CN101128299B - 模塑和涂覆基材的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在具有至少两个模腔的模具中模塑和涂覆基材的方法和设备。该方法包括下列步骤：(a)在模具的第一模腔中模塑基材，(b)将步骤(a)制备的基材送入模具的第二模腔中，(c)在该第二模腔中对步骤(a)制备的基材涂以漆料，其中该涂覆在升压下进行。

Description

模塑和涂覆基材的方法和设备
本发明涉及用于在模具中模塑和涂覆基材的方法和模具。
由EP 197496A中已知用于在模具中模塑和覆盖基材的方法。该基材的模塑在其间具有模具空腔(Formhohlraum)的两个可分离的模具之间进行，直到该基材部分硬化为止。当该基材硬化到其表面形成可接受覆层的肤层的程度时，将该覆层注入模具空腔中。该覆层注入压力显著高于注入紧前面的模具空腔压力。在注入时该模具处于受压的封密状态，基本上未拆卸(Zurückziehen)模具。由此该覆层基本上压贴在该基材的整个表面上。按EP 197496A，该基材的模塑通过注压进行。用根据EP 197496A的方法应可避免各种缺点如由于模具在注入覆层前该模具的开和关所造成的循环时间拉长。按EP 197496A通过在大于硬化压力下注入覆层可回避模具的开和关过程。但EP 197496A中的所述方法的缺点在于在模腔中要依次进行基材制备和基材涂覆。因此不可任意选用该两工艺步骤的不同工艺参数如覆层壁厚或模具表面温度。
在DE 4316154A中描述了一种对内精整部件(Innenausbauteil)涂覆可交联的硬化树脂或漆料的方法。在该方法中，将该内精整部件置入模具的确定位置中，从而以注塑过程或压铸过程方式在该内精整部件表面上涂覆覆层。以单一加工步骤将树脂或漆料以所需总厚度在封闭的模具中涂覆。虽然会由于凝固会有所收缩，在总硬化时间内对首先呈液态和接着在模具中凝固的树脂或漆料施加随时间不变的压力。因此，该压力的选择要使可能存在的空气溶于液态树脂或漆料中。在DE 4316154A的方法中，为了进行涂覆，将制成的内整饰部件置于模具中。该内整饰部件的制备与其涂覆无关。尽管出现收缩，但涂覆时可推动模具冲头使该模具内压仍保持不变。该模具内压的大小应使在硬化时空气保持溶解并对涂层质量无不利影响。该待喷涂的内整饰部件的外部制备有缺点的，因为其特别是增加了方法的设备耗费。因此制备成本也大大增加。
此外，EP 934808A已知一种用于在模具中涂覆的方法，在第一步中包括在模具中由合成树脂按注塑法、压注法
Figure G05848630520070827D000012
或注压法制备模制体。其通过在包括固定的半模和活动的半模的模具上应用夹紧压力实现的。在第二步中，减少该夹紧压力或分开该固定的和活动的半模，然后以另一步将涂覆材料注入模具内表面与模具中的模制体的表面之间。注入涂覆材料后在以一定的夹紧压力过渡时间间隔按多步变化夹紧压力的方式使该模具夹紧。EP 934808A的该两步骤即模制体的模塑和模制体的涂覆是在一个模腔中进行的，其中涂层的硬化在特定的压力曲线下完成。因为在此方法中还是在一个模腔中实施各个步骤，所以具有与EP 197496A的方法同样的缺点。
US 2003/0197307A公开了一种用于注塑模制件的方法，并接着在涂覆热固性的漆料层。该注塑和接着的涂覆在两分开的模腔中进行。按US 2003/0197307A，应用基本不含挥发性成分的热固性组合物涂覆。
本发明的目的在于提供一种用于模塑基材并涂覆漆料的方法，该方法不具有现有技术的上述缺点。无论其厚度如何，该漆料涂层的涂覆是均匀的和无缺陷的。
本发明的主题是用于在具有至少两个模腔的模具中模塑和涂覆基材的方法，该方法包括下列步骤：
(a)在模具的第一模腔中模塑基材
(b)将根据步骤(a)制备的基材送入模具的第二模腔中
(c)在该第二模腔中对根据步骤(a)制备的基材涂覆漆料，其中该涂覆漆料在压力即升压下进行，并硬化该漆料。
本发明的方法在有两个或多个模腔的模具中进行，使得该基材的两方法步骤即(a)模塑和(c)涂覆在不同的模腔中进行。该模腔的表面可由相同的或不同的材料如玻璃、陶瓷、塑料、金属或合金制成。
