EP1002587B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von gehärteten Lackschichten - Google Patents

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EP1002587B1
EP1002587B1 EP99121912A EP99121912A EP1002587B1 EP 1002587 B1 EP1002587 B1 EP 1002587B1 EP 99121912 A EP99121912 A EP 99121912A EP 99121912 A EP99121912 A EP 99121912A EP 1002587 B1 EP1002587 B1 EP 1002587B1
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EP
European Patent Office
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formulation
reactive
coating formulation
crosslinking reaction
reaction
Prior art date
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EP99121912A
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English (en)
French (fr)
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EP1002587A3 (de
EP1002587A2 (de
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Wolfgang Dr. Schrof
Reinhold Dr. Schwalm
Erich Dr. Beck
Uwe Dr. Meisenburg
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Publication of EP1002587A3 publication Critical patent/EP1002587A3/de
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
    • B05D3/061—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation using U.V.

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for production of hardened, in particular of radiation-hardened lacquer layers on one Substrate surface.
  • Coating layers are nowadays u.a. with the help of the method of radiation hardening produced.
  • radiation curing a readily processable mixture of reactive feedstocks and additives by exposure in a three-dimensional, transferred mechanically stable polymer network.
  • This is the reactive paint formulation initially applied to the associated substrate and in a second Step by optical exposure, preferably with a UV-exposure, or by means of Electron beam curing crosslinked.
  • optically via photoinitiators started polymerizations of low-viscosity paint formulations reactive monomers, oligomers and prepolymers, for example the radical Acrylate polymerization or cationic vinyl ether or epoxy polymerization, or the optical crosslinking of linear polymers with reactive side chains.
  • a radiation-curable coating such as the UV coating or electron beam curing of complex shaped three-dimensional surfaces such as that of motor vehicles
  • the exposure must be uniform be done to avoid that at critical points such as edges or left on inner surfaces uncured areas. Residual uncured areas can sometimes lead to sticking, for the emission of low molecular weight Compounds, partially associated with an odor nuisance and / or a health hazard, as well as to deficient gloss and deficient Protective effect of the paint lead. This often makes a costly rework necessary, if not more so the high cost associated disposal more valuable Substrates.
  • For a uniform exposure of large-area substrates To be able to guarantee so far large-area radiators, especially UV lamps be used in combination with 3D robotics.
  • An object of the present invention is therefore an apparatus and a method to provide with their help easy and comparatively fast one uniform lacquer layer without occurrence of problems set out above can be.
  • initiating at least one crosslinking reaction is meant that the crosslinking reaction at this time is not yet running, in the at least a reactive paint formulation but a condition is created due after a certain period of time, the crosslinking reaction will take place.
  • the at least one crosslinking reaction is already before application the paint formulation is initiated on the associated substrate surface. This allows a homogeneous initiation of the crosslinking reaction and thus avoids a non-uniform cross-linking, for example of complex-shaped three-dimensional Substrates, which are often used in conventional painting processes a considerable effort must be made to actually each body of the to treat the varnishing surface equally, so as to obtain a uniform To obtain varnish layer.
  • step a) the crosslinking reaction in the at least one reactive paint formulation optically initiated. This is preferably done by UV exposure or electron irradiation of the at least one reactive paint formulation.
  • a crosslinking reaction must occur be optically activatable, so that from a low-viscosity paint formulation a highly viscous, mechanically stable lacquer layer can arise.
  • the at least one reactive coating formulation comprises at least one photoinitiator.
  • This at least one photoinitiator can interact with appropriately irradiated light in a manner to thereby enable it to initiate the crosslinking reaction in the at least one paint formulation.
  • these are the polymerizations of low-viscosity coating formulations of reactive monomers, oligomers and prepolymers, which have started optically via photoinitiators, or the optical crosslinking of linear polymers with reactive side chains.
  • the radical acrylate polymerization and the cationic vinyl ether or epoxy polymerization can be mentioned here.
  • the still low-viscosity paint formulation is now irradiated with light, preferably with UV light, before being applied to the relevant substrate surface.
  • a homogeneous flooding with UV light can be made by exposing from different sides or the supply line is designed as a UV light guide. It is also advantageous here that it is possible to work with these small dimensions or geometries not only with conventional UV radiators but also with UV lasers. The latter are preferably used because of their simple beam guidance and the possibility of optimally adapting the laser wavelength to the absorption of the photoinitiator system contained in the reactive coating formulation, as described, for example, in J.-P. Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, Kunststoff, 1995.
