DE19533858A1 - Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für organische Überzüge auf Holz und Holzwerkstoffen, die unter Ausnutzung der Kräfte des elektrischen Feldes als Flüssig- oder Pulverlack aufgetragen werden. Sie beinhaltet eine Technologie zur Erzeugung der für den elektrostatischen Applikationsprozeß notwendigen elektri­ schen Oberflächenleitfähigkeit des Substratwerkstoffes bei gleichzeitiger Reduzie­ rung des Feuchtegehaltes. Mögliche Anwendungsgebiete sind die elektrostatische Lackierung von Gegenständen aus Massivholz oder Holzwerkstoffen sowie deren Pulverlackierung, insbesondere von mitteldichten Faserplatten (MDF).

Die elektrostatischen Beschichtungsverfahren erfordern zur Ausbildung eines elek­ trischen Feldes zwischen dem Sprühgerät und der zu beschichtenden Oberfläche eine bestimmte elektrische Mindestleitfähigkeit, damit die Ladungen der aufgesprüh­ ten Lackpartikel zur Erde abfließen bzw. bei Pulverlacken deren Ladung durch eine zur Werkstückoberfläche fließende Gegenladung kompensiert werden können. Die­ se Ableitfähigkeit kann durch einen entsprechend niedrigen Oberflächenwiderstand oder Durchgangswiderstand (Volumenwiderstand) realisiert werden. Bei der elek­ trostatischen Naßlackierung von Kunststoffen soll der Oberflächenwiderstand nach DIN 53482 kleiner als 10¹¹ Ω sein [Taschenbuch für Lackierbetriebe 1990, Vincentz Verlag, S. 184 und 192], dem entspricht nach DIN IEC 93 ein spezifischer Ober­ flächenwiderstand R < 10¹² Ω. Für die Pulverlackierung von Holzwerkstoffen wird ein spezifischer Oberflächenwiderstand R < 10¹⁰ . . . 10¹¹ Ω als Voraussetzung ange­ sehen [HK Holz- und Kunststoffverarbeitung 30 (1995) 6, S. 853].

Um diese Bedingung zu erfüllen, muß das zu beschichtende Teil aus Holz oder Holzwerkstoff eine bestimmte Mindestfeuchtigkeit aufweisen. Andererseits darf der Feuchtegehalt aber nicht zu groß sein, damit es nicht zu Lackfilmfehlern kommt.

Als günstigster Bereich für die elektrostatische Lackierung mit Flüssiglacken wird eine Holzfeuchte von 8 . . . 12% angesehen [I-Lack 58 (1990) H. 8, S. 312-313 und I-Lack 57 (1989) 7, S. 233-237].

Bei der Beschichtung mit Pulverlacken führt ein so hoher Feuchtegehalt aber zu Blasen, Poren oder Kratern im Überzug. Die zum Schmelzen und anschließenden chemischen Vernetzen der aufgetragenen Pulverschicht erforderliche Temperatur liegt über 100°C und verursacht ein Verdampfen von Wasser aus dem Untergrund­ werkstoff. Der Wasserdampf muß durch den sich bildenden Lackfilm hindurchtreten, wobei er obige Lackfilmfehler verursacht [HK Holz- und Kunststoffverarbeitung 1995, H. 6, S. 848-855; Maschinenmarkt 101 (1995) 18, S. 92-97].

Aufgrund des konträren Einflusses der Holzfeuchte auf die für den elektrostatischen Applikationsprozeß notwendige elektrische Leitfähigkeit einerseits und die Blasen­ bildung durch Wasserdampfaustritt in der Schmelz- und Vernetzungsphase anderer­ seits hat die Pulverlackierung in der holzverarbeitenden Industrie bisher nur in sehr wenigen Fällen eine industrielle Anwendung gefunden angesehen [HK Holz- und Kunststoffverarbeitung 30 (1995) 6, S. 848].

