Schutz und Isolation Haftfestigkeit von PUR-Beschichtungen für den LED-Verguss auf Alu

Der zunehmende Einsatz von mobilen elektronischen Geräten erfordert bedingt durch die erhöhte klimatische und mechanische Belastung zwangsläufig den Einsatz von Schutz- und Isolationswerkstoffen.

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Vergussmassen auf Basis von Polyurethanharzen zeichnen sich zum einen durch ihre geringe Exothermie bei der Aushärtung und den damit verbundenen geringen Reaktionsschrumpfes und zum anderen durch ihre moderaten und in weitem Bereich einstellbaren Elastizitätsmodule aus. Letztere sind eine Schlüsselgröße für den sicheren Betrieb elektronischer Baugruppen unter wechselnden Temperaturen.

Mit dem Fortschreiten der LED-Technik eröffnet sich nun ein weiteres Einsatzgebiet für das insbesondere PUR-Vergussmassen prädestiniert sind. Wurden LEDs in ihrem Anfangsstadium hauptsächlich für Anzeigeelemente wie beispielsweise Statusanzeigen eingesetzt, finden sie heute nicht nur zunehmenden Einsatz als Beleuchtungseinheiten im Automobilbau, sondern verdrängen darüber hinaus immer mehr konventionelle Lichtquellen in Bereichen der allgemeinen Innen- und Außenbeleuchtung.

Durch den gezielten Verguss von kompletten LED-Schaltungen können PUR-Vergussmassen hierbei im Hinblick auf eine dauerhafte Beständigkeit der LED gegen Umwelteinflüsse Schutzfunktionen ausüben, die weit über eine einzelne Leuchtdioden-Kapselung hinausgehen. Spezielle für diesen Anwendungsfall entwickelte PUR-Vergussmassen können insbesondere die optischen Anforderungen wie hohe Transparenz, verbunden mit einem völlig farblosen Verguss erfüllen, der zudem unter Feuchteeinfluss und Sonneneinstrahlung seine optischen Eigenschaften behält und nicht vergilbt und/oder kreidet.

In der Architektur werden bei der Beleuchtungstechnik überwiegend Leuchtleisten eingesetzt, die aus einem U-Profil aus Kunststoff- oder Aluminiummaterial mit eingebetteten LEDs bestehen, bei denen PUR-Vergussmassen komplette LED-Schaltungen umhüllen ohne dass dabei die optischen Eigenschaften maßgeblich beeinflusst werden. Aluminium nimmt in diesem Zusammenhang aufgrund seiner geringen Dichte und des hohen Elastizitätsmoduls als sehr dehnbares Metall bei leichter Verarbeitbarkeit laufend an Bedeutung zu.

Haftung auf Kunststoffen, Lotmaterialien und Aluminium

Für die Langlebigkeit der Lichtleisten ist es erforderlich, dass die PUR-Vergussmassen nicht nur auf den bisher überwiegend verwendeten Materialien wie beispielsweise faserverstärktem Kunststoff oder Lotmaterialien eine gute Haftung aufweisen, sondern ebenfalls für das Substrat Aluminium. Ein Verlust der Haftung zum Aluminiumträger würde einerseits den gewünschten mechanischen Verbund zerstören und andererseits auch Kriechwege für Feuchtigkeit ermöglichen, die zum elektrischen Ausfall der Leuchtleiste führen können.

In Kooperation mit dem Fachbereich Chemie (Schwerpunkt Lacktechnologie) der Hochschule Niederrhein in Krefeld wurden im Rahmen einer Bachelorarbeit bei den Lackwerken Peters in Kempen die Bedingungen für eine gute Haftfestigkeit von 2K-PUR-Vergussmassen auf dem Leichtmetall Aluminium untersucht. Da die Leuchtdioden- Schaltungen vollständig mit der Vergussmasse umhüllt werden, darf diese die Leuchtkraft und Farbe der LED nicht abschwächen oder verändern.

Die Haftung eines Beschichtungsstoffes ist eine Eigenschaft, die beispielsweise auch von der Kohäsion abhängt. Die inneren Spannungen können unterschiedlichste Ursachen haben – beispielsweise aus dem Reaktionsschrumpf. Sie können auch aus Alterungs- oder Abbauprozessen stammen. Auch können Diffusionsprozesse und Anreicherungen des diffundierenden Stoffes in der Grenzfläche – dem Interface – zu Änderungen in der Haftung führen.

