-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wärmehärtbare Epoxidpulverbeschichtungszusammensetzung
und ein Verfahren zu deren Verwendung. Genauer gesagt, bezieht sich
diese Erfindung auf eine Epoxidpulverbeschichtung, die die Erzeugung
einer Trübung
in einem Klarlack, der daraus während
der Wärmehärtung bei
niedrigen Temperaturen gebildet wird, verhindern soll.
-
Nicht-eisenhaltige
Metalle, wie Messing und Kupfer, werden in der Industrie als Komponenten
bei der Herstellung von Maschinen und anderen derartigen Vorrichtungen
sowie bei der Herstellung von Möbeln
und Schränken
als Scharniere und Griffe verwendet. Gegenstände, die eher dekorativ als
funktional sind, wie Kerzenhalter, Lampenkomponenten und dergleichen,
können
auch mit solchen Metallen gemacht werden. Diese nicht-eisenhaltigen
Metalle erfordern im allgemeinen einen Klarlackanstrich, damit ihr
Glanz und das Aussehen verbessert werden und sie gegen die Handhabung,
Abnutzung und das Reißen
oder nachteilige Umweltfaktoren geschützt sind. In der Vergangenheit
sind lösungsmittelhaltige
flüssige
Beschichtungen entwickelt worden, diese lieferten jedoch nicht das
gewünschte
Leistungsniveau. Lösungsmittelhaltige
Formulierungen enthalten zudem hohe Niveaus an gefährlichen
flüchtigen
organischen Verbindungen, die während
der Verfestigung und Härtung
der Beschichtung verdampfen. Aufgrund der Umweltrichtlinien müssen diese
verdampfenden organischen Lösungsmittel
aufgefangen, isoliert und gesammelt werden, um deren Freisetzung
in die Umwelt zu verhindern. Dies ist ein sehr kostspieliger Vorgang.
-
Verschmolzene
wärmehärtbare Pulverbeschichtungszusammensetzungen
sind auch zur Beschichtung nicht-eisenhaltiger Teile eingesetzt
worden. Pulverbeschichtungen bieten gegenüber flüssigen Beschichtungen viele
Vorteile. Beispielsweise ist die Kor rosion und die Kratzfestigkeit
gegenüber
der von flüssigen
Beschichtungen viel besser. Ferner sind Pulverbeschichtungen im
Grunde frei von den schädlichen
flüchtigen
organischen Lösungsmitteln,
die üblicherweise
in flüssigen
Beschichtungen vorhanden sind.
-
Viele
nicht-eisenhaltige Komponenten wie Messing- oder vermessingte Zink-Spritzgußteile entgasen während der
Erwärmung,
insbesondere bei den höheren
Temperaturen, die normalerweise mit herkömmlichen wärmehärtbaren Epoxid-basierenden
Beschichtungen verbunden sind. Dieser Umstand wird eine permanente Verfärbung oder
Verkratzung des Metallanstrichs zur Folge haben. Um ein solch unerwünschtes
Ergebnis zu verhindern, sind Härtungstemperaturen
unterhalb 176,7 °C
(350 °F)
am stärksten
bevorzugt.
-
Von
den kommerziell erhältlichen
wärmehärtbaren
Pulverbeschichtungen, die bei niedriger Temperatur härten, sind
verbreitet Glycidylmethacrylat-(GMA)-Pulverbeschichtungen in Betrieben
wie der Messingspritzguß-
oder Vermessingungsindustrie verwendet worden. GMA-Verbindungen
liefern Beschichtungen mit außergewöhnlicher
Glätte
und Klarheit. Ihre Verwendung birgt jedoch eine Vielzahl von Nachteilen
wie schlechte Substrathaftung und relativ hohe Kosten. Im Ergebnis
sind Vorschläge
hinsichtlich des Austausches von GMA-Materialien durch herkömmliche
wärmehärtbare Epoxidbeschichtungen,
die eine verbesserte Haftung und relativ geringe Kosten bieten,
gemacht worden. Obgleich dies ein signifikanter Schritt vorwärts in dieser
Industrie ist, ist ein Problem noch immer das Standardhärtungssystem,
das beispielsweise Dicyandiamid nutzt, bei dem die Härtung dieser
Beschichtungen bei den gewünschten
Niedrigtemperaturhärtungsbedingungen
sehr oft zur Bildung einer unerwünschten
sichtbaren Trübung
der Pulverbeschichtungsoberfläche
führt.
