DE60104189T2 - Verfahren zur beschichtung metallischer substratoberflächen und beschichtete oberfläche - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Metallsubstraten mit einer Pulverbeschichtung oder einer Flüssigbeschichtung, einschließlich die Vorbehandlung der Substratoberfläche.
  • Die Verwendung von Pulverbeschichtungen zur Schaffung von dekorativen und funktionellen Beschichtungen auf Oberflächen hat wegen seiner hohen wirtschaftlichen Effizienz des Verfahrens sowie wegen seiner breiten Akzeptanz vom Standpunkt des Umweltschutzes eine breite Anwendung gefunden. Zahlreiche Pulverlackzusammensetzungen sind für verschiedene Anwendungen entwickelt worden. Die bekannten Verfahren zum Beschichten mit Pulverlacken machen es erforderlich, dass die Metalloberfläche, die beschichtet werden soll, einem kostspieligen und im Allgemeinen wässrigen Vorbehandlungsprozess unterworfen werden muss. Ohne eine solche Vorbehandlung ist das Haftvermögen von Pulverlackschichten und damit die Korrosionsschutzwirkung unzureichend. Derartige kostspielige Vorbehandlungen sind auch bei der Aufbringung von wässrigen oder Lösemittel enthaltenden Flüssigbeschichtungen auf Metalloberflächen erforderlich.
  • Nach ihrem Auftrag können Pulver- und Flüssigbeschichtungen mit Hilfe von Strahlung gehärtet oder getrocknet und gehärtet werden, die über Wellenlängen im Nahen Infrarotbereich (NIR) verfügen. Auf dem Gebiet der Pulverlackbeschichtungen ermöglicht die NIR-Technologie die Ausführung des Schmelzens und Härtens von Pulverlacken in einem einzigen Verfahrensschritt. Siehe hierzu beispielsweise K. Bär, JOT 2/98, S. 26 bis 29 und die WO 99/41323. Es wird eine gleichförmige Erwärmung der gesamten Lage der Beschichtung erreicht. Derartige NIR-Härtungsverfahren erfordern außerdem kostspielige Vorbehandlungsmethoden für die zu beschichtende Substratoberfläche.
  • Die Vorbehandlung von Stahl oder Aluminium besteht im Allgemeinen mindestens aus mehreren Verfahrensschritten. Als erstes wird vor allem die Entfernung von Fetten, Ölen oder anderen Verunreinigungen beispielsweise mit Hilfe einer alkalischen Wäsche unter Anwendung einer Tauch- oder Spritzmethode ausgeführt. Einer nachfolgenden Zwischenspülung folgt in der Regel eine nasschemische Abscheidung anorganischer Korrosionsschutzschichten auf der Oberfläche (beispielsweise das Phosphatieren im Fall von Stahl, das Chromatieren im Fall von Aluminium). Wiederum ist ein Spülschritt mit frischem Wasser oder demineralisiertem Wasser erforderlich, um anhaftende Chemikalien aus der Reaktion vollständig zu entfernen. Vor dem nachfolgenden Auftrag der Lage der Pulverschicht oder Flüssigschicht muss die feuchte Metalloberfläche vollständig getrocknet werden, um Beschichtungsfehler zu vermeiden. Typische Vorbehandlungsmethoden für das Pulverlackieren von Metalloberflächen wurden beispielsweise beschrieben bei T. Molz, Tagungsband der DFO-Pulverlacktagung, 23. bis 24.9.1996, S. 201 bis 207.
  • Diese Vorbehandlung von Metallsubstraten oder Metallteilen vor dem Beschichten mit Pulverlacken oder Flüssigbeschichtungen erfordert große Tauch-Beschichtungsbehälter oder Spritzkabinen unter Aufwand erheblicher Investitions- und Betriebskosten. Die in den verschiedenen Reaktionszonen zur Anwendung gelangenden Chemikalien müssen voneinander streng getrennt gehalten werden und die verbrauchten Vorbehandlungslösungen müssen mit hohem Kostenaufwand verbracht werden. Sofern Fehler in der Vorbehandlung auftreten, sind Fehler in der nachfolgenden Beschichtung unvermeidlich.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Dementsprechend ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zum Beschichten von Metalloberflächen mit pulverförmigen oder flüssigen Beschichtungszusammensetzungen, bei dem die aufwendige Vorbehandlung der Substratoberfläche vor dem Lackauftrag vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Verfahrens gelöst, bei dem Metalloberflächen mit Strahlung im NIR-Bereich hoher Intensität bestrahlt werden, die bestrahlten Metalloberflächen anschließend mit einer pulverförmigen und/oder flüssigen Beschichtungszusammensetzung beschichtet und die pulverförmige oder flüssige Auftragsschicht anschließend getrocknet und/oder gehärtet wird.
