DE10048361C1

DE10048361C1 - Verfahren zur Herstellung eines beschichteten wärmeempfindlichen Artikels oder Behälters mit wärmeempfindlichem Inhalt

Info

Publication number: DE10048361C1
Application number: DE2000148361
Authority: DE
Inventors: Kai K O Baer; Rainer Gaus
Original assignee: Advanced Photonics Technologies AG
Current assignee: Advanced Photonics Technologies AG
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2020-09-30
Also published as: DE20101168U1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines unter Einsatz von Wärmeenergie beschichteten, insbesondere thermisch pulver- oder folienbeschichteten, wärmeempfindlichen Artikels oder Behälters mit wärmeempfindlichem Inhalt, wobei die Wärmeenergie durch Bestrahlung mindestens eines Bereiches der Oberfläche des Artikels mit Infrarotstrahlung mit ihrem wesentlichen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,5 mum, für eine Zeitdauer im Bereich zwischen 0,1 s und 10 s, insbesondere zwischen 0,5 s und 3 s, mit einer Leistungsdichte von über 100 kW/m·2·, insbesondere von über 400 kW/m·2·, im wesentlichen nur in die Beschichtung und/oder eine dünne Oberflächenschicht des Artikels oder Behälters eingetragen bzw. durch Strahlungsabsorption im wesentlichen nur in dieser erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines be schichteten wärmeempfindlichen Artikels oder Behälters mit wär meempfindlichem Inhalt unter Einsatz von Wärmeenergie.

Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Beschichtung unterschiedlichster Substrate mit linearer, flächenhafter oder räumlicher Ausdehnung bekannt, bei denen Wärmeenergie zum Fi xieren der Beschichtung auf dem Substrat oder zum Trocknen bzw. Vernetzen der Beschichtung oder zu beiden Zwecken eingesetzt wird. Hierzu gehören die allgemein bekannten industriellen Lac kierverfahren für Fahrzeuge, Haushaltsgeräte o. ä., bei denen eine im flüssigen Zustand aufgebrachte Lackschicht durch mit tel- oder langwellige Infrarotstrahlung getrocknet bzw. ver netzt wird. Weiterhin zählen hierzu Verfahren, bei denen die Oberfläche eines Gegenstandes oder flächigen Materials mit ei ner Kunststofffolie unter Wärmeeinwirkung kaschiert wird. Hier zu werden zumeist Widerstandsheizer oder Infrarotstrahler ein gesetzt, die ebenfalls im mittleren oder langwelligen Infrarot arbeiten.

Bei diesen bekannten Verfahren wird der zu beschichtende Arti kel in der Regel - abhängig von den thermischen Prozeßerforder nissen des jeweiligen Beschichtungssystems - einer erheblichen Temperaturbelastung ausgesetzt. Wärmeempfindliche Gegenstände, etwa aus Polystyrolschaum, verpackte Lebensmittel o. ä. vertra gen derartige Behandlungen nur sehr bedingt. Viele bekannte Verfahren der oben charakterisierten Art sind daher für solche Produkte nicht oder nur unter erheblichen Einschränkungen an wendbar. Daher werden beispielsweise Gasdruckbehälter (Spraydo sen o. ä.) oder Behälter für wärmeempfindliche Lebensmittel üb licherweise vor dem Einbringen des Inhaltes abschließend ober flächenbehandelt. Dies setzt eine Vorfertigung beschichteter Behälter für spezifische Füllgüter und eine entsprechend auf wendige Logistik voraus. Nachträgliche Kennzeichnungen oder Veränderungen der Oberfläche können dann nur noch mit Verfahren erfolgen, die keinen wesentlichen Wärmeeintrag in den wärmeemp findlichen Gegenstand oder Behälter mit wärmeempfindlichem In halt mit sich bringen.

