DE19735535C2 - Mischverfahren für Lacke - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur homogenen Vermischung von Flüssigkeiten, bei welchem die zu mischenden Komponenten zusammengeführt und mit Ultraschall bestrahlt werden.

Bei der Herstellung von Lacken müssen verschiedene Komponenten homogen miteinander vermischt werden, damit es zwischen ihnen zu einer rückstandsfreien Reaktion kommen kann. Im Falle von 2-Komponenten (2K)-Wasserlacken sind diese Komponenten ein Härter und der Stammlack. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Isocyanat und ein Polyol handeln.

Bei den bekannten Mischvorrichtungen und -verfahren für derartige Lacke findet nur ein grobes mechanisches Vermischen statt. Dies kann je nach Menge der Komponenten von Hand oder mit maschinellen Rührgeräten erfolgen. Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch, daß sie nur zu einer unvollständigen Durchmischung der Komponenten führen. Unterschiedliche Viskositäten und Grenzflächeneigenschaften der Lackanteile führen dazu, daß sich diese einer feinen Zerteilung und homogenen Vermischung widersetzen. Weiterhin ist bei den mechanischen Verfahren nach dem Stand der Technik problematisch, daß nur ein kurzer Zeitraum für das Mischen zur Verfügung steht, da die Lackkomponenten untereinander reagieren. In dieser kurzen Zeit ist das Gemisch jedoch nicht homogen genug geworden, so daß unverbrauchte Reste der Lackkomponenten eingeschlossen bleiben und die Qualität der resultierenden Lackierung herabsetzen. Dies zeigt sich z. B. an schlechteren Werten von Härte, Beständigkeit und Glanz der Beschichtung. Ferner haben die mechanischen Rührverfahren den Nachteil, daß aufgrund des offenen Kontaktes zur Umgebung ein Lufteintrag in die Mischung erfolgt und eine störende Schaumbildung stattfindet.

Auf die Notwendigkeit des intensiven mechanischen Rührens von Wasserlacken für eine annähernd ausreichend homogene Vermischung der Komponenten wird z. B. in der DE 195 25 826 C1 hingewiesen. Eine geeignete mechanische Mischvorrichtung für Lacke ist z. B. in der DE 195 43 548 A1 offenbart. Die Nachteile dieses auf mechanischem Rühren aufbauenden Standes der Technik wurden oben erläutert.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik der Einsatz von Ultraschall für verschiedene Zwecke bekannt.

So wird in der DE 28 48 661 C2 ein Trennverfahren offenbart, nämlich die Entgasung von Flüssigkeiten durch Ultraschall.

Die DE 42 31 622 C2 beschreibt den Eintrag von hohen Energiemengen mittels Ultraschall in ein Stoffgemisch, um dort die Umsetzung von chemischen Verbindungen einzuleiten und zu unterstützen.

Die DE-AS 14 57 313 betrifft eine Apparatur mit mehreren Resonanzglocken, bei der der Ultraschall durch den Aufprall eines Flüssigkeitsjets erzeugt wird. Für die Mischung miteinander reagierender Flüssigkeiten ist eine solche Vorrichtung mit ihren gewundenen Leitungswegen indes ungeeignet.

Aus der DE 29 33 176 C2 ist eine Verfahren zur Homogenisierung (d. h. auch Vermischung) von Flüssigkeiten bekannt, bei welchem die zu mischenden Komponenten zusammengeführt und mit Ultraschall bestrahlt werden. Als Beispiele für die zu homogenisierenden Flüssigkeiten werden Emulsionen genannt, insbesondere Milch. Die DE 29 33 176 C2 lehrt dabei, die Flüssigkeit während der. Beschallung einer "kinematisch, mechanischen Behandlung" zu unterziehen, d. h. heftig umzurühren und zu kneten, damit die Flüssigkeit dicht und in einer zirkulierenden Bewegung mehrfach am Ultraschallkopf vorbeigeführt wird. Auf die Vermischung von miteinander reagierenden Lackkomponenten, insbesondere von 2K-Wasserlacken, findet sich kein Hinweis.

Die vorliegende Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, die Nachteile des Stand der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das in kurzer Zeit zu einer homogenen Vermischung der Lackkomponenten führt, ohne daß es zu einem Lufteintrag oder zu Schaumbildung kommt. Mit dem neuen Verfahren sollen die resultierenden Eigenschaften der Lackierung verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Eine geeignete Mischvorrichtung für die homogene Vermischung von Lackkomponenten, vorzugsweise von Härter und Stammlack in 2-K Wasserlacken enthält einen Ultraschallsender, in dessen Strahlungszone die zu mischenden Komponenten angeordnet werden können. Dabei kann die Mischvorrichtung sowohl fest in einem Mischbehälter angeordnet sein, in welchen die zu mischenden Komponenten eingeleitet werden, als auch als eine separate Einheit vorliegen, welche in verschiedenen Mischbehältern eingesetzt werden kann. Insbesondere ist es bevorzugt, die Mischvorrichtung als ein Handgerät auszuführen, welches vom Bediener in der Hand gehalten, in die Mischung eingeführt und von Hand gesteuert wird. Dies bietet sich vor allem bei der Verarbeitung von kleineren Lackmengen beim Endanwender an.

