DE202013003716U1

DE202013003716U1 - Vorrichtung zur Trocknung von mit UV-Lacken lackierten Bauteilen mit UV-Strahlen

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Publication number: DE202013003716U1
Application number: DE201320003716
Authority: DE
Original assignee: PLASMA TECHNOLOGY GmbH; SOMMER INDUSTRIELACKIERUNG GmbH
Current assignee: PLASMA TECHNOLOGY GmbH; SOMMER INDUSTRIELACKIERUNG GmbH
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2013-06-04
Anticipated expiration: 2023-04-19
Also published as: DE102012023428A1

Abstract

Vorrichtung zur Trocknung von mit UV-Lacken lackierten Bauteilen mit UV-Strahlen von Gasentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, dass dreidimensional lackierte Bauteile in zwei Arbeitsschritten getrocknet sind, wobei einer kurzen, rundum auf das Bauteil gerichteten Vorbehandlung mit UV-Strahlen von UV-emittierenden Gasentladungslampen eine Nachbehandlung in einem Niederdruckplasma mit weitergeführter Vorbehandlung und dadurch erhöhtem UV-Anteil folgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trocknung von mit UV-Lacken lackierten Bauteilen mit UV-Strahlen. Im Gegensatz zur Holzbehandlung sind UV-Lacke für Kunststoffbeschichtungen von Metallen hinsichtlich der Beschichtungsqualität und Prozess-Stabilität bis heute nur für UV-härtende Klarlacke für flache Bauteile, auch in der Autoindustrie, zugelassen. Die Trocknung dieser Lackschichten erfolgt dabei über die UV-Strahlung von UV-emittierenden Gasentlackungslampen, z. B. Quecksilberdampflampen. Gerade diese gleichausgerichtete UV-Strahlung hat jedoch nur auf flachen, zweidimensionalen Oberflächen von Bauteilen eine durchgängige Wirkung. Bei strukturierten oder dreidimensionalen Oberflächen der Bauteile ergeben sich für die Trocknung dieser Lackierungen dieser Bauteile bisher ungelöste Probleme. Es bilden sich Schattenbereiche heraus, in denen keine oder nur eine schwache Vernetzung zwischen Bauteil und Lackschicht stattfindet. Dies hat häufig zur Folge, dass in diesen Bereichen Staubeinschlüsse zur Beschädigung der Oberfläche bei der Behandlung der lackierten Bauteile oder zu einer inhomogenen Oberflächenoptik und zu hohen Ausschussquoten führen. Zudem müssen gerade für Innenanwendungen benutzte Bauteile die Oberflächen komplett emissionsfrei sein, was bei einer unzureichenden Vernetzung nicht immer sichergestellt ist. Neben den qualitativen Defiziten der UV-Beschichtungen dreidimensionaler Bauteile ist die Tatsache relevant, dass diese Lackschichten bei der Herstellung sehr energieaufwändig sind und dem immensen Energieverbrauch von Konvektionstrocknern in nichts nachstehen.
Nach dem Stand der Technik gemäß der DE 60 2004 011 823 T2 ist ein Behandlungsverfahren eines Nanopolymermaterials bekannt, welches sich aus einem nicht behandelten Schichtsilikat, einem Delaminierungsagenz, einem Schwellagenz und einem Polyorganosiloxane Colpolyperisiert mit PC zusammensetzt. Das Delaminierungsagenz ist ein Salz auf der Basis von organischen Tonen mit Oniumsalzen.
Die DE 60 2004 013 145 T2 beschreibt Copolyester (sulfoniert aliphatisch und aromatisch) und ihre Verwendungen. Der Polyester enthält anorganische Füllstoffe auf Tonbasis (natürliche, synthetische (un)behandelte Tonen, Organotonen, Smektittonen, Bentonittonen, Hektorittonen, Wollastonittonen, Montmorillonittonen, Kaolin und Mischungen). Die Behandlung der Tone erfolgt mit organischen Oniumsalzen, Silanen oder Stearinsäure.