  • the corresponding kinetic adjustment of the crosslinking reaction prevents the exposed reactive coating formulation from crosslinking before the impact on the corresponding substrate surface and before its distribution, preferably homogeneous distribution, and thus becoming in a state that uniformly distributes the coating formulation on the substrate surface would make it much more difficult.
  • the time interval between the initiation of the crosslinking reaction and its actual use must be at least so great that the still low-viscosity reactive coating formulation can reach the substrate surface and run there to form a film of the desired homogeneity. Only then does the crosslinking reaction, whereby ultimately a cured lacquer layer is obtained. This has all the mechanical properties, such as scratch resistance and elasticity, as well as good chemical resistance, as they are known from the radiation-cured coating layers prepared by the previous methods.
  • the temperature of the reactive coating formulation is adjusted such that that the crosslinking reaction does not immediately after their initiation, but delayed.
  • the reactive coating formulation is prepared in the manner that the necessary application viscosity is maintained, such as by higher proportions of reactive diluents. The latter grant even when humiliated Temperatures a homogeneous distribution of the paint formulation on the corresponding substrate surface.
  • a heat treatment of the substrate up to 140 ° C, preferably to a temperature below 100 ° C. This will be the use and accelerates the course of the crosslinking reaction.
  • a sufficiently slow crosslinking reaction is used.
  • the reactive coating formulation is selected or synthesized in such a way that the crosslinking reaction to be initiated proceeds sufficiently slowly so that, after it has been initiated, sufficient time remains for the still low-viscosity coating formulation to reach the corresponding substrate surface and to form a homogeneous film run.
  • An example of such a type of reaction is the cationic polymerization. According to J.-P. Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, Kunststoff, 1995, p. 214, shows such a system with the use of the diglycidyl ether of bisphenol-A.
  • the crosslinking reaction by a spatial separation of Photoinitiators and the reactive, crosslinkable paint formulation ingredients, such as reactive monomers and prepolymers, delayed. there this is done via nanostructuring of the paint formulation.
  • these particles preferably have a diameter in the nm to ⁇ m range, particularly preferably in the range of 10 nm to 100 ⁇ m up.
  • the crosslinking reaction can be slowed down over time, the photoinitiators or their cleavage products to diffuse out of the Need particles.
  • the photoinitiators not just embedded in particles, but in latices or dendrimers fixed.
  • the delay time of the crosslinking reaction that is achieved thereby now corresponds to the time that the reactive constituents of the paint formulation, such as for example, reactive monomers or oligomers, for diffusing into the Need latices.
  • the crosslinking reaction can be slowed down over time which diffuse out the photoinitiators or their cleavage products from the particles.
  • the photoinitiators are embedded not only in particles but in latices or dendrimers fixed.
  • the delay time of the crosslinking reaction resulting is reached now corresponds to the time that the reactive constituents of the paint formulation, such as reactive monomers or oligomers, for diffusing into in the latices need.
  • the rheological properties during the application phase of the Paint formulation dynamically adjusted on the substrate surface. Thereby can Viscosity modifier (rheology additives) are replaced, which in turn is typical Lackierprobleme such as the drainage on vertical surfaces eliminated.
  • step a i. initiating the crosslinking reaction in at least a reactive paint formulation, and step b), namely the homogeneous application the at least one reactive paint formulation prior to the onset of the crosslinking reaction at least one location of the substrate surface, another step a '), namely admixture of at least one UV protection agent the at least one reactive paint formulation.
  • step a i. initiating the crosslinking reaction in at least a reactive paint formulation
  • step b namely the homogeneous application the at least one reactive paint formulation prior to the onset of the crosslinking reaction at least one location of the substrate surface
  • step a ' namely admixture of at least one UV protection agent the at least one reactive paint formulation.
  • a further step a ") is provided between step a) and step b), in which at least one pigment is admixed with the at least one reactive lacquer formulation, whereby the pigment, for example for basecoats, preferably shortly after in the at least one reactive coating formulation, for example by UV exposure of a photoinitiator-containing coating formulation, and shortly before application thereof in turbulent flow, the pigment being preferably dispersed in reactive diluents.
  • the pigment for example for basecoats, preferably shortly after in the at least one reactive coating formulation, for example by UV exposure of a photoinitiator-containing coating formulation, and shortly before application thereof in turbulent flow, the pigment being preferably dispersed in reactive diluents.
  • the inventive method is also for repair or used to repair paint coatings on a substrate surface.
  • the inventive method is used to apply the at least one reactive lacquer formulation prior to insertion the at least one crosslinking reaction at the at least one point of Substrate surface uses a hand spray gun.