按步骤(a)，该基材在第一模腔中的模塑例如可通过注塑、注压、压制、反应性注塑(reaction injection molding，RIM)或发泡进行。作为材料可应用所有热塑性和热固性塑料，如聚碳酸酯(PC)、聚酯特别是聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚(丙烯腈-共-丁二烯-共-苯乙烯)(ABS)、聚(丙烯腈-共-苯乙烯-共-丙烯酸酯)(ASA)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、聚甲醛(POM)、环状聚烯烃(COC)、聚苯醚(PPO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯硫(PPS)、聚氨酯(PUR)、环氧树脂(EP)、聚氯乙烯(PVC)和其共混物。该基材可呈任意形状。
按步骤(a)的基材模塑优选按注塑法由热塑性塑料进行。长久以来，该注塑法是现有技术所熟知的。如果该基材通过注塑法由热塑性塑料制成，则所有热塑性塑料均适用如PC、PBT、PA、PE、PP、PS、ABS、ASA、SAN、PET、POM、COC、PPO/PA或PPO/PS共混物、PMMA、PPS、热塑性聚甲烷(Polymethan)(TPU)、EP、PVC和其共混物。
模塑基材后，按步骤(b)将该基材送入同一模具的第二模腔。为此打开该模具并将基材转移到到第二模腔中。该基材的转移可按已知方法(如在多色注塑中所采用的方法)进行。典型的方法是用转盘加料器、换向板、滑动腔或变址盘等方法转移，在这些方法中将该基材保持在芯体上。如果该基材在转移时保持在芯体上，则其优点为转移后位置被精确确定。另一方面是用现有技术已知的方法来转移基材，在这些方法中，该基材如利用操作系统从一个模腔中取出并置入另一模腔中。借助取出基材的转移在涂覆时提供了较大的设计余度如在产生弯曲或有掩盖区的情况下。
按本发明方法的步骤(c)，该基材在模具的第二模腔中经涂漆，该涂覆在压力下进行。这意指该漆的涂覆和硬化在压力下进行。在漆料的注入期和后压期即硬化期间需足够的压力，以避免漆层的泡形成。漆层的涂覆如此进行，即在压力下将漆料例如用注入法充填入基材表面和模腔内壁之间的空隙中。该压力的大小必需要在达到漆料的使用期(Topfzeit)之前充满模腔。同时该压力防止在漆的流动端面形成气泡。漆料的硬化也在压力下进行。本发明范围内该漆料硬化期意指为确保所述基材可靠脱模而又不损害漆层所至少需要的时间。该压力必需如此高，以使在硬化中可抑制漆中的气泡形成。此外该压力要使在硬化时可补偿漆的体积收缩，在硬化时间结束时，可将模腔中的压力下降到环境压力。
涂覆时的压力优选为10-90巴，特别优选40-60巴。该从外部施加的压力在涂覆时即在注入和硬化时保持恒定。备选地，在涂覆期间，该从外部施加的压力也可是变化的，这时压力优选为10-90巴，特别优选40-60巴。该压力例如可通过活塞从外部施加。备选地，该压力也可通过压缩过程施加。
本发明方法适合的漆层厚度为0.01-3mm。
在一个优选实施方案中，例如通过加热上半模产生的基材和漆料的热膨胀可用于调节涂覆时模腔中的压力。通过选择在第一和/或第二模腔中的模具表面温度和/或停留时间可有目的地得出与漆料配方相关的模具内压曲线。该第一模腔的温度选择为适于待加工的基材材料。该温度优选为40-80℃。在第一模腔中的停留时间优选为30-60秒。在第二模腔中，将该漆料在适配于所选材料的温度即20-120℃下注入到基材上并硬化。在第二模腔中的停留时间优选至少45秒，特别优选为45秒-2分钟。因为停留时间与漆料配方有关，所以该停留时间也可较长，如直至10分钟。
在第一模腔中由于基材冷却会发生收缩，而在第二模腔中由于基材和漆料的升温会发生热膨胀。该热膨胀可有目的地调节，以使其该热膨账可在第二模腔中达到所需的内压。在第二模腔中优选加热邻近漆层的半模。因此在第二模腔中的升温不仅有利于硬化，而且还可由于漆层和基材的热膨胀而有目的地影响模具内压。
