WO2014202724A1 - Verfahren zum beschichten einer oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden substrates mit pulverlacken - Google Patents

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WO2014202724A1
WO2014202724A1 PCT/EP2014/062949 EP2014062949W WO2014202724A1 WO 2014202724 A1 WO2014202724 A1 WO 2014202724A1 EP 2014062949 W EP2014062949 W EP 2014062949W WO 2014202724 A1 WO2014202724 A1 WO 2014202724A1
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substrate
powder
powder coatings
electrostatic
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PCT/EP2014/062949
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Thomas LENDL
René MATTERN
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Igp Pulvertechnik Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a method for coating a surface of an electrically non-conductive substrate with powder coatings.
  • WO 02/04694 A1 shows a method for applying a coating to a plastic surface by means of a thermal spraying method, wherein the first layer
  • Adhesive is applied.
  • the need for such a primer is considered disadvantageous at the present time.
  • WO 2007/054289 A2 discloses an aqueous powder dispersion and a method for applying such a dispersion to a plastic or a fiber composite.
  • WO 02/46321 A2 shows an aqueous effect
  • Solvent and a method for its use, inter alia, on a plastic or fiber composite.
  • WO 2010/028848 AI apparently a water-based composition of a two-component paint, which in the
  • the curing temperature is below 40 ° C.
  • Such two-component systems are complicated to use, a correct mixing ratio must be considered.
  • EP 1 321 197 A2 discloses a coating method with
  • Powder coatings wherein the powder coating is applied by means of a transfer belt from a fluidized bed to a substrate.
  • the substrate may be conductive or non-conductive.
  • US 2010/266782 A1 discloses a coating method for conductive and non-conductive workpieces by means of two or more powder application. A first applied powder gels on a preheated surface, at least one further powder is applied and the coating is cured by heat input. It is an object of the invention to overcome the disadvantages of the prior art. In particular, a method for
  • an electrically nonconducting substrate is understood as meaning a material or a material having a surface resistance of greater than 10 12 ⁇ (according to DIN EN 61340-2-3: 2000). It should be noted that the determination of the surface resistance is carried out on specimens which are cuboid-shaped and have a dimension in all directions of at least 1 mm x 110 mm x 120 mm (thickness x width x length).
  • a test specimen is to be formed from a plurality of superimposed substrate sections, so that the resulting thickness is at least 1 mm.
  • the determination of the surface resistance should in each case be carried out on at least 3 test specimens, the measured values obtained are too mittein. Measuring probes are to be used as specified in DIN EN 61340-2-3: 2000.
  • the surface of the specimens should be cleaned with a soft cloth moistened with isopropanol. After this cleaning and before the
  • the specimen is to be conditioned for at least one hour at 23 ° C +/- 2 ° C and a relative humidity of 30%.
  • the measurement must be carried out with a test voltage of 100 V. It is the
  • Specimens are at least three measurements to perform, the measurement results per sample are too mittein. All other data relevant for determining the surface resistance can be found in DIN EN 61340-2-3: 2000. In this way, a classification (conductive, dissipative, insulating) of a substrate before coating can be made. Here and in the following, electrostatic properties are discriminated.
  • Measuring device by Wolfgang Warmbier for example. SRM-200 done. Thanks to the integrated electrodes, even smaller substrates with a size of at least 80 mm x 80 mm x 1 mm can be measured.
  • Powder coatings comprises the steps: - Providing a substrate to be coated,
  • Thermosetting, reactive system comprises,
  • the substrate for example, brought from a warehouse and for the
  • Preheating is provided or delivered by a supplier on time for preheating.
  • Preheating is also possible to produce the substrate on site for immediate further processing.
  • partial, in particular substantially complete degassing of the substrate can be effected.
  • the substrate is more or less degassed.
  • the substrate is not damaged by the preheating and / or deformed. Suitable conditions can easily be established by the person skilled in the art, depending on the substrate used.
  • the surface resistance of the substrate is lowered by the preheating to a temperature of 40 to 140 ° C of the substrate to be coated. Especially at
  • the surface resistance can reduce when heated and the corresponding at room temperature electrically insulating substrate are conductive.
  • the coating of the surface with powder coating takes place
  • the powder coating comprises a reactive system, which is curable in particular to form a thermoset, which chemically crosslinks during curing.
  • Reactive systems crosslink during curing and become so
  • Thermosets It thus forms a robust coating layer on the substrate.
  • Such systems form a lacquer layer with high chemical and mechanical-technological properties, ie with a high resistance under load.
  • An inventive coating with powder coating is particularly environmentally friendly, since no solvents are used and any generated overspray can be easily recycled. It can be produced in a single-coat order higher layer thicknesses compared to the liquid paint, whereby they are very resistant to the action of moisture.
  • powder coatings have a high abrasion resistance and are
  • the adhesion can be mediated only by electrostatic effects substantially without melting the powder coating on the substrate.
  • the coating temperature with respect to the powder coating used may be selected such that the temperature below the gelation temperature of
  • the coating temperature corresponds to the temperature of the surface of the substrate immediately before the impact of the powder coating liquid on the substrate.
  • the coating temperature can also be above the
  • Powder coatings in particular by spraying, the surface of the substrate is cooled by the air flow during spraying, for example by means of a spray gun. Therefore, the adhesion is mediated here only by electrostatic effects substantially without melting the powder coating on the substrate.
  • the coating of the surface may take place at an elevated temperature, which is the aforementioned preheating temperature
  • the preheating can take place, in particular in the convection oven, in a temperature range as described above. Of Furthermore, the preheating can take place over a period of 5 seconds to 90 minutes.
  • the preheating can alternatively take place in the infrared and / or near-infrared oven (NIR).
  • NIR near-infrared oven
  • Radiant temperature the wavelength spectrum of the radiator, the nature of the substrate, the use of filters and the IR or NIR absorption behavior of the substrate, this is heated to the desired temperature.
  • the appropriate parameters for this are individually by simple field tests
  • the temperature of the preheating is in one
  • Preheating temperature can be easily determined by practical tests. It should be noted that the shape of the workpiece is maintained by the thermal load.
  • the surface to be coated Before coating, the surface to be coated can be cleaned. Such cleaning removes coarse dust and grease particles from the surface.
  • Cleaning can be done mechanically by brushing or by wiping with a lint-free wipe.
  • the brush or wipe may be moistened with, for example, an alcohol-water mixture, preferably an isopropanol-water mixture having a ratio of 50/50.
  • an alcohol-water mixture preferably an isopropanol-water mixture having a ratio of 50/50.
  • Preheat carried out but can also be carried out after preheating, depending on the type of pretreatment. An increased
  • the pretreatment may be a process selected from the group:
  • Flaming is the simplest method in the field of plastics to activate a surface, to modify the microtopography and at the same time to remove impurities, in particular organic contaminants. Excess oxygen causes the flame to enter the oxidizing area added. This creates polar groups on the surface that activate them. For a short time, the substrate is at its
  • the substrates may be treated with a gas burner and e.g. Propane gas, butane gas or propane-butane gas mixture are flamed.
  • the distance of the flame is typically about 3 cm to 15 cm and the speed of the sweep of the surface of 1 cm / s to 20 cm / s.
  • the surface is activated by the flaming and can with the subsequently applied
  • Powder coating layer to achieve improved intermediate adhesion.
  • the activation of the surface takes place
  • a Pyrosil® layer can be deposited, which increases the surface tension, hydrophilizes the surface and forms a defined chemical
  • a plasma treatment of the substrate can be carried out, for example, with the OpenAir plasma method at atmospheric pressure.
  • energy is supplied to a gas, so that it goes into the plasma state.
  • This energy can be in the form of
  • Heating, applying an electrical voltage or feeding of electromagnetic waves are supplied.
  • Plasma jet is a mixture of mostly positive charged ions, electrons or neutrons.
  • the resulting plasma jet flows onto the substrate and generates polar groups on the substrate surface, so that the surface tension and thus the adhesion of the subsequent lacquer layer are increased.
  • the substrate surface does not increase or only slightly increases. Also the
  • the plasma jet also cleans the surface and removes possible dirt, dust or grease residues,
  • any gas inclusions in the substrate can be expelled to some extent, which subsequently allows for improved surface quality. Similar to flaming, the surface is activated by the plasma treatment, so that with the subsequently applied powder coating an improved
  • the increase of the surface tension of the substrate can be generated before and / or after preheating.
  • a surface tension can already be generated by the manufacturer of the substrate or directly at the time of delivery or at the incoming inspection.
