EP1366331B1 - Verfahren zum erzeugen einer beschichtung auf einem quasi-endlos geförderten materialband - Google Patents

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EP1366331B1
EP1366331B1 EP02702389A EP02702389A EP1366331B1 EP 1366331 B1 EP1366331 B1 EP 1366331B1 EP 02702389 A EP02702389 A EP 02702389A EP 02702389 A EP02702389 A EP 02702389A EP 1366331 B1 EP1366331 B1 EP 1366331B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
coating agent
material band
electromagnetic radiation
radiation
Prior art date
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EP02702389A
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English (en)
French (fr)
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EP1366331B2 (de
EP1366331A1 (de
Inventor
Rainer Gaus
Kai K. O. BÄR
Rolf Wirth
Klaus Gabel
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Adphos Innovative Technologies GmbH
Original Assignee
Adphos Advanced Photonics Technologies AG
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Publication date
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Application filed by Adphos Advanced Photonics Technologies AG filed Critical Adphos Advanced Photonics Technologies AG
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Publication of EP1366331B2 publication Critical patent/EP1366331B2/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/28—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun
    • F26B3/30—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun from infrared-emitting elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/28—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a coating by means of electromagnetic radiation on a moving in the conveying direction quasi-endlessly funded, in particular band-shaped, flexible material band.
  • Coatings of surfaces not only play a role in the aesthetic effect, but also serve, for example, to protect a certain object against external influences, such as e.g. against light radiation, water, heat and mechanical effects to make them more resistant.
  • the coating can impart physical properties which the body to be coated as such does not possess, e.g. electrical conductivity or magnetizability.
  • quasi-endless conveyed flexible material belts such as e.g. of metal strips, plastic films, composite material systems and laminates, which are conveyed by rollers or stacks, for example.
  • Quasi-endless coated metal sheets are being processed in huge quantities in the automotive industry and also for the production of household appliances (the so-called white goods) and also for the manufacture of aircraft and watercraft and of cladding for the construction industry.
  • the steel sheets are primarily bare, galvanized or nickel-plated (steel) sheets with thicknesses in the range of a few tenths of a millimeter and over one millimeter.
  • Such sheets are Rolls, so-called “coils” wound before they are continuously fed to a specific forming or stamping process.
  • the sheets already receive a corrosion protection coating and / or a primer or a primer coat on the "coil".
  • the coating of these metal strips is carried out prior to the process step of bending, embossing, etc., in which the sheet is finally brought into the desired shape for rationalization reasons.
  • at least one coating agent is usually rolled on a first station of this system or applied to the metal strip by another technique.
  • Such coating compositions are usually applied in the liquid state, but sometimes also as a powder coating.
  • the metal strip Since the coating material must be completely dried or crosslinked before the subsequent process steps, the metal strip is subsequently fed to a furnace, which often operates on the principle of circulating air drying. In this furnace, the coating agent is heated together with the entire metal sheet of the metal strip, so that the coating agent dries and / or crosslinked. Due to the strong heating of the metal strip cooling of the metal strip is necessary following the drying process. Since the metal strip is subjected to bending, embossing and welding processes frequently after the coating process, the quality of the dried or crosslinked coating composition is particularly stringent. So this may not peel off when bending or embossing. Furthermore, the coated metal strip must remain weldable.
  • the heat energy necessary for drying or crosslinking of the coating agent is transmitted inductively, ie, transmitted to the metal strip by electromagnetic coupling. That so heated metal strip releases the thermal energy by heat conduction to the coating agent, whereby it is dried or crosslinked.
  • the entire metal strip must be heated from the ambient temperature outside the plant at least to the temperature required for drying or crosslinking of the coating composition.
  • an inductive heat transfer system with thin metal strip thicknesses and / or large coating thicknesses (i.e., depending on their specific heat capacity), it is necessary to heat the metal strip even above the temperature required for drying or crosslinking. That is, for a coating agent requiring a temperature of 180 ° C for cross-linking, the metal tape must be inductively heated to about 250 ° C to produce a sufficient temperature gradient between metal tape and coating agent such that the coating agent will be in an acceptable time can be dried or crosslinked.
  • the metal strip unwinding from a roll is guided through the individual stations of this plant, for example at a conveying speed of 120 m / min. Due to such high conveying speeds and the resulting shorter interaction time during drying or cooling of the metal strip, the individual stations, i. the drying oven and the cooling station, considerable length expansions, which can be up to 100 m.
  • thin-film structures on large-area, thin quasi-endless conveyed material bands or carriers are becoming increasingly important in various fields of technology.
  • thin-film transistor structures as used in particular in liquid crystal display devices, and other thin-film systems for display units, such as plasma displays.
  • Other technically and economically important thin-film structures are the separator structures of electrochemical elements, in particular primary or secondary elements based on lithium (lithium batteries and lithium-ion batteries, etc.) and highly differentiated membrane systems for the separation of substances and energy, for example in fuel cells.
  • This object is achieved according to the invention by a method for producing a coating according to the features in the characterizing part of claim 1 and by a device according to the features in the characterizing part of claim 15.
  • the present invention relates to a method for producing a coating of quasi-endless, conveyed and in the conveying direction moving Materialbändem which are provided with a coating agent which is at least partially dried and / or crosslinked at least partially by means of electromagnetic radiation, wherein the substantial active component of electromagnetic radiation in the wavelength range of the near infrared.
  • the present invention relates to a method for producing a coating or a thin layer structure from a band-shaped, flexible, in particular quasi-endless, carrier having at least one functional coating bonded to the carrier, which has a thickness which is in particular of the order of thickness of the carrier comprising the steps of forming a starting layer structure by coating a coating agent on the carrier and irradiating the carrier provided with the coating agent with electromagnetic radiation having a near-infrared active power to form the functional coating of the Coating agent while being combined with the support, including drying and / or thermal crosslinking.
  • An important application of the proposed method is in particular the drying and / or crosslinking of a corrosion inhibitor or primer or a primer for a subsequent coating, especially on the surface of a bare, galvanized or nickel-plated steel sheet, especially for the automotive or household appliance production (coil coating).
  • the coating agent in the initial state is a powder or liquid paint layer, which is dried or crosslinked for intermediate or final coating.
  • the inventive method is characterized by potentially high productivity, simplicity and reliability with substantial exclusion of damage to the coating (s) and / or the carrier.
  • the coating on a strip of material with particularly short irradiation times, preferably in less than 30s, preferably less than 10s, more preferably less than 5s, especially 2s and therefore, compared with a conventional coating or coil -Coating process, especially fast to produce. Due to the short treatment or irradiation time, the material band is thermally stressed little. This makes it possible to coat thermally sensitive materials such as thermoplastics with coating agents that require temperatures for crosslinking, which are higher than the damage temperature of the material band. Thus, it becomes particularly possible with the method according to the invention to coat material strips whose coating was previously impossible or only with great technical difficulties because of their thermal sensitivity.
  • changes in the material structure and / or changes in material properties can be avoided by applying the method according to the invention, which was often not possible in conventional methods, or only with considerable extension of the time required to carry out the method.
  • strips of material may be coated whose microscopic structure changes with high heat input (which may reduce their mechanical strength properties or cause microstructural changes in the material), e.g. Aluminum or alloys, or strips of material whose materials segregate, e.g. Composites.
  • the short irradiation times mean that in many cases a higher quality of the coating can be achieved. Also, the energy and cost required to produce a coating can be significantly reduced.
  • the intensity maximum or the spectral composition of the electromagnetic radiation is adapted to the absorption and transmission properties of the coating composition and optionally the material band according to a preferred embodiment.
  • the wavelength of the maximum intensity and / or the spectral composition of the electromagnetic radiation is selected so that the coating agent the radiation energy absorbed substantially uniformly over its layer thickness, whereby an impermissible thermal stress on the carrier as well as individual areas of the coating is avoided. It can thereby be achieved that the coating agent is uniformly and at least partially heated and / or crosslinked directly by the radiation within the shortest possible time.
  • the spectral composition of the electromagnetic radiation is adjusted by at least one filter.
  • the intensity maximum of the electromagnetic radiation can preferably be adjusted so that relatively little radiation is absorbed in the band of material in order to avoid useless heating thereof.
  • an energy transfer by heat conduction which takes place slowly in comparison to energy transfer by radiation, can be greatly reduced to the material band in contact with the coating agent.
  • a clear temperature gradient in the material band and thus an energy separation between the material strip and the coating composition to be dried or crosslinked are achieved. It can be achieved in comparison to conventional methods significantly higher efficiency and the amount of energy required to carry out the process according to the invention can be significantly reduced compared to conventional methods, depending on the material properties, such as the specific heat capacity, the thickness of the material strip or the coating agent because comparatively little heat energy is transferred to the material band. This effect plays an important role especially for materials with a particularly high heat capacity, such as sheet steel, since these materials consume a large amount of energy absorb.
  • the heating of the sheet of 250 ° C as is the case for example in a conventional inductive method, be reduced to 200 ° C. Accordingly, this means a reduction of the energy required for drying or crosslinking of the coating agent by one fifth. For thicker materials, larger temperature differences, ie energy savings, are possible.
  • the costs of the device or system required for this purpose are significantly reduced, since due to the significantly shorter compared to conventional drying or curing times and the necessary for drying or curing distance at constant delivery speed is significantly reduced. In particular, infrastructure savings are particularly noticeable.
  • reflections at the interface between the coating agent and the strip of material can bring about a renewed irradiation of the coating agent and thus the efficiency of the energy transfer to it can be increased.
  • the surface of the material strip is preferably treated for the purpose of a specific adjustment of its reflectivity before the actual application of the coating agent. This is done for example by smoothing, polishing or roughening the surface.
  • the intensity maximum of the electromagnetic radiation is adapted to the absorption and / or transmission properties of the material strip such that the electromagnetic radiation at least partially penetrates the material band.
  • This is particularly useful when applied on both sides of the material tape coating agent.
  • certain coating compositions / material band combinations may also be used the drying or crosslinking are carried out in such a way that the electromagnetic radiation used for drying or crosslinking also penetrates the material band in addition to the coating agent which is applied to the material band side facing the radiation source. In this case, preferably substantially no radiation energy is absorbed in the material band.
  • the application of electromagnetic radiation takes place in this case only from one side of the material band.
  • the coating agent applied to the material band on both sides is dried or crosslinked substantially simultaneously on both sides of the material band.
  • the method according to the invention can be carried out such that the coating material applied on both sides is dried or crosslinked substantially simultaneously with a radiation source which has only one side of the material band and which has at least one emitter.
  • the method according to the invention in an application in which the coating agent is applied on one side, but on the side facing away from the radiation source.
  • the electromagnetic radiation preferably penetrates the material band, substantially without being absorbed by it, and then drying or crosslinking the coating agent.
  • the radiation source can be protected from the volatile material and flammable components leaving it by the material band and / or one or more further processing steps can be carried out simultaneously with the irradiation process on the side of the material band on which the coating composition is applied the coating agent and / or the material band are performed without hindering the irradiation process.
  • the drying or crosslinking processes of the coating agent are essentially thermally conditioned. This means that when drying a water or solvent coating agent the solvent with the electromagnetic radiation from the wavelength range of the near infrared energy is transferred to separate the solvent from the coating agent.
  • energy is transferred to the coating agent, which in the form of heat energy is used to effect the formation of polymer chains.
  • a certain temperature of the coating agent is required for this, so that the crosslinking process takes place.