Bei der elektrostatischen Naßlackierung ist in der Holzindustrie zur Leitfähigkeitser­ höhung eine erhöhte Luftfeuchtigkeit oder ein vorheriges Befeuchten Stand der Technik [Metalloberfläche 49 (1995) 9, S. 716). Eine solche Behandlung ist aber nicht unproblematisch, weil das Wasser an der Oberfläche die Holzfasern rasch aufrichtet und ihre Form verändert, wodurch für den Lackfluß mechanische Barrieren entstehen [Pecina u. a.: Lack auf Holz, Vincentz Verlag Hannover, 1995, S. 77].

Für die Pulverbeschichtung ist ein Verfahren bekannt, bei dem das zu beschichten­ de Teil aus Holz oder Holzwerkstoff zunächst auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Pulverlacks erwärmt und dann das Pulver auf die heißen Flächen appliziert wird, so daß es sofort ansintert [Holz-Zentralblatt 119 (1993) 57]. Nachteil dieser Technologie ist, daß der mit der elektrostatischen Pulverbeschich­ tung auf kalte Flächen verbundene Effekt der selbsttätigen Schichtbegrenzung nicht zum Tragen kommt, und bei profilierten oder aus verschiedenen Materialien zusam­ mengesetzten Beschichtungsteilen die Einhaltung einer konstanten Schichtdicke aufgrund des nicht konstanten Temperaturprofils sehr schwierig ist. Hinzu kommt das höhere Gefahrenpotential bei so starker Erwärmung der Teile aus brennbarem Material.

In der DE 32 18 985 B05D 3/00 ist eine Methode beschrieben, bei der langgestreckte Stücke aus Holz, z. B. Balken, nach der Lackierung bzw. Pulverbeschichtung mittels resistiver Erwärmung auf eine Temperatur von 60 . . . 80°C bei flüssigen Anstrichstof­ fen bzw. auf 180 . . . 200°C beim Pulverbeschichten erhöht und zur Vernetzung des Films 0,5 . . . 2 Stunden (Naßlack) bzw. ca. 15 Minuten (Pulverlack) gehalten wird.

Dieses Verfahren löst nicht das Problem der Blasenbildung während der Lackhär­ tung, weil der Wasserdampf bei dem mit fortschreitendem Vernetzungsprozeß ein­ tretenden Übergang in die feste Phase noch nicht vollständig ausgetrieben wurde.

Eine bekannte Methode zur Beschichtung von MDF-Teilen sieht vor der elektrostati­ schen Pulverlackierung eine Flüssiglack-Grundierung vor, die folgende Funktionen erfüllen soll:

• - Erzeugung einer elektrisch ausreichend leitfähigen Oberfläche und
• - Vermeidung des Feuchteaustritts durch dampfdichte Versiegelung der Beschichtungsfläche [DE 37 24 804 B05D 7/06; I-Lack 63 (1995) 3, S. 96-98].

Von Vorteil ist bei dieser Methode, daß die so behandelten MDF-Teile gemeinsam mit zugehörigen Metallteilen, z. B. Befestigungselementen, durch die Beschichtungs­ anlage einschließlich Aushärteofen laufen können. Als Nachteil sind die zur Erfül­ lung obiger Funktionen notwendige hohe Schichtdicke der Grundierung sowie der zusätzliche Aufwand für den Lackauftrag und für den sehr sorgfältig auszuführenden Zwischenschliff einzuschätzen, die den eigentlichen Vorteil der Pulverlackierung mindern.

Der gegenwärtige Stand der Technik bietet somit noch keine befriedigende Lösung für die Direktbeschichtung von Holzwerkstoffen mit Pulverlack. Auch bei der elek­ trostatischen Naßlackierung ist aufgrund der starken Feuchteabhängigkeit des elek­ trischen Widerstandes das Prozeßfenster so klein, daß es im Routinebetrieb schwer einzuhalten ist und diese Technologie trotz der erzielbaren hohen Qualität und öko­ logischen Vorteile nur selten zum Einsatz kommt [I-Lack 62 (1994)10, S. 353].