  • the step of coating with powder coating can be carried out by a method or a combination of methods selected from the group: spraying, in particular with a corona or tribo process,
  • a coating by spraying with powder coating has the
  • Spray gun emitted powder cloud homogeneous and "soft", so that a uniform coating is made possible
  • a coating by means of vortex sintering allows a
  • Temperature of the substrate are controlled with sufficient accuracy
  • a thicker lacquer layer can be applied than when spraying.
  • Fluidizing be additionally charged electrostatically and simultaneously provided the substrate to be coated with an opposite charge, especially on its side facing away from the surface to be coated is provided with a Schmidtpol, a thicker coating layer with the same or shorter residence time as in the vortex sintering arise.
  • the spray application can be carried out in parallel and / or downstream from the respective other method.
  • the underside of the profiles can be easily and quickly coated.
  • the coating of the top takes place in parallel or subsequently with one of the known spray applications with corona or
  • the top and bottom of the substrate can be so in one step and / or in one
  • the step of curing the powder coating layer can be done by a method selected from the group:
  • IR infrared radiation
  • NIR near infrared radiation
  • UV ultraviolet radiation
  • convection heat and / or IR radiation and / or NIR radiation for melting and / or curing the lacquer layer
  • Crosslinking becomes a multiplicity of individual macromolecules of the
  • Powder coating linked to a three-dimensional network Powder coating linked to a three-dimensional network.
  • the energy required for curing, in particular for melting and for crosslinking can be entered thermally by convection and / or radiation energy.
  • the energy can in the form of infrared radiation with a wavelength of 3 ⁇ to 50 ⁇ , near infrared radiation with a
  • Wavelength of 0.7 ⁇ to 3 ⁇ or ultraviolet radiation having a wavelength of 1 nm to 380 nm are introduced.
  • the primer may be in the substrate
  • adhesion promoters can also lead to undesirable color changes of the powder coating.
  • Solvent free Powder coatings are generally preferable to those with solvents in terms of environmental aspects. Also the
  • Material utilization is significantly higher due to increased recoverability of the solvent-free powder coating and can be up to 97%, depending on the application.
  • the powder coatings may be selected from the group comprising:
  • Polyester powder coatings meet the highest demands with regard to weathering stability. They are resistant to UV radiation and offer long-term protection, especially for outdoor use, for example for façade applications. In addition, with
  • Polyester powder coatings achieve excellent coating quality.
  • the polyester powder coatings can be different Have networking mechanisms. Systems based on polyaddition do not release any cleavage products during crosslinking. Accordingly, no pinholes or rough will be
  • the paint film can flow away and ensures a smooth flow on the
  • Start temperature understood at which the starter molecule or initiator splits and the reaction can start.
  • Polyester resins are crosslinked with each other. The properties of the two pure systems are combined so that one
  • Polyurethane powder coatings offer a very good flow and excellent weathering and chemical resistance. So are polyurethane powder coatings because of their durability
  • Crosslinking temperatures can reduce energy costs during curing.
  • Fluoropolymer powder coatings have a particularly high UV resistance. They are always used when these outstanding UV resistances are required.
  • polyamide powder coatings have a high degree of flexibility, so that their application to moving or bending and / or torsion-loaded components is preferred.
  • the reactivities of powder coatings can be adjusted specifically. It is distinguished between
  • NT systems ie low-temperature powder coatings, can already be cured at temperatures from 130 ° C., usually from 140 ° C. By using such NT systems can be cured at temperatures from 130 ° C., usually from 140 ° C. By using such NT systems can be cured at temperatures from 130 ° C., usually from 140 ° C. By using such NT systems can be cured at temperatures from 130 ° C., usually from 140 ° C. By using such NT systems can
  • the thermal load of the substrate is reduced.
  • NT systems ie ultra-low temperature powder coatings. These can already be cured at temperatures below 130 ° C, for example at 120 ° C or even at 105 ° C. The development even goes in the direction of temperatures well below 100 ° C. With such UNT systems, it is also possible to coat substrates with powder, which must not be exposed to a higher temperature. The energy required for curing is further reduced.
  • the powder coating may include electrostatic additives that affect the electrostatic properties. Due to their conductivity, these ensure increased conductivity of the powder coating. In this way, poorly conductive substrates can be coated by means of electrostatic coating processes. Electrostatic additives change the electrical
  • Electrostatic additives are known in the field of metal coatings, where they can in particular reduce Faraday cage effects.
  • the substrate may comprise a material selected from the group comprising:
  • GRP glass fiber reinforced plastic
  • PA polyamides
  • MDF medium density fibreboard
  • HDF High density fiberboard
  • CFRP - carbon fiber reinforced plastic
  • the curing of the powder coating on a wood-based substrate can likewise take place in the temperature range from 80 to 170 ° C., preferably 100 to 160 ° C. particularly preferably 120 to 140 ° C. If the relative humidity is too high
  • Moisture of the substrate occurs paint defects in the form of bubbles and ejection. At a too low relative
  • the substrate may comprise a material having a content of glass fibers or of carbon fibers between 20% to 80%, in particular between 30% to 70%, preferably between 40% to 60%.
  • Such substrates allow a considerably higher mechanical load.
  • such substrates as technical
  • the substrate Before coating the substrate, the substrate can be at least partially degassed by thermal action. Such degassing prevents or reduces the formation of bubbles during curing of the powder coating and thus favors a smooth surface of the coating.
  • the invention relates to a method for
  • the invention further relates to the use of a
  • Powder coating comprising one or more electrostatic additives for coating a surface of an electrically non-conductive substrate.
  • a substrate, in particular a non-conductive substrate, with a coated surface produced by a method as described above has the stated advantages.
  • FIG. 1 shows a diagram which shows the
  • Temperature curve and the surface resistance of a substrate as a function of time maps The substrate was placed in a heating oven for 10 seconds to heat and then removed from the oven.
  • the temperature of the stove was constant at 130 ° C. Depending on the thickness of the substrate, this is heated to a temperature between the ambient temperature (outside the furnace) and the temperature of the heating furnace (see.
  • Cooling process measured at room temperature. The measured values are plotted directly after removal from the heating furnace for 2 min. 30 sec.
  • Room temperature cools the substrate to 36 ° C within one minute.
  • the surface resistance increases with decreasing temperature of about 5xl0 10 ohms to about 7x1 ⁇ 11 ohms within a minute. In this area can be complete and
  • Conditions has a sufficiently conductive surface.
  • FIG. 2 shows substrate coatings with characteristic surface resistances. The substrates were preheated and then by electrostatic powder application
  • Figure 2A shows a coated substrate wherein the substrate was not preheated and had a surface resistance of> 10 12 ohms. After an electrostatic powder application, the substrate is insufficiently coated. The white areas have powder of the coating, while in the black areas the substrate can be seen without coating.
  • Powder coating of the substrate with a surface resistance of> 10 12 ohms is incomplete and thus insufficient.
  • Figure 2B shows a coated substrate wherein the substrate was minimally preheated and thus had a surface resistance of ⁇ 11 ohms.
  • FIG. 2C shows a coated substrate according to the invention, which after preheating had a surface resistance of 10 11 ohms.
  • the electrostatic powder application under these conditions leads to a homogeneous, smooth and continuous coating of the substrate.
  • the coating corresponds to a coating, as it is known for metals or conductive substrates.
  • FIG. 3 shows coated components, the coatings taking place under the same conditions.
  • Component 1 has a
  • Powder coating on wherein the powder coating
  • the coating of component 2 does not comprise any electrostatic additives. Especially on the narrow front sides are the advantageous properties mediated by electrostatic additives
  • Component 1 has in contrast to component 2 a advantageous coating on.
  • varnish modifications with electrostatic additives is additionally the
  • a method of coating a surface of an electrically non-conductive substrate with powder coatings comprising
  • Pretreatment is a procedure selected from the group:
  • Powder coating layer by means of a method selected from the group: - Burning in the convection oven at temperatures in one
  • IR Infrared radiation
  • NIR near infrared radiation
  • UV ultraviolet radiation
  • convection heat and / or IR radiation and / or NIR radiation for melting and / or curing the lacquer layer
  • Method according to one of aspects A to K characterized in that the powder coatings are low-temperature powder coatings or ultra-low-temperature powder coatings.
  • the substrate comprises a material selected from the group comprising:
  • PA - polyamides
  • MDF medium density fibreboard
  • HDF High density fiberboard
  • Method according to one of the aspects A to M characterized in that the substrate comprises a material with a content of glass fibers between 20% to 80%, in particular between 30% to 70%, preferably between 40% to 60%.