  • the drying or crosslinking of the coating agent can be either completely or only partially by the electromagnetic radiation whose essential active component is in the wavelength range of the near infrared. However, it is also possible to dry or crosslink the coating composition at several time intervals or staggered intervals. Also, the drying or crosslinking can be supported at the same time or offset in time with the above-mentioned irradiation by at least one additional radiation source, in particular with an active component in another wavelength range, and / or by at least one other energy or heat source. In order to achieve particularly short drying times or particularly short irradiation periods, electromagnetic radiation with a high power density is preferably used.
  • Typical power densities characteristic of the method according to the invention are in particular above 100 kW / m 2 , preferably above 200 kW / m 2 and particularly preferably above 500 kW / m 2 .
  • Such high power densities can be accomplished for example by the arrangement of a plurality of cooperating, in particular parallel to each other, over the entire width of the moving material band extending radiators with correspondingly assigned highly effective reflectors.
  • a further adjustment of the power density can be achieved by focusing the electromagnetic radiation on the surface of the material band provided with the coating agent according to the present invention.
  • the adjustment of the power density can also be done via the operating voltage; Furthermore, filters can be used.
  • a power control on the basis of feedback sensor signals (for example of temperature sensors) is provided.
  • irradiation is effected with electromagnetic radiation whose intensity maximum lies in the wavelength range from 0.8 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • electromagnetic radiation whose intensity maximum lies in the wavelength range from 0.8 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • Such a wavelength range of the electromagnetic radiation has proved to be particularly effective for a highly effective polymer formation or polymer crosslinking of the coating compositions used for coating material strips.
  • the invention When using wavelengths that take into account the specific absorption and / or transmission or reflection properties of the material strip and / or the coating agent, and / or when using the for the specific material band and / or coating means to be determined optimal power densities, the invention preferably allows the above short irradiation periods in a preferred embodiment.
  • pre-treatment of the material band is often provided before application.
  • a heating of the material strip is necessary.
  • Steel sheet must in this case usually be heated to temperatures of 900 ° C to 1100 ° C to achieve a structural change, which is usually carried out under an inert atmosphere or hydrogen atmosphere.
  • methods using convection or induction heating have been used. The methods using convection heating take a long time to heat the steel strip to the high temperature. In induction heating, the efficiency and the homogeneous heating is problematic.
  • this preheating is likewise effected by means of electromagnetic radiation whose essential active component is in the wavelength range of the near infrared. This makes it possible to heat the steel strip much faster than conventional methods based on slow heat conduction.
  • the electromagnetic radiation used for this purpose preferably also has its essential active component in the wavelength range from 0.8 ⁇ m to 2.0 ⁇ m.
  • the wavelength is adapted so that a large part of the electromagnetic radiation is absorbed by the material band.
  • the temperature is suitable for this purpose the surface of the material strip, which is variable on the one hand via a corresponding change in the electrical power and thus the radiant power of the emitter and on the other hand via a variation of the distance between the emitters and the surface of the material strip.
  • An apparatus for realizing an optionally automatic adjustment of irradiation parameters comprises at least one sensor for detecting the relevant physical quantities, ie in particular one or more photoelectric sensors for detecting the brightness, the reflectivity or the refractive index or other optical parameters, the information about the drying or crosslinking state of the coating agent, or a non-contact, in particular pyrometric temperature sensor.
  • the sensor or the sensors are connected via an evaluation circuit to a control input or control inputs of a radiation control device.
  • the irradiation parameters to be set in the further course of the process in particular the power density and optionally the spectral composition of the radiation, can be optimized.
  • an automatically controlled real-time operational management can also be realized.
  • cooling and / or removal of these volatile constituents is also effected by a gas stream, in particular air flow, guided along the latter, preferably transversely to the conveying direction. meaningful.
  • a dry, cold gas is supplied with a high pulse.
  • the endlessly conveyed material strip is a metal strip, in particular a steel strip.
  • the endlessly conveyed material strip can also be metal foils or fine metal mesh, especially of aluminum or copper or their alloys or of an aluminum or copper-containing alloy, plastic foils, especially polyethylene (PE), polypropylene (PP) or PVC films to glass layers or plates to composite material systems, such as Wood veneers to form laminates, e.g. Capacitors or displays, or to act thermoplastics or thermosets.
  • Further preferred fields of application are films for packaging, e.g. Blister foils or adhesive films.
  • both the coating agent and the material band or carrier have an average thickness in the range between 5 ⁇ m and 500 ⁇ m, in particular between 20 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the coating agent and the solid thin layer formed therefrom have a thickness in the range between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, in particular between 2 ⁇ m and 20 ⁇ m.
  • the application of the coating agent to the material to be coated strip of material is carried out depending on the nature, in particular the surface and / or the material composition of the material band.
  • the coating agent is applied as a fluid or paströses system, which can be accomplished with known per se application method, in particular by rolling, brushing, spraying, pouring, spin-coating, trickling, inflation or doctoring.
  • the coating composition is applied in accordance with a further preferred embodiment in the form of a powder, in particular by utilizing electrostatic forces, in particular puffed or inflated.
  • it can also be sputtered onto the material tape.
  • a pretreatment in particular by roughening, etching or by applying a primer may be appropriate. Among other things, this pretreatment serves to improve the adhesion between the coating agent and the material band moving in the conveying direction.
  • Particularly suitable coating agents are: paints, in particular powder coatings, one-component or two-component wet paints, both water-based and on the basis of organic solvents, coatings for corrosion protection, coatings for pretreatment and for the functionalization of metal surfaces, conductive pastes and photoresist.
  • the paints are substances that are at least partially dryable with radiation and / or crosslinkable.
  • Varnishing agents are typically systems containing at least one additive, preferably an additive and a binder, as discussed in detail below. Irradiation curing often occurs in many coating agents by polymerization of the binder contained in the paint.
  • wet paints or powder coatings can be used.
  • wet paints are u.a. Water-based paints and solvent-based coatings.
  • Wet paints can be one-component paints, e.g. UV paints, and two-component paints, which can be used on water-based or even on the basis of organic solvents. In multilayer structures, combinations of these are also conceivable.
  • weldable coating systems are also of interest for the coil coating processes mentioned above.
  • solvent-based paints are subdivided into conventional, solvent-based paints, low-solvent and solvent-free paints.
  • the solids content of solvent-poor paints is greater than 70% by mass; At a solids content of less than 70% by mass, this is referred to as solvent-based paints.
  • solvent-based paints For solids-rich coatings such as spray paints, the term high solids is used.
  • Low-solvent and solvent-free coatings are subdivided into one- and two-component systems according to the type of curing reaction.
  • the polymerization and thus the crosslinking commence after the addition of initiators and accelerators or through the action of UV or electron beams.
  • one-component paints for example, vinyl chloride polymers or copolymers and unsaturated polyester resins, such as low molecular weight hydroxyl-carrying acrylate, alkyd and polyester resins are used.
  • Two-component coatings cure by an addition reaction in which unlike the one-component paints no polluting cleavage products are released.
  • the binders are usually epoxy resins in combination with curing agents or polyisocyanates in combination with hydroxyl-bearing resins.
  • Powder coatings are thermoplastic or thermosetting plastics which are applied in powder form to substrates.
  • Application methods such as electrostatic powder spraying, electrostatic vortex sintering, bulk sintering, vortex sintering, rotational sintering or centrifugal casting used.
  • Powder coatings used are, for example, epoxy resin powders, saturated polyester resin powders, polyacrylate powders, polyethylene powders, polyvinyl chloride powders, polyamide powders, cellulose acetobutyrate powders, chlorinated polyethers, ethylene-vinyl acetate copolymer powders or polymethacrylic acid methyl ester powders.
  • UV lacquers require a so-called UV initiator, which is an expensive component of the lacquer, but is necessary for crosslinking.
  • UV initiators can be dispensed with in many cases, yet such UV lacquers can be dried by means of the method according to the invention.
  • binders which can be crosslinked by radiation-induced processes all customary radiation-curable binders or mixtures thereof which are known to the person skilled in the art can be used in the process according to the invention. They are either binders crosslinkable by free-radical polymerization or crosslinkable by cationic polymerization. In the former caused by the action of electromagnetic radiation on the binder radicals, the then trigger the crosslinking reaction. In the cationic curing systems, the irradiation of initiators forms Lewis acids, which then trigger the crosslinking reaction.
  • additives such as polymers, in particular crosslinkers, catalysts for crosslinking, initiators, especially pigments, dyes, fillers, reinforcing fillers, rheology aids, wetting and dispersing agents, adhesion promoters, additives for improving substrate wetting, additives for improving surface smoothness , Matting agents, flow control agents, film-forming adjuvants, driers, skin preventatives, light stabilizers, corrosion inhibitors, biocides, flameproofing agents, polymerization inhibitors, in particular photoinhibitors or plasticizers, as are customary and known, for example, in the coatings sector.
  • additives such as polymers, in particular crosslinkers, catalysts for crosslinking, initiators, especially pigments, dyes, fillers, reinforcing fillers, rheology aids, wetting and dispersing agents, adhesion promoters, additives for improving substrate wetting, additives for improving surface smoothness , Matting agents, flow control agents, film-forming adjuvants,
  • the coating compositions may further contain ceramic colors such as titanium dioxide, carbon black or colored pigments such as lead chromate, red lead, zinc yellow, zinc green, cadmium red, cobalt blue, berlin blue, ultramarine, manganese violet, cadmium yellow, molybdate orange and red, chrome orange and red, iron oxide red, chrome dioxide green and strontium yellow.
  • ceramic colors such as titanium dioxide, carbon black or colored pigments such as lead chromate, red lead, zinc yellow, zinc green, cadmium red, cobalt blue, berlin blue, ultramarine, manganese violet, cadmium yellow, molybdate orange and red, chrome orange and red, iron oxide red, chrome dioxide green and strontium yellow.
  • organic colors for example naturally occurring pigments such as sepia, indigo, chlorophyll, or in particular synthetic pigments such as azo pigments, indigoids, dioxazine, quinacridone, phthalocyanine, isoindolidone, perylene and perinone, metal complex and alkali metal Pigments can be components of the coating compositions.
  • the coating compositions may contain luminescent pigments to produce a metallic effect.
  • luminescent pigments to produce a metallic effect.
  • metal platelets preferably Aluminum platelets, which give a special optical effect due to their reflection behavior.
  • Other metal platelets are, for example, those based on gold bronzes, copper-zinc alloys, nickel, stainless steel and mica.
  • the coating compositions may also contain luminescent pigments to produce metameric effects.
  • pigments can be used to produce pearlescence. Specifically, bismuth oxychloride, titanium dioxide mica and lead carbonate are mentioned.
  • the coating agents may contain high reflectivity pigments for IR radiation, especially lead carbonate and titanium dioxide mica. Destructive interference leads to the extinction of significant radiation components, which provides thermal protection
  • the coating compositions may also contain pigments for corrosion protection in the context of the invention.
  • pigments for corrosion protection in the context of the invention.
  • lead (II) orthoplumbate, chromate pigments, phosphate pigments, zinc dust or lead dust are used.
  • the coating compositions may contain magnetic pigments such as pure iron, iron oxide or chromium (IV) oxide.
  • the proposed method is particularly suitable for producing a functional coating for the production of thin-film transistor arrangements, in particular for liquid crystal display arrangements, separator membranes for electrochemical elements, in particular lithium-ion batteries, for the production of thin-film structures for plasma displays and for the production of membrane structures for fuel cells.
  • a coated substrate comprising a substrate and a dried and / or crosslinked coating agent applied on one or both sides.
