DE19842510A1 - Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche strahlenhärtbarer Lacke und Farben mittels kurzwelliger UV-Strahlung - Google Patents
Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche strahlenhärtbarer Lacke und Farben mittels kurzwelliger UV-StrahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dekorativen und funktionellen
Oberflächen elektronenstrahl- oder UV-härtender Farb- und Lackschichten auf starren
oder flexiblen Substraten.
Dabei wird durch Einstrahlung monochromatischen kurzwelligen UV-Lichtes, das in der
Lage ist, in der aus Monomeren oder Oligomeren oder einem Monomer-/Oligomersystem
bestehenden auf ein vorgenanntes Substrat aufgetragenen Naßschicht Polymerradikale zu
erzeugen, wodurch an deren Oberfläche und in den oberflächennahen Schichten, wobei
diese Dicke von der Eindringtiefe der UV-Strahlung abhängig und die gesamte Naß
schicht immer entsprechend deutlich dicker ist, eine Polymerisation und Vernetzung
ausgelöst wird, die über Schrumpfung zur Mikrofaltung führt, wobei je nach Monomer-/Oli
gomersystem, Schichtdicke, UV-Wellenlänge, Substrat, Pigmentierung und
Beschichtungstechnik ein unterschiedliches Faltungsbild entstehen kann und danach die
gesamte Schicht mittels UV-Strahlung größerer Wellenlänge - sofern Photoinitiator im
System vorhanden ist - oder mittels Elektronenstrahlung vollkommen durchgehärtet wird.
In den Patentschriften DE 44 39 350 O2 und EP 07 06 834 A1 werden Verfahren beschrie
ben, nach denen flächenförmige Trägermaterialien matter oder glänzender Oberfläche in
Form ein- oder mehrlagiger Kunststofffolien- oder Papierbahnen mit UV-härtenden Lacken
auf der Basis von Acrylatgemischen beschichtet und mit UV-Strahlung unterschiedlicher
Wellenlängen in Folge - zunächst kurzwellig von 100 bis 200 nm, vorzugsweise zwischen
130 und 190 nm und hervorgehoben monochromatisch bei 172 nm, offensichtlich zur
physikalischen Mattierung der Lackoberfläche und danach mit langwelligerer Strahlung zur
anschließenden Durchhärtung der gesamten Naßschicht bestrahlt werden.
An Stelle der langwelligen UV-Strahlung wird auch Elektronenstrahlung zur Durchhärtung
vorgeschlagen.
Vorzugsweise beschränken sich diese Erfindungen auf die Einstellung bzw. Variation des
Mattglanzes eines UV-härtbaren Lackes unter entsprechender Mischung von monomeren
und prepolymeren Acrylatkomponenten vorzugsweise ohne Zusätze unter Bestrahlung mit
kurzwelligem UV-Licht bis 200 nm, wobei ein Zusatz von Mattierungsmitteln bis 25% und
auch die Verwendung von Lösungs- und Verdünnungsmitteln bis zu 6 Gewichtsprozent
nicht ausgeschlossen werden und die nachfolgende Aushärtung der Schicht mit
langwelligem - auch monochromatischem bei 308 nm - UV-Licht und Elektronenstrahlung.
Dabei werden weitere Einschränkungen der Gestalt dahingehend vorgenommen, daß ein
Mono- oder Mehrlagensubstrat aus Papier oder Kunststoff mit einer Dicke zwischen 80 und
500 µm sowie mindestens ein Prepolymeres mit einem Molmasse zwischen 500 und 2000
verwendet werden.
Außerdem geht aus dem Anspruch des Temperatureinflusses - Folientemperatur während
der Bestrahlung unter 70°C und Erwärmung von Prepolymeren höherer Viskosität auf 80°C
nicht hervor, ob diese der Vermeidung einer thermischen Überbeanspruchung der
Substrate und einer Verlaufsförderung hochviskoser Lacke dient, oder ein Viskositätsein
fluß auf die Mattierung damit angesprochen wird.
