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Die
vorliegende Erfindung betrifft Pulverbeschichtungszusammensetzungen,
die auf wärmeempfindliche
Substrate wie z.B. Holz, Faserplatten oder dergleichen aufgebracht
werden können.
Diese Zusammensetzungen erzeugen ein feines, gleichförmig verteiltes
texturiertes Finish auf diesen wärmeempfindlichen
Substraten.
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Pulverbeschichtungen
sind bei Raumtemperatur trockene, fein verteilte, frei fließende feste
Materialien. Sie haben aus zahlreichen Gründen in der OberFlächenbeschichtungsindustrie
eine beträchtliche
Popularität
erlangt. Zum einen wird davon ausgegangen, dass sie mit einer größeren Sicherheit
gehandhabt und aufgebracht werden können, da sie praktisch frei
von den schädlichen,
flüchtigen
organischen Lösungsmitteln sind,
die normalerweise in flüssigen
Beschichtungen vorhanden sind. Ferner führt deren Verwendung zu einer geringeren
Schädigung
der Umwelt, die durch die Freisetzung potenziell schädlicher
Lösungsmittel
verursacht wird.
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Pulverbeschichtungen
sind dahingehend sehr bequem zu verwenden, dass sie im Fall eines
Verschüttens
einfach aufgekehrt werden können.
Es sind keine speziellen Umschließungsvorrichtungen oder -verfahren
erforderlich, wie sie für
die Handhabung flüssiger
Beschichtungsformulierungen erforderlich wären. Ferner sind Pulverbeschichtungen
im Wesentlichen zu 100 % rezyklierbar. Im Überschuss verspritzte bzw.
versprühte Pulver
können
vollständig
zurückgewonnen
und wieder mit dem Pulvervorrat vereinigt werden. Dieser Faktor sorgt
für ein
effizienteres industrielles Verfahren und vermindert die Menge an
erzeugtem Abfall wesentlich. Im Gegensatz dazu werden im Überschuss
verspritzte bzw. versprühte
flüssige
Beschichtungen nicht rezykliert, was zu einer Zunahme der Gesamtmenge
an erzeugtem gefährlichen
Abfall führt.
Dies verteuert das Beschichtungsverfahren signifikant und belastet
die Umwelt im Allgemeinen durch Erhöhen der Menge an erzeugtem gefährlichen
Abfall.
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In
der Möbelherstellungsindustrie
bestand seit langer Zeit ein Bedarf für eine Beschichtung für wärmeempfindliche
Substrate, die, wenn sie gehärtet
ist, ein gleichförmig
verteiltes, fein texturiertes Finish bereitstellt. Wärmeverschmolzene
Vinyllaminate haben herkömmlich
sehr fein texturierte Finishs bereitgestellt. Das Verfahren des
Aufbringens von Vinyllaminaten auf holzartige Substrate ist jedoch
schwer zu steuern und die gleichförmige Qualität des Oberflächenfinishs
ist häufig
ungleichmäßig, insbesondere
um die Ecken und Kanten des Substrats. Versuche zur Lösung dieser
verschiedenartigen Probleme mit Pulverbeschichtungen waren bisher
nicht erfolgreich.