  • the substrate is in particular selected from a thermoplastic substrate, a metal foil or sheet, a plastic foil, a glass plate, a composite material system, such as e.g. a wood veneer, a laminate, e.g. Capacitors or displays.
  • the coating composition is preferably under a paint, in particular powder paint, a one-component or two-component wet paint, both water-based and on the basis of organic solvents, a coating for corrosion protection, a coating for pretreatment and for the functionalization of metal surfaces, a conductive paste or a Photoresist selected.
  • Including drying and / or thermal crosslinking preferably comprises a supply and feed device for the carrier, which may in particular comprise a carrier supply roll and a roll feed device, a supply and Schichterzeugu ngs adopted for, in particular continuous, supply and application of the coating agent on the carrier and a downstream of the feed and layer generating means arranged and the carrier provided with the coating means facing, radiation having an active portion in the region of the near infrared generating irradiation device.
  • the irradiation device is preferred designed as a,
  • a means for adjusting or a regulating device for regulating the radiation power in particular adjusting means for precision adjustment of at least one radiation source of the irradiation device is provided in particular.
  • the inventive method is moreover preferably carried out with a device which comprises a substantially closed device, through which the material strip provided on one or both sides with a coating agent, in which at least one emitter is mounted and the inner walls with at least one electromagnetic Radiation reflecting device, such as a reflector are provided.
  • the side reflectors are deliverable, for example, by means of displacement devices and can be adapted to the width of the material band to be coated by forming the radiation space.
  • the width of the radiation space can be adapted to the width of the material strip and the efficiency of the system can be optimized regardless of the width of the material strip.
  • the emitter located outside of the delivered side reflectors are not used.
  • an optimal and thus energy-saving drying or crosslinking of the coating agent can always be achieved.
  • the energy sources used for drying or for crosslinking is not possible with conventional methods and represents a major problem.
  • bilateral emitter module arrangement is advantageous.
  • the device For drying and / or crosslinking of the coating composition, the device has at least one emitter laser diode.
  • a plurality of emitters preferably parallel to one another, can also be arranged as so-called emitter modules over the entire width of the material band moving rapidly in the conveying direction.
  • the emitters are arranged parallel to the conveying direction of the endlessly conveyed material strip. This has the significant advantage that the irradiance across the entire band of material both in the conveying direction as well as in the direction perpendicular thereto remains homogeneous, even if, for example, due to the aging process of the emitter, or changed by another effect, the radiation homogeneity along the longitudinal direction of the emitter , assuming that this change is the same for all emitters.
  • a specific line-shaped arrangement of the emitter is selected for irradiation of linear, for example, lattice-shaped endlessly conveyed material bands in the conveying direction, so that in each case arranged opposite to a parallel to the conveying direction material part of the lattice-like material strip substantially parallel arranged emitter or optionally a number of located in a row arranged emitters.
  • the radiation emitted by the emitters may be focused on the parts of material by appropriate reflective means.
  • the arrangement of a reflector on the side opposite the material band relative to the emitters side to increase the efficiency of the system is desirable.
  • the space in which volatile components of the coating agent, such as solvents escape during the drying process is separated from the emitters by a quartz glass disk.
  • a quartz glass disk in order to further increase the security between the material band and the emitter or emitters, two juxtaposed quartz glass panes are provided, between which additionally a cooling gas, e.g. Nitrogen gas flows.
  • a cooling gas e.g. Nitrogen gas flows.
  • a gas flow generating device for generating and aligning the above-mentioned gas flow and / or a device for adjusting or regulating the power is additionally provided, the latter preferably comprising means for adjusting the distance between the radiation source and the layer structure.
  • the gas flow generating device is designed so that a directed substantially parallel to the surface of the material strip, this is generated in the range of action of the irradiation device sweeping, especially dry and cold gas flow with high pulse.
  • the coil coating method preferably has an irradiation device for generating electromagnetic radiation with high power density and / or in the region of the near infrared, which in particular has its substantial active component in the wavelength range between 0.8 ⁇ m and 1.5 ⁇ m.
  • FIG. 1 shows in outline a coil coating device 1 for coating a quasi-endless steel sheet 3, which is wound on a coil 5, and for drying the coating.
  • the coil 5 is rotated by an electric drive 7 in rotation, and thereby the sheet 3 is moved under a spray coater 9 and a NIR drying section 11 along.
  • an aqueous solution 13 ' is applied to the sheet 3 as the starting material for a corrosion protection or primer layer 13. This is dried in an elongated irradiation zone A formed by the NIR drying section 11 with NIR radiation of high power density, in particular above 500 kW / m 2 .
  • the NIR drying section 11 comprises a solid Al reflector 15 having a plurality of approximately W-shaped reflector sections 15a in cross-section, which is internally water-cooled and, for this purpose, connected via cooling water lines 17 to an external cooler (not shown). In the center of each reflector portion 15a sits an emitter 19th
  • the emitters 19 are energized by an irradiation control unit 21 and controlled to emit NIR radiation having an intensity maximum in the range between 0.8 ⁇ m and 1.5 ⁇ m.
  • the radiation control device assigned to the irradiation device is preferably suitable for setting the power density of the radiation on the surface of the coating agent to a value of more than 500 kW / m 2 , in particular more than 750 kW / m 2 , and / or for adjusting the temperature in the coating agent a value above 200 ° C, in particular to a value in the range between 200 and 250 ° C.
  • a pyrometer element 23 for detecting the surface temperature of the coating 13 is disposed in a T-detection zone B which is connected to a signal input of the irradiation control unit 21.
  • the irradiation is controlled so as to maintain a substantially constant temperature in the coating which is selected as a function of the physical and chemical properties of the precursor 13 'of the anticorrosive or primer layer 13, typically at about 200 ° C.
  • the passage speed of the steel sheet 13 is adjusted by the irradiation zone A such that a residence time of the aqueous solution 13 'in the irradiation zone A of a few seconds is obtained, which for complete evaporation of the solvent component and for thermal crosslinking of the layer 13th is sufficient.
  • the sheet is typically conveyed through the drying apparatus at a speed in the range between 50 and 200 m / min, in particular between 75 and 150 m / min.
  • a Irradiation device with a length of 2 to 5 meters and more than one megawatt, preferably 2 to 5 MW, to use power consumption which has on the surface of the coating to be dried or crosslinked a radiation power density of more than 500 kW / m 2 , in particular more than 750 kW / m 2 , generated.
  • the method is preferably without an active gas stream supply for the removal of evaporating coating components from;
  • essentially the convection over the heated coating is utilized.
  • a gas stream sweeping over the surface in particular a stream of air produced by a suitable blower.
  • At least one process-relevant physical variable of the coating system is preferably measured and evaluated for process control.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung mittels elektromagnetischer Strahlung auf einem sich in Förderrichtung bewegenden quasi-endlos geförderten, insbesondere bandförmigen, flexiblen Materialband.
  • Beschichtungen von Oberflächen spielen nicht nur hinsichtlich der ästhetischen Wirkung eine Rolle, sondern dienen beispielsweise auch dazu, einen bestimmten Gegenstand gegen äußere Einflüsse, wie z.B. gegen Lichtstrahlung, Wasser, Wärme und mechanische Einwirkungen widerstandsfähiger zu machen. Darüber hinaus können durch die Beschichtung physikalische Eigenschaften verliehen werden, die der zu beschichtende Körper an sich nicht besitzt, wie z.B. elektrische Leitfähigkeit oder Magnetisierbarkeit.
  • Besondere Bedeutung hat diesbezüglich das Beschichten quasi-endlos geförderter flexibler Materialbänder wie z.B. von Metallbändern, Kunststoffolien, Werkstoffverbundsystemen und Laminaten, die beispielsweise von Rollen oder Stapeln gefördert werden.
  • Quasi-endlose beschichtete Metallbleche, insbesondere Stahl- und Aluminiumbleche, werden in riesigen Mengen in der Automobilindustrie und auch zur Herstellung von Haushaltsgeräten (der sogenannten weißen Ware) und des weiteren auch zur Herstellung von Luft- und Wasserfahrzeugen und von Verkleidungen für das Bauwesen verarbeitet. Bei den Stahlblechen handelt es sich um primär blanke, verzinkte oder auch vernickelte (Stahl-)Bleche mit Stärken im Bereich zwischen einigen Zehnteln Millimetern und über einem Millimeter. Derartige Bleche sind auf Rollen, sog. "Coils" aufgewickelt, bevor sie einem bestimmten Umform- oder Stanzprozeß kontinuierlich zugeführt werden. Als Vorbehandlung für eine spätere Lackierung bzw. Kunststoffbeschichtung erhalten die Bleche bereits auf dem "Coil" eine Korrosionsschutzbeschichtung und/ oder eine Grundierung bzw. einen Primerauftrag.
  • Das Beschichten dieser Metallbänder erfolgt aus Rationalisierungsgründen vor dem Prozeßschritt des Biegens, Prägens, usw., in dem das Blech letztendlich in die gewünschte Form gebracht wird. In einer solchen Anlage wird üblicherweise an einer ersten Station dieser Anlage mindestens ein Beschichtungsmittel aufgewalzt oder mit einer anderen Technik auf das Metallband aufgetragen. Derartige Beschichtungsmittel werden zumeist im flüssigen Zustand, gelegentlich aber auch als Pulverbeschichtung, aufgebracht.
  • Da das Beschichtungsmittel vor den nachfolgenden Prozeßschritten vollständig getrocknet bzw. vernetzt sein muß, wird das Metallband nachfolgend einem Ofen zugeführt, der häufig nach dem Prinzip der Umlufttrocknung arbeitet. In diesem Ofen wird das Beschichtungsmittel zusammen mit dem gesamten Blech des Metallbandes erwärmt, so daß das Beschichtungsmittel trocknet und/oder vernetzt. Aufgrund der starken Erwärmung des Metallbandes ist im Anschluß an den Trocknungsprozeß eine Kühlung des Metallbandes notwendig. Da das Metallband nach dem Beschichtungsprozeß häufig Biege-, Präge- und Schweißprozessen unterzogen wird, werden besonders hohe Anforderungen an die Qualität des getrockneten bzw. vernetzten Beschichtungsmittel gestellt. So darf dieses beim Biegen bzw. Prägen nicht abplatzen. Des weiteren muß das beschichtete Metallband schweißbar bleiben.
  • Bei einem anderen herkömmlichen Trocknungsverfahren wird die zur Trocknung bzw. Vernetzung des Beschichtungsmittels notwendige Wärmeenergie induktiv, d.h. durch elektromagnetische Kopplung auf das Metallband übertragen. Das so erwärmte Metallband gibt die Wärmeenergie durch Wärmeleitung an das Beschichtungsmittel ab, wodurch dieses getrocknet bzw. vernetzt wird.
  • Bei den oben geschilderten herkömmlichen Methoden muß das gesamte Metallband von der Umgebungstemperatur außerhalb der Anlage mindestens auf die zur Trocknung bzw. Vernetzung des Beschichtungsmittels erforderliche Temperatur erwärmt werden. Bei einer mit induktiver Wärmeübertragung arbeitenden Anlage ist es bei dünnen Metallbandstärken und/oder großen Beschichtungsmitteldicken (d.h. abhängig von deren spezifischer Wärmekapazität) notwendig, das Metallband sogar über die zur Trocknung bzw. Vernetzung erforderliche Temperatur aufzuheizen. Das bedeutet, daß bei einem Beschichtungsmittel, das zur Vernetzung eine Temperatur von 180°C benötigt, das Metallband induktiv etwa auf 250°C erwärmt werden muß, um einen ausreichenden Temperaturgradienten zwischen Metallband und Beschichtungsmittel zu erzeugen, so daß das Beschichtungsmittel in einer akzeptablen Zeit getrocknet bzw. vernetzt werden kann.
