DE102022105797A1

DE102022105797A1 - Intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung und Verwendung davon

Info

Publication number: DE102022105797A1
Application number: DE102022105797.6A
Authority: DE
Inventors: Dmitry Grigoriev; Rainer Rogovits
Original assignee: Enviral Oberflachenveredelung GmbH; Enviral Oberflaechenveredelung GmbH
Current assignee: Enviral Oberflachenveredelung GmbH; Enviral Oberflaechenveredelung GmbH
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-09-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung, die intumeszierende Komponenten umfasst, wobei die intumeszierenden Komponenten eine organische Säure und/oder ein Salz davon, ein thermoplastisches Bindemittel und gegebenenfalls ein Hydrat umfassen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats unter Verwendung der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung und eine intumeszierende Pulverbeschichtung auf einem Substrat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung, umfassend eine organische Säure und/oder ein Salz davon, ein thermoplastisches Bindemittel und wahlweise ein Hydrat. Ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats und eine intumeszierende Pulverbeschichtung auf einem Substrat sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
Hintergrund der Erfindung
Intumeszierende Beschichtungen sind funktionelle Beschichtungen und stellen eine besondere Klasse von aktiven Brandschutzbeschichtungen dar. Ihr Wirkprinzip spiegelt sich in dem Begriff „Intumeszenz“ wider, der sich vom lateinischen Wort „intumescentia“ ableitet, was so viel wie „Anschwellen“ bedeutet. Im Brandfall können sich intumeszierende Beschichtungen bis zum 100-fachen ihres Ausgangsvolumens ausdehnen, wenn eine bestimmte Temperaturschwelle überschritten wird. Dieses Verhalten wird durch ein Zusammenspiel spezieller Komponenten verursacht, die bei einer Erwärmung auf ca. 150° C einen leichten, wärmeisolierenden homogenen Schaum auf der Oberfläche des Materials ausbilden. Die meisten derzeit bekannten Beschichtungen können sich im Brandfall bis zum 100-fachen ihres Ausgangsvolumens ausdehnen.
Die überwiegende Mehrheit der derzeit bekannten anwendungsfertigen intumeszierenden Beschichtungsformulierungen sind flüssige oder streichfähige Stoffe. Solche Formulierungen enthalten in der Regel vier Komponenten, deren Vorhandensein eine Voraussetzung für das intumeszierende Verhalten der Beschichtung ist. Diese sind

(i) eine kohlenstoffbildende Komponente,
(ii) ein Verkohlungskatalysator, in der Regel in Form einer latenten, ziemlich starken Säure,
(iii) ein Treibmittel, das beim Erhitzen gasförmige Zersetzungsprodukte wie N₂, CO₂, NH₃, CO oder H₂O freisetzt, und
(iv) ein Bindemittel, dessen Erweichung gleichzeitig mit den hitzebedingten Reaktionen der anderen Komponenten abläuft und somit eine leichte Bildung der voluminösen intumeszierenden Schicht ermöglicht.

Die Entwicklung intumeszierender Beschichtungsformulierungen für Pulverbeschichtungen ist eine Herausforderung, da das Schmelzen, die Verteilung und die Fixierung des Pulvers auf der zu beschichtenden Oberfläche in der Regel bei Temperaturen erfolgt, die den Schwellenwert für die Auslösung des intumeszierenden Verhaltens der oben beschriebenen Komponenten überschreiten können.
Eine weitere Komplikation bei intumeszierenden Pulverbeschichtungen ist die Notwendigkeit, die Beschichtungsmatrix im Brandfall wieder zu erweichen, um die Volumenzunahme der intumeszierenden Bestandteile nicht zu inhibieren. Das bedeutet, dass duroplastisch basierte Pulverbeschichtungen, für die eine Vernetzung der Beschichtungsmatrix während ihrer Aushärtung typisch ist, nur bedingt für intumeszierende Beschichtungen geeignet sind. Daher können hauptsächlich Formulierungen mit einem thermoplastischen Bindemittel verwendet werden. Dies kann jedoch zusätzliche Probleme hinsichtlich der Verträglichkeit/Mischbarkeit und hinsichtlich der Auswahl der einzelnen Komponenten von intumeszierenden Pulverbeschichtungen verursachen.
Daher ist die Zahl der Versuche, anwendbare intumeszierende Pulverbeschichtungen zu entwickeln, bis heute recht begrenzt.
EP 1659157 A1 zielt darauf ab, die Verwendung herkömmlicher intumeszierender Zusammensetzungen von Flüssigbeschichtungen ohne größere Rezepturänderungen auf Pulverbeschichtungen zu übertragen. Die Patentschrift beschreibt eine klassische Variante von Intumeszenzbeschichtungen mit einem Polyphosphat als Säurebildner, Melamin als Treibmittel, das gasförmige Zersetzungsprodukte freisetzt, und einer kohlenstoffbildenden Komponente aus der Klasse der Polyole wie Pentaerythritol. Als Bindemittel werden Thermoplaste oder niedrigschmelzende Vorstufen von Duromeren verwendet.
Die WO 2007/140676 A1 beschreibt einen ähnlichen Ansatz. Die darin offengelegten intumeszierenden Formulierungen basieren auf einem niedrigtemperaturschmelzenden Polyester- oder Epoxidharz, Ammoniumpolyphosphat, Melamin, Pentaerythrit und Melaminpyrophosphat.
Basierend auf dem oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel und Verfahren bereitzustellen, um eine verbesserte intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung für Pulverbeschichtungen bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Beschreibung erreicht, wobei weitere vorteilhafte Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen, Beispielen, Figuren und der allgemeinen Beschreibung der vorliegenden Spezifikation beschrieben sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung, umfassend intumeszierende Komponenten, wobei die intumeszierenden Komponenten umfassen, insbesondere bestehen aus,