In der Fachveröffentlichung "Sekundenschnelle Aushärtung von Pulverlacken", JOT 1998/2, Seiten 26 bis 29, wird durch einen der Erfinder ein Verfahren zur Aushärtung von Pulverlacken un ter Einsatz von elektromagnetischer Strahlung im Bereich des nahen Infrarot beschrieben, mit dem sich eine wesentliche Be schleunigung des Beschichtungsprozesses erreichen läßt. Dem gleichen Gegenstand ist eine weitere Fachveröffentlichung ge widmet, nämlich "NIR-Trocknung im Sekundentakt von Flüssig- und Pulverlacken", Galvanotechnik 90 (1999) Nr. 11, Seiten 3098 bis 3100. Schließlich wird auch in der WO 99/47276 A1 der Anmelde rin ein entsprechendes Verfahren zur Pulverlackierung sowie die Verwendung einer Halogenlampe zur Pulverlackierung beschrieben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, welches eine Beschichtung von wärmeempfindlichen Artikeln oder Behältern mit wärmeemp findlichem Inhalt mit Verfahren erlaubt, die einen wesentlichen Wärmeeintrag in die Beschichtung erfordern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den wesentlichen Gedanken ein, die für den Ablauf eines Beschichtungsprozesses erforderlich Wärmeein wirkung auf das Beschichtungsmaterial selbst oder allenfalls eine dünne darunterliegende Oberflächenschicht des jeweiligen Substrates zu begrenzen. Weiterhin schließt sie den Gedanken ein, hierzu eine elektromagnetische Strahlung mit geeignetem Spektrum einzusetzen, und zwar Strahlung im Bereich des nahen Infrarot. Schließlich gehört zur Erfindung der Gedanke, den mit dieser Bestrahlung erreichten Wärmeeintrag bzw. die Wärmeent wicklung im Beschichtungsmaterial bzw. im Ausgangsmaterial für die Beschichtung derart zeitlich zu limitieren, daß (in Abhän gigkeit von der Wärmeleitfähigkeit und sonstigen thermisch re levanten Parametern des Substrates) keine wesentliche Übertra gung von Wärmeenergie in das Substrat erfolgen kann. Dies wird durch die Wahl einer gegenüber üblichen thermischen Beschich tungsprozessen ungewöhnlich hohen Leistungsdichte auf der Ober fläche des Beschichtungsmaterials erreicht.

Zur Bestrahlung wird speziell Infrarotstrahlung im Wellenlän genbereich zwischen 0,8 µm und 1,5 µm eingesetzt. Die Bestrah lung wird auf eine Zeit im Bereich zwischen 0,1 s und 10 s, insbesondere zwischen 0,5 s und 3 s, zeitlich begrenzt, und es wird mit einer Leistungsdichte von über 100 kW/m², insbesondere von über 400 kW/m², gearbeitet.

In bevorzugten Ausführungen der Erfindung ist vorgesehen, die eigentliche Substratoberfläche vor der Beschichtung - sofern sie nicht selbst ein hohes Reflexionsvermögen im Bereich des nahen Infrarot aufweist, mit einer in diesem Bereich refle xionssteigernd wirkenden Zwischenschicht zu versehen. Das Mate rial mit hohem Reflexionsvermögen im nähen Infrarot (NIR) kann dabei in flüssiger Form oder als anhaftendes Pulver, speziell mit metallischen Anteilen, oder auch als Metallfolie oder ins besondere als metallische Dünnschicht durch Aufdampfen aufge bracht werden. Es versteht sich, daß sich metallische Substrate (Aluminiumdosen o. ä.) als solche bereits gut für den Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens eignen.

Zur Erzeugung der erwähnten NIR-Strahlung wird insbesondere ei ne mit erhöhter Betriebstemperatur - speziell oberhalb von 2500 K und insbesondere oberhalb von 2900 K - betriebene Halo genlampe eingesetzt.

In speziellen Anwendungssituationen wird in Abstimmung auf die Absorptionseigenschaften des Beschichtungs-Ausgangsmaterials und wahlweise auch des Trägers, insbesondere durch mindestens ein Filter, die spektrale Zusammensetzung der NIR-Strahlung derart eingestellt, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Durchwärmung nur des Beschichtungs-Ausgangsmaterials - aller dings im wesentlichen über dessen gesamte Schichtdicke - er folgt.

In einer weiteren bevorzugten Verfahrensführung ist eine Ein stellung des Abstandes zwischen der Strahlungsquelle und der Oberfläche des Beschichtungs-Ausgangsmaterials bzw. Substrates zur Einstellung der auf der Oberfläche wirksamen Strahlungslei stung bzw. Strahlungsflußdichte vorgesehen.

Je nach der Gestalt und dem konkreten Handling der zu beschich tenden Substrate bzw. Behälter kann eine Kühlung der Oberfläche des Beschichtungs-Ausgangsmaterials und/oder der rückseitigen Oberfläche des Substrates mit einem Gasstrom - insbesondere Druckluftstrom - zur Kühlung des Untergrundes und/oder zur Ab führung von flüchtigen Bestandteilen des Beschichtungs- Ausgangsmaterials praktiziert werden.

Die eingesetzte Strahlungsquelle oder eingesetzten Strahlungs quellen ist/sind zur Erreichung der oben genannten Leistungs dichten insbesondere jeweils mit einem Reflektor ausgestattet, der die NIR-Strahlung auf eine abgegrenzte Bestrahlungszone fo kussiert. Je nach Größe der zu beschichtenden Gegenstände kann diese einen Gegenstand ganz erfassen, oder sie muß ihn abta stend überstreichen. Im letzteren Fall ist eine Antriebs- und Steuereinrichtung zur rotatorischen und/oder translatorischen Bewegung der Oberfläche relativ zur erwärmten Bestrahlungszone mit einer derartigen Geschwindigkeit vorgesehen, daß die Be strahlungszone die Oberfläche mit einer mittleren Verweildauer im oben angegebenen Zeitbereich überstreicht.