  • Substrate by thermal action at least partially, in particular substantially completely degassed.
  • Substrate in particular non-conductive substrate, with a coated surface produced by a method according to one of aspects A to O.

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Abstract

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrates mit Pulverlacken, umfassend die Schritte: -Bereitstellen eines zu beschichtenden Substrates,-Vorheizen des zu beschichtenden Substrates auf 40 bis 140 °C zur Erniedrigung des Oberflächenwiderstands des Substrats auf kleiner 1012 Ohm, bevorzugt im Bereich von 1010 bis kleiner 1012 Ohm, -Einschichtiges, elektrostatisches Beschichten der Oberfläche mit Pulverlack, welcher ein, insbesondere zu einem Duroplasten aushärtendes, reaktives System umfasst, -Aushärten der Pulverlackschicht bei maximal 170 °C.

Description

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrates mit Pulverlacken
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrates mit Pulverlacken .
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, welche sich mit dem Beschichten von nicht-leitenden Substraten beschäftigen.
Beispielsweise zeigt WO 02/04694 AI ein Verfahren zum Auftragen einer Beschichtung auf eine KunststoffOberfläche mittels einem thermischen Spritzverfahren, wobei als erste Schicht ein
Haftvermittler aufgetragen wird. Die Notwendigkeit eines solchen Haftvermittlers wird aber zur heutigen Zeit als nachteilig betrachtet .
WO 2007/054289 A2 offenbart eine wässrige Pulverdispersion sowie ein Verfahren zum Auftragen einer solchen Dispersion auf einen Kunststoff oder einen Faserverbundstoff.
WO 02/46321 A2 zeigt einen wässrigen effektgebenden
Beschichtungsstoff mit einem wassermischbaren organischen
Lösungsmittel sowie ein Verfahren zu dessen Anwendung unter anderem auf einem Kunststoff oder Faserverbundstoff. Die
Verwendung von Lösungsmitteln ist nicht in allen Bereichen zulässig und die Trocknung der wässrigen Dispersion ist
energieintensiv . WO 2010/028848 AI offenbar eine wasserbasierten Zusammensetzung eines Zweikomponenten-Lacks, welche in der
Oberflächenbeschichtung von Faser-Kunststoff-Verbunden als
Füller eingesetzt wird. Die Aushärttemperatur liegt bei unter 40°C. Solche Zweikomponenten-Systeme sind kompliziert in der Anwendung, ein korrektes Mischverhältnis muss beachtet werden.
EP 1 321 197 A2 offenbart ein Beschichtungsverfahren mit
Pulverlacken, wobei der Pulverlack mittels eines Transferbandes aus einem Wirbelbett auf ein Substrat aufgebracht wird. Das Substrat kann leitend oder nicht-leitend sein. Nicht gelöst sind jedoch die Problematiken der Haftung und der
Beschichtungsqualität .
DE 197 48 927 AI offenbart ein Verfahren zur Herstellung von funktionellen Glasuren auf der Oberfläche von nichtmetallischen Werkstoffen. Hierbei werden Oberflächen vorgewärmt, mit einem Pulver bestrahlt und die Beschichtung mittels Wärmeeintrag ausgehärtet. Zum Vorwärmen und Aushärten sind hohe Temperaturen erforderlich .
US 2010/266782 AI offenbart ein Beschichtungsverfahren für leitenden und nicht-leitenden Werkstücke mittels zwei- oder mehrfachem Pulverauftrag. Ein erstes aufgetragenes Pulver geliert auf einer vorgewärmten Oberfläche, mindestens ein weiteres Pulver wird aufgetragen und die Beschichtung mittels Wärmeeintrag ausgehärtet. Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein Verfahren zur
Verfügung gestellt werden, welches ein Beschichten von nichtleitenden Oberflächen mit trockenen Pulverlacken erlaubt, welches hohe Anforderungen an die Beschichtungsqualität und der Haftfestigkeit erfüllt und möglichst einfach zu realisieren ist. Diese Aufgabe wird durch das im unabhängigen Patentanspruch definierte Verfahren gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Hier und im Folgenden wird unter einem elektrisch nichtleitenden Substrat ein Material oder ein Werkstoff mit einem Oberflächenwiderstand von grösser 1012 Ω (nach DIN EN 61340-2- 3:2000) verstanden. Dabei ist zu beachten, dass die Bestimmung des Oberflächenwiderstandes an Probekörpern vorgenommen wird, welche quaderförmig ausgebildet sind und eine Abmessung in allen Richtungen von wenigstens 1 mm x 110 mm x 120 mm (Dicke x Breite x Länge) aufweisen. Bei flächigen oder dünnwandigen Substraten mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm soll ein Probekörper aus mehreren übereinander geschichteten Substratabschnitten gebildet werden, so dass die resultierende Dicke wenigstens 1 mm beträgt. Die Bestimmung des Oberflächenwiderstandes soll jeweils an mindestens 3 Probekörpern erfolgen, die erhaltenen Messwerte sind zu mittein. Es sind Messsonden wie in der DIN EN 61340-2- 3:2000 spezifiziert zu verwenden. Die Oberfläche der Probekörper ist mit einem weichen, mit Isopropanol befeuchteten Lappen zu reinigen. Anschliessend an diese Reinigung und vor der
Bestimmung des Oberflächenwiderstandes ist der Probekörper wenigstens eine Stunde bei 23 °C +/- 2 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 % zu konditionieren . Die Messung hat mit einer Prüfspannung von 100 V zu erfolgen. Dabei wird der
Oberflächenwiderstand oder die Spannung nach Ablauf der in der DIN EN 61340-2-3:2000 bestimmten Messdauer abgelesen. Pro
Probekörper sind wenigstens drei Messungen durchzuführen, die Messresultate pro Probenkörper sind zu mittein. Alle weiteren für die Bestimmung des Oberflächenwiderstandes relevanten Daten sind der DIN EN 61340-2-3:2000 zu entnehmen. Auf diese Weise lässt sich eine Klassifizierung (leitfähig, ableitfähig, isolierend) eines Substrats vor dem Beschichten vornehmen. Hier und im Folgenden werden elektrostatische Eigenschaften unterschieden. Hierbei sind Substrate mit einem
Oberflächenwiderstand von <104 Ohm leitfähig, von 104 bis <1012 Ohm ableitfähig und >1012 Ohm isolierend. Die Übergänge sind dabei fliessend. In Anlehnung an die vorgenannte DIN EN werden vorgeheizte Substrate zur Bestimmung des Einfluss des Vorheizens auf die Leitfähigkeit/Oberflächenwiderstand verwendet.
In Anlehnung an die DIN EN 61340 können die
Oberflächenwiderstandsmessungen auch alternativ mit einem
Messgerät von Wolfgang Warmbier, bspw. SRM-200, erfolgen. Durch die integrierten Elektroden können auch kleinere Substrate mit einer Grösse von mindestens 80 mm x 80 mm x 1 mm vermessen werden .
Ein erfindungsgemässes Verfahren zum Beschichten einer
Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrates mit
Pulverlacken, umfasst die Schritte: - Bereitstellen eines zu beschichtenden Substrates,
- Vorheizen des zu beschichtenden Substrates auf 40 bis 140 °C zur Erniedrigung des Oberflächenwiderstands des Substrats auf kleiner 1012 Ohm, bevorzugt im Bereich von ungefähr 1010 bis kleiner 1012 Ohm,
- Einschichtiges, elektrostatisches Beschichten der Oberfläche mit Pulverlack, welcher ein, insbesondere zu einem
Duroplasten aushärtendes, reaktives System umfasst,
- Aushärten der Pulverlackschicht bei maximal 170 °C. Unter Bereitstellen wird dabei insbesondere verstanden, dass das Substrat beispielsweise aus einem Lager geholt und für das
Vorheizen bereitgestellt oder von einem Lieferanten zeitgerecht für das Vorheizen angeliefert wird. Selbstverständlich ist aber auch eine vor Ort Herstellung des Substrats für die unmittelbare Weiterverarbeitung möglich.
Durch das Vorheizen des Substrates kann ein zumindest
teilweises, insbesondere im Wesentlichen vollständiges Entgasen des Substrates bewirkt werden. Je nach Temperatur und Zeitdauer des Vorheizens wird das Substrat mehr oder weniger entgast.
Dabei ist zu beachten, dass das Substrat durch das Vorheizen nicht beschädigt und/oder deformiert wird. Geeignete Bedingungen können vom Fachmann leicht erstellt werden in Abhängigkeit vom verwendeten Substrat.
