Haalbaarheidsstudie
Oktober 2012
Betaalbare krasvaste coatings voor kunststoffen
Met steun van
Bij het spreken over kunststoffen is de term ‘coating’ nooit veraf. Ook wanneer we de evolutie bekijken die kunststoffen in de loop der jaren hebben doorgemaakt, volgt coatingtechnologie hier op de voet. Zeker de automobiel sector is steeds een voortrekker geweest in de nieuwste ontwikkelingen aangaande plastics en hun extra functionaliteiten. Een mooi voorbeeld hiervan is de koplamp van een wagen. Jaren geleden was deze rechthoekig, net omdat er meestal materialen gebruikt werden waarbij een beperking naar vormgeving werd vastgesteld. De verlichting bij de huidige wagens geeft eerder een designvrijheid aan en dit door implementatie van kunststofonderdelen. Niet enkel ongelimiteerde vormvrijheid maar ook extra functionaliteiten werden in de jaren geoptimaliseerd. Dit gebeurde dikwijls door toedoen van specifieke deklagen, waaronder de krasvaste coatings die de lichtbehuizing moet beschermen tijdens de volledige levensduur van de wagen. De ontwikkelde technologieën hebben nadien ook hun ingang gevonden in andere markten buiten de automobielindustrie en zo gezorgd voor een meerwaarde door het toevoegen van een extra eigenschap voor kunststofproducten. Ook binnen deze haalbaarheidsstudie zal blijken dat er oudere technologieën voorhanden zijn die in de loop van de jaren reeds prijsmatig interessant werden terwijl er recente ontwikkelingen gevonden zijn die
waarschijnlijk vandaag de dag nog te duur zijn om ze toe te passen op lage volume producten. Desalniettemin heeft deze state-of-the-art studie voor elk wat wils en geeft ze een mooi overzicht van welke de mogelijke huidige technieken zijn die kunststoffen krasvaster kunnen maken. Daarbij is er ook telkens een overzicht naar commerciële aanbieders zodat geïnteresseerden snel aan de slag kunnen en een samenwerking kunnen opzetten met leveranciers en/of klanten. Het creëren van zulke nieuwe samenwerkingsverbanden is trouwens één van de activiteiten waarmee Flanders’ PlasticVision de rubber- en kunststofverwerkende sector verder wil ondersteunen. Deze haalbaarheidsstudie was de eerste in zijn soort en kampte bij de opstart, zoals meestal het geval is voor nieuwe initiatieven, met een vertrouwensprobleem. Toch hebben we een gevarieerd en dynamisch consortium van bedrijven bereid gevonden met ons de sprong te wagen. Wij zijn hen dankbaar voor het krediet en zijn ervan overtuigd dat de resultaten uit deze studie hen in staat zullen stellen een stap hoger te zetten op de innovatieladder en zo hun marktpositie te vrijwaren.
Tom Vellemans
Jan Geeraert
Programmaen Innovatiemanager
Algemeen Directeur
Voorwoord
3
Inhoudstafel Voorwoord
3
Inleiding en aanleiding
7
Overzicht sponsorbedrijven
11
Methodologische aanpak van de haalbaarheidsstudie
15
State-of-the-art
19
Coatingtechnologieën Organische coatings Hybride sol-gel coatings Coatings afgezet vanuit de gasfase Thermisch gespoten coatings Folies Zelfherstellende coatings Applicatiemethoden Karakterisatiemethoden
22 34 42 52 57 60 65 73
Conclusies, aanbevelingen en mogelijke vervolgtrajecten
81
Referentielijst
87
Methodologische aanpak Drie taken De methodologische en inhoudelijke aanpak van de haalbaarheidsstudie werd uitgewerkt door de kennisinstelling Sirris Smart Coating Application Lab en Centexbel in nauwe samenwerking met Flanders’ PlasticVision. De aanpak werd op regelmatige tijdstippen met de deelnemende sponsorbedrijven van deze haalbaarheidsstudie afgetoetst.
Om een grondig inzicht in de technologie en toepassingen van krasvaste coatings te bekomen, werden volgende punten uitgewerkt: t 4UBUFPGUIFBSU PWFS[JDIU CFUSFĊFOEF LSBTWBTUF coatings op kunststoffen met de beschikbare depositiemethoden. t 4UBUFPGUIFBSUPWFS[JDIUWBOUFTUNFUIPEFOPN de krasvastheid te bepalen.
