DE69530602T2

DE69530602T2 - Vorrichtung und verfahren zur beschichtung von substraten mit durch induktion geladenen harzpulverpartikeln

Info

Publication number: DE69530602T2
Application number: DE69530602T
Authority: DE
Inventors: E. Barbara WILLIAMS; Ian Harpur; Graham Hearn; F. John HUGHES
Original assignee: Nexus Corp
Current assignee: Nexus Corp
Priority date: 1994-10-05
Filing date: 1995-10-03
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2015-10-04
Also published as: EP0789625A1; WO1996011061A1; CA2202186A1; EP0789625B1; CN1162933A; JPH10507128A; BR9509258A; TW293099B; US5518546A; NZ295894A; ATE238844T1; CN1071598C; AU707667B2; ZA958404B; RU2162374C2; CA2202186C; MX9702463A; DE69530602D1; EP0789625A4; KR970706070A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgabe von elektrostatisch geladenen Teilchen auf ein Substrat, wo sie daraufhin einen zusammenhängenden und gleichmäßigen Überzug bilden. Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Beschichten von Substraten mit harzigen Pulvern mit einer verbesserten elektrostatischen Ladung. Nach einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem Induktions/Konduktions-Ladesystem zum Beschichten von Substraten.
2) Stand der Technik
In den letzten Jahren haben sich auf dem Gebiet der elektrostatischen Pulverbeschichtung viele Fortschritte ergeben. Die Pulverbeschichtung entwickelte sich als eigene Technologie aufgrund einer Anzahl von klaren Vorteilen über andere Beschichtungsverfahren wie Streichen, Tauchen und herkömmliches Spritzen. Diese Vorteile schließen die inhärenten Vorteile aufgrund der Abwesenheit eines Lösungsmittels (sicherer, weniger gefährlich für die Umwelt, billiger, sauberere Arbeitsbedingungen) sowie die Verringerung der für den Beschichtungsprozeß erforderlichen Zeit bei der Herstellung eines gebrauchsfertigen Gegenstandes ein. Beim Pulverbeschichtungsverfahren ist auch eine Steuerung der Schichtdicke und die Erzeugung einer hochwertigen Oberfläche in einem einzigen Behandlungsschritt möglich.
Viel von der frühen Arbeit auf diesem Gebiet hatte Verfahren zur Folge, bei denen von diesen Vorteilen Gebrauch gemacht werden konnte. Es gibt jedoch immer noch eine Anzahl von Nachteilen bei dieser Technologie, die zu überwinden sind.
Die Pulverbeschichtungstechnologie beruht auf dem Prinzip der elektrostatischen Aufladung, und die gegenwärtig verfügbaren, praktischen Verfahren zum Aufladen lassen sich in das Korona-Ladesystem, das Reibungselektrizität-Ladesystem und das Hybridsystem einteilen. Jedes der Systeme hat sich aus dem frühen Korona-Ladesystem entwickelt, das nur wenig mehr umfaßt als einen hohlen Zylinder, durch den pneumatisch Pulver geblasen wird, wobei das Aufladen des Pulvers durch eine Anlagerung von Ionen am Zylinder oder am Ausgang der Kanone erfolgte.
Als Hintergrund für die vorliegende Erfindung wird hier ein kurzer Überblick über jedes der gegenwärtigen Systeme und die Gründe für die Entwicklung der neueren Reibungselektrizitäts- und Hybridsysteme angegeben.
Das Korona-Ladesystem umfaßt im Grunde das Aufladen durch einen Ionenbeschuß mit einer Ionenquelle wie einer Korona-Hochspannungselektrode oder einem radioaktiven Element. Dieses Verfahren wird oft dazu verwendet, Ladungen auf gut isolierende Materialien wie Kunststoffe aufzubringen. Es kann sehr ineffektiv beim Aufbringen von elektrostatischen Ladungen auf Pulver sein, da viele der erzeugten Ionen nicht zu der Aufladung der Teilchen beitragen, sondern irgendwo landen, zum Beispiel bei der Pulverbeschichtung auf dem Werkstück selbst. In einigen der schlimmsten Fälle wurden Aufladungs-Wirkungsgrade von weniger als 1 Prozent für Korona-Pulverbeschichtungsgeräte berichtet.
Beim Korona-Ladesystem wird Pulver von einem Einfülltrichter durch Zuführschläuche zu einer Sprühkanone geführt. Eine spitze Elektrode in der Kanone ist mit einem Hochspannungsgenerator verbunden, und die Kombination aus der Elektrodengeometrie und der Hochspannung (in einigen Kanonen bis zu 100 kV) erzeugt ein elektrisches Feld, das über der lokalen Durchbruchspannung des umgebenden Gases, in der Regel Luft, liegt. Es entsteht eine Koronaentladung, und vor der Ladeelektrode entstehen freie Ionen. Die Pulverteilchen werden durch diesen Bereich mit einer Raumladung geleitet und laden sich durch die Anlagerung von Ionen auf. Die Teilchen folgen dem Luftstrom, und diejenigen, die ausreichend aufgeladen sind, werden auf dem Werkstück abgeschieden, das normalerweise auf Massepotential gehalten wird. Die Polarität der Ladeelektrode kann umgekehrt werden, um entweder eine positive oder eine negative Ladung auf den Teilchen zu erzeugen, wobei eine negative Ladung aufgrund der größeren Anzahl von erzeugten Ionen im allgemeinen bevorzugt wird.
Der Auflade-Wirkungsgrad dieses Systems ist sehr klein, da nur ein kleiner Bruchteil (etwa 0,5 Prozent) der Ionen, die durch die Korona erzeugt werden, zur Aufladung des Pulvers beitragen. Der Hauptteil der von der Koronakanone erzeugten Ionen lagert sich nicht an den versprühten Pulverteilchen an, sondern bewegt sich als "freie Ionen" zum Werkstück, wo sie sich schnell in der abgeschiedenen Pulverschicht ansammeln.
Wenn immer mehr freie Ionen das Werkstück erreichen, erreicht die Intensität der Aufladung in der Pulverschicht schnell die Sättigung. An diesem Punkt können dann kleine elektrostatische Entladungen (eine Rückionisation) auftreten, die zu Störungen in der Beschichtung führen und letztendlich zu einer schlechten Oberfläche.
Der Beginn der Rückionisation begrenzt im wesentlichen die nutzbare Beschichtungsdicke, die mit einer Koronaladungs-Pulverbeschichtungsausrüstung aufgebracht werden kann.