-
Klarlackoberflächen auf
Messingteilen sollten klar genug sein, daß man die Messingoberfläche optisch ohne
weiteres durchsehen kann. In Dicyandiamid-gehärteten Epoxidklarlacksystemen
wird eine optisch erkennbare milchige Trübung in der Oberflächenbeschichtung
erscheinen, wenn dieses Harzsystem bei niedrigen Temperaturen gehärtet wird.
Diese Milchigkeit, die nicht geschmolzenes Dicyandiamid ist, verzerrt
die Deutlichkeit des Bildes der darunterliegenden Metalloberfläche.
-
Die
vorliegende Erfindung ist, wie in den anhängenden Ansprüchen dargelegt.
-
Das
von der vorliegenden Erfindung angesprochene Problem ist die Eliminierung
eines visuell trüben Erscheinungsbildes
in Epoxidklarlackoberflächen,
die mit Dicyandiamid bei den für
die Verarbeitung nicht-eisenhaltiger Metallsubstrate erforderlichen
niedrigen Temperaturen gehärtet
wurden. In einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Pulverbeschichtungszusammensetzung
bereitgestellt, bestehend aus einem Epoxidharz, Dicyandiamid als
dem Härtungsmittel,
Toluolbisdimethylharnstoff und gegebenenfalls anderen in den Klarlack-Pulverbeschichtungszusammensetzungen
vorliegenden Additiven. In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird
ein Verfahren zum Erhalt einer visuell trübungsfreien Beschichtung auf
nichteisenhaltigen Metallsubstraten bereitgestellt, die zersetzungsanfällig sind,
wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind, umfassend das Aufbringen
der Pulverbeschichtungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung
auf die Oberfläche
des Substrats und Härten
der Pulverbeschichtung bei einer Temperatur unterhalb 176,7 °C. Die resultierende
gehärtete
Beschichtung weist keine sichtbare Trübung auf.
-
Aromatische
substituierte Harnstoffe sind als latente Beschleuniger der Dicyandiamidhärtung von
Epoxidharzen bekannt. Überraschend
ist jedoch, daß die
Zugabe einer solchen Verbindung zu einer Klarlack-Dicyandiamid-Epoxid-basierenden
Pulverbeschichtung die visuell erkennbare Trübung, die für gewöhnlich in der fertigen Beschichtung
vorhanden ist, im wesentlichen eliminiert. Toluolbisdimethylharnstoff,
der von CVC Specialty Chemicals, Inc. als OMICURE® U-410
erhältlich
ist, kann in der Pulverbeschichtungsformulierung in einer Menge
von 0,1 bis 5,0 phr, bevorzugt 0,5 bis 2,0 phr vorliegen.
-
Das
Harz, das in der Praxis dieser Erfindung eingesetzt werden kann,
ist irgendein Epoxid, das über eine
Pulverbeschichtungsformulierung aufgebracht werden kann. Beispiele
umfassen Harze, die durch die Umsetzung von Epichlorhydrin und einem
Bisphenol, wie Bisphenol A, hergestellt werden können, Epoxyphenolnovolakharze,
wie ARALDITE® GT-6259,
Epoxycresolnovolakharze und 4,4'-Isopropylidendiphenol/Epichlorhydrinharze,
wie GT-7013 und GT-7072 von Ciba-Geigy.
-
Das
in diesem Pulverbeschichtungssystem verwendete Härtungsmittel ist Dicyandiamid.
