JP2007502695A - 高エネルギー電子ビームまたはx線を用いた車体上のコーティング硬化方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、密集複合した三次元の車体のコーティングを硬化するために、中〜高電力(1kWと同等またはより大きく)および中〜高エネルギー(1Mevと同等またはより大きく)の電子ビームまたはX線を使用することに関する。当該中〜高電力および中〜高エネルギーは、複数層の鋼の硬化を可能にするために適切なスループットと侵入度を有し、それゆえ、車体の折り曲げ、折り重なり、湾曲による影を貫通できる。加えて、当該中〜高電力および中〜高エネルギーは、割れ目や隙間表面に堆積したより厚いコーティングを硬化するために、適切なスループットと侵入度を有する。本発明は、コーティングを硬化可能な電子ビームの使用を可能とし、その結果、車両産業で通常使用される塗料を構成する溶剤に用いられる無反応溶剤に関連する、火災の危険、有害性大気汚染物質、揮発性有機物などの問題を低減する。
Description
この特許出願は、2003年7月31日出願、同名称の米国特許出願番号10/630,785の利益を主張し、当該米国出願の開示全体が引用によりここに組み込まれている。
本発明は、コーティングを硬化するために、中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビームまたはX線を使用することに関する。より詳細には、本発明は、車体などの密集複合した三次元対象物上のコーティングを硬化するために、中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビームまたはX線を使用することに関する。
コーティングの主な成分は、溶剤および接合剤、選択的に顔料、添加剤および増量剤である。溶剤は、他の構成成分を分散させて、さらに、粘着性を低減させて、容易で、滑らかで均質な塗布を保証するために添加される。かつて、コーティングのほぼ70%は、溶剤から作られていた。最も広く使われていた有機溶剤は、トルエン、キシレン、メチルエチルケトンおよびメチルイソブチルケトンである。
1990年代半ば、Ion Beam Applications、S.A.(IBA)は、革新的な中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビーム加速器のシリーズを紹介した。Rhodotron(登録商標)TT100は、10MeV(3.5mA)で最大35kW生成する。Rhodotron(登録商標)TT200は、10MeV(10mA)で100kWまで、5MeV(20mA)で最大100kW生成する。Rhodotron(登録商標)TT300は、10MeV(20mA)で200kWまで、5MeV(27mA)で最大135kW生成する。Rhodotron(登録商標)TT200およびTT300のビーム電力は、連続的な工業系事業において、それぞれ、80kWおよび150kWが保証されている。IBAは、世界初の超高電力工業加速器であるRhodotron(登録商標)TT1000の構築を完了し、テストの最終段階にあり、該TT1000の電力は、7MeVおよび700kWと見積もられている。加速器のRhodotron(登録商標)ファミリーは、米国特許5,107,221号に記述されており、その全記載は、ここに参照することにより本書に組み込まれる。
IBAによって生成されるような高電力、高エネルギー電子ビームのための媒体の最新の生成は、車体のように複雑な三次元の表面を持つ大きく厚い対象物上のコーティングを硬化するのに十分なスループットおよび侵入度を有する。したがって、本発明の一つの態様は、車体上の1以上のコーティングを硬化する方法であって、次を含むものである:(i)少なくとも1の電子ビーム硬化性コーティングで前記車体をコーティングし;(ii)1以上の中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビーム中に、前記車体を1回以上通過する。
図1Aは、本発明に使用される垂直迷路の上面図である。
6.1 定義
ここで使用される、以下の用語は、以下の意味を有するように意図されている。