Der Einsatz eines Ultraschallsenders führt überraschenderweise zu erheblich verbesserten Ergebnissen der Lackierung. Dies äußert sich z. B. in Werten des Glanzes, die sich um bis zu 50% verbessern. Auch die störende Schaumbildung wird vollständig vermieden, und es kommt zu keinem Lufteintrag in den Lack. Mit der ultraschallgestützten Vermischung wird auch eine erheblich homogenere Vermischung der Lackkomponenten erreicht als bei dem herkömmlichen rein (makro)mechanischen Verrühren.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur homogenen Vermischung von Lackkomponenten, vorzugsweise von Härter und Stammlack in 2-K Wasserlacken, bei dem die zu mischenden Komponenten zusammengeführt und mit Ultraschall bestrahlt werden, wird durch den Ultraschall eine Kavitationsbildung in dem Lackgemisch ausgelöst.

Die Kavitationsbildung in Flüssigkeiten unter dem Einfluß von Ultraschall ist bekannt. Sie entsteht dadurch, daß durch die schnelle Folge von Über- und Unterdruckwellen im Schallfeld in der Unterdruckphase Mikroblasen (Vakuum oder Dampf) in die Flüssigkeit gerissen werden, die die Größe von einigen Mikrometern erreichen können. Bei der sog. stabilen Kavitation bleiben diese Mikroblasen während der Beschallung erhalten, während sie bei der transienten Kavitation in einer der folgenden Überdruckphasen kollabieren ("harte Kavitation"). Bei diesem Kollabieren mit einer Häufigkeit von mehreren 10000 Mal in der Sekunde können hohe Drücke von über 10⁸ Pa, Schockwellen, Mikrojets und Mikroströmungen entstehen. Ebenso kann es zu einem enormen Temperaturanstieg kommen, welcher 2000-5000 K erreichen kann. Aufgrund dieser Extrembedingungen und der damit verbundenen unvorhersehbaren Einwirkungen auf reaktive Chemikalien, wie sie die Lackkomponenten eines 2-K Wasserlackes darstellen, war die gefundene positive Wirkung des Einsatzes von Ultraschall zur Lackvermischung äußerst überraschend. Ein wichtiger Grund für dieses gute Ergebnis des Mischens mit Ultraschall ist, daß die flüssigen Komponenten vorher entgast werden, um eine harte Kavitation zu erreichen.

Das Mischverfahren wird vorzugsweise bei einer Ultraschallfrequenz von 20 bis 100 kHz durchgeführt. Grundsätzlich sind jedoch auch höhere oder tiefere Schallfrequenzen möglich, z. B. die der anschließenden Hochfrequenz (100 kHz bis 1 MHz) oder des diagnostischen Ultraschalls (1 bis 10 MHz). Die bevorzugte Leistungsdichte des Ultraschalls liegt bei 1 bis 10 W/cm².

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei 2K-Wasserlacken angewendet, bei denen eine der Lackkomponenten (der Härter) ein Isocyanat ist. Bei der anderen Lack­ komponente (Stammlack) handelt es sich vorzugsweise um ein Polyol.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des Beispiels der Herstellung eines 2K-Autoreparaturlackes näher erläutert.

3. Konventionelle Verarbeitung

Der Stammlack (Mischlack) wird vorgegeben und die vorgemischte Härter-Komponente wird unter ca. 3 Minuten konventionellem Rühren mit einem Schnellrührer dazugegeben. Nach ca. 1 Minute wird dest. Wasser (ca. 12-15 Gew.-%) zum Einstellen der Spritzviskosität zugegeben. Die Verarbeitungszeit beträgt maximal 2 Stunden. Der Klarlack wird mit einer herkömmlichen Spritzpistole (Sata Jet 1,4E) unter einem Spritzdruck von 4-4,5 bar in zwei Spritzgängen ohne Zwischenablüftzeit lackiert. Nach 30 Minuten bei Raumtemperatur wird 30 Minuten bei 60°C getrocknet. Der Wasserklarlack wird auf konventionellen (Glas- oder Aluminiumtafeln) als auch auf wäßrigen Aufbauten (Wasserbasislack) verarbeitet. Bei letzteren zeigt sich ein deutlich klarerer und glänzenderer Film mit dem für Wasserlacke empfohlenen Isocyanat Desmodur 2102.

4. Verarbeitung mit Ultraschallmischung

Im Unterschied zur konventionellen Verarbeitung nach Ziffer 3 wurden die Härter ohne Rühren in den Stammlack gegeben und 5 bis 10 Minuten mit einem Ultraschallgerät behandelt. Die Durchmischung erfolgte ohne Schaumbildung. Die Lackierungsergebnisse mit Tolonate HDTLV waren deutlich besser als beim herkömmlichen Verfahren. Hierdurch war der Qualitätsabstand zu einer Beschichtung mit Desmodur 2102 geringer ausgeprägt. Eine längere Einwirkungszeit des Ultraschalls (10 statt 5 Minuten) zeigte eine leichte Verbesserung des Ergebnisses.

Während mit konventionellen Rührern hergestellte 2K-Lacke zu trüben, matten Lackfilmen führen, konnte durch den Einsatz der Ultraschallmischer z. B. der unter einem Winkel von 20° gemessene Glanz von ca. 50E auf ca. 70E verbessert werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur homogenen Vermischung von Flüssigkeiten, bei welchem die zu mischenden Komponenten zusammengeführt und mit Ultraschall bestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flüssigkeiten miteinander reagierende Lackkomponenten, vorzugsweise von Härter und Stammlack in 2-Komponenten (2K)- Wasserlacken, sind,
und daß durch den Ultraschall Kavitationsbildung ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Ultraschall Kavitationsbildung in transienter Form ausgelöst wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer Ultraschallfrequenz von 20 bis 100 kHz durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte des Ultraschalls 1 bis 10 W/cm² beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lackkomponenten ein Isocyanat ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lackkomponenten ein Polyol ist.