Dieses Härtungsmittel
kann kommerziell von SKW Chemicals unter dem Markennamen Dyhard
100S erworben werden. Dicyandiamid wird der Pulverbeschichtungszusammensetzung
in einer Menge von bis zu 8 phr zugegeben (die Menge an Epoxidharz
in der Pulverbeschichtungszusammensetzung ist gleich 100 Teile;
Niveaus anderer Komponenten werden als Teile bezogen auf 100 Teile
Harz berechnet, daher „X" phr oder „Teile
pro Hundert"). Bevorzugt
beträgt
die Menge an Dicyandiamid 2 bis 8 phr und stärker bevorzugt 4 bis 6 phr.
-
Die
Pulverbeschichtungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann
auch Additive enthalten, die üblicherweise
in solchen Beschichtungen zu finden sind, wie Trockenfließadditive,
Fließkontrollmittel,
Egalisierungsmittel, Entgasungsmittel, Antioxidantien, UV-Absorber,
Lichtstabilisatoren usw.
-
Die
Härtungstemperaturen
der Pulverbeschichtung der vorliegenden Erfindung können in
Abhängigkeit
der speziellen Inhaltsstoffe, die eingesetzt werden, und des speziellen
Substrats, das beschichtet werden soll, etwas variieren. Da jedoch
die zu beschichtenden Substrate bei Erwärmung anfällig sind für das Entgasen und/oder den
Abbau, müssen
die Härtungstemperaturen
unterhalb von 176,7 °C
(350 °F)
liegen. Daher muß die
Pulverbeschichtung dieser Erfindung bei Temperaturen unterhalb von
176,7 °C
(350 °F)
und bevorzugt unterhalb von 162,8 °C (325 °F), innerhalb kommerziell akzeptabler
Verarbeitungszeiten wie für
30 Minuten oder weniger, in einen ausgehärteten Zustand gehärtet werden,
während
weiterhin eine trübungsfreie
klare Beschichtung erzeugt wird.
-
Die
Pulverbeschichtungen dieser Erfindung können auf die übliche Weise
hergestellt werden. Zunächst
wird ein inniges Gemisch durch Trockenmischen aller Formulierungsbestandteile
in einem Mixer gebildet. Die Trockenmischung wird dann in einem
Mischextruder unter Erwärmung über den
Schmelzpunkt des Harzes und der anderen Bestandteile verschmolzen,
so daß das
Extrudat einen homogenen Mix aller einzelnen Pulverbeschichtungskomponenten
umfaßt.
Nach der Extrusion wird das Extrudat schnell abgekühlt, um feste „Späne" zu bilden. Diese
Späne werden
dann in einer Mühle
auf die gewünschte
Teilchengröße gemahlen.
Die durchschnittliche Teilchengröße für das elektrostatische
Aufbringen der Pulverbeschichtung beträgt im allgemeinen 20 bis 60
Mikrometer.
-
Die
Pulverbeschichtungsformulierungen dieser Erfindung können auf
Zielsubstrate mittels herkömmlicher
Pulverbeschichtungstechniken aufgebracht werden. Elektrostatisches
Aufsprühen
ist jedoch bevorzugt. Bei der elektrostatischen Sprühbeschichtung
werden elektrostatische Spritzkabinen eingesetzt, die Sätze von Koronaentladung
oder triboelektrischen Spritzpistolen und einem Regenerierungssystem
zur Rückführung der Overspray-Pulver
zurück
in das Pulvereinspeisungssystem beherbergen. Das Substrat wird zum
Zeitpunkt der Aufbringung und/oder danach auf eine Temperatur gleich
oder größer als
die Temperatur, die zum Härten
der Pulverbeschichtung erforderlich ist, aber unterhalb der Temperatur,
bei der Substratentgasung und/oder -abbau auftreten können, zumindest
an der Oberfläche
erwärmt,
damit die Pulverbeschichtung auf der Substratoberfläche gleichmäßig fließt und dann
das Pulverharz härtet.