  • Das Verfahren ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen und/oder Härten der Pulverlackschicht oder der flüssigen Auftragsschicht vorzugsweise mit Hilfe von NIR-Strahlung oder UV-Strahlung und mehr bevorzugt mit Hilfe von NIR-Strahlung ausgeführt wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der Erfindung werden metallische Oberflächen, die nicht in der üblichen Weise vorbehandelt werden, mit Hochenergie-NIR-Strahlung mit einer Wellenlänge im Allgemeinen im Bereich von 730 bis 1.200 nm (Nahes Infrarot) bestrahlt. Die Bestrahlung kann mit einer Intensität von beispielsweise mehr als 1 W/cm2, vorzugsweise mehr als 100 W/cm2 und über eine Dauer von vorzugsweise im Bereich von 1 bis 60 Sekunden und mehr bevorzugt 1 bis 10 Sekunden ausgeführt werden. Im Allgemeinen kann die Dauer der NIR-Vorbehandlung 0,5 bis 300 Sekunden betragen.
  • Nach der Vorbehandlung der Metalloberfläche durch NIR-Bestrahlung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die nachfolgende Beschichtung mit pulverförmigen und flüssigen Beschichtungszusammensetzungen ausgeführt werden und zwar nach Erfordernis als eine einlagige oder mehrlagige Beschichtung. Das nachfolgende Trocknen oder Härten der aufgetragenen Lagen kann in der üblichen Weise mit Hilfe von auf dem Gebiet der Lackindustrie bekannten Verfahren ausgeführt werden. Vorzugsweise kann der Prozess des Trocknens oder Härtens mit Hilfe von NIR-Strahlung oder UV-Strahlung und mehr bevorzugt mit Hilfe von NIR-Strahlung ausgeführt werden.
  • Die metallischen Oberflächen, die nach der Erfindung behandelt werden sollen, müssen nicht vorbehandelt werden, d. h. es sind keine konventionellen Vorbehandlungsmethoden erforderlich, wie beispielsweise zum Entfetten und zur Passivierung (beispielsweise durch Phosphatieren, Chromatieren).
  • Es ist vorteilhaft, die nach der Erfindung zu behandelnden Metalloberflächen vor ihrer NIR-Vorbehandlung von ihren mechanischen Verunreinigungen zu säubern, wie beispielsweise Schleifstaub, Bohr- und Fräs-Späne, Flash-Rosten oder Staub. Zur Entfernung derartiger Verunreinigungen lassen sich bekannte mechanische Methoden, wie beispielsweise Bürsten, Vakuumreinigen oder Reinigen mit Druckluft, ein leichtes Überstreichen sowie ein Sandstrahlblasen bei gröberen Verunreinigungen oder beim Flash-Rosten anwenden.
  • Als Folge der Bestrahlung mit Hochenerige-NIR-Strahlung nach der vorliegenden Erfindung kann ein Aufheizen der Metalloberfläche erfolgen. Ein derartiges Aufheizen hat keinen negativen Einfluss auf den nachfolgenden Prozess des Pulverlackierens oder bei dem Auftrag einer flüssigen Lackschicht, sondern es führt im Gegenteil zu einem verbesserten Arbeitsgang des Beschichtens.
  • Beispielsweise können als NIR-Quelle Halogenlampen und speziell Hochleistungshalogenlampen für den Vorbehandlungsschritt in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geeigneterweise verwendet werden. Geeignet sind Strahlungsquellen mit einem Maximum der Wellenlänge im Emissionsspektrum zwischen 730 und 1.200 nm.
  • Das Beschichten mit thermisch vernetzenden sowie UV-härtenden Pulver-Beschichtungszusammensetzungen oder flüssigen Beschichtungszusammensetzungen auf Wasserbasis oder Lösemittelbasis erfolgt bevorzugt unmittelbar nach der NIR-Vorbehandlung der Metalloberfläche. Sofern erforderlich, ist es auch möglich, die Vorbehandlung nach der Erfindung von der nachfolgenden Beschichtung zeitlich zu trennen.