Die US-4739007 A lehrt die Verwendung eines Schwellagenz in einem wässrigen Milieu, gemischt mit gemahlenem Ton, der anschließend einem Ionenaustausch durch ein organisches Kation unterzogen wird. Das Kation wird mit dem Schwellagenz gemischt und dann ein Compound hergestellt.
In der DT 26 12 746 A1 ist Schutz beantragt worden für das Aufpropfen eines Polymers auf Füllstoffe. An die Mineralstoffbereiche der Füllstoffe ist eine gewisse Menge eines Netzmittels gebunden, wobei eine oder mehrere funktionelle reaktive Gruppen unverändert bleiben. Anschließend ist dem so präparierten Füllstoff ein Stoff zugesetzt, der zur Reaktion mit unveränderten Gruppen eines Netzmittels fähig ist. Durch eine Wärmebehandlung mit 100°C bis 150°C entsteht ein fest an den mineralischen Füllstoff gebundenes organisches Polymer. Dabei kann der Füllstoff ein wenig oder gar nicht absorbierendes oder ein absorbierendes Material sein.
Auf diese Weise sind auf der Oberfläche der Mineralstoffteilchen eines Füllstoffes polymerisierte Stoffe gebunden bzw. „aufgepropft”. Diese Füllstoffe können bei der Herstellung von Gummi, Kunststoffen oder Anstreichmitteln verwendet werden, wobei die Herstellung erleichtert und die Eigenschaften der Fertigprodukte verbessert werden.
Die Patentschrift DD 247 459 A1 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Füllstoffen für eine Polymermodifizierung. Die Füllstoffe sind dabei partikel- oder faserförmig künstliche und natürliche Stoffe, wobei die Füllstoffoberfläche zur Verbesserung der Hafteigenschaften zwischen Füllstoff und Polymermatrix mit einer Lösung behandelt wird. Erfindungsgemäß besteht die Lösung aus einem gleichen Monomer, wie das zu füllende Polymer aufgebaute Polymer mit einem höheren Schmelzbereich, beispielsweise ein Polymer mit höherer Dichte. Diesem Lösungsmittel kann ein Netzmittel zugesetzt werden. Dieses Verfahren ist zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sowie zur Materialkostensenkung bei thermoplastischen Polymerwerkstoffen eingesetzt, denen fein verteilte anorganische Füllstoffe in partikelartiger oder faserförmiger Form zugesetzt werden. Wegen der unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Füllstoff und Polymer ist die Wechselwirkung zwischen den beiden Materialien und damit die Haftung nur sehr gering. Es sind daher Verfahren entwickelt worden, bei denen die Füllstoffoberfläche so modifiziert wird, so dass sich zwischen dem Füllstoff und den Polymeren eine besondere Grenzschicht mit einer verbesserten Haftung zur Polymermatrix ausbildet.
Wie die US-PS 42 38 316 zeigt, ist bei einer solchen Lösung Aluminiumhydroxid mit flüssigen Fettsäuren behandelt, wobei eine chemische Reaktion auf der Oberfläche des Füllstoffes stattfindet. Die so gebundene Fettsäure erzeugt eine ausgezeichnete Haftung gegenüber Polyethylen.
Bei einem anderen Verfahren nach der DE-OS 28 23 156 sind basische Füllstoffe mit gelösten säuregruppenhaltigen Polymeren, die ein geringes Molekulargewicht aufweisen, behandelt. Hierbei findet eine Reaktion auf der Füllstoffoberfläche statt und das säurehaltige Polymer wird an den Füllstoff gebunden.
