachteile der bisher bekannten Verfahren beseitigen, eine witterungsunabhängige, feuchtigkeitssichere, erschütterungs- und schlagfeste Haftung der aufgetragenen Metall- oder Keramiksrhicht gewährleisten und ohne Rücksicht auf Gestalt oder Größe des zu beschichtenden Werkstucks industriemäßig — d. h. in Reihenfertigung und in wirtschaftlicher Zeitfolge — aufgezogen werden kann.

Dieses Erfindungs/iel wird dadurch erreicht, daß als Haftvermittler ein Gemisch aus w

150 Gewichtstellen einer Lösung von Alkydharzlack in einer Lösung Leimfarbe-mikrofeinem Latex (Hydrnsol). wobei in der Leimfarbenlösung 1 Gewichtsieil Leimfarbe zu 32 Gewtchtsteilen Latex und in der Alkydharzlack^- sung 1 Gcwichtsteil Alkydharzlack zu 10 Gewichtsteilen der Lösung Leimfarbe-Latex enthalten sind.

1500 Gewichtsteilen grobdisperses Latex.
300 Gewichtsteilen wässeriges Acrylharz, f>o

500 üewichlsteilen Wasser,
1800 Gewichtsteilen Quarzmehl,
verwendet wird.

Nach Aufsprühen des Haftvermilllefs auf den zu metallisierenden Gegenstand wird das als Endschicht vorgesehene Metall oder Keramik unmittelbar auf die Haftvermittlerschicht aufgetragen. Vorzugsweise wird nach Auftragen der Endschicht diese mit Acrylharz oder Epoxydharz durchgetränkt.

In der Folge soll ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Haftvermittlers geht so vor sich:

Zunächst löst man Leimfarbe in mikrofeinem Latex (Hydroso!) auf, und zwar im Verhältnis 1 Gewichtsteil Leimfarbe in 32 Gewichtsteile Latex. Man läßt diese Lösung etwa 1 Stunde quellen. Hierdurch entsteht die Lösung Λ.

Danach bringt man Alkydharzlack in die Lösung A ein, Gewichtsverhältnis 1 Gewichtsteil Alkydharzlack zu 10 Gewichtsteilen Lösung A. Das Ergebnis ist die Lösung B.

Nach Mischung folgender Elemente miteinander:
1500 Gewichtsteile grobdisperses Latex
300 Gewichtsteile wässeriges Acrylharz
500 Gewichtsteile Wasser
1800 Gewichtsteile Quarzmehl
werden 150 Gewichtsteile »Lösung Ba in die Mischung eingebracht. Die dadurch entstandene Lösung stellt den erfindungsgemäßen Haftvermittler dar. Die einzelnen Elemente des Haftvermittlers haben die folgenden Aufgaben zu bewältigen:

— die Leimfarbe macht den Haftvermittler hygroskopisch.

— der Alkydharzlack dient zur Wasserverfestigung,

— das Latex bildet r:ne Sperre gegen aas Eindringen von Wasser und verfestigt den Haftvermittlerfilm,

— das Acrylharz bewirkt eine Haftungsverbesserung am Untergrund.

— und das Quarzmehl bildet zusammen mit der Leimfarbe eine hygroskopische grobporige Oberfläche, die für die Aufnahme des aufgesprühten Metalls bzw. der aufgesprühten Keramik besonders günstig ist.

Die Lösung ist haltbar und kann industriemäßig in großen Mengen hergestellt werden.

Die Synthese der genannten Eigenschaften geht weit über die bloße Summierung hinaus. Fs ist erstmals ein Haftvermittler geschaffen worden, der jedes aufgesprühte Metall und jede aufgesprühte Keramik auf Al2O)-Basis auf jeder metallischen oder nicht-metalhsehen Oberfläche dauerhaft fest mit dieser verbinden und eine Beschichtung ermöglicht, die gegen Witterungseinflüsse und Erschütterungen unempfindlich und darüber hinaus auch noch schlagfest ist.

Die Durchführung des Verfahrens geht wie folgt vor sich: Zunächst wird der Haftvermittler mit der Spritzpistole auf der. zu beschichtenden nicht-metalli sehen oder metallischen Gegenstand aufgetragen, und zwar mit einer Schichtstärke von etwa 30 bis 50 μπι Nach Austrocknen der Haftvermittlerschichi wird der Gegenstand nochmals mit der Spritzpistole bearbeitet, diesmal, indem er mit Haftvermittler in Nebelform übersprüht wird. Der Vernebelungsvorgang dient dem Zweck, die Rauhigkeit der filmartigen Haftvermittlerschicht /u erhöhen.