- mindestens einer organischen Säure oder/und ein Salze davon,
- mindestens einem thermoplastisches Bindemittel,
- wahlweise mindestens einem Hydrat.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats unter Verwendung der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine intumeszierende Pulverbeschichtung auf einem Substrat, umfassend mindestens eine organische Säure und/oder ein Salz davon, mindestens ein fixiertes thermoplastisches Bindemittel und wahlweise mindestens ein Hydrat.
Begriffe und Definitionen
Für die Auslegung dieser Spezifikation gelten die folgenden Definitionen, und wann immer es angebracht ist, beinhalten die im Singular verwendeten Begriffe auch den Plural und umgekehrt. Sollte eine der nachstehenden Definitionen im Widerspruch zu einem Dokument stehen, das durch Verweis in diese Spezifikation aufgenommen wurde, ist die nachstehende Definition maßgebend.
Die Begriffe „umfassend“, „aufweisend“, „enthaltend“ und „einschließend“ und andere ähnliche Formen sowie deren grammatikalische Äquivalente, wie sie hier verwendet werden, sollen in ihrer Bedeutung gleichwertig sein und ein offenes Ende haben, so dass ein Gegenstand oder mehrere Gegenstände, die einem dieser Wörter folgen, keine erschöpfende Auflistung eines solchen Gegenstands oder solcher Gegenstände darstellen oder nur den aufgeführten Gegenstand oder die aufgeführten Gegenstände beinhalten sollen. Ein Artikel, der die Komponenten A, B und C umfasst, kann beispielsweise aus den Komponenten A, B und C bestehen (d. h. nur diese enthalten) oder nicht nur die Komponenten A, B und C, sondern auch eine oder mehrere andere Komponenten enthalten. Es ist beabsichtigt und wird so verstanden, dass „umfasst“ und ähnliche Ausdrucksformen davon sowie deren grammatikalische Äquivalente die Offenlegung von Ausführungsformen von „im Wesentlichen bestehend aus“ oder „bestehend aus“ beinhalten.
Wird ein Wertebereich angegeben, so wird davon ausgegangen, dass jeder dazwischen liegende Wert bis zum Zehntel der Einheit der unteren Grenze, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt, zwischen der oberen und unteren Grenze dieses Bereichs und jedem anderen angegebenen oder dazwischen liegenden Wert in diesem angegebenen Bereich von der Offenbarung umfasst ist, vorbehaltlich jeder ausdrücklich ausgeschlossenen Grenze in dem angegebenen Bereich. Enthält der angegebene Bereich einen oder beide Grenzwerte, so beinhaltet die Offenbarung auch Bereiche, die einen oder beide dieser eingeschlossenen Grenzwerte ausschließen.
Die Bezugnahme auf „etwa“ einen Wert oder Parameter beinhaltet (und beschreibt) Variationen, die sich auf diesen Wert oder Parameter an sich beziehen. Zum Beispiel beinhaltet die Beschreibung von „etwa X“ die Beschreibung von „X“.
Wie hierin verwendet, einschließlich in den beigefügten Ansprüchen, beinhalten die Singularformen „ein“, „oder“ und „die“ Pluralbezüge, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie in der Fachwelt allgemein verstanden werden.
Der Begriff intumeszierende Komponente im Kontext der vorliegenden Spezifikation bezieht sich auf Komponenten der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, die im Brandfall für das Auftreten eines intumeszierenden Effekts einer intumeszierenden Pulverbeschichtung verantwortlich sind, die unter Verwendung der besagten intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung hergestellt wurde und sich bei Erreichen einer bestimmten Schwellentemperatur der intumeszierenden Beschichtung um einen Faktor zwischen dem 5- bis 100-fachen ihres Ausgangsvolumens, insbesondere um mindestens das 20-fache ihres Ausgangsvolumens, ausdehnen kann. Intumeszierende Komponenten im Kontext der vorliegenden Erfindung beinhalten eine organische Säure und/oder ein Salz davon, ein Hydrat und ein thermoplastisches Bindemittel.
Der Begriff Zersetzungstemperatur im Kontext der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Temperatur, bei der sich die organische Säure oder ein Salz davon zersetzt und gasförmige Zersetzungsprodukte freisetzt und bei der sich das Hydrat zersetzt und gebundenes Wasser freisetzt. Bei unterschiedlichen Zersetzungstemperaturen, z.B. einer organischen Säure und eines Hydrats, bestimmt die niedrigste Temperatur die Zersetzungstemperatur der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung.
Der Begriff Alaun im Kontext der vorliegenden Beschreibung bezieht sich auf eine Verbindung M^IM^III(SO₄)₂ × 12 H₂O, wobei M^I ein einwertiges Metallkation und M^III ein dreiwertiges Metallkation ist. Nicht einschränkende Beispiele für M^I sind Natrium-, Kalium-, Rubidium-, Cäsium- oder Ammoniumkationen und ihre organisch substituierten Derivate. Nicht einschränkende Beispiele für M^III sind Kationen von Aluminium, Gallium, Indium, Vanadium, Chrom, Eisen, Kobalt, Rhodium oder Iridium.
Der Begriff Hydrat im Kontext der vorliegenden Spezifikation bezieht sich auf eine anorganische Substanz, die gebundenes Wasser umfasst, d. h. Kristallwasser und/oder durch Chemi- und/oder Physisorption gebundenes Wasser. Nicht einschränkende Beispiele für ein Hydrat sind amorphe oder kristalline Alumosilikate wie Perlit, Pechstein, Vermiculit und NaAl(SOa)₂ × 24 H₂O oder Alaune wie NaAl(SOa)₂ × 12 H₂O.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung, umfassend intumeszierende Komponenten, wobei die intumeszierenden Komponenten umfassen, insbesondere bestehen aus,

