DE60303953T2

DE60303953T2 - Mehrstufige verfahren zur beschichtung von substraten mit mehrkomponentigen, zusammengesetzten beschichtungsmassen

Info

Publication number: DE60303953T2
Application number: DE60303953T
Authority: DE
Inventors: Donaldson J. Goodrich EMCH
Original assignee: PPG Industries Ohio Inc
Current assignee: PPG Industries Ohio Inc
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: EP1560666A1; WO2004043616A1; US20040043156A1; ATE319522T1; US7011869B2; AU2003291487A1; DE60303953D1; ES2260662T3; EP1560666B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Trocknung flüssiger Basislacke und insbesondere mehrstufige Verfahren zum Aufbringen von Mehrkomponentenverbundbeschichtungszusammensetzungen einschließlich dem Aufbringen pigmentierter oder gefärbter Basislacke, die unter Verwendung einer Kombination aus infrarot- und Konvektionstrocknung getrocknet werden, gefolgt durch die anschließende Überschichtung mit transparenten oder klaren Decklacken.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Herstellung von Automobilkarossen werden Mehrkomponentenverbundbeschichtungszusammensetzungen auf Fahrzeugsubstrate unter Verwendung mehrerer Beschichtungslagen einschließlich elektrophoretisch aufgetragener Grundierungen, einer oder mehrerer Grundierungsoberflächen und verschiedener Farblacke und/oder Klarlacke aufgebracht. Diese Beschichtungen verbessern nicht nur das Erscheinungsbild des Automobils, sondern stellen auch einen Schutz vor Korrosion, Abplatzen, ultraviolettem Licht, saurem Regen und anderen Umgebungsbedingungen zur Verfügung, die das Beschichtungserscheinungsbild verschlechtern können und das darunter liegende Fahrzeugkarosseriesubstrat beschädigen oder korrodieren können.
Die Formulierungen dieser Beschichtungen können stark variieren und somit können die Trocknungs- und Härtungsbedingungen für jede Beschichtungslage abhängig von der Härtungschemie der Inhaltsstoffe und der Natur der jeweiligen Lösungsmittelträger, variieren. Auf Wasser basierende Beschichtungen werden immer üblicher und die Trocknungsbedingungen unterscheiden sich von denen für konventionelle lösungsmittelhaltige Systeme. Es ist eine große Herausforderung, mit der alle Automobilhersteller konfrontiert sind, wie man diese Beschichtungen schnell während der Fahrzeugherstellung mit minimalem Kapitalaufwand und Oberflächenverbrauch trocknet und härtet, was von höchster Bedeutung in den Produktionsanlagen ist.
Es wurden verschiedene Ideen vorgeschlagen, die Trocknungs- und Härtungsverfahren für automobile Beschichtungen zu beschleunigen, wie die Heißluftkonvektionstrocknung. Während das Heißlufttrocknen schnell ist, kann sich aber eine Haut auf der Oberfläche der Beschichtung bilden, die das Entkommen von flüchtigen Stoffen aus der Beschichtungszusammensetzung beeinträchtigt und Erhebungen, Blasen oder Blister bewirkt, was das Erscheinungsbild der getrockneten Beschichtung ruiniert.
Andere Verfahren und Vorrichtungen zur Trocknung und Härtung einer Beschichtung, die auf eine Automobilkarosse aufgebracht wird, werden in den U.S. Patenten Nr. 4,771,728; 4,907,533; 4,908,231 und 4,943,447 offenbart, in denen die Automobilkarosse mit Strahlungswärme für einen Zeitraum erwärmt wird, der ausreicht, um die Beschichtung auf Klasse A-Oberflächen des Körpers abzusetzen und anschließend wird die Beschichtung mit erwärmter Luft gehärtet.
Das U.S. Patent Nr. 4,416,068 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschleunigung der Trocknung und der Härtung von erneuerten Decklacken für Automobile unter Verwendung von Infrarotstrahlung. Die Ventilationsluft, die verwendet wird, um die Infrarotradiatoren vor Lösungsmitteldämpfen zu schützen, wird als ein laminarer Fluss über der Autokarosse freigesetzt. 15 ist eine Grafik der Temperatur als Funktion der Zeit, die die bevorzugte hohe Temperaturkurze Trocknungszeit (Kurve 122) gegenüber der konventionellen Infrarottrocknung (Kurve 113) und der Konvektionstrocknung (Kurve 114) zeigt. Solche schnellen Hochtemperaturtrocknungstechniken können unerwünscht sein, weil sich eine Haut auf der Oberfläche der Beschichtung bilden kann, die Erhöhungen, Blasen oder Blister bewirken kann, wie es oben diskutiert wurde.
Das U.S. Patent Nr. 4,336,279 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung von Automobillacken unter Verwendung direkter Strahlungsenergie, von der ein Hauptanteil eine Wellenlänge von mehr als 5 Mikron aufweist. Erhitzte Luft wird unter turbulenten Bedingungen gegen die schwarzen Seiten der Wände der Heizkammer zirkuliert, um die Strahlungswärme bereit zu stellen. Dann wird die erhitzte Luft als ein im Allgemeinen laminarer Fluss entlang der inneren Seiten der Wände zirkuliert, um die Temperatur der Wände aufrecht zu erhalten und flüchtige Stoffe aus der Trockenkammer zu entfernen. Wie in Spalte 7, Zeilen 18–22, diskutiert wird, wird die Luftbewegung in dem zentralen Teil der inneren Kammer, in der die Automobilkarosse getrocknet wird, minimal gehalten.
Die U.S. Patente Nr. 6,113,764; 6,200,650; 6,221,441; 6,231,932 und 6,291,027 offenbaren mehrstufige Verfahren zur Trocknung und Härtung elektrisch abgeschiedener Beschichtungen, Grundierungen, Basislacke und Decklacke unter Verwendung verschiedener Kombinationen der Lufttrocknung und Infrarotstrahlung.
Ein schnelles, mehrstufiges Trocknungsverfahren für Automobillacke wird gebraucht, das die Bildung von Oberflächenfehlern und eine Verfärbung in der Beschichtung hemmt, insbesondere zur Verwendung mit auf Wasser basierenden Basislacken, die mit einem klaren Decklack überschichtet werden.
Zusammensetzung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats bereit gestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

(a) das Aufbringen einer Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis auf eine Oberfläche des Substrats,
(b) das gleichzeitige Richten von Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 1,5–30,0 kW/m² und einem ersten Luftstrom auf die Basislackzusammensetzung, so dass ein vorgetrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird, und
(c) das Richten eines zweiten Luftstroms in Abwesenheit von Infrarotstrahlung auf die Basislackzusammensetzung, so dass ein getrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.

