DE102013005990A1

DE102013005990A1 - Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes

Info

Publication number: DE102013005990A1
Application number: DE102013005990.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Vinke; Lina Rustam; Harald Schneider
Original assignee: HOCHSCHULE OFFENBURG; Schneider Oberflachentechnik GmbH
Current assignee: HOCHSCHULE OFFENBURG; Schneider Oberflachentechnik GmbH
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-10-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes, umfassend die Schritte des Ausbildens einer polaren Beschichtung auf dem Kunststoffgegenstand, umfassend den Teilschritt des Aufbringens einer Beschichtungszusammensetzung auf den Kunststoffgegenstand, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Organosiloxan, das mindestens zwei Si-O-Bindungen aufweist, Wasser, ein organisches Lösemittel und ein pH-regulierendes Mittel enthält, mit der Maßgabe, dass die Beschichtungszusammensetzung keinen elektrisch leitfähigen Zusatz enthält, sowie die Schritte des Aufbringens eines Pulverlacks auf den derartig beschichteten Kunststoffgegenstand und des Erwärmens des Pulverlacks.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes.
Industrielle elektrostatische Pulverlackierverfahren finden vorwiegend in der Sanitär- und Haushaltsgerätetechnik, im Heizkörperbau, für Fassadenbeschichtungen, für Möbellackierungen und in der Automobilindustrie Anwendung. Das Pulverbeschichten oder Pulverlackieren ist ein Beschichtungsverfahren, in dem ein elektrisch leitfähiger Werkstoff unter Zuhilfenahme elektrostatischer Anziehungskräfte mit Pulverlack beschichtet wird. Gängige Pulverlacke enthalten Polymerharze, beispielsweise Epoxid- und/oder Polyesterharze, sowie Farbstoffe/Pigmente und Additive.
In gängigen Pulverlackierverfahren wird der Pulverlack, häufig unter Zuhilfenahme einer Corona- oder Tribobehandlung, elektrostatisch aufgeladen. Der zu beschichtende Gegenstand – gewöhnlich ein Metall – wird geerdet, wodurch auf dem Gegenstand eine Spiegelladung erzeugt wird. Die geladenen Pulverlackteilchen werden mithilfe von Druckluft in Richtung des Gegenstandes beschleunigt. Durch elektrostatische Anziehungskräfte bleibt ein gewisser Anteil der Pulverlackteilchen, die auf die Oberfläche des Kunststoffgegenstandes treffen, dort haften.
Schwierigkeiten ergeben sich insbesondere bei Gegenständen ohne oder mit nur geringer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kunststoffgegenstände oder Gegenstände aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen, da dort aufgrund der geringen elektrostatischen Kräfte die Pulverlackpartikel nur unzureichend auf dem Gegenstand haften und somit nicht in ausreichender Schichtdicke aufgetragen werden können. Es wurde in der Vergangenheit vorgeschlagen, zunächst durch Auftragen einer Beschichtung mit einem leitfähigen Zusatz die elektrostatischen Kräfte zwischen der Oberfläche eines derartigen Gegenstandes und den Pulverlackteilchen zu erhöhen. Ein leitfähiger Zusatz kann in Wasser oder einem organischen Lösemittel löslich sein. Beispiele hierfür sind vor allem ionische Verbindungen, beispielsweise anorganische Salze wie Natriumchlorid. Leitfähige Zusätze können auch unlösliche Feststoffteilchen mit verschiedenen Formen und Größen sein. Derartige leitfähige Zusätze umfassen Metalle, wobei das Metall aus jedem beliebigen leitfähigen Metall, wie beispielsweise Silber, Kupfer oder Eisen, Aluminium, Chrom, Zinn, Nickel, Titan und deren Gemische, ausgewählt sein kann, Metall (misch) oxide, wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO, In₂O₃:Sn), Aluminiumzinkoxid (AZO, ZnO:Al), Antimonzinnoxid (ATO, SnO₂:Sb), mit Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO, SnO₂:F), Zinnoxid, Antimonpentoxid, intermetallische Verbindungen wie Boride und Carbide, sowie leitfähiger Kohlenstoff, wie beispielsweise Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanofasern und/oder Kohlenstoffnanoröhren.
Derartige Beschichtungen, die einen leitfähigen Zusatz enthalten, weisen jedoch häufig Nachteile bezüglich der Haftung und/oder Gleichmäßigkeit der resultierenden Beschichtung, Brillianz und/oder Farbeigenschaften der resultierenden Pulverlackierung auf.
EP 1 361 257 A1 beschreibt ein Pulverlackierverfahren für Gegenstände mit geringer Leitfähigkeit. In dem Verfahren wird ein Pulverlack verwendet, der einen elektrisch leitfähigen Zusatz enthält, wodurch verbesserte Beschichtungseigenschaften des Pulverlacks erzielt werden. Darin sind Maßnahmen zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Oberfläche eines zu beschichtenden Gegenstandes nicht vorgesehen. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Verwendung eines leitfähigen Zusatzes kostenintensiv und mit einem verfahrenstechnischen Mehraufwand verbunden ist.