In bestimmten Ausführungsformen umfassen die intumeszierenden Komponenten, insbesondere bestehen sie aus einer organischen Säure oder/und einem Salz davon, einem thermoplastischen Bindemittel und wahlweise einem Hydrat.
In bestimmten Ausführungsformen umfassen die intumeszierenden Komponenten, insbesondere bestehen sie aus einem Salz einer organischen Säure, einem thermoplastischen Bindemittel und wahlweise einem Hydrat.
In bestimmten Ausführungsformen umfassen die intumeszierenden Komponenten, insbesondere bestehen sie aus einem Salz einer organischen Säure und einem thermoplastischen Bindemittel.
Die Erfindung zielt darauf ab, die intumeszierenden Inhaltsstoffe im Vergleich zu den in herkömmlichen intumeszierenden Beschichtungen/Beschichtungsformulierungen verwendeten Inhaltsstoffen zu verändern, ohne die intumeszierende Leistung der resultierenden Pulverbeschichtung zu verschlechtern.
Bekannte Formulierungen umfassen mindestens vier verschiedene Arten von Komponenten zur Erzielung eines Intumeszenzeffekts, nämlich eine kohlenstoffbildende Komponente, einen Verkohlungskatalysator (in der Regel eine Säure), ein Treibmittel und ein niedrigschmelzendes Bindemittel. Im Gegensatz dazu umfassen erfindungsgemäße Pulverbeschichtungsformulierungen nur zwei bis drei verschiedene Arten von Komponenten. Jeder Komponententyp kann nur einen bestimmten Inhaltsstoff oder eine Mischung von Inhaltsstoffen umfassen. Eine intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung kann beispielsweise eine Mischung aus zwei verschiedenen organischen Säuren, einem thermoplastischen Bindemittel und wahlweise einem Hydrat/zwei verschiedenen Hydraten umfassen. Die organische Säure und das optionale Hydrat vereinen die Eigenschaften, die mit der kohlenstoffbildenden Komponente, dem Verkohlungskatalysator und dem Treibmittel der bekannten Formulierungen verbunden sind. So umfasst eine organische Säure typischerweise eine kohlenstoffhaltige Komponente, z. B. das Kohlenstoffgerüst einer Zuckersäure, und zumindest die Carbonsäurekomponente zerfällt im Brandfall in gasförmige Produkte. Außerdem dient die Säure als Verkohlungskatalysator.
Die Kombination verschiedener Eigenschaften in einer Komponente führt zu einer reduzierten Anzahl von intumeszierenden Komponenten. Dies ermöglicht eine schnelle und einfache Herstellung der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung zu geringeren Kosten. Ein Verfahren zur Herstellung der intumeszierenden Pulverbeschichtung kann nach den in der Fachwelt bekannten Standardverfahren durchgeführt werden.
Im Gegensatz zur Flüssigbeschichtung muss die Pulverbeschichtungsformulierung thermisch fixiert werden. Die Temperatur bei der Fixierung muss so gewählt werden, dass sie niedriger ist als die Zersetzungstemperatur der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung. Bei Verwendung einer Formulierung mit einer minimalen Anzahl verschiedener intumeszierender Komponenten wird die Temperaturregelung während des Beschichtungsprozesses erleichtert und die Wahrscheinlichkeit einer vorzeitigen thermischen Zersetzung der intumeszierenden Komponenten kann verringert werden.
Geeignete organische Säuren können biogenen oder synthetischen Ursprungs sein.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Salz der organischen Säure ausgewählt aus einem Salz eines Erdalkalimetalls, einem Salz eines Übergangsmetalls und einem Salz eines Post-Übergangsmetalls.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Salz der organischen Säure ausgewählt aus einem Calcium-, Magnesium-, Aluminium- und Zinksalz.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Salz der organischen Säure ein Calciumsalz.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Salz der organischen Säure ein Calciumsalz einer Zuckersäure.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Salz der organischen Säure ein Calciumsalz einer Zuckersäure, wobei die Zuckersäure ausgewählt ist aus Gluconsäure, Mucinsäure, Glucarsäure oder einem Stereoisomer davon.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Salz der organischen Säure ein Calciumsalz einer Zuckersäure, wobei die Zuckersäure ausgewählt ist aus Gluconsäure oder einem Stereoisomer davon.
In bestimmten Ausführungsformen ist die organische Säure ausgewählt aus einer Zuckersäure, einer Aminosäure, einer Polyaminocarbonsäure, einer Fruchtsäure, einer heterocyclischen Säure.
In bestimmten Ausführungsformen ist die organische Säure eine Zuckersäure.
In bestimmten Ausführungsformen,

