DE102006042063A1

DE102006042063A1 - Verfahren zur Einstellung des Glanzgrades und der Haptik von Oberflächen strahlenhärtbarer Farben und Lacke durch photochemische Mikrofaltung mittels kurzwelliger monochromatischer UV-Strahlung

Info

Publication number: DE102006042063A1
Application number: DE102006042063A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Schubert; Reiner Prof. Dr. Mehnert
Original assignee: INST OBERFLAECHENMODIFIZIERUNG; Institut fur Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Wilhelm Taubert De GmbH
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: DE102006042063B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Glanzgrades und der Haptik von Oberflächen strahlenhärtbarer Farben und Lacke durch photochemische Mikrofaltung mittels kurzwelliger monochromatischer UV-Strahlung. Dabei wird das Ergebnis der Bearbeitung beeinflusst durch Geschwindigkeit im Zusammenwirken mit Schichtdicke und Dosis als auch der Distanz zwischen Mattierungs- und Härtungsstrahler im Zusammenwirken mit Schichtdicke und Dosis.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Glanzgrades und der Haptik von Oberflächen dekorativer und funktioneller elektronenstrahl- oder UV-härtender Farb- und Lackbeschichtungen starrer oder flexibler Substrate mittels photochemischer Mikrofaltung ausgelöst durch kurzwellige monochrom-atische UV-Strahlung.
Dabei wird durch Einstrahlung monochromatischen kurzwelligen UV-Lichtes, das in der Lage ist, in der aus Monomeren oder Oligomeren oder einem Monomer-/Oligomersystem bestehenden auf ein vorgenanntes Substrat aufgetragenen Nassschicht Polymerradikale zu erzeugen, wodurch an deren Oberfläche und in den oberflächennahen Schichten in Abhängigkeit von der Eindringtiefe der UV-Strahlung, die wiederum von der Wellenlänge, dem Extinktionskoeffizenten des Lackes und der Photonenabsorption abhängt, eine Polymerisation und Vernetzung ausgelöst wird, die über Schrumpfung zur Mikrofaltung führt, wobei je nach Kombination stofflicher und technologischer Einflussgrößen ein unterschiedliches Faltungsbild erzeugt werden kann, das sich auf den Glanzgrad und die Haptik der Lackoberfläche auswirkt, wobei die entstehende hautartige Faltenschicht zunächst noch auf der restlichen Nassschicht gleicher Substanz schwimmt und anschließend die gesamte Schicht mittels UV-Strahlung größerer Wellenlänge – sofern Photoinitiator im System vorhanden ist – oder mittels Elektronenstrahlung vollkommen durchgehärtet wird.
Dieses Verfahren der Herstellung einer strukturierten Oberfläche strahlenhärtbarer Farben- und Lacke wurde bereits in vielen Details in der Patentschrift DE 198 42 510 A1 unter Auseinandersetzung mit den Patentschriften DE 44 39 350 02 und EP 07 06 834 A1 und der Gebrauchsmusteranmeldung DE 296 06 258 U1 beschrieben.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass sich zwar durch Änderung der chemischen Zusammensetzung der Farb- oder Lackrezeptur oder auch durch Applikation unterschiedlicher Schichtdicken die Mikrofaltungsstruktur und damit der Glanzgrad etwas variieren lassen, sich aber der Glanzgrad immer mehr oder weniger im Bereich des extremen Mattglanzes von etwa 1 bis 20 Glanzpunkten bewegt und nicht unabhängig von vorgenannten Parametern einstellbar ist. Bei Oberflächen, die berührt werden, spielt außerdem die Haptik, die ebenfalls strukturabhängig ist, eine Rolle.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem es möglich ist, unter Verwendung der bekannten Excimer-Technologie zur photochemischen Mikrofaltung auf der Basis von monochromatischem kurzwelligen UV-Licht eine bessere Einstellung eines gewünschten Glanzgrades zwischen extremem Mattglanz und dem maximal erreichbaren Glanz der gewählten Farb- oder Lackrezeptur auf dem jeweiligen Substrat und auch einer unterschiedlichen Haptik reproduzierbar zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung einer gewünschten Mikrofaltungsstruktur auf der Oberfläche eines Lackes mit nach anwendungstechnischen Gesichts-punkten ausgewählten Eigenschaften einer radikalisch oder kationisch UV- oder elektronenstrahlhärtbaren Farb- oder Lackrezeptur oder auch eines Hybridsystems eine Nassschicht, bestehend aus einem Monomer- und/oder Oligomergemisch mit oder ohne Additive, Pigmente und anorganischen oder organischen Zusätzen, die den Faltungsvorgang beeinflussen können und anwendungsbedingt bevorzugter Schichtdicke mit monochromatischen kurzwelligen UV-Licht bestrahlt, das noch in der Lage ist, direkt Radikale für die Polymerisation und Vernetzung zu bilden.