  • a hand spray gun is used to apply the at least one reactive lacquer formulation prior to insertion the at least one crosslinking reaction at the at least one point of Substrate surface.
  • the use is a handgun very practical and anywhere on the spot possible.
  • the device is at least one light guide provided with the help of which generated in the at least one exposure unit Light in the at least one application unit with the reactive coating formulation is brought into contact.
  • This at least one, preferably several Light guides, preferably UV light guides are just before the nozzle of the application unit brought in.
  • the application unit is preferably a spray head or an ESTA bell.
  • the light guide is without big Expenditure a homogeneous exposure, especially UV exposure, the reactive Paint formulation reached briefly before leaving the application unit.
  • conventional application systems for example painting robots, and use these with a fiber-coupled exposure, preferably a fiber-coupled one Retrofit UV exposure.
  • FIG. 1 the structure of a suitable device is shown schematically.
  • a feed 5 is the at least one reactive lacquer formulation of a Supply container passed into the nozzle unit 6 provided with an application unit.
  • two light guides 3 and 4 preferably UV light guides appropriate.
  • the exposure unit 1 in which it is preferably is a UV imagesetter, particularly preferably a UV laser, is the Light through a arranged on the exposure unit closure 2, where the Light guide 3, 4 are attached, via these two light guides 3, 4 to the application unit directed, and immediately before the nozzle 6 of the application unit.
  • the optical waveguide 3, 4 shown here is a homogeneous UV exposure of the reactive coating formulation shortly before leaving the Application unit reached directly at the outlet opening of the nozzle 6.
  • the Crosslinking reaction in the reactive paint formulation is thus at this point initiated.
  • the crosslinking reaction is chosen in this way or by other methods kinetically controlled to be at that location, i. immediately before the exit opening the nozzle 6 is initiated, but not yet initiated or expires.
  • the Application unit is at a short distance to the respective, to be painted Substrate surface arranged.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von gehärteten, insbesondere von strahlungsgehärteten Lackschichten auf einer Substratoberfläche.
Lackschichten werden heutzutage u.a. mit Hilfe der Methode der Strahlungshärtung hergestellt. Bei der Strahlungshärtung wird ein leicht verarbeitbares Gemisch von reaktiven Einsatzstoffen und Additiven durch Belichtung in ein dreidimensionales, mechanisch stabiles Polymernetzwerk überführt. Dabei wird die reaktive Lackformulierung zunächst auf das zugehörige Substrat aufgebracht und in einem zweiten Schritt durch optische Belichtung, vorzugsweise mit einem UV-Belichter, oder mittels Elektronenstrahlhärtung vernetzt. Beispiele hierfür sind die optisch über Photoinitiatoren gestarteten Polymerisationen von niederviskosen Lackformulierungen reaktiver Monomere, Oligomere und Präpolymere, beispielsweise die radikalische Acrylatpolymerisation oder die kationische Vinylether- oder Epoxidpolymerisation, oder die optische Vernetzung linearer Polymere mit reaktiven Seitenketten. Ferner finden Polymerisate auf der Basis von (Meth)acrylaten, (Meth)acrylamiden, Maleinimid-Vinylether, Wasserstoffabstraktionssysteme, ungesättigte Polyester sowie säurehärtbare Harze Verwendung. Typische Anwendungen sind Beschichtungen von Papier, Skiern, Möbeln, Fußböden, Metallen, Kunststoffen, bzw. Klebstoffe.