Vor dem Auftragen des Haftvermittlers auf den zu beschichtenden Gegenstand kann man eine Polyurethan lösung als eine Art Grundierung auftragen, durch welche die Haftung des Haftvermittlers bei bestimmten Oberflächen noch verbessert wird. Diese Maßnahme ist jedoch nicht unbedingt notwendig,

Danach erfolgt das Aufsprühen des gewünschten Oberflächenmetalls oder der Keramik auf die Haftvermittlerschicht. Ist der Gegenstand aus Kunststoff oder aus einem ähnlich hitzeempfindlichen Werkstoff, muß die Spritzpistole schnell hin und her geschwenkt

werden, um zu vermeiden, daß die Hitze den Werkstoff angreift. Das flüssige Metall bzw. die flüssige Keramik erreicht die zu beschichtende Oberfläche mit einer Temperatur, die nur 100° —150⁰C unter der an der Mündung der Spritzpistole herrschenden Temperatur, also bei Kupfer mit etwa 800° -850° C und bei Edelstahl und Keramik (AI₂O₃) mit etwa 1400° C.

Diese hohen Temperaturen des auf die Oberfläche eines zu beschichtenden nicht-metallischen Gegenstandes auftreflenden Metalls (bzw. der Keramik) zwingt dazu, das Aufsprühen in mehreren Sprühvorgängen aufzuteilen. Soll z. B. ein Kunststoffgegenstand mit Kupfer überzogen werden, erfordert die Beschichtung 6 bis 8 Sprühvorgänge, soll aber Edelstahl oder Keramik (AI2O3) aufgetragen werden, muß man das Aufsprühen über 15 bis 20 Arbeitsgänge verteilen. Die Stärke der aufgetragenen Metallschicht beträgt je nach Metall und Zweck üblicherweise 100 bis 500 μπι, kann aber zu Sonderzwecken sowohl dünner als auch dicker sein. Wenn Metall auf Metall oder Keramik auf Metall aufzutragen ist, kann in viel weniger Arbeitsgängen gespritzt werden, und zwar je nach Stärke, Feniemplindlichkeit usw. des zu beschichtenden Gegenstandes. Nach dem Aufsprühen und Abkühlung der Metall- bzw. Keramikschicht trägt man auf diese eine Schutzschicht »uf. indem man die Oberfläche des beschichteten Gegenstandes mit dünnflüssigem Acrylharz oder Epoxydharz durchtränkt Dabei verwendet man Acrylharz, wenn es darum geht, eine erhöhte Witterungsfeitigkeit zu erzielen, und Epoxydharz zur Erhöhung der Festigkeit und zum Schutz gegen aggressive Flüssigkeilen oder Dämpfe. Diese Maßnahme ist bereits aus d°r DF-PS 21 42 474 bekannt und für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt erforderlich.

Die Wirksamkeit des Verfahrens ist darin begründet. daß das aufgesprühte Metall bzw. die aufgesprühte Keramik in die relativ groben Poren der Haftvermittlertchicht eindringt und sich dort unlösbar verankert. Durch die vorhin erwähnten besonderen Eigenschaften des Haftvermittlers entsteht gleichzeitig eine Art innere Versiegelung, die das Eindringen von Wasser im Zuge des Verfahrens unterbindet. Eventuell scnon vorhandene Feuchtigkeit verdampft im Sprühstrahl und wird von diesem weggeblasen.

Die erfindungsgemäße Haftwmittlerschicht unterscheidet sich grundsätzlich von der nach dem Verfahren DL-PS 2142 474 als Haftvermittler verwendeten Kleberschicht. Nach dem älteren Verfahren kommt die Haftung dadurch zu-tande, daß die bereits ausgetrocknete Kleberschicht in der Hitze des Sprühstrahls wieder aufweicht und ihre Klebefähigkeit zurückgewinnt, wodurch Sprühteilchen des aufgesprühten Metalls in die Kleberschicht eindringen und in dieser Weise eine Verankerung Metall-Kleberschicht herstellen. Im Zuge des jetzt vorliegenden Verfahrens ändert die Haftvermittlerschicht unter dem Einfluß des Sprühstrahls ihre Konsistenz kaum, sondern sie nimmt die aufgesprühten Metallteile in ihre relativ groben Poren auf. Während nach düm alten Verfahren nur das Metall Zink imstande ist, eine hinreichende Verankerung zu schaffen, und

