DE19629499C2

DE19629499C2 - Verfahren zur elektrostatischen Erzeugung eines Mehrschichtaufbaus

Info

Publication number: DE19629499C2
Application number: DE1996129499
Authority: DE
Inventors: Bernd Laue; Ulrich Hoffmann; Ulrich Strohbeck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-07-22
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: DE19629499A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrosta tischen Erzeugung eines Mehrschichtaufbaus auf zumin dest bereichsweise an der Oberfläche nichtleitenden Gegenständen.

Elektrostatisches Beschichten von an der Oberfläche ganz oder in Teilbereichen elektrisch nichtleitfähi gen Werkstücken mit riesel- oder fließfähigem Materi al mittels rein elektrostatischer Sprühverfahren, elektrostatikunterstützter mechanischer Zerstäubungs verfahren oder mittels elektrostatischer Pulversprüh verfahren. Diese Beschichtungsverfahren sind allge mein bekannt, und werden vorwiegend zum Beschichten metallischer Werkstücke mit Naßlack- oder Pulverlack materialien eingesetzt.

Das elektrostatische Beschichten von metallischen Werkstücken ist bereits seit langem bekannt und weit verbreitet. Dabei werden die Werkstücke an ein defi niertes Potential gelegt; im allgemeinen an Erdpoten tial. Dadurch bilden die leitfähigen Werkstücke zum hochspannungsführenden Sprühorgan bzw. zu den aufge ladenen Beschichtungsmaterialpartikeln einen elektri schen Gegenpol, das heißt, die elektrischen Feldkräf te (zum Transport der Partikel bis zum Werkstück und die Coulomb'schen Anziehungskräfte (zur Partikelab scheidung auf dem Werkstück)) wirken in Richtung auf das zu beschichtende Werkstück.

Werkstückoberflächen aus elektrisch nichtleitenden Materialien, z. B. Kunststoffe, Holzwerkstoffe und mit Isolierstoffen beschichtete Metallteile können nicht an ein definiertes Potential gelegt werden und sind deshalb ohne zusätzliche Maßnahmen nicht elektrosta tisch beschichtbar [Hoffmann, U; Strohbeck U.: "Elek trostatische Kunststoffteilelackierung"; Taschenbuch für Lackierbetriebe; 53. Jahrgang, Vincentz Verlag, Hannover, 1995]. Solche Maßnahmen basieren überwie gend auf dem Prinzip, zumindest den zu beschichtenden Werkstückflächen eine dauerhafte oder temporäre höhe re elektrische Leitfähigkeit als die des ursprüngli chen Substratmaterials zu verleihen.

Dazu werden die Oberflächen der Werkstücke mit spe ziellen Medien, wie z. B. mit Ruß oder mit Graphit gefüllten Leitlacken oder mit leitfähigkeitserhöhen den Antistatiklösungen (z. B. Ammonium- und Alkalime tallverbindungen, polare Flüssigkeiten) beschichtet [Hoffmann, U; Strohbeck U.: "Elektrostatische Kunst stoffteilelackierung"; Taschenbuch für Lackierbetrie be, 53. Jahrgang, Vincentz Verlag, Hannover, 1995, Zeitschrift I-Lack, 7/91; 59. Jahrgang]; [GB 1,198,462] bzw. behandelt. Hierbei ist es auch möglich, das elektrostatische Beschichten auf den nicht getrockneten Leitlösungsfilm auszuführen [DE 44 171.72 A1 u. WO 95/31293 (Wörwag)]. Weiterhin kann die leitfähige Beschichtung auch auf der Teilerück seite aufgetragen werden [US 3,741,793]. Die mit die sen Medien häufig verbundenen nachteiligen Verände rungen der Eigenschaften der Werkstückoberflächen schränken den Einsatz dieser leitfähigkeitserhöhenden Maßnahmen ein, z. B. bei Werkstücken, deren Oberflä chen in Teilbereichen völlig unverändert bleiben müs sen.

Aus der DE-OS 15 71 168 ist bekannt, daß eine Unter schicht gemeinsam mit einer Deckschicht ausgehärtet werden kann.