Es werden auch verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bereit gestellt, die kontinuierliche, chargenweise und teilweise chargenweise Verfahren umfassen. Zusätzliche Verfahrensschritte wie das anschließende Aufbringen eines Decklacks können mit umfasst sein. Das Verfahren kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Substraten zu beschichten, zum Beispiel solche, die mit der Karosserie eines Motorfahrzeugs assoziiert sind.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung ist ein teilweise chargenweises Verfahren zum Beschichten eines Substrats, umfassend die Schritte:

(a) an einer ersten Stelle das Aufbringen einer Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis auf eine Oberfläche des Substrats,
(b) das Transportieren des Substrats zu einer zweiten Stelle und das gleichzeitige Richten von Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 1,5–30,0 kW/m² und eines ersten Luftstroms auf die Basislackzusammensetzung für eine Dauer von 30–60 Sekunden, so dass ein vorgetrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird, und
(c) an derselben zweiten Stelle das gleichzeitige Richten von Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 3,0 bis 30,0 kW/m² und eines zweiten Luftstroms auf die Basislackzusammensetzung für eine Dauer von 30 bis 90 Sekunden, so dass ein getrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorherige Zusammenfassung sowie die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen werden besser zu verstehen sein, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden. In den Zeichnungen ist:
1 ein Flussdiagram eines mehrstufigen Verfahrens zum Aufbringen von Multikomponentenverbundbeschichtungszusammensetzungen auf ein Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Seitenzeichnung eines Teils des Verfahrens von 1; und
3 ist eine Vorderansicht, die entlang der Linie 3-3 eines Teils der schematischen Zeichnung von 2 entnommen wurde.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Anders als in den Durchführungsbeispielen, oder wo dieses anderweitig angezeigt wird, sind alle Zahlen, die Mengen an Inhaltsstoffen, Reaktionsbedingungen und so weiter ausdrücken, die in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden, als in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr" modifiziert zu verstehen. Dementsprechend sind, es sei denn, es wird das Gegenteil gesagt, die numerischen Parameter, die in der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen genannt werden, Annäherungen, die abhängig von den gewünschten Eigenschaften, die durch die vorliegende Erfindung zu erreichen sind, variieren können. Zumindestens und nicht als ein Versuch der Einschränkung der Anwendung der Äquivalenzlehre auf den Umfang der Ansprüche, sollte jeder numerischer Parameter wenigstens im Lichte der Zahl der genannten signifikanten Kommastellen und durch die Anwendung üblicher Rundungstechniken konstruiert werden.
Obwohl die numerischen Bereiche und Parameter, die den breiten Umfang der Erfindung festsetzen, Annäherungen sind, werden die numerischen Werte, die in den spezifischen Beispielen genannt werden, so genau wie möglich berichtet. Jedoch enthalten jegliche numerischen Werte inhärent bestimmte Fehler, die notwendiger Weise aus der Standardabweichung resultieren, die in den jeweiligen Testmessungen zu finden sind.
Es ist auch zu verstehen, dass jeglicher numerischer Bereich, der hierin genannt wird, dahingehend vorgesehen ist, alle Unterbereiche, die darunter fallen, mit zu umfassen. Zum Beispiel ist für einen Bereich von „1–10" vorgesehen, dass dieser alle Unterbereiche zwischen (und einschließlich) dem genannten minimalen Wert von 1 und dem genannten maximalen Wert von 10 umfasst, d. h. er hat einen minimalen Wert gleich oder größer als 1 und einen maximalen Wert gleich oder weniger als 10.
Bezugnehmen auf die Zeichnungen, in denen gleiche Zahlen durchgehend gleiche Elemente bedeuten, wird in 1 ein Flussdiagramm eines mehrstufigen Verfahrens zum Aufbringen eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Das verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Beschichtung von Metall- oder polymeren Substraten in einem chargenweisen, teilweise chargenweisen oder kontinuierlichen verfahren geeignet. In einem Chargenverfahren liegt das Substrat während jedem Behandlungsschritt des Verfahrens stationär vor, wohingegen in einem kontinuierlichen Verfahren das Substrat sich in kontinuierlicher Bewegung entlang einer Produktionslinie zu verschiedenen Positionen befindet. In einem teilweise chargenweisen Verfahren kann das Substrat stationär an einer einzelnen Position für ein oder mehrere Schritte in dem verfahren verbleiben und sich entlang der Produktionslinie für andere Verfahrensschritte entlang bewegen. Die vorliegende Erfindung wird nun im Allgemeinen in dem Zusammenhang einer Beschichtung eines Substrats in einem kontinuierlichen Produktionslinienverfahren diskutiert werden.
Substrate, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu beschichten sind, umfassen typischer Weise Metallsubstrate, wie Eisen, Aluminium, einschließlich Legierungen, die unten aufgelistet werden, Stahl, wodurch Stahl und Stahllegierungen gemeint werden, und Stahl, der mit jeglichem Zinkmetall, Zinkverbindungen und Zinklegierungen behandelt ist (einschließlich elektrogalvanisierter Stahl, heißgetauchter galvanisierter Stahl, GALVANNEAL-Stahl und Stahl, der mit Zinklegierung plattiert ist). Auch können Kupfer, Magnesium, Zink und Legierungen davon und Zinkaluminiumlegierungen wie GALFAN, GALVALUME verwendet werden. „Stahl" umfasst auch mit Aluminium plattierten Stahl und mit Aluminiumlegierung plattierte Stahlsubstrate und Stahlsubstrate (wie kaltgerollten Stahl oder jegliche der Stahlsubstrate, die oben aufgelistet werden), die mit einer schweißbaren, mit Zink angereicherten oder mit Eisenphosphid angereicherten organischen Beschichtung beschichtet sind. Solche schweißbaren Beschichtungszusammensetzungen werden in den U.S. Patenten Nr. 4,157,924 und 4,186,036 offenbart.
Thermisch härtende und thermoplastische polymere Substrate können auch verwendet werden. Nützliche thermisch härtende Materialien umfassen Polyester, Epoxide, Phenolverbindungen, Polyurethane wie reaktionsinjizierte, geformte, thermisch härtende Materialien aus Urethan (RIM) und Mischungen davon. Nützliche thermoplastische Materialien umfassen thermoplastische Polyolefine wie Polyethylen und Polypropylen, Polyamide wie Nylon, thermoplastische Polyurethane, thermoplastische Polyester, acrylische Polymere, Vinylpolymere, Polycarbonate, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)- Copolymere, Ethylenpropylendienmonomer (EPDM)-Gummi, Copolymere und Mischungen davon.
Vorzugsweise werden die Substrate als Komponenten verwendet, um automobile Fahrzeuge herzustellen, einschließlich, aber nicht eingeschränkt auf, Automobile, Lastwagen und Traktoren. Die Substrate können jegliche Form haben, liegen aber vorzugsweise in der Form automobiler Karosseriekomponenten vor, wie Karosserien (Grundkarosserien), Karosseriebleche einschließlich Dächer, Hauben, Türen und Stoßstangen, schwere Metallschwingenflächen, Stoßfänger und/oder Federungen für automobile Fahrzeuge.
Die vorliegende Erfindung wird zuerst im Allgemeinen in dem Zusammenhang der Beschichtung eines metallischen Automobilkörpers diskutiert werden. Ein Fachmann auf dem Gebiet würde verstehen, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch zur Beschichtung nicht automobiler Metall- und/oder polymerer Komponenten nützlich ist.
Vor der Behandlung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann das Metallsubstrat gereinigt und entfettet werden und eine Vorbehandlungsbeschichtung wie CHEMFOS 700 Zinkphosphat oder BONAZINC mit Zink angereicherte Vorbehandlung (die jeweils von PPG Industries, Inc. of Pittsburgh, Pennsylvania verfügbar sind) auf der Oberfläche des Metallsubstrats abgeschieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine elektrisch abscheidbare Beschichtungszusammensetzung auf wenigstens einem Teil des Metallsubstrats elektrisch abgeschieden werden. Nützliche Elektroabscheidungsverfahren und elektrisch abscheidbare Beschichtungszusammensetzungen umfassen konventionelle anionische oder kationische, elektrisch abscheidbare Beschichtungszusammensetzungen wie auf Epoxy oder Polyurethan basierende Beschichtungen, die in den U.S. Patenten Nr. 5,530,043; 5,760,107; 5,820,987 und 4,933,056 diskutiert werden.