  • Für den Auftrag von Pulverbeschichtungszusammensetzungen und für den Auftrag von flüssigen Beschichtungszusammensetzungen sind grundsätzlich alle Verfahren geeignet. Im Zusammenhang mit der Pulverzusammensetzung sind Verfahren des elektrostatischen Spritzens, wie sie bei den Korona- oder den tribochemischen Prozessen bekannt sind, besonders bevorzugt. Ebenfalls ist es möglich, andere bekannte Verfahren des Pulverauftrags anzuwenden, wie beispielsweise ein Auftrag in Form einer wässrigen Dispersion oder einer "Pulveraufschlämmung". Die flüssigen Beschichtungszusammensetzungen lassen sich auf das Substrat beispielsweise mit Hilfe gut bekannter Verfahren des Tauchens oder Spritzens aufbringen.
  • Für die Pulver-Beschichtungszusammensetzungen können bekannte konventionelle, thermisch vernetzende Pulver verwendet werden. In diesem Fall können die Verfahren des thermischen Härtens für das nachfolgende Härten der Pulverlacke angewendet werden, wie beispielsweise Erhitzen mit Hilfe von Konvektionsöfen oder mit Hilfe von Infrarotstrahlung bei mittlerer Wellenlänge.
  • Anschließend an die erfindungsgemäße Vorbehandlung ist es auch möglich, Pulver-Beschichtungszusammensetzungen aufzutragen, die mit UV-Strahlung gehärtet werden können. Derartige Pulverlacke werden beispielsweise in der EP-A-739 922, 702 067 oder 636 660 beschrieben. Unmittelbar nach der NIR-Vorbehandlung kann eine UV-härtende Pulverschicht auf die Substratoberfläche aufgetragen und innerhalb weniger Sekunden mit Hilfe von UV-Strahlung gehärtet werden. Die Restwärme aus der NIR-Vorbehandlung ist ausreichend, um den UV-Pulverauftrag zu schmelzen und ein Zerfließen der Auftragsschicht zu erhalten, ohne weitere Wärme aufzuwenden. Dieser alternative Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung schafft die Möglichkeit für einen Pulverbeschichtungsprozess mit sehr geringem Energieverbrauch.
  • Pulver-Beschichtungszusammensetzungen, die zum Härten mit Hilfe von NIR-Strahlung geeignet sind, lassen sich ebenfalls verwenden. Derartige Pulverlacke sind beispielsweise in der WO 99/41323 beschrieben worden. Sofern derartige Pulverlacke zur Anwendung gelangen, wird die Pulverlackschicht vorzugsweise unmittelbar nach ihrem Auftrag gehärtet, indem sie mit NIR-Strahlung bestrahlt wird. In diesem erfindungsgemäßen Fall schmilzt zunächst das Pulver und härtet danach innerhalb einer sehr kurzen Zeit aus, so dass eine deutliche Verkürzung der Härtungsdauer der Pulverlacke im Vergleich zu der konventionellen Vorbehandlung erhalten werden kann.
  • Bevorzugt gelangen Pulver-Beschichtungszusammensetzungen zur Anwendung, die geeignet sind, mit Hilfe der NIR-Strahlung oder UV-Strahlung und mehr bevorzugt mit Hilfe der NIR-Strahlung gehärtet zu werden.
  • Flüssige Beschichtungen, die beispielsweise zur Anwendung gelangen können, sind mit Wasser verdünnbare oder Lösemittel enthaltende Beschichtungszusammensetzungen, die üblicherweise verwendet werden und der Fachwelt bekannt sind und die beispielsweise als einlagige oder mehrlagige, farbige oder farblose Beschichtungen auf Substraten zur Verwendung als Füller, Grundlacke oder Decklacke oder Klarlacke in der Autoindustrie oder auf dem Gebiet großtechnischer Überzüge zur Anwendung gelangen. Nach ihrem Auftrag können sie mit Hilfe bekannter Methoden über eine längere Zeitdauer bei Raumtemperatur getrocknet werden oder können, wo dieses geeignet ist, nach einer Ablüftungsdauer einem Trocknen oder Härten bei einer höheren Temperatur unterworfen werden. Darüber hinaus ist ein Härten mit Hilfe von Hochenergiestrahlung, beispielsweise UV-Strahlung, möglich. Ein Ablüften, Trocknen oder Härten ist beispielsweise auch mit Hilfe einer Exponierung an NIR-Strahlung möglich.
  • Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Beschichtungen und speziell die Pulverlacke verfügen über eine hervorragende Haftung, eine gute Korrosionsbeständigkeit und ein hervorragendes Verlaufen. Mit Hilfe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung lassen sich Beschichtungsfehler, wie beispielsweise Krater, Fischaugen oder Haftungsmängel vermeiden, die in der Regel beim Beschichten von unbehandelten Metalloberflächen in Erscheinung treten.
  • Das Verfahren für die Vorbehandlung von Metalloberflächen mit Hilfe von NIR-Strahlung nach der vorliegenden Erfindung erlaubte beträchtliche Einsparungen an Investitionskosten, Energie und Betriebskosten, Abwasser und Abfallmaterialien. Die organischen Verunreinigungen, wie sie in der Regel auf der Oberfläche vorhanden sind, z. B. Fett- und Ölreste oder andere Verunreinigungen, wie beispielsweise Fingerabdrücke, werden mit Hilfe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung entfernt, wodurch die für die Vorbehandlung erforderliche Zeit im Bereich von 10 bis 30 min bei konventionellen Verfahren der Vorbehandlung auf wenige Sekunden verkürzt wird. Insbesondere ist bei einer Kombination mit dem Härten der Auftragsschichten mit Hilfe der NIR-Strahlung ein sehr hoher Durchsatz für das Beschichten und speziell für das Pulverlackieren möglich.
  • BEISPIELE
  • Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung:
  • BEISPIEL 1
  • NIR-Vorbehandlung einer Stahloberfläche mit nachfolgendem Beschichten mit einem NIR-härtenden Pulverlack
  • Es wurde ein zylindrisches Stahlrohr, das mit Ölen und Fetten aus seinem Herstellungsprozess und aus seiner Behandlung zum Schutz gegen schnelles Rosten resultierten, unter Drehen von einem Abstand von 6 cm für 10 Sekunden mit einem konventionellen NIR-Strahler (1.000 W Leistung) bestrahlt, wodurch die Oberfläche bis zu einer Temperatur zwischen 100° und 120°C erhitzt wurde. Auf die Oberfläche, die in dieser Weise vorbehandelt worden war, wurde ein NIR-Pulverlack DUROTHERM RAY-TEC NIR-9216 (Handelserzeugnis von DuPont Pulverlack GmbH & Co. KG) aufgetragen und auf die vorgewärmte Oberfläche geschmolzen. Ein weiterer NIR-Strahler härtete anschließend die Pulverlackschicht innerhalb von 8 Sekunden vollständig. Es resultierte eine homogen verlaufende Oberfläche, die frei war von Poren und Bläschen mit hervorragender Haftung an dem Substrat und mit den folgenden Eigenschaften:
  • Figure 00050001
  • VERGLEICHSBEISPIEL 2
  • Beschichtung einer unbehandelten Stahloberfläche mit NIR-härtendem Pulverlack
  • Es wurde analog von Beispiel 1 ein mit Ölen und Fetten verschmutztes Stahlrohr ohne Vorbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem NIR-Pulverlack DUROTHERM RAY-TEC NIR-9216 beschichtet und anschließend unter Drehen von einer Entfernung von 6 cm mit einem NIR-Strahler eine Leistung von 1.000 W für eine Dauer von 18 Sekunden bestrahlt. Während dieser Zeit erfolgte das Schmelzen und Härten der Pulverlackschicht. Während des Schmelzprozesses entwickelten sich auf der Oberfläche Bläschen, bildeten sich infolge unzureichender Benetzung Krater und einige Bereiche blieben über große Flächen unbenetzt. Die Prüfung der Schichteigenschaften lieferte die folgenden Ergebnisse:
  • Figure 00050002
  • BEISPIEL 3
  • NIR-Vorbehandlung einer Stahloberfläche und nachfolgendes Pulverlackbeschichten und Konvektionshärten
