DE202023103135U1

DE202023103135U1 - Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff

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Publication number: DE202023103135U1
Application number: DE202023103135.8U
Authority: DE
Original assignee: Dr Hesse & Cie KG GmbH
Current assignee: Dr Hesse & Cie KG GmbH
Priority date: 2023-06-07
Filing date: 2023-06-07
Publication date: 2023-06-14
Anticipated expiration: 2033-06-08

Abstract

Gegenstand mit einer Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff, wobei der Kunststoff Polystyrol-Einheiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Polystyrol an der Oberfläche reduziert ist.

Description

Die vorliegende Neuerung betrifft einen Gegenstand mit einer Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff, in welchem die Konzentration an Polystyrol an der Oberfläche reduziert ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Neuerung einen Gegenstand wie zuvor beschrieben, bei welchem die Oberfläche metallisiert wurde.
Gegenstände aus elektrisch nichtleitendem Kunststoff können mit einem stromlosen Metallisierungsverfahren oder alternativ mit einem Direktmetallisierungsverfahren metallisiert werden. Bei beiden Verfahren wird der Kunststoffgegenstand zunächst gereinigt und gebeizt, dann zumeist mit einem Edelmetall behandelt und schließlich metallisiert. Stand der Technik ist ein Beizen in Chromschwefelsäure. Das Beizen dient dazu, die Grundlage für eine nachfolgende Metallisierung zu bilden. Dies geschieht durch die Bildung kleinster Kavernen, welche dafür sorgen, dass die Kunststoffoberfläche benetzt werden kann und durch dies eine ausreichende Haftung des abgeschiedenen Metalls realisiert werden kann.
Die Bauteile werden auf Gestellen mit Gestellhaken fixiert. Auf einem Gestell werden zumeist mehrere Bauteile fixiert. Diese Gestelle sind mit einer Kunststoffisolierung zumeist aus Polyvinylchlorid (PVC) beschichtet. Lediglich die Gestellhaken, welche zumeist aus Edelstahl oder Titan bestehen, sind nicht isoliert, da diese sowohl der Kontaktierung als auch der Befestigung der Bauteile dienen.
Üblicherweise werden beispielsweise Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS-Copolymer) mithilfe des bekannten Chromschwefelsäure-Verfahrens so geätzt bzw. gebeizt, dass sich die oben genannten Mikrokavernen in ausreichender Form ausbilden, um eine metallische Abscheidung mit einer ausreichenden Haftung zu gewährleisten. Durch die Chromschwefelsäure, welche Chrom-6 enthält, erfolgt ein oxidativer Angriff auf die Polybutadien-Einheiten des Polymers. Diese Polybutadien-Einheiten werden oxidativ aus der Polymeroberfläche entfernt, so dass sich Kavernen an den entsprechenden Positionen ausbilden. Bei anderen Kunststoffen erfolgt der oxidative Angriff entsprechend an andere Polymer-Einheiten.
Im Anschluss an dieses sogenannte Ätzen bzw. Beizen werden die zu metallisierenden Kunststoffe mittels eines außenstromlosen Aktivators, welcher üblicherweise Edelmetalle, zumeist aber entweder Palladium- oder Silber-Partikel enthält, aktiviert und hiernach entweder außenstromlos metallisiert, im Falle einer Direktmetallisierung, oder zunächst außenstromlos beschleunigt und anschließend außenstromlos metallisiert. Hiernach können die Bauteile direkt elektrisch metallisiert werden.
Mit den bekannten Beizlösungen auf Chromschwefelsäure-Basis werden ebenfalls so genannte Mehrkomponenten-Kunststoffe beschichtet. Bei solchen Mehrkomponenten-Kunststoffen werden mehrere Kunststoffe in einem Spritzguss-Verfahren verbunden bzw. nacheinander in die Form eingespritzt. Hierdurch entstehen Bereiche, welche zumeist aus beispielsweise reinem PC (Polycarbonat) und auf der anderen Seite aus ABS bzw. einem ABS-PC-Gemisch bestehen.