中〜高電力、中〜高エネルギー工業的電子加速器の出現により、現在、車体の塗装およびコーティングの硬化に電子ビーム技術が使用されており、その結果、硬化スピードが向上し、工場フロアスペースが削減され、揮発性放射が低減され、エネルギーコストが削減されている。電子ビームは、鋼パネル上のコーティングを硬化するために適しているだけでなく、硬化中の低温性から熱可塑性パネル上のコーティングの硬化にも適している。本発明に従って、車体上の1以上のコーティングを硬化する1以上の電子ビームまたはX線を生成するために、少なくとも1の中〜高電力、中〜高エネルギー加速器が使用される。
電子硬化性およびX線硬化性コーティングは、基本的に類義語である。物理学的に異なるかもしれないが、化学的反応は基本的に同一である。しかしながら、高電力および高エネルギーの要求は電子をX線に変換することを必要とするので、電子ビームの方がX線よりももともとは好まれている。したがって、従来技術および本論述では、電子ビーム硬化性フィルムに注目する。しかし、ほとんどの電子ビーム硬化性樹脂はX線硬化性でもあることが理解されねばならない。
加速器は、電子的エネルギーを使って自由電子を生成し、自由電子を高速度に加速させ(これによって、それらに高い運動エネルギーを与える)、通常コンベアまたは他のタイプの運搬システムにより運ばれる物質に自由電子を案内する機械である。選択的に、十分な電力およびエネルギーのビームを与えるために、電子は、電子をX線に変換するタンタル板などのような変換目標物に案内されてもよい。ここで、X線は、電子よりも侵入力が高い以外、電子と同じ機能を有する。
ここで、“E”はMeV単位のビームエネルギー、“d”はg/cm3単位の密度である。正確な侵入度は、密度や原子番号で変化するが、これは、一般的に、MeV当りおよそ3〜4ミリメーターの材料侵入度に相関がある。
中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビーム加速器は、さまざまな配列で配置されうる。3つの配列を次に詳細に示す。
ある実施形態では、完成した車体が連続的なコンベアシステムで運ばれて、複数の固定されたビーム走査部(たとえば2〜4個またはより多く)を有するヴォールトに入れられる、ここで、ビーム走査部は、中〜高エネルギー、中〜高電力電子ビームを供給する。たとえば、ビームは、幅3mまでの領域をカバーするために対象物の両側から放射される。加速器は、ヴォールトに隣接している複数の部屋に位置する。走査部は、車体全体にそれぞれ均一な線量が確実に放射されるように、ヴォールト内に戦略的に配置されている。
他の実施形態では、連続的なコンベアによって運ばれた完成した車体は、単一の加速器および操作部が使用されるヴォールトに入る。この実施形態では、走査部は、いかなる水平、垂直または角度が付けられた方向にも向くように、配置されている。好ましくは、走査部は、ヴォールトの中央で下方向に向くように垂直に取り付けられ、または、ヴォールトの横から中央に向くように水平に配置される。均一な線量放射を達成するために、コンベアは、車体がヴォールトを通過する際に、ビームと直面するように車体を傾けるようにプログラミングされている。換言すると、ビームの直接的な視線方向から隠れる総表面領域を低減するために、車体はビーム中で舞う。第1実施形態では、車体は45°まで傾かされた。本他の実施形態では、車体は2軸上で傾けられる。
ある実施形態では、水平または垂直走査ホーンを有する1以上の高電力加速器がX線変換目標物に取り付けられ、X線をヴォールトに導き、本質的に、ヴォールト全体をX線照射野内に浸漬される。最新世代の中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビームは、大量のX線の生成を可能とする。高電力および高エネルギーはX線変換を容易にするので、高電力高エネルギービームが好まれる。この関連で、IBAは、世界初の超高電力工業加速器であるRhodotron(登録商標)TT1000の構築を完了し、テストの最終段階にあり、該TT1000の電力は、7MeVおよび700kWと見積もられている。
迷路中で車体を移動させるために、いかなる周知のコンベアシステムが利用されてもよい。オーバーヘッドおよび変換された電力および自由コンベアおよびチェーンコンベアの混合が一般的である。適当なコンベアシステムは、Jervis Webbなどの企業から商業的に利用可能である。コンベアシステムの原則的要求は、迷路中の車体を移動させ支持するのに適切で、ビームによる均一な線量を確保するために車体のスピードおよび角度を制御できることである。供給された線量は、ビームによるコンベアのスピードに反比例する。