  • Die bei den oben dargestellten Verfahren zur Trocknung bzw. Vernetzung des Beschichtungsmittels erforderliche Wärmeenergie ist erheblich, da das gesamte Metallband erwärmt werden muß. Dessen Erwärmung ist in bestimmten Fällen sogar nachteilig, weil sie bestimmte, in vorhergehenden Schritten mittels sorgfältig aufeinander abgestimmter thermischer Bearbeitungsverfahren eingestellte physikalische Eigenschaften des Metalls wieder verändern kann. Die durch die unnötige Erwärmung des Metallbandes verlorengehende Energie summiert sich im übrigen angesichts der sehr großen Tonnagen von auf diese Weise getrocknetem beschichteten Metallband auf volkswirtschaftlich erhebliche Beträge.
  • Darüber hinaus gehen Anlagen zum Beschichtungen von sich schnell in Förderrichtung bewegender Materialbändern mit hohen Investitionskosten einher, die es aus wirtschaftlichen Gründen erforderlich machen, die Anlagen mit der höchstmöglichen Fördergeschwindigkeit und unter höchster Auslastung laufen zu lassen.
  • In einer "Coilcoating-Anlage" wird das sich von einer Rolle abwickelnde Metallband beispielsweise mit einer Fördergeschwindigkeit von 120 m/min durch die einzelnen Stationen dieser Anlage geführt. Aufgrund derartiger hoher Fördergeschwindigkeiten und der damit verbleibenden geringeren Wechselwirkungszeit beim Trocknen bzw. Kühlen des Metallbandes weisen die einzelnen Stationen, d.h. der Trocknungsofen und die Kühlstation, erhebliche Längenausdehnungen auf, die bis zu 100 m betragen können.
  • Es wird deutlich, daß die Größe einer solchen Anlage aufgrund ihres Platzbedarfes und eines erhöhten Instandhaltungsaufwands erhebliche Kosten verursacht. Darüber hinaus erhöht die lange Trocknungszeit beim Durchlaufen des Metallbandes, bevor dieses einem Umformprozeß zugeführt werden kann, die Herstellungskosten des Metallbandes in entsprechendem Maße. Die erwähnten Nachteile führen insgesamt zu einem heute noch relativ hohen Preis von mit dem sogenannten "Coilcoating" bearbeiteten Blechen, was sich angesichts des zunehmenden Kostendrucks bei den Zulieferern der Automobil- und Konsumgüterindustrie zunehmend nachteilig bemerkbar macht.
  • Auch Dünnschichtstrukturen auf großflächigen, dünnen quasi-endlos geförderten Materialbändern bzw. Trägern gewinnen auf verschiedenen Gebieten der Technik zunehmend an Bedeutung. Bekannte und wirtschaftlich höchst bedeutende Beispiele hierfür sind Dünnschicht-Transistorstrukturen, wie sie insbesondere in Flüssigkristall-Anzeigeanordnungen eingesetzt werden, und andere Dünnschichtsysteme für Anzeigeeinheiten, etwa für Plasmadisplays. Weitere technisch und wirtschaftlich bedeutsame Dünnschichtstrukturen sind die Separatorstrukturen von elektrochemischen Elementen, insbesondere Primär- oder Sekundärelementen auf Lithiumbasis (Lithiumbatterien und Lithium-Ionen-Akkus etc.) sowie hoch differenzierte Membransysteme für die Stofftrennung und die Energiegewinnung, beispielsweise in Brennstoffzellen.
  • Zur Herstellung derartiger Dünnschichtsysteme muß üblicherweise eine in einem Ausgangszustand auf einen dünnen Träger aufgebrachte dünne Beschichtung in eine funktionelle Schicht umgewandelt und fest mit dem Träger verbunden werden. Es kommt hierbei darauf an, einen mit sehr hoher Zuverlässigkeit und unter Ausschluß von Schädigungen des Trägers oder des Beschichtungsmaterials ablaufenden Prozeß mit einer hohen Produktivität, d. h. einem hohen Flächendurchsatz pro Zeiteinheit, zu realisieren.
  • Es sind für die verschiedenen Dünnschichtsysteme, die heute große technische Bedeutung erlangt haben, verschiedenartige Herstellungsverfahren bekannt, die diese Anforderungen nur bedingt erfüllen.
  • Der Oberbegriff von Ansprüchen 1 und 15 ist aus der US-A-3286369 abgeleitet
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes, hochgradig universelles und an verschiedenartige konkrete Schichtstrukturen leicht anpaßbares Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem sich schnell in Förderrichtung bewegenden Materialband bereitzustellen, mit welchem bzw. mit welcher besonders rasch und mit geringem Enerigeaufwand ein beschichtetes quasi-endlos gefördertes Materialband erzeugt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung gemäß den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 15. Vorteilhafie Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung von quasi-endlosen, geförderten und in Förderrichtung bewegten Materialbändem, die mit einem Beschichtungsmittel versehen werden, das zumindest teilweise mittels elektromagnetischer Strahlung zumindest teilweise getrocknet und/oder vernetzt wird, wobei der wesentliche Wirkanteil der elektromagnetischen Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot liegt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung bzw. eines dünnen Schichtaufbaus aus einem bandförmigen, flexiblen, insbesondere quasi-endlosen, Träger mit mindestens einer mit dem Trägerfest verbundenen funktionalen Beschichtung, die eine insbesondere in der Größenordnung der Dicke des Trägers liegende Dicke hat, das die Schritte des Bildens eines Ausgangs-Schichtaufbaus durch flächiges Auftragen eines Beschichtungsmittels auf den Träger und der Bestrahlung des mit dem Beschichtungsmittel versehenen Trägers mit elektromagnetischer Strahlung aufweist, die einen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot hat, zur Bildung der funktionalen Beschichtung aus dem Beschichtungsmittel bei gleichzeitiger Verbindung mit dem Träger unter Einschluss einer Trocknung und/oder thermischen Vernetzung. Ein wichtiger Anwendungsfall des vorgeschlagenen Verfahrens ist insbesondere die Trocknung und/oder Vernetzung eines Korrosionsschutzmittels oder einer Grundierung bzw. eines Primers für eine nachfolgende Lackierung insbesondere auf der Oberfläche eines blanken, verzinkten oder vernickelten Stahlblechs, insbesondere für die Automobil- oder Haushaltsgeräteproduktion (Coilcoating).
  • In einer weiteren wichtigen Anwendung handelt es sich bei dem Beschichtungsmittel (im Ausgangszustand) um eine Pulver- oder Flüssiglackschicht, die zu einer Zwischen- oder Endlackierung getrocknet bzw. vernetzt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch potentiell hohe Produktivität, Einfachheit und Zuverlässigkeit bei weitgehendem Ausschluß von Schädigungen der Beschichtung(en) und/oder des Trägers aus.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Beschichtung auf einem Materialband mit besonders kurzen Bestrahlungsdauern, vorzugsweise in weniger als 30s, bevorzugt in weniger als 10s, weiter bevorzugt weniger als 5s, insbesondere 2s und daher, verglichen mit einem herkömmlichen Beschichtungs- bzw. Coil-Coating Verfahren, besonders rasch herzustellen. Durch die kurze Behandlungs- bzw. bestrahlungsdauer wird das Materialband thermisch wenig beansprucht. Dadurch wird es möglich, thermisch empfindliche Materialien wie z.B. Thermoplaste mit Beschichtungsmitteln zu beschichten, die zur Vernetzung Temperaturen benötigen, die höher sind als die Schädigungstemperatur des Materialbandes. Somit wird es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere möglich, Materialbänder zu beschichten, deren Beschichten wegen ihrer thermischen Empfindlichkeit zuvor nicht bzw. nur mit großen technischen Schwierigkeiten möglich war.
  • Auch können Veränderungen der Materialstruktur und/oder Änderungen von Materialeigenschaften durch Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden, was bei herkömmlichen Verfahren häufig nicht möglich war, oder nur bei erheblicher Verlängerung der zur Durchführung des Verfahrens benötigten Zeitdauer. Dies gilt insbesondere für Materialien die sich bei starker Wärmezufuhr beispielsweise verformen wie z.B. Kunststoffe. Des weiteren können Materialbänder beschichtet werden, deren mikroskopische Struktur sich bei starker Wärmezufuhr verändert (wodurch sich deren mechanische Festigkeitseigenschaften reduzieren können oder Gefugeveränderungen im Material auftreten können), wie z.B. Aluminium oder Legierungen, oder Materialbänder, deren Materialien sich Entmischen, wie z.B. Verbundwerkstoffe.
  • Durch die kurzen Bestrahlungsdauern kann darüber hinaus in vielen Fällen eine höhere Qualität der Beschichtung erzielt werden. Auch kann der zur Erzeugung einer Beschichtung erforderliche Energie- und Kostenaufwand deutlich reduziert werden.
  • Um eine möglichst effiziente Übertragung von Strahlungsenergie an das Beschichtungsmittel zu erreichen, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Intensitätsmaximum bzw. die spektrale Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung an die Absorptions- und Transmissionseigenschaften des Beschichtungsmittels und wahlweise des Materialbandes angepaßt. Bevorzugt wird dabei die Wellenlänge des Intensitätsmaximums und/oder die spektrale Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung so gewählt, daß das Beschichtungsmittel die Strahlungsenergie im wesentlichen gleichmäßig über seine Schichtdicke absorbiert, wobei eine unzulässige thermische Belastung des Trägers sowie auch einzelner Bereiche der Beschichtung vermieden wird. Dadurch kann erreicht werden, daß das Beschichtungsmittel gleichmäßig und innerhalb kürzester Zeit unmittelbar durch die Strahlung zumindest teilweise erwärmt und/oder vernetzt wird.
  • Vorzugsweise wird die spektrale Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung durch mindestens ein Filter eingestellt.
  • Andererseits läßt sich das Intensitätsmaximum der elektromagnetischen Strahlung bevorzugt so einstellen, daß relativ wenig Strahlung in dem Materialband absorbiert wird, um eine nutzlose Erwärmung desselben zu vermeiden. Durch die sehr kurzen Bestrahlungsdauern kann darüber hinaus eine Energieübertragung durch Wärmeleitung, die im Vergleich zur Energieübertragung durch Strahlung langsam abläuft, an das mit dem Beschichtungsmittel in Kontakt stehende Materialband stark reduziert werden.
  • Somit wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in bestimmten Fällen, abhängig von der Dicke bzw. der spezifischen Wärmekapazität des Materialbandes bzw. Beschichtungsmittels, ein deutlicher Temperaturgradient im Materialband und somit eine Energieseparation zwischen dem Materialband und dem zu trocknenden bzw. zu vernetzenden Beschichtungsmittel erreicht. Es kann ein im Vergleich zu konventionellen Verfahren deutlich höherer Wirkungsgrad erzielt werden und die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Energiemenge kann gegenüber den herkömmlichen Verfahren, abhängig von den Materialeigenschaften, wie z.B. der spezifischen Wärmekapazität, der Dicke des Materialbandes bzw. des Beschichtungsmittels erheblich reduziert werden, da vergleichsweise wenig Wärmeenergie auf das Materialband übertragen wird. Dieser Effekt spielt insbesondere bei Materialien mit besonders hoher Wärmekapazität wie Stahlblech eine große Rolle, da diese Materialien eine große Energiemenge absorbieren. Beispielsweise kann bei Blechstärken von mehr als 0,5 mm beim erfindungsgemäßen Verfahren die Erwärmung des Bleches von 250°C, wie dies z.B. bei einem herkömmlichen induktiven Verfahren der Fall ist, auf 200°C reduziert werden. Entsprechend bedeutet dies eine Reduzierung des zur Trocknung bzw. Vernetzung des Beschichtungsmittels erforderlichen Energieaufwands um ein fünftel. Bei dickeren Materialien sind auch größere Temperaturunterschiede d.h. Energieeinsparungen möglich.