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In
der Vergangenheit wurden Pulverbeschichtungen mit metallischen Substraten
verwendet, die hohen Temperaturen widerstehen können, die zum Härten der
Beschichtung erforderlich sind. Kürzlich wurden jedoch Beschichtungen
entwickelt, die ein Härten
bei niedrigeren Temperaturen ermöglichen
und folglich sowohl die Wahrscheinlichkeit eines Verkohlens als
auch das übermäßige Ausgasen
von Feuchtigkeit aus dem Substrat vermindern. Eine kontrollierte
Feuchtigkeitsmenge in dem Holzsubstrat ist für die Bildung einer gleichförmig gebundenen
Beschichtung essentiell. Das US-Patent 5,721,052 beschreibt ein
Pulverbeschichtungssystem auf Epoxybasis, das bei niedrigeren Temperaturen
gehärtet
werden kann. Um der gehärteten
Beschichtung ein fein texturiertes Finish zu verleihen, werden jedoch
herkömmliche
Texturierungsmittel verwendet. Beispiele für solche Texturierungsmittel
sind PTFE, verschiedene PTFE/Wachs-Gemische, organophile Tone und
modifizierte Kautschukteilchen. Diese Materialien erzeugen jedoch
Texturen, die verglichen mit Vinyllaminaten zu grob sind und häufig gesprenkelt
oder fleckig aussehen, wenn sie auf eine große Oberfläche wie z.B. eine Schranktür oder die
Oberseite einer Theke aufgebracht werden. Das US-Patent 5,212,263
beschreibt ein feines Texturfinish ohne die Verwendung herkömmlicher
Texturierungsmittel, jedoch nutzt deren System ein Gemisch aus einem
Epoxyharz, Methylendisalicylsäure
und Isopropylimidazol-Bis-A-Epoxyharzaddukt, das bei 375°F (190°C) gehärtet werden
muss. Aufgrund der hohen Härtungstemperatur
ist ein Metall als Substrat der Wahl beschrieben.
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Ein
weiteres Problem, das bezüglich
einer Pulverbeschichtung für
Holzsubstrate auftritt, ist die relativ geringe Temperaturdifferenz
zwischen dem Extrusionsprozess, der zum einheitlichen Mischen der
verschiedenen Beschichtungsbestandteile vor der Erzeugung des Pulvers
erforderlich ist, und der Härtungstemperatur. Beispielsweise
können
die Extrusionstemperaturen 250°F
(121°C)
erreichen, während
die gewünschte
Härtungstemperatur
nur 250 bis 275°F
(121 bis 135°C)
betragen kann. Eine sorgfältige
Steuerung der Extrusions- und Härtungstemperaturen
ist essentiell.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pulverbeschichtung
bereitzustellen, die für ein
Aufbringen auf wärmeempfindliche
Substrate geeignet ist und die, wenn sie gehärtet ist, ein gleichförmig verteiltes,
fein texturiertes Finish aufweist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Beschichten bzw. Aufbringen eines fein texturierten Finishs
auf wärmeempfindliche
Substrate, insbesondere Holzsubstrate, bei Härtungstemperaturen von etwa
300°F (149°C) oder weniger
für akzeptable
Härtungsofenverweilzeiten
durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Pulverbe schichtung mit
Schnellhärtungs-
und/oder Niedertemperaturhärtungseigenschaften
bereitzustellen, ohne die physikalischen oder physikochemischen
Eigenschaften des Substrats zu verschlechtern oder nachteilig zu
beeinflussen.
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Die
vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten in den
beigefügten
Ansprüchen
dargelegt. Die erfindungsgemäße Pulverbeschichtung
kann auf die Oberflächen
von Holzsubstraten aufgebracht werden, ohne diese zu beschädigen, um
ein gleichförmig
fein texturiertes Finish bereitzustellen, ohne dass es erforderlich
ist, ein Texturierungsmittel zuzusetzen.
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Die
erfindungsgemäße Pulverbeschichtung
ist zur Verwendung auf wärmeempfindlichen
Substraten wie z.B. Holz und holzartigen Materialien vorgesehen.
Für die
Zwecke dieser Erfindung kann Holz als jedwedes Lignocellulosematerial
definiert werden, und zwar ungeachtet dessen, ob es von Bäumen oder
anderen Pflanzen stammt und ob es in den natürlichen Formen vorliegt, in
einer Sägemühle geformt
worden ist, in Lagen getrennt und zu Sperrholz verarbeitet worden
ist, zu Spänen
verarbeitet und zu Spanplatten verarbeitet worden ist oder dessen
Fasern getrennt, verfilzt und gepresst worden sind.