Bei einer strahlungshärtbaren Lackierung wie beispielsweise der UV-Lackierung oder der Elektronenstrahlhärtung von komplex gestalteten dreidimensionalen Oberflächen wie beispielsweise der von Kraftfahrzeugen muß die Belichtung gleichmäßig erfolgen, um zu vermeiden, daß an kritischen Stellen wie beispielsweise an Kanten oder auf innenliegenden Flächen ungehärtete Bereiche zurückbleiben. Zurückbleibende ungehärtete Bereiche können mitunter zu Verklebungen, zur Emission niedermolekularer Verbindungen, teilweise verbunden mit einer Geruchsbelästigung und/oder einer Gesundheitsgefährdung, sowie zu mangelhaftem Glanz und mangelhafter Schutzwirkung des Lackes führen. Dies macht oftmals ein teueres Nacharbeiten erforderlich, wenn nicht gar die mit hohen Kosten verbundene Entsorgung wertvoller Substrate. Um eine gleichmäßige Belichtung von großflächigen Substraten gewährleisten zu können, müssen bislang großflächige Strahler, insbesondere UV-Strahler in Kombination mit 3D-Robotik eingesetzt werden. Dies erfordert hohe Investitionen in maßgeschneiderte Belichteranlagen mit entsprechend hohen Betriebskosten und langsamen Durchsatzzeiten und eventuell teurer thermischer Nachbehandlung, wie beispielsweise bei Dualcure-Formulierungen. Ein weiteres Problem herkömmlicher Lackierungsverfahren tritt bei der Verwendung pigmentierter oder mit Lichtschutzadditiven versehener Lackformulierungen auf. Letztere werden hauptsächlich bei Außenanwendungen eingesetzt. In beiden Fällen kann es hier zu Wechselwirkungen mit dem zur Belichtung eingestrahlten Licht kommen, so zum Beispiel zur Absorption oder zur Streuung von UV-Licht. Dies wiederum hat zur Folge, daß wegen des "Abschattungseffektes" des zur Aktivierung notwendigen Lichts eventuell eine nur unzureichende Aktivierung der Vernetzungsreaktion durch das Photoinitiatorsystem erfolgt. Es ist somit sehr schwierig, zu einer homogenen Durchhärtung, insbesondere in tieferen Lackschichten, zu gelangen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit deren Hilfe einfach und vergleichsweise schnell eine gleichmäßige Lackschicht ohne Auftreten oben dargelegter Probleme hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Lackschicht, vorzugsweise einer gehärteten Lackschicht an mindestens einer Stelle einer Substratoberfläche dar, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte in der folgenden Reihenfolge aufweist:
  • a) optisches Initiieren mindestens einer Vernetzungsreaktion in mindestens einer reaktiven Lackformulierung, die Photoinitiatoren und reaktive, zu vernetzende Lackformulierungsbestandteile enthält,
  • b) Aufbringen, vorzugsweise homogenes Aufbringen der mindestens einen, noch niedrigviskosen reaktiven Lackformulierung vor dem Entstehen einer hochviskosen Lackschicht an der mindestens einen Stelle der Substratoberfläche.
    • Dabei wird unter "Initiieren mindestens einer Vernetzungsreaktion" verstanden, daß die Vernetzungsreaktion zu diesem Zeitpunkt zwar noch nicht läuft, in der mindestens einen reaktiven Lackformulierung aber ein Zustand geschaffen wird, aufgrund dessen nach einer gewissen Zeitspanne die Vernetzungsreaktion ablaufen wird.
    Erfindungsgemäß wird die mindestens eine Vernetzungsreaktion bereits vor Aufbringung der Lackformulierung auf die zugehörige Substratoberfläche initiiert wird. Dies erlaubt eine homogene Initiierung der Vernetzungsreaktion und vermeidet so eine ungleichmäßige Vernetzung, so zum Beispiel von komplex geformten dreidimensionalen Substraten, bei denen oftmals bei herkömmlichen Lackierungsverfahren ein erheblicher Aufwand betrieben werden muß, um tatsächlich jede Stelle der zu lackierenden Oberfläche gleichermaßen zu behandeln, um so eine gleichmäßige Lackschicht zu erhalten.
    Erfindungsgemäß wird in Schritt a) die Vernetzungsreaktion in der mindestens einen reaktiven Lackformulierung optisch initiiert. Vorzugsweise erfolgt dies durch UV-Belichtung oder Elektronenbestrahlung der mindestens einen reaktiven Lackformulierung. In einer dabei verwendbaren reaktiven Lackformulierung muß eine Vernetzungsreaktion optisch aktivierbar sein, so daß aus einer niederviskosen Lackformulierung eine hochviskose, mechanisch stabile Lackschicht entstehen kann.
    Die mindestens eine reaktive Lackformulierung umfasst mindestens einen Photoinitiator. Dieser mindestens eine Photoinitiator kann mit entsprechend eingestrahltem Licht in einer Weise wechselwirken, daß er dadurch in die Lage versetzt wird, die Vernetzungsreaktion in der mindestens einen Lackformulierung einzuleiten. Beispiele hierfür sind die optisch über Photoinitiatoren gestarteten Polymerisationen von niederviskosen Lackformulierungen reaktiver Monomere, Oligomere und Präpolymere oder die optische Vernetzung linearer Polymere mit reaktiven Seitenketten. Hier können unter anderem die radikalische Acrylatpolymerisation und die kationische Vinylether- oder Epoxidpolymerisation genannt werden. Die noch niederviskose Lackformulierung wird nun vor Aufbringen auf die betreffende Substratoberfläche mit Licht bestrahlt, vorzugsweise mit UV-Licht. Dabei ist es verhältnismäßig einfach, eine homogene UV-Belichtung zu erreichen. So kann zum Beispiel an der Ausspritzdüse für die reaktive Lackformulierung oder in der entsprechenden Zuleitung eine homogene Durchflutung mit UV-Licht dadurch vorgenommen werden, daß von verschiedenen Seiten belichtet wird oder die Zuleitung als UV-Lichtleiter ausgelegt ist. Vorteilhaft ist es hier auch, daß bei diesen kleinen Abmessungen bzw. Geometrien nicht nur mit konventionellen UV-Strahlern, sondern auch mit UV-Lasern gearbeitet werden kann. Letztere werden bevorzugt eingesetzt aufgrund ihrer einfachen Strahlführung und der Möglichkeit der optimalen Anpassung der Laserwellenlänge an die Absorption des in der reaktiven Lackformulierung enthaltenen Photoinitiatorsystems, wie sie beispielsweise in J.-P. Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, München, 1995 beschrieben sind.
    Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Vorkehrungen getroffen, die es ermöglichen, die Vernetzungsreaktion in der reaktiven Lackformulierung, die initiiert, eingeleitet und letztlich ablaufen soll, kinetisch zu steuern; entscheidend ist hierfür die Induktionsperiode, wie in J.-P. Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, München, 1995, S. 165, Figur 5.1 beschrieben. Durch die entsprechende kinetische Einstellung der Vernetzungsreaktion wird verhindert, daß die belichtete reaktive Lackformulierung nicht schon vor dem Auftreffen auf der entsprechenden Substratoberfläche und vor ihrem dortigen Verteilen, vorzugsweise homogenen Verteilen vernetzt und somit in einen Zustand übergeht, der ein gleichmäßiges Verteilen der Lackformulierung auf der Substrat-oberfläche erheblich erschweren würde. Die Zeitspanne zwischen der Initiierung der Vernetzungsreaktion und ihrem tatsächlichen Einsatz muß mindestens so groß sein, daß die noch niederviskose reaktive Lackformulierung zur Substratoberfläche gelangen und dort zu einem Film der gewünschten Homogenität verlaufen kann. Erst anschließend setzt die Vernetzungsreaktion ein, wodurch letztlich eine gehärtete Lackschicht erhalten wird. Diese weist alle mechanischen Eigenschaften auf, wie beispielsweise Kratzfestigkeit und Elastizität, sowie eine gute Chemikalienbeständigkeit, wie sie von den nach den bisherigen Verfahren hergestellten strahlungsgehärteten Lackschichten bekannt sind. Neben der Steuerung der Kinetik der Vernetzungsreaktion wird vorzugsweise auch darauf geachtet, daß die Initiierung, beispielsweise die UV-Belichtung der Lackformulierung, unmittelbar, d.h. etwa Sekundenbruchteile vor der Aufbringung der Lackformulierung auf das Substrat vorgenommen wird. Die Lackformulierung wird also erst kurz vor oder nach dem Verlassen der Aufbringeinheit belichtet, und es wird des weiteren vorzugsweise auf einen kurzen Abstand der Aufbringeinheit zur Substratoberfläche geachtet.
    Vorzugsweise wird die Temperatur der reaktiven Lackformulierung derart eingestellt, daß die Vernetzungsreaktion auch nach ihrem Initiieren nicht sofort, sondern erst verzögert einsetzt. Dabei wird die reaktive Lackformulierung in der Weise präpariert, daß die notwendige Applikationsviskosität erhalten bleibt, so beispielsweise durch höhere Anteile an Reaktivverdünnern. Letztere gewähren auch noch bei erniedrigten Temperaturen ein homogenes Verteilen der Lackformulierung auf der entsprechenden Substratoberfläche. Vorzugsweise erfolgt nach der Aufbringung der kalten Lackformulierung auf das Substrat eine Temperung des Substrats auf bis zu 140 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur unter 100 °C. Dadurch wird der Einsatz und der Verlauf der Vernetzungsreaktion beschleunigt.
    Erfindungsgemäß wird eine ausreichend langsame Vernetzungsreaktion verwendet. Das bedeutet, daß man die reaktive Lackformulierung so wählt bzw. so synthetisiert, daß die darin auszulösende Vernetzungsreaktion genügend langsam abläuft, so daß nach ihrer Initiierung für die noch niederviskose Lackformulierung ausreichend Zeit bleibt, um zur entsprechenden Substratoberfläche zu gelangen und zu einem homogenen Film zu verlaufen. Ein Beispiel für einen solchen Reaktionstyp stellt die kationische Polymerisation dar. Nach J.-P. Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, München, 1995, S. 214, ist mit der Verwendung des Diglycidylethers von Bisphenol-A ein solches System gezeigt.