In dem ersten Schritt (a) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, der als 10 in 1 bezeichnet wird, wird eine Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis auf eine Oberfläche des Substrats aufgebracht (Automobilkörper 16, wie er in 2 gezeigt wird), typischer Weise über eine wie oben beschriebene elektrisch abgeschiedene Beschichtung. Der Basislack kann auf die Oberfläche des Substrats in Schritt (a) durch jedes geeignete Beschichtungsverfahren aufgetragen werden, das den Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt ist, zum Beispiel durch Tauchbeschichtung, direkte Rollenbeschichtung, Umkehrrollenbeschichtung, Gardinenbeschichtung, Sprühbeschichtung, Pinselbeschichtung und Kombinationen davon. Das Verfahren und die Vorrichtung zum Aufbringen der Basislackzusammensetzung auf das Substrat bestimmt sich teilweise durch die Konfiguration und die Art des Substratmaterials.
Die Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis umfasst ein filmbildendes Material oder Bindemittel, Wasser als ein Trägermaterial und optional Pigment. Vorzugsweise ist die Basislackzusammensetzung eine vernetzbare Beschichtungszusammensetzung, die wenigstens ein thermisch härtbares filmbildendes Material wie Acrylverbindungen, Polyesterverbindungen (einschließlich Alkydle), Polyurethane und Epoxide und wenigstens ein vernetzendes Material umfasst. Thermoplastische, filmbildende Materialien wie Polyolefine können auch verwendet werden. Die Menge des filmbildenden Materials in dem Basislack liegt im Allgemeinen im Bereich von ungefähr 40 bis ungefähr 97 Gewichtsprozent basierend auf dem Gesamtgewicht der Feststoffe in der Basislackzusammensetzung.
Geeignete Acrylpolymere umfassen Copolymere aus einer oder mehreren der Acrylsäure, Methacrylsäure und Alkylesther davon, wie Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Butylmethacrylat, Ethylacrylat, Hydroxyethylacrylat, Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat, optional zusammen mit einem oder mehreren anderen polymerisierbaren, ethylenisch ungesättigten Monomeren, einschließlich vinylaromatischen Verbindungen wie Styrol und Vinyltoluol, Nitrile wie Acrylnitril und Methacrylnitril, Vinyl- und Vinylidenhalogenide und Vinylester wie Vinylacetat. Andere geeignete Acrylverbindungen und verfahren zur Herstellung derselben werden in dem U.S. Patent Nr. 5,196,485 in Spalte 11, Zeilen 16 bis 60 offenbart.
Polyester und Alkyde sind andere Beispiele von harzartigen Bindemitteln, die zur Herstellung der Basislackzusammensetzung nützlich sind. Solche Polymere können in einer bekannten Weise durch die Kondensation polyhydrischer Alkohole wie Ethylenglycol, Propylenglycol, Butylenglycol, 1,6-Hexylenglycol, Neophentylglycol, Trimethylolpropan und Pentaerythritol mit Polycarbonsäuren wie Adipinsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Phthalsäuren, trimellitischer Säure hergestellt werden oder das Trocknen fettiger Ölsäuren.
Es können auch Polyurethane als das harzartige Bindemittel des Baislacks verwendet werden. Nützliche Polyurethane umfassen die Reaktionsprodukte von polymeren Polyolen wie Polyesterpolyolen oder Acrylpolyolen mit einem Polyisocyanat, einschließlich aromatische Diisocyanate wie 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, aliphatische Diisocyanate wie 1,6-Hexamethylendiisocyanat und cycloaliphatische Diisocyanate wie Isophorondiisocyanat und 4,4'-Methylen-bis(cyclohexylisocyanat).
Geeignete vernetzende Materialien umfassen aminoplastische Verbindungen, Polyisocyanate, Polysäuren, Polyanhydride und Mischungen davon. Nützliche aminoplastische Harze basieren auf den Additionsprodukten von Formaldehyd mit einer Amino- oder Amidogruppe-haltigen Substanz. Kondensationsprodukte, die aus der Umsetzung von Alkoholen und Formaldehyd mit Melamin, Harnstoff oder Benzoguanamin erhalten werden, sind am üblichsten. Nützliche, vernetzende Polyisocyanatmaterialien umfassen blockierte und nicht blockierte Polyisocyanate wie solche, die oben zur Herstellung des Polyurethans diskutiert werden. Beispiele von geeigneten blockierenden Mitteln für die Polyisocyanate umfassen niedere aliphatische Alkohole wie Methanol, Oxime wie Methylethylketoxim und Lactame wie Caprolactam. Die Menge des vernetzenden Materials in der Basislackzusammensetzung liegt im Altgemeinen im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent auf einer Basis des Gesamtgewichts der Harzfeststoffe der Basislackzusammensetzung.
Der Gehalt der Feststoffe der Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis liegt im Allgemeinen im Bereich von ungefähr 18 bis ungefähr 50 Gewichtsprozent und üblicher Weise bei ungefähr 20 bis ungefähr 40 Gewichtsprozent.
Die Basislackzusammensetzung kann zusätzlich ein oder mehrere Pigmente oder andere Hilfsstoffe wie UV-Absorbtionsmittel, die Rheologie steuernde Mittel oder Tenside umfassen. Nützliche metallische Pigmente umfassen Aluminiumflocken, Bronzeflocken, beschichteten Glimmer, Nickelflocken, Zinnflocken, Silberflocken, Kupferflocken und Kombinationen davon. Andere geeignete Pigmente umfassen Glimmer, Eisenoxide, Bleioxide, Ruß, Titandioxid und gefärbte organische Pigmente wie Phthalocyanine. Das spezifische Pigment zu Bindemittelverhältnis kann stark variieren, so lange es die notwendige Färbung bei der gewünschten Filmdicke und den aufgetragenen Feststoffen bereit stellt.
Geeignete Basislacke auf Wasserbasis zur Verwendung in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung umfassen solche, die in den U.S. Patenten Nr. 4,403,003; 5,401,790 und 5,071,904 offenbart werden. Es können auch auf Wasser basierende Polyurethane als die harzartigen Filmbildner in dem Basislack verwendet werden, wie solche, die gemäß dem U.S. Patent Nr. 4,147,679 offenbart werden.
Die trockene Filmdicke der Basislackzusammensetzung, die auf das Substrat aufgetragen wird, kann basierend auf solchen Faktoren wie der Art des Substrats und der vorgesehenen Verwendung des Substrats variieren, d. h. der Umgebung, in die das Substrat platziert wird und der Natur der damit in Kontakt kommenden Materalien. Im Allgemeinen liegt die Dicke der Basislackzusammensetzung, die auf das Substrat aufgebracht wird, im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 38 Mikrometer und mehr bevorzugt ungefähr 12 bis ungefähr 30 Mikrometer.
Bezugnehmend auf 1 kann dem Aufbringen des Basislacks direkt folgend ein Luftstrom optional in Schritt 12 auf die Basislackzusammensetzung für einen Zeitraum von wenigstens 30 Sekunden gerichtet werden, um wenigstens ein Teil des flüchtigen Materials aus der Basislackzusammensetzung zu verdampfen, was es dem Basislack ermöglicht, sich zu „setzen". Wie er hierin verwendet wird, bedeutet der Begriff „setzen", dass der Basislack nicht mehr klebt (dem Kleben von Staub oder anderen Verunreinigungen in der Luft widersteht) und nicht durch Luftwirbel gestört oder beschädigt (wellig oder geriffelt) wird, die an der lackbeschichteten Oberfläche vorbeiblasen. Die Geschwindigkeit der Luft an der Oberfläche der Basislackzusammensetzung beträgt ungefähr 1,0 Meter pro Sekunde oder weniger und liegt üblicher Weise im Bereich von ungefähr 0,3 bis ungefähr 0,5 Metern pro Sekunde. Die Temperatur der Luft beträgt typischer Weise 10–35°C.
