Umweltfreundliche Galvanik

Meinolf Droege,

IP+-Projekt NoChrom2

Seit April 2021 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen seiner Fördermaßnahme Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP+ für drei Jahre das Transferprojekt NoChrom2: Chrom(VI)-freies Verfahren zur galvanischen Metallisierung von Kunststoffteilen.

Mikrokavitäten an der Kunststoffoberfläche. Nach dem neuen Verfahren entstehen sie durch Herauslösen von Opferpartikeln, wobei chemisch gekoppelte Funktionspolymere eine Funktionalisierung bewirken. © IPF

Wissenschaftler aus dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) kooperieren mit Kollegen am Institut für Oberflächentechnik der Hochschule Zittau-Görlitz und dem Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ). Sie arbeiten mit einem am IPF entwickelten Ansatz und bereiten ihn zur industriellen Nutzung vor. Ziel ist es, während des Spritzgießens eine umweltfreundliche und ökonomisch vorteilhafte Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen für nachfolgende galvanische Metallisierungsprozesse zu ermöglichen. Das Projekt wird von einem Beirat aus dem Fachverband Galvanisierte Kunststoffe des Zentralverbands Oberflächentechnik sowie von Unternehmen aus der Kunststoff- und Galvanikindustrie begleitet.

Metallisierte Kunststoffe sind für viele Anwendungen im Alltag gefragt, beispielsweise 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.

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Zur Metallisierung sind galvanische Verfahren etabliert. Der industrielle Standard sieht als ersten Prozessschritt eine Beize mit Chromschwefelsäure als Vorbereitung für die chemische Abscheidung einer leitenden Schicht auf der Kunststoffoberfläche vor. Mit der Aufnahme von Cr(VI)-Verbindungen als zulassungspflichtige Substanz in die EU-Chemikalienverordnung, die Reach-Liste, wird intensiv nach Alternativen gesucht.

Eine außerordentlich vielversprechende Methode resultiert aus Untersuchungen am IPF zur chemischen Oberflächenmodifizierung beim Spritzgießen. Kern-Schale-Partikel aus einem löslichen Kern, beispielsweise aus Calcit, und einer Hülle aus einem Funktionspolymer wie 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 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 hohe Haftfestigkeit auf, sodass weitere Schichten galvanisch abgeschieden werden können. Die Haftfestigkeit erreicht schon in den Vorversuchen Industriestandard.

Die Vorteile der Methode liegen auf der Hand: Sie ist Reach-konform und ökologisch, es lassen sich vorhandene Galvaniktechnologien nutzen, dabei aber verschiedene Bäder einsparen. Nutzbar ist das mit nahezu allen im Spritzgießen verwendeten Kunststoffen. Größe und Gestalt der Mikrokavitäten werden nicht vom Kunststoff, sondern vom Prozess gesteuert. Die die Funktionalisierung geschieht kontrollierbar und mit höherer Dichte an gezielt eingestellten funktionellen Gruppen, sie ist selektiv möglich. Anderen in der Erprobung stehenden chromfreien Methoden sei das Verfahren überlegen, weil Zwischenschritte entfallen. Zudem weise die Technologie ein großes Potential zur Integration weiterer Funktionen in die Partikel auf.

Im VIP+-Projekt NoChrom sollen besonders die technische Integration des Applizierens beim Spritzgießen, die Optimierung der Partikelzusammensetzung sowie die Anpassung des Galvanikprozesses vorangetrieben werden. Durch Anbindung der Galvanikindustrie an das Projekt bestehen gute Chancen zur schnellen Überführung der Innovation in die Anwendung. Das Projekt werde zur Sicherung der Zukunft der europäischen Kunststoffgalvanik auf umweltverträglicher Basis beitragen.

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