此外，可在模腔的不同区域有区别地调节模具表面的温度。例如这可用于有目的地实现局部的模具内压分布。
因此，优选的方法是，在步骤(c)中第二模腔中的压力或第二模腔的一部分中的压力通过在涂覆和硬化时加热基材和漆料保持恒定或高于限制压力10巴(10000hPa)。
与通过外部施压来调节内压的方案相比，经基材和漆料的热膨胀而实现模腔中的内压的实施方案基于下列原因是有利的：首先该压力均匀施加到整个模制件上，同时硬化期间不必将漆压入模腔。第二可局部补偿由硬化产生的漆料体积收缩。最后可通过有目的的局部不同的模具调温以改变硬化时的压力。
步骤(c)的基材涂覆特别可如此进行，其中该漆料通过一个或多个喷嘴以如下方式注入该模腔中，以使在基材表面和模具内壁之间的空隙完全充漆料。为达漆料的最佳注入，可按本专业人员已知的方法相应选择注入点的数目和位置。该第二模腔的设计准则是在注入时能有目的地排出在空腔中存在的空气和经分界面或排气通道排出。为此例如可采用现有技术已知的计算程序。漆料注入的设计例如可按用于制备RIM模制体的现有技术已知的注入方案进行。
因此在一个优选实施方案中，步骤(c)的涂覆可按如现有技求已知的RIM法进行。
该双组分漆料的两成分在注入模腔前立即合并是有利的。
与其它方法相比，该RIM法提供了就在引入模腔前混合各成分的可能性，由此该优选的方法与该体系的使用期无关。该优点在试验时明显表现出来。其它优点是大大降低了净化耗费和提高了工艺的安全性，因为注塑机范围的干扰不会对漆料成分的计量和混合引起后续损害。此外，在生产中断后该漆料系统可立即再启动并生产出高质量的涂漆模制件。
用于基材涂覆的模腔可为任意设计，以使漆层例如在该基材的整个表面上呈相同厚度。但该模腔也可设计成使该基材的不同区域的漆层厚各不相同。由此可在基材的每个部位具有所需的漆层厚。
为按步骤(c)涂覆基材，可使用所有适于塑料涂漆的低溶剂的单组分或双组分的体系，该漆料体系可经自由基、离子及加聚反应硬化。漆料中其溶剂含量特别是最大为10重量％，优选最大为2重量％，特别优选最大为1重量％的漆料体系被认为是低溶剂的漆料体系。特别优选使用无溶剂的体系。无溶剂的聚氨酯漆料体系或聚脲体系是特别优选的，其中特别优选使用无溶剂的脂族聚氨酯漆料体系。
在应用双组分漆料体系时，这些组分依使用期和装置技术在漆料喷嘴中如通过高压逆流混合头或在加料管线中通过静态混合器或借助于动态混合器的有源混合来实现充分混合。
在长的使用期情况下，该两成分的混合也可在装置外进行，并且该混合物如单组分体系一样处理。在此情况下例如在注入前可通过成分冷却延长加工时间，并通过在第二模腔中的高模具温度达到短的反应时间。
通常使用具有短使用期的漆料体系。优选选用使用期最大为30min，特别优选使用期最大为10min，更特别优选使用期最大为2min的漆料体系。对短的使用期，优选使用高压逆流混合头来混合该两成分。与其它方法比较，其可有最高的生产率。此外，在过程终点无混合的漆原料的残余物留在模具中。
在按步骤(a)模塑基材和按步骤(c)涂覆前，视需要可附加的方法步骤在该模腔表面上施加脱模剂。可应用现有技术已知的各种试剂作为脱模剂。
本发明方法还可在具有多于两个模腔的模具中进行。例如视需要还可涂以具有特殊性能的其它漆层，其中每种漆层在各自的模腔中涂覆。此外，也可平行地在各个模腔中以根据步骤(a)的工艺步骤制备多个基材，并接着在模腔中或平行地在各个模腔中按步骤(c)涂漆。
与现有技术相比，本发明方法具有多个优点。循环时间较短，因为其不由各个工艺步骤的时间总和组成。此外，工艺参数如方法步骤(a)和(c)的模具壁温可各自独立选用，并且由此可最佳地适配于基材材抖和漆料。由此尤其也可使循环时间最佳化。此外，模腔各部位的漆层厚度也可任意选定。此外，对各模腔的表面还可选用不同的材料如玻璃、陶瓷、塑料、各种金属和合金。只要需要还可在模具表面有目的地使用脱模剂。例如可实现该漆料与模具表面的顺利脱开，而不会对漆层在基材上的粘附性产生不利影响。
本发明的另一主题是提供一种实施本发明方法的包括至少两个模腔的模具，其中至少一个模腔与注塑设备相连，并且一个模腔与RIM注入设备相连。