- ist die Zuckersäure ausgewählt aus Gluconsäure, Schleimsäure, Glucarsäure oder einem Stereoisomer davon, und/oder
- ist die Aminosäure ausgewählt aus Glutaminsäure, Asparaginsäure, Leucin, und/oder
- ist die Polyaminocarbonsäure ausgewählt aus Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA), Propylendiamintetraessigsäure (PDTA), Nitrilotriessigsäure (NTA), β-Alanindiessigsäure (ADA), Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylenglykol-bis(aminoethylether)-N,N,N',N'tetraessigsäure (EGTA), Ethylendiamindibernsteinsäure (EDDS), und/oder
- ist die Fruchtsäure ausgewählt aus Oxalsäure, Fumarsäure, Weinsäure, und/oder
- ist die heterozyklische Säure ausgewählt aus Harnsäure, Orotsäure, Ascorbinsäure, Picolinsäure.

In bestimmten Ausführungsformen ist die Zuckersäure ausgewählt aus Gluconsäure, Schleimsäure, Glucarsäure oder einem Stereoisomer davon.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Zuckersäure ausgewählt aus Gluconsäure, Schleimsäure und Glucarsäure.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Aminosäure ausgewählt aus Glutaminsäure, Asparaginsäure, Leucin.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Polyaminocarbonsäure ausgewählt aus Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA), Propylendiamintetraessigsäure (PDTA), Nitrilotriessigsäure (NTA), β-Alanindiessigsäure (ADA), Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylenglykol-bis(aminoethylether)-N,N,N',N'tetraessigsäure (EGTA), Ethylendiamindibernsteinsäure (EDDS).
In bestimmten Ausführungsformen ist die Fruchtsäure ausgewählt aus Oxalsäure, Fumarsäure, Weinsäure.
In bestimmten Ausführungsformen ist die heterocyclische Säure ausgewählt aus Harnsäure, Orotsäure, Ascorbinsäure, Picolinsäure.
Die Volumenzunahme der intumeszierenden Pulverbeschichtung im Brandfall kann weiterhin durch Zugabe eines Hydrats verbessert werden.
Ein Hydrat enthält gebundenes Wasser. Das gebundene Wasser ist eine weitere Quelle für gasförmige Bestandteile, die bei der thermischen Zersetzung die Ausdehnung der intumeszierenden Beschichtung fördern. Das gebundene Wasser kann nicht nur Kristallwasser sein, sondern auch Wassermoleküle, die durch Physisorption oder Chemisorption gebunden sind.
Die verbleibenden anorganischen Bestandteile des Hydrats weisen nach der thermischen Zersetzung eine Gerüstfunktion auf, die die Schaumbildung weiterhin unterstützt.
Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Hydrate sind Perlit, Pechstein und Vermiculit.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Hydrat ausgewählt aus

- einem amorphen oder kristallinen Alumosilikat mit gebundenem Wasser, insbesondere mit bis zu 24 Molekülen gebundenem Wasser,
- ein Alaun mit Kristallwasser, insbesondere mit bis zu 12 Molekülen Wasser oder Kristallwasser.

