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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Pulverlacke im allgemeinen und genauer gesagt
Pulverlacke, die ein Aussehen mit niedrigem Glanz für den lackierten
Gegenstand bereitstellen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Pulverlacke
werden weitverbreitet verwendet, um einen dekorativen und/oder schützenden
Lack auf Substraten bereitzustellen. Sie werden zunehmend populär, da sie
in einem festen Zustand oder als Aufschlämmung aufgebracht werden. Diese
Aufbringungszustände
bedeuten, dass die Pulverlacke, unähnlich ihren herkömmlichen
Gegenstücken
von flüssigem
Lack, wenige oder keine Lösungsmittel
verwenden. Außerdem
gestattet die Aufbringung im festen Zustand, dass das Pulver gesammelt,
gereinigt und wiederverwendet wird.
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Bei
bestimmten Anwendungen ist es notwendig oder wünschenswert für den Pulverlack,
eine Oberfläche
zu haben, die glatt im Aussehen ist, aber einen niedrigen Glanz
oder Schein hat. Derartige Anwendungen sind diejenigen, wo niedriger
Glanz ästhetisch
gewünscht
wird oder wo blendender Glanz von der Lackoberfläche die sichere oder richtige
Verwendung des lackierten Gegenstands, wie beispielsweise Schusswaffen, optische
Vorrichtungen, militärische
Anwendungen und Motorfahrzeuge, Flugzeuge und andere Fahrzeuge, beeinträchtigen
kann. Versuche auf dem Stand der Technik, den Glanz in Pulverlacken
zu steuern, haben drei verschiedene Herangehensweisen benutzt, indem
Füllstoffe,
Wachse und unterschiedliche Härtung
verwendet wurden.
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Es
ist bekannt, dass die Zugabe von Füllstoffen den Glanz von Pulverlacken
verringert. In der Tat ist eine Verringerung des Glanzes eine unvermeidliche
und oft nicht wünschenswerte
Nebenwirkung der Füllstoffzugabe.
Zum Beispiel vermarktet die 3M Company keramische Mikrokügelchen
unter dem Handelsnamen ZeeospheresTM zur
Verwendung in Pulverlacken, um den Glanz zu steuern. Ein Füllstoff,
der allgemein zur Steuerung des Glanzes verwendet wird, ist Wollastonit,
dessen nadelförmige
Kristalle sehr wirksam beim Verringern des Glanzes durch Verringern
der mikroskopischen Glätte
von Lacken sind. Füllstoffe
mit anderer Gestalt werden ebenfalls allgemein zum Verringern des
Glanzes verwendet. Die Unzulänglichkeit
der Verwendung von Füllstoffen
zur Steuerung des Glanzes ist, dass ihre Zugabe auch den Lackfluss
verringert, wobei typischerweise die Menge an Welligkeit oder Textur,
bekannt als „Orangenschaleneffekt", vergrößert wird.
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Kohlenwasserstoff
und Fluorkohlenstoffwachse werden verwendet, um den Glanz von Pulverlacken zu
verringern. Wenn ein wachshaltiger Lack eingebrannt wird, wandert
das Wachs zu der Lack/Luft-Grenzfläche, wo es eine Schicht mit
verringertem Glanz bildet. Unzulänglichkeiten
dieser Herangehensweise sind, dass das Wachs die Lackoberfläche aufweicht
und deren Beständigkeit
gegen Zerkratzen, Verflecken und chemischen Angriff verringert.
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Ein
anderer Weg zur Verringerung des Glanzes, der besonders bei Epoxy-
und Epoxy/Polyester-Hybridlacken
wirksam ist, ist es, mindestens zwei Härtungsmittel oder zwei verschieden
strukturierte oder verschieden katalysierte Harze einzubringen.
Bei unvollständigem
molekularen Mischen, wie es beispielsweise typischerweise in einem
Pulverlackextruder angetroffen wird, führen diese Systeme mit unterschiedlicher
Härtung
während
des Härtens
auf der Lackoberfläche
zu der Entwicklung von Zonen mit variierender Schrumpfung oder variierender
Oberflächenspannung,
was eine mikroskopisch raue Schicht ergibt, welche als niedriger Glanz
gesehen wird.