Für die meisten praktisch relevanten Anwendungen wird der Ein satz eines stabförmigen Halogenstrahlers mit entsprechend lang gestreckt ausgebildetem, im Querschnitt elliptischem, paraboli schem oder (bevorzugt) annähernd W-förmigem Reflektor bevorzugt sein, weil mit einer solchen Strahlergeometrie ein hoher Pro duktdurchsatz pro Zeiteinheit realisierbar ist. Zudem sind der artige NIR-Strahler - insbesondere Halogenlampen - seit langem in der Praxis bewährt und kostengünstig.

Ein bevorzugter Anwendungsfall des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Flüssig- oder Pulverlackbeschichtung und NIR-Trocknung bzw. NIR-Vernetzung von vorab befüllten Druckgasbehältern, bei spielsweise Gasdruck-Stoßdämpfern oder Aerosol-Spraydosen. Spe ziell für die erwähnten Spraydosen läßt sich mit diesem Verfah ren die Vorab-Fertigung, Lagerhaltung und logistisch aufwendige Handhabung von Behältern unabhängig vom konkreten Füllinhalt vermeiden und stattdessen die Oberflächenbeschichtung in Ab stimmung auf das konkrete Produkt im Nachhinein festlegen.

Ein weiterer interessanter Anwendungsfall ist die nachträgliche Beschichtung von vorab mit einer wärmeempfindlichen Füllung - beispielsweise Lebensmitteln - befüllten Behältern zur nach träglichen Kennzeichnung bzw. optischen Aufwertung.

Als dritte praktisch interessante Anwendung wird auf die Be schichtung von Kunststoff-Schaumkörpern, etwa Polystyrolschaum körpern, mit einem thermisch zu aktivierenden Material hinge wiesen. In herkömmlicher Weise, d. h. mit Trocknung bzw. Ver netzung der Beschichtung (etwa eines Pulverlackes) in einem Trockenofen lassen sich solche Produkte nicht herstellen. Die Eignung des vorgeschlagenen Verfahrens für diesen speziellen Zweck wird noch dadurch erhöht, daß auf den Schaumstoffkörper vor der thermisch zu aktivierenden Beschichtung eine metalli sche Zwischenschicht aufgebracht wird, die die NIR-Strahlung gut reflektiert und deren Einwirkung damit im wesentlichen auf das Beschichtungsmaterial konzentriert. Eine solche Zwischen- Beschichtung kann beispielsweise durch Aufbringen einer Metall folie auf einen Styroporkörper mittels eines Acrylklebers er folgen.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf diese Beispiele und die oben hervorgehobenen Verfahrensaspekte beschränkt, sondern - im Rahmen der anhängenden Ansprüche - auch in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

Die Erfindung schließt insbesondere auch Vorrichtungsaspekte der Realisierung des vorgeschlagenen Verfahrens ein. Neben den erwähnten NIR-Strahlungsquellen - insbesondere mit erhöhter Be triebstemperatur betriebenen Halogenlampen - gehören hierzu insbesondere Einrichtungen zum Aufbringen der jeweiligen Be schichtung in flüssiger oder pastöser oder Pulverform mittels geeigneter (an sich bekanntet) Beschichtungstechniken, bevor zugt durch Aufschleudern, Aufwalzen, Aufsprühen, Aufrieseln oder Aufblasen. Es versteht sich, daß auch Einrichtungen zur Zuführung einer thermisch aufzuprägenden oder zu aktivierenden Beschichtungsfolie hierzu zählen. Zu bevorzugten Ausführungen der Erfindung gehören auch Einrichtungen zum der Beschichtung vorgelagerten Aufbringen der erwähnten Zwischenschicht zur Er höhung des Reflexionsvermögens im NIR-Bereich mit ähnlichen Techniken.

Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens um faßt zur Handhabung eines quasi-endlosen Trägers eine entspre chende Zuführungs- und Vorschubeinrichtung - die insbesondere eine Träger-Vorratsrolle und eine Walzen-Vorschubeinrichtung umfassen kann -, eine Zuführungs- und Schichterzeugungseinrich tung zur Zuführung des Beschichtungs-Ausgangsmaterials und des sen schichtbildender Aufbringung auf die Trägeroberfläche sowie die NIR-Bestrahlungseinrichtung, die insbesondere eine oder mehrere Halogenlampen mit einem hohen spektralen Anteil im NIR aufweist, mit entsprechender Stromversorgung.