EP 2 450 109 A1 beschreibt ein Pulverlackierverfahren, worin ein Gegenstand in einem ersten Schritt auf eine Temperatur erwärmt wird, wobei die Temperatur über dem Schmelzpunkt eines in einem zweiten Schritt aufgetragenen Pulverlacks liegt, wodurch eine klebrige Oberfläche ausgebildet wird. In einem weiteren Schritt wird die Pulverlackierung durch Anwenden von Infrarotstrahlung gehärtet. Auf die Zugabe eines leitfähigen Zusatzes wird verzichtet. Die Haftung des Pulverlacks auf dem Substrat erfolgt durch eine Art Schmelzklebung des Pulverlacks auf dem erwärmten Gegenstand und nicht durch elektrostatische Anziehungskräfte.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes, das kostengünstig, umweltfreundlich und einfach in bestehende Produktionsabläufe zu integrieren ist, und durch das ohne Verwendung eines leitfähigen Zusatzes eine Pulverlackierung mit hoher Qualität erzeugt werden kann, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Insbesondere wird ein Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes bereitgestellt, umfassend die Schritte:
das Ausbilden einer polaren Beschichtung auf dem Kunststoffgegenstand,
umfassend die Teilschritte des Altern einer Beschichtungszusammensetzung für eine Dauer von mindestens 12 Stunden und des Aufbringens der Beschichtungszusammensetzung auf den Kunststoffgegenstand,
das Aufbringen eines Pulverlacks auf den derartig beschichteten Kunststoffgegenstand und das Erwärmen des Pulverlacks auf eine Temperatur von 100 bis 250°C,
wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Organosiloxan, das mindestens zwei Si-O-Bindungen aufweist, Wasser, ein organisches Lösemittel und ein pH-regulierendes Mittel enthält, mit der Maßgabe, dass die Beschichtungszusammensetzung keinen elektrisch leitfähigen Zusatz, wie vorstehend beschrieben, enthält.
Der Kunststoffgegenstand, der dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wird, unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Erfindungsgemäß umfasst der Begriff Kunststoffgegenstand nicht nur Gegenstände, die ausschließlich aus einem Kunststoff bestehen, sondern auch Verbundwerkstoffe, wie beispielsweise Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe. Der Kunststoffgegenstand umfasst einen oder mehrere Kunststoffe, und gegebenenfalls Kunststoffe mit weiteren Komponenten aus Metall, Holz und anderen gängigen Werkstoffen.
Beispiele für Kunststoffgegenstände, die sich für das erfindungsgemäße Verfahren zum Pulverlackieren eignen, sind unter anderem Griffe, Heizungen, Spielzeug, Sportgeräte, Automobilinnenverkleidungen, etc..
Der in dem Kunststoffgegenstand enthaltene Kunststoff unterliegt keiner besonderen Einschränkung und umfasst organische Polymere und/oder Copolymere, sowie Blends daraus. Bevorzugt umfasst der Kunststoffgegenstand mindestens ein organisches Polymer, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyamid, Polyurethan, Polyethylenterephthalat, Polyolefin, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymer (ABS), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC), Polyoxymethylen (POM), Polyvinylchlorid (PVC) und Polymethylmethacrylat (PMMA) sowie Blends daraus, wobei der Kunststoff gegebenenfalls ein kohlefaser- und/oder graphit- und/oder glasfaserverstärkter Kunststoff sein kann.
Obwohl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt nicht leitfähige Kunststoffgegenstände pulverlackiert werden, können ebenso leitfähige Kunststoffgegenstände verwendet werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird vor dem Aufbringen eines Pulverlacks eine Beschichtung mit erhöhter Polarität auf dem Kunststoffgegenstand erzeugt. Dies ist selbst bei Kunststoffgegenständen mit einer gewissen elektrischen Leitfähigkeit vorteilhaft, da durch das Ausbilden der polaren Beschichtung die (Oberflächen-)Polarität des Kunststoffgegenstandes erhöht werden kann. Hierbei wird unter leitfähigen Kunststoffgegenständen solche mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand von nicht mehr als 10¹³ Ωm verstanden. Die Leitfähigkeit der aufzutragenden, ausreichende(Oberflächen-)Polarität hervorrufenden, erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtungsmasse beträgt etwa 2 μS/cm (gemessen mit einer Leitfähigkeitselektrode). Der Widerstand wäre demnach 5 × 10⁹ Ωm.
Der im Kunststoffgegenstand enthaltene Kunststoff kann sowohl ein wärmeempfindlicher Kunststoff, als auch ein wärmestabiler Kunststoff sein. Hierbei gelten Kunststoffe mit einer Glasübergangstemperatur Tg von –20°C bis zu einer Schmelztemperatur Tm von 250°C als wärmeempfindlich. Bei Verwendung eines wärmeempfindlichen Kunststoff(gegenstand)s erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren der Schritt des Erwärmens des Pulverlacks vorzugsweise im Niedertemperaturbereich von 120°C bis 150°C. Darüber hinaus wird bei Verwendung eines wärmeempfindlichen Kunststoffgegenstandes vorzugsweise ein Pulverlack verwendet, der bereits bei einer Temperatur von mindestens 120°C vernetzbar ist. Beim Pulverlackieren wird das Vernetzen des Pulverlacks auch als Einbrennen bezeichnet.