Dadurch wird eine ausgezeichnete Haftung gegenüber Polyethylen erreicht. Beide Verfahren haben den Nachteil, dass die zur Behandlung des Füllstoffes eingesetzten Substanzen in einem separaten Verfahrensschritt speziell hergestellt werden müssen. Die gewünschte Haftverbesserung kann außerdem nur dann erzielt werden, wenn der Füllstoff gegenüber diesen Behandlungsmitteln reaktive chemische Gruppen aufweist, das Behandlungsmittel also chemisch an den Füllstoff gebunden wird. Daraus ergibt sich eine deutliche Einschränkung des Anwendungsbereiches auf solche Füllstoffe, die derartige mit den Säuregruppen reagierende chemische Gruppen an ihrer Oberfläche tragen.
Um diesen Nachteil zu umgehen, wurde in der US-PS 4 252 713 vorgeschlagen, den Füllstoff mit einem Monomer zu behandeln und das Monomer auf dem Füllstoff zu polymerisieren, wodurch eine Füllstoffoberfläche mit guter Haftung zur Polymermatrix erhalten wird.
Dieses Verfahren ist nur mit solchen Monomeren erfolgsversprechend, die im polymerisierten Zustand mit der Polymermatrix eine gute Haftung aufweisen.
Das setzt voraus, dass die zwischen der durch Polymerisation des Monomers erhaltene Polymerschicht und der Matrix auftretenden Haftkräfte ähnlich gut sind wie die Haftkräfte zwischen dem Füllstoff und dem Polymerfilm. Außerdem darf dieses Polymer nicht oder nur geringfügig mit einem Matrixpolymer im schmelzflüssigen Zusatz vermischt werden, um ein Auflösen des Films in der Polymermatrix und damit die Ablösung des Füllstoffes zu verhindern. Diese Bedingungen sind nur bei einer eingeschränkten Zahl von Polymerpaarungen erfüllt. Daraus ergibt sich eine Begrenzung des Anwendungsbereiches bzw. in den Fällen, in denen auf eine derartige Auswahl der Paarung und eine Minderung der erreichbaren Haftung zwischen Füllstoff und Polymermatrix nicht geachtet wird.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass zur Behandlung mit einem Monomer und einer anschließenden Polymerisation aufwändige verfahrenstechnische Prozeduren notwendig sind.
In der DE 38 13 678 A1 wird eine Kautschukmischung für Reifen behandelt. Zur Verbesserung der Verstärkbarkeit und des Verhaltens gegen Wärmeaufbau bei hoher Temperatur in dem Gummi wird eine bestimmte Menge von oberflächlich behandeltem Ruß als Füllstoff und ein bestimmtes Kupplungsmittel verwendet. Wie der Anspruch 1 zeigt, geht die Anmeldung schon von einer Kautschukmischung aus, die aus Naturkautschuk und/oder Dienkautschuk, aus Ruß mit einer spezifischen Oberfläche und aus Silikat mit Kupplungsmittel besteht. Die Erfindung wird darin gesehen, dass der Ruß eine bestimmte Konzentration an Säuregruppen auf der Oberfläche besitzt und das Kupplungsmittel bestimmte Silicatverbindungen aufweist.
In der Beschreibung ist ausgeführt, dass man einen derartigen Ruß durch eine Vakuumbehandlung mit Niedertemperatur-Plasmabehandlung erhält, wobei der Ruß mit dem Kupplungsmittel einer Vorbehandlung unterzogen wird (Seite 3, unten).
Die US 2006/0 004 126 A1 zeigt eine Gummiverbindung, die einen Fluorcarbon-Elastomer und einen Funktionsfüllstoff aufweist und zwar als Matrix in einem thermoplastischen Polymermaterial. Das Material wird mit einer Temperatur eine bestimmte Zeit behandelt, die eine Vulkanisation bewirkt, wobei das Material während der Temperaturbehandlung gemischt wird.