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Die
Verwendung eines fein gemahlenen Polyesterpulvers als Glanz verringerndes
Mittel ist in WO 00/01774 beschrieben. Jedoch offenbart diese Anmeldung
nicht, dass kugelähnlich
geformte Teilchen und andere Glanz verringernde Mittel, die andere
als Polyester sind, wie beispielsweise Glas- oder keramische Mikrokügelchen,
kugelähnliche
Mineralien oder Metallmikrokügelchen
erfolgreich als Zusatzstoffe für
niedrigen Glanz in Pulverlackzusammensetzungen eingebracht werden
können,
um lackierte Oberflächen
herzustellen, die sowohl glatt im Aussehen als auch niedrig in Glanz
oder Schein sind.
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DE-A-4008361
beschreibt die Verwendung von kugelig geformten nichtreaktiven Polymerteilchen
zum Herstellen matter Oberflächenlacke.
Diese Anmeldung offenbart jedoch niemals, dass Teilchen, die andere sind
als Polymerteilchen, wie beispielsweise Glas- oder keramische Mikrokügelchen,
kugelähnliche
Mineralien oder Metallmikrokügelchen,
zu. Pulverlackzusammensetzungen hinzugegeben werden können, um
lackierte Oberflächen
herzustellen, die sowohl glatt im Aussehen als auch niedrig in Glanz
oder Schein sind.
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Variationen
dieser Herangehensweise werden in weitem Umfang verwendet. Eine
Unzulänglichkeit dieser
Herangehensweise ist, dass die Lackeigenschaften, wie beispielsweise
Stoßfestigkeit,
Flexibilität
oder chemische Beständigkeit,
leiden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt stellt die Erfindung eine verbesserte Pulverlackzusammensetzung
bereit, wobei die Verbesserung die Verwendung von kugelähnlichen
Teilchen in der Zusammensetzung umfasst, die eine mittlere Teilchengröße größer als
10 Mikrometer und vorzugsweise größer als 15 Mikrometer haben
und eine maximale Teilchengröße von etwa
50 Mikrometern haben.
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In
einer anderen Ausführungsform
stellt die Erfindung ein Verfahren zum Verringern des Glanzes in einem
Pulverlack bereit, wobei das Verfahren das Hinzufügen von
kugelähnlichen
Teilchen zu einer Pulverlackzusammensetzung umfasst, wobei die kugelähnlichen
Teilchen eine mittlere Teilchengröße größer als 10 Mikrometer und vorzugsweise
größer als
15 Mikrometer haben und eine maximale Teilchengröße von etwa 50 Mikrometern
haben.
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Diese
und andere Merkmale der Erfindung werden beim weiteren Lesen der
Anmeldung ersichtlich.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Pulverlacke dieser Erfindung versehen den Formulierer mit einer
Gelegenheit, den Glanz der endgültigen
Lackierung zu steuern, während
die negativen Auswirkungen der Versuche des Stands der Technik bei
der Steuerung des Glanzes; d.h. der Verlust von Lackfluss und die
Erzeugung von „Orangenschaleneffekt"-Oberflächenwirkungen,
minimiert oder eliminiert werden. Es ist wichtig zu vermerken, dass
die Lacke dieser Erfindung eine mikroskopisch raue oder texturierte
Oberfläche
haben, aber ansonsten dem bloßen
Auge glatt erscheinen.
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Die
Pulverlackzusammensetzungen dieser Erfindung enthalten ein oder
mehrere wärmehärtende oder
thermoplastische Harze, die allgemein in derartigen Lacken verwendet
werden und auf dem Fachgebiet bekannt sind. Zu derartigen Harzen
gehören
diejenigen, die auf Epoxy-, Polyester-, Acryl- und/oder Urethanharzen basieren. Zu
Beispielen derartiger Harze gehören
gesättigte
und ungesättigte
Polyester, Acryle, Acrylate, Polyesterurethane, Acrylurethane, Epoxy,
Epoxypolyester, Polyesteracryle und Epoxyacryle. Verwendbare thermoplastische
Harze können
zum Beispiel Nylon, Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat
und Polypropylen einschließen.