Neben dem Erfordernis einer Hochspannungs-Stromversorgung ist ein weiterer Nachteil der Koronakanonen der, daß sie nicht für Anwendungen geeignet sind, die ein Eindringen in Hohlräume und Ecken erfordern. Dies liegt daran, daß die ganze Spannung, die an der externen Hochspannungselektrode anliegt, zwischen der Kanonenmündung und dem geerdeten Werkstück abfällt und nur wenig oder kein Eindringen des Feldes aus dieser Spannung in Hohlräume und Vertiefungen erfolgt. Diese Bereiche entsprechen dann fast geschlossenen Faradayschen Käfigen. Unter diesen Bedingungen wird eine innere Beschichtung nur dann erreicht, wenn die Teilchen pneumatisch in solche Bereiche geblasen werden, was schwierig sein kann, wenn gleichzeitig überall eine gute Gleichmäßigkeit der Beschichtung angestrebt wird.
Das übliche alternative System zur Koronaladung ist das triboelektrische oder Reibungsladen, das auftritt, wenn zwei ungleiche Materialien oder Oberflächen, die vorher ungeladen sind bzw. sich in einem elektrisch neutralen Zustand befinden, in Kontakt treten und sich dann wieder trennen. Bei diesem Prozeß werden elektrostatische Ladungen getrennt, wobei eine der Oberflächen eine Ladung mit positiver Polarität und die andere eine negative Ladung annimmt. Dieser Vorgang ist jedermann bekannt. Beispiele sind Pulver, die durch eine Leitung geleitet werden, und Personen, die durch einen mit Teppichen ausgelegten Raum gehen. Im letzteren Fall tritt die Reibung zwischen den Schuhsohlen und dem Teppich auf.
Die Größe und auch die Polarität der auf diese Weise erzeugten elektrostatischen Ladung hängen stark von Faktoren wie dem Oberflächenzustand, dem Feuchtigkeitsgehalt und der Art des Kontaktes ab. Dieses Verfahren zur Ladungserzeugung wird zwar bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung angewendet, es treten jedoch Probleme mit der Zuverlässigkeit auf.
Eine Standard-Koronakanone bringt auf Pulverteilchen eine Ladung von etwa 1 × 10^–3 C/kg auf, eine Reibungsladung überträgt bei jedem Kontakt jedoch nur einige Hundert elektronische Ladungen, weshalb Tausende von Kontakten erforderlich sind, um eine Aufladung zu erhalten, die der einer Koronakanone gleichwertig ist. Das einfachste Verfahren, mit dem dies erreicht wird, ist ein gerades Rohr mit einem turbulenten Fluß, so daß eine große Anzahl von Pulver/Wand-Kollisionen stattfindet. Die Wandflächen sind Idealerweise Isolatoren, die mit Erdungspunkten versehen sind, so daß die sich auf der Oberfläche aufbauende hohe Aufladung nach Erde abfließen kann. In kommerziellen Systemen wird gewöhnlich PTFE (Polytetrafluorethylen) verwendet, dessen Platz in der reibungselektrischen Reihe sicherstellt, daß sich das Pulver zum Großteil beim Kontakt damit mit positiver Polarität auflädt.
Bei reibungselektrischen Kanonen ist der freie Ionenstrom eliminiert oder beträchtlich reduziert und die Teilchen werden, da es kein angelegtes elektrisches Feld gibt, durch eine Kombination aus dem Luftstrom und dem durch die geladene Pulverwolke erzeugten Feld auf das Werkstück gerichtet. Aufgrund dieser Faktoren tritt bei reibungselektrischen Systemen für 10 bis 20 Sekunden keine Rückionisation auf, und es ist leichter, mit diesem System massive oder dicke Schichten zu erhalten. Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit des Systems, auch Hohlräume, kleine komplexe Teile und Produkte mit scharfen Kanten usw. beschichten zu können. Außerdem überwindet das Reibungsladen nicht nur den Faradayschen Käfigeffekt und verringert die Rückionisation, sondern erleichtert auch die Konstruktion der Kanonen durch die Aufnahme von Sprühköpfen, die verschiedene Arten von Düsen aufnehmen können.
Der wesentliche Nachteil einer Tribo-Kanone ist die Abnahme des effektiven Ladungsaustauschs nach einer längeren Betriebszeit. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Verteilung der Teilchengröße des Pulvers erhebliche Auswirkungen auf die Reibungsaufladung und deren Wirkungsgrad hat. Ein typisches Pulver zum Beschichten enthält eine Kombina tion aus kleinen, mittleren und großen Teilchen im Bereich von der Submikrongröße bis hinauf zu mehr als 80 Mikrometern im Durchmesser. Es ist bekannt, daß in solchen Systemen eine stark polare Aufladung des Pulvers erfolgt; kleinere Teilchen neigen dazu, sich negativ aufzuladen. Der Wirkungsgrad der Aufladung ist eine Funktion des Durchmessers der Teilchen, und als Folge davon werden die kleinsten Teilchen nicht elektrostatisch vom Werkstück angezogen, mit dem Ergebnis einer bevorzugten Abscheidung von mittelgroßen Teilchen. Der Transfer-Wirkungsgrad ist daher gering und wegen der Zunahme der Ablagerungen in den Kanonen und den Pulversammel- und Recyclingvorrichtungen auch der Gesamt-Wirkungsgrad des Systems im Betrieb. Es können auch Fluidisierungsprobleme im Zuführtrichter auftreten.
Schließlich gibt es noch die sogenannten "Hybridkanonen", die in einer Kanone beide genannten Verfahren ausführen, d. h. die Koronaaufladung und die reibungselektrische Aufladung, um so die Vorteile beider Systeme zu vereinen. Dabei werden jedoch die inhärenten Hauptnachteile der beiden Kanonen nicht überwunden, die geringe Aufladung des Pulvers und der schlechte Transfer-Wirkungsgrad.
Bei der Verwendung der derzeit besten zur Verfügung stehenden Materialien für praktische industrielle Zwecke beträgt der Beschichtungs-Wirkungsgrad etwa 70 bis 75%. Nicht abgeschiedenes Pulver muß entfernt oder mittels speziellen Wiedergewinnungsanlagen wiedergewonnen werden und kann nur durch Hinzufügen in kleinen Mengen zu neuem Pulver oder durch Recycling im Harz-Vorbereitungsschritt wiederverwendet werden. Die Hersteller von Pulverbeschichtungen geben an, daß es möglich ist, eine 97 bis 98%-ige Verwendung des Pulvers zu erreichen, wobei dies ein Argument für eine Aufgabe der Naßspritzsysteme sein soll, bei denen jedes Overspray verlorengeht. Die Schwachstelle in diesem Argument ist, daß dazu an jeder Produktlinie eine eigene hochentwickelte Recyclinganlage betrieben werden muß, so daß es nicht einfach ist, die Art oder die Farbe des Beschichtungsmaterials zu ändern. Die Installationskosten für die Wiedergewinnungsanlage und die aufwendige Planung ihres Betriebs sowie die für die Wiedergewinnung erforderliche Zeit addieren sich zu den Gesamtkosten.