Vor dem Aufbringen der Beschichtungszusammensetzung kann die Oberfläche des Kunststoffgegenstandes gegebenenfalls vorbehandelt werden. Die Oberfläche des Kunststoffgegenstandes kann dabei vorzugsweise durch ein Reinigungsverfahren, beispielsweise durch Ultraschall, wäßrige Tensidlösungen, Lösungsmittel, Lösungsmittelmischungen oder CO₂-Behandlung, vorbehandelt werden. Durch eine größtmögliche Reinheit der Oberfläche des Kunststoffgegenstandes wird eine gute Haftung der Beschichtung, und daraus resultierend eine gleichmäßige Pulverlackierung mit fester Haftung und hoher Beständigkeit sichergestellt. Weitere Vorbehandlungsmaßnahmen sind Beflammen, Aufrauhen oder Tempern (beispielsweise ~ 70°C/24h).
Der Schritt des Ausbildens einer ausreichend polaren Beschichtung auf dem Kunststoffgegenstand umfasst zwei Teilschritte: Altern der Beschichtungszusammensetzung für eine Dauer von mindestens 12 Stunden, vorzugsweise 24 Stunden, mehr bevorzugt 48 Stunden, und Aufbringen der Beschichtungszusammensetzung auf den Kunststoffgegenstand.
Erfindungsgemäß umfasst die verwendete Beschichtungszusammensetzung ein Organosiloxan, das mindestens zwei Si-O-Bindungen aufweist, Wasser, ein organisches Lösemittel und ein pH-regulierendes Mittel, vorzugsweise in der Form einer Säure, mit der Maßgabe, dass die Beschichtungszusammensetzung keinen elektrisch leitfähigen Zusatz enthält. Unter einem elektrisch leitfähigen Zusatz sind solche verstanden, wie eingangs ausgeführt. Vorzugsweise enthält die Beschichtungszusammensetzung mehr als 1 bis weniger als 3 mol, bezogen auf 1 mol Si-Atome des Organosiloxans, Wasser (d. h. 1 < r < 3, siehe unten), 10 bis 50 Gewichtsteile, besonders bevorzugt 20 bis 40 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Organosiloxans, organisches Lösemittel und 0,001 bis 0,1 mol, besonders bevorzugt 0,003 bis 0,05 mol, bezogen auf 1 mol Si-O-Bindungen des Organosiloxans, pH-regulierendes Mittel. Die Beschichtungszusammensetzung liegt zu Beginn des Alterns vorzugsweise in Form einer Lösung vor.
Das Altern der Beschichtungszusammensetzung unterliegt keiner besonderen Einschränkung und erfolgt für eine Dauer von mindestens 12 Stunden, vorzugsweise mindestens 24 Stunden, besonders bevorzugt mindestens 48 Stunden, beispielsweise mindestens 4 oder 5 Tage. Das Altern wird vorzugsweise unter Normalbedingungen durchgeführt. Während des Alterns findet in der Beschichtungszusammensetzung (die auch als ”Sol” bezeichnet werden kann) eine mehrstufige Polykondensationsreaktion unter Ausbildung eines Polyorganosiloxans statt. Derartige Reaktionen werden allgemein als Sol-Gel-Prozesse bezeichnet. Dabei kann die Beschichtungszusammensetzung bei fortgeschrittener oder abgeschlossener Polykondensationsreaktion als ”Gel” bezeichnet werden. Der Ausbildung des Polyorganosiloxans aus dem Organosiloxan liegen im Wesentlichen drei Gleichgewichtsreaktionen zugrunde: Hydrolyse/Veresterung, Alkohol-Kondensation/Alkoholyse und Wasser-Kondensation/Hydrolyse. Durch Hydrolyse von Si-O-Alkyl-Bindungen entstehen Si-OH-Gruppen, die anschließend Kondensationsreaktionen ermöglichen. Bei Alkohol- und Wasser-Kondensation werden Si-O-Si-Gruppen ausgebildet. Setzen sich Alkohol- und Wasser-Kondensation fort, werden Polyorganosiloxane gebildet. Eine erhöhte Konzentration der Si-OH-Gruppen in der Beschichtungszusammensetzung führt zu einer polaren Beschichtung auf dem Kunststoffgegenstand, die aufgrund einer erhöhten (Oberflächen) Polarität verbesserte Pulverbeschichtungseigenschaften, insbesondere eine verbesserte Haftung des Pulverlacks auf dem Kunststoffgegenstand liefert. Die Konzentration der Si-OH-Gruppen korreliert mit der (Oberflächen) Polarität der Beschichtung, insofern die Konzentration der Si-OH-Gruppen in der Beschichtungszusammensetzung mit zunehmender Dauer des Alterungschritts ansteigt.