Taak 1: Grondig overzicht van de state-of-the-art inzake krasvaste coatings op kunststoffen In deze taak is een grondig overzicht gemaakt van de technologie en de verschillende wetenschappelijke en technische aspecten in verband met krasvaste coatings op kunststoffen, of nog algemener gesteld, het verhogen van de krasvastheid van kunststofproducten. Dit houdt in dat volgende zaken aan bod zijn gekomen: 1. Welke coatings worden gebruikt? Meer specifiek zijn volgende soorten coatings aan bod gekomen: hardcoats, meestal thermisch of UV gecured, zodat een beter vernette polymeer structuur wordt gevormd; harsen en hardcoats waaraan harde partikels (onder micro- of nanovorm) worden toegevoegd; hybride sol-gelsystemen (meestal silica gebaseerd); glasachtige of andere coatings via plasmapolymerisatie. 16
Methodologische aanpak
t )FU BBOCSFOHFO WBO HFTFMFDUFFSEF DPBUJOHT PQ relevante substraten van de sponsorbedrijven. t #FPPSEFMFOWBOLSBTWBTUIFJEFOFWFOUVFFMBOEFSF eigenschappen van de aangebrachte coatings. t &WBMVBUJFTWBOQFSGPSNBOUJFJOSFMBUJFUPUEFUPFpassing en de kosten. Het schema op de volgende pagina biedt een overzicht van de aanpak.
2. De applicatiemethoden om de coatings aan te brengen zijn beschreven. 3. Overzicht van de relevante testen in verband met het beoordelen van de krasvastheid van de coatings. Industrieel gebruikte testmethoden zoals potloodhardheid, staalwoltest, taberabrasietesten, en meer wetenschappelijke testmethoden zoals microkrastesten of hardheidsmetingen zijn beschreven. Het was van bij de start de bedoeling om op basis van de literatuurgegevens ook al een evaluatie uit te voeren. Het state-of-the-art overzicht werd gemaakt aan de hand van de technische en wetenschappelijke literatuur, vaktijdschriften, informatie van coatingleveranciers, informatie van experten uit het netwerk van de uitvoerende kennispartners, octrooiliteratuur, ...
Taak 1
State-Of-The-Art
Depositiemethoden
Krasvaste Deklagen
Abrasie- & Krastesten
Taak 2 Specifieke ondersteuning sponsorbedrijven: - labotesten - op-maat-rapportering
Generieke disseminatie door FPV: - Booklet - Slotevent
Taak 3
Taak 2: Het uitvoeren van testen op laboniveau In samenspraak met Flanders’ PlasticVision en met de sponsorbedrijven zijn proefmonsters aangemaakt door krasvaste coatings aan te brengen op verschillende substraten die gespecificeerd of aangeleverd werden door de respectievelijke bedrijven. De aangemaakte proefmonsters werden onderworpen aan een selectie van testen om de kras- en abrasiebestendigheid te evalueren. Het was de bedoeling om niet enkel de proefmonsters zelf te evalueren, maar ook de meetmethode(s) onderling.
Taak 3: Conclusies, rapporteringen en besprekingen Tijdens een marktdag ‘coatings voor kunststoffen’ werden alle generieke resultaten voorgesteld aan het brede publiek; samen met de uitgave van deze booklet. De specifiek rapportering van de uitgevoerde labotesten werd mondeling besproken en verduidelijkt aan Flanders’ PlasticVision en de desbetreffende bedrijven. Volgend op deze rapportering werd per partnerbedrijf ook een vervolgpiste naar technologische & economische haalbaarheid uitgestippeld. Methodologische aanpak
17
Coatingtechnologieën Coatings afgezet vanuit de gasfase
PVD Coatings De afbeelding hiernaast toont schematisch de depositiekamer van het PVD-proces. Het afgebeelde proces is een PVD sputteringproces, wat tegenwoordig één van de meest gebruikte PVD processen is. Het bronmateriaal, meestal een metaal, bevindt zich onder de vorm van een plaat, het target genoemd, in de magnetrons. Aan het oppervlak van het magnetron wordt een plasma geëxciteerd in argongas. Het plasma wordt versterkt door een magnetisch veld dat opgewekt wordt door permanente magneten achter het target. Vandaar komt trouwens de naam magnetron. Argonionen uit het plasma bombarderen het targetoppervlak dat op negatieve hoogspanning staat. Hierdoor worden individuele atomen uit het target door kinetische energie-overdracht in de gasfase gebracht. De metaaldamp verspreidt zich in de depositieruimte en zet zich af op de substraten die centraal op een roterende houder geplaatst zijn. Andere coatings dan metalen zijn mogelijk door in de depositieruimte een reactief gas toe te voeren, bijvoorbeeld zuurstofgas of stikstofgas. Het reactieve gas wordt in het plasma geactiveerd (d.w.z. er worden atomen, ionen en andere reactieve deeltjes gevormd) en bindt zich aan het oppervlak van de groeiende laag, zodat een metaaloxide of metaalnitride coating afgezet wordt.
