DE2709239B2 - Verfahren zur Herstellung eines selektiv Sonnenwärmeenergie absorbierenden Überzugs auf einem Metallsubstrat - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines selektiv Sonnenwärmeenergie absorbierenden Überzugs auf einem MetallsubstratInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines selektiv Sonnenwärmeenergie absorbierenden
Überzuges auf einem Metalisubstrat, dessen Oberfläche zuerst vorbereitet und dann mit dem Überzug versehen
wird, der aus einer unteren, wärmereflektierenden ersten Schicht sowie einer oberen, die Sonnenenergie
absorbierenden zweiten Schicht besteht.
Ein derartiges Verfahren ist durch die DE-OS 38 329 bekanntgeworden. Es handelt sich hier um ein
chemisch-elektrolytisches Verfahren, bei dem das /.. B. aus Aluminium bestehende Metallsubstrat zuerst eloxiert
und dann in einem Bad mit glänzendem Nickel plattiert wird, um so die untere wärmereflektierende
erste Schicht zu bilden. Auf diese untere Schicht wird dann in einem weiteren Bad schwarzer Nickel zur
Bildung der oberen, die Sonnenenergie absorbierenden zweiten Schicht aufgebracht. Anstelle der Eloxierung
kann die metallische Oberfläche zur Aufnahme der wärmereflektierenden ersten Schicht auch durch Auftragen
einer Immersionsschicht aus Zink vorbereitet werden.
Bei derart hergestellten, selektiv Sonnenwärmeenergie
absorbierenden Metallkörpern wird ein hohes
Verhältnis α/ε angestrebt, wobei α das Absorptionsvermögen
und ε das Emissionsvermögen angibt. Um einen hohen Wirkungsgrad, also für den Quotienten α/ε einen
hohen Wert zu erhalten, ist man bemüht, die die Sonnenenergie absorbierende zweite Schicht so dünn
ίο wie möglich zu machen. Bei dem eingangs erläuterten
bekannten Verfahren liegt die Stärke dieser zweiten Schicht in der Größenordnung von weniger als 1 ιτιμ-Für
den Quotienten α/ε ergeben sich Werte bis zu 18.
Der wesentliche Nachteil des bekannten Verfahrens liegt jedoch in der aufwendigen und dementsprechend
kostspieligen Herstellung des Überzuges. Kostenerhöhend wirkt sich ferner die Notwendigkeit aus, bei
Verwendung von zu beschichtenden Aluminiumsubstraten besondere Aluminiumqualitäten auswählen zu
müssen.
Bei dem bekannten Verfahren muß die metallische Oberfläche zur Aufnahme der wärroereflektierenden
ersten Schicht z. B. durch Auftragen einer Immersionsschicht aus Zink vorbereitet werden. Zinkschichten
vergrauen durch Bildung von Konosionsprodukten, so daß sich eine Minderung des Reflexionsvermögens
ergibt. Nachteilig ist ferner, daß spätere Reparaturarbeiten an den nach dem eingangs erläuterten Verfahren
hergestellten Überzüge nahezu unmöglich sind.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das eingangs erläuterte Verfahren so zu verbessern, daß bei
Erzielung eines wirtschaftlich noch interessanten Wirkungsgrades sich die vorstehend genannten Nachteile
vermeiden lassen.
J5 Ausgehend von dem eingangs erläuterten Verfahren
wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in überraschend einfacher Weise dadurch gelöst, daß ais Überzug
Pulverlacke auf der Basis fester Kunstharze elektrostatisch oder im Wirbelsinterverfahren aufgebracht werden,
wobei für die die Sonnenenergie absorbierende Schicht farbloser Pulverlack verwendet wird, der vor
oder nach seinem Auflrag transparent angefärbt wird.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn dem die wärmereflcktierende Schicht bildenden Pulverlack Aluminiumpulver
4"> beigegeben wird.
Vorzugsweise werden farblose Pulverlacke auf Polyesterbasis verwendet.
