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Heutzutage
gängige
Lackierungen für
Automobilkarosserien sind in der Regel mehrschichtige Lack- oder
Decklacksysteme. Der Aufbau der Automobil-Lacksysteme lässt sich
häufig
als eine Klarlackschicht (Top Coat) auf einer Basislack-Schicht (Base
Coat) beschreiben. Die Basislackschicht wird häufig auf eine elektrophoretisch
abgeschiedene Grundierung aufgetragen. Dabei werden Basislack und
Klarlack bevorzugt nass-in-nass appliziert. Der Basislack wird dann
zusammen mit dem Klarlack eingebrannt, wie z.B. in
EP 402772 A1 ,
EP 38127 A1 und
EP 184761 A1 beschrieben
wird.
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Als
letzte Überzugsschicht
(Top Coat) werden oftmals Klarlacke aufgetragen. Dabei sind unterschiedlichste
Einkomponenten (1K)-, Zweikomponenten (2K)-, Mehrkomponenten (3K,
4K), sowie Pulver- oder Pulverslurry-Klarlacke oder neuerdings auch
UV-härtbare
Klarlacke gängig.
Gattungsgemäße Einkomponenten(1K)-,
Zweikomponenten(2K)- oder Mehrkomponenten(3K, 4K)-Klarlacke sind
beispielsweise aus den veröffentlichten
Anmeldungen
US 5,474,811 ,
US 5,356,669 ,
US 5,605,965 , WO 94/10211, WO 94/10212,
EP 0594068 A1 ,
EP 0594071 A1 ,
EP 594142 A1 ,
EP 0604992 A1 ,
EP 0596460 A1 oder
WO 92/22615 bekannt.
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Von
besonderem Interesse sind durch UV-Licht, beziehungsweise energiereiche
Strahlung (auch als aktinische Strahlung bezeichnet) härtende Top-Coats,
da sie insbesondere eine hohe Kratzfestigkeit aufweisen, wie beispielsweise
aus der
DE 103 45
903 A1 oder der
DE
103 21 812 A1 bekannt. Ebenso sind Lacke und entsprechende
Verfahren von Interesse, die thermisch und UV-härtende Zusammensetzungen nutzen,
wie beispielsweise in
DE 10
2005 044 784 A1 offenbart.
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Aus
der
EP 0540884 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtlackierung durch
Auftrag eines Klarlacküberzugs
auf eine getrocknete oder vernetzte farbgebende oder effektgebende
Basislackschicht bekannt. Zur Herstellung des Klarlacküberzugs
wird ein ausschließlich
durch radikalische und/oder kationische Polymerisation härtbares Überzugsmittel
verwendet. Der Auftrag des Überzugsmittels
erfolgt bei einer Beleuchtung mit Licht einer Wellenlänge von über 550
nm oder unter Ausschluss von Licht, worauf die Härtung durch energiereiche Strahlung
eingeleitet wird.
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Aus
der
DE 199 20 801
A1 sind gattungsgemäße hochkratzfeste
mehrschichtige Klarlackierungen und diese enthaltende Mehrschichtlackierungen für grundierte
oder ungrundierte Substrate bekannt. Diese sind herstellbar, indem
man (1) mindestens eine Klarlackschicht I aus einem mit aktinischer Strahlung
und thermisch härtbaren
Beschichtungsstoff I auf die Oberfläche des Substrats oder nass-in-nass
auf die Oberfläche
einer Basislackschicht III appliziert und partiell aushärtet und
(2) eine weitere Klarlackschicht II aus einem mit aktinischer Strahlung
sowie gegebenenfalls thermisch härtbaren Beschichtungsstoff
II, enthaltend Nanopartikel, auf die Oberfläche der Klarlackschicht(en)
I appliziert, wonach man (3) die Klarlackschichten I und II sowie gegebenenfalls die
Basislackschicht III gemeinsam mit aktinischer Strahlung und thermisch
aushärtet.
In einer alternativen Ausführungsform
können
die Klarlackschichten I gegebenenfalls zusammen mit den Basislackschichten
III vollständig
mit aktinischer Strahlung und thermisch ausgehärtet werden, wonach man die äußere Oberfläche der
Klarlackschichten I aufraut, mit der Klarlackschicht II beschichtet und
dieser mit aktinischer Strahlung sowie gegebenenfalls thermisch
aushärtet.
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Die
Verbreitung der Strahlungshärtung
in der Automobillackierung wird bisher unter anderem durch den Umstand
behindert, dass eine gleichmäßige Belichtung
der gesamten Karosserie oder komplexer Karosserieteile nur mit erheblichem
Aufwand möglich
ist. Das Ausleuchten von Schattenzonen erweist sich als schwierig.