  • Neben den Kosten des Beschichtungsverfahrens werden auch die Kosten der hierzu notwendigen Vorrichtung bzw. Anlage deutlich reduziert, da aufgrund der im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erheblich kürzeren Trocknungs- bzw. Vernetzungszeiten auch die zum Trocknen bzw. Vernetzen notwendige Strecke bei gleichbleibender Fördergeschwindigkeit deutlich reduziert ist. Darüber machen sich insbesondere Infrastruktureinsparungen besonders bemerkbar.
  • In vielen Fällen kann durch Reflexionen an der Grenzfläche zwischen dem Beschichtungsmittel und dem Materialband eine erneute Durchstrahlung des Beschichtungsmittels bewirkt werden und somit die Effizienz der Energieübertragung an dieses erhöht werden. Hierzu wird vorzugsweise die Oberfläche des Materialbandes zum Zwecke einer gezielten Einstellung dessen Reflexionsvermögens vor dem eigentlichen Auftragen des Beschichtungsmittels behandelt. Dies erfolgt beispielsweise durch Glätten, Polieren oder Aufrauhen der Oberfläche.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Intensitätsmaximum der elektromagnetischen Strahlung an die Absorptions- und/oder Transmissionseigenschaften des Materialbands derart angepaßt, daß die elektromagnetische Strahlung das Materialband zumindest teilweise durchdringt. Dies ist insbesondere bei beidseitig auf dem Materialband aufgetragenem Beschichtungsmittel sinnvoll. Um auch das auf der anderen Seite des Materialbandes aufgetragene Beschichtungsmittel zu trocknen und/oder zu vernetzen, kann bei bestimmten Beschichtungsmittel/Materialband-Kombinationen die Trocknung bzw. Vernetzung derart durchgeführt werden, daß die zum Trocknen bzw. Vernetzen eingesetzte elektromagnetische Strahlung neben dem Beschichtungsmittel, das auf der der Strahlungsquelle zugewandten Materialbandseite aufgetragen ist, auch das Materialband durchdringt. Dabei wird vorzugsweise im wesentlichen keine Strahlungsenergie im Materialband absorbiert. Die Beaufschlagung mit elektromagnetischer Strahlung erfolgt in diesem Fall nur von einer Seite des Materialbandes. Das beidseitig auf das Materialband aufgetragene Beschichtungsmittel wird auf beiden Seiten des Materialbandes im wesentlichen gleichzeitig getrocknet bzw. vernetzt.
  • Entsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden, daß das beidseitig aufgetragene Beschichtungsmittel mit einer nur auf einer Seite des Materialbandes angeordneten Strahlungsquelle, welche mindestens einen Emitter aufweist, im wesentlichen gleichzeitig getrocknet bzw. vernetzt wird.
  • Denkbar ist darüber hinaus der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Anwendung, bei der das Beschichtungsmittel einseitig, jedoch auf der der Strahlungsquelle abgewandten Seite aufgetragen ist. Die elektromagnetische Strahlung durchdringt vorzugsweise das Materialband, im wesentlichen ohne von diesem absorbiert zu werden, um dann das Beschichtungsmittel zu trocknen bzw. zu vernetzen. Durch diese Anordnung kann die Strahlungsquelle vor aus dem Beschichtungsmittel austretenden flüchtigen und leicht entzündlichen Komponenten desselben durch das Materialband geschützt werden und/oder es können gleichzeitig mit dem Bestrahlungsvorgang auf der Seite des Materialbandes, auf der das Beschichtungsmittel aufgetragen ist, einer oder mehrere weitere Bearbeitungsschritte an dem Beschichtungsmittel und/oder dem Materialband durchgeführt werden, ohne den Bestrahlungsvorgang zu behindern.
  • Nach den Erkenntnissen der Erfinder sind die Trocknungs- bzw. Vemetzungsprozesse des Beschichtungsmittels im wesentlichen thermisch bedingt. Das bedeutet, daß bei der Trocknung eines mit Wasser oder Lösungsmittel versehenen Beschichtungsmittels dem Lösungsmittel mit der elektromagnetischen Strahlung aus dem Wellenlängenbereich des nahen Infrarot Energie übertragen wird, um das Lösungsmittel aus dem Beschichtungsmittel abzutrennen. Zum Vernetzen wird Energie auf das Beschichtungsmittel übertragen, die in Form von Wärmeenergie dazu aufgewandt wird, die Ausbildung von Polymerketten zu bewirken. Bei vielen Beschichtungsmittels ist dazu eine bestimmte Temperatur des Beschichtungsmittels erforderlich, damit der Vernetzungsprozeß abläuft.
  • Daneben können durch die elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich des nahen Infrarot hervorgerufene Photoreaktionen zu einer zusätzlichen Beschleunigung der Vemetzungsprozesse führen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, Beschichtungsmittel im wesentlichen vollkommen durch Photoreaktionen zu trocknen bzw. zu vernetzen, während thermische Prozesse nur eine untergeordnete oder gar keine Rolle spielen.
  • Das Trocknen bzw. das Vernetzen des Beschichtungsmittels kann entweder vollständig oder nur teilweise durch die elektromagnetische Strahlung erfolgen, deren wesentlicher Wirkanteil im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot liegt. Jedoch ist es auch möglich, das Beschichtungsmittel in mehreren zeitlich voneinander getrennten oder versetzten Intervallen zu trocknen oder zu vernetzen. Auch kann das Trocknen bzw. Vernetzen zeitgleich oder zeitlich versetzt mit der oben genannten Bestrahlung durch zumindest eine zusätzliche Strahlungsquelle, insbesondere mit einem Wirkanteil in einem anderen Wellenlängenbereich, und/oder durch zumindest eine andere Energie- oder Wärmequelle unterstützt werden. Um besonders kurze Trocknungszeiten bzw. besonders kurze Bestrahlungsdauern zu erzielen, wird vorzugsweise elektromagnetische Strahlung mit einer hohen Leistungsdichte verwendet. Typische, für das erfindungsgemäße Verfahren charakteristische Leistungsdichten liegen insbesondere oberhalb von 100 kW/m2, bevorzugt oberhalb von 200 kW/m2 und besonders bevorzugt oberhalb von 500 kW/m2. Derartige hohe Leistungsdichten lassen sich beispielsweise durch die Anordnung aus mehreren zusammenwirkenden, insbesondere parallel zueinander angeordneten, über die Gesamtbreite des sich fortbewegenden Materialbandes erstreckenden Strahlern mit entsprechend zugeordnete hochwirksamen Reflektoren bewerkstelligen. Eine weitere Einstellung der Leistungsdichte läßt sich dadurch erzielen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die elektromagnetische Strahlung auf die Oberfläche des mit dem Beschichtungsmittel versehenen Materialbandes fokussiert wird.
  • Die Einstellung der Leistungsdichte kann auch über die Betriebsspannung erfolgen; weiterhin können Filter eingesetzt werden. In einer weiter verfeinerten Verfahrensführung ist eine Leistungsregelung auf der Basis von rückgekoppelten Sensorsignalen (beispielsweise von Temperaturfühlern) vorgesehen.
  • Erfindungsgemäß wird mit einer elektromagnetischen Strahlung bestrahlt, deren Intensitätsmaximum in dem Wellenlängenbereich von 0,8µm bis 2µm liegt. Ein solcher Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung hat sich als besonders effektiv für eine hochwirksame Polymerbildung bzw. Polymer-vernetzung der zur Beschichtung von Materialbändern verwendeten Beschichtungsmittel erwiesen.
  • Bei Anwendung von Wellenlängen, die den spezifischen Absorptions- und/oder Transmissions- bzw. Reflexionseigenschaften des Materialbandes und/oder des Beschichtungsmittels Rechnung tragen, und/oder bei Verwendung der für das spezifische Materialband und/oder Beschichtungsmittel zu ermittelnden optimalen Leistungsdichten ermöglicht die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise die oben genannten kurzen Bestrahlungsdauern. In Abhängigkeit des verwendeten Beschichtungsmittels ist vor dem Aufbringen häufig eine Vorbehandlung des Materialbandes vorgesehen. Insbesondere ist dabei eine Erwärmung des Materialbandes notwendig. Stahlblech muß hierbei meist auf Temperaturen von 900° C bis 1100° C zur Erreichung einer Gefügeveränderung erhitzt werden, was üblicherweise unter einer inerten Atmosphäre oder Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird. Herkömmlich werden dazu Verfahren unter Verwendung von Konvektions- oder Induktionserwärmung verwendet. Die Verfahren, bei welchen Konvektionserwärmung eingesetzt wird, benötigen eine lange Zeit, um das Stahlband auf die hohe Temperatur zu erwärmen. Bei der Induktionserwärmung ist der Wirkungsgrad sowie die homogene Erwärmung problematisch.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses Vorwärmen ebenfalls mittels elektromagnetischer Strahlung bewirkt, deren wesentlicher Wirkanteil im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot liegt. Dadurch wird es möglich, das Stahlband viel schneller zu erwärmen als mit herkömmlichen, auf langsamer Wärmeleitung basierenden Methoden.
  • Die hierfür verwendete elektromagnetische Strahlung hat vorzugsweise ihren wesentlichen Wirkanteil ebenfalls im Wellenlängenbereich von 0,8µm bis 2,0µm. Vorzugsweise wird die Wellenlänge dabei so angepaßt, daß ein Großteil der elektromagnetischen Strahlung durch das Materialband absorbiert wird.
  • Aufgrund der vorzugsweise sehr hohen Fördergeschwindigkeit des Materialbandes ist eine entsprechende Qualitätssicherung und Prozeßsicherheit der Verfahrensführung notwendig. Hierzu wird gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest ein meßbarer Prozeßparameter herangezogen, der über eine entsprechende automatisierte Prozeßsteuerung einen Rückschluß auf den Zustand und die Qualität der Beschichtung zuläßt. Insbesondere eignet sich hierfür die Temperatur auf der Oberfläche des Materialbandes, die einerseits über eine entsprechende Abänderung der elektrischen Leistung und damit der Strahlungsleistung des Emitters und andererseits über eine Variation des Abstandes zwischen den Emittern und der Oberfläche des Materialbandes veränderbar ist. Eine Vorrichtung zur Realisierung einer gegebenenfalls automatischen Einstellung von Bestrahlungsparametem umfaßt mindestens einen Meßfühler zur Erfassung der relevanten physikalischen Größen, also insbesondere einen oder mehrere photoelektrische Sensoren zur Erfassung der Helligkeit, des Reflektionsvermögens oder des Brechungsindex' oder anderer optischer Parameter, die Aufschluß über den Trocknungs- bzw. Vernetzungszustand des Beschichtungsmittels geben, bzw. einen berührungslos arbeitenden, insbesondere pyrometrischen Temperaturfühler.