In bestimmten Ausführungsformen ist das Hydrat ausgewählt aus einem amorphen oder kristallinen Aluminosilikat mit gebundenem Wasser.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Hydrat ausgewählt aus einem amorphen oder kristallinen Aluminosilicat mit bis zu 24 Molekülen gebundenem Wasser.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Alumosilikat ausgewählt aus Perlit, Pechstein, Vermiculit, NaAl(SOa)₂ × 24 H₂O, und/oder der Alaun ist NaAl(SOa)₂ × 12 H₂O.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Alumosilikat ausgewählt aus Perlit, Pechstein, Vermiculit und NaAl(SOa)₂ x 24 H₂O.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Alumosilikat ausgewählt aus Perlit, Pechstein und Vermiculit.
In bestimmten Ausführungsformen ist der Alaun NaAl(SOa)₂ x 12 H₂O.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Hydrat ausgewählt aus Perlit, Pechstein, Vermiculit, NaAl(SOa)₂ × 24 H₂O und Alaun (insbesondere NaAl(SOa)₂ × 12 H₂O).
In bestimmten Ausführungsformen ist das Hydrat ausgewählt aus Perlit, Pechstein, Vermiculit und NaAl(SOa)₂ × 24 H₂O.
In bestimmten Ausführungsformen ist das Hydrat ausgewählt aus Perlit, Pechstein und Vermiculit.
Die organische Säure und das Hydrat zersetzen sich bei ihrer jeweiligen Zersetzungstemperatur. Um den Temperaturbereich zu vergrößern, in dem sich die intumeszierende Schicht im Brandfall ausbildet, kann eine organische Säure mit einer Zersetzungstemperatur gewählt werden, die sich von der Zersetzungstemperatur des Hydrats unterscheidet. So kann die Formulierung beispielsweise eine organische Säure umfassen, die sich bei 200 °C zersetzt, und ein Hydrat, das sich bei 250 °C zersetzt. Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn zwei verschiedene organische Säuren und/oder deren Salze verwendet werden, die sich in ihrer jeweiligen Zersetzungstemperatur unterscheiden.
In bestimmten Ausführungsformen ist die Zersetzungstemperatur

- von zwei oder mehr organischen Säuren und/oder deren Salzen und/oder
- der organischen Säure und/oder ihres Salzes und des Hydrats

In bestimmten Ausführungsformen ist die Zersetzungstemperatur der organischen Säure und/oder des Salzes davon und die Zersetzungstemperatur des Hydrats voneinander verschieden.
Geeignete Bindemittel sind thermoplastische Bindemittel, deren Erweichung im Brandfall gleichzeitig mit den hitzebedingten Reaktionen der anderen intumeszierenden Komponenten abläuft und so eine leichte Bildung der voluminösen intumeszierenden Schicht ermöglicht.
In bestimmten Ausführungsformen ist das thermoplastische Bindemittel ausgewählt aus Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyamid.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung kann auf eine Oberfläche, z. B. eine Metalloberfläche, aufgetragen werden. Geeignete thermoplastische Bindemittel für die Beschichtung einer metallischen Oberfläche sind dem Fachmann bekannt.
In einigen Fällen kann das Metall mit einer Grundschicht überzogen werden, um die mechanischen Eigenschaften zu verändern und/oder einen Korrosionsschutz zu erreichen. In der Regel basiert eine solche Grundschicht auf einem Duroplast. Wenn eine intumeszierende Beschichtung auf das vorbeschichtete Metall aufgebracht wird, geht das thermoplastische Bindemittel der intumeszierenden Beschichtung eine Wechselwirkung mit der auf Duroplast basierenden Beschichtung ein. Der Fachmann wird geeignete thermoplastische Bindemittel für solche Anwendungen auswählen. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete thermoplastische Bindemittel sind Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid und Polyamid.
In bestimmten Ausführungsformen liegt der Massenanteil der organischen Säure, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, zwischen 17 und 40 Masse-%, insbesondere zwischen 20 und 33 Masse-%, und/oder der Massenanteil des Hydrats, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, liegt zwischen 8 und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 10 und 17 Gew.-%, und/oder der Massenanteil des thermoplastischen Bindemittels, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, liegt zwischen 30 und 75 Gew.-%, insbesondere zwischen 35 und 60 Gew.-%,
wobei die Summe der Massenanteile der organischen Säure, des Hydrats und des thermoplastischen Bindemittels 100 % nicht überschreitet.
In bestimmten Ausführungsformen liegt der Massenanteil der organischen Säure, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, zwischen 17 und 40 Gew.-%, insbesondere zwischen 20 und 33 Gew.-%, und/oder
der Massenanteil des thermoplastischen Bindemittels, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, liegt zwischen 30 und 75 Gew.-%, insbesondere zwischen 35 und 60 Gew.-%,
wobei die Summe der Massenanteile der organischen Säure und des thermoplastischen Bindemittels 100 % nicht überschreitet.
In bestimmten Ausführungsformen liegt der Massenanteil der organischen Säure, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtung, zwischen 17 und 40 Gew.%, insbesondere zwischen 20 und 33 Gew.-%.
In bestimmten Ausführungsformen liegt der Massenanteil des Hydrats, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, zwischen 8 und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 10 und 17 Gew.-%.
In bestimmten Ausführungsformen liegt der Massenanteil des thermoplastischen Bindemittels, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, zwischen 30 und 75 Gew.-%, insbesondere zwischen 35 und 60 Gew.-%.
Eine Beschichtungsformulierung enthält häufig weiterhin Komponenten wie eine oder mehrere Komponenten, die aus einem Verlaufsmittel, einem Entgasungsmittel, einem Netzmittel, einem Füllstoff, einem Farbpigment und einem Korrosionsschutzpigment ausgewählt werden. Solche Komponenten tragen typischerweise zu ca. 20 Gew.-% in Bezug auf die gesamte Masse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung bei.
In bestimmten Ausführungsformen übersteigt die Summe der Massenanteile der organischen Säure, des optionalen Hydrats und des thermoplastischen Bindemittels nicht 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung.
In bestimmten Ausführungsformen übersteigt die Summe der Masseanteile der organischen Säure und des thermoplastischen Bindemittels 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, nicht.
Um das Auftragen und Verteilen der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung auf einer zu beschichtenden Oberfläche zu erleichtern, liegen die Bestandteile in Form kleiner Pulverteilchen vor.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Formulierung Partikel mit einem Durchmesser von 1 µm bis 250 µm, insbesondere von 5 µm bis 250 µm.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Formulierung Partikel mit einem Durchmesser von 5 µm bis 100 µm, insbesondere von 10 µm bis 60 µm.
In bestimmten Ausführungsformen besteht die Formulierung aus Partikeln mit einem Durchmesser zwischen 1 µm und 250 µm, insbesondere zwischen 5 µm und 250 µm.
In bestimmten Ausführungsformen besteht die Formulierung aus Partikeln mit einem Durchmesser zwischen 5 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 60 µm.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats unter Verwendung der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung wird durch Standard-Pulverbeschichtungsverfahren aufgebracht, die dem Fachmann bekannt sind. Nicht einschränkende Beispiele sind elektrostatischer, triboelektrischer, Wirbelschicht- oder Thermosprühauftrag, gefolgt von thermischer Fixierung.
Um eine vorzeitige Bildung der intumeszierenden Schicht zu vermeiden, sollte die Temperatur für die thermische Fixierung der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung niedriger sein als die Zersetzungstemperatur der Formulierung. So sollte beispielsweise eine Formulierung mit einer organischen Säure, die sich bei 200 °C zersetzt, und einem Hydrat, das sich bei 250 °C zersetzt, bei einer Temperatur unter 200 °C thermisch fixiert werden.
In bestimmten Ausführungsformen wird die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung thermisch fixiert, insbesondere bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Zersetzungstemperatur der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung.
In bestimmten Ausführungsformen wird die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung bei einer Temperatur zwischen 80 °C und 300 °C thermisch fixiert, wobei die Fixierungstemperatur niedriger ist als die Zersetzungstemperatur der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung.
Geeignete Oberflächen für die Beschichtung sind unbeschichtete oder beschichtete Metalloberflächen.
In bestimmten Ausführungsformen besteht die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats aus