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Die
Pulverlackzusammensetzungen dieser Erfindung können durch elektrostatisches
Sprühen,
thermisches oder Flammensprühen
oder Verfahren der Fließbettlackierung
aufgebracht werden, alle diese sind dem Fachmann bekannt. Die Lackierungen
können
auf metallische und/oder nichtmetallische Substrate aufgebracht
werden. Nach der Ablagerung des Pulverlacks zu der gewünschten
Dicke wird das beschichtete Substrat typischerweise erhitzt, um
die Zusammensetzung zu schmelzen und ihr Fließen zu bewirken. In bestimmten
Aufbringungen kann das Teil, das lackiert werden soll, vor der Aufbringung
des Pulvers vorerhitzt werden und dann nach der Aufbringung des
Pulvers entweder erhitzt werden oder nicht. Gas- oder elektrische Öfen werden im allgemeinen für verschiedenartige
Heizschritte verwendet, aber andere Verfahren (z.B. Mikrowelle) sind
ebenfalls bekannt. Härten
(d.h. Vernetzen) des Lacks kann nach thermischen oder photochemischen
Verfahren (z.B. Ultraviolettstrahlung, Infrarotstrahlung usw.) ausgeführt werden.
Härten
kann durch Wärmeleitung, Konvektion,
Strahlung oder irgendeine Kombination davon bewirkt werden.
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Die
Pulverlackzusammensetzungen dieser Erfindung enthalten kugelähnliche
Teilchen. Der Begriff „kugelähnlich", wie er hier verwendet
wird, bedeutet im allgemeinen kugelförmig in der Gestalt. Genauer
gesagt bedeutet der Begriff Füllstoffmaterialien,
die weniger als 25% Teilchenagglomerate oder zerbrochene Teilchen
enthalten, die scharfe oder raue Kanten enthalten. Die kugelähnlichen
Teilchen sollten nichtreaktiv oder inert sein, um die anderen Eigenschaften
der Zusammensetzung nicht zu beeinträchtigen. Beispiele geeigneter
kugelähnlicher
Teilchen sind Glasmikrokügelchen,
keramische Mikrokügelchen,
natürlich
vorkommende oder synthetische kugelähnliche Mineralien wie beispielsweise
Cristobalit, Polymermikrokügelchen
und Metallmikrokügelchen.
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Wie
schon erwähnt
müssen
die kugelähnlichen
Teilchen einen mittleren Teilchendurchmesser größer als 10 Mikrometer, vorzugsweise
größer als
15 Mikrometer, haben. Dazwischen liegende Bereiche sind eingeschlossen.
Wenn der mittlere Teilchendurchmesser abnimmt, nimmt die Oberfläche pro
Gewichtseinheit zu. Die Zunahme der Oberfläche führt zu einer Neigung des Füllstoffs,
den Lack zu trocknen, den Fluss zu verringern und Rauhigkeit in
dem Lack zu verursachen. Wie in den Arbeitsbeispielen angegeben
ist, erzeugten kugelähnliche
Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von 10 Mikrometern oder
darunter nur geringfügige
Ergebnisse bei der Steuerung des Glanzes, während bei mittleren Durchmessern
größer als
10, besonders größer als
15, die kugelähnlichen
Teilchen gute Ergebnisse ergaben.
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Die
obere Grenze des Durchmessers der kugelähnlichen Teilchen hängt von
der beabsichtigten Dicke des endgültigen Lacks insofern ab, als
die Teilchen einen Durchmesser haben müssen, der kleiner als die Lackdicke
ist. Die meisten Pulverlacke, besonders „dekorative" Pulverlacke, sind
entworfen, um mit einer Trockenfilmdicke von etwa 50 Mikrometern
aufgebracht zu werden. So sollten in den meisten Aufbringungen die kugelähnlichen
Teilchen einen maximalen Durchmesser von weniger als etwa 50 Mikrometern,
vorzugsweise 40 Mikrometern, haben.