Dabei wird erfindungsgemäß nicht von der vollständigen Ausbildung der möglichen Mikrostruktur vor der Fixierung durch die Aushärtung ausgegangen, sondern davon, dass ein beliebiges Stadium der Faltung zwischen Initiierung und Vollendung durch Aushärtung eingefroren und damit ein größeres Glanzgradspektrum und eine unterschiedliche Haptik ein und derselben Rezeptur als der sonst bei vollendeter Faltung erzielbare Mattglanz mit zugehöriger Haptik eingestellt werden kann.
Ein mit einem bestimmten Beschichtungsverfahren in gewünschter Dicke aufgetragener Lack einer definierten Rezeptur wird mit einer Wellenlänge von beispielsweise 172 nm oder 222 nm unter homogener Inertatmosphäre mit neuer Excimer-Bestrahlungs-technik bestrahlt und erst nach voller Ausbildung der Mikrofaltung mit langwelligem UV-Licht oder mit niederenergetischer Elektronenstrahlung gehärtet und weist eine für diese Parameterkonstellation typische Oberflächenstruktur und -textur mit einer dafür maximalen Rauheit und einem daraus resultierendem Glanzgrad sowie einer dementsprechenden Haptik auf.
Wird nun ohne Veränderung des Abstandes zwischen dem kurzwelligen Excimer- und dem nachfolgenden Härtungsstrahler die Durchlaufgeschwindigkeit des Beschichtungsproduktes erhöht und erreicht dieses vor Vollendung des Mikrofaltungsprozesses den Härtungsstrahler, dann kommt es infolge des Abbruches des Faltungsvorganges durch vorzeitige Durchhärtung in der Regel zu einer feineren, flacheren und damit glatteren Struktur, was einen andern Glanzgrad und eine andere, meist angenehmere Haptik zur Folge hat.
Der gleiche Effekt der Beeinflussung des Einfrierens eines bestimmten Faltungszustandes wird in gewissen Grenzen dadurch erreich, dass bei konstanter Geschwindigkeit der Abstand zwischen dem kurzwelligen Excimerstrahler und der Härtungseinheit verändert wird.
Dabei besteht eine wesentliche Korrelation zur Farb- oder Lackschichtdicke, sowie zur Viskosität der Nassschicht und zur applizierten VUV- oder UVC-Dosis. Während bei geringen Schichtdicken, in der Regel ≤ 30 μm, und bei niedriger Viskosität, < 2000 mPa·s, die Faltungsstruktur (peak-to-valley ratio) feiner wird, wobei sich die geschwindigkeits- und abstandsbedingte Dosisänderung kaum auswirkt, kann bei entsprechend größerer Schichtdicke und höherer Viskosität ein deutlicher Effekt durch die geschwindigkeits- und abstandsbedingte Dosisänderung erzielt werden.
Dabei kann, wie die Beispiele in den 1 bis 11 zeigen, der Glanzgrad über einen breiten Bereich, weit über den Mattglanzbereich hinaus, eingestellt werden. Bisher waren Glanzgrade < 20 bis 0,2, also ein extremer Mattgrad, die Regel.
Gleichzeitig erfolgt dabei auch eine Änderung der Haptik von rau bis glatt.
Durch die Abtastung der Oberfläche von Faltungsprodukten mit unterschiedlicher Schichtdicke mittels eines Profilometers (mechanisches Tastschnittgerät) kann zunächst der große Einfluss der Beschichtungsstärke auf die Grobheit der Struktur verdeutlicht werden.
1 zeigt die Zunahme der Faltungsamplitude mit der Beschichtungsdicke bei der Anwendung eines 222 nm Excimer-UV-Strahlers.
Weiterhin soll zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Strukturänderung durch die Variation der Verweilzeit im Bereich des Faltungsvorganges, das heißt durch das „Einfrieren" des aktuellen Faltungszustandes anhand von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen 2 bis 11 demonstriert werden.
Dazu wird das Ergebnis der mit der aufgelisteten Parameterkombination erzeugten Mikrofaltung eines radikalisch härtenden Siebdrucklackes auf Acrylatbasis bezüglich Glanzgrad und Haptik in der zugehörigen Tabelle 1, Einfluss der Geschwindigkeit im Zusammenwirken mit Schichtdicke und Dosis, für die 2 bis 7 und Tabelle 2, Einfluss der Distanz zwischen Mattierungs- und Härtungsstrahler im Zusammenwirken mit Schichtdicke und Dosis, für die 8 bis 11 dargestellt.

