AT295000B - Verfahren zur Härtung von Anstrichstoffen und Überzügen auf Basis von Kondensations- und Polymerisationsharzen mit Infrarot-Strahlen - Google Patents

Description

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   Verfahren zur Härtung von Anstrichstoffen und Überzügen auf Basis von Kondensations- und Polymerisationsharzen mit Infrarot-Strahlen 
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung von Anstrichstoffen und Überzügen mittels von einem Laser emittierter Infrarot-Strahlung. 



   Unter Härtung soll im weiteren die physikalisch und/oder chemisch erfolgende   Filmbildungvon   Anstrichstoffen und Überzügen auf Substraten verstanden werden. 



   Unter Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) versteht man eine Lichtbzw. Infrarot-Strahlungsquelle, die monofrequente Strahlung (einfärbiges Licht) in optimal gebündelter Form emittiert. 



   Zur Härtung von Anstrichstoffen und   Überzügen   werden als Wärmequellen vor allem Konvektion- öfen und thermische Infrarot-Strahler verwendet. Beim Wärmetransport durch Konvektion dient als   Wärmeüberträger   meist Luft, die nach Aufnahme der Wärme von Heizstäben   durch natürliche oderkünst-   liche Strömung an das Werkstück geleitet wird und an dieses die Wärme abgibt. Demgegenüberhaben Infrarot-Strahler den Vorteil, dass die Wärme weitestgehend im Anstrichstoff oder Überzug bzw. Trägermaterial selbst bei Absorption der   IR-Strahlung   entsteht. 



   Zu Beginn findet die Härtung nicht nur an der Oberfläche des aufgetragenen Filmes - wie bei der Konvektionshärtung-, sondern sofort in der Gesamtschicht statt, so dass Lösungsmittel und/odereventuelle Spaltprodukte rasch und gleichmässig abgegeben werden, also verdunsten bzw. verdampfen. Oberflächenstörungen der eingebrannten Filme werden somit verringert. 



   Bei den   thermischenstrahlern   unterscheidet man   zwischenHellstrahlern   und Dunkelstrahlern. 



   Die Hellstrahler emittieren in einem Spektralbereich von 0, 5 bis 4, 0   Wellenlänge   mit einer Maximalemission bei einer Wellenlänge von 1 bis 2   p.   Dabei sind folgende Nachteile festzustellen ; Freiwerdende Lösungsmittel und Spaltprodukte absorbieren gerade in diesem Spektralbereich des nahen Infrarot sehr stark, so dass ein Grossteil der Energie durch die Erwärmung der Umgebung verlorengeht und 
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Härtung im Gesamtfilm ohneOberilä-Pigmentierung abhängig, so dass z. B. bei unterschiedlichen Farbtönen eine gleichmässige Härtung nicht erzielbar ist. 



   Die Dunkelstrahler emittieren im etwas entfernteren Infrarot mit einem Maximum im Spektralbereich von 3 bis   5 Il.   Lösungsmittel und Spaltprodukte nehmen diese längerwellige Wärme-Strahlung in geringerem Masse auf. Die Absorption der   längerwelligenInfrarotstrahlung   durch denAnstrichstoff oder Überzug ist im Gegensatz zu den Hellstrahlern weitgehend unabhängig von der Art des verwendeten Bindemittels und der Pigmentierung. 



   Allerdings ist die   pro Flächeneinheit des Dunkelstrahlers   abgegebene Leistung zufolge der niedrigen Temperaturen erheblich geringer, weshalb grössere   Strahler flächen   erforderlich sind. Da eine Konzen- 

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 tration der von einem flächenhaften Strahler ausgesendeten Strahlung nicht in beliebigem   Ausmass mög-   lich ist, lassen sich mit Dunkelstrahlern nur relativ geringe Strahlungsflussdichten erreichen, weshalb die Härtungszeiten gegenüber den Hellstrahlern wesentlich verlängert werden müssen. 



   Es wurde nun gefunden, dass man mit einem im Infrarotbereich emittierenden Laser als Strahlenquelle die mit Dunkelstrahlern erzielten Härtungszeiten wesentlich verkürzen kann. 



   Im Infrarot-Bereich emittierende Laser wurden bisher, wie sich z. B. aus der Schweizer Patentschrift Nr. 457645 ergibt, dort verwendet, wo extrem hohe Temperaturen benötigt werden, wie z. B. beim örtlichen Schmelzen von Metallen, Quarz,    A120su.   dgl. 



   Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass Anstrichstoffe und Überzüge mittels im IR emittierender Laser, die eine monofrequente und parallele Strahlung bei einem geringen Bündeldurchmesser abgeben, gehärtet werden. Es ist dabei eine Bestrahlung mit grosser Leistungsdichte möglich   und ;   es lassen sich rasch hohe örtliche Temperaturen im Film des Anstrichmittels bzw. Überzuges bzw. am Trägermaterial selbst, und damit sehr kurze Härtungszeiten erzielen. Die gehärteten Filmoberfläche sind störungsfrei. Trotz hoher Temperaturen werden Verfärbungen des Anstrichmittels durch die kurzen Einbrennzeiten vermieden. 



   Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Anstrichstoffe und Überzüge auf Basis von   Kondensations- oder   Polymerisationsharzen mit von Lasern emittierten Infrarot-Strahlenmit 
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   Bei Lasern mit der im erfindungsgemäss ausgewählten Bereich emittierten Wellenlänge absorbieren Lösungsmittel und Spaltprodukte praktisch nicht, während der Anstrichstoff oder Überzug bzw. das
Trägermaterial unabhängig von der Art des Bindemittels und des Pigmentes absorbieren, wodurch der Wirkungsgrad der Laserhärtung noch verbessert wird. 



   Somit vereint die Laser-Härtung den Vorteil hoher Leistungsdichte (besser als Hellstrahler) mit dem Vorteil der im ferneren Infrarot-Bereich gelegenen Emissionsfrequenz (besser als   Dunkelstrahler).   



   Die mit dieser Strahlungsquelle erzielbaren Härtungszeiten betragen zwischen 30 sec und wenigen Minuten. Der Laser-Härtung sind alle chemisch und/oder physikalisch filmbildenden Anstrichstoffe und Überzüge zugänglich,   z. B. Polykondensationsharze,   Polymerisationsharze, sinterbare Kunststoffpulver, Polymerisate, Fasern, usw., die gegebenenfalls als Lösung vorliegen und durch Abgabe des Lösungsmittels einen Film bilden. 



   Die Anstrichstoffe und Überzüge können auf Metallen, Steinmaterialien, Glas, Holz, Hartgummi, Kunststoffen, usw. gehärtet werden. 



   Die erfindungsgemässe Härtung ist vorzugsweise für die Lackierung oder das Überziehen von kleineren Werkstücken, z. B. Teilen von Präzisionsinstrumenten, geeignet. 



   Für grössere Flächen kann das Strahlenbündel durch optische Vorrichtungen (Spiegel, Linsen, usw.), wie sie z. B. in der franz. Patentschrift Nr. 1. 534,762 oder der USA-Patentschrift Nr. 3,   349, 174 für   andere Zwecke benutzt werden, entsprechend aufgeweitet werden. Durch eine relativ-einfache Vorrichtung (z. B. einen bewegten Spiegel) ist es möglich, den nicht aufgeweiteten Strahl mit einer bestimmtenGeschwindigkeit periodisch über die zu bestrahlende Fläche gleiten zu lassen (" scanning"), um eine grössere Fläche zu härten. 



   Für Ausbesserungen an Überzügen ist die erfindungsgemässe Härtungsmethode besonders geeignet, da die durch die Strahlung bedingte Erwärmung örtlich sehr genau begrenzt werden kann. 



   Zur Illustration des   erfindungsgemässen Verfahrens   werden   verschiedene Anstrichmittel aufverschie-   denen Substraten gehärtet. Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. ohne sie zu beschränken. 



     Beispiel l :   a) Ein Lack wurde auf Stahlblech von 0,9 mm Stärke mit einem Filmaufziehgerät in einer Nassfilmstärke von 0,015 mm aufgebracht, 5 min bei Raumtemperatur vorgetrocknet und an-   schliessendmiteinemCO-Laser (10, 6 p   Wellenlänge, maximale Ausgangsleistung 100 W, Strahldurchmesser 1, 5 cm) gehärtet. 



   Lackzusammensetzung : 
Bindemittel : 80 Gew.-Teile handelsübliches Einbrennalkydharz auf Basis   von Rizinenfettsäure, zir-   ka   341o   Fettsäuregehalt,   60ig   in Xylol/Butanol 
20 Gew.-Teile handelsübliches, partiell mit Butanol veräthertes, nicht plastifiziertes
Melamin-Formaldehyd-Harz,   60going   in Butanol 
Pigmentierung : 1 : 1 mit   Ti 0 2 (Rutil).   

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   Derselbe Lack wurde analog auch auf b) Holz, 1 cm Substratstärke c) Glas,   0, 5   cm d) Eternit, 0,7 cm e) Polypropylen,   0, 3   cm aufgebracht und   gehärtet  
Die Bestrahlungszeiten und die erzielten Filmhärten sind in der Tabelle I zusammengefasst. 



   B e i s p i e l e 2 b i s 6 : analogBeispiel 1 wurden folgende 5 Lacke auf Stahlblech aufgebracht und gehärtet. Die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefasst und den zur Erzielung derselben Härten erforderlichen Einbrennbedingungen im Konvektionsofen gegenübergestellt. 