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Die
kugelähnlichen
Teilchen können
in der Zusammensetzung in einem Anteil von 5 Gew.-% bis 60 Gew.-%,
bezogen auf das Gesamtgewicht der Pulverlackzusammensetzung, vorhanden
sein. Unter 5 Gew.-% wird wenig Auswirkung auf den Glanz beobachtet. Über 60 Gew.-%
resultiert ein unakzeptabler Verlust an Lackfluß. Es ist selbstverständlich,
daß dies
allgemeine Richtlinien sind und die genauen Gewichtsprozent kugelähnlicher
Teilchen von dem spezifischen Gewicht der kugelähnlichen Teilchen, dem gewünschten
Grad der Verringerung des Glanzes und den anderen Komponenten der
Pulverlackzusammensetzung abhängen.
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Zusätzlich zu
den Harzen und kugelähnlichen
Teilchen können
die Pulverlackzusammensetzungen dieser Erfindung andere Zusatzstoffe
enthalten, die herkömmlicherweise
in Pulverlackzusammensetzungen verwendet werden. Zu Beispielen derartiger
Zusatzstoffe gehören
Füllstoffe,
Streckmittel, Flußzusatzstoffe, Katalysatoren,
Härter
und Pigmente. Verbindungen mit antimikrobieller Aktivität können ebenfalls
hinzugefügt werden,
wie in der US-Patentschrift 6093407 gelehrt wird, deren vollständige Offenbarung
hier durch Bezugnahme einbezogen ist.
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Die
Pulverlacke dieser Erfindung werden nach herkömmlichen Fertigungstechniken
hergestellt, die in der Pulverlackindustrie verwendet werden. Zum
Beispiel können
die in dem Pulverlack verwendeten Bestandteile, einschließlich der
kugelähnlichen
Teilchen, zusammengemischt und auf eine Temperatur zum Schmelzen des
Gemischs erhitzt und dann extrudiert werden. Das extrudierte Material
wird dann auf Kühlwalzen
abgekühlt,
aufgebrochen und dann zu einem feinen Pulver gemahlen.
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Die
kugelähnlichen
Teilchen können
auch in einem Verfahren, das als „Verkleben" bekannt ist, mit dem Lackpulver vereinigt
werden, nachdem es erzeugt worden ist. In diesem Verfahren werden
das Lackpulver und das Material, das mit ihm „verklebt" werden soll, gemischt und dem Erhitzen
und Prallschmelzen unterworfen, um die verschiedenen Teilchen zu
verbinden.
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BEISPIELE
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Tabelle
1 kennzeichnet eine Anzahl von im Handel erhältlichen kugelähnlichen
Teilchen und charakterisiert ihre Verwendbarkeit als Glanzsteuerungsmittel
in Pulverlackzusammensetzungen.
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TABELLE
1 KUGELÄHNLICHE
GLANZSTEUERUNGSMITTEL
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- Anmerkung: 1. Verwendbar nur für Lacke einer Dicke größer als
etwa 50 Mikrometer.
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BEISPIELE 1–8
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Die
folgenden Beispiele veranschaulichen die Wichtigkeit der richtigen
Größe der Füllstoffteilchen
für die
Steuerung des Glanzes und die Glätte
des Lacks. Die kugelähnlichen
Füllstoffe,
die in Tabelle 3 aufgeführt sind,
wurden in der Zusammensetzung getestet, die nachstehend in Tabelle
2 aufgeführt
ist:
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TABELLE
2 TGIC-GEHÄRTETE POLYESTERZUSAMMENSETZUNG
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Die
Pulverlackzusammensetzungen wurden durch Vereinigen und Beutelmischen
der Komponenten und nachfolgende Schmelzextrusion hergestellt. Das
Extrudat wurde zwischen gekühlten
Walzen verfestigt, dann aufgebrochen und zu Pulver gemahlen. Die
Pulver wurden bei 80 Mesh (180 Mikrometer) vorgesiebt, um grobkörnige Teilchen
zu entfernen.
