DE102011088329A1 - Powder coating composition useful as a protective or decorative finish on home furnishings for explosion protected areas or a region with electronic devices at work, comprises binding agent, additive, and carbon nanotubes - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch leitfähige Pulverlackzusammensetzung für die Herstellung von elektrisch leitfähigen Pulverlackbeschichtungen sowie eine elektrisch leitfähige Pulverlackbeschichtung. The present invention relates to an electrically conductive powder coating composition for the production of electrically conductive powder coatings and an electrically conductive powder coating.
Pulverbeschichtungen finden als Schutz oder Dekorfinish eine vielfältige industrielle Anwendung. Die Applikation des Pulvers erfolgt üblicherweise durch elektrostatische Sprühverfahren, wobei das Pulver zunächst aufgeladen und dann auf das Substrat aufgebracht wird, wo es elektrostatisch haftet. Beim Erwärmen des Substrats auf Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes der Pulverbeschichtung schmilzt diese auf und bildet so einen kontinuierlichen Film auf dem Substrat aus. Durch weiteres Erwärmen erfolgt dann eine Vernetzung des Pulverlackmaterials, sodass nach dem Abkühlen eine dauerhafte Beschichtung vorliegt. Powder coatings find a variety of industrial applications as protection or decorative finishes. The application of the powder is usually carried out by electrostatic spraying, wherein the powder is first charged and then applied to the substrate, where it adheres electrostatically. Upon heating the substrate to temperatures above the softening point of the powder coating, it melts to form a continuous film on the substrate. By further heating, a crosslinking of the powder coating material takes place, so that after cooling a permanent coating is present.
Bei einigen Anwendungen, insbesondere bei Einrichtungsgegenständen für explosionsgeschützte Bereiche oder in Räumen, in denen elektronische Geräte in Betrieb sind, werden zur Ableitung elektrostatischer Aufladung oder zur Abschirmung elektromagnetischer Felder beschichtete Oberflächen gefordert, die eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweisen. Üblicherweise werden derartige Oberflächen durch Applikation von Flüssiglacken erhalten, welche elektrisch leitende Additive enthalten. In some applications, particularly in explosion proof equipment or in premises where electronic equipment is in operation, coated electrostatic discharge surfaces or electromagnetic field shielding surfaces having an electrically conductive surface are required. Usually, such surfaces are obtained by the application of liquid coatings containing electrically conductive additives.
In der
Nachteilig bei dem oben genannten Verfahren ist, dass hohe Konzentrationen an leitfähigen Materialien eingesetzt werden müssen, um einen niedrigen und reproduzierbaren elektrischen Oberflächenwiderstand zu erreichen, wobei nicht nur die Kosten für die Beschichtung auf Grund der teueren elektrisch leitenden Materialien ansteigen, sondern auch die Qualität der Beschichtung (mechanische Eigenschaften, Korrosionsschutz etc.) auf Grund der hohen Anteile an leitfähigen Materialien leiden kann. A disadvantage of the above method is that high concentrations of conductive materials must be used to achieve a low and reproducible electrical surface resistance, which not only increases the cost of the coating due to the expensive electrically conductive materials, but also the quality of the Coating (mechanical properties, corrosion protection, etc.) may suffer due to the high levels of conductive materials.
In der
In der
Nachteilig bei den oben genannten Verfahren ist, dass mit konventionellen lösemittelhaltigen Lacksystemen gearbeitet wird. A disadvantage of the above-mentioned method is that it works with conventional solvent-based coating systems.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pulverlackzusammensetzung bereitzustellen, mit der Pulverbeschichtungen mit niedrigen elektrischen Oberflächenwiderständen erhalten werden können, deren Oberflächenleitfähigkeit den Anforderungen der
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Pulverlackzusammensetzung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Pulverlackzusammensetzung sind Gegenstand der Unteransprüche. This object is achieved with a powder coating composition with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the powder coating composition according to the invention are the subject of the dependent claims.
Als elektrisch leitende Additive für den Einsatz in Pulverlacken wurden Kohlenstoffnanoröhren bisher nicht in Betracht gezogen, da auf Grund der sehr hohen Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren und des daraus resultierenden hohen Bindemittelbedarfes in dem für eine Oberflächenleitfähigkeit relevanten Konzentrationsbereich der Additive mit einem starken Anstieg der Schmelzviskosität zu rechnen war, was letztendlich die Ausbildung einer glatten und homogen geschlossenen Pulverlackschicht verhindern sollte, da eine hohe Schmelzviskosität die Retention von Reaktionsgasen begünstigen würde. Versuche, die mit sehr feinteiligen Materialien durchgeführt wurden, haben diese Vorurteile bestätigt. As electroconductive additives for use in powder coatings, carbon nanotubes have hitherto not been taken into consideration, since due to the very high surface area of the carbon nanotubes and the resulting high binder requirement in the concentration range of additives relevant for a surface conductivity, a sharp increase in melt viscosity was to be expected , which ultimately should prevent the formation of a smooth and homogeneously closed powder coating layer, since a high melt viscosity would favor the retention of reaction gases. Experiments carried out with very finely divided materials have confirmed these prejudices.