Die Verdampfung oder Verflüchtigung der flüchtigen Komponenten aus der Basislackoberfläche kann an der offenen Luft durchgeführt werden, wird aber vorzugsweise in einer ersten Trockenkammer 18 durchgeführt, in der die Luft bei geringer Geschwindigkeit zur Minimierung der Verunreinigung durch Luftpartikel zirkuliert wird, wie es in 2 gezeigt wird. In einem kontinuierlichen Verfahren wird der automobile Körper 16 an den Eingang der ersten Trockenkammer 18 positioniert und bewegt sich langsam dadurch in der Art einer Produktionslinie bei einer Geschwindigkeit, die die Verdampfung des Basislacks ermöglicht, wie es oben diskutiert wird. Die Geschwindigkeit, mit der der Automobilkörper 16 durch die erste Trockenkammer 18 und jegliche anderen Trockenkammern durchgeführt wird, die unten diskutiert werden, hängt teilweise von der Länge und der Konfiguration der Trockenkammer ab, liegt aber typischer Weise im Bereich von ungefähr 3 Metern pro Minute bis ungefähr 7,3 Metern pro Minute für ein kontinuierliches Verfahren. Ein Fachmann auf dem Gebiet würde verstehen, dass, wie es in 2 gezeigt wird, einzelne Trockner für jeden Schritt des verfahrens verwendet werden können oder dass ein einzelner Trockner verwendet werden kann, wobei die Lufttemperatur und Luftgeschwindigkeit für jeden Schritt des verfahrens angepasst wird. Ein nicht einschränkendes Beispiel eines geeigneten Trockners ist ein ALTIVAR 66 Bläser, der kommerziell von der Square D Corporation verfügbar ist. Solch ein Trockner 20 wird als Phantom in 2 gezeigt. Der optionale Verflüchtigungsschritt kann in der ersten Trockenkammer 18 stattfinden und der automobile Körper 16 wird zu einer Kombination aus einer Infrarot-/Konvektionstrocknungsvorrichtung 28, wie sie in 2 gezeigt wird, für anschließende Schritte des Verfahrens transportiert, oder die Verdampfung und ein oder mehrere anschließende Schritte werden alle in Vorrichtung 28 durchgeführt.
In Schritt (b) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden, wie es in 1 als 22 gezeigt wird, infrarote Strahlung bei einer Leistungsdichte von 1,5–30, 0 kW/m², vorzugsweise 2,5–20,0 kW/m² und ein erster Luftstrom gleichzeitig auf die Basislackzusammensetzung gerichtet, so dass ein vorgetrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.
Die aufgebrachte Infrarotstrahlung umfasst den nahen Infrarotbereich (0,7 bis 1,5 Mikrometer) und den mittleren Infrarotbereich (1,5 bis 20 Mikrometer) und liegt üblicher Weise im Bereich von ungefähr 0,7 bis ungefähr 4 Mikrometer. Die Infrarotstrahlung erwärmt die Klasse A (äußeren)-Oberflächen des beschichteten Substrats, die der Strahlung ausgesetzt sind und induziert vorzugsweise keine chemische Reaktion oder Vernetzung der Komponenten des Basislacks. Die meisten Nicht-Klasse-A-Oberflächen sind der Infrarotstrahlung nicht direkt ausgesetzt, sondern werden durch Wärmeleitung durch den Automobilkörper und zufällige Streuung der Infrarotstrahlung sowie von der Heißluftkonvektion erwärmt.
Bezug nehmend auf 2 und 3 wird die infrarote Strahlung durch eine Vielzahl von Strahlern 26 ausgesendet, die in der inneren Trockenkammer 27 der Infrarot-/Kombinationstrocknungsvorrichtung 28 angeordnet sind. Jeder Strahler 26 ist typischer Weise eine Infrarotlampe mit hoher Intensität, am häufigsten eine quarzumschlossene Lampe mit einem Wolframfilament. Nützliche Kurzwellen-(0,72 bis 2 Mikrometer)-lampen hoher Intensität umfassen Lampen des Modells Nr. T-3, die kommerziell von der General Electric Co., Sylvania, Phillips, Heraeus und Ushio verfügbar sind und eine Strahlungsleistung von 75 bis 100 Watt pro linearem Inch an der Lichtquelle aufweisen. Lampen mittlerer Wellenlänge (2 bis 4 Mikrometer) können auch verwendet werden und sind von den gleichen Herstellern verfügbar. Die Strahlerlampe ist im Allgemeinen als Stab geformt und hat eine Länge, die variiert werden kann, um sich der Konfiguration des Ofens anzupassen, ist im Allgemeinen aber ungefähr 0,75 bis ungefähr 1,5 Meter lang. Die Strahlerlampen auf den Seitenwänden 30 der inneren Trockenkammer 27 sind im Allgemeinen in Bezug auf den Boden 32 vertikal angeordnet, außer ein paar Reihen 34 (üblicher Weise ungefähr 3 bis ungefähr 5 Reihen) von Strahlern 26 an dem Boden der inneren Trockenkammer 27, die im Allgemeinen horizontal zu dem Boden 32 angeordnet sind.
Die Anzahl der Strahler 26 kann abhängig von der gewünschten auszustrahlenden Energieintensität variieren. In einer typischen Anordnung beträgt die Zahl der Strahler 26, die an der Decke 36 der inneren Trockenkammer 27 befestigt sind, ungefähr 24 bis ungefähr 32, die in einer linearen Seite-an-Seite-Anordnung mit den Strahlern 26 angeordnet sind, in einem Abstand von ungefähr 10 bis ungefähr 20 cm von der Mitte zur Mitte und üblicher Weise ungefähr 15 cm. Die Breite der inneren Trockenkammer 27 ist ausreichend, um den Automobilkörper aufzunehmen oder welche Substratkomponente immer auch darin zu trocknen ist und ist typischer Weise ungefähr 2,5 bis 3,0 m breit. Jede Seitenwand 30 der Kammer 27 hat typischer Weise ungefähr 50 bis ungefähr 60 Lampen, wobei die Lampen ungefähr 15 bis ungefähr 20 cm als Abstand von der Mitte zur Mitte angeordnet sind. Die Länge von jeder Seitenwand 30 ist ausreichend, um die Länge des Automobilkörpers aufzunehmen oder die jeweilige dann zu trocknenden Substratkomponente und ist üblicher Weise ungefähr 4 bis ungefähr 6 m lang. Die Seitenwand 30 hat typischer Weise vier horizontale Abschnitte, die gewinkelt sind, um sich der Form der Seiten des Automobilkörpers anzupassen. Der obere Abschnitt der Seitenwand 30 kann 24 parallele Lampen, die in 6 Zonen aufgeteilt sind, aufweisen. In einer Anordnung werden die 3 Zonen am nächsten zum Eingang der Trockenkammer 27 bei mittleren Wellenlängen, die 3 am nächsten zu dem Ausgang bei kurzen Wellenlängen betrieben. Der mittlere Abschnitt der Seitenwand 30 ist in ähnlicher Weise wie der obere Abschnitt konfiguriert. Die zwei unteren Abschnitte der Seitenwand 30 können jeder 6 Birnen in einer 2 × 3-Anordnung enthalten. Der erste Abschnitt der Birnen am nächsten zum Eingang wird üblicher Weise bei mittlerer Wellenlänge und die anderen zwei Abschnitte bei kurzen Wellenlängen betrieben.