Auch die Gebrauchsmusteranmeldung 296 OG 258 bezieht sich ausschließlich auf den
optischen Effekt der physikalischen Mattierung durch schrumpfbedingte Faltung der
Oberfläche eines strahlenhärtbaren Lackes auf Acrylat- und Epoxidbasis nach Bestrahlung
mittels UV-Strahlung 200 nm - vorzugsweise 172 nm, wobei die erzeugte Hautschicht
eine Dicke im Bereich von 1 bis 50 nm aufweisen soll, in ihrer Zusammensetzung mit der
darunter befindlichen zunächst noch flüssigen Trägerschicht identisch ist und die letztlich
insgesamt durchpolymerisierte Lackschicht - Haut + Trägerschicht in ihrer chemischen
Zusammensetzung homogen ist.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist deren Beschränkung auf eine Nutzung kurzwel
liger UV-Strahlung bis 200 nm und der damit erzeugbaren Strukturierung der Lackoberflä
che auf eine feine, nicht sichtbare Mikrofaltung mit der Zielrichtung eines optischen
Mattierungseffektes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu entwickeln, das den
Effekt der durch vorzugsweise monochromatisches kurzwelliges UV-Licht ausgelösten Mi
krofaltung von Oberflächen strahlenhärtbarer Farben und Lacke in der Vielfalt seiner
praktischen Nutzbarkeit reproduzierbar macht und gleichzeitig Voraussetzungen für eine
auf diesem Wege reproduzierbare Oberflächenstrukturierung aufzeigt.
Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung eines definierten 3D-Musters auf der Oberfläche
strahlenhärtender Farben oder Lacke eine Naßschicht, bestehend aus einem Monomer
und/oder Oligomergemisch bestimmter Dicke und mit geringer Schichtdickentoleranz mit
monochromatischem UV-Licht einer Wellenlänge bestrahlt, das noch in der Lage ist, direkt
Polymerradikale für die Polymerisation und Vernetzung zu bilden und das im UV-Absorp
tionsbereich der Lackkomponente liegt und eine Härtung mit vertretbarer Photonendosis
ermöglicht, daß heißt, auch Wellenlängen < 200 nm für diese Mikrofaltung zu nutzen.
Dabei sind die eigenschaftsmäßig nach anwendungstechnischen Gesichtspunkten
ausgewählten Lackkomponenten mit oder ohne Photoinitiator polymerisier- und
vernetzbare Mono- und Oligomere (Prepolymere) wie Acrylate, Epoxide, Vinylether, Styren
u. a. sowie daraus abgeleitete Hybridsysteme in reiner Form - 100% Systeme - oder mit or
ganischen Lösungsmitteln verdünnt oder wässrige Dispersionen oder auch Mischungen
aus strahlenpolymerisierbaren Mono- und Oligomeren und flüssigen oder gelösten nicht
strahlenchemisch polymerisierbaren Polymeren, da die so gestaltete Rezeptur außer der
UV-absorptionsbedingten Reaktivität auch die für die Mikrofaltung notwendige
Schrumpfung besitzt und die Verarbeitungsviskosität im Belichtungszeitpunkt weniger als
10.000 mPas beträgt.
Erfindungsgemäß wird ein bestimmtes Mikrofaltungsbild nur durch Abstimmung der
gewünschten anwendungstechnischen Lackschichteigenschaften mit den folgenden
stofflichen und technisch-technologischen Einflußgrößen erreicht und durch die exakt
gleiche Kombination reproduziert:
Je größer die Wellenlänge, desto gröber ist die Faltung bei Verwendung derselben
Lackzusammensetzung.
Entscheidend für beides sind Photonenabsorption (Extinktionskoeffizient bei
entsprechender Wellenlänge) und Quantenausbeute im Lack. Die Mikrofaltung ist sowohl
ohne als auch mit Photoinitiator möglich. Sein Zusatz ist in der Regel nur für eine abschlie
ßende Aushärtung der Gesamtschicht mittels langwelligen UV-Lichtes erforderlich.