In der CN 101 597 436 A ist eine Oberflächenbehandlung eines Silikonpulvers beschrieben, das für eine Epoxy-resin-Verbindung verwendet wird. Dieses Verfahren schließt eine Polymerisation und ein Überziehen mit einem Monomer auf der Oberfläche des behandelten Silikonpulvers unter Anwendung eines Radiofrequenz-Plasmas ein.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Trocknung von mit UV-Lacken lackierten Bauteilen mit UV-Strahlen ohne die Nachteile der Trocknung mit Quecksilberdampflampen zu entwickeln, das mit wesentlich geringerem Energieaufwand realisierbar ist und das eine bessere Vernetzung zwischen dem Bauteil und der Lackschicht bringt.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Dies wird dadurch erreicht, dass dreidimensionale Bauteile in zwei Arbeitsschritten getrocknet sind, wobei einer kurzen, rundum auf das Bauteil gerichteten Vorbehandlung mit UV-Strahlen eine Nachbehandlung in einem Niederdruckplasma mit weitergeführter Vorbehandlung mit den UV-Strahlen und dadurch erhöhtem UV-Anteil folgt.
Dadurch sind bei der zweistufeigen Trocknung nicht nur die Oberflächen der Bauteile in der optischen Qualität verbessert, durch die dabei entstehende Aushärtung der Lackschicht ist auch deren Kratz-, Creme- und Klimabeständigkeit sicherstellbart. Die zweistufige Behandlung der Beschichtungen ergibt sehr hohe Schichthärten, die sogar über die der konventionell belichteten UV-Lacke hinausgehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, wobei es insbesondere auf den Einfluss der Parameter des Niederdruckplasmas ankommt.
Anstelle von UV-emittierenden Gasentlackungslampen sind auch UV-emittierende LED's verwendbar, die die UV-Stabilität und die Integrationsbedingungen positiv beeinflussen.
Für die Erzeugung des Niederdruckplasmas ist vorzugsweise ein Wechselstromgenerator mit höherer Frequenz (im KHz-Bereich) verwendbar und dadurch die Intensität der UV-Strahlung erhöht. Die thermischen Effekte im Niederdruckplasma sind nutzbar, um insbesondere bei DC-Lacken mit höheren Lösemittelanteilen eine schonende Lösemittelevaluierung aus der Lackschicht und eine bessere Durchhärtung der Lackschicht zu erreichen. Bei kurzzeitig gepulstem Niederdruckplasma ist der Stromfluss erhöht, was zu einer höheren IR- und UV-Ausbeute führt. Dabei ist bei kleinen Taktfrequenzen die UV-Intensität erhöht. Als Prozessgas für die Erzeugung des Niederdruckplasmas hat sich Luft bewährt und liefert bessere Ergebnisse als Stickstoff oder Stickstoffverbindungen und auch als O₂, CO₂, CH₄, Ar etc. Bei einem gepulsten Niederdruckplasma ist es vorteilhaft, zwischen Puls und Pause keinen kompletten Leistungsabfall vorzunehmen und zudem ist bei kurzen Pausen eine hohe Zündspannung bewirkbar, die sich in starken UV-Emissionen auswirkt.
Auch die Leistungsenergie des Niederdruckplasmas ist ein weiterer Parameter. Durch eine Leistungserhöhung (100 W bis 500 W) der Niederdruckplasma-Einkopplung ist die Temperatur auf dem Bauteil beeinflussbar. Dabei wird bei zunehmender Prozessdauer die Temperatur des Bauteils erhöht und die Erwärmungsgeschwindigkeit ist stark von der Masse des Bauteils abhängig. Durch die Variation des Druckes (0,1 mbar bis 0,5 mbar) ist der Erwärmungsverlauf auf der Oberfläche des Bauteils veränderbar, wobei bei geringerem Druck das Bauteil stärker erwärmbar ist.
Mit dem UVC-Bereich der UV-Strahlung ist vornehmlich eine Oberflächentrocknung und mit dem UV-A-Bereich der UV-Strahlung eine Tiefentrocknung erreichbar.