Bezug nehmend auf 2 kann jede der Strahlerlampen 26 in einem als Trog geformten Reflektor 38 positioniert sein, der zum Beispiel aus poliertem Aluminium geformt ist. Geeignete Reflektoren umfassen Aluminium- oder integral goldbeschichtete Reflektoren, die von BGK-ITW Automotive, Heraeus und Fannon Products verfügbar sind. Die Reflektoren 38 nehmen Energie auf, die von den Strahlerampen 26 ausgesendet wird und fokussieren die Energie auf den Automobilkörper 16, um die Energiestreuung zu verringern.
Abhängig von solchen Faktoren wie der Konfiguration und der Positionierung des Automobilkörpers 16 innerhalb der inneren Trockenkammer 27 und der Farbe des zu trocknenden Basislacks, können die Strahlerlampen 26 unabhängig voneinander durch einen Mikroprozessor (nicht gezeigt) gesteuert werden, so dass die Strahlerampen 26, die am weitesten von einer Klasse-A-Oberfläche 24 entfernt sind, mit einer höheren Intensität beleuchtet werden können, als Lampen, die am nächsten zu einer Klasse-A-Oberfläche 24 sind, um eine einheitliche Erwärmung bereit zu stellen. Zum Beispiel können, während das Dach 40 des Automobilkörpers 16 unter einem Abschnitt von Strahlerlampen 26 durchgeführt wird, die Strahlerlampen 26 in dieser Zone auf eine geringe Intensität angepasst werden, bis das Dach 40 vorbeigeführt wurde, dann kann die Intensität erhöht werden, um die Deckhaube 42 zu erwärmen, die sich in einer größeren Distanz von den Strahlerlampen 26 als das Dach 40 befindet. Zusätzlich können die Strahlerlampen 26, die auf schwerere (dickere) Substrate gerichtet sind, wie Metallflächen von schweren Schwingen und Hauben, mit einer höheren Intensität als Lampen bestahlt werden, die auf Karosseriebleche gerichtet sind, die aus dünneren Metallplatten hergestellt werden, um eine einheitliche Erwärmung bereit zu stellen. Zum Beispiel kann in einen besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schritt (b) des Verfahrens die Infrarotstrahlung mit einer Leistungsdichte von 2,5–12,0 kW/m² auf Karosseriebleche und bis zu 30,0 kW/m² auf Metallflächen von schweren Schwingen und Hauben des automobilen Körpers gerichtet werden.
Auch kann, um den Abstand der Strahlerlampen 26 zu den Klasse-A-Oberflächen 24 zu minimieren, die Position der Seitenwände 30 und der Strahlerlampen 26 jeweils zu oder weg von der Automobilkarosserie angepasst werden, wie es jeweils durch die Richtungspfeile 44, 46 in 3 gezeigt wird. Ein Fachmann auf dem Gebiet würde verstehen, dass je näher die Strahlerlampen 26 an den Klasse-A-Oberflächen 24 des Automobilkörpers 16 sind, desto größer ist der Prozentanteil der verfügbaren Energie, die aufgebracht wird, um die Oberflächen 24 und Beschichtungen, die darauf vorhanden sind, zu erwärmen. im Allgemeinen wird die Infrarotstrahlung mit einer Leistungsdichte im Bereich von ungefähr 10 bis ungefähr 30 Kilowatt pro Quadratmeter (kW/m²) von der Wandstrahlerfläche ausgestrahlt und oft mit ungefähr 12 kW/m² für Strahlerlampen 26, die auf die Seiten 48 des Automobilkörpers 16 (Türen oder Stoßfänger) gerichtet sind, die näher als die Strahlerlampen 26 sind, die auf die Haube und das Dach 42 des Automobilkörpers gerichtet sind, die üblicherweise ungefähr 24 kW/m² aussenden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Infrarotstrahlung mit einer Leistungsdichte von 2,5–12,0 kW/m² auf Karosserieplatten und mit bis zu 30,0 kW/m² auf Flächen von schweren Schwingen und Hauben des Automobilkörpers 16 gerichet.
Ein nicht einschränkendes Beispiel einer geeigneten Infrarot/Konvektionstrocknungskombinationsvorrichtung ist ein BGK-kombinierter Infrarotstrahlungs- und Heißluftkonvektionsofen, der kommerziell von der BGK Automotive Group of Minneapolis, Minnesota, verfügbar ist. Die allgemeine Konfiguration dieses Ofens wird unten beschrieben und in den U.S. Patenten Nr. 4,771,728; 4,907,533; 4,908,231 und 4,943,447 offenbart. Andere nützliche Infrarot-/Konvektionskombinationstrocknungsvorrichtungen sind von Durr of Wixom, Michigan, Thermal Innovations of Manasquan, New Jersey, Thermovation Engineering of Cleveland, Ohio, Dry-Quick of Greenburg, Indiana und Wisconsin Oven und Infrared Systems of East Troy, Wisconsin kommerziell verfügbar.
Bezug nehmend auf 2 und 3 umfasst die typische Infrarot-/Konvektionstrocknungskombinationsvorrichtung 28 führende Seitenwände 30 mit Düsen oder Schlitzöffnungen 50 durch die Luft 52 durchgeführt wird, um in die innere Trockenkammer 27 einzudringen.
Die Temperatur des ersten Luftstroms 52, der in Schritt (b) aufgetragen wird, beträgt üblicher Weise 30 bis 65°C, oft 37 bis 55°C. Die Luft 52 wird durch eine Blasvorrichtung 56 oder einen Trockner bereit gestellt und kann extern oder durch das Überführen der Luft über die erwärmten Infrarotstrahlerlampen 26 und deren Reflektoren 38 vorgewärmt werden. Durch das Überführen der Luft 52 über die Strahlerlampen 26 und die Reflektoren 38 kann die Arbeitstemperatur dieser Teile verringert werden, was deren Arbeitsleben verlängert. Die Luft 52 kann auch oben durch die innere Trockenkammer 27 durch den Unterboden 58 zirkuliert werden. Der Luftfluss kann vorteilhaft erneut zirkuliert werden, um die Effizienz zu erhöhen. Ein Teil des Luftflusses kann abgeführt werden, um Verunreinigungen zu entfernen und mit gefilterter Frischluft ergänzt werden, um irgendwelche Verluste zu kompensieren.
Die Geschwindigkeit des ersten Luftstroms 52 beträgt typischer Weise 0,5 bis 5,0 m/s, oft 0,5 bis 1,0 m/s. Während Schritt (b) wird das Substrat durch die Infrarotstrahlung und den ersten Luftstrom bei der ersten Geschwindigkeit im Bereich von 0,05°C pro Sekunde bis 0,6°C pro Sekunde (üblicher Weise 0,17°C pro Sekunde bis 0,58°C) erwärmt. Wenn das Substrat ein Metall ist, wie eine Automobilkarosserie 16, wird eine erste Metallspitzentemperatur im Bereich von 25°C bis 60°C, üblicher 28°C bis 55°C erreicht. Wie es hierin verwendet wird, bedeutet „Metallspitzentemperatur" die Zieltemperatur, auf die das Metallsubstrat erwärmt werden muss. Die Metallspitzentemperatur für ein Metallsubstrat wird an der Oberfläche des beschichten Substrats ungefähr in der Mitte der Seite des Substrats gegenüber der Seite, auf die die Beschichtung aufgetragen wird, gemessen. Die Spitzentemperatur für ein polymeres Substrat wird an der Oberfläche des beschichteten Substrats ungefähr in der Mitte der Seite des Substrats, auf der die Beschichtung aufgetragen wird, gemessen. Es ist bevorzugt, dass diese Metallspitzentemperatur für eine so kurze wie mögliche Zeit aufrecht erhalten wird, um die Möglichkeit der Vernetzung des Basislacks zu minimieren. Die Dauer von Schritt (b) beträgt üblicher Weise 30 bis 90 Sekunden.