Des Weiteren wird der Oberflächenwiderstand des Substrats durch das Vorheizen auf eine Temperatur von 40 bis 140 °C des zu beschichtenden Substrates erniedrigt. Insbesondere bei
Kunststoffen aber auch bei Holz oder Holzwerkstoffen kann sich der Oberflächenwiderstand bei einer Erwärmung verringern und das entsprechende bei Raumtemperatur elektrisch isolierende Substrat ableitfähig werden. Die Beschichtung der Oberfläche mit Pulverlack erfolgt
einschichtig und elektrostatisch. Dabei umfasst der Pulverlack ein reaktives System, welches insbesondere zu einem Duroplasten aushärtbar ist, welches beim Aushärten chemisch vernetzt.
Reaktive Systeme vernetzen beim Aushärten und werden so zu
Duroplasten. Es bildet sich somit eine robuste Lackschicht auf dem Substrat. Solche Systeme bilden eine Lackschicht mit hohen chemischen und mechanisch-technologischen Eigenschaften, d.h. mit einer hohen Resistenz bei Belastung. Eine erfindungsgemässe Beschichtung mit Pulverlack ist besonders umweltfreundlich, da keine Lösungsmittel zum Einsatz kommen und ein gegebenenfalls erzeugter Overspray einfach wiederverwertet werden kann. Es können im Einschichtauftrag höhere Schichtdicken im Vergleich zum Flüssiglack erzeugt werden, wodurch diese sehr beständig gegenüber der Einwirkung von Feuchte sind. Zudem besitzen Pulverlacke eine hohe Abriebfestigkeit und sind
besonders robust.
Die Anhaftung kann dabei nur durch elektrostatische Effekte im Wesentlichen ohne Anschmelzen des Pulverlacks auf dem Substrat vermittelt werden. Dabei kann die Beschichtungstemperatur mit Bezug auf den verwendeten Pulverlack derart gewählt sein, dass die Temperatur unterhalb der Gelierungstemperatur des
Pulverlacks liegt. Die Beschichtungstemperatur entspricht der Temperatur der Oberfläche des Substrats unmittelbar vor dem Auftreffen des Pulverlackbeschichtungsstroms auf das Substrat. Die Beschichtungstemperatur kann auch oberhalb der
Gelierungstemperatur gewählt sein, da beim Auftragen des
Pulverlacks, insbesondere durch Aufsprühen, die Oberfläche des Substrats durch den Luftstrom beim Aufsprühen beispielsweise mittels einer Sprühpistole abgekühlt wird. Daher wird auch hier die Anhaftung nur durch elektrostatische Effekte im Wesentlichen ohne Anschmelzen des Pulverlacks auf dem Substrat vermittelt.
Das Beschichten der Oberfläche kann unter erhöhter Temperatur stattfinden, welche der vorgenannten Vorheiztemperatur
entspricht, so dass die Oberflächenleitfähigkeit des Substrats während dem Pulverauftrag konstant ist.
Das Vorheizen kann, insbesondere im Konvektionsofen, in einem Temperaturbereich wie vorgängig beschrieben erfolgen. Des Weiteren kann das Vorheizen über eine Zeitspanne von 5 sec bis 90 min erfolgt.
Das Vorheizen kann alternativ hierzu auch im Infrarot- und/oder Nahinfrarotofen (NIR) erfolgen. Durch die Abstimmung von
Strahlertemperatur, des Wellenlängenspektrums des Strahlers, der Substratbeschaffenheit, dem Einsatz von Filtern und des IR bzw. NIR Absorptionsverhaltens des Substrats wird dieses auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Die geeigneten Parameter hierzu sind durch einfache Praxisversuche individuell zu
ermitteln .
Ein Vorheizen aus der Kombination von Strahlungsenergie, IR und/oder NIR, und Konvektion ist ebenso möglich und sogar bei einer komplexen dreidimensionalen Teilegeometrie mit
Schattenstellen zu bevorzugen.
Vorzugsweise liegt die Temperatur des Vorheizens in einem
Bereich von 40°C bis 140°C, je nachdem wie viel Zeit zwischen dem Vorheiz- und dem Pulverbeschichtungsprozess liegen
(Abkühlgeschwindigkeit) . Je nach eingesetztem Werkstoff des Substrats verringert sich der elektrischen Oberflächenwiderstand mit steigender Temperatur und das Substrat wird ableitfähig und somit elektrostatisch pulverbeschichtbar . Die notwendige
Vorheiztemperatur lässt sich durch Praxisversuche einfach bestimmen. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Form des Werkstücks durch die thermische Belastung erhalten bleibt.
Vor dem Beschichten kann eine Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche erfolgen. Durch ein solches Reinigen werden grobe Staub- und Fettpartikel von der Oberfläche entfernt. Die
Reinigung kann dabei mechanisch durch Bürsten oder mittels Wischtechnik mit einem fusselfreien Wischtuch erfolgen. Dabei kann die Bürste oder das Wischtuch angefeuchtet sein, beispielsweise mit einen Alkohol-Wasser-Gemisch, bevorzugt einem Isopropanol-Wasser-Gemisch mit einem Verhältnis von 50/50. Somit können Fettspuren und Salze weitestgehend entfernt werden.
Vor dem Beschichten kann auf der zu beschichtenden Oberfläche eine Vorbehandlung erfolgen, insbesondere zum Erhöhen der
Oberflächenspannung auf einen Wert von > 40 mN/m, bevorzugt von > 60 mN/m, besonders bevorzugt von > 70 mN/m. Die Bestimmung der Oberflächenspannung kann mit Testtinten in Anlehnung an die DIN 53364 oder auch mit Hilfe der Kontaktwinkelmessung gemäss DIN 55660-2 erfolgen. Bevorzugt wird die Vorbehandlung vor dem
Vorheizen durchgeführt, kann je nach Art der Vorbehandlung aber auch nach dem Vorheizen durchgeführt werden. Eine erhöhte
Oberflächenspannung bewirkt eine verbesserte Benetzbarkeit des Substrates mit dem während dem Aushärten aufgeheizten
Pulverlack .
Die Vorbehandlung kann ein Verfahren sein, ausgewählt aus der Gruppe:
- mechanisch Bearbeiten, insbesondere durch Schleifen und/oder Strahlen, - Beflammen,
- Plasmabehandlung.
Das Beflammen ist im Bereich von Kunststoffen die einfachste Methode, eine Oberfläche zu aktivieren, die Mikrotopografie zu verändern und gleichzeitig Verunreinigungen, insbesondere organische Verunreinigungen zu entfernen. Durch einen Überschuss an Sauerstoff wird die Flamme in den oxidierenden Bereich versetzt. So entstehen auf der Oberfläche polare Gruppen, welche diese aktivieren. Kurzzeitig wird das Substrat an seiner
Oberfläche auf 150°C bis 400°C erhitzt, dabei werden
Verunreinigungen verbrannt und gleichzeitig die Oberfläche angeschmolzen und partiell oxidiert. Es kommt dadurch zu einer Neubildung der Oberfläche mit einer veränderten Topografie und chemischen Zusammensetzung. Etwaige Gaseinschlüsse im Substrat können durch diese Massnahme zum Teil ausgetrieben werden, was nachfolgend zu einer verbesserten Oberflächengüte führt. Die Substrate können mit einem Gasbrenner und z.B. Propangas-, Butangas- oder Propan-Butangasgemisch beflammt werden. Dabei beträgt der Abstand der Flamme typischerweise ca. 3 cm bis 15 cm und die Geschwindigkeit des Überstreiches der Oberfläche von 1 cm/s bis 20 cm/s. Die Oberfläche wird durch das Beflammen aktiviert und kann mit der nachfolgend aufgebrachten
Pulverlackschicht eine verbesserte Zwischenhaftung erreichen. In der Regel erfolgt die Aktivierung der Oberfläche durch
mehrmaliges Überstreichen, vorzugsweise zwischen 1 und 15 mal, der Oberfläche mit der Gasflamme. Je nach Anwendung kann neben den Brenngasen auch noch eine organische Silanverbindung zur
Haftungsoptimierung in den Gasstrom eingebracht werden. So kann beispielsweise eine Pyrosil®-Schicht abgelagert werden, welche eine Erhöhung der Oberflächenspannung, eine Hydrophilierung der Oberfläche und die Ausbildung einer definierten chemischen
Oberflächenstruktur bewirkt.