  • Zur Einstellung der einzelnen Bestrahlungsparameter ist der Sensor, bzw. die Sensoren, über eine Auswertungsschaltung mit einem Steuereingang, bzw. Steuereingängen einer Strahlungssteuereinrichtung verbunden. In Abhängigkeit von den erfaßten Meßwerten bzw. einem Ergebnis der Auswertung dieser Meßwerte können die im weiteren Prozeßverlauf einzustellenden Bestrahlungsparameter, insbesondere die Leistungsdichte und gegebenenfalls die spektrale Zusammensetzung der Strahlung optimiert werden. Durch das Vorsehen einer geschlossenen Regelschleife ist hierbei auch eine automatisch geregelte Echtzeit-Betriebsführung realisierbar.
  • Bei speziellen Anwendungen, bei denen flüchtige Bestandteile des Beschichtungsmittels von diesem durch die Wechselwirkung mit der elektromagnetischen Strahlung getrennt werden, ist auch eine Kühlung und/oder Abführung dieser flüchtigen Bestandteile durch eine an diesen, vorzugsweise quer zur Förderrichtung, entlang geführten Gasstrom, insbesondere Luftstrom, sinnvoll.
  • Vorzugsweise trifft dieser das Materialband überstreichende Gasstrom mit einer bestimmten zuvor festgelegten Geschwindigkeit auf die abzutransportierenden Teilchen der abgetrennten Feuchtkomponente auf und reißt diese mit, wobei der Gasstrom vorzugsweise messerartig an dem Trocknungsgut auftrifft. Insbesondere wird ein trockenes, kaltes Gas mit hohem Impuls zugeführt. Durch einen die Oberfläche des aufgebrachten Beschichtungsmittels und/oder die rückseitige Oberfläche des Trägers überstreichenden Gasstrom kann zum einen eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung und gegebenenfalls Absenkung der Oberflächentemperatur und zum anderen die schnelle Abführung von flüchtigen Bestandteilen des Beschichtungsmittels erreicht werden. Hierdurch läßt sich die Zuverlässigkeit und Effizienz des Verfahrens weiter erhöhen. Der Gasstrom (Luftstrom) ist vorzugsweise trocken und kalt und wird mit hohem Druck bzw. Impuls zugeführt. Weitere Einzelheiten diesbezüglich sind in der DE-A 198 07 643 der Anmelderin offenbart.
  • Vorzugsweise ist das endlos geförderte Materialband ein Metallband, insbesondere ein Stahlband. Bei dem endlos geförderten Materialband kann es sich jedoch auch um Metallfolien bzw. feine Metallgewebe, speziell aus Aluminium oder Kupfer oder deren Legierungen bzw. aus einer aluminium- bzw.- kupferhaltigen Legierung, um Kunststoffolien, speziell Polyethylen- (PE), Polypropylen- (PP) oder PVC-Folien, um Glasschichten bzw. -platten, um Werkstoffverbundsysteme, wie z.B. Holzfurniere, um Laminate, wie z.B. Kondensatoren oder Displays, oder um Thermoplaste oder Duroplaste handeln. Weitere bevorzugte Anwendungsgebiete sind Folien zur Verpackung, wie z.B. Blisterfolien oder Klebefolien. In bevorzugten Schichtaufbauten haben sowohl das Beschichtungsmittel als auch das Materialband bzw. der Träger eine mittlere Dicke im Bereich zwischen 5 µm und 500 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 200 µm.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat das Beschichtungsmittel und die daraus gebildete feste dünne Schicht eine Dicke im Bereich zwischen 1µm und 100µm, insbesondere zwischen 2µm und 20µm.
  • Die Auftragung des Beschichtungsmittels auf das zu beschichtende Materialband erfolgt in Abhängigkeit von der Beschaffenheit, insbesondere der Oberfläche und/oder der Materialzusammensetzung des Materialbands. Vorzugsweise wird das Beschichtungsmittel als fluides oder paströses System aufgebracht, was mit an sich bekannten Auftragsverfahren, insbesondere durch Aufwalzen, Aufstreichen, Aufsprühen, Gießen, Aufschleudern, Aufrieseln, Aufblasen oder Rakeln bewerkstelligt werden kann. Das Beschichtungsmittel wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in Form eines Pulvers insbesondere unter Ausnutzung elektrostatischer Kräfte aufgebracht, insbesondere aufgerieselt oder aufgeblasen. Darüber hinaus kann es auch auf das Materialband aufgesputtert werden. Je nach Oberflächenbeschaffenheit des Materialbandes kann u.U. eine Vorbehandlung, insbesondere durch Aufrauhen, Anätzen oder auch durch Aufbringen eines Haftvermittlers zweckmäßig sein. Diese Vorbehandlung dient u.a. der Verbesserung der Haftung zwischen dem Beschichtungsmittel und dem sich in Förderrichtung bewegenden Materialbandes.
  • Als Beschichtungsmittel sind insbesondere zu nennen: Lacke, insbesondere Pulverlacke, Einkomponenten- oder Zweikomponenten-Naßlacke, sowohl auf Wasserbasis als auch auf der Basis von organischen Lösungsmitteln, Beschichtungen zum Korrosionsschutz, Beschichtungen zur Vorbehandlung sowie zur Funktionalisierung von Metalloberflächen, Leitfähigkeitspasten und Photolack.
  • Bei den Lacken handelt es sich um Substanzen, die zumindest teilweise mit Strahlung trockenbar und/oder vernetzbar sind. Lackiermittel sind typischerweise Systeme, die mindestens einen Zusatzstoff, vorzugsweise einen Zusatzstoff und ein Bindemittel, wie jeweils nachfolgend ausführlich diskutiert, enthalten. Die Bestrahlungshärtung geschieht bei vielen Lackiermitteln häufig durch Polymerisation des im Lackiermittel enthaltenen Bindemittels.
  • Ein Beispiel hierfür ist die optisch über Photoinitiatoren gestartete Polymerisation von niederviskosen Lackiermitteln mit Bindemitteln reaktiver Monomere, Oligomere und Präpolymere, beispielsweise die radikalische oder die kationische Polymerisation oder die Vernetzung linearer Polymere mit reaktiven Seitenketten.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren können Naßlacke oder Pulverlacke verwendet werden. Als Naßlacke werden u.a. Wasserlacke und Lösungsmittellacke bezeichnet. Naßlacke können Einkomponentenlacke, wie z.B. UV-Lacke, und Zweikomponentenlacke sein, wobei solche auf Wasserbasis oder aber auch auf der Basis organischer Lösungsmittel eingesetzt werden können. Bei Mehrschichtstrukturen sind auch Kombinationen davon denkbar. Ferner sind für die oben erwähnten Coilcoating-Verfahren auch schweißbare Lacksysteme von Interesse.
  • Lösungsmittellacke werden in Abhängigkeit vom Lösungsmittelgehalt in konventionelle, lösungsmittelhaltige Lacke, lösungsmittelarme und lösungsmittelfreie Lacke unterteilt. Der Feststoffgehalt lösungsmittelarmer Lacke ist größer als 70 Massen-%; bei einem Feststoffgehalt kleiner 70 Massen-% spricht man von lösungsmittelhaltigen Lacken. Für festkörperreiche Lacke wie beispielsweise Spritzlacke wird auch der Begriff High-solids verwendet.
  • Lösungsmittelarme und lösungsmittelfreie Lacke werden nach der Art der Härtungsreaktion in Ein- und Zweikomponentensysteme unterteilt. Bei Einkomponentenlacken setzt die Polymerisation und damit die Vernetzung nach Zusatz von Initiatoren und Beschleunigern oder durch Einwirkung von UV- oder Elektronenstrahlen ein. Als Einkomponentenlacke werden beispielsweise Vinylchlorid-Polymere oder Copolymere und ungesättigte Polyesterharze, wie niedermolekulare Hydroxylgruppen tragende Acrylat-, Alkyd- und Polyesterharze verwendet. Zweikomponentenlacke härten durch eine Additionsreaktion, bei der im Gegensatz zu den Einkomponentenlacken keine umweltbelastenden Spaltprodukte freigesetzt werden. Die Bindemittel sind in der Regel Epoxidharze in Kombination mit Härtern oder Polyisocyanate in Kombination mit Hydroxylgruppen tragenden Harzen.
  • Unter Pulverlacken versteht man thermoplastische oder duromere Kunststoffe, die in Pulverform auf Substrate aufgetragen werden. Hierbei werden verschiedene Auftragsverfahren wie beispielsweise elektrostatisches Pulverspritzen, elektrostatisches Wirbelsintern, Schüttsintern, Wirbelsintern, Rotationssintern oder Zentrifugalgießen eingesetzt. Als Pulverlacke werden beispielsweise Epoxidharz-Pulver, Pulver gesättigter Polyesterharze, Polyacrylat-Pulver, Polyethylen-Pulver, Polyvinylchlorid-Pulver, Polyamidpulver, Celluloseacetobutyrat-Pulver, chlorierte Polyether, Ethylen-Vinylacetat-Mischpolymerisatpulver oder Polymethacrylsäuremethylester-Pulver eingesetzt.
  • UV-Lacke benötigen einen sogenannten UV-Initiator, der einen teueren Bestandteil des Lackes darstellt, jedoch zur Vernetzung notwendig ist. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in vielen Fällen auf den Einsatz der UV-Initiatoren verzichtet werden, dennoch lassen sich derartige UV-Lacke mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens trocknen.
  • Heutzutage werden in Lackiermitteln, da diese häufig Polyesterharz als Bindemittel verwenden, große Mengen von Lösungsmittel eingesetzt. Jedoch ist die Entwicklung dahingehend, dass zunehmend aus unterschiedlichen Gründen wie z.B. für den Umweltschutz und zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen Versuche unternommen werden, Lacke mit Harzen zum Einsatz zu bringen, die relativ wenig Lösungsmittel benötigen, wie beispielsweise Acrylatharze. Die lösemittelarmen Lacksysteme (high-solids und wasserverdünnbare Systeme) sollen daher künftig verstärkt eingesetzt werden. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die nachteilige längere Trockenzeit dieser Systeme vermieden werden.
  • Als durch strahlungsinduzierte Prozesse vernetzbare Bindemittel können im erfindungsgemäßen Verfahren alle üblichen strahlenhärtbaren Bindemittel oder deren Mischungen eingesetzt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Es handelt sich entweder um durch radikalische Polymerisation vernetzbare oder durch kationische Polymerisation vernetzbare Bindemittel. Bei ersteren entstehen durch Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung auf die Bindemittel Radikale, die dann die Vernetzungsreaktion auslösen. Bei den kationisch härtenden Systemen werden durch die Bestrahlung aus Initiatoren Lewis-Säuren gebildet, die dann die Vernetzungsreaktion auslösen.
  • Andere Beschichtungsmittel enthalten entsprechend ihrem Einsatzgebiet entsprechende Zusatzstoffe wie Polymere, insbesondere Vernetzer, Katalysatoren für die Vernetzung, Initiatoren, insbesondere Pigmente, Farbstoffe, Füllstoffe, Verstärkerfüllstoffe, Rheologiehilfsmittel, Netz- und Dispergiermittel, Haftvermittler, Additive zur Verbesserung der Untergrundbenetzung, Additive zur Verbesserung der Oberflächenglätte, Mattierungsmittel, Verlaufmittel, filmbildende Hilfsmittel, Trockenstoffe, Hautverhinderungsmittel, Lichtschutzmittel, Korrosionsinhibitoren, Biozide, Flammschutzmittel, Polymerisationsinhibitoren, insbesondere Photoinhibitoren oder Weichmacher, wie sie beispielsweise auf dem Lackiermittelsektor üblich und bekannt sind. Die Auswahl der Zusatzstoffe richtet sich nach dem gewünschten Eigenschaftsprofil des Beschichtungsmittels und dessen Verwendungszweck.