Die Erwärmung
kann mittels Infrarotöfen,
Konvektionsöfen
oder einer Kombination aus beiden erreicht werden. Verbreitet werden
jedoch Infrarotöfen
eingesetzt. Die endgültigen
Härtungstemperaturen
und Ofenverweilzeiten werden in Abhängigkeit der verwendeten Pulverformulierung,
des speziellen Substrats und der Anwendungsbedingungen variieren.
Nichtsdestotrotz werden die spezielle Formulierung und das Verfahren
der vorliegenden Erfindung einen Beschichtungsfilm mit einem trübungsfreien
gleichmäßigen Aussehen
liefern.
-
Die
Pulverbeschichtungszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung
sind besonders für
die Aufbringung auf nicht-eisenhaltige Metallsubstrate wie Messing,
Kupfer, vermessingte Zink-Spritzgußmaterialien und dergleichen,
geeignet, die bei übermäßiger Erwärmung leicht
Engasen und/oder sich zersetzen. Diese Pulverbeschichtungen sind
insbesondere für
die Aufbringung auf Messingmaterialien geeignet, wo eine trübungsfreie
klare Beschichtung gefordert ist.
-
Die
Erfindung wird nun anhand spezieller Beispiele ausführlicher
beschrieben. Die verschiedenen Komponenten der folgenden Formulierungen
wurden in einem Einzelschneckenextruder bei 82,2 °C (180 °F) verschmolzen,
konnten abkühlen,
wurden zu Spänen
zerbrochen und dann in eine Brinkman-Mühle mit einem 14-μm-(200-Mesh)-Sieb gegeben,
um ein feines Pulver herzustellen. Beispiel A zeigt die Formulierung
der vorliegenden Erfindung, während
die zweite Formulierung für
Vergleichszwecke ist, da sie keinen aromatischen substituierten
Harnstoff aufweist. Alle Mengen sind in phr angegeben.
-
-
Tabellenanmerkungen:
-
- GT 7013 ist eine Art 2 ½ Bisphenol A-Epoxidharz,
erhältlich
von Ciba Specialty Chemicals
- GT 7072 ist eine Art 2 Bisphenol A-Epoxidharz, erhältlich von
Ciba Specialty Chemicals
- XU 71944.00L ist ein modifiziertes Bisphenol A-Epoxidharz, erhältlich von
Dow Chemical
- Omicure U-410 ist Toluolbisdimethylharnstoff, erhältlich von
CVC Specialty Chemicals
- Baysilone Oil ist ein kommerziell erhältliches Egalisierungsmittel
auf der Basis von Polyetherpolysiloxan
- Dyhard 100S ist ein Dicyandiamid-Härtungsmittel, erhältlich von
SKW Chemical Company
- Dyhard 1 Ml ist ein 2-Methylimidazol-Härtungsmittel, ebenso erhältlich von
SKW Chemical Company
-
Jede
Pulverformulierung wurde dann mittels einer Koronaentladungspistole
elektrostatisch auf separate polierte Messingtafeln aufgesprüht, in einer
Menge, die ausreicht, um nach dem Härten einen 63,5–76,2 μm (2,5–3,0 mil)
dicken trockenen Film zu erhalten. Jede der obigen Formulierungen
wurde bei 160 °C
(320 °F)
bzw. 176,7 °C
(350 °F)
15 Minuten gehärtet.
Jede Tafel wurde dann unter Verwendung eines Nikon-Lichtmikroskops
mit 200facher Vergrößerung beobachtet.
Die Ergebnisse werden in der nachstehenden Tabelle angegeben.
-
-
Die
Ergebnisse zeigen deutlich, daß die
Zugabe einer kleinen Menge eines aromatischen substituierten Harnstoffes
zu dem Dicyandiamid-gehärteten
Epoxidharz-Klarlack-Pulverbeschichtungssystem
die Trübung,
die durch ungeschmolzenes Dicyandiamid in Pulverbeschichtungen,
die bei niedrigen Temperaturen gehärtet wurden, verursacht wird,
im wesentlichen eliminiert.