Das Stoffmengenverhältnis von Wassermolekülen zu Si-Atomen (H₂O:Si) in der Beschichtungszusammensetzung wird als r-Wert bezeichnet. Bei unterstöchiometrischen Reaktionen (r < 2) erfolgt bevorzugt Alkohol-Kondensation statt Wasser-Kondensation, bei überstöchiometrischen Reaktionen (r > 2) erfolgt bevorzugt Wasser-Kondensation statt Alkohol-Kondensation. Hinzu kommt, dass ein hoher r-Wert den Sol-Gel-Prozess beschleunigt. Allerdings ist bei r ≥ 3 eine ausreichende Benetzbarkeit der Oberfläche des Kunststoffgegenstandes nicht mehr gewährleistet, weshalb vorzugsweise r < 3 ist. Besonders bevorzugt ist 1,2 ≤ r < 2,0, insbesondere bevorzugt 1,5 ≤ r ≤ 1,7. Liegt r innerhalb der genannten Bereiche, ist nicht nur eine ausreichende Benetzbarkeit der Oberfläche des Kunststoffgegenstandes gewährleistet, sondern auch die Alkohol-Kondensation gefördert, wohingegen die Wasser-Kondensation unterdrückt ist. Bei der Wasser-Kondensation entstehendes Wasser ist insbesondere für den späteren Schritt des Aufbringens des Pulverlacks von Nachteil. Zudem führt eine Verschiebung des Gleichgewichts des Reaktionspaars Alkohol-Kondensation/Alkoholyse zu Gunsten der Alkoholyse zu einer erhöhten Konzentration an Si-OH-Gruppen, was für die Pulverlackiereigenschaften der polaren Beschichtung von Vorteil ist (Haftung des Pulverlacks aufgrund erhöhter (Oberflächen) Polarität).
Die gealterte Beschichtungszusammensetzung enthält ein Polyorganosiloxan, welches Wiederholungseinheiten mit mindestens zwei Si-O-Bindungen (-[Si-O]_n-, wobei n eine ganze Zahl größer 1 ist) aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Beschichtungszusammensetzung ein Fließhilfsmittel. Vorzugsweise beträgt der Anteil des Fließhilfsmittels 90–50 Gew.-%, bevorzugt 80–60 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse/stoffmenge der Beschichtungszusammensetzung. Durch die Verwendung eines Fließhilfsmittels in der Beschichtungszusammensetzung kann die gewünschte Dicke der Schicht auf dem Kunststoffgegenstand, die von der Beschichtungszusammensetzung gebildet wird, (Nassfilmdicke) eingestellt werden. Das Fließhilfsmittel unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Beispiele für Fließhilfsmittel, die vorteilhaft in der Beschichtungszusammensetzung verwendet werden können, sind insbesondere Alkohole. Ein besonders bevorzugtes Fließhilfsmittel ist Ethanol.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Beschichtungszusammensetzung vorzugsweise in einer Schichtdicke von 15 μm bis 30 μm, besonders bevorzugt von 15 μm bis 25 μm, aufgetragen.
Das pH-regulierende Mittel wirkt in dem oben beschriebenen Sol-Gel-Prozess, der während des Alterns stattfindet, als Katalysator. Dadurch verkürzt sich die Dauer des Alterns, die notwendig ist, um eine polare Beschichtung mit ausreichend guten Pulverlackiereigenschaften zu erhalten. Im Allgemeinen kann ein Sol-Gel-Prozess auch ohne Katalysator durchgeführt werden. Allerdings würde dadurch eine Dauer des Alterns von mehr als einer Woche erforderlich, um eine leitfähige Beschichtung mit ausreichend guten Pulverlackiereigenschaften zu erhalten.
Die erfindungsgemäß verwendete Beschichtungszusammensetzung enthält keinen elektrisch leitfähigen Zusatz. Wie bereits vorstehend erläutert, kann durch das Altern der Beschichtungszusammensetzung für eine Dauer von mindestens 12 Stunden gewährleistet werden, dass die resultierende polare Beschichtung hervorragende Beschichtungseigenschaften, insbesondere eine ausgezeichnete Haftung des Pulverlacks auf der Oberfläche der polaren Beschichtung des Kunststoffgegenstandes, aufweist. Durch mindestens zwölfstündiges Altern der Beschichtungszusammensetzung wird eine ausreichend polare Beschichtung mit hoher, für anschließendes Pulverlackieren geeigneter (Oberflächen) polarität bereitgestellt. Daher ist es nicht erforderlich, die Beschichtung weiter durch einen leitfähigen Zusatz für die nachfolgende Pulverlackbeschichtung zu konditionieren.
Da die allgemein verwendeten leitfähigen Zusätze gewöhnlich unlöslich sind, liegen Beschichtungszusammensetzungen, die derartige Zusätze enthalten, in der Regel als Dispersion (Suspension, Emulsion) vor. Häufig werden derartige Dispersionen durch ein Dispergiermittel (Suspensionsmittel, Emulgator) stabilisiert, da andernfalls die unlöslichen Teilchen (gewöhnlich Feststoffteilchen) sedimentieren würden oder anderweitig getrennte Phasen vorlägen. Im Gegensatz dazu liegt die erfindungsgemäß verwendete Beschichtungszusammensetzung (zumindest zu Beginn des Alterns) vorzugsweise in Form einer Lösung vor. Darüber hinaus enthält die erfindungsgemäß eingesetzte Beschichtungszusammensetzung vorzugsweise kein Dispergiermittel.
Das Organosiloxan, das mindestens zwei Si-O-Bindungen aufweist, unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Durch das Vorhandensein von mindestens zwei Si-O-Bindungen wird gewährleistet, dass das Organosiloxan unter Bildung eines Polyorganosiloxans kondensieren kann. Bevorzugt weist das Organosiloxan vier, besonders bevorzugt drei Si-O-Bindungen auf. Die Si-O-Bindungen werden bevorzugt zwischen dem Siliciumatom (Si) und einem Substituenten -O-R ausgebildet, wobei R bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einer Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer Alkenylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer Alkinylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer Arylgruppe, einer Heteroarylgruppe, einer Acylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, einer Fluoralkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen und die Substituenten -O-R voneinander verschieden sein können. Bevorzugt ist R eine lineare Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, besonders bevorzugt eine Ethyl- oder eine Prop-1-ylgruppe.