Infolge korrelierender und konkurrierender Curing- und Faltungsgeschwindigkeit ist das
Optimum von der UV-Absorptionsfähigkeit und Reaktivität des Lackes abhängig. Die
erforderliche Strahlerleistung muß nicht die maximale Strahlerleistung sein.
Kurzwelliges UV-Licht wird in Luft unter Ozonbildung absorbiert (172 nm Photonen
vollständig in 5 cm Luft). Die kurzwelliges monochromatisches UV-Licht emittierenden
Excimerstrahler sind zu inertisieren, d. h. die Bestrahlungszone ist mit Reinststickstoff zu
spülen. Bei einer strömungstechnisch gut konstruierten Inertisierungszone mit geringem
Abstand Strahler-Bestrahlungsgut funktioniert die Mikrofaltung bei 172 nm sogar noch bei
Sauerstoffgehalten von 10.000 ppm.
Die höchstmögliche Viskosität, bei der noch eine Mikrofaltung in Gang kommt, liegt bei
10.000 mPas. Bei höherviskosen Lacken, die wegen der Änderung
anwendungstechnischer Eigenschaften nicht mit Reaktivverdünner versetzt werden
können, ist die Mikrofaltung bis zu einem gewissen Grade mit thermischer Unterstützung
einleitbar.
Mit zunehmender Lackschichtdicke wächst auch das Peak-Valley-Verhältnis (P-V) der
Oberflächenrauhigkeit und -welligkeit - bei längerwelligen Photonen (222 nm) stärker als
bei den kurzwelligeren (172 nm). Zugleich verändert sich mit zunehmender Naßschicht
dicke das Faltungsbild. Bei der langwelligeren Strahlung kann es bei Unterschreitung einer
Mindestlackschichtdicke zur Durchhärtung ohne Mikrofaltung kommen (bei 222 nm < 5 µm).
Schrumpf und Glasumwandlungstemperatur prägen das Faltungsbild. Während
kautschukelastische Lackkomponenten zu einer feinen "weichen" Struktur führen, kann es
bei harten Lacken zu Faltungssprödbrüchen kommen.
Da die Mikrofaltung einem Kristallisationsprozeß analog von Quellen oder keimen aus
abläuft, kann es bei Klarlacken zur Faltungsverzögerung und zu inhomogenen Faltungsbil
dern kommen. Pigmentierung und Strukturauftrag fördern den Faltungsmechanismus.
Dunkles und geprägtes Substrat begünstigen die Mattierung. Helles glattes und
insbesondere reflektierendes Substrat unterstützt die Durchhärtung ohne Mikrofaltung der
Lackoberfläche.
Zum Erhalt einer insgesamt gebrauchsfähigen Beschichtung wird nach erfolgter
Mikrofaltung und damit ausgeprägter Oberflächenstruktur der darunter befindliche noch
flüssige Naßschichtanteil ausgehärtet.
Mikrofaltung und Durchhärtung laufen dabei immer zeitversetzt in Folge ab.
Der Zeitpunkt der Nachhärtung richtet sich nach verwendeter Wellenlänge, Schichtdicke,
Viskosität und Reaktivität des Lackes.
Bei 172 nm Photonen findet in der Regel eine Spontanfaltung statt, die Mikrofaltung setzt
nach 222 nm Photoneneinstrahlung insbesondere bei clear coats erst mit - je nach Acrylat
und Lackschichtdicke - mehreren Sekunden Verzögerung ein.
Zwischen Mikrofaltungsvorgang und Schichthärtung liegt gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren kein zu langer Zeitraum, da vor allem nach 172 nm Bestrahlung und bei
niedriger Lackviskosität eine Relaxation eintritt.
Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll der Einfluß der Wellenlänge
auf das Mikrofaltungsbild in einem Vergleich der Faltungsprofile durch Aufnahmen mit dem
Tastschnittgerät ME 10D dargestellt werden.