Als kritisch wurde auch die hohe Härte der Kohlenstoffnanoröhren angesehen, die bei der für die Fertigung von Pulverlacken üblichen Extrusion einen hohen Verschleiß bei den Dispergier-Aggregaten erwarten ließ. The high hardness of the carbon nanotubes was also considered to be critical, which led one to expect high levels of wear on the dispersing aggregates in the extrusion process customary for the production of powder coatings.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine Pulverlackzusammensetzung, die mindestens ein Bindemittel und mindestens ein Additiv umfasst und darüber hinaus zwischen 0.001 und 10 Gew.% Kohlenstoffnanoröhren enthält, reproduzierbar elektrisch leitende Oberflächenschichten liefert, deren Oberflächenwiderstand unter 106 Ohm liegt bzw. eine normgerechte Ableitung elektrostatischer Ladung gemäß
Da die Funktion der Beschichtung Oberflächenschutz und dekorative Aspekte umfasst, weist die Pulverlackzusammensetzung vorteilhaft zusätzlich mindestens ein Farbmittel auf, wobei es sich bevorzugt um ein anorganisches oder organisches Pigment handelt. Since the function of the coating comprises surface protection and decorative aspects, the powder coating composition advantageously additionally has at least one colorant, which is preferably an inorganic or organic pigment.
Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Pulverlackzusammensetzung vorteilhaft einen Füllstoff, wobei die für Pulverlack üblichen Füllstoffe eingesetzt werden können. Furthermore, the powder coating composition according to the invention advantageously comprises a filler, wherein the fillers customary for powder coating can be used.
Das mindestens eine Bindemittel ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Epoxidharz, Polyesterharz, Acrylatharz und Mischungen davon. The at least one binder is preferably selected from the group consisting of epoxy resin, polyester resin, acrylate resin and mixtures thereof.
Die Herstellung der Pulverlackzusammensetzung erfolgt durch Einwiegen der Ausgangsstoffe, Mischen der eingewogenen Ausgangsstoffe, Extrudieren der Mischung, Vermahlen des Extrudats, Sichten und Sieben des beim Vermahlen erhaltenen Pulvers und Abfüllen des Pulvers zu einem Gebinde. Dabei werden der Ausgangsmischung 0.001 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0.01 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Ausgangsstoffe, Kohlenstoffnanoröhren zugegeben. The preparation of the powder coating composition is carried out by weighing the starting materials, mixing the weighed raw materials, extruding the mixture, grinding the extrudate, sifting and sieving the powder obtained during grinding and filling the powder into a container. In this case, the starting mixture 0.001 to 10 wt .-%, preferably 0.01 to 5 wt .-%, based on the total amount of the starting materials, carbon nanotubes added.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine aus der erfindungsgemäßen Pulverzusammensetzung hergestellte Beschichtung, welche die Vorgaben gemäß
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen ausführlich erläutert. In the following, the present invention will be explained in detail by way of examples.
Beispiel 1 example 1
Eine Mischung aus 43.6 Gew.% eines gesättigten Polyesterharzes, 22.4 Gew.% eines Epoxidharzes, 33 Gew.% Titandioxid, 0.7 Gew.% eines Acrylatverlaufsmittels, 0.2 Gew.% Benzoin und 0.1 Gew.% Kohlenstoffnanoröhren mir einem Außendurchmesser von 14 nm werden in einem geeigneten Mischaggregat homogen vermischt. Anschließend wird die Mischung unter Erwärmen einextrudiert. Das so erhaltene Extrudat wird mittels Kühlwalzen ausgewalzt und über ein Kühlband abgekühlt. Das ausgewalzte und abgekühlte Extrudat wird zunächst grob vorgebrochen und anschließend zu einem feinen Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 30 µm verarbeitet. A mixture of 43.6% by weight of a saturated polyester resin, 22.4% by weight of an epoxy resin, 33% by weight of titanium dioxide, 0.7% by weight of an acrylate leveling agent, 0.2% by weight of benzoin and 0.1% by weight of carbon nanotubes with an outer diameter of 14 nm are incorporated in US Pat homogeneously mixed with a suitable mixing unit. Subsequently, the mixture is extruded while heating. The extrudate thus obtained is rolled out by means of cooling rolls and cooled by means of a cooling belt. The rolled and cooled extrudate is first roughly crushed and then processed to a fine powder having an average particle size of 30 microns.