In Schritt (c) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, der in 1 und 2 als 60 gezeigt wird, wird ein zweiter Luftstrom auf die Basislackzusammensetzung in der Abwesenheit von Infrarotstrahlung aufgetragen, so dass ein getrockneter Basislack 62 auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird. Unter „getrocknet" ist gemeint, dass der Basislack bis auf einen Feststoffgehalt von ungefähr 80 bis 95 Gewichtsprozent Feststoffe dehydriert ist (und flüchtige organische Verbindungen entfernt sind). Der Schritt (c) des Verfahrens kann in jeglicher der Trockenkammem durchgeführt werden, die oben erwähnt werden, oder in einer getrennten Trockenkammer, in die das Substrat als Teil eines kontinuierlichen Verfahrens transportiert wird.
Die Temperatur des zweiten Luftstroms, der in Schritt (c) aufgebracht wird, beträgt üblicher Weise 35–110°C, oft 40–110°C und öfter 93–107°C. Die Geschwindigkeit des zweiten Luftstroms beträgt typischer Weise 1,5 bis 16,0 m/s, oft 3,0 bis 4,5 m/s. Während des Schrittes (c) wird die Temperatur des Substrats mit einer zweiten Geschwindigkeit im Bereich von 0,1°C pro Sekunde bis 0,6°C pro Sekunde (üblicher Weise 0,1°C pro Sekunde bis 0,3°C pro Sekunde) erhöht. Wenn das Substrat ein Metall ist, wird eine zweite Metallspitzentemperatur im Bereich von 36°C bis 70°C, typischer Weise 39°C bis 55°C erhalten. Es wird betont, dass kein wesentliches Härten während des Schrittes (c) zustande kommt; die Luft- und Metallspitzentemperaturen sind typischer Weise nicht hoch genug, damit Vernetzungsreaktionen zustande kommen.
Die Dauer von Schritt (c) beträgt üblicher Weise 50 bis 200 Sekunden, öfter 90 bis 180 Sekunden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein zusätzlicher Schritt 64 direkt nach Schritt (c) durchgeführt werden, bei dem Heißluft 66 auf den getrockneten Basislack zum Erreichen einer Metallspitzentemperatur von 110 bis 150°C für eine Dauer von wenigstens 6 Minuten aufgetragen wird, so dass ein gehärteter Basislack auf der Oberfläche des Metallsubstrats gebildet wird. Wie es hierin verwendet wird, bedeutet „härten", dass jegliche vernetzbaren Komponenten des getrockneten Basislacks im Wesentlichen vernetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das verfahren weiterhin den zusätzlichen Schritt (d) des Aufbringens eines transparenten Decklacks oder einer klaren Lackzusammensetzung über den getrockneten Basislack, der in 1 als 68 gezeigt wird. Die Decklackzusammensetzung kann jegliche auf Lösungsmitteln basierende, auf Wasser basierende oder Pulverzusammensetzung sein, die den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt ist, und umfasst typischer Weise filmbildende Harze und vernetzende Mittel, wie solche, die oben in Bezug auf die Basislackzusammensetzung offenbart werden. Geeignete auf Lösungsmitteln basierende Zusammensetzungen umfassen solche, die in dem U.S. Patent Nr. 6,365,699 offenbart werden. Geeignete auf Wasser basierende Zusammensetzungen umfassen solche, die in dem U.S. Patent Nr. 6,270,905 offenbart werden. Eine „Pulver"-Decklackzusammensetzung ist dahingehend vorgesehen, Decklackzusammensetzungen zu umfassen, die Trockenpulver und Pulver umfassen, die in einer Lösung wie Wasser aufgeschlämmt sind. Geeignete pulverförmige Decklackzusammensetzungen als Aufschlämmungen umfassen solche, die in den internationalen Veröffentlichungen WO 96/32452 und 96/37561, den europäischen Patenten 652 264 und 714 958 und dem kanadischen Patent Nr. 2,163,831 offenbart werden. Andere geeignete Pulverdecklacke werden in dem U.S. Patent Nr. 5,663,240 beschrieben und umfassen epoxyfunktionelle Acrylcopolymere und Polycarbonsäurevernetzungsmittel. Der Decklack kann durch jegliche Mittel, wie sie oben in Bezug auf den Auftrag der Basislackzusammensetzung offenbart werden, aufgetragen werden, wie durch elektrostatisches Sprühen unter Verwendung einer Pistole oder einer Glocke bei 60 bis 80 kV, 80 bis 120 g pro Minute, zum Erzielen einer Filmdicke von zum Beispiel ungefähr 50–90 Mikron.
Vorzugsweise ist die Decklackzusammensetzung eine vernetzbare Beschichtung, die wenigstens ein thermisch härtendes, filmbildendes Material und wenigstens ein vernetzendes Material, wie sie oben beschrieben werden, umfasst. Die Decklackzusammensetzung kann Hilfsstoffe umfassen, wie sie oben diskutiert werden, hat aber im Allgemeinen keine Pigmente. Die Menge der Decklackzusammensetzung, die auf das Substrat aufgetragen wird, kann basierend auf solchen Faktoren wie der Art des Substrats und der vorgesehenen Verwendung des Substrats variieren, d. h. der Umgebung, in die das Substrat platziert wird, und der Natur der damit in Kontakt kommenden Materialien.
Zwischen den Schritten (c) und (d) kann es wünschenswert sein, einen zusätzlichen, optionalen Schritt 66 des Abkühlens des Substrats mit dem getrockneten Basislack darauf auf eine Temperatur von 20–30°C vor dem Aufbringen des Decklacks durchzuführen.
Durch die Steuerung der Geschwindigkeit, mit der die Substrattemperatur erhöht wird und der Metallspitzentemperatur, kann die Kombination der Schritte (b) und (c) auf Wasser basierende Lacke und klare Decklackverbundbeschichtungen mit einem Minimum an Fehlern in dem Oberflächenerscheinungsbild wie Erhebungen und Blasen bereit stellen. Auch können hohe Filmaufbauten in einem kurzen Zeitraum mit minimalem Energieeinsatz erhalten werden und die flexiblen Durchführungsbedingungen verringern den Bedarf an Fleckreparaturen.
Der getrocknete Basislack, der auf der Oberfläche des Automobilkörpers 16 gebildet wird, ist ausreichend getrocknet, um das Aufbringen des Decklacks zu ermöglichen, so dass die Qualität des Decklacks nicht nachteilig durch das weitere Trocknen des Basislacks beeinträchtigt wird. Für auf Wasser basierende Basislacke bedeutet „trocken" die fast vollständige Abwesenheit von Wasser in dem Basislack. Wenn zuviel Wasser vorhanden ist, kann der Decklack während des Trocknens des Decklacks, während Wasserdampf aus dem Basislack versucht, durch den Decklack zu dringen, reißen, Blasen bilden oder „sich hervorheben". Die Basislackzusammensetzung wird typischer Weise auf einen Feststoffgehalt von 92 bis 98 Gewichtsprozent vor dem Aufbringen einer Pulverdecklackzusammensetzung in Schritt (d) getrocknet und auf einen Feststoffgehalt von 75 bis 88 Gewichtsprozent vor dem Auftrag einer flüssigen Decklackzusammensetzung in Schritt (d).