Das Problem der Erfindung besteht darin, bei einem niedrigen, den Filmbildungspro­ zeß nicht störenden Feuchtegehalt des Beschichtungsteils aus Holz oder Holzwerk­ stoff eine so hohe Oberflächenleitfähigkeit zu realisieren, daß eine direkte elektro­ statische Applikation von Flüssig- oder Pulverlack problemlos möglich ist.

Dieses Problem wird gemäß Anspruch 1 der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Er­ höhung der Oberflächenleitfähigkeit auf einen für die elektrostatische Applikation ausreichenden Wert eine Erwärmung mittels elektromagnetischer Strahlung von der Rückseite her oder von innen heraus erfolgt.

Eine erfindungsgemäße Ausführung gemäß Anspruch 2 sieht die Erwärmung mittels einer auf die Beschichtungsfläche gegenüberliegende Rückseite des Beschichtungs­ teils gerichtete Infrarotstrahlung vor.

In einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird das Be­ schichtungsteil vor der Pulverapplikation im elektrischen Hochfrequenzfeld oder mittels Mikrowellen erwärmt.

Weitere, in den Ansprüchen 4 bis 6 angegebene Ausführungsarten der Erfindungs­ merkmale beziehen sich auf die zweckmäßigste Gestaltung des Temperatur-Zeit- Regimes.

Entsprechend Anspruch 7 kann erfindungsgemäß der Effekt der Leitfähigkeitserhö­ hung, der sich bei der erfindungsgemäßen Behandlung des Beschichtungsteils mit elektromagnetischen Wellen infolge des sich in den kühleren Oberflächenschichten anreichernden Wassers dadurch verstärkt werden, daß vor der Erwärmung auf die zu beschichtende Fläche eine penetrierende feuchtigkeitsbindende Substanz aufge­ tragen wird.

Anspruch 8 gibt eine zweckmäßige Ausführungsart der Erfindung für die Pulverbe­ schichtung von Holz und Holzwerkstoffen an. Durch die Erwärmung in der erfinderi­ schen Art und Weise bis zum beginnenden Wiederanstieg des Oberflächenwider­ standes wird der minimale Feuchtegehalt im Substratwerkstoff erzielt und damit eine günstige Bedingung für die spätere Filmbildung geschaffen.

Eine besonders für die Beschichtung von mittel- oder hochdichten Faserplatten vor­ teilhafte Ausführung der Erfindung beinhaltet Anspruch 9. Darin wird vorgeschlagen, vor der Behandlung mit elektromagnetischer Strahlung die gefrästen Profile oder Schmalflächen durch Auftragen eines flüssigen Beschichtungsstoffes oder ther­ misch-mechanische Verfahren wie das Reibglätten zu verdichten.

Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Prinzipbild der Verfahrensschritte bei einer Vorbehandlung mittels Infrarotbestrahlung auf die Rückseite gemäß Beispiel 1,

Fig. 2 Temperaturverlauf an verschiedenen Stellen bei IR-Erwärmung von der Rückseite von des Beschichtungsteils nach Beispiel 1

Fig. 3 Zugehöriger Verlauf des spezifischen Oberflächenwiderstandes R auf beiden Plattenseiten bei einem Temperaturverlauf nach Fig. 2,

Fig. 4 Prinzipbild des Verfahrensablaufs bei einer Strahlungsvorbehandlung im hochfrequenten elektromagnetischen Feld und UV-Pulverlackhärtung.

Beispiel 1 beschreibt die einseitige Pulverlackierung eines Flachteils, z. B. einer Tisch- oder Fußbodenplatte aus furnierter Spanplatte oder mitteldichter Faserplatte (MDF). Vor der Behandlung wird das Beschichtungsteil erfindungsgemäß unter ei­ nem Infrarotstrahler (IR-Strahler) von der Rückseite aus erwärmt, z. B. auf einem Rollenband, anschließend gewendet und auf eine geerdete Unterlage gelegt, z. B. ein leitfähiges Transportband, und dann in bekannter Weise pulverlackiert