Eine andere Art von Maßnahmen, um Nichtleiter elek trostatisch beschichtbar zu machen, besteht darin, lediglich die nicht zu beschichtenden Rückseiten bzw. Innenflächen der Werkstücke an ein definiertes Poten tial (meist Erdpotential) zu legen. Dies kann z. B. mittels entsprechend geformter und elektrisch leiten der Werkstückaufnahmevorrichtungen bzw. -masken er folgen. Der Erfolg solcher Maßnahmen hängt sehr stark von der Werkstücksgeometrie und der Art des Nichtlei ters sowie von der Art des Beschichtungsmaterials und des elektrostatischen Beschichtungsverfahrens ab. Aufgrund der kritischen Fertigungssicherheit werden solche Maßnahmen nur in Ausnahmefällen eingesetzt.

Aus der DE-OS 15 71 168 ist ein Verfahren zum Über ziehen von leitenden Gegenständen bekannt, bei dem eine erste Schicht aufgebracht wird und während in deren noch ungetrocknetem Zustand eine zweite Schicht aufgetragen wird und dann beide Schichten in einem Schritt getrocknet werden. Dadurch soll ein verein fachter Verfahrensablauf realisiert werden. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für nichtleitende Gegen stände anwendbar, es sei denn, es wird wie vorstehend beschreiben, eine zusätzliche Leitschicht aufge bracht.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren vorzuschlagen, das gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verein facht ist, insbesondere bei dem auf den Einsatz von speziellen Leitlackbeschichtungen und Veränderungen der Bauteiloberfläche verzichtet werden kann.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, daß direkt auf den Gegenstand oder auch auf die oberste Schicht n eines bereits beschichteten Gegenstandes eine Schicht n + 1 appliziert wird, die so ausgewählt ist, daß ein Oberflächenwiderstand < 10¹¹ Ω (DIN 53 482) einstellbar ist. Die Leitfähigkeit wird dabei durch Auftrag einer Schicht n + 2 und Aushärtung wieder auf gehoben. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß mit und/oder nach dem Schichtauftrag der Schicht n + 2 eine Härtung, bevorzugt eine Wärmebehandlung erfolgt, so daß dann auch die Oberflächenleitfähig keit der Schicht n + 1 verschwindet. Beim erfindungs gemäßen Verfahren wird somit die Schichtzusammenset zung der Schicht n + 1 so ausgewählt, daß ein temporä rer Oberflächenwiderstand einstellbar ist. Dadurch wird zum einen erreicht, daß es im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mehr zu unerwünschten Veränderungen der Werkstückoberfläche kommt (z. B. Rückstände von der Antistatiklösung oder zu sätzliche permanente Schichten auf der Oberfläche) und zum anderen, daß die Vorbeschichtung nicht in Form einer speziellen Lackbeschichtung erfolgen muß, bzw. daß zusätzlich keine Beschichtungsvorgänge er forderlich sind (z. B. Auftrag von Leitlacken oder Leitlösungen).

Wie bereits vorstehend erwähnt, wird erfindungsgemäß das Schichtmaterial n + 1 so ausgewählt, daß ein defi nierter Oberflächenwiderstand < 10¹¹ Ω einstellbar ist. Bevorzugt wird dazu ein Beschichtungsmaterial eingesetzt, daß mindestens ein unter Prozeßbedingun gen verdampfbares Lösungsmittel enthält. Dadurch wird der Oberflächenwiderstand erniedrigt. Beispiele für solche Lösungsmittel sind Alkohole, Ester oder Was ser.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß dem Be schichtungsmaterial den Oberflächenwiderstand absen kende Additive zugesetzt werden, die unter Prozeßbe dingungen verdampfbar sind. Solche Additive sind z. B. quartäre Ammoniumverbindungen, leitfähige organische Verbindungen und Aminverbindungen. Selbstverständlich kann das Beschichtungsmaterial n + 1 auch aus den vor stehend erwähnten Lösungsmitteln und Additiven beste hen. Wesentlich beim Beschichtungsmaterial ist, daß durch nachfolgende Prozeßschritte, hier bevorzugt ein Trocknen wie Ablüften und/oder Verdampfen ein defi nierter Oberflächenwiderstand eingestellt werden kann.

Da die aus dem Stand der Technik bereits bisher für die Beschichtungsverfahren bekannten fließfähigen Beschichtungsstoffen wie Naßlacke, organische Löse mittel und/oder Wasser als Lösungsmittel aufweisen, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit den bis her aus dem Stand der Technik bekannten Naßlacken durchgeführt werden. Bei der bevorzugten Verwendung von fließfähigen Beschichtungsstoffen kann die Ein stellung der Oberflächenleitfähigkeit bzw. des Ober flächenwiderstandes auch über eine Einstellung des Restlösemittelgehaltes erfolgen. Die Schicht n + 1 wird dazu entsprechend teilgetrocknet und/oder wärme behandelt.