Solche Bauteile werden genutzt, um beispielsweise Taster in der Automobilindustrie mit einem Lichtleiter in Form eines Schriftzuges oder dergleichen herzustellen. Hier ist beispielsweise der Lichtleiter die reine PC (Polycarbonat) Komponente, während die andere Komponente ein reines ABS bzw. ein ABS-PC-Gemisch ist, welches ausschließlich galvanisiert werden soll.
Die bekannten konventionellen Verfahren auf Basis von Chromschwefelsäure-Beizen ermöglichen hier nur in Kombination mit einem speziellen Beschleuniger oder einem angepassten Aktivierungsprozess eine sichere, selektive Beschichtung, welche ausschließlich die gewünschten Bereiche beschichtet.
Es muss also jeweils mindestens ein zusätzlicher Tank mit einem separaten Aktvierungsprozess und mindestens ein zusätzlicher Tank mit einem separaten Beschleunigungs-Prozess (bei konventioneller Verfahrensweise) vorhanden sein. Diese werden dann in der Regel ausschließlich für solche Mehrkomponenten-Bauteile verwendet, da hier teils andere Aktivatoren und andere Beschleuniger oder abgewandelte Parameter zum Einsatz kommen.
Diese Lösungen benötigen also aktuell mehr Platz sowie eine genaue Steuerung und Überwachung dieser, um eine fehlerfreie Beschichtung zu gewährleisten.
Da Beizlösungen aus Chromschwefelsäure-Lösungen toxisch sind, ist deren Verwendung in den vergangenen Jahren stark eingeschränkt worden. Es ist zudem davon auszugehen, dass die bereits jetzt erforderliche Autorisierung für die Verwendung von Chromtrioxid durch die ECHA/EU nicht unbegrenzt verlängert wird und es perspektivisch zu einem Verwendungsverbot kommt.
Es besteht daher Bedarf an metallisierten Oberflächen von nichtleitenden Kunststoffen bzw. Oberflächen, welche anschließend metallisiert werden können, wobei die Oberflächen durch Verfahren erhalten werden sollen, welche keine toxischen Verbindungen, insbesondere keine Chrom-6- Verbindungen, benötigen.
Die Oberflächen sollen in der Lage sein, eine vergleichbare Haftung der anschließend aufgebrachten metallischen Schicht auf der Kunststoffoberfläche zu ermöglichen, wie dies mit konventionell hergestellten Oberflächen der Fall ist. Der Beiz-Prozess, also der Herstellprozess der Oberflächen, sollte in bestehende Anlagen ohne Taktzeitverlust, also ohne Reduktion der Produktionsmenge pro Zeit, integriert werden können.
Nichtleitende Kunststoffe im Sinne der vorliegenden Neuerung sind dabei insbesondere ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS-Copolymer), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Mischungen eines ABS-Copolymers mit mindestens einem weiteren Polymer sowie Mehrkomponenten Kunststoffe. Diese sollen nach dem Beizen wie zuvor beschrieben selektiv metallisiert werden können. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass ein Verfahren, in welchem ein Monomer aus der Kunststoffoberfläche gelöst wird, diese Kriterien erfüllt.
In einer ersten Ausführungsform wird die der vorliegenden Neuerung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung eines Gegenstandes mit einer Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff, wobei der Kunststoff Polystyrol-Einheiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Polystyrol an der Oberfläche reduziert ist.
Der Gegenstand bzw. die entsprechende Oberfläche kann durch das nachfolgend beschriebene Verfahren zum Beizen von nichtleitenden Kunststoffoberflächen, wobei der Kunststoff Polystyrol-Einheiten enthält, erhalten werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass man