Das US-Patent Nr. 3 865 079 beschreibt eine Aufladevorrichtung für ein elektrostatisches Beschichtungssystem mit einem Wirbelbett zum gleichmäßigen Beschichten eines Drahtes. Der Draht wird über der Oberfläche des fluidisierten Pulvers über das Bett bewegt, und im Bett erstreckt sich unterhalb der Oberfläche des fluidisierten Pulvers axial ein Paar von langgestreckten Ladeelektroden. Über dem sich bewegenden Draht ist eine geerdete Steuerelektrode angebracht. Die Elektroden sind alle gleich weit vom Draht entfernt.
Entsprechend können eine oder mehrere der folgenden Aufgaben durch die Ausführung der vorliegenden Erfindung gelöst werden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum elektrostatischen Aufladen eines Pulvers zur Verwerdung in Pulverbeschichtungsanlagen zu schaffen, die nicht die oben erwähnten Nachteile aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Aufladen eines Pulvers zu schaffen, mit dem die elektrostatische Ladung auf dem Pulver in einer zuverläs sigen und wiederholbaren Art entwickelt wird. Eine andere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Menge und die Polarität der elektrostatischen Aufladung genau und zuverlässig gesteuert werden kann, so daß eine Beschichtung aller Bereiche eines Werkstücks in jeder gewünschten Dicke möglich ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Ausbringen einer Ladung auf thermoplastische und thermisch aushärtende Harze zu schaffen, wie sie bei Pulverbeschichtungsvorgängen verwendet werden. Eine andere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die elektrostatische Aufladung des Pulvers durch Hinzufügen eines die elektrostatischen Eigenschaften ändernden Mittels in oder auf die Oberfläche des Harzes verbessert wird: Eine andere Aufgabe ist es dann noch, eine Vorrichtung zum Ausbringen eines elektrostatisch geladenen Pulvers als Beschichtung auf einen festen Gegenstand zu schaffen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum Beschichten von festen Gegenständen durch eine induktive Einrichtung zu schaffen. Eine andere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum Beschichten von festen Gegenständen mit einem pulverisierten Harz zu schaffen, das daraufhin aufgeschmolzen wird, um eine gleichmäßige und zusammenhängende Beschichtung auf dem Gegenstand zu ergeben. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für das Ausbringen einer Pulverbeschichtung auf feste Gegenstände zu schaffen, die wirkungsvoll ist und die den Pulverabfall minimiert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine System zu schaffen, das für das Aufsprühen des elektrostatisch geladenen Pulvers auf feste Gegenstände verwendet werden kann, wobei das Pulver dann aufgeschmolzen wird, um ein permanentes Finish zu ergeben. Eine andere Aufgabe ist es, ein neues System zum Aufsprühen von elektrostatisch geladenen Pulvern auf aufgeheizte feste Gegenstände zu schaffen, wobei durch Aufschmelzen des Pulvers ein permanentes Finish erhalten wird. Diese und andere Aufgabe werden mit der hier angegebenen Lehre ohne weiteres gelöst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung des grundlegenden Prinzips bei der Koronaaufladung.
2 ist eine schematische Darstellung des grundlegenden Prinzips bei der reibungselektrischen Aufladung.
3(a) ist eine schematische Darstellung eines Gegenstands, der in einem neutralen elektrischen Feld auf einer Platte liegt.
3(b) ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Feldes, das zwischen den Platten der 3(a) angelegt wird, wobei die obere Platte auf Hochspannung liegt und induzierte Ladungen auf die Oberfläche des Gegenstandes fließen.
4 ist eine schematische Darstellung der Mündung einer Induktions-Aufladekanone.
5 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, bei der das induktive/konduktive Prinzip verwendet wird, das bei der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
6 ist eine genauere schematische Darstellung der Mündung einer Induktions-Aufladepistole.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Allgemein ist die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Beschichtung eines Substrats mit elektrisch geladenen herzigen Pulverteilchen gerichtet, die daraufhin auf dem Substrat eine gleichmäßige, zusammenhängende Beschichtung bilden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt in Kombination

(a) eine elektrisch isolierende Wirbelschichtzone zum induktiven Aufladen harziger Pulverteilchen,
(b) eine in einem Bereich der Wirbelschichtzone angeordnete Hochspannungseinrichtung, die an eine variable Hochspannungsversorgung angeschlossen ist,
(c) eine geerdete Elektrodeneinrichtung, die in einem anderen Bereich der Wirbelschichtzone angeordnet ist, wodurch zwischen der Hochspannung und der geerdeten Elektrodeneinrichtung ein elektrisches Feld erzeugt werden kann, um die Teilchen induktiv aufzuladen,
(d) eine fluidisierende Belüftungseinrichtung zum Einführen von Luft in die Wirbelschichtzone, wodurch in Gegenwart der harzigen Pulverteilchen eine elektrostatisch geladene Pulverwolke in der Wirbelschichtzone aufgebaut wird,
(e) eine Fördereinrichtung zum Transportieren der elektrisch geladenen Pulverteilchen aus der Wirbelschichtzone heraus, und
(f) eine an der Fördereinrichtung befestigte Abgabeeinrichtung zur Abgabe der elektrisch geladenen Teilchen auf das Substrat.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht die elektrostatische Aufladung von organischen Pulvern, die somit bei der Pulverbeschichtung verwendet werden können. Dies umfaßt das Ausbilden einer Mischung eines Pulvers mit wenigstens einem elektrostatisch aktiven Modifikationsmittel, wobei die Mischung elektrisch induktiven/konduktiven Bedingungen unterworfen wird, die ausreichen, dem Pulver einen spezifischen Widerstand von etwa 10⁹ bis etwa 10¹³ Ohmmetern bei 20 Prozent relativer Feuchtigkeit zu erteilen.
Die Erfinder haben erkannt, daß die oben angeführten Nachteile auf die elektrostatischen Eigenschaften der gegenwärtigen Systeme zurückzuführen sind, und daraufhin aufwendige und anstrengende Forschungsarbeiten durchgeführt, um eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, die auf einer völlig neuartigen Vorgehensweise bei der Aufladung des Pulvers für die elektrostatische Pulverbeschichtung beruhen. Es hat sich dabei herausgestellt, daß es möglich ist, die oben genannten Nachteile des gegenwärtig ausgeführten Pulverbeschichtungsprozesses durch Entwickeln eines Verfahrens zum Aufladen des Pulvers durch Influenz zu überwinden, wozu zuerst das Pulver durch Hinzufügen eines elektrostatisch aktiven Mittels zu dem Harzpulver modifiziert wird. Die vorliegende Erfindung beruht auf dieser Entdeckung.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum elektrostatischen Aufladen eines harzigen Pulver durch Influenz, was als Induktions- oder Konduktionsaufladung bekannt ist, und Abscheiden des aufgeladenen Pulvers auf einem Substrat.