Als bevorzugtes Beschichtungsmaterial für die Schicht n + 2 hat sich rieselfähiges Beschichtungsmittel her ausgestellt. Besonders bevorzugt ist deshalb die Va riante beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei der als Schicht n + 1 ein fließfähiges Material z. B. ein Naß lack und bei der Schicht n + 2 ein rieselfähiges Mate rial z. B. ein Pulverlack eingesetzt wird. Als Pulver lacke können hierbei auch alle aus dem Stand der Technik bisher bekannten Pulverlacke eingesetzt wer den. Ein Überblick über bisherige Pulverlacke ist aus dem "Taschenbuch für Lackierbetriebe", 1996, Kapitel II 5, M. Obst, Dr. G. Stohmann: Pulverlacksysteme, zu entnehmen. Bei der Verfahrensvariante, bei der das Beschichtungsmaterial n + 2 ein rieselfähiges Material ist, hat es sich als besonders günstig herausge stellt, wenn vor der eigentlichen Aushärtung der Trocknungsprozeß fortgesetzt wird. Um eine spätere Blasen- oder Rißbildung zu verhindern, wird diese Ab lüftung und/oder Trocknung vor der Aushärtung unter schonenden Bedingungen durchgeführt. Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Trocknung durch Mikrowellentrock nung und/oder Vakuumverdampfung erfolgt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann auch so vorge gangen werden, daß die zu beschichtenden Gegenstände vorgewärmt werden. Damit würde der nachfolgende Trocknungsprozeß bzw. die Teiltrocknung und Endtrock nungsschritte entfallen. Ergänzend ist es auch mög lich, für die Schicht n + 2 einen lufttrocknenden Lack einzusetzen. Maßgebend ist jeweils nur, daß der er findungsgemäße Oberflächenwiderstand von R_o < 10¹¹ eingestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei besonders für den Mehrschichtaufbau geeignet. Es kann dabei so vorgegangen werden, daß auf einen beschichteten Ge genstand der bereits mehr als eine Schicht enthält eine abschließende Beschichtung mittels des erfin dungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird. Anderer seits kann selbstverständlich auch das erfindungsge mäße Verfahren mehrmals nacheinander aufgebracht wer den, wobei auch wiederum verschiedene Zwischenbe schichtungen möglich sind.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders her vorzuheben, daß durch die Auswahl des Beschichtungs materials in der Weise, daß ein definierter Oberflä chenwiderstand eingestellt werden kann, wesentliche Prozeßschritte des bisherigen Verfahrens nach dem Stand der Technik eingespart werden können (vgl. Tab. 1).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Figuren und mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt hierbei schematisch den Verfahrensablauf beim Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt im Vergleich dazu schematisch den Ver fahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Fig. 1 und 2 sind dabei so aufgebaut, daß die einzelnen Prozeßschritte mit einer identischen Numme rierung versehen sind.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren (Fig. 2) wird somit an elektrisch nichtleitenden Werkstückoberflächen vor dem elektrostatischen Beschichtungsprozeß (7) die bei einem Mehrschichtaufbau notwendige Vorbeschichtung (1) mit fließfähigen Beschichtungsstoffen und den Ablüftungsprozeß (2) mit werkstoffspezifischen und prozeßtechnischen Maßnahmen so geführt, daß auf die Trocknung (3) (Fig. 1) verzichtet werden kann, so daß die mit der nachfolgenden Beschichtung (7) (Mehr schichtaufbau) zu beschichtende Werkstückoberfläche eine ausreichende Oberflächenleitfähigkeit aufweist, damit diese Flächen einen elektrischen Gegenpol zum hochspannungsführenden Sprühorgan und zu den aufge ladenen Beschichtungsmaterialpartikeln bilden können. Der zusätzliche Auftrag einer leitfähigen Schicht (4), deren Abdunstung (5) und Trocknung (6) kann er satzlos entfallen. Die flüchtigen Bestandteile der Vorbeschichtung (1) werden bei einem Mehrschichtauf bau mit rieselfähigem Material (7) durch eine geeig net Ablüft- bzw. Trocknungstechnik (8) und deren Pro zeßführung entfernt. Diese Maßnahme ist im allgemei nen für Beschichtungen (7) mit rieselfähigem Material erforderlich. Die Aushärtung (9) der Beschichtung (7) kann unverändert erfolgen.