Der Vorbehandlung des Bauteils mit UV-Stahlen von UV-Gasentlackungslampen oder UV-LED's geht eine Reinigung der Oberfläche des Bauteils mit erhitztem Wasserdampf von 140°C bis 180°C voraus. Dies führt zu einer kurzzeitigen Senkung des pH-Wertes auf der Oberfläche des Bauteils. In dem erzeugten sauren Milieu entfaltet sich eine sehr gute Reinigungswirkung.
Zur Verbesserung der Eigenschaften einer auf der Oberfläche des Bauteils aufgebrachten Beschichtung kann nach der zweistufigen Behandlung der Lackschicht eine Polymerisationsschicht von wenigen Atomlagen aufbringbar sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 602004011823 T2 [0002]
DE 602004013145 T2 [0003]
US 4739007 A [0004]
DT 2612746 A1 [0005]
DD 247459 A1 [0007]
US 4238316 [0008]
DE 2823156 A [0009]
US 4252713 [0011]
DE 3813678 A1 [0015]
US 2006/0004126 A1 [0017]
CN 101597436 A [0018]

Claims

Vorrichtung zur Trocknung von mit UV-Lacken lackierten Bauteilen mit UV-Strahlen von Gasentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, dass dreidimensional lackierte Bauteile in zwei Arbeitsschritten getrocknet sind, wobei einer kurzen, rundum auf das Bauteil gerichteten Vorbehandlung mit UV-Strahlen von UV-emittierenden Gasentladungslampen eine Nachbehandlung in einem Niederdruckplasma mit weitergeführter Vorbehandlung und dadurch erhöhtem UV-Anteil folgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle von UV-emittierenden Gasentladungslampen UV-LED's verwendet sind, die die UV-Stabilität und die Integrationsbedingungen positiv beeinflussen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung des Niederdruckplasmas ein Wechselstromgenerator mit höherer Frequenz (im kHz-Bereich) eingesetzt und dadurch die Intensität der UV-Strahlung erhöht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Effekte im Niederdruckplasma genutzt sind, um insbesondere bei DC-Lacken mit höheren Lösemittelanteilen eine schonende Lösemittelevaluierung aus der Lackschicht und eine bessere Durchhärtung der Lackschicht zu erreichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei kurzzeitig gepulstem Plasma der Stromfluss erhöht ist, was zu einer höheren IR- und UV-Ausbeute führt, und dass bei kleinen Taktfrequenzen die UV-Intensität erhöht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas Luft verwendbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Puls und Pause bei gepulstem Plasma kein kompletter Leistungsabfall zur Pause vorgenommen ist und dass bei kurzen Pausenlängen eine hohe Zündspannung bewirkbar ist, die sich in starken UV-Emissionen äußert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Leistungserhöhung (100 W bis 500 W) der Plasmaeinkopplung bei zunehmender Prozessdauer die Temperatur des Bauteils erhöht ist und dass die Erwärmungsgeschwindigkeit stark von der Masse des Bauteils abhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Variation des Druckes (0,1 mbar bis 0,5 mbar) der Erwärmungsverlauf auf der Oberfläche des Bauteils veränderbar ist, wobei bei geringerem Druck das Bauteil stärker erwärmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem UV-C-Bereich der UV-Strahlung vornehmlich eine Oberflächentrocknung und mit dem UV-A-Bereich der Strahlung eine Tiefentrocknung erreichbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Vorbehandlung mit UV-Strahlen durch UV-emittierende Gasdampflampen oder LED's eine Reinigung der Oberfläche des Bauteils mit überhitztem Wasserdampf (140°C bis 180°C) durchführbar ist, der zu einer kurzzeitigen Senkung des pH-Wertes auf der Oberfläche des Bauteils führt und in dem erzeugten sauren Milieu eine sehr gute Reinigungswirkung entfaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften der auf der Oberfläche aufgebrachten Beschichtung nach der zweistufigen Behandlung der Lackschicht eine Polymerisationsschicht in der Stärke von wenigen Atomlagen aufbringbar ist.