Eine Plasmabehandlung des Substrates kann beispielsweise mit dem OpenAir Plasma Verfahren bei Atmosphärendruck durchgeführt werden. Dabei wird einem Gas Energie zugeführt, so dass es in den Plasma-Zustand übergeht. Diese Energie kann in Form von
Aufheizen, Anlegen einer elektrischen Spannung oder Einspeisen von elektromagnetischen Wellen zugeführt werden. Bei dem
Plasmastrahl handelt es sich um ein Gemisch aus meist positiv geladenen Ionen, Elektronen oder Neutronen. Der so entstandene Plasmastrahl strömt auf das Substrat und erzeugt polare Gruppen auf der Substratoberfläche, so dass die Oberflächenspannung und dadurch die Haftung der späteren Lackschicht erhöht werden. Im Gegensatz zum Beflammen erhöht sich die Substratoberfläche hierbei nicht oder nur geringfügig. Auch die
Oberflächentemperatur des Substrates steigt im Vergleich zum Beflammungsprozess nur geringfügig an und beträgt üblicherweise weniger als 60°C. Der Plasmastrahl reinigt zudem die Oberfläche und entfernt mögliche Schmutz-, Staub- oder Fettreste,
insbesondere organische Verunreinigungen. Auch mittels einer Plasmabehandlung können etwaige Gaseinschlüsse im Substrat zum Teil ausgetrieben werden, was nachfolgend zu einer verbesserten Oberflächengüte ermöglicht. Ähnlich wie beim Beflammen wird die Oberfläche durch die Plasmabehandlung aktiviert, so dass mit dem nachfolgend aufgebrachten Pulverlack eine verbesserte
Zwischenhaftung erreicht wird.
Die Erhöhung der Oberflächenspannung des Substrats kann vor und/oder nach dem Vorheizen erzeugt werden. Durch eine
vorgängige Erhöhung der Oberflächenspannung vereinfacht sich der Produktionsablauf des Verfahrens, da beispielsweise die
Oberflächenspannung in einem separaten Arbeitsschritt in einer unabhängigen Arbeitsstation durchgeführt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass je nach Art der Erzeugung der
Oberflächenspannung diese über längere Zeitspannen recht stabil ist und auch bereits mehrere Tage im Voraus erzeugt werden kann. Insbesondere eine durch Plasmabehandlung erzeugte
Oberflächenspannung ist über mehrere Tage recht stabil.
Beispielsweise kann eine Oberflächenspannung bereits durch den Hersteller des Substrates oder unmittelbar bei der Anlieferung bzw. bei der Eingangskontrolle erzeugt werden. Der Schritt des Beschichtens mit Pulverlack kann mittels eines Verfahrens oder einer Kombination von Verfahren erfolgen, ausgewählt aus der Gruppe: - Besprühen, insbesondere mit einem Korona- oder Tribo- Verfahren,
Wirbelsintern zum Pulverauftrag mit oder ohne paralleler Aushärtung des Pulverlacks, elektrostatische Fluidisierbetttechnik und/oder mit
Transferapplikation,
- Kombinationen der genannten Verfahren.
Eine Beschichtung durch Besprühen mit Pulverlack hat den
Vorteil, dass herkömmliche Anlagen nur geringfügig angepasst werden müssen und dass bei diesem Verfahrensschritt schon viel Erfahrung vorhanden ist. Das Investitionsvolumen zum Anpassen an das neue erfindungsgemässe Verfahren hält sich in Grenzen. Durch die Verwendung des Korona-Verfahrens wird die von der
Sprühpistole ausgeströmte Pulverwolke homogen und „weich", so dass eine gleichmässige Beschichtung ermöglicht wird. Die
Anwendung des Tribo-Verfahrens führt zu einer besseren Bedeckung der Rand- und Kantenbereiche des Substrates, was wiederum zu einer gleichmässigen Beschichtung bis zum Randbereich des
Substrates führt. Beide Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt .
Eine Beschichtung mittels Wirbelsintern ermöglicht eine
verfahrenstechnisch einfache Beschichtung, sofern die
Verweildauer des Substrates in der Wirbelschicht und die
Temperatur des Substrates genügend genau kontrolliert werden Ausserdem kann mittels Wirbelsintern eine dickere Lackschicht appliziert werden als beim Besprühen.
Wenn die Partikel des Beschichtungspulvers im
Fluidisierungsbecken zusätzlich elektrostatisch aufgeladen werden und gleichzeitig das zu beschichtende Substrat mit einer entgegen gerichteten Ladung versehen, insbesondere auf seiner der zu beschichtenden Oberfläche abgewandten Seite mit einem Gegenpol versehen wird, kann eine dickere Lackschicht bei gleicher oder kürzerer Verweildauer wie beim Wirbelsintern entstehen .
Eine Sonderform der elektrostatischen Fluidisierbetttechnik ist die Transferapplikation, bei der das Pulver zuerst auf ein
Transferband appliziert und von dort mittels einer
hochspannungsführenden Elektrode auf das vorbeibewegte Substrat übertragen wird. Eine solche Transferapplikation ist
beispielsweise aus der EP 1 321 197 A2 bekannt. Je nach Geometrie des Substrats ist auch eine Kombination von Verfahren, z.B. der elektrostatischen Fluidisierbetttechnik und der Sprühapplikation ein ökonomisches und effizientes
Beschichtungsverfahren . Dabei kann jeweils bei einer Kombination der genannten Verfahren die Sprühapplikation zum jeweils anderen Verfahren parallel und/oder nachgeschaltet erfolgen. Mithilfe des elektrostatischen Fluidisierbettes lässt sich problemlos und besonders schnell die Unterseite der Profile beschichten. Die Beschichtung der Oberseite erfolgt parallel oder nachfolgend mit einer der bekannten Sprühapplikationen mit Korona- oder
Triboaufladung . Die Oberseite und Unterseite des Substrats lassen sich so in einem Arbeitsschritt und/oder in einer
Arbeitsstation gleichzeitig beschichten, was eine immense
Zeitersparnis begründet. Im nachfolgenden Aushärtungsschritt kann somit auch die Beschichtung auf der Ober- und Unterseite gleichzeitig ausgehärtet werden.
Der Schritt des Aushärtens der Pulverlackschicht kann mittels eines Verfahrens erfolgen, ausgewählt aus der Gruppe:
- Einbrennen im Konvektionsofen bei Temperaturen in einem
Bereich von 80°C bis 170°C, bevorzugt von 100°C bis 160°C, besonders bevorzugt von 120°C bis 140°C über eine Zeitspanne von 1 min bis 60 min, insbesondere von 3 min bis 40 min, bevorzugt von 5 min bis 20 min,
- Infrarotbestrahlung (IR), - Bestrahlung durch nahe Infrarotstrahlung (NIR) ,
- Bestrahlung und Härtung durch Ultraviolettstrahlung (UV) , insbesondere in Kombination mit Konvektionswärme und/oder IR- Strahlung und/oder NIR-Strahlung zum Aufschmelzen und/oder Härten der Lackschicht,
- Kombinationen der genannten Verfahren.
Beim Aushärten erfolgen zumeist ein Aufschmelzen und
gleichzeitig eine Vernetzung der Pulverlackschicht. Bei der
Vernetzung wird eine Vielzahl einzelner Makromoleküle des
Pulverlackes zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft.
Durch den Prozess der Vernetzung verändern sich die
Eigenschaften der vernetzten Lackschicht. Es wird eine Erhöhung der Härte, der Zähigkeit, des Schmelzpunktes und/oder des
Schmelzbereiches und eine Absenkung der Löslichkeit beobachtet. Insgesamt wird die chemische und physikalische Belastbarkeit der Lackschicht verbessert. Die genannten Veränderungen nehmen mit zunehmendem Vernetzungsgrad zu. Je nach Vernetzungsgrad entsteht durch die Vernetzung der Pulverlackschicht zuerst eine Schicht mit Eigenschaften ähnlich eines Elastomers und bei zunehmender Vernetzung eine duroplastische Lackschicht.
Die für das Aushärten, insbesondere für das Aufschmelzen und für die Vernetzung benötigte Energie kann dabei thermisch durch Konvektion und/oder Strahlungsenergie eingetragen werden. Die Energie kann in Form von Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 3 μιη bis 50 μιτι, naher Infrarotstrahlung mit einer
Wellenlänge von 0.7 μιη bis 3 μιη oder einer Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge von 1 nm bis 380 nm eingebracht werden.