Die kontrollierte Einstellung des Oberflächenwider stands auf der nicht zu härtenden Vorbeschichtung (1) kann, wie vorstehend ausführlich erläutert, werk stoffspezifisch durch Zugaben in das Beschichtungs material der Vorbeschichtung (1) von Additiven oder durch Änderung der Lösungsmittelzusammensetzung er folgen. Die prozeßtechnische Einstellung des Oberflä chenwiderstands der Vorbeschichtung (1) ist über das Auftragsverfahren und die Führung der Auftragsparame ter möglich. Ziel ist es, den gewünschten Oberflä chenwiderstand durch einen Restgehalt an leitfähigen Inhaltsstoffen, bei im allgemeinen möglichst geringem Restlösemittelgehalt zu erreichen.

Bei Beschichtungen (7) mit rieselfähigem Material sind im allgemeinen vor deren Aushärtung (9) (in der Regel oberhalb 140°C) die flüchtige Bestandteile der Vorbeschichtung (1) mit Trocknungsverfahren (8) aus zutreiben. Dieses Trocknungsverfahren (8) hat dabei keine negativen Auswirkungen auf die Filmbildung und auf das Werkstück, d. h. die Trocknungstemperatur muß unterhalb der Temperatur des rieselfähigen Materials liegen, bei der eine Strukturänderung auftritt (z. B. Verfließen der einzelnen Pulverpartikel). Dies ist z. B. mit der Mikrowellentrocknung oder der Vakuumver dampfung möglich. Ein Vergleich der beiden Verfahren geht aus Tabelle 1 hervor.

Ausführungsbeispiel 1 Werkstoff:

Material: Polyamidblend
Teilegeometrie: 1800 mm × 400 mm × 300 mm
Oberflächenwiderstand: 10¹²

Ω bis 10¹⁴

Ω (DIN 53482)
Erdung: punktuell

Vorbeschichtung (1):

Beschichtungsmaterial: 1 K-Hydro-Basislack
Lackschichtdicke (getrocknet): 17 µm
Beschichtungsverfahren: Druckluftzerstäubung

Ablüftung (2):

Luftströmung: 0,5 m/s
Klima: 23°C/60% relat. Luftfeuchte
Zeit: 5 min.
Restlösemittelgehalt: 10%
Trocknung (3): entfällt
Auftrag leitfähige Schicht (4): entfällt
Ablüftung (5): entfällt
Trocknung (6): entfällt

Beschichtung mit riesel fähigem Material (7):

Beschichtungsmaterial: Pulver-Klarlack (Acrylat)
Lackschichtdicke (eingebrannt): 55 µm
Beschichtungsverfahren: Elektrostatisches Sprühen mit Coronaaufladung
Spannung: 80 kV
Stromstärke: 90 µA

Ablüftung (8)

Trocknungsverfahren: Trocknung mit elektromagne tischen Wellen
Elektrische Leitung: 240 W
Einwirkdauer: 2 × 6 min. bei 240 W
Beruhigungsphase: bei einem Klima von 23°C/60% relative Luftfeuchte und ei ner Luftströmung von 0,1 m/s zwischen den beiden Einwirk zeiten

Trocknung (9):

Trocknungsverfahren: Konvektionstrocknung
Objekttemperatur: 140°C
Haltezeit: 30 min.

Beschichtungsergebnis

Die beschichteten Proben (Verfahrensablauf gem. Fig. 2) weisen eine völlig gleichmäßige Beschichtung auf. Optische Effektunterschiede beim Gesamtaufbau im Ver gleich zum Stand der Technik sind nicht feststellbar. Der Auftragswirkungsgrad bei der Beschichtung mit dem Pulverlackmaterial (7) liegt mit 55% im Rahmen der üblicherweise auf derartigen Teilen mit leitfähigen Oberflächen erzielten Werte.