  • Es wurde ein Stahlblech verwendet, das mit Ölen und Fetten verschmutzt war, die aus seinem Herstellungsprozess und seiner Schutzbehandlung gegen schnelles Rosten resultierten. Das Blech wurde mit einem konventionellen NIR-Strahler (1.000 W) von einer Entfernung von 8 cm für eine Dauer von 12 Sekunden bestrahlt. Die Oberfläche des Stahlblechs wurde dadurch thermisch aktiviert und oberflächlich bis zu einer Temperatur von 130°C erhitzt. Anschließend wurde das Stahlblech mit einem konventionellen warmhärtbaren Pulverlack auf der Basis eines Polyester/Triglycidylisocyanurat-Harz/Härtersystems beschichtet und die Pulverlackschicht in einem Konvektionsofen für 15 min bei 200°C erhitzt. Die Analyse der erhaltenen Beschichtung lieferte die folgenden Ergebnisse:
  • Figure 00050003
  • BEISPIEL 4
  • NIR-Vorbehandlung einer Aluminiumoberfläche und nachfolgendes Beschichten mit einer wässrigen Grundierung
  • Es wurde ein Aluminiumprofil im ungereinigten Zustand zur Verwendung im Fensterbau mit einem NIR-Strahler mit einer Leistung von 1.500 W von einer Entfernung von 5 cm und einer Förderbandgeschwindigkeit von 8 m/min bestrahlt. Nach einer Kühlstrecke von 4 m wurde der Profilstreifen mit einer konventionellen wässrigen Grundierung beschichtet, die danach mit einem NIR-Strahler einer Leistung von 500 W von einer Entfernung von 10 cm getrocknet wurde. Es wurde eine porenfreie Beschichtung mit guter Haftung erhalten, deren Eigenschaften einer Beschichtung mit der Grundierung auf einem konventionell vorbehandelten Träger entsprach.
  • BEISPIEL 5
  • NIR-Vorbehandlung und nachfolgende Beschichtung mit einem UV-härtenden Pulverlack
  • Es wurde ein Graugussblech von 12 mm Dicke von einer Entfernung von 5 cm mit einem NIR-Strahler mit einer Leistung von 1.500 W für 10 Sekunden bestrahlt. Das Blech erhitzte sich oberflächlich bis zu einer Temperatur von 130°C. Das Graugussblech wurde anschließend mit einem konventionellen UV-härtenden Pulverlack (UV-TEC UP-023-9490-0, kommerziell verfügbar bei DuPont Pulverlack GmbH&Co., KG) beschichtet, mit einem konventionellen IR-Strahler geschmolzen und mit einem konventionellen UV-Strahler gehärtet. Die erhaltene Beschichtung war frei von Oberflächenfehlern und zeigte eine hervorragende Haftung auf dem Träger.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Beschichten von Metalloberflächen, umfassend die Schritte: (a) Vorbehandeln einer Metalloberfläche mit Hochenergie-NIR-Strahlung bei einer Wellenlänge im Bereich von 730 bis 1.200 nm mit einer Intensität von mehr als 1 W/cm2; und (b) Aufbringen einer Beschichtungszusammensetzung auf die Metalloberfläche, wobei die Beschichtungszusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Pulverzusammensetzungen und flüssigen Zusammensetzungen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Bestrahlens der Beschichtungszusammensetzung mit NIR-Strahlung oder UV-Strahlung, um ein Trocknen und Härten herbeizuführen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Beschichtungszusammensetzung eine Pulverzusammensetzung ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt der Vorbehandlung (a) 1 bis 60 Sekunden dauert.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Schritt (b) unmittelbar nach Schritt (a) folgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Schritt (a) der einzige Vorbehandlungsprozess ist, der auf die Metalloberfläche angewendet wird.
  7. Beschichtete Metalloberfläche, die durch Vorbehandeln und Beschichten erhalten werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche mit den folgenden Schritten vorbereitet wird: (a) Vorbehandeln der Metalloberfläche mit Hochenergie-NIR-Strahlung bei einer Wellenlänge im Bereich von 730 bis 1.200 nm mit einer Intensität von mehr als 1 W/cm2; und (b) Aufbringen einer Beschichtungszusammensetzung auf die Metalloberfläche, wobei die Beschichtungszusammensetzung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Pulverzusammensetzungen und flüssigen Zusammensetzungen.
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