本发明模具的注塑设备用于经在模具的第一模腔中的注塑由热塑性塑料制备基材。适用的注塑设备是本专业人员由现技术已知的。其包括标准注塑机结构，其由用于基材加工的塑化装置和用于该模具的移动、打开和关闭活动的闭合单元、调温器和视需要的干燥装置组成。
与本发明模具中的第二模腔相连的漆料注入设备用于按步骤(c)涂漆。适用的漆料注入设备是本专业人员由现有技术已知的。其包括一个或视需要多个用于各成分的贮罐、搅拌器、输送泵、控温的调温装置、输送管和视需要用于混合多于一种漆料成分的混合装置如用于高压逆喷射混合的混合头。
按本发明方法制备的具有漆层的基材例如适用于汽车内部件如柱衬、边、手套格盖、盖板、遮光板、仪表板、空气输送系统的部件以及工业成品塑料部件如电器设备外壳、手机外壳、家用制品外壳。
下面根据附图详述本发明。图1按步骤(A)-(H)示出主要的方法过程。示出具有两半模11，12以及两模腔(即基材模腔13和涂漆模腔14)的注塑模具10。在本发明方法的略图实施方案的开始(A)中，模具10呈闭合，并且芯体15存在于基材模腔13中。将用于模塑基材21的热塑性塑料注入并凝固(步骤(B))。达到脱膜温度后，将基材21从基材模腔13转入涂漆模腔14(步骤(C)和(D))。为此打开模具10(步骤(C))，并在所示实施方案中将该基材模制体21与芯体15一起移入涂漆模腔14中(相应于步骤(C)中箭头所示)。如果该基材模制件21处于涂漆部位中(步骤(D))，则关闭该模具10(步骤(E))。向该涂漆模腔14即基材模制件21和模具壁16之间的模具间隙经喷嘴(未示出)充填漆料22。该漆料22在硬化期间保持在压力下(步骤(F))。如果漆已完全反应和冷却，则打开模具10(步骤(G))，并将涂有漆料22的基材21脱模(步骤(H))。
实施例
工作实施例
制备投影面积为40cm2的涂漆的模制件，其在注塑机上在具有两个模腔(一为基材模腔，一为涂漆模腔，后者与RIM装置相连)的注塑模具中进行。由热塑性塑料制成的该模制件是具有斜侧面的盒型构件。基材模制件的壁厚约为3mm。在试验系列中，该模制件的面涂有不同漆层厚度。依不同面该漆层厚度调节为约300-1000μm。
在第一步骤中制备基材。为此熔化在注塑罐中的塑料粒。该塑料粒为PC+ABS共混物(Bayer MaterialScience AG公司的Bayblend
Figure G05848630520070827D000071
T65)，其按类似于标准注塑过程熔化后在270℃下被注入该闭合模具的第一模腔中。经45秒的后压时间和冷却时间后打开模具。将制得的基材保持在注塑模具的推料器侧，并与模具芯体一起从基材位(2)经滑板移入涂漆位(4)(参见图1)。该涂漆模腔仅事先用市售的德国Acmos公司的ACMOS 36-4566型脱模剂润湿。然后再闭合注塑模具，其闭合力按最大为200巴的压力设计，并将无溶剂的脂族聚氨酯漆料在50巴压力下注入涂漆模腔中，该漆料由量比为1∶1的无溶剂聚酯多元醇(BayerMaterialScience AG公司的Desmophen
Figure G05848630520070827D000072
VPLS 2249-1)和无溶剂脂族聚异氰酸酯(Bayer MaterialScience AG公司的Desmodur
Figure G05848630520070827D000073
XP 2410)组成，并用约1％的DBTL催化。该两漆成分从RIM装置送入高压逆流混合头，并在注入前经混合。注入结束后，该漆料注入喷嘴用初始为50巴的液压筒封闭，以防止该漆回流。由于该模腔中的平均温度高于热塑性塑料模制件的平均脱膜温度，所以该模腔压力在硬化期间升高，以使该模具表面非常好的成形，并可靠地避免漆料中的气泡形成。经45秒的反应时间和冷却时间后，打开模具并取出该涂漆的模制件。在试验中，涂漆模腔的注入温度和模具表面的温度在涂漆侧是变化的。其压力随时间的变化示于下表：
Figure G05848630520070827D000081
从压力变化可看出，在硬化时间的终点出现压力下降，这归因于在硬化期间该漆料的体积收缩。