    Erfindungsgemäß wird die Vernetzungsreaktion durch eine räumliche Trennung von Photoinitiatoren und den reaktiven, zu vernetzenden Lackformulierungsbestandteilen, wie beispielsweise reaktiven Monomeren und Präpolymeren, verzögert. Dabei wird dies über Nanostrukturierung der Lackformulierung vorgenommen. Vorzugsweise werden beispielsweise die in der Lackformulierung enthaltenen Photoinitiatoren in Partikel eingebettet. Diese Partikel weisen hierbei vorzugsweise einen Durchmesser im nm- bis µm- Bereich, besonders bevorzugt im Bereich von 10nm bis 100µm auf. Somit kann die Vernetzungsreaktion um die Zeit verlangsamt werden, die die Photoinitiatoren bzw. ihre Spaltprodukte zum Herausdiffundieren aus den Partikeln benötigen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die Photoinitiatoren nicht nur in Partikeln eingebettet, sondern in Latices oder Dendrimeren fixiert. Die Verzögerungszeit der Vernetzungsreaktion, die dadurch erreicht wird, entspricht nun der Zeit, die die reaktiven Bestandteile der Lackformulierung, wie beispielsweise reaktive Monomere oder Oligomere, zum Hineindiffundieren in die Latices benötigen.
    tenen Photoinitiatoren in Partikel eingebettet. Diese Partikel weisen hierbei vorzugsweise einen Durchmesser im nm- bis µm- Bereich, besonders bevorzugt im Bereich von 10nm bis 100µm auf. Somit kann die Vernetzungsreaktion um die Zeit verlangsamt werden, die die Photoinitiatoren bzw. ihre Spaltprodukte zum Herausdiffundieren aus den Partikeln benötigen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die Photoinitiatoren nicht nur in Partikeln eingebettet, sondern in Latices oder Dendrimeren fixiert. Die Verzögerungszeit der Vernetzungsreaktion, die dadurch erreicht wird, entspricht nun der Zeit, die die reaktiven Bestandteile der Lackformulierung, wie beispielsweise reaktive Monomere oder Oligomere, zum Hineindiffundieren in die Latices benötigen. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die kinetische Steuerung der Vernetzungsreaktion, d.h. durch gezielte Reaktionsführung, die rheologischen Eigenschaften während der Applikationsphase der Lackformulierung auf der Substratoberfläche dynamisch eingestellt. Dadurch können Viskositätsmodifier (Rheologieadditive) ersetzt werden, was wiederum typische Lackierprobleme wie beispielsweise die Ablaufneigung an senkrechten Flächen beseitigt.
    In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen Schritt a), d.h. dem Initiieren der Vernetzungsreaktion in mindestens einer reaktiven Lackformulierung, und Schritt b), nämlich dem homogenen Aufbringen der mindestens einen reaktiven Lackformulierung vor Einsetzen der Vernetzungsreaktion an mindestens einer Stelle der Substratoberfläche, ein weiterer Schritt a') eingeführt, nämlich ein Zumischen von mindestens einem UV-Schutzmittel zu der mindestens einen reaktiven Lackformulierung. Dabei werden die UV-Schutzmittel vorzugsweise in Reaktivverdünnern gelöst und kurz nach der UV-Belichtung der photoinitiatorhaltigen reaktiven Lackformulierung und kurz vor deren Aufbringen auf der Substratoberfläche in vorzugsweise turbulenter Strömung homogen zugemischt. Durch diese Art der Beimischung der UV-Schutzmittel entstehen keine Beeinträchtigungen der Homogenität der UV-Belichtung, d.h. die UV-Strahlungshärtung der Lackformulierung wird nicht beeinträchtigt, während gleichzeitig aber durch Zusatz der UV-Schutzmittel eine UV-Langzeitstabilisierung gewährleistet wird.