Ebenso sind Kombinationen der verschiedenen Strahlungen
untereinander oder in Kombination mit Konvektionsverfahren denkbar. Das für eine Aushärtung der Pulverlackschicht optimale Verfahren ist abhängig vom verwendeten Pulverlacksystem und dem Substrat. Da nicht jede Farbe jede Wellenlänge der oben
genannten Strahlungen gleich absorbiert, muss auch der Farbton der auszuhärtenden Farbe berücksichtigt werden und entweder die Wellenlänge der Strahlung, die Leistungsdichte der Strahlung und/oder die Zeitdauer der Bestrahlung angepasst werden. Dies entspricht jedoch einer fachmännischen Routinemassnahme . Auf den Einsatz von chemischen Haftvermittlern kann verzichtet werden. Durch diesen Verzicht auf chemische Haftvermittler wird ein wesentlicher Beitrag zum Umweltschutz geleistet. Ausserdem hat es sich gezeigt, dass bei der Verwendung eines
Haftvermittlers bei einigen beschichteten Substraten die
Pulverlackschicht nach dem Aushärten stark beschädigt wird durch Blasenbildung. Der Haftvermittler kann in das Substrat
eindiffundieren und beim Aushärten ausgasen, so dass keine geschlossenen oder glatten Oberflächen erreicht werden können. Ausserdem kann der Einsatz von Haftvermittlern auch zu unerwünschten Farbänderungen des Pulverlackes führen.
Es können 100% lösungsmittelfreie Pulverlacke verwendet werden. Lösungsmittelfrei Pulverlacke sind in Bezug auf Umweltaspekte generell solchen mit Lösungsmittel vorzuziehen. Auch der
Materialnutzungsgrad ist durch eine erhöhte Rückgewinnbarkeit des lösungsmittelfreien Pulverlackes deutlich höher und kann je nach Anwendung bis zu 97% betragen.
Die Pulverlacke können ausgewählt sein aus der Gruppe umfassend:
- Polyester-Pulverlacke,
- Epoxid-Pulverlacke,
- Polyester-Epoxid-Pulverlacke, - Polyurethan-Pulverlacke,
- Acrylat-Pulverlacke,
- Fluorpolymer-Pulverlacke,
- Polyamid-Pulverlacke.
Polyester-Pulverlacke erfüllen die höchsten Ansprüche bezüglich Witterungsstabilität. Sie sind resistent gegen UV-Strahlung und bieten einen langjährigen Schutz speziell auch im Aussenbereich, beispielsweise für Fassadenanwendungen. Ausserdem ist mit
Polyester-Pulverlacken eine ausgezeichnete Beschichtungsqualität erreichbar. Die Polyester-Pulverlacke können verschiedene Vernetzungsmechanismen aufweisen. Systeme basierend auf Polyaddition setzen bei der Vernetzung keine Abspaltprodukte frei. Entsprechend werden keine Nadelstiche oder rauen
Oberflächen ausgebildet. Bei Systemen basierend auf
Polykondensation sind langjährige Erfahrungen vorhanden. Sie zeichnen sich durch geringe Einbrenntemperaturen und einen glatten Verlauf aus. Bei deren Vernetzung wird jedoch meist Wasser gebildet, was bei grösseren Schichtdicken häufig zu
Nadelstichen und Blasenbildung führen kann. Systeme basierend auf einer radikalischen Polymerisation zeigen die Vorteile eines Polyadditionssystems und sind entsprechend ausgasungsarm.
Ausserdem sind diese Systeme oberhalb der
Deblockierungstemperatur des Startermoleküls äusserst reaktiv und vernetzen sehr schnell. Bis zum Erreichen der
Deblockierungstemperatur des Startermoleküls kann der Lackfilm verfliessen und sorgt für einen glatten Verlauf auf der
Oberfläche. Unter der Deblockierungstemperatur wird die
Starttemperatur verstanden, bei der sich das Startermolekül oder Initiator aufspaltet und die Reaktion starten kann.
Reine Epoxid-Pulverlacke sind geeignet für den Schutz vor
Korrosion und zeichnen sich durch eine hervorragende
Chemikalienbeständigkeit und einer guten Haftfestigkeit aus. Aufgrund der fehlenden Lichtbeständigkeit sind diese jedoch nur für Innenanwendungen oder als Grundierungen geeignet. Aus diesem Grund werden häufig Polyester-Epoxid-Pulverlacke, sogenannte Hybrid-Pulverlacke, eingesetzt, bei denen Epoxid- und
Polyesterharze miteinander vernetzt werden. Die Eigenschaften der beiden reinen Systeme werden kombiniert, so dass ein
breitgefächerter Anwendungsbereich entsteht. Die
Witterungsbeständigkeit ist besser als bei reinen Epoxidsystemen und die Beständigkeit gegen Chemikalien ist in vielen Fällen gut bis ausreichend. Es sind verschiedene Glanz- und Textureinstellungen problemlos realisierbar. Die Farbtonvielfalt ist nahezu unbegrenzt einstellbar.
Polyurethan-Pulverlacke bieten einen sehr guten Verlauf und eine ausgezeichnete Witterungs- und Chemikalienbeständigkeit. So werden Polyurethan-Pulverlacke wegen ihrer Beständigkeit
beispielsweise im Bereich der Anti-Graffiti Beschichtungen eingesetzt . Acrylat-Pulverlacke weisen einen guten bis exzellenten Verlauf und eine sehr gute Witterungsbeständigkeit auf. Die
Eigenschaften von Acrylat-Pulverlacken genügen insbesondere den hohen Anforderungen der Automobilindustrie. Dank niedriger
Vernetzungstemperaturen können die Energiekosten beim Aushärten gesenkt werden.
Fluorpolymer-Pulverlacke weisen eine besonders hohe UV- Beständigkeit auf. Sie kommen immer dann zum Einsatz, wenn diese herausragenden UV-Beständigkeiten gefordert werden.
Mit Polyamid-Pulverlacke lassen sich hohe Schichtdicken
realisieren. Ausserdem weisen Polyamid-Pulverlacke eine hohe Flexibilität auf, so dass deren Anwendung auf beweglichen oder auf Biegung und/oder Torsion belasteten Bauteilen bevorzugt ist.
Die Reaktivitäten von Pulverlacken können gezielt eingestellt werden. Es wird dabei unterschieden zwischen
Niedrigtemperatursystemen, auch NT-Systeme genannt, mit einer Vernetzungstemperatur ab 130 °C und Ultra-Niedrigtemperatur- Pulverlacken, auch UNT-Systeme genannt, mit Einbrennbedingungen von weniger als 130°C. Diese Einteilung in NT- und UNT-Systeme ist jedoch nicht scharf definiert und kann nur als
Richtbezeichnung herangezogen werden. NT-Systeme, also Niedrigtemperatur-Pulverlacke, können bereits bei Temperaturen ab 130°C, üblicherweise ab 140°C, ausgehärtet werden. Durch die Verwendung solcher NT-Systeme kann
entsprechend der Energiebedarf beim Aushärten wesentlich
verringert werden. Ausserdem ist die thermische Belastung des Substrats reduziert.
Eine Weiterentwicklung der NT-Systeme sind die UNT-Systeme, also Ultraniedrigtemperatur-Pulverlacke. Diese können bereits bei Temperaturen unter 130 °C, beispielsweise bei 120 °C oder gar bei 105 °C ausgehärtet werden. Die Entwicklung geht sogar noch in die Richtung von Temperaturen deutlich unter 100 °C. Mit solchen UNT-Systemen lassen sich auch Substrate mit Pulver beschichten, welche keiner höheren Temperatur ausgesetzt werden dürfen. Der Energiebedarf zum Aushärten wird nochmals reduziert.
Der Pulverlack kann elektrostatische Additive umfassen, welche die elektrostatischen Eigenschaften beeinflussen. Diese sorgen aufgrund ihrer Leitfähigkeit für eine erhöhte Leitfähigkeit des Pulverlacks. Auf diese Weise können schlecht leitende Substrate mittels elektrostatischer Beschichtungsverfahren beschichtet werden. Elektrostatische Additive ändern die elektrische
Leitfähigkeit des Pulverlacks und können so zu einem
verbesserten Pulverauftrag führen. Elektrostatische Additive sind aus dem Bereich der Metallbeschichtungen bekannt, und können dort insbesondere Faraday-Käfig-Effekte vermindern.
Das Substrat kann ein Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
- Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) , - Polyamide (PA) ,
- Polyurethane (PU) , - Polyester,
- Mitteldichte Holzfaserplatte (MDF) ,
- Hochdichte Faserplatte (HDF) ,
- Naturhölzer,
- Spanplatte, - Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff (WPC) ,
- Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) ,
- Glas,
- Keramik.