Nasshaftung bei unterschiedlichsten Temperaturen

Handelt es sich bei dem diffundierenden Stoff um Wasser, so spricht man hier auch von Nasshaftung. Die Nasshaftung kann über ähnliche Verfahren bestimmt werden wie die Haftung unter Normalklima, soweit das Verfahren keinen Einfluss auf den Feuchtezustand des Filmes hat [1].

Die Nasshaftung ist insbesondere bei Materialkombinationen die längere Zeiten bei unterschiedlichsten Temperaturen der Feuchtigkeit ausgesetzt sein können von hoher Bedeutung für die Zuverlässigkeit.

Die Adhäsion – also das Haften zweier Stoffe – ist eine in molekularen Dimensionen gerichtet wirksame Größe. Einer direkten Messung entzieht sich die molekulare Haftung weitgehend, sie wird daher als eine integrale Größe in einer flächenhaften Betrachtung bestimmt. Dabei wird immer ein Ensemble von Wechselwirkungskräften bestimmt, aber auch eine mehr oder weniger unbekannte Kraftverteilung. Insbesondere Verformungen im Beschichtungsstoff und/oder im Substrat beeinflussen die Kraftverteilung und somit das Resultat zum Teil erheblich.

Prüfung der Haftfestigkeit per Stirnabzug

Zur Beurteilung der Haftfestigkeit wurde in Anlehnung an den in DIN EN ISO 4624 beschriebenen Abreißversuch ein Testverfahren mit der Zugprüfmaschine Z 050 der Firma Zwick und Roell entwickelt, welches unter dem Synonym „Stirnabzug“ bekannt ist. Hierzu wurden die PUR-Vergussmassen mit konstanter Schichtdicke auf Aluminiumbleche vergossen, um im Anschluss eine definierte Vergussmassenfläche vom umgebenen Beschichtungsstoff abzutrennen. Dabei kann es zu verschiedenen Bruchstellen kommen.

Rückschlüsse auf die Haftfestigkeit zwischen der Vergussmasse und dem Aluminiumblech können nur bei einem vorliegenden Adhäsionsbruch gezogen werden. In allen anderen Fällen kann die Haftfestigkeit lediglich als größer als der erhaltene Wert angegeben werden. Die zur Berechnung der Haftfestigkeit benötigte Abreißkraft (siehe Formel) entspricht dem maximalen Kraftmesswert der für die jeweilige Messung erhaltenen Graphik.

σ: Haftfestigkeit [MPa]

F: Abreißkraft [N]

A: Abreißfläche [mm²]

Zuerst wurde durch Variation der Bindemittelzusammensetzung – auf Basis unterschiedlicher Polyol- und Polyisocyanatklassen – der Einfluss des Bindemittels auf die Haftfestigkeit für Reinaluminiumsubstrate ermittelt. Über die Auswahl des Bindemittels konnte das Haftvermögen auf Alu deutlich gesteigert werden. Die erreichten Haftfestigkeiten liegen zwischen 0,5MPa – 15MPa.

Mit einer Haftfestigkeit von ca. 15 MPa konnte letztendlich ein für Vergussmassen hervorragendes Ergebnis erzielt werden. Im allgemeinen Korrosionssschutz im Stahlanlagenbau gelten Stirnabzugswerte von unter 1 MPa als schlecht und Werte von 5 bis 15 MPa werden als mittelgut bezeichnet [5].

Quellen

[1] Suppa, M: Schutzlacke für elektronische Baugruppen- Anwendungsgebiete- Anforderungsprofile- Merkmale- Verarbeitung, Stünings Medien GmbH, Krefeld, 2010

[2] DIN EN ISO 55945: 2007- 03, Beschichtungsstoffe und Beschichtungen- Ergänzende Begriffe zu DIN EN ISO 4618

[3] DIN EN ISO 4624:2002, Abreißversuch zur Beurteilung der Haftfestigkeit;

Deutsche Fassung

[4] DIN EN ISO 2409: 2007, Beschichtungsstoffe-Gitterschnittprüfung

[5] Funke, W. / Fischer, E: Farbe und Lack 95 (1989) 403

* * Stefanie Schäfer BEng. und Dr. Manfred Suppa .arbeiten bei der Lackwerke Peters GmbH & Co KG in Kempen

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