Dabei ist unter anderem auch der unvermeidliche Overspray der Beschichtung
problematisch, der sich ungewollt auch in Schattenzonen niederschlägt, wo er
für eine
direkte Bestrahlung mit einer UV-Lampe nicht mehr zugänglich ist.
Dies führt
dann zum Verschmieren und Verschmutzen der nicht gehärteten Beschichtungen
bei der Weiterverarbeitung, insbesondere aber zu einer späteren Belastung
des Fahrzeuginnenraums durch Fogging aus der ungehärteten Schicht.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur UV-, bzw. Lichtinduzierten
Härtung
von Automobillacken bereit zu stellen, das eine vollständige Aushärtung des
Lacks auch in den Schattenzonen, insbesondere von Karosserieteilen,
sicherstellt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung einer harten Lackschicht aus einem
UV-härtbaren
Lack auf einem Bauteil, insbesondere einem Karosseriebauteil, durch
Belichtung des aufgetragenen UV-härtbaren Lacks
mit einer oder mehreren Strahlern für UV-Licht oder energiereicher Strahlung,
wobei zumindest in den Schattenbereichen der Strahler in unmittelbarer Nähe zum aufgetragenen
UV-härtbaren
Lack eine strahlungsstreuende Phase erzeugt oder eingetragen wird,
die Streulicht oder Streustrahlung in die Schattenbereiche lenkt
und zu einer Aushärtung
in den entsprechenden Schattenbereichen führt, mit den Merkmalen des
Anspruchs 1,
sowie mit einer Vorrichtung zur UV-Härtung von UV-härtbaren
Lacken oder Klebstoffen, umfassend einen UV-Strahler und einen Flüssigkeitszerstäuber, wobei
der Flüssigkeitszerstäuber ein
Aerosol erzeugt, das parallel zur Strahlrichtung des UV-Strahlers
abgeblasen wird, mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
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Es
ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, dass
zumindest in den Schattenbereichen der Strahler in unmittelbarer
Nähe zum
aufgetragenen UV-härtbaren
Lack eine strahlungsstreuende Phase erzeugt oder eingetragen wird,
die Streulicht oder Streustrahlung in die Schattenbereiche lenkt
und zu einer Aushärtung
in den entsprechenden Schattenbereichen führt. Geeignete Strahlung ist
UV-Licht, energiereiche Strahlung, beziehungsweise aktinische Strahlung.
Durch die Bereitstellung einer strahlungsstreuenden Phase im Bereich
der Schattenzonen mit an die verwendete Strahlung in Material und Größe angepassten
Streukörpern
führt das
verursachte räumliche
Streulicht einer starken Strahlungsquelle zur Aushärtung auch
der Anteile der Beschichtung in den Schattenbereichen. Durch die
erfindungsgemäße Streuung
der Strahlung ist es möglich die
benötigte
Anzahl an Strahlern zu reduzieren, deren Anordnung zu vereinfachen
und möglicherweise überhaupt
nicht direkt bestrahlbare Bereiche auszuhärten.
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Die
Erfindung beruht darauf, dass elektromagnetische Strahlen auch im
Bereich des UV- und NIS-Spektrums an Aerosolen mehr oder weniger stark
räumlich
gestreut werden. Die resultierende Streuung ist abhängig von
der Eigenabsorption und vom Durchmesser der Teilchen. Die Streuung
wird insbesondere beschrieben durch die Mie-Streuung bei Teilchengröße im Bereich
der Wellenlänge
der Strahlung und der Rayleigh-Streuung bei Teilchengrößen viel
kleiner als die Wellenlänge
der Strahlung. In Verbindung mit einer starken Strahlungsquelle (mehrere
Strahler oder Laser), insbesondere einer UV-Strahlungsquelle, kann
der Effekt der Strahlung dazu benutzt werden, die Strahlung auch
auf Oberflächen
in den Schattenzonen eines komplexen, dreidimensionalen Körpers, wie
z.B. eines Karosserieteils oder einer Kraftfahrzeugkarosserie, umzuleiten.
Hierfür
muss speziell im Bereich der Schattenzonen ein stabiles, streuendes
Medium beziehungsweise eine streuende Phase, wie z.B. ein Nebel
beziehungsweise ein Aerosol (in Gasen feinst verteilte Feststoffe oder
Flüssigkeiten)
bereitgestellt werden. Das Aerosol kann an die Schattenbereiche
herangeführt
oder auch erst dort erzeugt werden.