全ての照射がヴォールト内に含まれることを保証する一つの方法は、車体がヴォールトに入る前に、“迷路”を通過することを伴う。このヴォールトおよび迷路は、迷路の入り口または出口において照射レベルを背景強度まで低減するために、内部表面から4つまたは5つの散らばりを生成するように設計されている。どんな特定の設備設計のヴォールトおよび迷路の外側の照射レベルでも、正確にモデル化するコンピュータコードが商業的に利用可能である。
鋼のブロックの断熱温度上昇は、鉄に伝達される線量のkGyごとに約2.27℃である。したがって、40kGyの線量は、環境温度を超える91℃の温度上昇、換言すると約120℃という最大温度までの上昇を即座に引き起こす。この温度上昇は、許容範囲内に違いない(塗装された車体は、現行の炉焼き工程中にこれより高い温度にやがてさらされるからである)。さらに、空気(または他の)冷却システムはこの温度上昇を低減しうる。車体の全表面領域のうちのほんの小さな部分だけが瞬間的にビームエネルギーにさらされ、より低く要求された線量に比例して温度上昇も低下する。たとえば、20kGyの線量は、約45℃の環境を超えて、理論上の最大温度上昇に帰着する。概して、温度上昇は深刻な問題ではない。
コーティングを硬化する電子ビームの硬化率は、照射チャンバ内の酸素の存在によって妨げられる。電子はフリーラジカルの生成によりコーティングを硬化する。酸素は、フリーラジカル清掃物なので、フリーラジカルの工程を遅延させる。この影響が重大である場合、電子硬化性コーティングにおいて過酸化物清掃物を組み込むことによって、酸素レベルを低減できる。代わりに、不活性ガス(たとえば窒素ガス)をパルスすることによって、および/または真空吸引によって、酸素レベルを低減できる。その製品は、また、真空によってシールされるか、不活性ガスによって充填されたバッグ内に詰められる。酸素によって大きな影響を受けない硬化率の電子ビーム硬化性コーティングを選択することが好ましい。適当な塗料は、たとえば、Strathmore(ニューヨーク)によって生成され、B95−0002U(S 26992)と呼ばれている。StrathmoreのB95−0002Uは、電子ビーム硬化性、陽イオン性、黒色、脂環式のエポキシ製剤である。
本発明の方法は、複数の利益を提供する。第1で最重要なものとして、本方法は、車両コーティング産業において使用される無反応溶剤をなくすか低減することが可能である。上述のように、溶剤は、火災の原因となり、HAPおよびVOCの発生源となる蒸気を発生し、このため、高価でエネルギー消費が高いVOC減少装置を強いる。第2に、電子ビームおよびX線は、極めて迅速な硬化を提供し−潜在的には車体1台に対して1分より短い−即座な起動および終了機能も提供する。これは、上昇、硬化および下降に多くの時間を要する従来の熱オーブンに比べて、スループットを増加する。第3に、電子ビームおよびX線硬化は、低温度工程である。製品内で内部温度が発生するが、これらの工程は、熱可塑性物質のような熱に敏感な物質に対してもやさしい。感熱物質は、車体や基礎コーティングの多様な部分にしばしば見られる。第4に、照射硬化性コーティングがしばしば単一構成材要素であるので、塗布の前に長い持続期間および長いポットライフを有する傾向にある分類の照射硬化性コーティングを許容する。第5に、この同じ傾向で、照射硬化性コーティングは、強度、耐溶剤性、汚れ防止、磨耗防止のような、良い物理的特性を示す傾向にある。実際、照射硬化性コーティングにおけるより低い揮発性成分は、光沢、良い体型および低い収縮性を車体に与える。第6に、電子ビーム加速器は、熱オーブンに比べてエネルギー効率が良い。従来のシステムにおける溶剤の蒸発または熱反応のために必要な熱エネルギーは、オーブンが非効率なので、電子ビームシステムで使用されるエネルギーよりも大規模である。10MeV、200kWの加速器は、約500kWの電力を必要とする。コストが5セント/kW時間であると見積もられた場合、料金は25$/時間である。これは熱オーブンに比べて実質的なコスト削減である。第7に、電子ビーム加速器は、従来の熱オーブンよりも少ないフロア空間しか必要とせず、電子ビーム硬化設備のための主要コストは熱硬化設備と比べて遜色ない。
本発明は、車体上の硬化コーティングについて大きく詳述されてきたが、これに限定されるものではない。他の大きな三次元対象物のコーティングを硬化する際に出会う、似たような問題も、本発明により解決される。したがって、本発明は、いかなる三次元構造物、たとえば、家具(食器棚、机など)、芝刈り機のフレーム、ボート、自転車、建設用機器、造園機器などにも適応可能である。本発明は、特に、シート状素材が折り曲げ、折り重なり、湾曲されて形成されるいかなる三次元対象物上のコーティングの硬化にも適用可能である。適当なシート素材は、金属、樹脂、ガラスファイバー、カーボンファイバー、ゴム、木材またはそれらの組み合わせを含む。