Die Bezeichnung "Induktion" oder "induktiv" umfaßt hier in der Beschreibung und den anhängenden Patentansprüchen sowohl die elektrostatische Induktions- als auch die elektrostatische Konduktionsaufladung.
Die harzige Pulverzusammensetzung umfaßt (i) ein thermisch aushärtendes oder thermoplastisches Harz und (ii) ein elektrostatisch aktives Modifikationsmittel in oder auf dem Harz. Das verwendete Modifikationsmittel verändert die Schmelz- und Stabilitätseigenschaften des Harzpulvers nicht. Das Modifikationsmittel erleichtert das Aufgingen der Ladung und deren Erhaltung unabhängig von der Größe der Pulverteilchen.
Entsprechend umfaßt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum elektrostatischen Aufladen eines Pulvers für die Pulverbeschichtung, die nicht die oben erwähnten Nachteile der herkömmlichen Beschichtung aufweist und die es erlaubt, auf das Pulver auf eine zuverlässige und wiederholbare Art eine elektrostatische Aufladung wirkungsvoll und gleichmäßig aufzubringen, wobei außerdem die Menge und die Polarität der elektrostatischen Aufladung zuverlässig und genau gesteuert werden kann (und damit die Möglichkeit, alle Bereiche eines Werkstücks gleichmäßig in der gewünschten Dicke zu beschichten).
Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Pulvers für die Beschichtung der Oberflächen von festen Gegenständen (Werkstücken) für das erwähnte Verfahren der elektrostatischen Aufladung.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung können dadurch gelöst werden, daß das modifizierte Pulver derart in einen Bereich gebracht wird, in dem ein elektrisches Feld vorhanden ist, daß die elektrischen Ladungen auf die Pulverteilchen übergehen können, die aufgrund einer Modifikation mit einem elektrostatisch aktiven Mittel ausreichend leitend sind, um eine elektrische Leitung zu ermöglichen. Diese Eigenschaft des Pulvers wird durch seinen spezifischen Widerstand (Oberflächenwiderstand oder Volumenwiderstand) bezeichnet, und allgemein gesprochen ist es um so leichter, durch Induktion eine elektrostatische Ladung auf das Pulver aufzubringen, je geringer der spezifische Widerstand des Pulvers ist. Wenn es aufgeladen ist, wird das Pulver dann pneumatisch zum Werkstück transportiert. Die Aufladung auf dem Pulver verschwindet nach der Abscheidung mit einer Abfallrate, die mit abnehmenden Widerstand ansteigt. Es ist sehr wichtig, daß das Pulver lange genug am Werkstück haften bleibt, damit das Werkstück zum Trockenofen gebracht werden kann. Wenn sich die Ladung zu schnell verflüchtigt, kann dies nicht garantiert werden. Es gibt daher zwei Erfordernisse: Einen niedrigen spezifischen Widerstand für eine effektive Aufladung und einen hohen spezifischen Widerstand für eine ausreichende Haftdauer am Werkstück.
Um diese gegensätzlichen Erfordernisse zu erfüllen, werden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. Die erste Maßnahme beinhaltet einen Kompromiß hinsichtlich des spezifischen Widerstands, wobei der spezifische Widerstand des Pulvers auf einen Wert zwischen etwa 10⁹ bis etwa 10¹³ Ohmmeter und vorzugsweise auf einen Wert zwischen etwa 10¹⁰ bis etwa 10¹² Ohmmeter gebracht wird. Mit diesen Werten wird eine Aufladung auf etwa 63% des Grenzwertes (der eine Funktion der Teilchengröße, der Form und des Materials sowie der Stärke des elektrischen Feldes ist) in etwa 0,2 bis 2 Sekunden erreicht.
Nach dem Aufbringen auf das geerdete Werkstück fällt die Ladung im gleichen Zeitrahmen auf 37% des Ausgangswertes ab, die Zeitspanne, über die die anziehende Bildkraft wirkt, ist jedoch lange genug, damit sich Adhäsionskräfte zwischen den Teilchen und dem Substrat und zwischen den Teilchen selbst entwickeln können. Diese Kräfte reichen dann aus, um das Pulver lange genug auf dem Werkstück zu halten, damit dieses zum permanenten Verschmelzen zu einem Ofen gebracht werden kann. Die Trockenzeiten betragen gewöhnlich etwa 5 bis 10 Minuten bei etwa 135° bis 232°C (275° bis 450°F).
Es ist anzumerken, daß Pulverteilchen mit einem spezifischen Widerstand unterhalb der oben angegebenen Untergrenze nicht lang genug am Werkstück oder Substrat haften, um eine Adhäsion auszubilden, während bei Widerständen über der Obergrenze der Prozeß schwer zu steuern ist.
Ein zweites Verfahren umfaßt das Aufsprühen des aufgeladenen Pulvers auf ein geerdetes, aufgeheiztes Werkstück. Die Temperatur des Werkstücks bewirkt ein teilweises Aufschmelzen der Pulverteilchen beim Auftreffen, so daß die Adhäsion zum Werkstück durch das Benetzen des Werkstücks durch das aufgeschmolzene Pulver und nicht aufgrund der elektrostatischen Kraft erfolgt.
Ein drittes Verfahren umfaßt eine etwas andere, aber nicht weniger wichtige Anwendung des elektrostatischen Pulversprühens: Das Endbearbeiten von elektrisch isolierenden Materialien wie Kunststoffen und Keramik. In diesem Fall erfolgt das Aufladen des Pulvers und das Aufsprühen ähnlich wie bei der herkömmlichen Endbearbeitung von leitenden, geerdeten Werkstücken, die elektrostatische Ladung unterstützt jedoch die sichere Abscheidung, und es läßt sich auf eine andere Art eine gleichmäßige Beschichtung erreichen.
Wenn das Werkstück isolierend ist, entsteht keine Bildladung darin, wenn sich die geladene Pulverwolke nähert, so daß das Pulver nicht vom Werkstück angezogen wird, wenn dieses nicht selbst vorab mit der entgegengesetzten Polarität wie die Ladung auf dem Pulver aufgeladen wird. Dies kann durch eine Koronaaufladung des Werkstücks erfolgen, wodurch ein Abscheidefeld zwischen der Pulverwolke und dem Werkstück erzeugt wird. Das Beschichten erfolgt solange, bis sich keine Nettoladung mehr auf dem Werkstück befindet, und die Adhäsion ist gesichert, da sich das isolierende Werkstück nicht entladen kann. Es sind auch andere Verfahren möglich, wobei manche von der Geometrie des iso lierenden Werkstücks abhängen, wenn es z. B. ein dünner Bogen oder ein dünner Film ist, kann die Beschichtung auf einer Seite dadurch möglich gemacht werden, daß ein leitendes Substrat auf der entgegengesetzten Seite angeordnet und an dieses eine Spannung angelegt wird, deren Polarität der Ladung auf dem Pulver entgegengesetzt ist.