该漆对基材有优良的粘附性。该涂漆模制件可顺利地由模具中取出。该漆料表面呈高抛光的模具表面的镜面形成。
对比实施例
该对比实验在样品板模具上进行。该模具装在注塑机上，并与RIM装置相连。该模具具有板型模腔，其中以标准注塑方法充填以塑料。经冷却时间后，在仍闭合的模腔中引入漆。这通过RIM装置实施，该装置用静态混合器在软管系统中混合该两漆料成分，并导入模具中。该漆料体系经反应和冷却后打开模具并从模具中取出涂漆板。类似于上述实施例，该基材也是PC+ABS共混物(Bayer MaterialScience AG公司的Bayblend
Figure G05848630520070827D000082
T65)，该漆是由量比为1∶1的无溶剂聚酯多元醇(BayerMaterialScience AG公司的Desmophen
Figure G05848630520070827D000083
VPLS 2249-1)和无溶剂脂族聚异氰酸酯(Bayer MaterialScience AG公司的Desmodur
Figure G05848630520070827D000084
XP 2410)组成的无溶剂脂族聚氨酯漆料，并用约0.2％的DBTL催化，但使用较小的催化剂浓度及调节成相当长的使用期即约20min。在此情况下由于所选定的工艺过程以及成分在加料管中混合难以实现较短的使用期。
在该实验过程情况下存在下列缺点。因为模具直到漆料引入均保持闭合态，即在制备基材和涂覆基材之间不打开模具，所以该模腔在塑料注入过程前已用脱模剂润湿。在注入塑料时，脱模剂也部分沉积在塑料表面上。由此明显恶化了漆料在基材上的粘附性。此外，漆料厚度不能特定地调节。其由基材的收缩和模制件几何形状而决定。这特别会在模制件的无收缩的棱边导致不希望的厚漆层。
由于其后实施的工艺步骤，该循环时间由各过程的时间总和组成。这又对漆的选择产生影响，因为按此方法该漆料体系的使用期起主要作用。因此漆的选择是受限制的。
此外，模具表面温度不可自由选择，这就不可能通过热膨胀达到所需的内压分布和由此利用与其相关的优点。

Claims (13)

1.一种在具有至少两个模腔的模具中模塑和涂覆基材的方法，包括下列步骤：
(a)在模具的第一模腔中模塑基材，
(b)将根据步骤(a)制备的基材送入模具的第二模腔中，
(c)在该第二模腔中对根据步骤(a)制备的基材涂覆漆料，其中该涂覆漆料在升压下进行，并接着硬化该漆料，其中在漆料注入和硬化时压力保持恒定或高于10巴的限制压力。
2.权利要求1的方法，其特征在于，步骤c)的涂覆漆料按反应性注塑法进行。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于，通过基材和漆料的热膨胀而以受控的方式调节和影响第二模腔中的压力。
4.权利要求1或2的方法，其特征在于，在步骤c)中，模腔中的压力通过活塞或通过压缩过程而从外部施加。
5.权利要求1-4之一的方法，其特征在于，根据步骤(a)的基材模塑通过注塑、注压、压制、发泡或反应性注塑进行。
6.权利要求1-5之一的方法，其特征在于，应用经自由基、离子或经加聚反应硬化的漆料体系。
7.权利要求1-6之一的方法，其特征在于，应用按漆料量计溶剂含量最大为10重量％，优选最大为2重量％，特别优选最大为1重量％的低溶剂漆料体系。
8.权利要求1-6之一的方法，其特征在于，应用无溶剂的漆料体系。
9.权利要求1-8之一的方法，其特征在于，注入单组分或双组分漆料。
10.权利要求1-9之一的方法，其特征在于，应用聚氨酯体系或聚脲体系作为漆料。
11.权利要求1-10之一的方法，其特征在于，应用无溶剂的脂族聚氨酯体系作为漆料。
12.权利要求1-11之一的方法，其特征在于，该漆料体系的使用期为最大30min，优选最大10min，特别优选最大为2min。
13.权利要求1-12之一的方法，其特征在于，按步骤c)涂覆期间的压力为10-90巴(10000-90000hPa)。
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