Vacuum Feedthrough
Ar, N , TMS ²
Filament Generated Plasma Magnetron
Samples Rotary Worktable
Magnetron Generated Plasma
Filament
Discharge Power Supply
+
To Pump
Schematische voorstelling van het PVD sputterproces.
State-of-the-art
45
Applicatiemethoden
Spin coaten Spin coaten is een techniek waarbij één of enkele druppels coatingvloeistof op het horizontale substraat worden geplaatst. Vervolgens wordt het substraat snel rond gedraaid zodat de coating zich spreidt en het substraatoppervlak bedekt. De coatingdikte hangt af
van de rotatiesnelheid en viscositeit en kan variëren tussen 100 nm en 10 µm. Het proces wordt typisch toegepast op substraten die rotatiesymmetrisch zijn zoals optische lenzen, brilglazen, CD’s en DVD’s. Spin coaten is niet geschikt voor grote substraten.
Verschillende stadia in het spin coating proces.
Rol coaten Rol coating is een techniek die vooral toegepast wordt op dunne, flexibele 2D-substraten zoals folies en textielmaterialen. Ook harde substraten zoals glas en kunststoffen kunnen via rol coaten behandeld worden. In dit geval zal de coatingrol (of rollen) een rubberachtig oppervlak hebben om het substraat niet
70
State-of-the-art
te beschadigen. Er bestaat een grote variëteit aan rol coating technieken. Coatingdiktes variëren tussen 1 µm en enkele mm. Hieronder worden de belangrijkste technieken afgebeeld. Gemeenschappelijk bij alle roltechnieken is dat het substraat goed bevochtigd moet worden door de coating om een mooie, gladde coating te kunnen bekomen.
Karakterisatiemethoden
Sclerometer test: In deze test wordt een kras in het oppervlak aangebracht met behulp van een pen waarvan de punt (Silicium Carbide, 0,75 mm diameter) via een veer onder een constante, instelbare druk staat. Door met korte, rechte bewegingen te werken en de druk geleidelijk te verhogen kan de gebruiker de kracht vaststellen waarmee de punt een spoor achterlaat of het oppervlak beschadigt. De hardheid wordt uitgedrukt in Newton (N) en komt overeen met de veerkracht die net een kras maakt. Deze test is bedoeld als een verbeterde potloodhardheidstest, maar maakt eigenlijk weinig opgang in de praktijk.
76
Pen en veerset voor de sclerometertest.
Opstelling voor de sclerometertest.
Persoz – Königs – Pendulum hardheidstest (BS EN ISO 1522, BS 3900-E5, ASTM D 4366): Deze test is typisch voor polymere coatings. Een pendulum steunt met behulp van twee stalen bolletjes op het coatingoppervlak. Er bestaat een relatie tussen de uitdoving van de pendelbeweging en de visco-elastische eigenschappen van de coating. Hoe harder de coating, hoe trager de uitdoving. Voor deze methode dient de coating een minimale dikte te hebben van 20 micrometer. De gemeten waarde wordt uitgedrukt in seconden overeenkomend met de uitdovingstijd van de pendelbeweging. Hoe langer deze tijd, hoe harder de coating.
Evalueren van de abrasieweerstand en micro-abrasieweerstand De meest gebruikte test om de abrasie- en microabrasieweerstand te bepalen is een zogenaamde Taberabrasietest waarbij meerdere meetcondities mogelijk zijn. De staalwoltest is gekend als eenvoudig en goedkoop alternatief. Voor clearcoats voor auto’s bestaat een specifieke carwash test.
State-of-the-art
De Taber Abrasion tester (ASTM D1044 en ASTM D4060) wordt gebruikt om de abrasiegevoeligheid van oppervlakken en coatings te evalueren. Het testmateriaal is een plaatje van 10 op 10 cm dat op een
Conclusies, aanbevelingen en mogelijke vervolgtrajecten