Unabhängig davon weist das Organosiloxan, beispielsweise in einem Rest R', so dass das Organosiloxan die Formel R'-Si(OR)₃ aufweist, vorzugsweise eine vernetzbare Gruppe auf, die besonders bevorzugt endständig ist. Durch das Vorhandensein einer vernetzbaren Gruppe kann die Beschichtungszusammensetzung neben der Ausbildung eines Polyorganosiloxans eine weitere Polymerstruktur ausbilden. Dadurch kann sowohl der polaren Beschichtung als auch der Pulverlackierung eine besondere Stabilität verliehen werden. Die vernetzbare Gruppe kann beispielsweise eine Epoxidgruppe, eine Acrylgruppe, eine Vinylgruppe, eine Allylgruppe oder eine Aminogruppe sein. Bevorzugt ist die vernetzbare Gruppe eine Epoxidgruppe. Der Rest R' ist bevorzugt ein Glycidyloxyalkylrest, beispielsweise ein Glycidyloxymethyl-, ein Glycidyloxyethyl-, ein Glycidyloxypropyl- oder ein Glycidyloxybutylrest, besonders bevorzugt ein Glycidyloxypropylrest. Gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendete Siloxane sind Glycidyloxyalkyltrialkoxysilane, beispielsweise Glycidyloxypropyltriethoxysilan.
Das erfindungsgemäß verwendete Wasser unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Bevorzugt ist das Wasser demineralisiert.
Das erfindungsgemäß verwendete organische Lösemittel unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Durch die Anwesenheit des Lösemittels in der Beschichtungszusammensetzung kann eine Phasentrennung, insbesondere in der Anfangszeit des Alterns, vermieden werden. Vorzugsweise ist das Lösemittel bei Normalbedingungen mit Wasser mischbar. Als Lösemittel können beispielsweise Aceton, Dialkylether (zum Beispiel Diethylether), Dimethylformamid, N-Methylpyrrolid-2-on, Essigsäureethylester, Benzol, n-Alkanole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen oder Gemische davon verwendet werden. Bevorzugte Lösemittel sind Alkohole mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, beispielsweise Ethanol, Propan-2-ol, Propan-1-ol und n-Butan-1-ol. Ein besonders bevorzugtes Lösemittel ist Ethanol. Alkohole, insbesondere Ethanol, können insofern als Lösemittel wie auch als Fließhilfsmittel fungieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Organosiloxan drei identische Substituenten -O-R auf, wobei als Lösemittel der entsprechende Alkohol H-O-R verwendet wird. Entsprechend kann eine Kombination eines Organosiloxans R'-Si(OR)₃ mit einem organischen Lösemittel R-OH verwendet werden, wobei R beispielsweise Methyl, Ethyl, Prop-1-yl oder n-But-1-yl sein kann. Bei dieser Ausführungsform ist R besonders bevorzugt Ethyl. Bei der Verwendung eines Alkohols als organisches Lösemittel kann es zu einer Umesterung des Alkohols mit der Gruppe -O-R des Organosiloxans kommen. Daraus eventuell resultierende unerwünschte Effekte können gemäß der vorstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeschlossen werden.
Die erfindungsgemäß verwendete Beschichtungszusammensetzung enthält weiter ein pH-regulierendes Mittel. Dieses kann sowohl eine Base als auch eine Säure sein. Beispiele für Basen, die das pH-regulierende Mittel darstellen können, sind Ammoniak, Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid sowie primäre, sekundäre und tertiäre organische Amine, beispielsweise Mono-, Di- oder Triethylamin. Vorzugsweise ist das pH-regulierenden Mittel eine Säure. Das pH-regulierende Mittel kann eine Lewis- beziehungsweise eine Brönsted-Säure sein. Beispiele für Lewis-Säuren sind Aluminiumchlorid oder Eisenchlorid. Vorzugsweise ist das pH-regulierende Mittel eine Brönsted-Säure. Beispiele für Brönsted-Säuren sind Flusssäure, Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Essigsäure und Trifluoressigsäure. Der pH-Wert der Beschichtungszusammensetzung vor dem Altern liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und weniger als 5, besonders bevorzugt zwischen 2 und 4 beispielsweise weist die Beschichtungszusammensetzung vor dem Altern einen pH-Wert von 1,5 auf. Für den Fall, dass das Organosiloxan eine Si-C-Bindung aufweist, ist ein saurer Katalysator besonders von Vorteil, da in diesem Fall durch saure Katalyse die Dauer des Alterungsschritts weiter herabgesetzt werden kann als durch basische Katalyse.
Das Erscheinungsbild sowie die Elastizität der aufzubringenden Pulverlacke lässt sich durch Zugabe von Bisphenol A, insbesondere durch Zugabe von Bisphenol A in Kombination mit Histidin, zu der erfindungsgemäß eingesetzten Beschichtungszusammensetzung weiter verbessern.