7.1 実施例1:モンテカルロシミュレーション(電子ビーム)
高エネルギー電子で車体上のコーティングを硬化するのに必要とされる時間を見積もるために、演算がなされた。特に、ITS3 TIGERモンテカルロコードは、5,7および10MeVの電子ビームで照射された電子吸収材内の深さ−線量分布を演算するために使用された。各ケースでは、鉄の厚さは、一次電子の最大範囲よりも大きいものとした。鉄の表面は、コーティング中のエネルギー堆積(吸収された線量に比例)と鉄中のエネルギー堆積との相違を評価するために、アクリル材料によりカバーするものとした。
A/T=KT/D
ここで、A/TはM2/分単位の領域スループットであり、IはmA単位の電子ビーム電流であり、DはkGy単位の吸収線量である。電子ビーム電力は、各ケースで200kWが想定された。したがって、電子ビーム電流は、5MeVで40mA、7MeVで28.6mA、10MeVで20mAであった。コーティング中の吸収線量は40kGyが想定された。
高エネルギーX線を用いて車体上のコーティングを硬化するのに必要とされる時間を見積もるために、類似の演算がなされた。その結果は、一般的な目標組立体上に5、6、7MeV電子によって生成されたX線を用いて厚い鉄吸収材中の深さ−線量分布を演算するために、ITS3 TIGERモンテカルロコードを用いて得られた。想定された目標構造体は、加速器からの全一次電子を停止するのに十分な厚さであった。電子深さ−線量分布のX線“バックグラウンド”は、目標物を超えて目標物から電子吸収材まで広がった。深さ−線量分布の残りの“テイル”は、この報告のために必要なデータを提供した。
高エネルギー陽子の平行ビームを起こす表面−線量集積効果はない。
ここで、A/Tは領域スループット率であり単位m2/分で示され、Iは電子ビーム電流で単位mAで示され、Dは吸収線量で単位kGyで示される。製品コンベアの領域を上から走査することによって、ビーム電流のいかなる損失に対しても、堆積されない。電子ビーム電流は、100mAに想定され、コーティング内の吸収線量は40kGyに想定された。
従来の電子コーティングおよび下塗で前処理された15枚のスチール板(4”×12”)が電子ビーム硬化性色素(銀)基礎コーティングでスプレー塗装された。この基礎コーティングの後、全15枚の塗装された板は、従来の透明コーティングによりスプレー塗装された。これらの板のうち5枚は、10kGyから50kGyまで値を増加させて、標準の運搬用トレーを用いて、高エネルギー電子ビーム照射装置(8kW、12MeV)で個々に処理された。基礎コーティングおよび下塗を含む残りの10枚の板は、5枚の板からなる2つのスタックに組み立てられ、30kGyおよび40kGyで処理された。図12に図示されるように、各板スタック1200は、角の穴1220を通じて互いにボルト締結され、スペーサ1230(厚さ0.25インチ)によって互いに分離された個々の板1210からなる。加えて、電子コーティングでコーティングされた単一の板、および電子コーティングおよび下塗でコーティングされた単一の板が、単に10kGyから50kGyまでの増分で処理された。
車両用金属下塗は、6インチ×6インチの亜鉛メッキされた鋼板13枚の両側に加えられた。図12を再び参照すると、各板1210は、0.8mm(1/32インチ)の厚みを有する。直径0.25インチの一つの穴1220は、各穴1220の中心が最も近い角から0.5インチとなるように、各板1210の各角をドリル穴開けされて形成される。
8.1 参照による組み込み
本明細書で言及された全ての公報、特許および特許出願は、各個別の公報、特許または特許出願が参照により組み込まれるために特別におよび個別に指定されたのと同じ範囲で、ここに組み込まれる。ここで引用されたいかなる参照も従来技術としての自白を形成するものではない。
本発明は今完全に説明され、本発明の思想および範囲から離れることなく多くの変更および変形が加えられることは当業者にとって明らかである。したがって、本発明の範囲は、法によって定義されるように、特許請求の範囲の限定およびそのいかなる均等物によって決定される。
1210 個々の板、
1220 角の穴、
1230 スペーサ。
Claims (26)
- 車体上の1以上のコーティングを硬化する方法であって、
(i) 少なくとも1の電子ビーム硬化性コーティングで前記車体をコーティングし、