- einem Metall, insbesondere aus Stahl, weiter insbesondere aus Blankstahl, Edelstahl oder verzinktem Stahl, und/oder
- einer Pulverbeschichtung, insbesondere einer Pulverbeschichtung, die ein wärmehärtendes Polymer oder ein thermoplastisches Polymer, insbesondere ein Polyurethan, ein auf Epoxid basierendes Polymer oder ein auf Acrylat basierendes Polymer umfasst.

Wenn die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung direkt auf eine Metalloberfläche aufgebracht werden soll, sollte die Oberfläche eine ausreichende Oberflächenrauheit aufweisen. Geeignete Metalloberflächen zeichnen sich durch eine Oberflächenrauhigkeit zwischen 20 und 100 µm Rz aus. Diese Oberflächenrauheit kann durch mechanische Reinigung oder durch eine chemische Vorbehandlung mittels Eisen- und Zinkphosphatierung erreicht werden. Als Substrat eignet sich beispielsweise Stahl, der gemäß der internationalen ISO-Norm 8501-1 als SA 2 ½ („Near White Blast Cleaning“) oder SA 3 („White Metal Blast Cleaning“) klassifiziert ist.
In bestimmten Ausführungsformen ist die zu beschichtende Oberfläche durch eine Oberflächenrauhigkeit zwischen 20 und 100 µm Rz gekennzeichnet.
Im Hinblick auf den zweiten Aspekt der Erfindung wird auf die Ausführungsformen und die Beschreibung des ersten Aspekts der Erfindung verwiesen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine intumeszierende Pulverbeschichtung auf einem Substrat, umfassend mindestens eine organische Säure und/oder ein Salz davon, mindestens ein fixiertes thermoplastisches Bindemittel, und wahlweise mindestens ein Hydrat.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst die intumeszierende Pulverbeschichtung auf einem Substrat eine organische Säure und/oder ein Salz davon, ein fixiertes thermoplastisches Bindemittel und gegebenenfalls ein Hydrat.
Die intumeszierende Pulverbeschichtung auf einem Substrat kann durch das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erhalten werden.
In bestimmten Ausführungsformen besteht die Oberfläche des Substrats, die mit der intumeszierenden Beschichtung in Berührung kommt, aus

- einem Metall, insbesondere aus Stahl, weiter insbesondere aus Blankstahl, rostfreiem Stahl oder verzinktem Stahl, und/oder
- einer Pulverbeschichtung, umfassend ein wärmehärtendes Polymer oder ein thermoplastisches Polymer, insbesondere Polyurethan, ein auf Epoxid basierendes Polymer oder ein auf Acrylat basierendes Polymer.