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung zusätzlich einen Schritt 70 (der in 1 gezeigt wird) des Härtens der Decklackzusammensetzung nach dem Aufbringen über den getrockneten Basislack. Die Dicke der getrockneten und vernetzten Verbundbeschichtung beträgt im Allgemeinen ungefähr 0,2 bis 5 Mil (5 bis 125 Mikrometer) und beträgt üblicher Weise ungefähr 0,4 bis 4 Mil (10 bis 100 Mikrometer). Der Decklack kann durch Heißluftkonvektionstrocknen und, falls gewünscht, Infraroterwärmen gehärtet werden, so dass jegliche vernetzbaren Komponenten des Decklacks zu einem solchen Grad vernetzt werden, dass die Automobilindustrie das Beschichtungsverfahren als ausreichend vollständig akzeptiert, um den beschichteten Automobilkörper ohne Schaden für den Decklack zu transportieren. Der Decklack kann unter Verwendung eines jeglichen konventionellen Heißluftkonvektionstrockners oder eines Konvektions-/lnfrarotkombinationstrockners, wie sie oben diskutiert werden, gehärtet werden. Im Allgemeinen wird der Decklack auf eine Temperatur von ungefähr 140°C bis ungefähr 155°C für einen Zeitraum von ungefähr 25 bis ungefähr 30 Minuten zur Härtung des Decklacks erwärmt.
Es wird betont, dass, wenn der Basislack nicht vor dem Aufbringen des Decklacks gehärtet war, sowohl die Basislack- wie auch die Decklackzusammensetzung zusammen durch das Aufbringen von Heißluftkonvektion und/oder Infrarotheizen unter Verwendung einer Vorrichtung, wie sie oben in Detail für das Härten sowohl der Basislack- wie auch der Decklackzusammensetzung beschrieben wird, gehärtet werden können. Zur Härtung der Basislack- und der Decklackzusammensetzung wird das Substrat im Allgemeinen auf eine Temperatur von ungefähr 140°C bis ungefähr 155°C für einen Zeitraum von ungefähr 25 bis 35 Minuten erwärmt, um den Decklack zu härten.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein teilweise chargenweises Verfahren zum Beschichten eines Substrats bereit gestellt, umfassend die folgenden Schritte.

(a) an einer ersten Stelle das Aufbringen einer Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis auf eine Oberfläche des Substrats,
(b) das Transportieren des Substrats zu einer zweiten Stelle und das gleichzeitige Richten von Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 1,5–30,0 kW/m² und einem ersten Luftstrom auf die Basislackzusammensetzung für eine Dauer von 30 bis 60 Sekunden, so dass ein vorgetrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird, und
(c) an derselben zweiten Stelle das gleichzeitige Richten von Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 3,0 bis 30,0 kW/m² und einem zweiten Luftstrom auf die Basislackzusammensetzung für eine Dauer von 30 bis 90 Sekunden, so dass ein getrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.

In dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Basislack, der auf das Substrat (a) aufgebracht wird, jeglicher von denen sein, die oben offenbart werden, unter Verwendung der gleichen Verfahrensbedingungen.
Direkt nach dem Aufbringen des Basislacks in dieser Ausführungsform kann ein Luftstrom optional auf die Basislackzusammensetzung für einen Zeitraum von wenigstens einer Minute zur Verflüchtigung wenigstens eines Teils des flüchtigen Materials aus der Basislackzusammensetzung aufgetragen werden, was es dem Basislack ermöglicht, sich zu setzen. Die Geschwindigkeit des ersten Luftstroms, der in Schritt (b) auf die Oberfläche der Basislackzusammensetzung gerichtet wird, liegt in dem Bereich von 0,5 bis 2,5 m/s.
Die Geschwindigkeit des zweiten Luftstroms, der in Schritt (c) aufgebracht wird, liegt typischer Weise im Bereich von 4,0 bis 16,0 m/s, und die Temperatur des Luftstroms, der in den Schritten (b) und (c) aufgebracht wird, beträgt typischer Weise 95–150°F (36–66°C).
In dieser Ausführungsform kann, wenn das Substrat ein Metall ist, ein zusätzlicher Schritt optional direkt nach Schritt (c) durchgeführt werden, wobei Heißluft auf den getrockneten Basislack aufgetragen wird, um eine Metallspitzentemperatur von 110–150°C für einen Zeitraum von wenigstens 6 Minuten zu erreichen, so dass ein gehärteter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.
Das Verfahren dieser Ausführungsform der Erfindung kann weiterhin den zusätzlichen Schritt (d) des Aufbringens einer transparenten Decklackzusammensetzung über den getrockneten Basislack umfassen. Die Decklackzusammensetzung kann jegliche auf Lösungsmitteln basierende, auf Wasser basierende oder Pulverzusammensetzung sein, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, wie sie oben offenbart werden.
Wiederum kann ein Schritt des Härtens der Decklackzusammensetzung nach dem Aufbringen über den getrockneten Basislack in dieser Ausführungsform der Erfindung mit umfasst sein. Die verfahrensbedingungen können die gleichen sein, wie sie oben offenbart werden.
Wenn der Basislack nicht vor dem Aufbringen des Decklacks gehärtet war, können sowohl die Basislack- wie auch die Decklackzusammensetzung zusammen durch das Anwenden von Heißluftkonvektion und/oder Infrarotheizen unter Verwendung von Vorrichtungen und Bedingungen gehärtet werden, wie sie oben im Detail zur Härtung sowohl der Basislack- wie auch der Decklackzusammensetzung beschrieben werden. Die vorliegende Erfindung wird zusätzlich durch Bezugnahme auf das folgende Beispiel beschrieben. Das folgende Beispiel ist lediglich illustrativ für spezielle Ausführungsformen der Erfindung und nicht dahingehend vorgesehen, den Umfang der Erfindung einzuschränken. Es sei denn, dieses wird anderweitig angezeigt, beziehen sich alle Anteile auf das Gewicht.
Beispiel
In diesem Beispiel werden Stahltestplatten mit einem flüssigen Basislack und einem flüssigen Klarlack, wie sie unten spezifiziert werden, beschichtet, um ein Trocknungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zu untersuchen. Die Testsubstrate waren kaltgerollte Stahlplatten, die kommerziell von ACT Laboratories, Hillsdale, Michigan, verfügbar sind, Gräße 30,48 cm × 45,72 cm (12 Inch × 18 Inch) und auch 10,16 cm × 30,48 cm (4 Inch × 12 Inch), die mit einer kationisch elektrisch abscheidbaren Grundierung elektrisch beschichtet sind, die kommerziell von PPG Industries, Inc., als ED-5000 verfügbar ist. Der kommerzielle auf Wasser basierende Basislack LM Silver, der kommerziell von PPG Industries, Inc., verfügbar ist, wurde unter Verwendung eines automatisierten Sprüh(Glocken)-Applikators bei 45000 Upm, 70000 Volt, 2 Bar eines formenden Luftdrucks für die erste Schicht, bei 4,9 Meter/Minute einer Produktionsliniengeschwindigkeit, einer 30''–45'' #4 Fordbecherviskosität durch Sprühen aufgetragen. Nach einer 30-sekündigen Blitzbehandlung wurde die zweite Schicht durch duale Luftatomisierungssprühpistolen mit einem 50,8 cm (20 Inch) Sprühstrahlmuster mit 19 Bewegungen/Minute aufgetragen. Die Beschichtungen wurden aufgetragen und bei 64 % relativer Feuchte und 23°C einer Blitzbehandlung unterzogen, um eine trockene Filmdichte, wie sie in Tabelle I unten spezifiziert wird, zu ergeben. Die Basislackbeschichtung auf den Platten wurde, wie es in Tabelle f spezifiziert wird, unter Verwendung eines Infrarotstrahlungs-/Heissluftkonvektionskombinationsofens getrocknet, der kommerziell von der BGK-ITW Automotive Group of Minneapolis, Minnesota, verfügbar ist. Die Platten wurden mit flüssigem Hightech^®-Klarlack HP-1 (der kommerziell von PPG Industries, Inc. verfügbar ist) überlackiert und sowohl der Basislack wie auch der Klarlack wurden gleichzeitig für 30 Minuten gehärtet: 7 Minuten in einer Schwarzwandstrahlungszone bei 155°C (310°F), gefolgt durch 23 Minuten unter Verwendung von Heißluftkonvektion bei 118°C (245°F), um eine Gesamtfilmdicke von ungefähr 75 bis 103 Mikrometer zu ergeben. Die Daten des Erscheinungsbildes werden in Tabelle II bereit gestellt.