a) einen Gegenstand, der eine Oberfläche aus einem nichtleitenden Kunststoff aufweist, bereitstellt,
b) die Oberfläche mit einer Beizlösung in Kontakt bringt, wobei die Beizlösung ein Lösungsmittel sowie ein Beizmittel enthält, und
c) Abspülen der Oberfläche zur Entfernung des Beizmittels,

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass es möglich ist, eine nichtleitende Kunststoffoberfläche zu beizen zur Vorbereitung einer Metallisierung, ohne dass ein oxidativer Angriff auf das Polymer und insbesondere auf Polybutadien-Einheiten eines Polymers erfolgt. Vielmehr hat sich gezeigt, dass es möglich ist, das Beizmittel so zu wählen, dass Polystyrol-Einheiten selektiv gelöst werden. Auch hierdurch entstehen Kavernen in der Oberfläche, welche eine anschließende Metallisierung ermöglichen. Die neuerungsgemäße Oberfläche ermöglicht daher eine Metallisierung nichtleitender Oberflächen, ohne dass für deren Herstellung toxische oder anderweitig schädliche Stoffe benötigt werden.
Dabei ermöglicht das Verfahren eine Änderung der Oberfläche durch Beizen. Beizen und Ätzen sind beides chemische Verfahren, die die Oberflächeneigenschaften eines Werkstoffes verändern. Beim Ätzvorgang kommt es zu einer Abtragung von Material durch Verwendung eines Ätzmittels. Beim Beizen hingegen wird die Oberfläche des Materials verändert. Erfindungsgemäß wird ein Beizmittel zum Beizen einer nichtleitenden Kunststoffoberfläche eingesetzt. Dabei wird die Oberfläche eines Gegenstandes gebeizt. Neuerungsgemäß kann der Gegenstand als Ganzes aus Kunststoff bestehen. Neuerungsgemäß ebenfalls umfasst ist ein Gegenstand, der eine Oberfläche aus Kunststoff aufweist.
Neuerungsgemäß bevorzugt aber nicht limitiert ist der nichtleitende Kunststoff ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS-Copolymer), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Mischungen eines ABS-Copolymers mit mindestens einem weiteren Polymer, sowie Mehrkomponenten-Kunststoffe wie zum Beispiel glasfaserverstärkte Kunststoffe wie PEEK (Polyetheretherketon), ABS/PC also ein Bauteil bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer und Polycarbonat (PC), insbesondere ist er ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS-Copolymer), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) und Mischungen eines ABS-Copolymers mit mindestens einem weiteren Polymer.
ABS-Copolymere weisen Polymerketten aus den Monomeren Acrylnitril, Butadien und Styrol auf:
Bisherige Verfahren beruhen darauf, dass insbesondere Polybutadien oxidativ angegriffen und entfernt wird. Dies wird beispielsweise durch die Chromschwefelsäure ermöglicht. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, dass es möglich ist, Polystyrol-Einheiten selektiv aus der Oberfläche einer Kunststoffoberfläche zu lösen, so dass Kavernen entstehen, welche eine anschließende Metallisierung erlauben. Die Lösungsmittel sind auch in der Lage, polystyrolähnliche Verbindungen zu lösen, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Polyetherketone, wie zum Beispiel PEEK, mit einer angepassten Nachbehandlung, behandelt werden können. Die erhaltenen Oberflächen weisen eine reduzierte Konzentration an Polystyrol auf und eignen sich so zur weiteren Verarbeitung und Herstellung metallisierter Kunststoffoberflächen.
Umfasst der nichtleitende Kunststoff ABS, so sollte der Anteil an ABS 20 % nicht unterschreiten. Bei geringeren Mengen können nicht ausreichend Kavitäten an der Oberfläche erhalten werden, so dass die Metallisierung möglicherweise nicht gleichmäßig auf der Oberfläche erfolgt. Je nach gewünschtem Ergebnis kann dies relevant sein.