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Das
Glycidylmethacrylatharz (GMA-Harz) liegt in Form eines Copolymers
vor, das durch Copolymerisieren von 20 bis 100 Gew.-% Glycidylacrylat
oder Glycidylmethacrylat und 0 bis 80 Gew.-% anderer alpha,beta-ethylenisch
ungesättigter
Monomere, wie z.B. Methylmethacrylat, Butylmethacrylat und Styrol,
erzeugt werden kann. Ein solches Harz weist typischerweise ein Gewichtsmittel
des Molekulargewichts von etwa 3000 bis etwa 200000 und vorzugsweise
von etwa 3000 bis etwa 20000 auf, bestimmt mittels Gelpermeationschromatographie.
Die Glasübergangstemperatur
(Tg) des GMA liegt vorzugsweise zwischen etwa 40°C und 70°C. Dessen Viskosität liegt
vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 10 und 500 Poise und insbesondere
zwischen etwa 30 und 300 Poise bei 150°C, bestimmt mittels eines Konus-
und Platten-Viskosimeters von ICI.
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Das
GMA kann unter herkömmlichen
Reaktionsbedingungen, die in dem Fachgebiet bekannt sind, hergestellt
werden. Beispielsweise können
die Monomere einem organischen Lösungsmittel
wie z.B. Xylol zugesetzt werden und die Reaktion kann unter Rückfluss
in der Gegenwart eines Initiators wie z.B. Azobisisobutyronitril
oder Benzoylperoxid durchgeführt
werden. Eine beispielhafte Reaktion findet sich im US-Patent 5,407,706.
Darüber
hinaus sind solche Harze unter der Marke „ALMATEX" von Anderson Development Company, Adrian,
Michigan, erhältlich.
Das GMA-Harz liegt in der Pulverbeschichtungszusammensetzung in einer Menge
im Bereich von etwa 20 bis 100 phr (Teile bezogen auf hundert Teile
Harz plus Härtungsmittel)
vor.
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Die
Auswahl des Härtungsmittels
ist kritisch, um das gewünschte
Endprodukt zu erhalten, das mit den engen Verfahrensparametern hergestellt
wird, die aufgrund der wärmeempfindlichen
Substrate erforderlich sind. Das 1,3,5-Tris(2-carboxyethyl)isocyanurat
(TCl) kann durch die Reaktion von Cyanursäure und Acrylnitril hergestellt
werden, wie es z.B. in dem US-Patent
3,485,833 beschrieben ist. Alternativ kann TCl von Cytec Industries,
Inc., Stamford, Conneticut, erhalten werden. Es kann der Pulverbeschichtungszusammensetzung in
einer Menge im Bereich von 1 bis 20 phr, vorzugsweise 12 bis 18
phr, zugesetzt werden.
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Ein
zweites Härtungsmittel,
das aus der Gruppe bestehend aus difunktionellen und trifunktionellen Carbonsäuren und
Polyanhydriden difunktioneller Carbonsäuren ausgewählt ist, kann ebenfalls verwendet werden.
Die Funktionalitätszahl
bezieht sich auf die Anzahl von -COOH-Resten an dem Molekül. Bevorzugt sind die difunktionellen
Carbonsäuren,
von denen Sebacinsäure
und Polyanhydrid am meisten bevorzugt sind. Diese Produkte sind
bekannte Härtungsmittel,
die käuflich
sind. Während
das zweite Härtungsmittel
eine gewünschte
Komponente der erfindungsgemäßen Formulierung
ist, wurde gefunden, dass die Aufgaben der Erfindung auch ohne dessen
Gegenwart gelöst
werden können.
Die bevorzugte Ausführungsform
umfasst jedoch diesen Bestandteil. Sebacinsäure kann in der Formulierung
in einer Menge bis zu 7 phr (d.h. von 0 bis 7 phr) vorliegen. Das
Polyanhydrid, wie z.B. VXL 1381, das von Vianova erhältlich ist,
kann in einer Menge bis 24 phr und vorzugsweise von 5 bis 17 phr
verwendet werden. Darüber
hinaus kann ein Gemisch aus Sebacinsäure und Polyanhydrid verwendet
werden.