Fig. 2 zeigt für eine 16 mm dicke MDF-Platte mit einem Ausgangsfeuchtegehalt von 6% den Temperaturverlauf auf der Strahlerseite (= Beschichtungsrückseite), in der Plattenmitte und auf der Schattenseite (= Beschichtungsfläche). Die gewählte Be­ strahlungsleistung beträgt ca. 16 kW m^-2 in der Aufheizphase, für die Konstant­ haltung von 150°C Oberflächentemperatur auf der Strahlerseite sind 9 . . . 8 kW m^-2 erforderlich. Der zugehöriger Verlauf des spezifischen elektrischen Oberflächen­ widerstandes R ist in Fig. 3 angegeben. Nach ca. 10 Minuten hat der Oberflä­ chenwiderstand auf der Schattenseite sein Minimum erreicht. Entsprechend dem Temperatur-Zeit-Regime nach Anspruch 8 verläßt das Beschichtungsteil jetzt den IR-Kanal, wird gewendet, auf ein leitfähiges Transportband gelegt und in bekannter Weise pulverbeschichtet. Anschließend erfolgt das Aufschmelzen der Pulverschicht und Aushärten des Überzugs in einem kombinierten IR-/Konvektions-Ofen.

Fig. 3 demonstriert auch den Vorteil der erfindungsgemäßen IR-Behandlung von der Rückseite. Während auf der direkt erwärmten Seite (Strahlerseite) der Oberflächen­ widerstand nach Abschluß der Bestrahlung sehr schnell auf Werte oberhalb des für die elektrostatische Applikation zulässigen Höchstwertes ansteigt (R < 10¹⁰ Ω), bleibt auf der zu beschichtenden Schattenseite der Oberflächenwiderstand über eine ausreichend lange Zeit stabil unterhalb des zulässigen Grenzwertes, so daß die Be­ schichtung auf eine unter die Schmelztemperatur des Pulverlacks abgekühlte Fläche erfolgen kann, wodurch die Zündgefahr wesentlich gemindert und der Selbstbegren­ zungseffekt der Schichtdicke wirksam wird.

Das zweite Ausführungsbeispiel erläutert die erfindungsgemäßen Oberflächen­ behandlung eines profilierten Teils aus MDF, z. B. des Frontteils eines Büromöbels. Fig. 4 gibt den technologischen Ablauf bei Anwendung eines UV-härtenden Pulver­ lacks schematisch wieder.

Die Profilierung erfolgt zweckmäßigerweise auf einer Oberfräsmaschine, auf der an­ schließend mittels eines dem gefrästen Profil nachgeführten Glättwerkzeugs unter gleichzeitiger Einwirkung von Druck und Wärme eine Verdichtung der Oberfläche erfolgt. Das so bearbeitete Teil wird erfindungsgemäß mittels elektromagnetischer Strahlung (EM-Strahler) thermisch vorbehandelt, was in einem Mikrowellenofen oder zwischen zwei an hochfrequenter Wechselspannung liegender Plattenelektroden (Kondensatorfelderwärmung) erfolgen kann. Anschließend wird die Pulverschicht mittels Tribo- oder Hochspannungssprühgeräten appliziert. Danach erfolgt das Auf­ schmelzen und Vernetzen des Pulverlacks, im gewählten Beispiel für ein UV- härtbares Beschichtungspulver mittels IR- und nachfolgendem UV-Strahler.

Im hochfrequenten Wechselfeld wirkt der Beschichtungsträger aus Holzwerkstoff wie das Dielektrikum zwischen zwei Kondensatorplatten. Das elektrische Feld durchdringt den eingebrachten Körper und regt im gesamten Querschnitt die Dipole bzw. La­ dungsträger zu Schwingungen an. Dabei entsteht umso mehr Wärme, je größer das Produkt von Dielektrizitätszahl ε und Verlustwinkel tan δ ist. Die Kondensatorfelder­ wärmung wirkt deshalb besonders auf das eingeschlossene Wasser selbst.