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Wird
das Erscheinungsbild des UV-härtbaren
Lacks durch den Kontakt mit der streuenden Phase negativ beeinflusst,
beispielsweise durch Einlagerung von Aerosolpartikeln oder -tröpfchen in
die Lackschicht, ist es zweckmäßig, die
Aushärtung
in zwei Prozessschritte aufzuteilen. In einem ersten Schritt werden
die direkter Strahlung zugänglichen Oberflächen ausgehärtet. In
einem zweiten Schritt erfolgt die erfindungsgemäße Härtung der Schattenzonen. Da
die Schattenzonen des Belichtungsprozesses in der Regel außerhalb
der Sichtbereiche der späteren
Kraftfahrzeuge, oft sogar durch weitere Bauteile verdeckt angeordnet
sind, ist ein makelloses Erscheinungsbild des Lacks hier nicht erforderlich. Häufig reicht
es sogar aus, wenn in den Nicht-Sichtbereichen
keine vollständige
Aushärtung
erfolgt, sondern nur Grifffestigkeit erreicht wird. Hierfür typische Bereiche
eines Türseitenteils
sind beispielsweise Mulden, in denen später Türgriffe untergebracht werden,
oder die Rückseiten
im Kantenbereich, wo sich Overspray abgelagert hat.
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Für den Fall,
dass das streuende Medium den unausgehärteten UV-härtbaren Lack nicht negativ
beeinflusst, wird die Aushärtung
auf allen lackierten Oberflächen
bevorzugt in einem einzigen gemeinsamen Prozessschritt durchgeführt. Dabei
ist es möglich,
die strahlungsstreuende Phase im Wesentlichen auf die Schattenbereiche
zu beschränken
oder das gesamte Bauteil der strahlungsstreuenden Phase auszusetzen.
Im letzteren Fall trägt
die Streuung der Strahlung zusätzlich
zu einer vorteilhaften gleichmäßigeren
Strahlungsverteilung auf den direkt bestrahlbaren Oberflächen bei.
Hierdurch wird die Lackqualität
erhöht.
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Die
strahlungsstreuende Phase wird besonders bevorzugt durch ein Aerosol
gebildet, das Feststoffteilchen und/oder Flüssigkeitstropfen enthält. Als Gasphase
des Aerosols können
gewöhnliche
Luft oder auch Sondergase verwendet werden. In einer bevorzugten
Ausgestaltung wird ein sauerstoffarmes oder sauerstofffreies Gas,
beispielsweise N2, He oder CO2 verwendet,
so dass die schädliche
Wirkung des Sauerstoffs als Radikalfänger vermindert wird.
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Die
Verwendung von Luft als Prozessgas ist beispielsweise für besonders
reaktive Lackzusammensetzungen möglich,
wie beispielsweise in der
DE 103
45 903 A1 .
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In
einer ersten Ausgestaltung der strahlungsstreuenden Phase, werden
die Flüssigkeitstropfen
im Wesentlichen aus Wasser, Alkoholen, mehrfachen Alkoholen oder
deren Mischungen gebildet. Die Verwendung dieser hydrophilen Tröpfchen ist
dann besonders zu bevorzugen, wenn ein UV-härtbarer Lack auf der Basis
von organischen Lösungsmitteln
verwendet wird. Hierdurch wird verhindert, dass ein Auflösen des
noch nicht ausgehärteten
Lacks erfolgen kann. Geeignete einfache Alkohole sind insbesondere
Methanol, Ethanol, Propanol. Geeignete mehrfache Alkohole sind unter
anderem Glykol, Diethylenglykol oder Glycerin, sowie höhermolekulare
Polyalkohole, welche die Flüchtigkeit
der Tröpfchen
verringern.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der strahlungsstreuenden Phase, werden
die Flüssigkeitstropfen
im Wesentlichen durch Kolloide oder Emulsionen aus wässriger
Phase und organischer Phase gebildet werden. Durch die Kolloide
oder Emulsionen werden die Tröpfchen
stabilisiert und die Geschwindigkeit der Verdampfung verringert.
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Bevorzugt
wird die organische Phase der Kolloide oder Emulsionen aus wässriger
Phase und Wachsen, Fettsäuren,
Polyethylenglycolen, Polypropylenglycolen, Ölen oder deren Mischungen gebildet werden.
Als Nebenbestandteile können
Hilfsmittel wie Emulgatoren oder Stabilisatoren eingesetzt werden.
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Des
Weiteren sind auch Öle
für die
Bildung der erfindungsgemäßen Flüssigkeitstropfen
geeignet. Aerosole mit Öltröpfchen sind
insbesondere bei wässrigen
bzw. wasserbasierten Lacken zu bevorzugen, um das Auflösen des
nicht ausgehärteten
Lacks zu verhindern.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist die strahlungsstreuende Phase aus einem Rauch oder Staub von
Mikropartikeln aus Polymeren, Wachsen, Fettsäuren, Polyethylenglycolen und/oder
Polypropylenglycolen gebildet wird. Es ist dabei von Vorteil, Mikropartikel
zu wählen,
die in Wasser oder einfachen organischen Lösungsmitteln lösbar sind,
so dass Ablagerungen auf dem gehärteten
Lack ohne weiteres entfernbar sind.