Bei einem abgewandelten Verfahren kann zur Herstellung des Überzuges ein phasentrennender
Pulverlack verwendet werden, dessen die erste Schicht bildende Phase Aluminiumpulver enthält. Dabei kann
die die zweite Schicht bildende Phase farblos sein, oder aber bereits vor der Bildung des Überzuges angefärbt
werden.
Zur Verbesserung der Wärmeabführung ist es zweckmäßig, wenn dem das Aluminiumpulver enthaltenden
Pulverlack ein weiteres metallisches Pigment, vorzugsweise Zinkstaub, zugegeben wird.
Das Metallsubstrat kann aus Aluminium hergestellt werden. Der neue Überzug läßt sich aber auch auf
andere Metallsubstraten wie z. B. auf Kupfer. Stahl, Zinkblechen, Aluminium u. dgl. aufbringen.
Nachfolgend werden einige der erfindungsgemäßen Verfahren anhand von Beispielen näher erläutert:
85 Gew.-Teile eines grobgemahlenen festen Epoxidharzes
auf der Grundlage von Diphenylolpropan und
Epichlorhydrin mit einem Erweichungspunkt nach DURRANS von 93 bis 104° C, einem Epoxidäquivalentgewicht
von 875 bis 1000, einer Viskosität von 430 bis 630 mPas in 40%iger Lösung (gemessen in Äthylglykoldibutyläther
bei 25"C), 5 Gew.-Teile Verlaufmittelkonzentral,
bestehend aus dem vorgenannten Epoxidharz und einem Polyacrylat im Gewichts-Verhältnis 9 :1,4,8
Cew.-Teile feinteiliges Dicyandiamid, 15 Gew.-Teile
Titandioxid und 10 Gew.-Teile Bariumsulfat werden in einem geschlossenen schnell rotierenden Mischer
zunächst eine Minute bei 800 Upm und anschließend 30 Sekunden bei 1600 Upm vermischt Die Mischung wird
in einem Kneter unter den folgenden Bedingungen plastifiziert und homogenisiert Schneckentemperatur:
135°C Gehäuse-Auslaufteiltemperatur: 1400C, Düsen- is
temperatur: 140"C, Temperatur der geschmolzenen homogenisierten Mischung: 1400C; Dosierschnecken-Drehzahl:
173 Upm; Knetschnecken-Drehzahl: 48 Upm; Dosierschneckenbelastung: IjA; Knetschnecken-Belastung:
2,6 A; Düsenheizungs-Belastung: U5A; Düsenhe:?ungseinstellung: 7 — 8.
Die geschmolzene homogenisierte Mischung wird auf einem Kühlband abgeführt und in bekannter Weise, z. B.
in einer Hammermühle, grob gemahlen (maximale Korngröße: 4-5 mm). Anschließend erfolgt eine
Feinmahlung entweder unter gleichzeitiger Klassifizierung oder nachfolgender Siebung. Die maximale
Korngröße des entstandenen pulverförmigen Lackes liegen bei ca. 120 μηι.
Zu diesem Pulverlack werden zwischen 2 bis 10% Aluminiumpulver (Leafingwert 80%, Wasserspülung
(nach DIN 55 92*) 20 0O0cm2/g) zugemischt. Dieser
pulverförmige LacK wird in einer für das elektrostatische Pulversprübverfahren ^eeignt .en Anlage bei einer
negativen Hochspannung voc: ca. 60 kV zu hochreflek- κ
tierenden Überzügen verarbeitet die >ei 160 bis 240° C
10 bis 30 Minuten eingebrannt werden.
Statt mittels des Pulversprühverfahrens kann man den pulverförmigen Lack auch durch andere elektrostatische
Auftragsmethoden oder durch Wirbelsintern zu Überzügen verarbeiten.
Für die die Sonnenenergie absorbierende Schicht wird farbloser Pulverlack verwendet, der genau so
hergestellt wird, wie vorstehend beschrieben, jedoch ohne Titandioxid, Baiiumsulfat und Aluminiumpulver.