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Um
die Reaktion mit der gewünschten
Geschwindigkeit durchzuführen,
ist ein Katalysator erforderlich. Katalysatoren, die innerhalb der
Grenzen dieser Erfindung verwendet werden können, sind die Imidazole 2-Phenylimidazolin,
2-Methylimidazol, ein 2-Methylimidazol-Epoxyaddukt, ein substituiertes Imidazol
(50 % aktiv auf Rizinusöl)
und ein Isopropylimidazol-Bis-A-Epoxyharzaddukt. Ein bevorzugter
Katalysator zum Härten
der erfindungsgemäßen Pulverbeschichtung
auf Holzsubstraten ist ein Isopropylimidazol-Bis-A-Epoxyharzaddukt.
Das Imidazol selbst ist in GMA-Copolymersystemen unlöslich. Daher
besteht der Zweck der Bildung eines Addukts des Imidazols mit dem
Epoxyharz darin, es mit diesem System kompatibel zu machen. Dieser
Katalysator ist von Ciba-Geigy Corporation unter der Handelsbezeichnung
HAT-3261 erhältlich.
Dieser Katalysator wird in einer Menge von 1 bis 10 phr und vorzugsweise
2 bis 5 phr zugesetzt.
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Die
Pulverbeschichtungszusammensetzung kann ferner auch Füllstoffe
oder Streckmittel enthalten. Diese Streckmittel umfassen unter anderem
Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Wollastonit und Glimmer. Sie können der
Pulverbeschichtungszusammensetzung in Mengen im Bereich bis zu 120
phr, vorzugsweise zwischen 10 und 80 phr zugesetzt werden.
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Ferner
kann die erfindungsgemäße Pulverbeschichtungszusammensetzung
herkömmliche
Additive enthalten, um der fertiggestellten Beschichtung verschiedene
physikalische Eigenschaften zu verleihen, oder um bei der Formulierung
und beim Aufbringen der Beschichtung zu unterstützen. Solche Additive umfassen unter
anderem Fließadditive,
Entgasungsmittel, Glanzsteuerungswachse, wie z.B. Polyethylen, und
Gleitadditive, wie z.B. Siloxane.
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Die
erfindungsgemäßen Pulverbeschichtungszusammensetzungen
werden mit herkömmlichen
Techniken hergestellt, die auf dem Gebiet der Pulverbeschichtungen
eingesetzt werden. Typischerweise werden die Komponenten der Pulverbeschichtung
sorgfältig
zusammengemischt und dann in einem Extruder schmelzgemischt. Das
Schmelzmischen wird typischerweise in einem Temperaturbereich zwischen
140° und
180°F (60°C und 82°C) bei einer
sorgfältigen
Steuerung der Extrudattemperatur durchgeführt, um jedwedes vorzeitiges
Härten
der Pulverbeschichtungsformulierung in dem Extruder zu minimieren.
Diese Extrudertemperaturen sind niedriger als die typischen Härtungstemperaturen
der Pulverbeschichtung, bei der die beginnende Härtung bei niedrigen Temperaturen
von 250°F
(121 °C)
einsetzen kann. Die extrudierte Zusammensetzung, die üblicherweise
in einer Lagen- bzw. Plattenform vorliegt, wird nach dem Abkühlen in
einer Mühle
wie z.B. einer Brinkman-Mühle
oder einer Bantam-Hammermühle
gemahlen, um die gewünschte
Teilchengröße zu erhalten.
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Die
wärmeempfindlichen
Holzsubstrate, die mit der erfindungsgemäßen Pulverbeschichtung beschichtet
werden sollen, sind unter anderem Hartholz, Spanplatten, Faserplatten
mittlerer Dichte (MDF), elektrisch leitfähige Spanplatten (ECP), Masonit
oder jedwede andere Materialien auf Cellulosebasis. Holzsubstrate,
die zur Verwendung in dieser Erfindung besonders gut geeignet sind,
weisen einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 3 % bis 10 % auf. Nachdem
sie geschnitten, gemahlen, in eine Gestalt gebracht und/oder geformt worden
sind, werden diese Holzmaterialien im Allgemeinen verwendet, um
Gegenstände
wie z.B. Computermöbel,
Büromöbel, zusammenbaufertige
Möbel,
Küchenschränke und
dergleichen herzustellen.