Im Hinblick auf den dritten Aspekt der Erfindung wird auf die Ausführungsformen und die Beschreibung des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung verwiesen.
Beispiele
Beispiel 1: Herstellung und Prüfung einer intumeszierenden
Pulverbeschichtungsformulierung gemäß der Erfindung
A. 5,6 g eines handelsüblichen thermoplastischen Pulverlacks, der ein auf Polypropylen basierendes Bindemittel umfasst, wurden mit 1,4 g Calciumgluconat-Monohydrat vorgemischt. Diese Mischung wurde anschließend mit einem gegenläufigen, konischen, ineinandergreifenden Doppelschneckenextruder bei einer Schneckendrehzahl von 50 U/min und einer Zylindertemperatur von 115 °C 15 Minuten lang extrudiert. Der Strang wurde nach der Extrusion abgekühlt und in Stücke von 4 bis 6 mm Länge geschnitten. Diese wurden dann zu einem groben Pulver gemahlen.
B. Die in Schritt A erhaltene thermoplastische Pulverbeschichtungsformulierung wurde für die Beschichtung der Proben aus kohlenstoffarmem Stahl verwendet. In der Regel wurde 1 g des oben genannten Verbundpulvers gleichmäßig über die Fläche der Stahlprobe mit den Abmessungen 7 cm (Länge) und 5 cm (Breite) verteilt, was eine Beschichtungsschicht mit einer theoretischen Dicke von etwa 260 Mikrometern ausbilden sollte. Die Stahlprobe mit der Pulverschicht wurde allmählich auf eine Temperatur von 110-115 °C erwärmt und einige Minuten lang bei diesen Bedingungen gehalten, damit sich eine homogene, fluidisierte Beschichtungsschicht bilden konnte. Nach dem Abkühlen erhielt man auf der Oberfläche des Probekörpers eine Verbundschicht mit einer durchschnittlichen Dicke von 0,7 mm.
Die in Schritt B erhaltene beschichtete Probe wurde auf die auf 115 °C vorgewärmte Oberfläche der Heizplatte gelegt, so dass nur ein Teil der Probe vollen Kontakt mit der Oberfläche der Heizplatte hatte, während der gegenüberliegende Teil der Probe ohne direkten Kontakt blieb. Die Temperatur des Probekörpers wurde dann innerhalb der nächsten 5 Minuten schrittweise auf 300 °C erhöht. In der Anfangsphase der Erwärmung im Temperaturbereich unter 175 °C wurden nur sehr schwache Veränderungen in der Dicke der Verbundbeschichtung beobachtet, die sich auf eine Zunahme der Dicke auf 1 mm beliefen. Dagegen wurde im Temperaturbereich zwischen 175 und 260 °C eine starke und beschleunigte Zunahme des Schichtvolumens registriert. Bei Erreichen der oberen Grenztemperatur erreichte die Dicke der Verbundbeschichtung den Wert von 12 mm. In der Endphase der Erwärmung bis 300 °C wurde der wesentlich langsamere Dickenanstieg beobachtet, der sich auf die Enddicke von ca. 14 mm belief. Insgesamt wurde bei Erreichen der Probentemperatur von 300 °C eine 20-fache Dickenzunahme der Verbundpulverschicht registriert. Die so entstandene stark gequollene Beschichtungsschicht wies eine hochporöse, schaumartige Innenstruktur mit einer schwachen Wärmeleitfähigkeit auf, die somit eine gute thermische Isolierung des beschichteten Substrats ermöglichen kann.
Beispiel 2 (Vergleichendes Experiment)
Das thermoplastische Standardpulver, das ein auf Polypropylen basierendes Bindemittel ohne intumeszierende Zusätze umfasst, wurde auf die Proben aus kohlenstoffarmem Stahl aufgebracht. Typischerweise wurde 1 g dieses Pulvers gleichmäßig auf der Oberfläche einer Stahlprobe mit einer Gesamtfläche von 35 cm2 (7 cm Länge und 5 cm Breite) verteilt, was eine Beschichtungsschicht mit einer theoretischen Dicke von etwa 305 Mikron ausbilden sollte. Die Stahlprobe mit dem Pulver auf der Oberseite wurde dann allmählich auf eine Temperatur von 110-115 °C erhitzt und einige Minuten lang bei diesen Bedingungen gehalte, damit sich eine homogene, fluidisierte Beschichtungsschicht bilden konnte. Nach dem Abkühlen erhielt man auf der Oberfläche des Probekörpers eine Schicht der thermoplastischen Beschichtung mit einer durchschnittlichen Dicke von 0,3 bis 0,5 mm.
Die so erhaltene beschichtete Probe wurde auf die Heizplatte gelegt und in den nächsten 5 Minuten schrittweise von Raumtemperatur auf eine Temperatur von 300 °C aufgeheizt. In der ersten Stufe des Aufheizvorgangs unter 190 °C war die Beschichtung geschmolzen, zeigte aber keine Veränderungen in der Dicke. Bei der weiteren Erhöhung der Temperatur wurde eine stetig zunehmende Dampfentwicklung beobachtet, gefolgt von einem leichten (bis zu 1 mm) Anstieg der Schichtdicke aufgrund des Blaseffekts der gasförmigen Produkte der allmählichen thermischen Zersetzung der Beschichtung. Bei einer Temperatur von 300 °C wurde eine intensive Rauchentwicklung festgestellt, und es wurden deutliche Anzeichen für den Schichtabbau ohne nennenswerte Quellung beobachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1659157 A1 [0007]
WO 2007/140676 A1 [0008]