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Lacke
wurden hergestellt, indem die gepulverten Zusammensetzungen auf
0,032 Inch (0,081 cm) dicke, grundierte Stahlplatten aufgebracht
wurden, wobei eine elektrostatische Sprühkanone verwendet wurde, dann
die mit Pulver beschichteten Platten für 10 Minuten bei 400°F (204°C) eingebrannt
wurden. Die Dicke der Pulverlacke betrug ungefähr 50 Mikrometer.
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Nach
dem Abkühlen
wurden die Lacke auf Glanz und Glätte bewertet. Diese Ergebnisse
erscheinen in Tabelle 3.
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Anmerkungen:
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- (1) Die Teilchen wurden gesiebt, um Teilchen
größer als
45 μm zu
entfernen.
- (2) „phr" bedeutet Teile pro
hundert Teile Harz.
- (3) PCI-Glätte:
Durch Vergleich mit Standards von 1 (starker Orangenschaleneffekt)
bis 10 (glatt).
- (4) in der Reihenfolge zunehmender Härte: 2B, B, HB, H, 2H, 3H usw.
- (5) Abreiben, aufgezeichnet bei 50 Doppelreibungen mit einem
Methylethylketon-gesättigtem
Baumwolltupfer, von 1 (durchgerieben) bis 5 (keine Wirkung).
- (6) Inch-lb-Stoß,
der unter Verwendung eines halbkugeligen ½''-Stoßkörpers nicht
zum Rissigwerden führte.
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DISKUSSION DER ERGEBNISSE
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Beispiel
1. Dieses Beispiel (Kontrolle) zeigt den Hochglanz eines unmodifizierten
Lacks.
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Beispiele
2 und 5. Jedes dieser Beispiele enthielt 20 phr (14,5 Gew.-%) kugelähnliche
Teilchen, aber mit verschiedenen Größen. In beiden Fällen wurde
der Glanz auf etwa das gleiche Niveau (74 vs. 75) verringert. Jedoch
war der Verlust von Fluss in Beispiel 5 signifikant höher als
in Beispiel 2, was der Tatsache zugeschrieben wird, dass die kugelähnlichen
Teilchen in Beispiel 5 einen mittleren Durchmesser von 5 μm hatten, was
am untersten Ende des akzeptablen Bereichs ist.
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Beispiele
3 und 6. Jedes dieser Beispiele enthielt 40 phr (25,3 Gew.-%) kugelähnliche
Teilchen, aber mit verschiedenen Größen. Die kugelähnlichen
Teilchen in Beispiel 3 waren beim Verringern des Glanzes wirksamer
(50 vs. 68) und hatten auch weniger von einer negativen Auswirkung
auf den Fluss (67 vs. 54 mm). Diese Ergebnisse werden der Tatsache
zugeschrieben, dass die in Beispiel 6 verwendeten kugelähnlichen Teilchen
einen mittleren Durchmesser von 5 μm hatten, was unterhalb des
akzeptablen Bereichs ist.
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Beispiel
4, 7 und 8. Die kugelähnlichen
Teilchen in jedem dieser Beispiele umfassten 60 phr (33,7 Gew.-%)
der Zusammensetzung. Die kugelähnlichen
Teilchen in den Beispielen 4 und 8 waren etwa gleich wirksam bei
der Verringerung des Glanzes (38 bzw. 35) und waren viel besser
als die in Beispiel 7 verwendeten Teilchen (60). Die Werte zeigen
auch, dass die Glasteilchen im Verhältnis zu den keramischen Teilchen
von ungefähr
gleicher Größe (Beispiel
4 vs. Beispiel 8) weniger von einem negativen Einfluss auf den Fluss
hatten. Ein Vergleich der Beispiele 7 und 8 demonstriert wieder,
dass feinere Teilchen eine größere Auswirkung
auf die Verringerung des Flusses haben.
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BLEISTIFTHÄRTE
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Der
Vergleich der Beispiele 2–7
mit Beispiel 1 (Kontrolle) zeigte, dass die Zugabe der kugelähnlichen Teilchen
die Bleistifthärte,
ein Maß der
Kratzfestigkeit, nicht verringert.