Als besonders geeignete Beizmittel haben sich Aceton und dessen Derivate herausgestellt. Aceton ist geeignet, da es Polystyrol-Einheiten effektiv und selektiv löst. Bevorzugt wird jedoch ein Derivat von Aceton als Beizmittel verwendet, wobei das Beizmittel einen höheren Flammpunkt als Aceton selbst hat.
Der Flammpunkt ist dabei die niedrigste Temperatur, bei der sich über einem Stoff ein Dampf-Luft-Gemisch entzünden kann.
Das hier erstmals offenbarte Beizverfahren erfolgt insbesondere bei Temperaturen von Raumtemperatur (also 20 °C) und 80 °C, vorzugsweise von 30 °C bis 65 °C, insbesondere von 40 °C bis 60 °C. In diesem Temperaturbereich läuft das Beizen effektiv ab. Der Energieverbrauch zum Erwärmen der Beizlösung ist aus wirtschaftlicher Sicht vertretbar. Bei geringeren Temperaturen erfolgt der Schritt des Beizens ebenfalls, die Dauer ist dann jedoch so lange, dass das Verfahren nicht mehr effektiv in bestehen Metallisierungsverfahren integriert werden kann. Bei Temperaturen von über 70 °C, insbesondere von über 65 °c beziehungsweise von über 60 °C ist der Energieverbrauch hoch und das Beizen nicht effektiver, so dass vorzugsweise in dem genannten Temperaturbereich gearbeitet wird.
Zur Gewährleistung der Sicherheit während des Verfahrens weist das Beizmittel einen Flammpunkt auf, der überhalb der Verfahrenstemperatur liegt. Da der Flammpunkt von Aceton bei -20 °C liegt, sind bei der Verwendung von Aceton besondere Sicherheitsvorkehrungen nötig. Um diese zusätzlichen Kosten zu vermeiden und die Sicherheit des Prozesses zu gewährleisten, ist das Beizmittel erfindungsgemäß bevorzugt ein Derivat von Aceton, dessen Flammpunkt größer der von Aceton und vorzugsweise größer 60 °C, insbesondere größer 65 °C, bevorzugt größer 70 °C ist.
Geeignete Derivate sind beispielsweise Acetophenon, Benzalaceton oder 4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon.
Es können auch Mischungen aus Aceton mit einem oder mehreren der genannten Derivate eingesetzt werden. Ebenso ist es von dem offenbarten Verfahren umfasst, dass 2, 3 oder mehr Derivate in einer Mischung als Beizmittel eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird nur ein Aceton-Derivat als Beizmittel eingesetzt. Besonders bevorzugt ist das Beizmittel ausgewählt aus Aceton, Acetophenon, Benzalaceton und/oder 4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon. Diese weisen einen ausreichend hohen Flammpunkt auf und lassen sich auch sonst unter üblichen Arbeitsschutzbedingungen in bestehende Metallisierungsverfahren integrieren.
Die Konzentration des Beizmittels in der Beizlösung beträgt vorzugsweise wenigstens 0,01 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Beizlösung. Es kann bis zur Löslichkeitsgrenze eingesetzt werden. Bevorzugt beträgt die Konzentration von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, insbesondere von 3 Gew.-% bis 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Beizlösung.
Bei der Beizlösung handelt es sich um eine Lösung, bei welcher das Beizmittel in einem Lösungsmittel gelöst ist. Bei dem Lösungsmittel kann es sich um beliebige Lösungsmittel handeln, in welchen das Beizmittel gut löslich ist. Bei der Wahl des Beizmittels ist zudem zu beachten, dass die Kunststoffoberfläche gut benetzt werden sollte und das Beizverfahren gut in bestehende Prozesse zu integrieren ist. Insbesondere aus dem letzten Grund ist das Lösungsmittel der Beizlösung ausgewählt aus Wasser und/oder Glykol und/oder Glykolverbindungen.