Claims

Verfahren zur Einstellung des Glanzgrades und der Haptik von dekorativen und funktionellen Oberflächen elektronenstrahl- oder UV-härtender Farb- und Lackschichten, die aus Acrylaten, Methacrylaten, Vinylethern, Epoxiden, Styren oder anderen strahlenpolymerisablen Matrixkomponenten formuliert sind, auf starren oder flexiblen Substraten durch Einstrahlung monochromatischen kurzwelligen UV-Lichtes, das in der Lage ist, ohne Photoinitiator in der aus Monomeren oder Oligomeren oder einem Monomer-/Oligomersystem bestehenden auf ein vorgenanntes Substrat aufgetragenen Nassschicht Polymerradikale zu erzeugen und das im UV-Absorptionsbereich der Lackkomponenten liegt und eine Härtung mit vertretbarer Photonendosis ermöglicht, wodurch an der Lackoberfläche und in den oberflächennahen Schichten eine Polymerisation und Vernetzung ausgelöst wird, die über eine Schrumpfung zur Mikrofaltung führt, wobei je nach Farb- oder Lackformulierung, Viskosität dieser Formulierung, Dicke der Beschichtung, UV-Wellenlänge, Dosisleistung und Dosis, Substratfarbe und -beschaffenheit, Additivzusatz, Pigmentierung und Beschichtungstechnik, die für eine definierte Anwendung vorbestimmt sind, ein unterschiedliches und nach vollendeter Faltung spezielles Faltungsbild mit einer bestimmten Optik (Glanzgrad) und Haptik entstehen kann und danach die gesamte Schicht mittels UV-Strahlung größerer Wellenlänge oder mittels Elektronenstrahlung vollkommen durchgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Mikrofaltungsbild und damit der Glanzgrad und die Haptik durch Variation der Verweilzeit im Zeitraum zwischen Faltungsbeginn bis -abschluss dadurch zu verändern sind, dass der Faltungsvorgang durch vorzeitige Härtung abgebrochen und damit ein bestimmter Faltungszustand fixiert wird, indem ein entsprechender Abstand zwischen dem den Faltungsvorgang auslösendem Excimerstrahler und dem Härtungsstrahler oder die passende Durchlaufgeschwindigkeit der Beschichtung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeitänderung durch die Variation der Durchlaufgeschwindigkeit des beschichteten Materials erfolgt, wobei sowohl eine Dosisänderung bei konstanter Dosisleistung, als auch eine Dosiskonstanz durch Anpassung der Dosisleistung zu nutzen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorgegebener konstanter Durchlaufgeschwindigkeit des beschichteten Materials die Verweilzeitänderung durch die Variation des Abstandes zwischen Faltungs- und Härtungsstrahler erfolgt und dazu eine Änderung der Dosis über die Dosisleistung zu realisieren ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zusammenwirken mit der Verweilzeit- und Dosisänderung durch die Beschichtungsstärke, insbesondere mit Schichtdicken > 30 μm, eine Einstellung des Glanzgrades und der Haptik für eine anwendungsspezifische Formulierung in weiten Grenzen möglich ist.