Das Aufbringen der Beschichtungszusammensetzung unterliegt keiner besonderen Einschränkung und kann auf jede erdenkliche Weise erfolgen, beispielsweise durch Tauch-, Streich- und Sprühverfahren, Rakeln, Bedrucken, Rotationsbeschichten, (Spritz) lackieren, Schlitzdüsenbeschichten, Walzenbeschichten, Kaskaden- oder Vorhanggießen. Die Beschichtungszusammensetzung kann auch durch eine Kombination verschiedener Verfahren aufgebracht werden. Vorzugsweise wird die Beschichtungszusammensetzung durch Sprühen aufgebracht, da hierbei die Beschichtungszusammensetzung sehr gleichmäßig und mit einheitlicher Schichtdicke auf den Kunststoffgegenstand aufgebracht werden kann.
Das Altern der Beschichtungszusammensetzung setzt ein, sobald diese bereitgestellt, d. h. hergestellt, ist. Hinsichtlich einer einfachen und effizienten Prozessgestaltung ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, das Altern der Beschichtungszusammensetzung bereits vor dem Aufbringen auf den Kunststoffgegenstand durchzuführen. Unter anderem wird dadurch auch die Gefahr einer möglichen Verunreinigung der Oberfläche des Kunststoffgegenstandes während des Alterns minimiert. Darüber hinaus ist es bei Durchführung des Alterns vor dem Aufbringen der Beschichtungslösung möglich, das erfindungsgemäße Verfahren effizient und in einem Zug durchzuführen.
Zwar ist auch ein einfaches Ablüften nach Auftragen der Beschichtung bei Raumtemperatur möglich, jedoch wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Aufbringen und Altern der Beschichtungszusammensetzung und vor dem Aufbringen des Pulverlacks die Beschichtungszusammensetzung für eine Dauer von 5 Sekunden bis 10 Minuten auf eine Temperatur von 80 bis 150°C, vorzugsweise für eine Dauer von 30 Sekunden bis 5 Minuten auf eine Temperatur von 100 bis 140°C, beispielsweise für eine Dauer von 1 Minute auf eine Temperatur von 120°C, erwärmt. Das Erwärmen kann prinzipiell auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch Umluft, elektromagnetische Strahlung wie Infrarot- und/oder Laserstrahlung. Durch dieses Erwärmen wird verbliebenes Lösemittel und/oder Wasser zumindest teilweise aus der Beschichtung entfernt. Zusätzlich kann durch dieses Erwärmen die gegebenenfalls vorhandene vernetzbare Gruppe des (Poly) siloxans, wie beispielsweise eine Epoxidgruppe, vernetzt werden, wodurch eine höhere Stabilität der polaren Beschichtung und der Pulverlackierung erhalten werden kann.
Das Aufbringen des Pulverlacks unterliegt keiner besonderen Einschränkung und kann auf jede erdenkliche Weise erfolgen. Vorzugsweise wird der Pulverlack durch elektrostatisches Sprühen auf den beschichteten Kunststoffgegenstand aufgebracht. Das elektrostatische Sprühen erfolgt gewöhnlich mithilfe von Sprühpistolen, die Corona- oder Tribo-unterstützt arbeiten.
Der erfindungsgemäß verwendete Pulverlack unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Pulverlacke umfassen normalerweise ein festes, thermoplastisches oder wärmehärtbares filmbildendes Polymerharz. Eine Vielzahl verschiedener Typen von thermoplastischen Harzen für Pulverlacke ist bekannt, beispielsweise Vinylchlorid, Polyamide, Polycellulosen, Polyolefine, Polyethylen und Polyester. Wärmehärtbare filmbildende Harze enthalten reaktive funktionelle Gruppen, gegebenenfalls ein optionales Härtungsmittel (Vernetzungsmittel) mit funktionellen Gruppen, die mit den funktionellen Gruppen des Polymerharzes reaktiv sind, und die selbst ein anderes filmbildendes Polymer sind, und gegebenenfalls einen Katalysator. Bekannte wärmehärtbare Harze umfassen säurefunktionelle Polyesterharze, säurefunktionelle Acrylsäureharze, Epoxidharze und Hydroxy-funktionelle Polyesterharze, sind aber nicht darauf beschränkt. Vorzugsweise weist der verwendete Pulverlack eine mittlere Teilchengröße, bestimmt durch Klassieren, von 0,5 bis 100 μm auf.
Bei Verwendung eines wärmeempfindlichen Kunststoffgegenstandes werden bevorzugt wärmehärtbare Pulverlacke verwendet, die bei geringer Temperatur härten. Pulverlacke, die bei geringen Temperaturen härten, härten im Allgemeinen bei Temperaturen von weniger als 170°C, vorzugsweise weniger als 150°C, am meisten bevorzugt weniger als 135°C. Beispiele für wärmehärtbare Pulverlacke, die bei geringer Temperatur härten, umfassen Epoxypulver und Epoxy-Polyester-Mischpulver, wie sie einem Fachmann bekannt sind.