Ein viertes Verfahren enthält eine Schlüsselentdeckung, die während der intensiven Forschungen gemacht wurden, die zu der vorliegenden Erfindung führten. Die ideale Lösung für die gegensätzlichen Erfordernisse eines niedrigen Widerstands für eine effektive Aufladung und eines hohen Widerstands für eine gute Adhäsion läßt sich am besten dadurch erreichen, daß ein Pulver geschaffen wird, dessen spezifischer Widerstand im breitesten Sinne situationsabhängig ist, das heißt dessen Widerstand eine Funktion der vorherrschenden Bedingungen an der Aufladestation und am Werkstück ist. Durch das entsprechende Steuern der Bedingungen in beiden Bereichen, wobei zuerst das Pulver so ausgebildet wurde, daß es auf Änderungen in seiner Umgebung extrem empfindlich reagiert, wird es möglich, einen niedrigen spezifischen Widerstand an der Aufladestation und einen hohen spezifischen Widerstand am Werkstück sicherzustellen.
Bei der Untersuchung der Aktivität von verschiedenen, die elektrostatischen Eigenschaften verändernden Mitteln (im folgenden Modifikationsmittel genannt) als Funktion der Temperatur, des Feuchtigkeitsgehalts und der elektrischen Feldstärke wurde eine Familie von Modifikationsmitteln identifiziert, die, wenn sie zu den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Pulvern für die Pulverbeschichtung hinzugefügt werden, den spezifischen Widerstand des zusammengesetzten Pulvers verändern, wobei dieser Widerstand von den oben erwähnten Variablen Temperatur, Feuchtigkeitsgehalt und elektrische Feldstärke abhängig ist.
Wie oben angegeben umfaßt die harzige Pulverzusammensetzung für die elektrostatische Beschichtung der vorliegenden Erfindung ein thermisch aushärtendes oder thermoplastisches Harz und von 0,01 bis 20 Gew. % eines die elektrostatischen Eigenschaften verändernden Mittels. Diese Zusammensetzung kann außerdem Härter, Pigmente, Metallpulverfüller, Flußsteuermittel, Plastifizierer und Stabilisatoren enthalten. Bei der vorliegenden Erfindung kann das thermisch aushärtende Harz von der herkömmlichen Art sein, etwa ein Epoxidharz, ein Polyesterharz oder ein Acrylharz. Gleichermaßen kann das thermoplastische Harz ein Vinylchloridharz, ein Polyamidharz, ein Zelluloseharz, ein Polyolefinharz, ein Polyethylenharz, ein Polyesterharz oder ein Nylonharz sein. Das Harz kann entweder allein oder als Mischung in einer Kombination verwendet werden.
Das die elektrostatische Eigenschaften verändernde Mittel als wesentliche Komponente der vorliegenden Erfindung kann Polyalkylenether, Polyethylenglykol, Polyethoxylat-Stearylalkohol, ein quaternäres Ammoniumsalz oder ein halogeniertes Ammoniumsalz sein. Diese Verbindungen können jeweils allein oder in Kombination als eine Mischung aus zwei oder mehr Teilen verwendet werden.
Das quaternäre Ammoniumsalz umfaßt zum Beispiel 3-Lauramidopropyl-Trimethylammonium-Methylsulfat (Cyostat LS, hergestellt von der Cyanamid Company, und Cyostat SN, Cyastat SP, Cyastat 609 von der gleichen Firma sowie ATMER Antistatik von ICI).
Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Harzpulverzusammensetzung kann ohne weiteres nach einem herkömmlichen Verfahren vorbereitet werden. Zum Beispiel können das Binderharz und das Modifikationsmittel mit einer herkömmlichen Mischmaschine wie einem Einschrauben- oder Mehrschraubenextruder, einem Banbury-Mischer oder mit Wärmerollen aufgeheizt, geschmolzen und geknetet und dann gekühlt und pulverisiert werden, um ein Pulver zu erhalten. Es kann jedes Verfahren angewendet werden, das gewöhnlich für die Herstellung einer Pulvermischung verwendet wird, sowie Verfahren zum Mischen eines Binderharzpulvers mit einem Pulver des die elektrostatischen Eigenschaften verändernden Mittels. In manchen Fällen kann es erforderlich sein, auf der Oberfläche des Binderharzes durch das die elektrostatischen Eigenschaften verändernde Mittel durch das Anwenden von mechanischer Energie bei der Mischung eine Schicht auszubilden. In diesem Fall muß das Verhältnis der Teilchendurchmesser (Volumenmittel) größer sein als 10 : 1, wobei das Binderharz größer ist.
Die Teilchengröße des Harzpulvers zum erfindungsgemäßen Beschichten liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 10 bis etwa 250 Mikrometern.
Die erfindungsgemäße Harzpulver-Beschichtungszusammensetzung kann außer den obigen Komponenten noch Härter, Pigmente, Metallpulver, Füller, Flußsteuermittel, Plastifizierer, Stabilisatoren und andere Additive enthalten, wie es der Einsatzfall erfordert.
Das erfindungsgemäße Harzbeschichtungspulver kann mit der beschriebenen Pulverbeschichtungsvorrichtung auf Substrate aus Metall, Keramik, Kunststoff usw. aufgebracht werden. Auf die Substrate können verschiedene Primer aufgebracht werden, und die Substrate können verschiedenen anderen Vorbehandlungen unterworfen werden. Es werden nun die bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Pulverbeschichtungsvorrichtung beschrieben, die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebene Ausgestaltung beschränkt.
Die Erfindung läßt sich besser anhand der Zeichnungen verstehen, wobei die 1 und 2 Prozesse zur Pulverbeschichtung darstellen, die dem Stand der Technik entsprechen. Die 1 ist eine schematische Darstellung des Prinzips der Koronaaufladung, während die 2 das Prinzip der reibungselektrischen Aufladung zeigt.
Die Induktions/Konduktionsaufladung beruht im wesentlichen auf dem Fluß einer elektrostatischen Ladung über die Oberfläche des Gegenstands oder Materials, das aufzuladen ist. Aus diesem Grund darf der aufzuladende Gegenstand oder das aufzuladende Material nicht gut elektrisch isolieren. Die 3(a) zeigt diesen Effekt anhand eines großen Teilchens zwischen zwei parallelen Elektroden. In dieser Darstellung ist an die Elektroden keine Spannung angelegt, weshalb sich auf dem Teilchen keine Ladungen befinden. In der 3(b) wird an die Elektroden eine Spannung angelegt, und es fließt von der unteren Elektrode eine elektrostatische Ladung auf die Oberfläche des Teilchens, und das Teilchen wird aufgeladen. Wenn das Teilchen von der unteren Elektrode und aus dem System entfernt wird, behält es die Ladung. Es ist durch Induktion aufgeladen worden.