    Vorzugsweise ist in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen Schritt a) und Schritt b) ein weiterer Schritt a") vorgesehen, in dem mindestens ein Pigment der mindestens einen reaktiven Lackformulierung zugemischt wird. Hierbei wird das Pigment, beispielsweise für Basecoats, vorzugsweise kurz nach dem Initiieren der Vernetzungsreaktion in der mindestens einen reaktiven Lackformulierung, beispielsweise durch UV-Belichtung einer photoinitiatorhaltigen Lackformulierung, und kurz vor Aufbringung derselben in turbulenter Strömung zugemischt. Das Pigment ist dabei vorzugsweise in Reaktivverdünnern dispergiert. Als Pigmente lassen sich hier beispielsweise die in J.-P. Fouassier, Photoi tiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, München, 1995, S. 285 bis 297 beschriebenen verwenden; durch die nachträgliche Zumischung sind jedoch auch alle anderen konventionellen, mit der Strahlunghärtung nicht kompatiblen, weil absorbierend und damit nicht durchhärtbaren Pigmente, wie sie z.B. im Automobilbereich verwendet werden, denkbar. Durch diese Art der Beimischung eines Pigments wird insbesondere im Falle der Strahlungshärtung, d.h. der Initiierung der Vernetzungsreaktion durch Belichtung, insbesondere durch UV-Belichtung, diese in ihrer Homogenität nicht beeinträchtigt.
    Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Ausbesserung bzw. zur Reparatur von Lackschichten auf einer Substratoberfläche verwendet. Hierbei wird zum Aufbringen der mindestens einen reaktiven Lackformulierung vor Einsetzen der mindestens einen Vernetzungsreaktion an der mindestens einen Stelle der Substratoberfläche eine Handspritzpistole verwendet. Dabei ist die nötige lokale Aufbringung der Lackformulierung auf der Substratoberfläche, nämlich genau an der defekten bzw. auszubessernden Stelle gewährleistet. Darüber hinaus ist die Verwendung einer Handspritzpistole sehr praktisch und überall unmittelbar vor Ort möglich.
    Eine geeignete Vorrichtung zur Herstellung einer gehärteten Lackschicht an mindestens einer Stelle einer Substratoberfläche, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weist folgende Elemente auf:
  • a) mindestens einen Vorratsbehälter für mindestens eine reaktive Lackformulierung,
  • b) mindestens eine Belichtungseinheit, bevorzugt eine UV-Belichtungseinheit, weiter bevorzugt einen UV-Laser, und
  • c) mindestens eine Applikationseinheit mit einer Düse, insbesondere ein Sprühkopf und/oder
  • d) eine Glocke für eine elektrostatische Applikation (ESTA-Glocke), wobei die mindestens eine Belichtungseinheit so ausgebildet ist, daß die in der mindestens einen Belichtungseinheit generierte Strahlung in der mindestens einen Applikationseinheit mit der reaktiven Lackformulierung in Kontakt gebracht wird.
    • In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist mindestens ein Lichtleiter vorgesehen, mit dessen Hilfe das in der mindestens einen Belichtungseinheit generierte Licht in der mindestens einen Applikationseinheit mit der reaktiven Lackformulierung in Kontakt gebracht wird. Dieser mindestens eine, vorzugweise mehrere Lichtleiter, vorzugsweise UV-Lichtleiter werden kurz vor der Düse der Applikationseinheit eingebracht. Bei der Applikationseinheit handelt es sich vorzugsweise um einen Sprühkopf oder um eine ESTA-Glocke. Mittels der Lichtleiter wird ohne großen Aufwand eine homogene Belichtung, insbesondere UV-Belichtung, der reaktiven Lackformulierung kurzzeitig vor Verlassen der Applikationseinheit erreicht. Man kann hierbei konventionelle Aufbringanlagen, beispielsweise Lackierroboter, verwenden und diese mit einer fasergekoppelten Belichtung, vorzugsweise einer fasergekoppelten UV-Belichtung nachrüsten. Dadurch werden erhebliche Investitionskosten und Betriebskosten eingespart, da teure Einbrennöfen und Flächenbelichter entfallen. Auch aus ökologischer Sicht ist dieser minimale Energieaufwand als erheblicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik zu sehen. Alle weiteren positiven Eigenschaften der Strahlungslackierung, wie beispielsweise Lösungsmittelfreiheit und Fehlen von Monomeremission, bleiben erhalten. Des weiteren steigt auch der Durchsatz, da der geschwindigkeitsbestimmende Schritt unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Applikation der reaktiven Lackformulierung, wie beispielsweise das Aufsprühen der reaktiven Lackformulierung auf die Substrat-oberfläche, und nicht mehr zusätzlich, wie bisher, die zum Teil langwierige Belichtung ist. Außerdem beträgt der Platzbedarf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Bruchteil des Platzbedarfs einer bisher verwendeten Anlage. Damit ist man bei einem beliebigen Lackiervorgang wesentlich flexibler in der Handhabung. So ist es beispielsweise in der Autoindustrie von großem Vorteil, den Lackiervorgang auch auf engerem Raum durchführen zu können.
    Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit der entsprechenden Figur. Es zeigt:
    Fig. 1
    Schematischer Aufbau einer geeigneten Vorrichtung zur Herstellung mindestens einer gehärteten Lackschicht an mindestens einer Stelle einer Substratoberfläche.
    In Figur 1 ist schematisch der Aufbau einer geeigneten Vorrichtung gezeigt. Über eine Zuführung 5 wird die mindestens eine reaktive Lackformulierung aus einem Vorratsbehälter in die mit einer Düse 6 versehene Applikationseinheit geleitet. Unmittelbar vor dem Düsenausgang sind zwei Lichtleiter 3 und 4, vorzugsweise UV-Lichtleiter angebracht. Von der Belichtungseinheit 1, bei der es sich vorzugsweise um einen UV-Belichter, besonders bevorzugt um einen UV-Laser, handelt, wird das Licht durch einen an der Belichtungseinheit angeordneten Verschluß 2, an dem die Lichtleiter 3, 4 angebracht sind, über diese beiden Lichtleiter 3, 4 zur Applikationseinheit geleitet, und zwar unmittelbar vor die Düse 6 der Applikationseinheit. Durch diese hier dargestellte erfindungsgemäße Anordnung der Lichtleiter 3, 4 wird eine homogene UV-Belichtung der reaktiven Lackformulierung kurz vor Verlassen der Applikationseinheit unmittelbar an der Ausgangsöffnung der Düse 6 erreicht. Die Vernetzungsreaktion in der reaktiven Lackformulierung wird somit an dieser Stelle initiiert. Die Vernetzungsreaktion wird dabei so gewählt oder mit Hilfe anderer Methoden kinetisch so gesteuert, daß sie an dieser Stelle, d.h. unmittelbar vor der Ausgangsöffnung der Düse 6 initiiert, aber noch nicht eingeleitet wird oder abläuft. Die Applikationseinheit wird in einem kurzen Abstand zur betreffenden, zu lackierenden Substratoberfläche angeordnet. Somit soll sichergestellt werden, daß die Zeitspanne zwischen UV-Belichtung der reaktiven Lackformulierung kurz vor der Ausgangsöffnung der Düse 6 und dem Auftreffen der reaktiven Lackformulierung auf der Substratoberfläche ausreichend groß ist, so daß die noch nicht vernetzte Lackformulierung noch ausreichend Zeit hat zu einer homogenen Schicht auf der Substratoberfläche zu verlaufen. Erst anschließend wird durch die einsetzende Vernetzungsreaktion eine gehärtete Lackschicht erhalten, die alle Eigenschaften, wie zum Beispiel Kratzfestigkeit und Elastizität, sowie eine gute Chemikalienbeständigkeit besitzt, wie sie von strahlungsgehärteten Lackschichten bekannt sind.

    Claims (6)

    1. Verfahren zur Herstellung mindestens einer Lackschicht an mindestens einer Stelle einer Substratoberfläche, das mindestens die folgenden Schritte in der folgenden Reihenfolge aufweist:
      a) optisches Initiieren mindestens einer Vernetzungsreaktion in mindestens einer niederviskosen reaktiven Lackformulierungdie Photoinitiatoren und reaktive, zu vernetzende Lackformulierungsbestandteile enthält,
      b) Aufbringen der mindestens einen noch niederviskosen reaktiven Lackformulierung vor dem Entstehen einer hochviskosen Lackschicht an der mindestens einen Stelle der Substratoberfläche,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzungsreaktion durch eine räumliche Trennung von Photoinitiatoren und den reaktiven, zu vernetzenden Lackformulierungsbestandteilen verzögert wird, wobei die räumliche Trennung durch Nanostrukturierung der Lackformulierung erreicht wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Vernetzungsreaktion der mindestens einen reaktiven Lackformulierung durch UV-Belichtung initiiert wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanostrukturierung der Lackformulierung durch Einbetten der Photoinitiatoren in Partikel mit einem Durchmesser von 10 nm bis 100 µm bewirkt wird.
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nach Schritt a) und vor Schritt b) mindestens den folgenden weiteren Schritt aufweist:
      a') Zumischen von mindestens einem UV-Schutzmittel zu der mindestens einen reaktiven Lackformulierung.
    5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nach Schritt a) und vor Schritt b) mindestens den folgenden weiteren Schritt aufweist:
      a") Zumischen von mindestens einem Pigment zu der mindestens einen reaktiven Lackformulierung.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) das Aufbringen der mindestens einen reaktiven Lackformulierung vor Einsetzen der mindestens einen Vernetzungsreaktion an der mindestens einen Stelle der Substratoberfläche mit Hilfe einer Handspritzpistole erfolgt.
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