Bei einer Verwendung von Naturhölzern, Spanplatten, MDF, HDF oder Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe als Substrat kann eine Konditionierung erfolgen, indem das Substrat bei einer
bestimmten relativen Feuchtigkeit und/oder Temperatur gelagert wird. Des Weiteren kann bei der Verwendung von Naturhölzern, Spanplatten, MDF, HDF oder Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe als Substrat dieses zunächst geschliffen werden, um eine geglättete und gleichmässige Oberfläche für das elektrostatische
Beschichtungsverfahren zu gewährleisten. Durch ein Vorheizen, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 40 bis 140 °C, eines wie vorgängig erwähnten auf Holz-basierenden Substrats werden Salze und/oder flüchtige Holzinhaltsstoffe durch Austreiben von Feuchtigkeit an die Oberfläche des Substrats transportiert und verbleiben dort längerfristig
(„Aktivierungseffekt"). Auf diese Weise wird die
Oberflächenleitfähigkeit des auf Holz-basierenden Substrats erhöht und somit eine elektrostatische Beschichtung möglich. Der „Aktivierungseffekt" ist dabei unabhängig von der Art des verwendeten Holzes jedoch je nach Holzart unterschiedlich stark ausgeprägt. Das Aushärten der Pulverbeschichtung auf einem auf Holz-basierendem Substrat kann ebenfalls im Temperaturbereich von 80 bis 170 °C, bevorzugt 100 bis 160 °C, besonders bevorzugt 120 bis 140 °C, erfolgen. Bei einer zu hohen relativen
Feuchtigkeit des Substrats erfolgen Lackstörungen in Form von Blasen und Auswürfen. Bei einer zu geringen relativen
Feuchtigkeit des Substrats wird der Oberflächenwiderstand nicht in den ableitfähigen Bereich verschoben. Dementsprechend ist eine Konditionierung substratspezifisch und experimentell zu bestimmen .
Bei einer Verwendung von Naturhölzern, Spanplatten, MDF, HDF oder Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe als Substrat hat sich eine Vorbehandlung mittels Beflammung als besonders vorteilhaft herausgestellt. Dadurch wird ein Abflammen von sich
aufstellenden Holzfasern, welche die Oberflächengüte stören können, erreicht. Zugleich wird das Substrat hierbei aufgewärmt („Aktivierungseffekt").
Das Substrat kann ein Material mit einem Anteil an Glasfasern oder an Carbonfasern zwischen 20% bis 80%, insbesondere zwischen 30% bis 70%, bevorzugt zwischen 40% bis 60% aufweisen. Solche Substrate erlauben eine erheblich höhere mechanische Belastung. Beispielsweise werden solche Substrate als technische
Kunststoffe vielseitig eingesetzt. Vor dem Beschichten des Substrates kann das Substrat durch thermische Einwirkung zumindest teilweise entgast wird. Ein solches Entgasen verhindert oder reduziert die Blasenbildung beim Aushärten des Pulverlackes und begünstigt somit eine glatte Oberfläche der Beschichtung .
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum
Beschichten einer Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrats mit Pulverlacken, insbesondere gemäss den vorgängigen Ausführungen, umfassend ein oder mehrere elektrostatische
Additive. Damit wird eine verbesserte Beschichtung von
Oberflächen von nicht-leitenden Substraten erreicht.
Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines
Pulverlacks umfassend ein oder mehrere elektrostatische Additive zur Beschichtung einer Oberfläche eines elektrisch nichtleitenden Substrats.
Ein Substrat, insbesondere ein nicht-leitendes Substrat, mit einer beschichteten Oberfläche hergestellt mit einem Verfahren wie vorgängig beschrieben weist die genannten Vorteile auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben .
Figur 1 Diagramm mit der Temperatur und dem
Oberflächenwiderstand eines Substrats gegenüber der Zeit . Figur 2 Substratbeschichtungen bei charakteristischen
Oberflächenwiderständen . Figur 3 Vergleich von Substratbeschichtungen mit Pulverlack umfassend elektrostatische Additive.
In Figur 1 ist ein Diagramm gezeigt, welches den
Temperaturverlauf und den Oberflächenwiderstand eines Substrats in Abhängigkeit von der Zeit abbildet. Das Substrat wurde für 10 sec in einem Heizofen zum Aufheizen eingebracht und anschliessen aus dem Ofen genommen. Die Temperatur des Heizofens war konstant bei 130 °C. Je nach Dicke des Substrats wird dieses auf eine Temperatur zwischen der Umgebungstemperatur (ausserhalb des Heizofens) und der Temperatur des Heizofens aufgeheizt (vgl.
Figur 1, bei ca. 44°C) . Die Temperatur und der
Oberflächenwiderstand des Substrats wurden während des
Abkühlvorgangs bei Raumtemperatur gemessen. Aufgetragen sind die Messwerte direkt nach der Entnahme aus dem Heizofen für 2 min 30 sec .
Durch das Vorheizen des Substrats wurde der
Oberflächenwiderstand auf einen Wert von ca. 5xl010 Ohm bei einer Temperatur von ca. 44 °C abgesenkt. Bei Lagerung bei
Raumtemperatur kühlt das Substrat innerhalb einer Minute auf 36 °C ab. Der Oberflächenwiderstand erhöht sich dabei bei sinkender Temperatur von ca. 5xl010 Ohm auf ca. 7x1ο11 Ohm innerhalb einer Minute. In diesem Bereich lassen sich vollständige und
qualitativ hochwertige einschichtige elektrostatische
Beschichtungen erzielen, da das Substrat unter diesen
Bedingungen eine ausreichend leitende Oberfläche aufweist.
Figur 2 zeigt Substratbeschichtungen bei charakteristischen Oberflächenwiderständen. Die Substrate wurden vorgewärmt und anschliessend mittels elektrostatischem Pulverauftrag
beschichtet. Der applizierte Pulverlack wurde anschliessend ausgehärtet . Figur 2A zeigt ein beschichtetes Substrat, wobei das Substrat nicht vorgeheizt wurde und einen Oberflächenwiderstand von > 1012 Ohm aufwies. Nach einem elektrostatischen Pulverauftrag ist das Substrat unzureichenden beschichtet. Die weissen Bereiche weisen Pulver der Beschichtung auf, während in den schwarzen Bereichen das Substrat ohne Beschichtung zu erkennen ist. Eine
Pulverbeschichtung des Substrats mit einem Oberflächenwiderstand von >1012 Ohm ist unvollständig und damit unzureichend.
Figur 2B zeigt ein beschichtetes Substrat, wobei das Substrat minimal vorgeheizt wurde und damit einen Oberflächenwiderstand von δχΐθ11 Ohm aufwies. Nach einem elektrostatischen
Pulverauftrag ist das Substrat im Vergleich zu Figur 2A fast vollständig beschichtet, weist aber dennoch schwarze
(unbeschichtete) Bereiche auf.
Figur 2C zeigt ein erfindungsgemäss beschichtetes Substrat, welches nach dem Vorheizen einen Oberflächenwiderstand von 1011 Ohm aufwies. Der elektrostatische Pulverauftrag führt unter diesen Bedingungen zu einer homogenen, glatten und durchgehenden Beschichtung des Substrats. Die Beschichtung entspricht einer Beschichtung, wie sie bei Metallen bzw. leitfähigen Substraten bekannt ist.
Figur 3 zeigt beschichtete Bauteile, wobei die Beschichtungen unter gleichen Bedingungen erfolgten. Bauteil 1 weist eine
Pulverlackbeschichtung auf, wobei der Pulverlack
elektrostatische Additive umfasst. Im Vergleich umfasst die Beschichtung des Bauteils 2 keine elektrostatischen Additive. Insbesondere an den schmalen Frontseiten sind die vorteilhaften Eigenschaften vermittelt durch elektrostatische Additive
veranschaulicht. Bauteil 1 weist im Gegensatz zu Bauteil 2 eine vorteilhafte Beschichtung auf. Durch Lackmodifikationen mit elektrostatischen Additiven wird zusätzlich das
Beschichtungsergebnis verbessert . Weitere Aspekte der Erfindung betreffen:
A. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrates mit Pulverlacken, umfassend die
Schritte :
- Bereitstellen eines zu beschichtenden Substrates,
- Vorheizen des zu beschichtenden Substrates,
- Beschichten der Oberfläche mit Pulverlack,
- Aushärten der Pulverlackschicht. B. Verfahren nach A, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen bei einer Temperatur zwischen 100°C und 220°C, insbesondere zwischen 110°C und 190°C, bevorzugt zwischen 120°C und 170°C und über eine Zeitspanne von 5 min bis 2 h, insbesondere von 20 min bis 90 min, bevorzugt von 40 min bis 75 min erfolgt.