Dabei zeigt
Fig. 1 Lackschicht bestehend aus 100% eines Polyesteracrylates EBECRYL 81
Schichtdicke 25 µm mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Schichtdicke 25 µm mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Fig. 2 Lackschicht bestehend aus 100% eines Polyesteracrylates EBECRYL 81
Schichtdicke 25 µm, mit 222 nm/30% Lampenleistung bestrahlt
Schichtdicke 25 µm, mit 222 nm/30% Lampenleistung bestrahlt
Zur Darstellung des Einflusses der Lackschichtdicke auf das Mikrofaltungsbild zeigt
Fig. 3 Darstellung des anwachsenden P-V-Verhältnisses mit zunehmender Schichtdicke
anhand des Vergleiches der Faltungsprofile,
Lackschicht bestehend aus 100% eines Polyesteracrylates EBECRYL 81
mit 222 nm/30% Lampenleistung bestrahlt
Eine veränderte Mikrofaltungsstruktur mit anderer Schichtdicke zeigt
Fig. 4 Lack 1 [30 Teile Tripropylenglykol-Diacrylat (TPGDA); 30 Teile ethoxyliertes
Trimethylolpropan-Triacrylat (EBECRYL 160); 30 Teile Dipentaerithritol-Hexaacrylat
(DPHA); 10 Teile Tetrahydrofurfurylacrylat (THFA)]
Schichtdicke 4 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Schichtdicke 4 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Fig. 5 Lack 1 [30 Teile Tripropylenglykol-Diacrylat (TPGDA): 30 Teile ethoxyliertes
Trimethylolpropan-Triacrylat (EBECRYL 160); 30 Teile Dipentaerithritol-Hexaacrylat
(DPHA); 10 Teile Tetrahydrofurfurylacrylat (THFA)]
Schichtdicke 12 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Schichtdicke 12 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Zur Darstellung des Einflusses des Types des Mono- und Oligomeren auf die Faltungs
struktur zeigt
Fig. 6 Lackschicht bestehend aus 100% eines Silikonacrylates RC 726
Schichtdicke 5 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Schichtdicke 5 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Fig. 7 Lackschicht bestehend aus 100% 1,6 Hexandiol-Diacrylat (HDDA)
Schichtdicke 5 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Schichtdicke 5 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Fig. 8 Mikrofaltungsbilder unterschiedlicher Acylatbeschichtungen mit unterschiedlicher
Schichtdicke bei Bestrahlung mit:
- a) 172 nm/50% Lampenleistung: Silikonacrylat, 5 µm
- b) 222 nm/30% Lampenleistung: Polyesteracrylat, 10 µm
- c) 172 nm/50% Lampenleistung: Polyesteracrylat, 10 µm
- d) 172 nm/50% Lampenleistung: Hexandiol-Diacrylat, 25 µm
Zum Einfluß von Pigmenten auf die Mikrofaltung zeigt
Fig. 9 Lackschicht bestehend aus 100% eines Polyesteracrylates EBECRYL 81 mit 3%
Leitruß,
Schichtdicke 10 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Schichtdicke 10 µm, mit 172 nm/50% Lampenleistung bestrahlt
Erfindungsgemäß können auf diese Weise sowohl ohne Zusätze, als auch unter
Einbeziehen von Pigmenten unter definierter Wahl und Kombination vorgenannter
Parameter sowohl optisch matt erscheinende, mit einer makroskopisch nicht erkennbaren
Mikrofaltung oder dekorativ strukturierte, mit makroskopisch deutlich sichtbaren Mustern in
zum Beispiel Netz-, Strahlen- oder Eisblumenform, oder Softlacke mit angenehmer Optik,
als auch durch geeignete Zusätze zur Erhöhung der Kratzfestigkeit und zur antistatischen
Ausrüstung mechanisch beanspruchbare und antistatisch wirksame strukturierte Lackober
flächen geschaffen werden.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von dekorativen und funktionellen Oberflächen elektronen
strahl- oder UV-härtender Farb- und Lackschichten, die aus Acrylaten, Epoxiden,
Vinylethern, Styren, oder anderen strahlenhärtbaren Komponenten oder daraus abgeleite
ten Hybridsystemen bestehen, auf starren oder flexiblen Substraten durch Einstrahlung
monochromatischen kurzwelligen UV-Lichtes, das in der Lage ist, in der aus Monomeren
oder Oligomeren oder einem Monomer-/Oligomersystem bestehenden auf ein
vorgenanntes Substrat aufgetragenen Naßschicht Polymerradikale zu erzeugen, wodurch