Tabelle I

„H" zeigt Platten an, die in horizontaler Orientierung beschichtet sind, während „V" Platten anzeigt, die in vertikaler Orientierung beschichtet sind.

Tabelle II

*BYK WaveScan von BYK-Gardner International
U. S. Hauptniederlassung Silver Spring, Maryland.
Das Instrument misst die Oberflächenrauheit und -glätte durch optische Variation
Langwellig: Zahlen 0 bis 50, je niedriger, desto besser.
Kurzwellig: Zahlen 0 bis 50, je niedriger, desto besser.
Spannung: Zahlen 0 bis 19, je höher, desto besser.

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Substrats, umfassend die Schritte: (a) Aufbringen einer Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis auf eine Oberfläche des Substrats, (b) gleichzeitiges Richten von Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 1,5–30,0 kW/m² mit einem ersten Luftstrom auf die Basislackzusammensetzung, so dass ein vorgetrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird, und (c) Richten eines zweiten Luftstroms in Abwesenheit von Infrarotstrahlung auf die Basislackzusammensetzung, so dass ein getrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Feststoffgehalt der Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis von 18 bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Basislackzusammensetzung, reicht.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den zusätzlichen Schritt des: (d) Aufbringens einer Decklackzusammensetzung auf den getrockneten Basislack umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Decklackzusammensetzung, die in Schritt (d) aufgebracht wird, eine Pulverzusammensetzung ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Basislackzusammensetzung vor dem Aufbringen der Pulverdecklackzusammensetzung in Schritt (d) auf einen Feststoffgehalt von 92 bis 98 Gew.-% getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Decklackzusammensetzung, die in Schritt (d) aufgebracht wird, eine flüssige Zusammensetzung ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Basislackzusammensetzung vor dem Aufbringen der flüssigen Decklackzusammensetzung in Schritt (d) auf einen Feststoffgehalt von 75–88 Gew.-% getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Luftstrom in Schritt (b) bei einer Temperatur von 30–65°C angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat Metall ist und während Schritt (b) eine erste Temperatur des Substrats mit einer ersten Geschwindigkeit im Bereich von 0,05°C/s bis 0,6°C/s erhöht wird, um eine erste maximale Metalltemperatur im Bereich von 25°C bis 60°C zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Luftstrom in Schritt (c) bei einer Temperatur von 35–110°C angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat Metall ist und während Schritt (c) eine zweite Temperatur des Substrats mit einer zweiten Geschwindigkeit im Bereich von 0,1°C/s bis 0,6°C/s erhöht wird, um eine zweite maximale Metalltemperatur im Bereich von 36°C bis 70°C zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Metallsubstrat ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Aluminium, Stahl, Kupfer, Magnesium, Zink und Legierungen und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Metallsubstrat eine Fahrzeugkarosseriekomponente ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Luftstrom in Schritt (b) eine Temperatur von 37°C bis 55°C hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) 30 bis 90 s dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit des ersten Luftstroms in Schritt (b) 0,5 bis 5 m/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei in Schritt (b) die Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 2,5–12,0 kW/m² auf Karosseriebleche und bei bis zu 30,0 kW/m² auf Bereiche von Schwermetalltürschweller und Motorhaubenbereiche der Fahrzeugkarosserie gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Infrarotstrahlung in Schritt (b) bei einer Wellenlänge von 0,7–20 μm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Infrarotstrahlung in Schritt (b) bei einer Wellenlänge von 0,7–4 μm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Luftstrom in Schritt (c) eine Temperatur von 40°C bis 110°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) 50 bis 200 s dauert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit des zweiten Luftstroms in Schritt (c) 1,5 bis 16,0 m/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei während Schritt (b) die erste Temperatur des Substrats mit einer ersten Geschwindigkeit im Bereich von 0,17°C/s bis 0,58°C/s erhöht wird, um eine erste maximale Metalltemperatur im Bereich von 28°C bis 55°C zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei während Schritt (c) die zweite Temperatur des Substrats mit einer zweiten Geschwindigkeit im Bereich von 0,1°C/s bis 0,3°C/s erhöht wird, um eine zweite maximale Metalltemperatur im Bereich von 39°C bis 55°C zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend einen zusätzlichen Schritt des Richtens von Luft mit einer Temperatur von 10–35°C auf die Basislackzusammensetzung für eine Dauer von wenigstens 30 s zwischen den Schritten (a) und (b), um wenigstens einen Teil der flüchtigen Stoffe aus der Basislackzusammensetzung zu verdampfen, wobei die Luftgeschwindigkeit an der Oberfläche der Basislackzusammensetzung 1,0 m/s oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat Metall ist und das Verfahren weiterhin einen zusätzlichen Schritt des Richtens heißer Luft auf den getrockneten Basislack, um eine maximale Metalltemperatur von 110–150°C zu erreichen, für eine Dauer von wenigstens sechs Minuten nach Schritt (c) umfasst, so dass ein gehärteter Basislack auf der Oberfläche des Metallsubstrats gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, das weiterhin den zusätzlichen Schritt des Abkühlens des Substrats mit dem getrockneten Basislack darauf auf eine Temperatur von 20–30°C zwischen den Schritten (c) und (d) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, das weiterhin einen zusätzlichen Schritt des Härtens der Decklackzusammensetzung nach Schritt (d) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, das weiterhin einen zusätzlichen Schritt des gleichzeitigen Härtens der Basislackzusammensetzung und der Decklackzusammensetzung nach Schritt (d) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder Schritt des Verfahrens an einer unterschiedlichen Stelle als Teil eines kontinuierlichen Prozesses stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder Schritt des Verfahrens an einer einzigen Stelle als Teil eines Chargenprozesses stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte (b) und (c) des Verfahrens an einer einzigen Stelle als Teil eines teilweise chargenweisen Verfahrens stattfinden.
Teilweise chargenweises Verfahren zum Beschichten eines Substrats, umfassend die Schritte: (a) an einer ersten Stelle Aufbringen einer Basislackzusammensetzung auf Wasserbasis auf eine Oberfläche des Substrats, (b) Transportieren des Substrats zu einer zweiten Stelle und gleichzeitiges Richten von Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 1,5–30,0 kW/m² und einem ersten Luftstrom auf die Basislackzusammensetzung für eine Dauer von 30 bis 60 s, so dass ein vorgetrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet wird, und (c) an derselben zweiten Stelle gleichzeitiges Richten von Infrarotstrahlung bei einer Leistungsdichte von 3,0 bis 30,0 kW/m² und einem zweiten Luftstrom auf die Basislackzusammensetzung für eine Dauer von 30 bis 90 s, so dass ein getrockneter Basislack auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.
Teilweise chargenweises Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Geschwindigkeit des ersten in Schritt (b) angewandten Luftstroms im Bereich von 0,5 bis 2,5 m/s liegt.
Teilweise chargenweises Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Geschwindigkeit des zweiten in Schritt (c) angewandten Luftstroms im Bereich von 4,0 bis 16,0 m/s liegt.
Teilweise chargenweises Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Temperatur der in den Schritten (b) und (c) angewandten Luftströme 95–150°F (35–66°C) beträgt.