Dieser Pulverlack wird auf den die wärmereflektierende Schicht bildenden ersten Überzug wie vorstehend
beschrieben appliziert.
50
Um der zweiten Schicht eine höhere Wetterresistenz zu verleihen, kann der hierfür verwendete Pulverlack
auch auf Basis Polyesterharzen aufgebaut sein.
In einem Mischer werden 95 Gew.-Teile eines Polyesterharzes auf der Basis von 41% Terephthalsäure, .«
33% Trimellithsäureanhydrid, 16% Trimethylolpropan
und !0% Propandiol zusammen mit 5 Gew.-Teile eines Acrylat-Verlaufmittels vermischt. Die Mischung wird
darauf in einen Extruder mit 48 Upm und einer Gehäusetemperatur von 140°C übergeführt, darin
plastifiziert und homogenisiert. Die Zerkleinerung und das Auftragen des daraus erhaltenen farblosen Pulverlackes
erfolgen wie nach Beispiel 1.
Der mit Schichtdicke zwischen 30 bis 100 μηι
aufgebrachte Überzug wird 10 bis 30 Minuten bei 180 bis 240°C eingebrannt.
Dieser farblose Überzug kann anschließend angefärbt werden und zwar in einer Tiefe, die der Stärke des
applizierten farblosen PulverlackfUmes entspricht. Ein
Anfärben des die wärmereflektierende Schicht bildenden
Pulverlacküberzuges ist nicht möglich, da das in dieser Schicht enthaltene Aluminium einen abgeschlossenen
Film bildet
Welche Farbstoffe zum Anfärben der die Sonnenenergie absorbierenden Schicht verwendet werden,
hängt von der chemischen Zusammensetzung des farblosen Pulverlacks ab. In der Regel kommen gut
egalisierende, lichtechte Suspensionsfarbstoffe in Betracht Die Farbstoffe sind in Wasser unlöslich und
gehören u.a. der Gruppe der Azofarbstoffe und der Aminoanthrachinonfarbstoffe an.
Die in 5 bis 0,05%ig vorliegende Farbstoff-Suspension enthält ferner noch Benetzungs- und/oder Suspendiermittel.
Die Benetzungs- und Suspendiermittel können anionisch, kationisch oder nichtionisch sein,
vorzugsweise sind sie anionisch. Anionische Benetzungsmittel sind z. B. Carboxylate, Sulfonate und
Sulfate, insbesondere in Form ihrer Natriumsalze.
Weiterhin kann zweckmäßig eine kleine Menge eines höheren Alkanols, ζ. B. Octanol, dem wäßrigen Medium
zugesetzt werden, wobei gewöhnlich 1 bis 20 Tropfen je 100 ml Wasser verwendet werden.
In ein derartiges Medium werden die beschichteten Metallsubstrate getaucht und zwar bei Temperaturen
zwischen 20° C und 100° C, vorzugsweise 5 bis 15
Minuten. Um eine einheitliche Färbung zu erhalten empfiehlt es sich, das Tauchbad ständig in Bewegung zu
halten.
Beispiel 3a
Das zur Einfärbung notwendige Farbbad besteht zu
Das zur Einfärbung notwendige Farbbad besteht zu
98% aus Wasser
1,5% aus Netzmittel
0,4% aus Benzyl-Alkohol
0,1% aus Farbstoff
Die Bestandteile an Alkohol sowie die Lösungsmittel und die Farbstoffe können mittels Aktiv-Kohle auf
einfache Weise beseitigt werden. Diese Farbbad-Zusammensetzung läßt sich mehrmalig verwenden.