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Zu
geeigneten anorganischen Mikropartikeln gehört pyrogene Kieselsäure, bzw.
SiO2-Nanopartikel, wie sie beispielsweise
auch als Nanofüller
für kratzfeste
Lacke Verwendung finden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der strahlungsstreuenden Phase wird
der Rauch oder Staub durch Gelpartikel gebildet. Hierbei eignen
sich sowohl organische als auch anorganische Gele. Unter den anorganischen
Gelen sind insbesondere Kieselsäuregele
und zu nennen.
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Zur
besseren Handhabung kann es zweckmäßig sein, den UV-härtbaren Lack vor der Aushärtung mit
UV-Licht oder energiereicher Strahlung zunächst durch Trocknung, Erwärmung oder
schwache Belichtung vorzuhärten.
Hierdurch wird nicht die Endhärte,
sondern ein teilgehärteter
oder gelartiger Zustand erreicht. Naturgemäß wird bei einer Belichtung in
diesem Schritt noch keine Härtung
der Schattenbereiche erreicht. Eine Trocknung und/oder Erwärmung ist
besonders dann zweckmäßig, wenn
ein Lacksystem aus thermisch härtendem
Basislack und UV-härtbarem
Decklack auf dem Bauteil aufgetragen ist. Derartige Lackzusammensetzungen
sind beispielsweise aus der
DE 10 2005 044 784 A1 bekannt.
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In
bevorzugter Ausgestaltung wird der UV-härtbare Lack auf einen noch
nicht gehärteten Basislack
aufgetragen und vor der Bestrahlung durch UV-Licht oder energiereiche
Strahlung eine thermische Härtung
des Basislacks durchgeführt.
Beispielsweise können
Basislack und Decklack nass-in-nass aufgetragen werden, gefolgt
von einer thermischen Härtung
des Basislacks. In der Regel wird dieser Verfahrensschritt auch
zu einer Trocknung beziehungsweise Teilhärtung des Decklacks führen. Die
Endhärte
des UV-härtbaren
Decklacks wird aber erst nach der strahlungsinduzierten Polymerisation
(bzw. UV-Härtung) erreicht.
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In
einer anderen Variante wird ein UV-härtbarer Decklack, insbesondere
Klarlack, auf das Bauteil, eine Grundierung oder eine Basislackschicht
aufgetragen und zunächst
durch schwache Belichtung, beispielsweise Schwarzlicht vorgehärtet. Gegebenenfalls
kann auch Tageslicht zur Vorhärtung
des Decklacks genutzt werden.
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Das
Verfahren wird bevorzugt bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen,
bei der Ausbesserung oder Lackreparatur oder der Möbelherstellung
angewendet.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur UV-Härtung von
UV-härtbaren
Lacken oder Klebstoffen. Hierbei handelt es sich um eine der möglichen
Bestrahlungsvorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die
Vorrichtung weist unter anderem einen UV-Strahler und einen Flüssigkeitszerstäuber auf.
Der Flüssigkeitszerstäuber erzeugt
dabei ein Aerosol, das parallel zur Strahlrichtung des UV-Strahlers
abgeblasen wird. Der Aerosol-Strahl wird somit auf die durch den UV-Strahler auszuhärtende Oberfläche geleitet
und bewirkt dort die Streuung des UV-Lichts. Hierdurch können die
Schattenbereiche der Oberfläche
vom UV-Streulicht erreicht und ausgehärtet werden. Neben der Anwendung
für die Lackhärtung ist
insbesondere auch die Härtung
von UV-härtenden
Klebern von Interesse. Die Kleber sind meist für direkte Bestrahlung unzugänglich angeordnet.
Ebenso ist die Vorrichtung gut für
kleine Teile oder kleine Flächen, wie
beispielsweise bei der Lackreparatur oder bei der Lackierung von
Kleinteilen geeignet.
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Das
Aerosol kann beispielsweise direkt hinter einer Gasdüse erzeugt
werden, wobei die Gasdüse
in etwa parallel zur Strahlrichtung des UV-Strahlers ausgerichtet
ist. Je nach Strahlwinkel kann der Aerosolstrahl aufgeweitet (zerstäubt) oder
fokussiert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird das Aerosol im Strahlengang des
UV-Strahlers erzeugt. Beispielsweise kann die UV-Lampe im Inneren
eines Aerosol-Strahlrohrs angeordnet werden.