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Die
erfindungsgemäßen Pulverbeschichtungszusammensetzungen
weisen Eigenschaften einer sehr niedrigen Härtungstemperatur auf. Diese
Eigenschaften stellen eine Beschichtungszusammensetzung bereit, die
insbesondere durch elektrostatisches Spritzen bzw. Sprühen einfach
auf wärmeempfindliche
Materialien aufgebracht werden kann, insbesondere auf Holzprodukte,
während
das Aussetzen des Substrats gegenüber Wärme so begrenzt wird, dass
das Substrat nicht beschädigt
wird. Idealerweise wird das Substrat vorgeheizt. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird eine MDF in einem Ofen 10 bis 15 min bei 350°F bis 375°F (177 bis
190°C) vorgeheizt.
Das Substrat wird dann beschichtet, wenn die Plattenoberflächentemperatur
zwischen 170°F
und 240°F
(77°C und
116°C) erreicht
hat. Das beschichtete Substrat wird dann 5 bis 30 min in einem zwischen
250°F und
375°F (121 °C und 190°C) eingestellten
Ofen nachgehärtet.
Die Plattentemperatur darf 300°F
nicht übersteigen.
Die Härtungsgeschwindigkeit
ist zeit/temperaturabhängig.
Eine effektive Härtung kann
bei einer niedrigen Härtungstemperatur
von 250°F
(121 °C)
für einen
Zeitraum von 30 min erreicht werden. Eine gleichermaßen effektive
Härtung
kann bei einer Härtungstemperatur
bis zu 375°F
(190°C)
erreicht werden, jedoch bei einer Ofenverweilzeit von nur etwa 5
min bei dieser Temperatur. Nachdem die Härtung erreicht worden ist,
wird das beschichtete Substrat dann luftgekühlt.
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Es
ist wichtig, das Ausgasen aus dem Holzsubstrat zu minimieren. Ein
signifikantes Ausgasen wird die interne strukturelle Integrität des Substrats
verschlechtern und große,
erkennbare Oberflächendefekte
in der fertiggestellten Beschichtung bilden. Durch die Bereitstellung
von Beschichtungen, die bei niedrigeren Temperaturen härten, wird
das Potenzial für
ein signifikantes Ausgasen vermindert oder vollständig beseitigt.
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Die
hohe Viskosität
oder der geringe Schmelzfluss der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen ermöglicht es,
dass die gehärtete
Pulverbeschichtung nicht nur die flache(n) Oberfläche(n) des
Holzsubstrats gleichförmig
bedeckt und verdeckt, sondern auch die Kanten, die sehr porös und daher
in dem Aufbringvorgang am schwierigsten gleichförmig zu beschichten sind.
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Das
bevorzugte Verfahren, das zum Aufbringen der bei niedriger Temperatur
härtenden
Pulverbeschichtung auf wärmeempfindliche
Substrate verwendet wird, ist das elektrostatische Spritzen bzw.
Sprühen. Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird demgemäß nachstehend
unter Bezugnahme auf elektrostatische Spritz- bzw. Sprühverfahren
diskutiert. Es sollte jedoch beachtet werden, dass auch andere Schmelzbeschichtungsverfahren
verwendet werden können.
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Das
elektrostatische Spritzen bzw. Sprühen von Pulverbeschichtungen
beruht auf dem Prinzip der elektrostatischen Aufladung. Beim elektrostatischen
Spritzen bzw. Sprühen
erhalten die Pulverteilchen durch eines der beiden folgenden Verfahren
Ladungen. Bei dem Koronaverfahren werden die Pulverbeschichtungsteilchen
in einem Trägergasstrom
in einer Koro naspritz- bzw. -sprühpistole
durch eine Koronaentladung geschickt, und die Ladung wird von den
ionisierten entladenen Luftmolekülen
auf die Pulverteilchen übertragen, wodurch
die Pulverteilchen elektrostatisch aufgeladen werden. In dem triboelektrischen
Verfahren wird das Prinzip der Reibungselektrizität genutzt.