Es findet der gleiche Vorgang statt, wenn die Polarität der Elektroden umgekehrt wird und die untere Elektrode zur Hochspannungselektrode wird und die obere Elektrode geerdet ist. In diesem Fall lädt sich das Teilchen mit positiver Polarität auf.
Wenn das Teilchen nicht aus einem elektrisch leitenden oder teilweise leitenden Material besteht, sondern aus einem Isolator wie Teflon, kann die elektrostatische Ladung von der unteren Platte nicht auf die Teilchenoberfläche fließen, weshalb das Teilchen nicht aufgeladen wird.
Der Begriff "Induktion" kann auf die Fälle angewendet werden, wenn der aufzuladende Gegenstand entweder mit der Masseelektrode oder mit der Hochspannungselektrode in Kontakt steht. Genauer wird der Begriff "Induktion" dann verwendet, wenn der Gegenstand mit Masse in Kontakt steht, und es wird der Begriff "Konduktion" verwendet, wenn der Gegenstand mit der Hochspannungsquelle in Kontakt steht. Die Situation ist symmetrisch, wie die Größe der aufgenommenen Ladung.
Die wichtigen Parameter bei der Induktions/Konduktionsladung sind die Lade- und Entladeraten. Diese werden von der elektrischen Leitfähigkeit des Materials bestimmt. Je mehr Widerstand ein Material aufweist, um so mehr Zeit ist erforderlich, einen maximalen Ladungspegel zu erreichen. Zum Beispiel wird ein Metall, das gut leitfähig ist, eine Ladung durch Induktion innerhalb des Bruchteils einer Mikrosekunde aufnehmen. Ein dotiertes Polymer kann mehrere Sekunden dazu brauchen.
Eine Näherung für die Rate, mit der ein Material Ladungen durch Induktion/Konduktion aufnimmt oder abgibt, ist durch die folgende Formel gegeben: t = eoerp, wobei p der spezifische Widerstand des Materials in Ohmmeter, eo die absolute Dielektrizitätskonstante des freien Raumes (8,85 × 10^–12), e_r die Dielektrizitätskonstante und t die Zeit ist, um 63% der maximalen Aufladung zu erreichen (oder 37% des Maximums bei der Entladung).
Sowohl die Hochspannungsversorgung wie auch die Pulverzuführsysteme sind allgemein bekannte Technologien. Die Induktions/Konduktionsaufladung der Pulvers erfolgt auf der Ladungstransferplattform, die einer der Schlüsselbereiche der vorliegenden Erfindung ist. Die genaue Ausgestaltung hängt vom jeweiligen Anwendungszweck ab. Zum Beispiel ist die Plattform zum Beschichten eines großen und schweren Werkstücks auf einem Förderer in keiner Weise der Plattform für Sicherungskästen ähnlich, die von einem Überflurförderer herunterhängen. Die Aufladeplattform kann entweder in der Kanonenmündung oder stromaufwärts von der Kanone angeordnet sein, so daß das Pulver bereits vor dem Ausstoßen und nicht erst beim Ausstoßen aufgeladen wird. Außerdem ist es möglich, zwei Aufladungsstufen vorzusehen, die erste im Lauf der Kanone, so daß am Ausstoßpunkt bereits vorgeladenes Pulver ankommt; die zweite bei einer Hochspannungselek trode an der Kanonenmündung, die die Ladung auf dem Pulver erhöht, wobei das elektrische Feld zwischen der auf Hochspannung befindlichen Mündung und dem geerdeten Werkstück dazu verwendet wird, die Übertragung und die Abscheidung des Pulvers zu verbessern.
Die 3(a) ist eine schematische Darstellung eines Gegenstandes (2), der in einem neutralen elektrischen Feld auf einer Platte (3) liegt. Die 3(b) ist eine schematische Darstellung eines elektrischen Feldes zwischen den beiden Platten der 3(a), wobei an die obere Platte (4) eine Hochspannung angelegt wird und auf die Oberfläche des Gegenstandes induzierte Ladungen fließen.
Die 4 zeigt ein alternatives Induktionsbeschichtungssystem. Das Pulver wird pneumatisch zu einem Bereich mit einem starken elektrischen Feld an der Kanonenmündung (5) transferiert, wo es durch Induktion Ladung aufnimmt. Das aufgeladene Pulver (6) wird dann durch eine Kombination aus dem elektrischen Feld und einem Luftstrom zu dem Werkstück (7) übertragen. Das Anordnen einer Gegenelektrode kann das Feld an dieser Stelle verstärken und das Aufladen gegebenenfalls intensivieren. Die Auswirkungen und die Notwendigkeit einer solchen Elektrode können durch eine Analyse der Feldgeometrie bestimmt werden.
Die 5 ist auf das erfinderische Konzept der vorliegenden Erfindung gerichtet und zeigt die bevorzugte Darstellung des grundlegenden Aufbaus für eine Induktions-Pulverbeschichtungsvorrichtung. Sie zeigt eine elektrostatische Wirbelschicht-Aufladeeinrichtung mit Pulverapplikator. Aus einem Pulverbehälter (nicht gezeigt) wird kontinuierlich durch eine Öffnung (12) Pulver in ein elektrisch isoliertes Bett oder eine elektrisch isolierte Zone (10) geführt. Das gesamte Bett kann auf einem Vibrationstisch (14) angeordnet sein, der dazu beiträgt, das Pulver im Bett zu lockern. Von unten wird der Luftverteilerplatte (18) fluidisierende Luft (16) zugeführt, und in radialer Richtung tritt bei (20) direkt gegenüber der Ausgangsöffnung (22) Transporluft nahe der Oberseite in das Bett ein, wodurch das Pulver auf das Substrat (26) gerichtet wird. Über das Bett wird ein elektrisches Feld angelegt, wobei die Elektroden eine Hochspannungselektrode (28) umfassen, die von einer extra starken Hochspannungsquelle (30) versorgt wird. Die untere Elektrode wird von den oberen Schichten des fluidisierten Pulvers gebildet, das mit einem gesinterten geerdeten Gitter (32) in Kontakt steht. Beim Eintreten in das Bett werden Ladungen auf dem Pulver induziert, das von der fluidisierenden und der Transportluft nach oben und aus dem Bett herausbefördert wird, wobei diese Ladung auf dem Pulver bleibt, bis es das Werkstück erreicht. Ein elektrisches Feld zwischen der Hochspannungsdüse des Applikators und dem geerdeten Werkstück unterstützt den Transport und die Abscheidung des aufgeladenen Pulvers.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf eine Modifikation der Vorrichtung der 5 gerichtet, die außerdem eine handgeführte Sprühpistole umfaßt. Diese Vorrichtung ist in der 6 gezeigt, sie besteht in Kombination aus

(a) einem Behälter mit harzigen Pulverteilchen (nicht gezeigt),
(b) einer Sprühpistole (34) mit einem Lauf (36), durch den Teilchen (38) zu einem Substrat (60) geführt werden, und mit einer Einrichtung (42) zum Festhalten der Pistole,
(c) einer elektrostatischen Induktionsladezone (44) am Ende des Laufs, wobei die Zone zwei beabstandete Elektroden umfaßt, zwischen denen geladene Teilchen nach außen geführt werden, wobei eine der Elektroden (46) eine Hochspannungselektrode und die andere eine geerdete Elektrode (48) ist,
(d) einem Hochspannungswiderstand (50) und einem Hochspannungskabel (52) im Pistolenlauf, das an die Hochspannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen ist, (e) einer Einrichtung (54) zum Anschließen der geerdeten Elektrode an eine äußere Erdungsquelle, und
(e) einer Einrichtung (40) zum Einführen von fluidisierten Pulverteilchen (38) in das andere Ende des Laufs.