Beispiel 2 Example 2
Eine Mischung aus 56 Gew.% eines gesättigten Polyesterharzes, 40 Gew.% Titanoxid, 3 Gew.% Hydroxylalkylamid, 0.7 Gew.% eines Polyacrylats, 0.2 Gew.% Benzoin und 0.1 Gew.% Kohlenstoffnanoröhren mit einem Außendurchmesser von mehr als 5 nm werden in einem geeigneten Mischaggregat homogen miteinander vermischt. Die so erhaltene Mischung wird anschließend bei erhöhten Temperaturen extrudiert, wobei das Extrudat mittels Kühlwalzen ausgewalzt und über ein Kühlband abgekühlt wird. Anschließend wird das ausgewalzte und abgekühlte Extrudat zunächst vorzerkleinert, um dann zu einem feinen Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 30 µm aufbereitet zu werden. A mixture of 56% by weight of a saturated polyester resin, 40% by weight of titanium oxide, 3% by weight of hydroxyalkylamide, 0.7% by weight of a polyacrylate, 0.2% by weight of benzoin and 0.1% by weight of carbon nanotubes having an outer diameter of more than 5 nm homogeneously mixed together in a suitable mixing unit. The mixture thus obtained is then extruded at elevated temperatures, wherein the extrudate is rolled out by means of cooling rolls and cooled by means of a cooling belt. Subsequently, the rolled-out and cooled extrudate is first pre-crushed, to then be processed to a fine powder having an average particle size of 30 microns.
Beispiel 3 Example 3
Eine Mischung aus 64.7 Gew.% Epoxidharz, 30 Gew.% Calciumcarbonat, 3.9 Gew.% modifiziertes Imidazol, 0.7 Gew.% eines Polyacrylats, 0.2 Gew.-% Benzoin und 0.5 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhren mit einem Außendurchmesser von 14 nm werden in einem geeigneten Mischaggregat homogen miteinander vermischt. Die so erhaltene Mischung wird anschließend bei erhöhter Temperatur extrudiert. Das Extrudat wird mittels Kühlwalzen ausgewalzt und über ein Kühlband abgekühlt, um anschließend vorgebrochen und dann zu einem feinen Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 30 µm aufbereitet zu werden. A mixture of 64.7% by weight of epoxy resin, 30% by weight of calcium carbonate, 3.9% by weight of modified imidazole, 0.7% by weight of a polyacrylate, 0.2% by weight of benzoin and 0.5% by weight of carbon nanotubes with an outer diameter of 14 nm are incorporated in US Pat a homogeneous mixing unit homogeneously mixed together. The resulting mixture is then extruded at elevated temperature. The extrudate is rolled out by means of cooling rolls and cooled by a cooling belt to be subsequently broken down and then processed to a fine powder having an average particle size of 30 μm.
Beispiel 4 (Vergleich) Example 4 (comparison)
Eine Mischung aus 43.6 Gew.% eines gesättigten Polyesterharzes, 22.4 Gew.% eines Epoxidharzes, 33.0 Gew.% Titanoxid, 0.7 Gew.% eines Acrylatverlaufsmittels, 0.2 Gew.% Benzoin und 1.0 Gew.% Kohlenstofffasern werden in einem geeigneten Mischungsaggregat homogen miteinander vermischt. Anschließend wird die Mischung bei erhöhter Temperatur extrudiert. Das Extrudat wird über eine Kühlwalze ausgewalzt und über ein Kühlband abgekühlt. Das ausgewalzte und abgekühlte Extrudat wird anschließend zu einem feinen Pulver mit einer mittleren Partikelgröße von 30 µm aufbereitet. A mixture of 43.6% by weight of a saturated polyester resin, 22.4% by weight of an epoxy resin, 33.0% by weight of titanium oxide, 0.7% by weight of an acrylate leveling agent, 0.2% by weight of benzoin and 1.0% by weight of carbon fibers are homogeneously mixed with one another in a suitable mixing unit , Subsequently, the mixture is extruded at elevated temperature. The extrudate is rolled over a chill roll and cooled by a cooling belt. The rolled and cooled extrudate is then processed to a fine powder having an average particle size of 30 microns.
Beispiel 5 (Vergleichende Bestimmung des elektrischen Widerstandes von Pulverlackbeschichtungen) Example 5 (Comparative Determination of the Electrical Resistance of Powder Coating Coatings)
Zur Bestimmung des Oberflächenleitfähigkeit wurde ein 0.8 mm Stahlbblech mit den Pulverlackzusammensetzungen aus den Beispielen 1 bis 4 beschichtet. Anschließend wurde der elektrische Oberflächenwiderstand nach
Wie aus den in der Tabelle 1 aufgeführten Messergebnissen zu erkennen ist, gelingt es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Pulverlackzusammensetzung selbst bei äußerst geringen Zusätzen von Kohlenstoffnanoröhren den Oberflächenwiderstand von Pulverlackbeschichtungen soweit herabzusetzen, dass die Beschichtungen der
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