an deren Oberfläche und in den oberflächennahen Schichten, wobei diese Dicke von der
Eindringtiefe der UV-Strahlung abhängig und die gesamte Naßschicht immer
entsprechend deutlich dicker ist, eine Polymerisation und Vernetzung ausgelöst wird, die
über Schrumpfung zur Mikrofaltung führt, wobei je nach Monomer-/Oligomersystem,
Schichtdicke, UV-Wellenlänge, Substrat, Pigmentierung und Beschichtungstechnik ein
unterschiedliches Faltungsbild entstehen kann und danach die gesamte Schicht mittels UV-
Strahlung größerer Wellenlänge - sofern Photoinitiator im System vorhanden ist - oder
mittels Elektronenstrahlung vollkommen durchgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mikrofaltungsbild für einen strahlenhärtbaren Lack und dessen Zusammensetzung
sich nach den Einsatzbedingungen richtend die gewünschten anwendungstechnischen
Eigenschaften aufweist, durch die Wahl der verarbeitungstechnischen und technologischen
Parameter wie UV-Wellenlänge, Photonendosis = UV-Strahlerleistung/Transport
geschwindigkeit der Lackschicht, Sauerstoffkonzentration in der Bestrahlungszo
ne, Beschichtungsstärke, Viskosität, Substrat, Pigmentierung, Additive, Beschichtungs
technik, Bestrahlungsfolge und zeitlichen Abstand eingestellt wird und bei Realisierung
dieser definierten Parameter im Wiederholungsfall das Mikrofaltungsbild reproduzierbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Mikrofaltung einge
setzte monochromatische kurzwellige UV-Licht eine Wellenlänge hat, die zur direkten
Bildung von Polymerradikalen ohne Photoinitiatorzugabe in der Lage ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrofaltungsbild und die
Oberflächentopologie über die Wahl der Beschichtungsstärke eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Viskosität des Lackes < 10.000 mPas beträgt, und die Faltbarkeit höher viskoser
Systeme durch eine höhere Härtungstemperatur unterstützt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mikrofaltungsbild über die Beschaffenheit des Substrates beeinflußt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mikrofaltungsbild in der Feinheit und Homogenität seiner Struktur, sowie die Spon
tanität der Faltung durch Zugabe von Pigmenten und Lackadditiven unterschiedlicher Art
und Konzentration beeinflußt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß durch einen Strukturauftrag oder durch eine Prägung der vorher glatten flüssigen
Farb- oder Lackoberfläche eine Basisstruktur des Mikrofaltungsbildes vorgegeben und
gleichzeitig die Spontanität der Faltung verbessert wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Bestrahlung der flüssigen Farb- oder Lackschicht mit der kurzwelligen
zur Mikrofaltung führenden monochromatischen UV-Strahlung und der darauffolgenden
zur Fixierung der Mikrofaltung und zur Durchhärtung der gesamten Lackschicht notwendi
gen Bestrahlung mit langwelligerem UV-Licht ein Zeitraum liegt, der einerseits die volle
Ausbildung der Mikrofaltungsstruktur gewährleistet, aber andererseits eine Relaxation der
Faltung verhindert.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998142510 DE19842510A1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche strahlenhärtbarer Lacke und Farben mittels kurzwelliger UV-Strahlung |
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DE1998142510 DE19842510A1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche strahlenhärtbarer Lacke und Farben mittels kurzwelliger UV-Strahlung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19842510A1 true DE19842510A1 (de) | 2000-03-23 |
Family
ID=7881220
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1998142510 Withdrawn DE19842510A1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Verfahren zur Strukturierung der Oberfläche strahlenhärtbarer Lacke und Farben mittels kurzwelliger UV-Strahlung |
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