Claims

Eine intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung, umfassend intumeszierende Komponenten, wobei die intumeszierenden Komponenten umfassen, insbesondere bestehen aus, - mindestens einer organische Säure oder/und ein Salz davon, - mindestens einem thermoplastisches Bindemittel, - wahlweise mindestens einem Hydrat.
Die intumeszierende Pulverbeschichtung gemäß Anspruch 1, wobei die organische Säure ausgewählt ist aus einer Zuckersäure, einer Aminosäure, einer Polyaminocarbonsäure, einer Fruchtsäure, einer heterocyclischen Säure.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung gemäß Anspruch 2, wobei - die Zuckersäure ausgewählt ist aus Gluconsäure, Schleimsäure, Glucarsäure oder einem Stereoisomer davon, und/oder - die Aminosäure ausgewählt ist aus Glutaminsäure, Asparaginsäure, Leucin, und/oder - - die Polyaminocarbonsäure ausgewählt ist aus Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA), Propylendiamintetraessigsäure (PDTA), Nitrilotriessigsäure (NTA), β-Alanindiessigsäure (ADA), Methylglycindiessigsäure (MGDA), Ethylenglykol-bis(aminoethylether)-N,N,N',N'-Tetraessigsäure (EGTA), Ethylendiamindibernsteinsäure (EDDS) und/oder - die Fruchtsäure ausgewählt ist aus Oxalsäure, Fumarsäure, Weinsäure und/oder - die heterozyklische Säure ist ausgewählt aus Harnsäure, Orotsäure, Ascorbinsäure, Picolinsäure.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Salz der organischen Säure ausgewählt ist aus einem Salz eines Erdalkalimetalls, einem Salz eines Übergangsmetalls und einem Salz eines Post-Übergangsmetalls, insbesondere einem Calciumsalz, einem Magnesiumsalz, einem Aluminiumsalz oder einem Zinksalz.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hydrat ausgewählt ist aus - einem amorphes oder kristallines Alumosilikat mit gebundenem Wasser, insbesondere mit bis zu 24 Molekülen gebundenem Wasser, - einem Alaun mit Kristallwasser, insbesondere mit bis zu 12 Molekülen Kristallwasser.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Alumosilikat ausgewählt ist aus Perlit, Pechstein, Vermiculit, NaAl(SOa)₂ × 24 H₂O und/oder - der Alaun ist NaAl(SOa)₂ × 12 H2O.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermoplastische Bindemittel ausgewählt ist aus Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyamid.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Massenanteil der organischen Säure, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, zwischen 17 und 40 Gew.-%, insbesondere zwischen 20 und 33 Gew.-%, liegt und/oder der Massenanteil des Hydrats, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, zwischen 8 und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 10 und 17 Gew.-%, liegt und/oder der Massenanteil des thermoplastischen Bindemittels, bezogen auf die Gesamtmasse der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung, zwischen 30 und 75 Gew.-%, insbesondere zwischen 35 und 60 Gew.-% liegt, wobei die Summe der Massenanteile der organischen Säure, des Hydrats und des thermoplastischen Bindemittels 100 % nicht überschreitet.
Die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Formulierung Partikel mit einem Durchmesser von 1 µm bis 250 µm, insbesondere von 5 µm bis 250 µm, umfasst, insbesondere aus solchen besteht.
Ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats unter Verwendung der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die intumeszierende Pulverbeschichtungsformulierung thermisch fixiert wird, insbesondere bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Zersetzungstemperatur der intumeszierenden Pulverbeschichtungsformulierung.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats besteht aus - einem Metall, insbesondere aus Stahl, weiter insbesondere aus Blankstahl, Edelstahl oder verzinktem Stahl, und/oder - einer Pulverbeschichtung, insbesondere eine Pulverbeschichtung, die ein wärmehärtendes Polymer oder ein thermoplastisches Polymer, insbesondere ein Polyurethan, ein Polymer auf Epoxidbasis oder ein Polymer auf Acrylatbasis umfasst.
Eine intumeszierende Pulverbeschichtung auf einem Substrat, insbesondere hergestellt gemäß dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, umfassend mindestens eine organische Säure und/oder deren Salz, mindestens ein fixiertes thermoplastisches Bindemittel und wahlweise mindestens ein Hydrat.
Die intumeszierende Pulverbeschichtung auf einem Substrat gemäß Anspruch 13, wobei die Oberfläche des Substrats, die die intumeszierende Beschichtung berührt, besteht aus - einem Metall, insbesondere aus Stahl, vor allem aus Blankstahl, Edelstahl oder verzinktem Stahl, und/oder - - einer Pulverbeschichtung, die ein wärmehärtendes Polymer oder ein thermoplastisches Polymer, insbesondere Polyurethan, ein Polymer auf Epoxidbasis oder ein Polymer auf Acrylatbasis umfasst.