Das Erwärmen des Pulverlacks unterliegt keinen besonderen Einschränkungen und kann auf gleiche oder verschiedene Weise wie das optionale Erwärmen der Beschichtungszusammensetzung erfolgen. Das Erwärmen des Pulverlacks kann prinzipiell auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch Umluft, elektromagnetische Strahlung wie Ultraviolett-, Infrarot- und/oder Mikrowellenstrahlung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erwärmen des Pulverlacks durch Umluft in einem Umluftofen. Durch einen Umluftofen kann einfach, kostengünstig und effizient ein großer Durchsatz an Kunststoffgegenständen bearbeitet werden. Das Erwärmen im Umluftofen eignet sich besonders für Kunststoffgegenstände, die nicht wärmeempfindlich sind, kann aber auch gegebenenfalls für wärmeempfindliche Kunststoffgegenstände eingesetzt werden. Für den Fall wärmestabiler Kunststoffgegenstände wird der Pulverlack bevorzugt auf eine Temperatur von 150 bis 250°C, besonders bevorzugt 180 bis 220°C erwärmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erwärmen des Pulverlacks durch Anwenden von Infrarot- und/oder Ultraviolettstrahlung. Durch derartiges Erwärmen des Pulverlacks kann dieser selektiv und schonend erwärmt werden, so dass sich der Kunststoff des Kunststoffgegenstandes, der sich unter dem Pulverlack befindet, weniger stark erwärmt als der Pulverlack. Das Erwärmen durch Infrarot- und/oder Ultraviolettstrahlung eignet sich besonders für Kunststoffgegenstände, die wärmeempfindlich sind. Für den Fall wärmeempfindlicher Kunststoffgegenstände wird der Pulverlack bevorzugt auf eine Temperatur von nicht mehr als 170°C, vorzugsweise nicht mehr als 150°C, besonders bevorzugt nicht mehr als 135°C erwärmt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen pulverlackierten Kunststoffgegenstand, umfassend in dieser Reihenfolge von innen nach außen, einen Kunststoffgegenstand, eine polare Beschichtung, umfassend ein Polyorganosiloxan, welches Wiederholungseinheiten mit mindestens zwei Si-O-Bindungen enthält (-[Si-O]_n-, wobei n eine ganze Zahl größer 1 ist), und eine Pulverlackierung, mit der Maßgabe, dass die polare Beschichtung keinen elektrisch leitfähigen Zusatz enthält. Die Pulverlackierung des pulverlackierten Kunststoffgegenstandes weist ausgezeichnete Eigenschaften wie gleichmäßige Schichtdicke der Pulverlackierung, ausgezeichnetes Erscheinungsbild und hohe Stabilität und Beständigkeit auf.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt die Verwendung der vorstehend beschriebenen Beschichtungszusammensetzung für ein Pulverlackierverfahren, wobei die Beschichtungszusammensetzung, wie bereits oben ausgeführt, ein Organosiloxan, das mindestens zwei Si-O-Bindungen aufweist, Wasser, ein organisches Lösemittel und ein pH-regulierendes Mittel enthält, mit der Maßgabe, dass die Beschichtungszusammensetzung keinen elektrisch leitfähigen Zusatz enthält.
Durch die vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges effizientes Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes bereitgestellt, das kostengünstig, umweltfreundlich und einfach in bestehende Produktionsabläufe zu integrieren ist, und durch das ohne Verwendung eines leitfähigen Zusatzes eine Pulverlackierung mit hoher Qualität erzeugt werden kann. Darüber hinaus wird durch die vorliegende Erfindung ein pulverlackierter Kunststoffgegenstand bereitgestellt, dessen Pulverlackierung ausgezeichnete Eigenschaften, wie gleichmäßige Schichtdicke der Pulverlackierung, ausgezeichnetes Erscheinungsbild und hohe Stabilität/Beständigkeit aufweist.
1 zeigt IR-Spektren einer frisch hergestellten Beschichtungslösung (r = 1,7) nach Altern für eine Dauer von einem, zwei und fünf Tagen. Es ist ersichtlich, dass der Wassergehalt langsam abnimmt.
Die nachstehenden Beispiele dienen als weitere Erläuterung der vorliegenden Erfindung, ohne darauf beschränkt zu sein.
Beispiel 1
Unter Normalbedingungen wurden in einem Becherglas 0,1 mol (27,8 g) Glycidyloxypropyltriethoxysilan (GPTES) vorgelegt und mit 3,06 Salzsäure (0,1 N, bezogen auf die drei hydrolysierbaren Si-O-Bindungen von GPTES, entsprechend 0,003 mol HCl versetzt und gerührt. Innerhalb der ersten 30 Sekunden nach Zugabe der Salzsäure wurde ein Anstieg des pH-Wertes von anfänglich pH 1,5 bis 2 auf pH 4 beobachtet. Danach blieb der pH-Wert konstant. Nach 210 Sekunden war das GPTES vollständig in Lösung gegangen. Das Reaktionsgemisch wurde insgesamt für eine Stunde gerührt.
Anschließend wurde in verschiedenen Ansätzen jeweils 60 bzw. 80 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des eingesetzten GPTES, Ethanol zugegeben und für weitere fünf Minuten gerührt. Danach wurden die verschiedenen Ansätze jeweils für verschiedene Zeiten gealtert. Es wurden IR-Spektren von Lösungen mit unterschiedlichen Wasserkonzentrationen, ohne den Zusatz von Ethanol, aufgezeichnet.
Die jeweils für verschiedene Zeitdauern gealterten Beschichtungszusammensetzungen wurden mittels Sprühen auf PVC, PA6, PA12 bzw. PP-Substrate aufgetragen. Die Beschichtung der derart beschichteten Substrate wurde im Umluftofen für 1 Minute auf 120°C erhitzt. Nach dem Abkühlen der derart beschichteten Substrate auf Raumtemperatur wurde jeweils versucht, mittels eines Pulverlackiergeräts unter Koronaaufladung einen Pulverlack (Polyester/Epoxy-Mischpulver der Firma Beriyam) aufzubringen.