  • Die Beschichtungsmittel können ferner keramische Farben enthalten, wie beispielsweise Titandioxid, Ruß oder Buntpigmente wie Bleichromat, Mennige, Zinkgelb, Zinkgrün, Cadmiumrot, Cobaltblau, Berliner Blau, Ultramarin, Manganviolett, Cadmiumgelb, Molybdatorange und -rot, Chromorange und -rot, Eisenoxidrot, Chromdioxidgrün und Strontiumgelb.
  • Auch organische Farben, beispielsweise natürlich vorkommende Pigmente wie Sepia, Indigo, Chlorophyll, oder insbesondere synthetische Pigmente wie beispielsweise Azo-Pigmente, Indigoide, Dioxazin-, Chinacridon-, Phthalocyanin-, Isoindolidon-, Perylen- und Perinon-, Metallkomplex- und Alkaliblau-Pigmente können Bestandteile der Beschichtungsmittel darstellen.
  • Ebenso können die Beschichtungsmittel Leuchtpigmente zur Erzeugung eines Metalleffekts enthalten. Verwendbar sind insbesondere Metall-Plättchen, vorzugsweise Aluminium-Plättchen, die über ihr Reflexionsverhalten einen besonderen optischen Effekt geben. Weitere Metall-Plättchen sind beispielsweise solche auf Basis von Gold-Bronzen, Kupfer-Zink-Legierungen, Nickel, rostfreiem Stahl und Glimmer.
  • Die Beschichtungsmittel können außerdem Leuchtpigmente zur Erzeugung von Metamerieeffekten enthalten. Hier können beispielsweise Pigmente zur Erzeugung von Perlglanz eingesetzt werden. Im einzelnen sind zu nennen Bismutoxidchlorid, Titandioxid-Glimmer und Bleicarbonat.
  • Als Interferenz-Pigmente zum Wärmeschutz können die Beschichtungsmittel Pigmente mit hohem Reflexionsvermögen für IR-Strahlung enthalten, insbesondere Bleicarbonat und Titandioxid-Glimmer. Durch destruktive Interferenz kommt es zur Auslöschung wesentlicher Strahlungsanteile, wodurch ein Wärmeschutz erzielt wird
  • Die Beschichtungsmittel können im Rahmen der Erfindung auch Pigmente zum Korrosionsschutz enthalten. Vorzugsweise werden Blei(II)orthoplumbat, Chromat-Pigmente, Phosphat-Pigmente, Zinkstaub oder Bleistaub verwendet.
  • Darüber hinaus können die Beschichtungsmittel magnetische Pigmente wie Reineisen, Eisenoxid oder Chrom(IV)oxid enthalten.
  • Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung einer funktionellen Beschichtung zur Herstellung von Dünnschicht-Transistoranordnungen, insbesondere für Flüssigkristalldisplayanordnungen, von Separatormembranen für elektrochemische Elemente, insbesondere von Lithium-Ionen-Akkus, zur Herstellung von Dünnschichtstrukturen für Plasmadisplays und zur Herstellung von Membranstrukturen für Brennstoffzellen.
  • Durch Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich ein beschichtetes Substrat herzustellen, das ein Substrat und ein getrocknetes und/oder vernetztes Beschichtungsmittel, das einseitig oder beidseitig aufgebracht ist, aufweist. Das Substrat wird insbesondere ausgewählt unter einem thermoplastischen Substrat, einer Metallfolie bzw. -blech, einer Kunststoffolie, einer Glasplatte, einem Werkstoffverbundsystem, wie z.B. einem Holzfurnier, einem Laminat, wie z.B. Kondensatoren oder Displays. Das Beschichtungsmittel ist vorzugsweise unter einem Lack, insbesondere Pulverlack, einem Einkomponenten- oder Zweikomponenten-Naßlack, sowohl auf Wasserbasis als auch auf der Basis von organischen Lösungsmitteln, einer Beschichtung zum Korrosionsschutz, einer Beschichtung zur Vorbehandlung sowie zur Funktionalisierung von Metalloberflächen, einer Leitfähigkeitspaste oder einem Photolack ausgewählt.
  • Eine geeignete Anordnung zur Herstellung eines dünnen Schichtaufbaus aus einem bandförmigen, flexiblen, insbesondere quasi-endlosen, Träger mit mindestens einer mit dem Träger fest verbundenen funktionalen Beschichtung, die eine insbesondere in der Größenordnung der Dicke des Trägers liegende Dicke hat, mit den Schritten der Bildung eines Ausgangs-Schichtaufbaus durch flächiges Auftragen eines Beschichtungsmittels auf den Träger und der Bestrahlung des mit dem Beschichtungsmittel versehenen Trägers mit elektromagnetischer Strahlung, die einen Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot hat, zur Bildung der funktionalen Beschichtung aus dem Beschichtungsmittel bei gleichzeitiger Verbindung mit dem Träger unter Einschluß einer Trocknung und/oder thermischen Vernetzung, weist vorzugsweise eine Zuführungs- und Vorschubeinrichtung für den Träger, - die insbesondere eine Träger-Vorratsrolle und eine Walzen-Vorschubeinrichtung umfassen kann -, eine Zuführungs- und Schichterzeugungseinrichtung zur, insbesondere kontinuierlichen, Zuführung und Aufbringung des Beschichtungsmittel auf den Träger und eine stromabwärts der Zuführungs- und Schichterzeugungseinrichtung angeordneten und dem mit dem Beschichtungsmittel versehenen Träger zugewandten, Strahlung mit einem Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot erzeugende Bestrahlungseinrichtung auf. Bevorzugt ist die Bestrahlungseinrichtung als eine, insbesondere mit erhöhter Betriebstemperatur betriebene Halogenlampe ausgebildet.
  • Ferner ist insbesondere ein Mittel zur Einstellung bzw. eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Strahlungsleistung, insbesondere Verstellmittel zur Präzisionsverstellung mindestens einer Strahlungsquelle der Bestrahlungseinrichtung vorgesehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird darüber hinaus vorzugsweise mit einer Vorrichtung durchgeführt, welche eine im wesentlichen abgeschlossene Einrichtung, durch welche das einseitig oder beidseitig mit einem Beschichtungsmittel versehene Materialband gefördert wird, aufweist, in welcher zumindest ein Emitter montiert ist und deren innere Wände mit zumindest einer elektromagnetische Strahlung reflektierenden Vorrichtung, wie z.B. einem Reflektor versehen sind.
  • Grundsätzlich ist es in allen Fällen sinnvoll die Anlage zur Steigerung der Effizienz und zur Energieoptimierung mit Reflektoren auszustatten, so daß dort, wo Emitter eingesetzt werden ein abgeschlossener Strahlungsraum erzeugt wird. Neben Gegenreflektoren ist zusätzlich das Vorsehen von Seitenreflektoren und von quer zur Förderrichtung angeordneten Reflektoren sinnvoll.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Seitenreflektoren beispielsweise mittels Verschiebeeinrichtungen zustellbar und unter Ausbildung des Strahlungsraumes an die Breite des zu beschichtenden Materialbandes anpaßbar. Dadurch kann die Breite des Strahlungsraumes an die Breite des Materialbandes angepaßt werden und die Effizienz der Anlage unabhängig von der Breite des Materialbandes optimiert werden. Bei der Bearbeitung eines Materialbandes, das eine geringere als die maximal für die Anlage mögliche Breite aufweist, werden die sich außerhalb der zugestellten Seitenreflektoren befindenden Emitter nicht eingesetzt. So kann immer eine optimale und damit energiesparende Trocknung bzw. Vernetzung des Beschichtungsmittels erreicht werden. Eine derartige Anpassung der zur Trocknung bzw. zum Vernetzen eingesetzten Energiequellen ist bei herkömmlichen Verfahren nicht möglich und stellt ein großes Problem dar.
  • Zur beidseitigen Beschichtung von Materialbändern ist es sinnvoll, je nach Art des Beschichtungsmittels bzw. des Materials Emittermodule nur auf einer Seite des Materialbandes oder auch beidseitig des Materialbandes anzuordnen. Kann die zum Trocknen bzw. Vernetzen eingesetzte elektromagnetische Strahlung so gewählt werden, daß neben dem Beschichtungsmittel auch das Materialband von der Strahlung durchdrungen werden kann, ist es sinnvoll aus Investitionsgründen Emittermodule nur auf einer Seite des Materialbandes anzuordnen. Zur Steigerung der Effektivität der Anlage ist es dann sinnvoll auf der dem zumindest einen Emitter gegenüberliegenden Seite einen oder mehrere Reflektoren anzuordnen, um die durch das Materialband und die Schichten des aufgetragenen Beschichtungsmittel hindurchgehende Strahlung zurück durch das Beschichtungsmittel und das Materialband zu reflektieren.
  • Bei strahlungsundurchlässigen Materialbändern sowie in den Fällen, in welchen die Vernetzung des Beschichtungsmittels im wesentlichen durch Photoreaktionen bewirkt wird, ist eine beidseitige Anordnung von Emittermodulen vorteilhaft.
  • Zur Trocknung und/oder Vernetzung des Beschichtungsmittels weist die Vorrictung mindestens eine Emitter Laserdiode auf.
  • Gegebenenfalls lassen sich auch über die gesamte Breite des sich schnell in Förderrichtung fortbewegenden Materialbandes mehrere Emitter, vorzugsweise parallel zueinander als sogenannte Emittermodule anordnen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Emitter parallel zur Förderrichtung des endlos geförderten Materialbandes angeordnet. Dies hat den wesentlichen Vorteil, daß die Bestrahlungsstärke über das gesamte Materialband sowohl in Förderrichtung wie auch in der Richtung senkrecht dazu homogen bleibt, auch wenn sich beispielsweise durch den Alterungsprozeß der Emitter bedingt, oder durch einen anderen Effekt die Strahlungshomogenität entlang der Längsrichtung der Emitter verändert, wobei die Annahme zugrunde gelegt werden kann, daß diese Änderung für alle Emitter in gleicher Weise abläuft.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zur Bestrahlung linienförmiger beispielsweise gitterförmiger endlos geförderter Materialbänder in Förderrichtung eine spezielle linienförmige Anordnung der Emitter gewählt, so daß sich jeweils gegenüber einem parallel zur Förderrichtung angeordneten Materialteil des gitterartigen Materialbandes ein im wesentlichen parallel dazu angeordneter Emitter oder gegebenenfalls eine Reihe von hintereinander angeordneten Emittern befindet. Zusätzlich kann zur Erhöhung der Effizienz die von den Emittern emittierte Strahlung durch entsprechende reflektierende Einrichtungen auf die Materialteile fokussiert sein. Ferner ist die Anordnung eines Reflektors auf der dem Materialband im Verhältnis zu den Emittern gegenüberliegenden Seite zur Steigerung der Effizienz der Anlage wünschenswert. Um Beschichtungsmittel, das auf quer zur Förderrichtung verlaufende Materialteile aufgetragen ist, ebenfalls effizient zu Trocknen bzw. zu Vernetzen, sind zusätzlich quer zur Förderrichtung orientierte linienförmige Emitter vorgesehen, die mit den Materialteilen mit deren Fördergeschwindigkeit mitbewegt werden können. Weitere Einzelheiten dieser speziellen Ausführungsform sind in einer von der Anmelderin unter dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zum Aufheizen von kontinuierlich gefördertem, gitterförmigem Material oder dergleichen Strukturen" mit der Anmeldenummer DE 10062633 eingereichten Anmeldung offenbart.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Raum, in welchem flüchtige Komponenten des Beschichtungsmittels, wie beispielsweise Lösungsmittel beim Trocknungsprozeß entweichen, durch eine Quarzglasscheibe von den Emittern getrennt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden zur weiteren Erhöhung der Sicherheit zwischen dem Materialband und dem oder den Emittern zwei nebeneinander angeordnete Quarzglasscheiben vorgesehen, zwischen welchen zusätzlich ein Kühlgas, z.B. Stickstoffgas strömt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Vorrichtung ist zusätzlich eine Gasstrom-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung und Ausrichtung des oben erwähnten Gasstromes und/oder eine Einrichtung zur Leistungseinstellung oder -regelung vorgesehen, wobei die letztere bevorzugt Mittel zur Abstandseinstellung zwischen Strahlungsquelle und Schichtaufbau umfaßt.