Beispiel 3b
Zusammensetzung des Tauchbadmediums:
Zusammensetzung des Tauchbadmediums:
1 Gew.-Teil Dispersionsfarbstoff Braun
-,1 Gew.-Teil Netzmittel pH 5(Essigsäure)
5 Gew.-Teile Benzylalkohol
-,1 Gew.-Teil Dispergiermittel
93 Gew.-Teile Wasser
Das neue Verfahren zur Herstellung eines selektiv Sonnenwärmeenergie absorbierenden Überzuges läßt
sich durch die Verwendung eines phasentrennenden Pulverlacks noch weiter vereinfachen. Voraussetzung
ist die Verwendung von Pulvermischungen, die sich bei der Verfilmung ausreichend schnell und vollständig
entmischen. Hierzu dürfen sich die Schmelzbereiche der beiden im Pulverlack vorhandenen Komponenten nicht
zu stark unterscheiden; außerdem müssen die Schmelzviskositäten möglichst niedrig liegen.
Ein Epoxidharz (Schmelzpunkt 120 bis I3O°C, Dichte bei 20/4°C, 1,147, Epoxidwert 0,049 bis 0,059, Hydroxylwert
0,36, Esterwert 0,52) wird mit einem Acrylharz,
Basis Butylmethacrylat (Schmelzpunkt 133,4° C, Dichte
bei 20/4° C 1,08), im Gewichtsverhältnis 1 :1 unter Zugabe von 4,5 Gewichts-% Dicyandiamid als Härter,
bezogen auf Epoxidharz, innig vermischt und auf ca. ΙΟΟμπι vermählen. Die Verfilmung erfolgt 20 Minuten
bei einer Temperatur von 180° C.
Aus IR-Untersuchungen der Schichtzusammensetzung
ergibt sich, daß die dem Untergrund zugewandte Schichthälfte aus praktisch reinem Epoxidharz, die
obere Hälfte dagegen aus nahezu reinem Acrylharz besteht.
Enthält die erstere Schicht Aluminiumpulver, wie in Beispiel 1 angegeben, und wird eine schnelle Vernetzung
vorgenommen, damit das Aluminium von der unteren Schicht nicht in die obere abwandern kann, so
erübrigt sich die Applikation einer weiteren zweiten farblosen Pulverlackschicht.
Das Anfärben der oberen Schicht erfolgt in Zusammensetzung und unter Bedingungen wie im
Beispiel 3 erläutert
Eine Suspension von Poly-(ÄthyImethaciylat)-Mikrokugeln
mit einem Durchmesser von 5 bis 20 μπι wird
durch Zugabe eines Gemisches von 58,2 g Äthylmethacrylat,
0,4 g Benzoylperoxid und 10 Tropfen N1N-Dimethylanilin
zu einem Gemisch aus 250 ml Wasser, 3 g carboxyliertes Acrylpulver in Emulsionsform und 1,0 ml
3%iges Sulfobersteinsäurediester als Pigmentdispergiermittel unter anschließendem kräftigem Rühren
unter Stickstoff hergestellt, bis eine gute Dispersion erhalten wird. Diese Dispersion wird über Nacht bei
250°C stehengelassen. Dann wird mil Hilfe einer Injektionsspritze eine Lösung von 5 g Dispersionsfarbstoff
in 60 ml Tetrahydrofuran (THF) in die gut gerührte, leicht gefärbte Suspension eingespritzt.
Nachdem das Gemisch etwa 20 Stunden langsam gerührt worden ist, wird es mit dem Mehrfachen seines
Volumens mit Wasser verdünnt, noch etwas gerührt und anschliebend filtriert Das dunkle Filtrat wird verworfen,
und das schwarze Polymerisat wird mehrmals unter schnellem Rühren in einem Mischer gewaschen. Das
trockene, isolierte Produkt hat ein Gewicht von 53 g und besteht in der Hauptsache aus 5 bis 20 μπι großen
undurchsichtigen schwarzen Küpelchen.
Die Zusammensetzung eines derartigen Pulverlackes sieht nun so aus, daß das Pulverlackgemisch als Phase I
die angefärbte Acrylaiteilchen enthält und ais Phase Il
das im Beispiel 4 erläuterte Epoxidharzpuiver einschließlich Aluminiumpulver. Man erzielt durch einen
Einschieht-Auftrag einen wärmereflektierenden Untergrund
mit einer darüberliegenden braun-schwarzen transparenten Schicht die im Schnitt als Ganzes
erscheint.