Dabei ergab sich, dass sich Beschichtungszusammensetzungen, die für weniger als 12 Stunden gealtert wurden, nicht dazu geeignet waren, eine polare pulverlackierbare Beschichtung auf einem Kunststoffgegenstand zu erzeugen, da der Pulverlack auf den entsprechend beschichteten Kunststoffgegenständen nur unregelmäßig haftete. Sehr gute Ergebnisse wurden für eine Alterungsdauer von 24 Stunden beobachtet. Nach vier Tagen Altern wurden ausgezeichnete Ergebnisse erzielt, die auch durch längere Alterungszeiten nicht verbessert werden konnten.
Beispiel 2
Beispiel 2 wurde analog Beispiel 1 durchgeführt, wobei zuerst Ethanol und danach Salzsäure zugegeben wurden. Die erhaltenen Resultate entsprachen weitgehend denjenigen aus Beispiel 1.
Beispiel 3
Beispiel 3 wurde analog Beispiel 1 durchgeführt, wobei folgende Rezeptur eingesetzt wurde:
GPTES Glycidyloxypropyltriethoxysilan (GPTES):BPA (Bisphenol A):HIS (Histidin)
1:0,3:0,0025
0,02:0,006:0,00005 [mol]
5,56:1,3696:0,0078 [g]
Bezogen auf das Stoffmengenverhältnis von 0,02 mol GPTES wurden 2,16 g 0,1 N Salzsäure gegeben, welches ein Verhältnis von Wasser:Si von r = 6 ist. In diesen 2,16 g 0,1 N Salzsäure sind 0,000216 mol HCl enthalten. Es wurde ein höherer Gehalt von Wasser gewählt, da sich das Histidin eher schlecht löst.
HIS wurde in HCl unter Rühren gelöst, dann erfolgte die Zugabe von GPTES. Die Mischung wurde 1 h gerührt.
Dann erfolgte die Zugabe von BPA. Nach Lösen des BPA erfolgte die Zugabe von Ethanol dergestalt, dass eine 40 Gew.-% Lösung, bezogen auf GPTES, erhalten wurde.
Es ist auch eine 20 Gew.-%-Lösung, bezogen auf GPTES, möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1361257 A1 [0006]
EP 2450109 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes, umfassend die Schritte: das Ausbilden einer polaren Beschichtung auf dem Kunststoffgegenstand, umfassend die Teilschritte des Altern einer Beschichtungszusammensetzung für eine Dauer von mindestens 12 Stunden und des Aufbringens der Beschichtungszusammensetzung auf den Kunststoffgegenstand, das Aufbringen eines Pulverlacks auf den derartig beschichteten Kunststoffgegenstand und das Erwärmen des Pulverlacks auf eine Temperatur von 100 bis 250°C, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Organosiloxan, das mindestens zwei Si-O-Bindungen aufweist, Wasser, ein organisches Lösemittel und ein pH-regulierendes Mittel enthält, mit der Maßgabe, dass die Beschichtungszusammensetzung keinen elektrisch leitfähigen Zusatz enthält.
Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes nach Anspruch 1, wobei nach dem Altern und Aufbringen der Beschichtungszusammensetzung und vor dem Aufbringen des Pulverlacks die Beschichtungszusammensetzung für eine Dauer von 5 Sekunden bis 10 Minuten auf eine Temperatur von 80 bis 150°C erwärmt wird.
Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Altern der Beschichtungszusammensetzung für eine Dauer von mindestens 24 Stunden, vorzugsweise 48 Stunden, erfolgt.
Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Fließhilfsmittel umfasst.
Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Erwärmen des Pulverlacks durch Anwenden von Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung erfolgt.
Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Erwärmen des Pulverlacks im Umluftofen erfolgt.
Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Kunststoffgegenstand mindestens einen Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus aus Polyamid, Polyurethan, Polyethylenterephthalat, Polyolefin, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymer (ABS), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC), Polyoxymethylen (POM), Polyvinylchlorid (PVC) und Polymethylmethacrylat (PMMA) sowie Blends daraus, umfasst, wobei der Kunstsfoff gegebenenfalls ein kohlefaser- und/oder graphit- und/oder glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
Verfahren zum Pulverlackieren eines Kunststoffgegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kunststoffgegenstand ein Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff ist.
Pulverlackierter Kunststoffgegenstand, umfassend in dieser Reihenfolge von innen nach außen, einen Kunststoffgegenstand, eine polare Beschichtung, umfassend ein Polyorganosiloxan, welches Wiederholungseinheiten mit mindestens zwei Si-O-Bindungen enthält, und eine Pulverlackierung, mit der Maßgabe, dass die polare Beschichtung keinen elektrisch leitfähigen Zusatz enthält.
Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung für ein Pulverlackierverfahren, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Organosiloxan, das mindestens zwei Si-O-Bindungen aufweist, Wasser, ein organisches Lösemittel und ein pH-regulierendes Mittel enthält, mit der Maßgabe, dass die Beschichtungszusammensetzung keinen elektrisch leitfähigen Zusatz enthält.