In bevorzugten Ausführungen dieser Anordnung ist zusätzlich ei ne Gasstrom-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung und Ausrichtung des oben erwähnten Gasstromes und/oder eine Einrichtung zur Leistungseinstellung oder -regelung vorgesehen, wobei die letz tere bevorzugt Mittel zur Abstandseinstellung zwischen Strah lungsquelle und Schichtaufbau umfaßt.

Grundsätzlich ähnlich ist eine industrielle Beschichtungs- und Behandlungsanlage aufgebaut, bei der kontinuierlich zugeführte, vorab befüllte Behälter derart durch eine von einer Halogenlam pe oder mehreren Halogenlampen mit jeweils zugeordnetem Reflek tor etablierte Bestrahlungszone transportiert werden, daß im wesentlichen die gesamte Oberfläche oder vorbestimmte Oberflä chenbereiche mit dem Beschichtungsmaterial versehen und durch die NIR-Strahlung beaufschlagt werden. Grundsätzlich sind der artige Handhabungseinrichtungen bekannt und bedürfen daher hier keiner genaueren Erläuterung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines unter Einsatz von Wär meenergie beschichteten, wärmeempfindlichen Artikels oder Behälters mit wärmeempfindlichem Inhalt, wobei die Wärmeenergie durch Bestrahlung mindestens eines Berei ches der Oberfläche des Artikels mit Infrarotstrahlung mit ihrem wesentlichen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 und 1,5 µm, für eine Zeitdauer im Bereich zwischen 0,1 s und 10 s, mit einer Leistungsdichte von über 100 kW/m² im wesentlichen nur in die Beschichtung und/oder eine dünne Oberflächenschicht des Artikels oder Behälters eingetragen bzw. durch Strahlungsabsorption im wesentlichen nur in dieser erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Artikel oder Behälter mit wär meempfindlichem Inhalt mit einer Folie thermisch be schichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Artikel oder Behälter mit wär meempfindlichem Inhalt thermisch pulverbeschichtet wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Artikels oder Behälters für den Be reich des nahen Infrarot ein hohes Reflexionsvermögen aufweist oder vor der Beschichtung mit einem Material mit hohem Reflexionsvermögen versehen wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit hohem Reflexionsvermögen als Flüssig- oder Pulverbeschichtung mit metallischen Anteilen aufge bracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche eine Metallfolie aufgebracht, insbe sondere aufgeklebt, wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einer metallischen Dünnschicht be dampft wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung einer mit erhöhter Betriebstemperatur oberhalb von 2500 K, insbesondere oberhalb von 2900 K, betriebenen Halogenlampe eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung für eine Zeitdauer im Bereich zwischen 0,5 s und 3 s ausgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit einer Leistungsdichte von über 400 kW/m² ausgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Zusammensetzung der Strahlung in Abstim mung auf die Absorptionseigenschaften des Beschichtungs- Ausgangsmaterials und wahlweise des Trägers, insbesonde re durch mindestens einen Filter, derart eingestellt wird, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Durchwärmung über die Schichtdicke des Beschichtungs-Ausgangsmate rials erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Strahlungsleistung der Abstand zwi schen der Strahlungsquelle und der Oberfläche des Be schichtungs-Ausgangsmaterials variiert wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Beschichtungs-Ausgangsmaterials und/ oder die rückseitige Oberfläche des Trägers mit einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom, zur Kühlung und/oder Abführung von flüchtigen Bestandteilen des Beschich tungs-Ausgangsmaterials überstrichen wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Artikels oder Behälters relativ zu einer durch Fokussierung der Infrarotstrahlung gebilde ten abgegrenzten Bestrahlungszone mit derartiger Ge schwindigkeit rotatorisch und/oder translatorisch bewegt wird, daß die Bestrahlungszone die Oberfläche mit einer mittleren Verweildauer auf jedem Punkt derselben im Be reich zwischen 0,1 s und 10 s, insbesondere zwischen 0,5 s und 3 s, überstreicht.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorab befüllter Druckgasbehälter, insbesondere ein Gasdruck-Stoßdämpfer oder eine Spraydose, mindestens ab schnittsweise nachträglich beschichtet wird.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorab mit einer wärmeempfindlichen Füllung, insbe sondere einem Lebensmittel, befüllter Behälter zum Zwec ke einer Kennzeichnung nachträglich partiell beschichtet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein wärmeempfindlicher Schaumstoffkörper, insbesondere aus einem Polystyrol- oder Polyurethanschaum, mit einem Pulverlack beschichtet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des Lackpulvers eine metallische Ba sisschicht, insbesondere durch Aufkleben einer Metallfo lie, aufgebracht wird.