ί daher stets zunächst Zink aufgesprüht werden muß, ist der neue erfindungsgemäße Haftvermittler imstande, bei jedem Metall und sogar bei Keramik unmittelbar eine hinreichende und dauerhafte Haftung zu erstellen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man selbstverständlich Kunstgewerbegegenstände, Verkleidungsplatten, Zierfüllung von Türen usw. mit Metall beschichten, nicht anders als nach den in dfin eingangs zitierten älteren Druckschriften beschrieben, allerdings mit dem wesentlichen Unterschied, daß die Beschichtung in einem industriellen Rahmen vorgenommen werden kann (Fließbandtechnik). Neu ist, daß man verfahrensgemäß auch Gegenstände aus einem leicht verarbeitenden Metall, z. B. aus Aluminium, mit einem anderen Metall. Kupfer, Bronze usw.. beschichten kann.

ohne daß sich nachher elektrische Ströme bilden und die Beschichtung zerstören.

Darüber hinaus eröffnet das Vei.ahren ganz neue technologische Möglichkeiten. Beispielsweise kann man Förderrinnen oder aus zwei halbzylindrischcT Rinnen zusammengesetzte Rohre aus Kunststoff mit einer Inn.nschicht aus Edelstahl oder Keramik versehen, und solche kosten- und gewichtsmäßig günstige Förderleitungen für die Förderung aggressiver Flüssigkeiten und sonstiges aggressives oder stark verschleißendes Fördergut (Sand. Getreide o. ä.) geeignet machen Auch Rinnen aus Gußeisen oder Aluminium sind mit Edelstahl oder Keramik auskleidbar.

Ein weiteres interessantes Anwendungsbeispiel ist die Auskleidung von Kunststoff mit einer Metallschicht zu dem Zweck, die Oberfläche elektrisch leitend zu machen. Da die elektrische Leitfähigkeit einer Kunststoffoberfläche schon bei einer sehr dünnen Metallschicht erreicht wird, eröffnet sich hier die Verwirklichung der bisher als unausführbar eracnteten Verwendung von Kunststoff als Verkleidung einer Flugzeugzelle. Diese aus Gevvichtsgründen. aber auch aus der zunehmenden Verteuerung und Verknappung des Werkstoffs Titan, höchst wünschenswerte Baumaßnahme im Zellenbau wurde bisher von der Fachwelt deswegen abgelehnt, daß das Flugzeug durrh elektrostatische Aufladung sowie auch durch Blitzeinschlag gefährdet sei. Ein Beispiel der Gefährlichkeit einer nichtleitenden Oberfläche gab die Zerstörung des Zeppelin-Luftschiffs »Hindenburg« 1937. Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich. Kunststoffe, deren Festigkeit und sonstige Eigenschaften für den Zellenbau ausreichen, mit einer dünnen Kupfer- oder Aluminiumschicht i.u versehen, durch welche die Küi-.ststoffoberfläche elektrisch leitend wird. Hierzu reicht eine Schichtstärke von 50 μιη aus, rl. h. bei Aluminium er.tsteht an der Kunststoffplatte ein zusätzliches Gewicht von nur 1.35 N/m²

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Auftragen einer strukturintegrierten Metallschicht oder Keramikschicht auf einen nichtmetallischen ader andersmetallischen Gegenstand, indem das aufzutragende Metall bzw. — in Analogie — die aufzutragende Keramik in geschmolzenem Zustand auf eine bereits vorher aufgetragene, als Haftvermittler dienende alkydharzhaltige Zwischenschicht aufgespritzt wird, d a durch gekennzeichnet, daß als Haftvermittler ein Gemisch aus

150 Gewichtsteilen einer Lösung von Alkydharzlack in einer Lösung Leimfarbe-mikrofeinem Latex (Hydrosol), wobei in der Leimfarbenlösung 1 Gewichtsteil Leimfarbe zu 32 Gewichtsteilen Latex und in der Alkydharzlacklösung 1 Gewichtsteil Alkydharzlack zu 10 Gewichtsteilen der Lösung Leimfarbe-Latex enthalten sind,
Gewichtsteilen grobdisperses Latex,
Gewichtsteilen wässeriges Acrylharz,
Gewichtsteilen Wasser.
Gewichtsteilen Quarzmehl
verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufsprühen des Haftvermittlers auf den zu beschichtenden Gegenstand das als Endschicht vorgesehene Metall unmittelbar auf die Haftvermittlerschicht aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endschicht mit Acrylharz oder mit Epoxydharz durchtränkt wird.

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