Die Pulverteilchen reiben gegen eine Reibungsoberfläche aus üblicherweise
Polytetrafluorethylen (TEFLON) in der Tribopistole und werden mit
einer elektrischen Ladung versehen, die bezüglich der Ladung der Substratoberfläche eine
entgegengesetzte Polarität
aufweist.
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Nach
dem Aufladen werden die Teilchen als Wolke durch die Spritz- bzw.
Sprühpistolendüse aufgrund ihrer
Ladung und dem Trägergasausstoßdruck in
die Nähe
des geerdeten Zielsubstrats ausgestoßen. Die geladenen Sprühnebelteilchen
werden an das geerdete Substrat aufgrund der Differenz ihrer jeweiligen
Ladungen angezogen. Dies führt
dazu, dass sich die Teilchen als gleichförmige Beschichtung auf dem
gewünschten Substrat
abscheiden, wobei das gesamte Substrat, einschließlich der
Flächen
und Kanten, bedeckt wird. Das aufgeladene Pulver haftet an dem Substrat
für einen
Zeitraum, der ausreichend ist, um ein Fördern des beschichteten Gegenstands
zu einem Ofen zu ermöglichen.
Ein anschließender
Wärmebehandlungs-
oder Härtungsvorgang
in dem Ofen wandelt das Pulver in eine gleichförmige, kontinuierliche Beschichtung
mit den gewünschten
feinen Texturoberflächenfinish-Eigenschaften um.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch spezifische Beispiele weiter veranschaulicht,
die für
die Erfindung lediglich beispielhaft sind. Alle Teile und Prozentangaben,
die hier angegeben sind, beziehen sich auf das Gewicht, falls nichts
anderes angegeben ist.
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Beispiele
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Eine
gleichförmige,
feine Texturbeschichtung wurde mit einer Pulverbeschichtung erreicht,
die aus den in der Tabelle 1 angegebenen Bestandteilen bestand.
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Die
Bestandteile wurden dann in einem Extruder bei einer Temperatur
von 150°F
(66°C) schmelzgemischt.
Das extrudierte Material wurde mit etwa 0,2 % des trockenen Fließadditivs
Aluminiumoxid C gemischt und dann zu einem groben Pulver gemahlen.
Diese Teilchen wurden als nächstes
unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeits-Brinkman-Mühle mit
einem 12-Stift-Rotor zu einem feinen Pulver gemahlen und dann durch
ein Sieb mit der Maschenweite 200 gesiebt.
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Die
feinen Pulverteilchen wurden dann mit einer Koronaentladungspistole
elektrostatisch auf MDF-Platten gespritzt bzw. gesprüht, die
10 bis 15 min bei 350 bis 375°F
(177 bis 190°C)
vorgeheizt worden sind. Die beschichteten Platten wurden dann in
einem auf 350 bis 375°F
(177 bis 190°C)
eingestellten Ofen 5 bis 10 min nachgehärtet. Während der Zeit, in der sich
die Platten in dem Ofen befanden, überstiegen ihre Oberflächentemperaturen
300°F (149°C) nicht.
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Die
Gelbildungszeit und der Heizplattenschmelzfluss der Pulverbeschichtung
wurden getestet. Dann wurden die MEK-Beständigkeit und der Glanz der
gehärteten
Platten getestet. Die Endbeschichtungsdicke betrug etwa 0,10 bis
0,18 mm (4 bis 7 mil). Die resultierenden Eigenschaften sind in
der Tabelle 2 zusammengefasst.
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Ein
zweites Beispiel wurde unter Verwendung der in der Tabelle 3 gezeigten
Bestandteile hergestellt.
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Die
Bestandteile von Tabelle 3 wurden so hergestellt und getestet, wie
es in der Vorschrift angegeben ist, die vorstehend unter der Tabelle
1 gezeigt ist. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 gezeigt.
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