(ii) 1以上の中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビーム中に、前記車体を1回以上通過する方法。 - 前記車体は、1以上の高電力、高エネルギー電子ビームの中に、1回以上通過される請求項1の方法。
- 前記車体は、連続的なコンベアシステムによって移動され、前記車体の両側から1以上の加速器によって生成される中〜高エネルギー電子ビームを供給する複数の電子ビーム走査部を有するヴォールト(vault)を通過する請求項1の方法。
- 前記車体は、複数回前記ヴォールトを通過する請求項3の方法。
- 単一の電子ビーム加速器および走査部が用いられ、前記車体がヴォールトを通過する際に前記車体が前記ビームの方を向くように、連続したコンベアが前記車体を傾ける請求項1の方法。
- 前記車体はヴォールトを複数回通過する請求項5の方法。
- 前記車体は、電子コーティング、下塗、基礎コーティングおよび透明コーティングでコーティングされる請求項1の方法。
- 前記基礎コーティングは電子ビーム硬化性コーティングである請求項7記載の方法。
- 前記電子ビーム硬化性コーティングは、不飽和オリゴマーまたはポリマーである請求項1の方法。
- 前記ビーム硬化性コーティングは、アクリル酸機能オリゴマーまたはポリマーである請求項9記載の方法。
- 車体上の1以上のコーティングを硬化するための方法であって、
(i) 少なくとも1のX線硬化性コーティングで前記車体をコーティングし、
(ii) 中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビームを金属目標物に衝突させて生成される1以上のX線照射野中に、前記車体を1回以上通過する方法。 - 前記車体は、高電力、高エネルギー電子ビームを金属目標物に衝突させて生成される1以上のX線照射野(fields)中に、1回以上通過される請求項11の方法。
- 前記車体は、コンベアによって移動され、単一のX線照射野中に当該車体が浸漬されるヴォールト内を通過する請求項11の方法。
- 前記車体は、複数回前記ヴォールトを通過する請求項13の方法。
- 前記車体は、コンベアによって移動され、複数のX線照射野中に当該車体が浸漬されるヴォールトを通過する請求項11の方法。
- 前記車体は、複数回前記ヴォールトを通過する請求項15の方法。
- 前記車体は、電子コーティング、下塗、基礎コーティングおよび透明コーティングでコーティングされる請求項11の方法。
- 前記基礎コーティングはX線硬化性コーティングである請求項17記載の方法。
- 前記X線硬化性コーティングは、不飽和オリゴマーまたはポリマーである請求項11の方法。
- 前記X線硬化性コーティングは、アクリル酸機能オリゴマーまたはポリマーである請求項19記載の方法。
- 折り曲げ、折り重なり、湾曲されて三次元構造体にされたシート素材から形成される対象物上の1以上のコーティングを硬化する方法であって、
(i) 少なくとも1の電子またはX線硬化性コーティングで前記対象物をコーティングし、
(ii) 中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビームまたはX線照射野中に、前記対象物を1回以上通過し、ここで、前記ビームまたは照射野の視野方向外部のコーティングの領域を硬化するために、少なくとも1の電子ビームおよび/またはX線照射野が複数層の前記シート素材を通じて侵入可能である。 - 前記シート素材は、少なくとも0.4mmの鋼の相当面密度を有する請求項21の方法。
- 前記シート素材は、鋼板である請求項22の方法。
- (i) 折り曲げ、折り重なり、湾曲されて三次元構造体にされたシート素材から形成され、1以上の電子ビームまたはX線硬化性コーティングによりコーティングされた1以上の対象物と、
(ii) 電子ビームおよび/またはX線照射野中に、1以上の前記対象物を通過させるコンベアシステムと、
(iii) 前記ビームまたは照射野の視野方向上にないコーティング領域を硬化するために、多数層の前記シート素材を通じて侵入可能な1以上の中〜高電力、中〜高エネルギー電子ビームおよび/またはX線照射野を生成可能な1以上の加速器と、
いう構成要素を含む設備。 - 前記シート素材は、少なくとも0.4mmの鋼の相当面密度を有する請求項24の設備。
- シート素材は鋼板である請求項25の設備。
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