  • Bevorzugt ist die Gasstrom-Erzeugungseinrichtung so ausgestaltet, daß ein im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Materialbandes gerichteter, dieses im Einwirkungsbereich der der Bestrahlungseinrichtung überstreichender, insbesondere trockener und kalter Gasstrom mit hohem Impuls erzeugt wird.
  • Eine Vorrichtung zur Herstellung eines quasi-endlosen beschichteten, wickelfähigen Bleches, insbesondere von Karosserieblech für die Automobilindustrie oder von Gehäuseblech für Haushaltsgeräte, mit den Schritten des Aufbringens eines, insbesondere flüssigen, Beschichtungsmittels und des Trocknens bzw. Vernetzen des Beschichtungsmittels zu einer festen dünnen Schicht, die jeweils am schnell durchlaufenden Blech ausgeführt werden, d.h. eine Vorrichtung zur Durchführung des Coilcoating-Verfahrens weist vorzugsweise eine Bestrahlungseinrichtung zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung mit hoher Leistungdichte und/oder im Bereich des nahen Infrarot, die insbesondere ihren wesentlchen Wirkanteil im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1,5 µm hat.
  • Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung bezüglich des Coilcoating-Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Coilcoating-Vorrichtung anhand der einzigen Figur. Diese zeigt skizzenartig eine Coilcoating-Vorrichtung 1 zum Beschichten eines quasi-endlosen Stahlbleches 3, welches auf einen Coil 5 aufgewickelt wird, und zum Trocknen der Beschichtung. Der Coil 5 wird durch einen elektrischen Antrieb 7 in Rotationsbewegung versetzt, und hierdurch wird das Blech 3 unter einem Sprühbeschichter 9 und einer NIR-Trocknungsstrecke 11 entlang bewegt.
  • Durch den Sprühbeschichter 9 wird auf das Blech 3 als Ausgangsstoff für eine Korrosionsschutz- oder Grundierungsschicht 13 eine wäßrige Lösung 13' aufgebracht. Diese wird in einer durch der NIR-Trocknungsstrecke 11 ausgebildeten langgestreckten Bestrahlungszone A mit NIR-Strahlung hoher Leistungsdichte, insbesondere oberhalb von 500 kW/m2, getrocknet.
  • Die NIR-Trocknungsstrecke 11 umfaßt einen massiven A1-Reflektor 15 mit einer Mehrzahl von im Querschnitt annähernd W-förmigen Reflektorabschnitten 15a, der intern wassergekühlt und hierzu über Kühlwasserleitungen 17 mit einem externen (nicht dargestellten) Kühler verbunden ist. Im Zentrum jedes Reflektorabschnitts 15a sitzt ein Emitter 19.
  • Die Emitter 19 werden durch eine Bestrahlungssteuereinheit 21 mit Strom versorgt und derart gesteuert, daß sie NIR-Strahlung mit einem Intensitätsmaximum im Bereich zwischen 0,8 µm und 1,5 µm abgeben.
  • Die der Bestrahlungseinrichtung zugeordnete Bestrahlungssteuereinrichtung ist vorzugsweise geeignet, die Leistungsdichte der Strahlung auf der Oberfläche des Beschichtungsmittels auf einen Wert von mehr als 500 kW/m2, insbesondere mehr als 750 kW /m2 einzustellen, und/oder zur Einstellung der Temperatur im Beschichtungsmittel auf einen Wert oberhalb von 200°C, insbesondere auf einen Wert im Bereich zwischen 200 und 250°C.
  • Im A1-Reflektor 15 ist ein Pyrometerelement 23 zur Erfassung der Oberflächentemperatur der Beschichtung 13 in einer T-Erfassungszone B angeordnet, der mit einem Signaleingang der Bestrahlungssteuereinheit 21 verbunden ist. Die Bestrahlung wird derart gesteuert, daß in der Beschichtung eine im wesentlichen konstante Temperatur eingehalten wird, die in Abhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Ausgangsstoffs 13' der Korrosionsschutz- oder Grundierungsschicht 13 gewählt wird und typischerweise bei ca. 200°C liegt.
  • Durch geeignete Steuerung des Antriebes 7 wird die Durchlaufgeschwindigkeit des Stahlbleches 13 durch die Bestrahlungszone A derart eingestellt, daß eine Verweildauer der wäßrigen Lösung 13' in der Bestrahlungszone A von wenigen Sekunden erhalten wird, welche zum vollständigen Abdampfen der Lösungsmittelkomponente und zur thermischen Vernetzung der Schicht 13 ausreichend ist.
  • Das Blech wird typischerweise mit einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 50 und 200 m/min, insbesondere zwischen 75 und 150 m/min, durch die Trocknungsvorrichtung gefördert. Zur Erreichung von vorteilhaft kurzen Bestrahlungszeiten unterhalb von 10 s, insbesondere unterhalb von 5 s, ist dann eine Bestrahlungseinrichtung mit 2 bis 5 Metern Länge und mehr als einem Megawatt, bevorzugt 2 bis 5 MW, Leistungsaufnahme einzusetzen, die auf der Oberfläche der zu trocknenden bzw. vernetzenden Beschichtung eine Strahlungsleistungsdichte von mehr als 500 kW/m2, insbesondere mehr als 750 kW/m2, erzeugt.
  • Diese Werte sind für die Primärtrocknung bzw. -vemetzung einer als Flüssigkeit oder in Pulverform aufgebrachten Schicht anzusetzen, wo in der Beschichtung im Trocknungs- bzw. Vemetzungsschritt die Temperatur auf einem Wert oberhalb von 200°C, insbesondere im Bereich zwischen 200°C und 250°C gehalten wird.
  • Insbesondere für den Einsatz mit Pulverbeschichtungen kommt das Verfahren bevorzugt ohne eine aktive Gasstromzuführung zur Abfuhr von verdampfenden Beschichtungskomponenten aus; hierzu wird im wesentlichen die Konvektion über der erhitzten Beschichtung ausgenutzt. Bei der Trocknung von flüssigen Systemen kann allerdings durchaus ein die Oberfläche überstreichender Gasstrom, insbesondere ein durch ein geeignetes Gebläse erzeugter Luftstrom, genutzt werden.
  • Zur Qualitätskontrolle bei der Verfahrensdurchführung wird bevorzugt mindestens eine prozeßrelevante physikalische Größe des Beschichtungssystems, insbesondere dessen Temperatur und gegebenenfalls auch optische Eigenschaften, gemessen und zur Prozeßsteuerung ausgewertet.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung von quasi-endlos geförderten und in Förderrichtung bewegten, flexiblen Materialbändem, bei dem ein Beschichtungsmittel auf zumindest eine Seite des Materialbandes aufgebracht und mittels elektromagnetischer Strahlung zumindest teilweise getrocknet und/oder vernetzt wird, wobei die elektromagnetische Strahlung einen wesentlichen Wirkanteil im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung von mindestens einem Emitter erzeugt wird, der als Laserdiode ansgebildet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Intensitätsmaximum der elektromagnetischen Strahlung an die Absorptions- und Transmissionseigenschaften des Beschichtungsmittels angepaßt ist, so daß das Beschichtungsmittel die Strahlungsenergie im wesentlichen gleichmäßig über seine Schichtdicke absorbiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Intensitätsmaximum der elektromagnetischen Strahlung an die Absorptions- und/oder Transmissionseigenschaften des Materialbands derart angepaßt ist, daß die elektromagnetische Strahlung das Materialband zumindest teilweise durchdringt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beidseitig auf das Materialband aufgetragenes Beschichtungsmittel auf beiden Seiten des Materialbandes im wesentlichen gleichzeitig getrocknet bzw. vernetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das beidseitig aufgetragene Beschichtungsmittel mit zumindest einer nur auf einer Seite des Materialbandes angeordneten Strahlungsquelle im wesentlichen gleichzeitig getrocknet bzw. vernetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trocknen und/oder Vernetzen des Beschichtungsmittels zumindest teilweise durch eine Photoreaktion erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung oberhalb von 100 kW/m2, bevorzugt oberhalb von 200 kW/m2 und besonders bevorzugt oberhalb von 500 kW/m2, insbesondere oberhalb von 750 kW/m2 liegt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wesentliche Wirkanteil der elektromagnetischen Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,8 µm bis 2 µm liegt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung weniger als 30s, bevorzugt weniger als 10s, insbesondere weniger als 5s und besonders bevorzugt weniger als 2s dauert.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Oberfläche des Materialbandes vor dem Auftragen des Beschichtungsmittels vorbehandelt, vorzugsweise erwärmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem von dem Beschichtungsmittel abgetrennte flüchtige Bestandteile mittels eines das Materialband überstreichenden Gasstroms abgeführt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei dem Materialband um ein Metallband, insbesondere um ein blankes, verzinktes, oder vernickeltes Stahlblech, insbesondere ein Karosserieblech für die Automobilindustrie oder ein Gehäuseblech für Haushaltsgeräte handelt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Beschichtungsmittel ein Lack, insbesondere ein Nass- oder Pulverlack, eine Beschichtung zum Korrosionsschutz, zur Vorbehandlung und/oder zur Funktionalisierung der Oberfläche des Materialbandes, eine Leitfähigkeitspaste, oder ein Photolack ist.
  14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 oder 13 wobei ein Substrat, ausgewählt unter einem thermoplastischen Substrat, einer Metallfolie einer Kunststoffolie, einer Glasplatte, einem Werkstoffverbundsystem oder einem Laminat benutzt wird.
  15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere mit den Schritten des Aufbringens eines Beschichtungsmittels und des Trockenens bzw. Vernetzens des Beschichtungsmittels zu einer Beschichtung, die jeweils am durchlaufenden Materialband ausge-führt werden, welche aufweist:
    - eine Zuführungs- und Vorschubeinrichtung für das Materialband,
    - eine Zuführungs- und Schichterzeugungseinrichtung zur, insbesondere kontinuierlichen Zuführung und Aufbringung des Beschichtungsmittels auf dem Materialband,
    - eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung mit hoher Leistungsdichte und/oder im Bereich des nahen Infrarot dadurch gekennzeichnet dass sie als Laserdiode ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Schichterzeugungseinrichtung im wesentlichen geschlossen ist und deren innere Wände mit zumindest einer elektromagnetische Strahlung reflektierenden Vorrichtung versehen sind.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, welche des weiteren Seitenwände aufweist, die im wesentlichen zu dem geförderten Materialband zustellbar und unter Ausbildung des Bestrahlungsbereichs an die Breite des Materialbandes anpaßbar sind.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei welcher zumindest jeweils ein Emitter auf jeder Seite des Materialbandes vorgesehen ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei welcher der Emitter eine im wesentlichen längliche Form aufweist und längs der Förderrichtung des Materialbandes ausgerichtet ist.
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