Das Pulver mit einem Widerstandsbereich von etwa 10⁹ bis etwa 10¹³ Ohmmeter wird der Pistole mittels eines flexiblen Schlauchs (40) zugeführt. Das Pulver wird den hohlen Pistolenlauf entlanggeführt, bis es die elektrostatische Induktionsaufladezone am Ende des Laufs erreicht. Der Aufladebereich besteht aus zwei Elektroden, wobei sich in der 6 die Hochspannungselektrode unten befindet. Mit einem Hochspannungskabel wird über einen Hochspannungswiderstand im Pistolenlauf und in der Nähe der Elektrode der Hochspannungselektrode eine elektrische Energie bis zu 60 kV zugeführt. Pulver, das mit einer der Elektroden in Kontakt kommt, nimmt aufgrund der Induktion vor dem Verlassen des Laufes eine Ladung an.
Das ausgestoßene geladene Pulver (56) wird durch die Kombination der Transportluft mit dem elektrischen Feld (62) zum Werkstück oder Substrat (60) transportiert und trifft auf das Substrat auf. Die Pulverteilchen werden durch elektrostatische Kräfte an der Werkstückoberfläche (58) gehalten. Das Werkstück wird dann zum Trockenofen gebracht, wo das Pulver aufschmelzen kann. Alternativ kann das Aufschmelzen des Pulvers bereits beim Kontakt mit dem Substrat beginnen, wenn dieses aufgeheizt ist.
Sowohl die Vorrichtung der 5 als auch die der 6 kann nach dem Erlangen der Kenntnis von der vorliegenden Erfindung aus Materialien hergestellt werden, die dem Fachmann allgemein bekannt sind.
Es ist anzumerken, daß die Vorrichtung der 5 und die der 6 zusammen verwendet werden, wenn sichergestellt sein soll, daß alle Teilchen vor dem Abscheiden auf dem Substrat vollständig aufgeladen sind.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert.
Beispiel 1
Pulver-Modifikationsschritt
In diesem Beispiel wurde Evlast 1000/1 W104 verwendet, ein kommerziell erhältliches weißes Polyesterharzpulver, das von der EVTECH Co. in North Carolina, USA, hergestellt wird.
Der spezifische Widerstand der Pulvers bei 20% relativer Feuchtigkeit wurde zu 1,5 × 10¹⁵ Ohmmeter bestimmt. Der spezifische Widerstand wurde mit einer Pulver-Widerstandsmeßzelle gemessen, die von Wolfson Electrostatics, University of Southampton, UK entwickelt wurde.
Ein Kilogramm dieses Pulvers wurde mit 2 Gew.-% des Mittels Cyostat LS vermischt. Die Mischung wurde aufgeschmolzen, extrudiert, gekühlt und zu einem feinen Pulver vermahlen. Das sich ergebende Pulver wurde gesiebt und der bei 150 pm durchlaufende Anteil in diesem Beispiel verwendet.
Der spezifische Widerstand des Testpulvers bei 20% relativer Feuchtigkeit wurde zu 1 × 10¹¹ Ohmmeter bestimmt. Der mittlere Durchmesser des Testpulvers wurde zu 40 Mikrometer bestimmt.
Einer Vorrichtung ähnlich der in der 6 wurden 4 g mm^–1 des Testpulvers zugeführt. Nachdem ein ausreichender Vorrat an Pulver im Bett vorhanden war, wurden die Zuleitungen für die fluidisierende Luft und die Transportluft geöffnet und so eingestellt, daß ein stationärer Zustand erhalten wurde, das heißt daß genau so viel Pulver das Bett durch die Düse verließ als zugeführt wurde. Nachdem diese Bedingung erreicht wurde, wurde eine Spannung von 20 kV an die obere Elektrode angelegt. Der Abstand zwischen der oberen Elektrode und der geerdeten Platte betrug 10 cm, so daß über das Bett ein elektrisches Feld von mindestens 2 kV cm^–1 entstand.
30 cm vor der Düse wurde eine leitende Targetplatte (das Testwerkstück) mit etwa 100 cm² angeordnet. Die Targetplatte wurde über ein Elektrometer geerdet, das das Ausmaß der auf die Platte gelangenden Ladung messen konnte.
Für 20 Sekunden wurde das Pulver an der Platte gesammelt, wobei 5 Sekunden nach dem Einschalten der Spannung damit begonnen wurde. In dieser Zeit sammelten sich auf der Platte 1,1 g des Pulvers, auf die 9,4 × 10^–8 Coulomb an Ladung geflossen war. Dies zeigt an, daß eine Ladung von fast 1 × 10^–4 Coulomb pro Kilogramm durch das Induktionsladen auf das Pulver aufgebracht wurde. Solche spezifischen Ladungspegel reichen für eine gute Pulveradhäsion aus. Nach dem Ende des Besprühens haftete das ganze Pulver für mindestens 2 Minuten an der Platte.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurde Scotchkote 213 verwendet, ein kommerziell erhältliches, fusionsgebundenes Epoxidharzpulver, das von 3M in Minnesota, USA, hergestellt wird. Ein Kilogramm dieses Pulvers wurde trocken mit 20 g Antistat gemischt. Die Pulver wurden in einem Waring-Mischer vermischt, bis eine geordnete Mixtur erhalten wurde. Vor und nach der Modifikation wurde bei 20% relativer Feuchtigkeit der spezifische Widerstand des Binderharzes bzw. des zusammengesetzten Pulvers zu 3 × 10¹⁴ Ohmmeter bzw. 1,2 × 10⁹ Ohmmeter bestimmt. Der mittlere Durchmesser des Testpulvers betrug 25 Mikrometer.