Das sich ausbildende Temperaturgefälle von innen nach außen unterstützt die Migra­ tion des Wassers an die Oberfläche. Dort reichert es sich in der kühleren oberflä­ chennahen Schicht an und erhöht deren Leitfähigkeit auf einen für den elektrostati­ schen Pulverapplikationsprozeß ausreichenden Wert, wobei der Feuchtegehalt ins­ gesamt aber so weit verringert wird, daß er die nachfolgende Filmbildung nicht mehr stört.

Unmittelbar nach der Behandlung im hochfrequenten elektromagnetischen Feld durchläuft das Teil die Pulverlackierkabine, wobei es über die Werkstückaufhängung (bei einer zweiseitigen Beschichtung) direkt oder mittels Wechselspannungsionisa­ toren elektrostatisch geerdet ist, oder auf einem leitfähigen und geerdeten Trans­ portband aufliegt. Im nächsten Verfahrensschritt wird die applizierte Pulverschicht mittels Infrarot-Strahlung und oder Umlufterwärmung aufgeschmolzen. Nach dem Entlüften und Verlaufen der Pulverschicht wird die Oberfläche bei thermoreaktiven Pulverlacken auf der erforderlichen Temperatur gehalten, bei UV-härtbaren Pulver­ lacken wird sie, wie in Fig. 4 dargestellt, einer UV-Strahlung ausgesetzt, wodurch der Pulverlackfilm chemisch vernetzt.

Die beschriebenen Technologien sind in gleicher Weise anwendbar auf Massivholz mit geringem Porenvolumen und möglichst homogenem Aufbau wie zum Beispiel die zerstreutporigen Laubhölzer Erle und Buche.

Claims (9)

1. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen mit Flüssig- oder Pulverlacken, wobei das Beschichtungsteil vor der Lackapplikation erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung zur Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit auf einen für die elektrostatische Applikation ausreichen­ den Wert mittels elektromagnetischer Strahlung von der Rückseite oder von innen heraus erfolgt.

2. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung mittels Infrarotstrahlung auf die der Beschichtungsfläche gegenüberliegende Rückseite erfolgt.

3. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsteil im elektrischen Hochfrequenzfeld oder mittels Mikrowellen von innen heraus erwärmt wird.

4. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung mittels elektro­ magnetischer Strahlung so lange erfolgt, bis der mittlere Feuchtegehalt des Beschichtungsteiles auf die durch den späteren Einsatz bestimmte Sollfeuchte gesunken ist.

5. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung so lange erfolgt, bis die Oberflächentemperatur auf der Beschichtungsfläche einen Wert nahe dem Siedepunkt des Wassers erreicht hat, vorzugsweise 90 . . . 99°C.

6. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Leistungssteuerung der Infrarotstrahler die Temperatur auf der angestrahlten Rückseite auf einem Wert oberhalb 100°C und unterhalb eines vom Werkstoff des Beschichtungsträger abhängigen Wertes, bei dem eine thermische Schädigung auftreten kann, gehalten wird, vorzugsweise im Bereich 120 . . . 160°C.

7. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung des Effektes der Leitfähigkeitserhöhung infolge des sich in der kühleren oberflächennahen Schicht anreichernden Wassers auf die zu beschichtende Oberfläche vor der Erwärmung eine feuchtigkeitsbindende Substanz aufgetragen wird.

8. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor einer Pulverbeschichtung die Erwärmung so lange erfolgt, bis der spezifische Oberflächenwiderstand auf der Beschichtungsfläche sein Minimum überschritten hat, aber noch nicht über den für die elektrostatische Applikation zulässigen Höchstwert gestiegen ist.

9. Verfahren zum elektrostatischen Beschichten von Holz und Holzwerkstoffen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beschichtungsteilen aus Holzwerkstoffen wie mitteldichte oder hochdichte Faserplatten die gefrästen Profile und/oder die Schmalflächen zur Vermeidung einer Austrocknung vor der Erwärmung durch Auftragen eines flüssigen Beschichtungsstoffes oder durch thermisch-mechanische Verfahren an der Oberfläche verdichtet werden.