Ausführungsbeispiel 2 Werkstoff:

Material: Aluminiumguß
Teilegeometrie: 1200 mm × 560 mm × 180 mm
Vorbeschichtung: Grundierung und mehrere Spachtelaufträge 10⁹

Ω bis 10¹³

Ω (DIN 53482)
Erdung: punktuell

Vorbeschichtung (1):

Beschichtungsmaterial: 1 K-Grundlack
Lackschichtdicke (getrocknet): 22 µm
Beschichtungsverfahren: Druckluftzerstäubung

Ablüftung (2):

Luftströmung: 0,5 m/s
Klima: 23°C/60% relat. Luftfeuchte
Zeit: 3 min.
Restlösemittelgehalt: 8,5%
Trocknung: entfällt
Auftrag leitfähige Schicht (4): entfällt
Ablüftung (5): entfällt
Trocknung (6): entfällt

Beschichtung riesel fähiges Material (7):

Beschichtungsmaterial: Pulverlack (EP/PE)
Lackschichtdicke (eingebrannt): 120 µm
Beschichtungsverfahren: Elektrostatisches Sprühen mit Coronaaufladung
Spannung: 70 kV
Stromfluß: 20 µA

Ablüftung (8)

Trocknungsverfahren: Trocknung mit elektromagne tischen Wellen
Elektrische Leistung: 360 W
Einwirkdauer: 2 × 5 min. bei 360 W
Beruhigungsphase: bei einem Klima von 23°C/60% relative Luftfeuchte und ei ner Luftströmung von 0,1 m/s zwischen den beiden Einwirk zeiten

Trocknung (9):

Trocknungsverfahren: Konvektionstrocknung
Objekttemperatur: 190°C
Haltezeit: 12 min.

Beschichtungsergebnis

Die beschichteten Proben (Verfahrensablauf nach Fig. 2) weisen eine völlig gleichmäßige Beschichtung auf. Optische Effektunterschiede beim Gesamtaufbau im Ver gleich zum Stand der Technik sind nicht feststellbar. Der Auftragwirkungsgrad bei der Beschichtung mit dem Pulverlackmaterial (7) liegt mit 62% im Rahmen der üblicherweise auf derartigen Teilen mit leitfähigen Oberflächen erzielten Werte.

Claims

1. Verfahren zum elektrostatischen erzeugen eines Mehrschichtaufbaus auf zumindest bereichsweise an der Oberfläche nichtleitenden Gegenständen mit riesel- oder fließfähigen Beschichtungsmate rialien, dadurch gekennzeichnet, daß direkt auf dem Gegenstand oder auf die ober ste Schicht n eines bereits beschichteten Gegen standes eine erste Teilbeschichtung n + 1 appli ziert wird, wobei die Schichtzusammensetzung so ausgewählt wird, daß temporär ein Oberflächenwi derstand R_o von < 10¹¹ Ω eingestellt und daß nach Auftrag einer zweiten Teilbeschichtung n + 2 und Aushärtung während und/oder nach dem Schichtauf trag n + 2 die Leitfähigkeit der Schicht n + 1 auf gehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zur Aushärtung eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Oberflächenwiderstand R_o von < 10¹¹ Ω durch eine Teiltrocknung, z. B. Ab lüftung und/oder eine Wärmebehandlung einge stellt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Beschich tungsmaterial n + 1 unter Prozeßbedingungen ver dampfbare Additive zur Erniedrigung des Oberflä chenwiderstands zugegeben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Additive ausgewählt sind aus quar tären Ammoniumverbindungen, leitfähigen organi schen Verbindungen und Aminverbindungen oder deren Mischungen.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beschich tungsmaterial eingesetzt wird, das mindestens ein unter Prozeßbedingungen verdampfbares, den Oberflächenwiderstand absenkendes Lösungsmittel enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß das Lösungsmittel ausgewählt ist aus Alkoholen, Glykolen, Estern und Wasser oder de ren Mischungen.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschich tungsmaterial für die Schicht n + 1 ein fließfähi ger Beschichtungsstoff eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Einstellung des Oberflächenwider standes dadurch erfolgt, daß die Schicht n + 1 so teilgetrocknet, z. B. abgelüftet und/oder wärme behandelt wird, daß sie noch einen ausreichenden Restlösemittelgehalt aufweist, um einen Oberflä chenwiderstand R_o von < 10¹¹ Ω einzustellen.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschich tungsmaterial für die Schicht n + 2 ein rieselfä higer Beschichtungsstoff eingesetzt wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschich tungsmaterial für die Schicht n + 2 ein fließfähi ger Beschichtungsstoff eingesetzt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit und/oder nach dem Schichtauftrag der Schicht n + 2 und vor der Härtung der Trocknungsprozeß und/oder die Wärmebehandlung fortgesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß die Trocknung durch Mikrowellentrock nung und/oder Vakuumverdampfung erfolgt.