C. Verfahren nach A oder B, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zu beschichtenden Oberfläche vor dem Beschichten eine
Vorbehandlung, insbesondere eine Erhöhung der
Oberflächenspannung auf einen Wert von > 40 mN/m, bevorzugt von > 60 mN/m, besonders bevorzugt von > 70 mN/m, erfolgt.
D. Verfahren nach C, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorbehandlung ein Verfahren ist, ausgewählt aus der Gruppe:
- mechanisch Aufrauen, insbesondere durch Schleifen und/oder Strahlen,
- Beflammen,
- Plasmabehandlung. E. Verfahren nach C oder E, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung der Oberfläche vor und/oder nach dem Vorheizen erfolgt . F. Verfahren nach einem der Aspekte A bis E, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Beschichtens mit Pulverlack mittels eines Verfahrens erfolgt, ausgewählt aus der Gruppe:
Besprühen, insbesondere mit einem Korona- oder Tribo- Verfahren,
- Wirbelsintern,
elektrostatische Fluidisierbetttechnik, insbesondere mit Transferapplikation,
- Kombination der genannten Verfahren. G. Verfahren nach einem der Aspekte A bis E, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schritt des Aushärtens der
Pulverlackschicht mittels eines Verfahrens erfolgt, ausgewählt aus der Gruppe: - Einbrennen im Konvektionsofen bei Temperaturen in einem
Bereich von 100°C bis 230°C, bevorzugt von 110°C bis 190°C, besonders bevorzugt von 130°C bis 160°C über eine Zeitspanne von 1 min bis 60 min, insbesondere von 3 min bis 40 min, bevorzugt von 5 min bis 20 min,
- Infrarotbestrahlung (IR),
- Bestrahlung durch nahe Infrarotstrahlung (NIR) ,
Bestrahlung und Härtung durch Ultraviolettstrahlung (UV) , insbesondere in Kombination mit Konvektionswärme und/oder IR- Strahlung und/oder NIR-Strahlung zum Aufschmelzen und/oder Härten der Lackschicht,
- Kombinationen der genannten Verfahren. H. Verfahren nach einem der Aspekte A bis G, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Einsatz chemischer Haftvermittler verzichtet wird. I. Verfahren nach einem der Aspekte A bis H, dadurch
gekennzeichnet, dass lösungsmittelfreie Pulverlacke verwendet werden .
J. Verfahren nach einem der Aspekte A bis I, dadurch
gekennzeichnet, dass als Pulverlacke reaktive Systeme verwendet werden .
K. Verfahren nach einem der Aspekte A bis J, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverlacke ausgewählt sind aus der
Gruppe umfassend:
- Polyester-Pulverlacke,
- Epoxid-Pulverlacke,
- Polyester-Epoxid-Pulverlacke,
- Polyurethan-Pulverlacke,
- Acrylat-Pulverlacke,
- Fluorpolymer-Pulverlacke,
- Polyamid-Pulverlacke.
L. Verfahren nach einem der Aspekte A bis K, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Pulverlacke Niedrigtemperatur-Pulverlacke oder Ultraniedrigtemperatur-Pulverlacke sind.
M. Verfahren nach einem der Aspekte A bis L, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
- Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ,
- Polyamide (PA) ,
- Polyurethane (PU) , - Polyester,
- Mitteldichte Holzfaserplatte (MDF) ,
- Hochdichte Faserplatte (HDF) ,
- Naturholz,
- Glas,
- Keramik.
N. Verfahren nach einem der Aspekte A bis M, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Material mit einem Anteil an Glasfasern zwischen 20% bis 80%, insbesondere zwischen 30% bis 70%, bevorzugt zwischen 40% bis 60% aufweist.
0. Verfahren nach einem der Aspekte A bis N, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beschichten des Substrates das
Substrat durch thermische Einwirkung zumindest teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig entgast wird.
P. Substrat, insbesondere nicht-leitendes Substrat, mit einer beschichteten Oberfläche hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Aspekte A bis 0.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrates mit Pulverlacken, umfassend die Schritte :
- Bereitstellen eines zu beschichtenden Substrates,
- Vorheizen des zu beschichtenden Substrates auf 40 bis 140 °C zur Erniedrigung des Oberflächenwiderstands des Substrats auf kleiner 1012 Ohm, bevorzugt im Bereich von 1010 bis kleiner 1012 Ohm,
- Einschichtiges, elektrostatisches Beschichten der
Oberfläche mit Pulverlack, welcher ein, insbesondere zu einem Duroplasten aushärtendes, reaktives System umfasst ,
- Aushärten der Pulverlackschicht bei maximal 170 °C.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorheizen über eine Zeitspanne von 5 sec bis 90 min
erfolgt . 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das Substrat mittels Bestrahlung, insbesondere mittels Infrarotbestrahlung, oder in einem Ofen vorgeheizt wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass auf der zu beschichtenden Oberfläche vor dem Beschichten eine Vorbehandlung, insbesondere eine Erhöhung der Oberflächenspannung auf einen Wert von > 40 mN/m, bevorzugt von > 60 mN/m, besonders bevorzugt von > 70 mN/m, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung ein Verfahren ist, ausgewählt aus der Gruppe:
- mechanisch Bearbeiten, insbesondere durch Schleifen und/oder Strahlen,
- Beflammen,
- Plasmabehandlung.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung der Oberfläche vor und/oder nach dem Vorheizen erfolgt.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schritt des Beschichtens mit
Pulverlack mittels eines Verfahrens erfolgt, ausgewählt aus der Gruppe:
- Besprühen, insbesondere mit einem Korona- oder Tribo- Verfahren,
- Wirbelsintern,
- elektrostatische Fluidisierbetttechnik und/oder mit
Transferapplikation,
- Kombination der genannten Verfahren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aushärtens der
Pulverlackschicht mittels eines Verfahrens erfolgt, ausgewählt aus der Gruppe:
- Einbrennen im Konvektionsofen bei Temperaturen in einem Bereich von 80°C bis 170°C, bevorzugt von 100°C bis 160°C, besonders bevorzugt von 120°C bis 140°C über eine Zeitspanne von 1 min bis 60 min, insbesondere von 3 min bis 40 min, bevorzugt von 5 min bis 20 min,
- Infrarotbestrahlung (IR),
- Bestrahlung durch nahe Infrarotstrahlung (NIR) ,
- Bestrahlung und Härtung durch Ultraviolettstrahlung (UV) , insbesondere in Kombination mit Konvektionswärme und/oder IR-Strahlung und/oder NIR-Strahlung zum
Aufschmelzen und/oder Härten der Lackschicht,
- Kombinationen der genannten Verfahren.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass auf den Einsatz chemischer
Haftvermittler verzichtet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass lösungsmittelfreie Pulverlacke verwendet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pulverlacke ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend: - Polyester-Pulverlacke,
- Epoxid-Pulverlacke,
- Polyester-Epoxid-Pulverlacke,
- Polyurethan-Pulverlacke,
- Acrylat-Pulverlacke,
- Fluorpolymer-Pulverlacke,
- Polyamid-Pulverlacke.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Pulverlacke Niedrigtemperatur- Pulverlacke oder Ultraniedrigtemperatur-Pulverlacke sind.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, das der Pulverlack elektrostatische
Additive umfasst.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass das Substrat ein Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
- Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ,
- Polyamide (PA) ,
- Polyurethane (PU) ,
- Polyester,
- Mitteldichte Holzfaserplatte (MDF) ,
- Hochdichte Faserplatte (HDF) ,
- Naturholz,
- Spanplatte,
- Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff (WPC) ,
- Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) .
- Glas,
- Keramik.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Material mit einem Anteil an Glasfasern oder an Carbonfasern zwischen 20% bis 80%, insbesondere zwischen 30% bis 70%, bevorzugt zwischen 40% bis 60% aufweist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anhaftung des Pulverlacks beim Beschichten nur durch elektrostatische Effekte im
Wesentlichen ohne Anschmelzen des Pulverlacks auf dem
Substrat vermittelt wird.
17. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrats mit Pulverlacken, insbesondere gemäss einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend ein oder mehrere elektrostatische Additive.
18. Substrat, insbesondere nicht-leitendes Substrat, mit einer beschichteten Oberfläche hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder 17.
19. Verwendung eines Pulverlacks umfassend ein oder mehrere elektrostatische Additive zur Beschichtung einer Oberfläche eines elektrisch nicht-leitenden Substrats.
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