ίο Die Pulverlacke gemäß den Beispielen 1 und 2 können
in der aluminiumhaltigen Phase zur Verbesserung der Wärmeabführung zusätzlich noch ein weiteres metallisches
Pigment, z. B. Zink enthalten. Das in den Beispielen erläuterte Rezept für die Pulverlacke bleibt
is grundsätzlich unverändert; es wird lediglich die Pigmentierung geändert wobei statt Titandioxid und
Bariumsulfat nunmehr Zinkstaub in Mengen von etwa 10—90 Gew.-%, vorzugsweise 75 Gew.-%, verwendet
wird.
Ein geeigneter Zwei-Phasen-Puiv Hack mit verbesserter
Wärmeübertragung kann wie folgt zusammengesetzt sein:
Phase 1:
15,1 Gew.-Teile Polyester
7,6 Gew.-Teile lsophorondiisocyanat-Addukt
-3 Gew.-Teile Polyacrylat-Verlaufmittel
77,0 Gew.-Teile Zinkstaub superfein
5,- Gew.-Teile Aluminiumpulver
7,6 Gew.-Teile lsophorondiisocyanat-Addukt
-3 Gew.-Teile Polyacrylat-Verlaufmittel
77,0 Gew.-Teile Zinkstaub superfein
5,- Gew.-Teile Aluminiumpulver
Phase II:
Pulverlack aus Beispiel 2.
Beide Pulver'.acke werden im Verhältnis 1 : 2 bis 2 : 1
vermischt. Die Phase Il kann später gemäß Beispiel 3 angefärbt werden, oder aber das Granulat oder Pulver
wird gemäß Beispiel 5 aufbereitet.
In der Zeichnung ist schematisch sin Querschnitt ■to durch ein selektiv beschichtetes Metallsubstrat dargestellt
Das mit 1 bezeichnete Metallsubstrat ist mit einem
Sonnenwärmeenergie selektiv absorbierenden Überzug 2 versehen, der eine untere wärrnereflektierende
^5 Schicht 2a sowie eine obere, die Sonnenenergie
absorbierende Schicht 2baufweist.
Die Metallsubstrate können mit dem neuen Überzug vorbeschichtet und erst nachträglich verschieden
eingefärbt werden.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines selektiv Sonnenwärmeenergie absorbierenden Überzuges
auf einem Metallsubstrat, dessen Oberfläche zuerst vorbereitet und dann mit dem Überzug versehen
wird, der aus einer unteren, wärmereflektierenden ersten Schicht sowie einer oberen, die Sonnenenergie
absorbierenden zweiten Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß als Überzug
Pulverlacke auf der Basis fester Kunstharze elektrostatisch oder im Wirbelsinterverfahren aufgebracht
werden, wobei für die die Sonnenenergie absorbierende Schicht farbloser Pulverlack verwendet
wird, der vor oder nach seinem Auftrag transparent angefärbt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dem die wärmereflektierende Schicht bildenden Pulverlack Aluminiumpulver beigegeben
wird.
3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein farbloser Pulverlack auf
Polyesterbasis verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonnenenergie absorbierende
Schicht in einer Stärke von 30 bis 100 μπι
aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Überzuges ein
phasentrennender Pulverlack verwendet wird, dessen die erste Schicht bildende Phase Aluminiumpulver
enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein phasentrennender Pulverlack
verwendet wird, dessen die zweite Schicht bildende Phase farblos ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die die zweite Schicht bildende Phase
vor der Bildung des Überzuges angefärbt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7. dadurch gekennzeichnet, daß dem das Aluminiumpulver
enthaltenden Pulverlack ein weiteres metallisches Pigment, wie Zinkstaub, zugegeben wird.
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