Eine Glykolverbindung ist erfindungsgemäß ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylenglykol, Diethylenglykol, Ethylenglykolmonomethyletheracetat, Ethylenglykolmonoethyletheracetat, Ethylenglykolmonopropyletheracetat, Ethylenglykolacetat, Diethylenglykolmonoethyletheracetat, Diethylenglykolmonomethyletheracetat, Diethylenglykolmonopropyletheracetat, Butylglykol, Ethylenglykolmonobutylether, Ethylenglykoldiacetat und Mischungen davon. Besonders bevorzugt sind Diethylenglykolmonoethyletheracetat, Ethylenglykolacetat, Ethylenglykoldiacetat, Butylglykol und Mischungen davon.
Es kann somit Wasser alleine, Glykol alleine oder eine Glykolverbindung alleine als Lösungsmittel eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich eine Mischung aus Wasser und Glykol, eine Mischung aus Wasser und einer Gylkolverbindung oder eine Mischung aus Glykol und einer Glykolverbindung einzusetzen. Auch Mischungen aus Wasser, Glykol und einer Glykolverbindung sind umfasst. Besonders bevorzugt ist das Lösungsmittel Wasser und/oder Glykol. Besonders bevorzugt ist es Wasser.
Das Beizverfahren dient insbesondere der Vorbereitung von Oberflächen zur anschließenden Metallisierung. Diese erfolgt üblicherweise in einer wässrigen Lösung. Ist das Lösungsmittel des Beizverfahrens Wasser, so kommt es zu möglichst wenig Verunreinigungen durch Fremdstoffe in den nachfolgenden Schritten.
Die Beizlösung kann neben dem Beizmittel und dem Lösungsmittel auch Benetzungsmittel enthalten, die einen besonders gute Einwirkung des Beizmittels auf die Oberfläche ermöglichen. Geeignete Netzmittel sind beispielsweise Tenside, wie Natriumolefinsulfonat, Alkylbenzolsulfonate oder alkoholische Verbindungen oder Glykolverbindungen wie oben definiert.
In einer weiteren Offenbarung weist die Beizlösung weiterhin Edelmetallverbindungen in einer Konzentration von 0,01 mg/l bis 80 mg/l, vorzugsweise von 0,05 mg/l bis 70 mg/l auf. Bei dem Edelmetall handelt es sich insbesondere um ein solches Metall, welches bei einer Metallisierung als Aktivator eingesetzt wird. Insbesondere handelt es sich um Palladium. Geeignete Verbindungen zur Herstellung von Aktivatoren bzw, Aktivatoren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Eine geeignete Verbindung zur Herstellung der Aktivatoren ist beispielsweise Palladiumchlorid. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass hierdurch die spätere Metallisierung besonders effektiv abläuft. Durch das Beizen wird die Kunststoffoberfläche derart geändert, dass Edelmetalle und insbesondere Palladium an der Oberfläche haften. Hierdurch wird eine nachfolgende Metallisierung ermöglicht.
Die zu metallisierende bzw. zu beizende neuerungsgemäße Kunststoffoberfläche wird mit dem offenbarten Verfahren zum Beizen für einen Zeitraum von 0,1 und 60 Minuten in Kontakt gebracht, bevorzugt zwischen 1 und 20 Minuten und besonders bevorzugt zwischen 6 und 12 Minuten.
Das Verfahren ermöglicht das Lösen von Polymereinheiten aus der Oberfläche eines Körpers, welche einen nichtleitenden Kunststoff umfasst und insbesondere daraus besteht. Es wird vermutet, dass die ausgelöste Polymereinheit noch mit den restlichen Polymereinheiten verbunden ist, es dennoch zu einer Ausbildung von Kavernen kommt. Es wird weiter vermutet, dass in diesen Kavernen das Edelmetall, insbesondere Palladium, haftet. Gegenüber konventionellen Ätzverfahren entstehen mehr Kavernen pro Fläche mit geringerer Tiefe. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass hierdurch eine besonders homogene Metallisierung erreicht werden kann.
Soll die durch die Beizlösung ausgelöste Polymereinheit noch von der Oberfläche entfernt werden, kann dies oxidativ erfolgen.
In einer bevorzugten Offenbarungsform des Verfahrens umfasst Schritt b) daher die folgenden Teilschritte:

b1) man bringt die Oberfläche mit einer Beizlösung in Kontakt, wobei die Beizlösung ein Lösungsmittel sowie ein Beizmittel enthält, und anschließend b2) bringt man die Oberfläche mit einer Permanganatlösung in Kontakt.

In dieser Offenbarungsform umfasst das Verfahren somit insgesamt die Schritte:

a) Bereitstellen eines Gegenstands, der eine Oberfläche aus einem nichtleitenden Kunststoff aufweist,
b1) in Kontakt bringen der Oberfläche mit einer Beizlösung, wobei die Beizlösung ein Lösungsmittel sowie ein Beizmittel enthält, und anschließend
b2) in Kontakt bringen Oberfläche mit einer Permanganatlösung, gefolgt von
c) Abspülen der Oberfläche zur Entfernung der Permanganatlösung,

Die Permanganatlösung wirkt dabei nicht als Beizlösung. Die Behandlung mit Permanganat erfolgt nach der Beize und dient lediglich der oxidativen Abspaltung der durch die Beize ausgelösten Polymerbestandteile. Die Permanganatlösung weist daher vorzugsweise eine Konzentration von 5 g/l bis 200 g/l, insbesondere von 10 g/l bis 150 g/l, besonders bevorzugt von 15 g/l bis 100 g/l auf. Insbesondere handelt es sich um eine wässrige oder alkoholische (ethanolische) Permanganatlösung.
Das oxidative Aufreinigen der Oberfläche mit der Permanganat-haltigen Lösung (Schritt b2 des Verfahrens) kann grundsätzlich nach dem Stand der Technik erfolgen. Dieser Schritt kann beispielsweise wie in EP1001052B1 beschrieben durchgeführt werden. Im Unterschied zum Stand der Technik erfolgt in dem vorliegenden Verfahren kein Beizen durch das Permanganat.
Entsprechend kann die Permanganatlösung in Form einer sauren Lösung oder in Form einer alkalischen Lösung vorliegen. Hierfür kann die Permanganatlösung beispielsweise eine Säure, insbesondere Schwefelsäure oder Phosphorsäure, oder eine Alkalie (Lauge), insbesondere Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid, aufweisen.
Zwischen den Schritten b1) und b2) des bevorzugten Verfahrens kann die Oberfläche ebenfalls gespült werden. Als Spülmittel zum Abspülen der Oberfläche wird insbesondere Wasser verwendet.
Auch das Abspülen in Schritt c) erfolgt insbesondere mit Wasser.
Umfasst das Verfahren die oxidative Behandlung mit einer Permanganatlösung, so erfolgt dieser Schritt insbesondere bei Temperaturen von Raumtemperatur (also 20 °C) und 70 °C, vorzugsweise von 30 °C bis 65 °C, insbesondere von 40 °C bis 60 °C. In diesem Temperaturbereich läuft das Beizen effektiv ab. Der Energieverbrauch zum Erwärmen der Permanganatlösung ist aus wirtschaftlicher Sicht vertretbar. Bei geringeren Temperaturen erfolgt der Schritt der Oxidativen Abspaltung ebenfalls, die Dauer ist dann jedoch so lange, dass das Verfahren nicht mehr effektiv in bestehen Metallisierungsverfahren integriert werden kann. Bei Temperaturen von über 70 °C, insbesondere von über 65 °c beziehungsweise von über 60 °C ist der Energieverbrauch hoch und das Beizen somit weniger kosteneffizient, so dass vorzugsweise in dem genannten Temperaturbereich gearbeitet wird.
Umfasst das offenbarte Beizverfahren den Schritt der Behandlung mit einer oxidativen Lösung, insbesondere mit einer Permanganatlösung, so kann die Konzentration des Beizmittels gesenkt werden. In diesen Fällen beträgt die Konzentration des Beizmittels in der Beizlösung insbesondere von 0,5 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise von 1 Gew.-% bis 4 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,5 Gew.-% bis 3 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Beizlösung.
Dies bietet aus ökonomischer und ökologischer Sicht Vorteile, da die Konzentration der einzelnen Inhaltsstoffe soweit herabgesetzt werden kann, dass der Prozess sogar deutlich kostengünstiger als die bisher verwendeten Chromschwefelsäure-Beizen betrieben werden kann. Es wird angenommen, dass, sofern die Konzentration in dem ersten Aceton-Derivat enthaltenden Beizschritt einen gewissen Schwellenwert unterschreitet, ein gleichmäßiges Beizen (Bilden von Mikrokavernen) zwar erzielt wird, in diesen aber noch angelöste Rückstände zurückbleiben, welche dann in einem darauffolgenden, wahlweise oxidativen Prozess wie einer schwachen Permanganatlösung entfernt werden.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Neuerung daher einen Gegenstand mit einer Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff, welcher Polystyrol-Einheiten aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Konzentration an Polystyrol an der Oberfläche reduziert ist und der durch ein zuvor beschriebenes Verfahren erhalten wird.
Das offenbarte Beizverfahren dient insbesondere der Vorbereitung von Oberflächen zur anschließenden Metallisierung. In einer weiteren Ausführungsform wird die der vorliegenden Neuerung zu Grunde liegende Aufgabe daher gelöst durch einen Gegenstand mit einer Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff, wobei die Oberfläche metallisiert ist, und wobei der Kunststoff Polystyrol-Einheiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche eines Gegenstandes wie zuvor beschrieben metallisiert wurde.
Die Metallisierung kann nach an sich bekannten Verfahren erfolgen. Neuerungsgemäß bevorzugt wird ein neuerungsgemäßer Gegenstand mit einer Oberfläche eingesetzt, in welchem die Konzentration von Polystyrol an der Oberfläche reduziert ist und diese Oberfläche wird anschließend metallisiert.
Das Metallisieren umfasst insbesondere:

i) Aktivierung der Oberfläche mit einer Aktivatorlösung,
ii) insbesondere außenstromlose Metallisierung.

Der Vorgang der Metallisierung an sich kann nach bekannten Verfahren erfolgen. Mit dem Metallisierungsverfahren wird ein Verfahren zum Metallisieren nichtleitender Kunststoffoberflächen bereitgestellt, welches durch das offenbarte Beizverfahren gekennzeichnet ist. Alle hierauf folgenden Schritte wie das Aktivieren, Beschleunigen oder auch wahlweise das Direktmetallisieren können in selbiger Form wie bei den bisher verwendet Chromschwefelsäure-Beizen verwendet bzw. angewendet werden. Beim Metallisieren werden auf die Keimschicht insbesondere Nickel- oder Kupferschichten auf die Kunststoffoberfläche aufgebracht.
Die Verfahrensschritte des Beizens wie zuvor beschrieben werden in der angegebenen Reihenfolge, nicht notwendigerweise aber vorzugsweise unmittelbar aufeinander folgend durchgeführt.
Es können weitere Verfahrensschritte und zusätzlich jeweils Spülschritte, vorzugsweise mit Wasser aber auch mit Bestandteilen, insbesondere den Lösungsmitteln der einzelnen Vorangegangenen Schritte, zwischen den jeweiligen Schritten durchgeführt werden.
Durch das offenbarte Beizen der Kunststoffoberfläche mit Beizlösungen, werden die Kunststoffe derart stark und gleichmäßig gebeizt, dass ein alleiniges Beizen in diesem Schritt zu einer ausreichenden Haftung der aufgebrachten Metallschicht führt.
Das Beizen der Kunststoffe mit der Beizlösungen führt überraschenderweise zu einer deutlich höheren Belegung der Oberfläche mit einem Metall während der Aktivierung der Oberfläche. Dies ermöglicht eine Herabsetzung der eingesetzten Edelmetall-Konzentration während der Aktivierung und ermöglicht so einen geringeren Edelmetallverbrauch.
Weiter können mit dem Beizverfahren weitaus mehr Kunststoffe als bisher, unter Verwendung von Chromschwefelsäure-Beizen, beschichtet werden, wie unter anderem stark Glasfaserverstärkter Kunststoffe wie PEEK (Polyetheretherketon).
Dieser Aspekt ermöglicht ebenfalls die Erschließung neuer zukunftsweisender Anwendungsfelder, da nun sogar Kunststoffe mit einer Metall-ähnlichen Stabilität dekorativ oder auch funktionell beschichtet werden können. Weiter ist mit dem Verfahren ebenfalls eine Beschichtung von Mehrkomponenten-Kunststoffen sogar einfacher möglich als bisher und somit die Bereitstellung entsprechender Gegenstände. Während beim Stand der Technik, dem Beizen mit Chromschwefelsäure, sowohl ein weiterer Aktivierungsschritt als auch ein weiterer Beschleunigungsschritt erforderlich waren, sind hier keine weiteren angepassten Verfahrensschritte gegenüber dem herkömmlichen Verfahrensablauf für die Beschichtung solcher Bauteile notwendig.
Das offenbarte Verfahren ermöglicht somit eine einfache, fehlerfreie Beschichtung, losgelöst von der Art und Konzentration im Beschleuniger, sowie im Aktivator, wodurch diese als Fehlerquellen vermieden werden und eine deutlich höhere Prozesssicherheit geschaffen wird. In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung daher einen Gegenstand mit einer Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff, wobei der Kunststoff Polystyrol-Einheiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche wie zuvor beschrieben zunächst gebeizt und anschließend metallisiert wurde.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen exemplarisch und in nicht limitierender Weise ein Beizverfahren sowie eine Beizlösung und die so hergestellte neuerungsgemäßen Gegenstände, ohne dass sich jedoch die Erfindung auf die Ausführungsbeispiele beschränken lässt. Merkmale, die zu einer Ausführungsform erläutert werden, gelten entsprechend für alle anderen Ausführungsformen, soweit dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Ausführungsbeispiele:
Zwischen den einzelnen Verfahrensschritte wurde in allen Ausführungsbeispielen in Wasser und ggf. einem Netzmittel zur besseren Benetzung gespült, soweit nicht anders erwähnt.
Beispiel 1:
Beizlösung 1: 100 g/l Benzalaceton, 300 ml/l Butylglykol, 30 ml/l Natriumolefinsulfonat (Netzmittel)
Metallisierung
Ein Kunststoffbauteil aus ABC PC mit einem PC Anteil von ca. 45%, auch T45 genannt, wurde in der Beizlösung aus Beispiel 1 für 5 Minuten bei 50°C behandelt.
Das Kunststoffbauteil wies eine gleichmäßig aufgeraute und gut benetzbare Struktur nach dem Beizen auf.
Beispiel 2:
Ein wie in Beispiel 1 verwendetes Kunststoffbauteile aus ABC PC wurde wie folgt behandelt:

1. 5 Minuten in Beizlösung 1 bei 50 °C
2. 3 Minuten in Aktivatorlösung HESSOPLAST AKA der Firma DR. HESSE bei 36 °C
3. 3 Minuten in Beschleunigerlösung HESSOPLAST BS-200 der Firma DR. HESSE, bei 35 °C und pH = 3,0
4. 9 Minuten in chemisch Nickel HESSONIC PL-H der Firma Dr. Hesse bei 32 °C und pH = 8,5

HESSOPLAST AKA ist ein Palladium-Aktivator mit einer beispielhaften Zusammensetzung in der Aktivatorlösung von 25 mg/l Pd, 3 g/l Sn²⁺ und 300 ml/l HCl 37%.
HESSOPLAST BS-200 ist ein Beschleuniger mit einer beispielhaften Zusammensetzung in der Beschleunigerlösung von 50 g/l HESSOPLAST BS-200, Teil 1 und 20g/l HESSOPLAST BS-200, Teil 2, außerdem wurde der pH-Wert mit Schwefelsäure auf pH = 3,0 abgesenkt.
HESSONIC PL-H ist ein außenstromlos abscheidendes Nickel Verfahren mit einer Beispielhaften Zusammensetzung von 2,6 g/l Ni, 20 g/l Natriumhypophosphit, ca. 30 g/l Orthophosphit und einer Stabilisator-Konzentration von 3 mg/l.
Das Kunststoffbauteil konnte fehlerfrei und haftfest chemisch vernickelt und anschließend metallisiert werden.
Beispiel 3:
Beizlösung 2: 30 g/l Benzalaceton, 100 ml/l Butylglykol, 30 ml/l Netzmittel
Beizlösung 3: 50 g/l Kaliumpermanganat, 50 g/l Schwefelsäure 96% techn. Konz.
Reinigungslösung 1 (Entfernung von Braunstein nach dem Beizen in Permanganat-haltigen Lösungen): 50ml/l Schwefelsäure 96% techn. Konz., 50ml/l Wasserstoffperoxid techn. 33%
Ein wie in Beispiel 1 verwendetes Kunststoffbauteile aus ABC PC wurde wie folgt behandelt:

1. 4 Minuten in Beizlösung 2 bei 50 °C
2. 10 Minuten in Beizlösung 3 bei 50 °C
3. 1 Minute in Reinigungslösung 1 bei 40 °C
4. 3 Minuten in Aktivatorlösung HESSOPLAST AKA der Firma DR. HESSE bei 36 °C
5. 5 Minuten in Beschleunigerlösung HESSOPLAST BS-200 der Firma
DR. HESSE, bei 35 °C und pH = 3,0
6. 9 Minuten in chemisch Nickel HESSONIC PL-H der Firma Dr. Hesse bei 32 °C und pH = 8,5

Das Kunststoffbauteil konnte fehlerfrei chemisch vernickelt und anschließend metallisiert werden.
Beispiel 4:
Beizlösung 2: 30 g/l Benzalaceton, 100 ml/l Butylglykol, 30 ml/l Netzmittel
Beizlösung 3: 50g/l Kaliumpermanganat, 50g/l Schwefelsäure 96% techn. Konz.
Reinigungslösung 2 (Entfernung von Braunstein nach dem Beizen in Permanganat-haltigen Lösungen): 20ml/l Hydroxylammoniumsulfat.
Ein wie in Beispiel 1 verwendetes Kunststoffbauteil aus ABC PC wurde wie folgt behandelt:

1. 2 Minuten in Beizlösung 2 bei 55 °C
2. 10 Minuten in Beizlösung 3 bei 55 °C
3. 1 Minute in Reinigungslösung 1 bei 40 °C (Zwischen Schritt 2 und Schritt 3 wurde nicht gespült)
4. 3 Minuten in Aktivatorlösung HESSOPLAST AKA der Firma DR. HESSE bei 36 °C
5. 5 Minuten in Beschleunigerlösung HESSOPLAST BS-200 der Firma DR. HESSE, bei 35 °C und pH = 3,0
6. 9 Minuten in chemisch Nickel HESSONIC PL-H der Firma Dr. Hesse bei 32 °C und pH = 8,5

Das Kunststoffbauteil konnte fehlerfrei chemisch vernickelt und anschließend metallisiert werden. Ebenfalls kann hierdurch eine weitere Verkürzung des Ablaufes vorgenommen werden, da die Spülschritte zwischen Schritt 2 und Schritt 3 wegfallen.
Das gefundene Beizverfahren ist vorteilhafterweise kompatibel mit den meisten existierenden Linien zur Metallisierung von Kunststoffen. Es führt zu einer gleichmäßigeren Aufrauhung und Bekeimung der Kunststoffoberfläche und damit zu einer schnelleren und Fehlstellen-freieren Metallisierung, z. B. bei der autokatalytischen Vernickelung. Die erhaltenden Ergebnisse sind sehr gut reproduzierbar und eine Einarbeitung des Metallisierungsprozesses im Labormaßstab entfällt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1001052 B1 [0042]

Claims

Gegenstand mit einer Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff, wobei der Kunststoff Polystyrol-Einheiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an Polystyrol an der Oberfläche reduziert ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtleitende Kunststoff ausgewählt ist aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS-Copolymer), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Mischungen eines ABS-Copolymers mit mindestens einem weiteren Polymer, sowie Mehrkomponenten Kunststoffe, insbesondere aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS-Copolymer), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) und Mischungen eines ABS-Copolymers mit mindestens einem weiteren Polymer.
Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er nach dem nachfolgenden Verfahren zum Beizen von nichtleitenden Kunststoffoberflächen erhalten wurde, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man a) einen Gegenstand, der eine Oberfläche aus einem nichtleitenden Kunststoff aufweist, bereitstellt, b) die Oberfläche mit einer Beizlösung in Kontakt bringt, wobei die Beizlösung ein Lösungsmittel sowie ein Beizmittel enthält, und c) Abspülen der Oberfläche zur Entfernung des Beizmittels, wobei das Beizmittel in der Lage ist, Polystyrol-Einheiten aus einem Polymer zu lösen.
Gegenstand mit einer Oberfläche aus nichtleitendem Kunststoff, wobei die Oberfläche metallisiert ist, und wobei der Kunststoff Polystyrol-Einheiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche eines Gegenstandes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 metallisiert wurde.