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MEK-BESTÄNDIGKEIT
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Der
Vergleich der Beispiele 2–7
mit Beispiel 1 (Kontrolle) zeigte, dass die Zugabe der kugelähnlichen Teilchen
die MEK-Beständigkeit
nicht verringert.
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SCHLAGFESTIGKEIT
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Der
Vergleich der Beispiele 2–4
und 8 mit Beispiel 1 (Kontrolle) zeigte, dass die Zugabe der kugelähnlichen
Teilchen keinen negativen Einfluss auf die Schlagfestigkeit hat.
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BEISPIELE 9–13
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Die
Lacke wurden wie in den vorstehenden Beispielen hergestellt, aufgetragen
und bewertet, wobei die in Tabelle 4 gekennzeichneten kugelähnlichen
Teilchen verwendet wurden.
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TABELLE
4 LACKZUSAMMENSETZUNGEN
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Anmerkungen:
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- (1) Dieser Lack zeigte „Samenkörner", zurückzuführen auf Füllstoffteilchen, die größer als
die Dicke des Lacks waren.
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DISKUSSION DER ERGEBNISSE
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Beispiel
1. Dieses Beispiel zeigte den hohen Glanz eines unmodifizierten
Kontrolllacks.
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Glanz
und mittlere Teilchengröße – Beispiele
9 bis 12. Wenn die mittlere Teilchengröße von 2 bis 10 zunahm, wurden
die Teilchen beim Verringern des Glanzes wirksamer. Der Glanz fiel
von 66 bei 2 Mikrometern auf 42 bei 10 Mikrometern ab.
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Fluss
und mittlere Teilchengröße – Beispiele
9 bis 12. Wenn die mittlere Teilchengröße von 2 auf 10 zunahm, hatten
die Teilchen weniger Wirkung auf den Fluss. Der Fluss stieg von
21 mm bei 2 Mikrometern auf 32 mm bei 10 Mikrometern.
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Glätte und
mittlere Teilchengröße – Beispiele
9 bis 12. Wenn die mittlere Teilchengröße von 2 bis 10 zunahm, wurde
der Lack glatter. Die Glätte
stieg von einer Rauhigkeit 1 bei 2 Mikrometern auf eine geringere Rauhigkeit
3 bei 10 Mikrometern.
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Glätte und
maximale Teilchengröße – Beispiel
13. Dieses Beispiel zeigte die „Samenkörner", die aus der Anwesenheit von Teilchen
resultieren, die größer als
die Dicke des Lacks sind (ungefähr
50 Mikrometer).
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Die
Schlussfolgerung aus diesen Beispielen ist, dass die besten Ergebnisse
bei kugelähnlichen
Cristobalit-Teilchen mit Proben erhalten wurden, die die höchste verfügbare mittlere
Teilchengröße hatten,
solange keine Teilchen dicker waren als die Dicke des Lacks.
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BEISPIELE 14–19
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Diese
Beispiele demonstrieren, dass ein kugelförmiger Füllstoff mit richtiger Größe den Glanz
einer Vielfalt von verschiedenen Lacktypen verringern kann. Die
Tabellen 5–8
führen
die Komponenten der Lacke, die hergestellt wurden, zusammen mit
Ergebnissen von Glanz, Glätte
und Fluss auf. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 zusammengefasst.
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TABELLE
5 ANHYDRID-GEHÄRTETE EPOXY-LACKZUSAMMENSETZUNG
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TABELLE
6 EPOXY/POLYESTER-HYBRID-LACKZUSAMMENSETZUNG
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TABELLE
7 POLYESTERURETHAN-LACKZUSAMMENSETZUNG
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TABELLE
9 LACKÜBERSICHT
ZUSAMMENFASSUNG
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Diese
Werte zeigen, daß kugelförmige Füllstoffe
mit richtiger Größe zuverlässig verwendet
werden können,
um in einer Vielfalt von chemischen Zusammensetzungen für Pulverlacke
den Glanz zu verringern.