Auf ähnliche Weise wie im Beispiel 1 wurden der Vorrichtung 3 g mm^–1 des Testpulvers zugeführt. Wieder wurde nach Eneichen eines stationären Zustandes eine Spannung von 20 kV an die obere Elektrode angelegt. Diesmal wurde die Targetplatte auf eine Oberflächentemperatur von 115°C aufgeheizt, und das Pulver wurde für 30 Sekunden auf die Platte aufgesprüht. Während dieser Zeit wurden 1,35 g des Pulvers auf die Platte übertragen, und es floß eine Ladung von 5,5 × 10^–7 Coulomb auf die Platte. Das ganze Pulver haftete an der Platte, wobei die damit in Kontakt stehende Schicht geschmolzen war.
Außer beim Ersetzen der herkömmlichen Pulverbeschichtungssysteme findet die vorliegende Erfindung Anwendung auch in anderen industriellen Beschichtungsbereichen. Wenn das aufzubringende Material durch Induktion/Konduktion aufgeladen werden kann und die Fließeigenschaften des Materials geeignet sind, weist die Verwendung der Induktion/Konduktion als Verfahren zum Aufladen viele Vorteile bei industriellen Anwendungen auf.
Zum Beispiel besteht ein großes Interesse an der Aufbringung qualitativ guter Beschichtungen auf elektrisch isolierende Materialien. Ein Beispiel ist das Aufbringen von dekorativen Beschichtungen auf Glas, etwa auf Flaschen. Es gibt Probleme, dies mit herkömmlichen elektrostatischen Systemen zu erreichen, da die Koronaentladung bei den Standard-Beschichtungsanlagen einen hohen Anteil an freien Ionen erzeugt, die die zu beschichtende Oberfläche auf die gleiche Polarität wie das aufzubringende Material aufladen. Da die zu beschichtende Oberfläche elektrisch leitend ist, kann die Ladung nicht abfließen und stößt schnell dann die ankommenden Teilchen ab, mit der Folge eines schlechten Transfer-Wirkungsgrades und einer minderwertigen Beschichtung. Bei einem durch Induktion/Konduktion aufgeladenen Pulver werden keine freien Ionen erzeugt, so daß dieses Problem nicht in Erscheinung tritt.
Es gibt auch viele andere Industrien, bei denen die Verwendung der Induktions/Konduktionsaufladung eines Pulvers vor dem Aufbringen auf einen Gegenstand oder eine Oberfläche vorteilhaft sein kann. Das Aufbringen von guten Beschichtungen auf Isolatoren, die Antikorrosionsbeschichtung von Leitungen und Behältern, das Beschichten von Glühlampen auf der Innenseite, das Mattieren von Glas und dekorative Beschichtungen auf Holz- oder Kunststoffmöbeln können durch eine Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Es ist auch bekannt, daß populäre Aromen wie Chili oder Käse und Zwiebel auf verpackten Snacks gegenwärtig in Pulverform auf eine relativ primitive Art aufgebracht werden, die sowohl ineffektiv als auch mit großen Verlusten verbunden ist. Viele Nahrungsmittel fallen in den spezifischen Widerstandsbereich von 10⁶ bis 10¹³ Ohmmeter, was sie zu idealen Kandidaten für die elektrostatische Induktionsaufladung macht. Die Snacks, auf die die pulvrigen Aromen aufgebracht werden, sind oft selbst unvollkommene elektrische Leiter, wodurch sich die Vorteile der Induktionsaufladung aufgrund der Abwesenheit von freien Ionen erhöhen.
Die Erfindung wurde zwar anhand der vorstehenden Beispiele beschrieben, diese schränken jedoch die dazu verwendeten Materialien nicht ein, sondern die Erfindung betrifft vielmehr das genannte allgemeine Gebiet. Es können verschiedenen Modifikationen und Ausführungen davon erfolgen, die im Umfang der folgenden Patentansprüche liegen.

Claims

Vorrichtung zur Abgabe von elektrostatisch geladenen Teilchen (6, 38, 56) auf ein Substrat (2, 7, 26, 58), wo sie daraufhin eine zusammenhängende und gleichförmige Beschichtung bilden, wobei die Vorrichtung in Kombination umfaßt: (a) eine elektrisch isolierende Wirbelschichtzone (10) zum induktiven Aufladen harziger Pulverteilchen, (b) eine in einem Bereich der Wirbelschichtzone (10) angeordnete Hochspannungseinrichtung (28, 46), die an eine variable Hochspannungsversorgung (30) angeschlossen ist, (c) eine geerdete Elektrodeneinrichtung (32, 48), die in einem anderen Bereich der Wirbelschichtzone angeordnet ist, wodurch zwischen der Hochspannung und der geerdeten Elektrodeneinrichtung ein elektrisches Feld erzeugt werden kann, um die Teilchen induktiv aufzuladen, (d) eine fluidisierende Belüftungseinrichtung (16, 18) zum Einführen von Luft in die Wirbelschichtzone, wodurch in Gegenwart der harzigen Pulverteilchen eine elektrostatisch geladene Pulverwolke in der Wirbelschichtzone aufgebaut wird; gekennzeichnet durch (e) eine Fördereinrichtung (20, 22) zum Transportieren der elektrisch geladenen Pulverteilchen aus der Wirbelschichtzone heraus, und (f) eine an der Fördereinrichtung befestigte Abgabeeinrichtung (24) zur Abgabe der elektrisch geladenen Teilchen auf das Substrat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hochspannungseinrichtung (28, 46) bis zu 60 kV bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abgabeeinrichtung in Kombination eine Sprühpistole (34) umfaßt mit (a) einem Lauf (36), durch den Teilchen (38) zu einem Substrat (2, 7, 26, 58) geführt werden, und mit einer Einrichtung (42) zum Festhalten der Pistole, (b) einer elektrostatischen Induktionsladezone an einem Ende des Laufs, wobei die Zone zwei beabstandete Elektroden (46, 48) umfaßt, zwischen denen geladene Teilchen (6, 38, 56) nach außen geführt werden, wobei eine der Elektroden eine Hochspannungselektrode (46) und die andere eine geerdete Elektrode (48) ist, (c) einen Hochspannungswiderstand (50) und ein Hochspannungskabel (52) im Pistolenlauf, das an eine Hochspannungsquelle angeschlossen ist, (d) eine Einrichtung (54) zum Anschließen der geerdeten Elektrode (48) an eine äußere Erdungsquelle, und (e) eine Einrichtung (40) zum Einführen von fluidisierten Pulverteilchen in das andere Ende des Laufs.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Hochspannungseinrichtung bis zu 60 kV bereitstellt.
Verfahren zum Ausbilden eines dauerhaften Harzüberzugs auf einem Substrat, wobei auf das Substrat elektrostatisch geladene, pulverisierte Harzteilchen aufgebracht werden, die mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4 hergestellt wurden, und wobei das Harz auf das Substrat aufgeschmolzen wird, bevor sich die Ladung. auf den Teilchen verflüchtigt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die pulverisierten Harzteilchen beim Ausstoßen einen spezifischen Widerstand von 10⁹ bis 10¹³ Ohmmeter bei einer relativen Feuchtigkeit von 20% aufweisen.