   Lack   a) :  
Bindemittel : 80 Gew.-Teile handelsübliches, gesättigtes Polyesterharz auf Basis von Dicarbonsäu- ren und mehrwertigen Alkoholen (sogenanntes ölfreies Alkydharz), zig in Xylol/
Butanol, 20 Gew.-Teile handels7bliches, mit Butanol   partiell veräthertes.   nicht pla- 
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   Pigmentierung : l : l   mit    tin,   (Rutil) Lack b) :

   Bindemittel : 80 Gew.-Teile handelsübliches, hitzehärtendes Acrylatharz, 50%ig in   Xylol/Butanol,   
20 Gew.-Teile handelsübliches, mit Butanol partiell veräthertes Melamin-Formal- dehyd-Harz, 50%ig in Butanol, Pigmentierung : 1 : 1 mit TiO2 (Rutil) Lack   c) :   Bindemittel : handelsübliches, in der Wärme selbstvernetzendes Acrylatharz,   soezig   in Xylol/Butanol, 
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 Lack   d) :   Klarlack : 70 Gew.-Teile handelsübliches, relativ niedrigmolekulares Epoxydharz,   50% ig   in Iso- butylketon, 
30 Gew.-Teile handelsübliches, nicht plastifiziertes, veräthertes Phenolharz, 50%ig in
Xylol/Butanol/Isobutylketon Lack   e) :   Tauchgrundierung : dunkelgrau,   67% zig   in Wasser und Alkoholen. 



  Bindemittel : handelsübliches, wasserlösliches ofentrocknendes, plastifiziertes Phenolharz igmentierung: 1:1, 8 mit Pigmenten und Füllstoffen. 



   Tabelle I 
 EMI3.3 
 
<tb> 
<tb> EinbrennbedinLaser-Leistung <SEP> Bestrahlungs- <SEP> gungen <SEP> im
<tb> Substrat <SEP> in <SEP> W <SEP> zeit <SEP> Bleistifthärte <SEP> Konvektionsofen
<tb> Lack <SEP> gemäss
<tb> Beispiel <SEP> 1 <SEP> auf
<tb> Stahlblech <SEP> 30 <SEP> 45 <SEP> sec <SEP> 2 <SEP> H <SEP> 30 <SEP> min/100 C
<tb> Holz <SEP> 10 <SEP> 3 <SEP> min <SEP> H <SEP> 
<tb> Glas <SEP> 30 <SEP> 40sec <SEP> 2 <SEP> H <SEP> 30min/100 C <SEP> 
<tb> Eternit <SEP> 30 <SEP> 60 <SEP> sec <SEP> 2 <SEP> H---Polypropylen <SEP> 10 <SEP> 21/2 <SEP> min <SEP> H---- <SEP> 
<tb> 
 

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 Tabelle II 
 EMI4.1 
 
<tb> 
<tb> EinbrennbedinLaser-Leistung <SEP> Bestrahlungs-gungenim <SEP> 
<tb> Substrat <SEP> in <SEP> W <SEP> zeit <SEP> Bleistifthärte <SEP> Konvektionsofen
<tb> Beispiel <SEP> 2, <SEP> Lack <SEP> a)

  
<tb> Stahlblech <SEP> 30 <SEP> 90 <SEP> sec <SEP> 4 <SEP> H <SEP> 30 <SEP> min/150 C
<tb> Beispiel <SEP> 3, <SEP> Lack <SEP> b)
<tb> Stahlblech <SEP> 30 <SEP> 75 <SEP> sec <SEP> 4 <SEP> H <SEP> 20 <SEP> min/135 C
<tb> Beispiel <SEP> 4, <SEP> Lack <SEP> c)
<tb> Stahlblech <SEP> 30 <SEP> 3 <SEP> min <SEP> 3 <SEP> H <SEP> 30 <SEP> min/180 C
<tb> Beispiel <SEP> 5, <SEP> Lack <SEP> d)
<tb> Stahlblech <SEP> 30 <SEP> 2 <SEP> 1/2 <SEP> min <SEP> 3 <SEP> H <SEP> 20 <SEP> min/2000C
<tb> Beispiel <SEP> 6, <SEP> Lack <SEP> e)
<tb> Stahlblech <SEP> 30 <SEP> 4 <SEP> min <SEP> 2 <SEP> H <SEP> 20 <SEP> min/1800C
<tb> 
 PATENTANSPRUCHS : 
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 durch optische Anordnungen, wie Spiegel oder Linsen, zur Bestrahlung grosser Flächen aufgeweitet wird. 



   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,   dass das IR-Strah-   lenbündel durch Bewegung des Lasers selbst oder durch im Strahlengang befindliche Spiegel oder Linsen periodisch über die zu bestrahlende Fläche geführt wird. 

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Claims (1)

1. Druckschriften, die das Patentamt zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik in Betracht gezogen hat : EMI4.3 <tb> <tb> GH-PS <SEP> 457645 <SEP> FR-PS <SEP> 1534762 <SEP> <tb> DT-AS <SEP> 1 <SEP> 250 <SEP> 860 <SEP> US-PS <SEP> 3 <SEP> 349 <SEP> 174 <tb> **WARNUNG** Ende CLMS Feld Kannt Anfang DESC uberlappen**.