DE60118027T2

DE60118027T2 - Verfahren zur ablagerung von pulverlacken auf nicht-metallischen substraten

Info

Publication number: DE60118027T2
Application number: DE60118027T
Authority: DE
Inventors: L. Martin Richmond HOLLIDAY; Craig Wilson; G. Colin Birmingham PIEARCE
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: ES2259048T3; EE200200347A; BG106956A; CA2395725A1; PL362846A1; ATE320317T1; NO20023071D0; BR0107427A; CZ20022132A3; SK8932002A3; NO20023071L; WO2002042167A3; EP1330393A2; PT1330393E; CZ294926B6; HUP0302111A2; YU49302A; CN1416372A; JP2004514547A; DE60118027D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ablagerung von Pulverlacken auf nicht metallische Substrate, wie etwa auf Holz oder Kunststoffe, auf die auf Gips oder Zement beruhenden Produkte und auf Verbundmaterialien, vorzugsweise auf Faserplatten von mittlerer Dichte (MDF = medium density fibre board) oder auf andere Substrate, die auf Zellulose beruhen.
Pulverlacke werden typischerweise auf elektrisch leitfähige Metallsubstrate aufgetragen. Die Ablagerung des Pulverlacks auf diese elektrisch leitfähigen Materialien wird durch elektrostatische Kräfte heraufgesetzt. Das Pulver wird mit Hilfe der Reibung (triboelektrische Aufladung) oder durch eine Coronaentladung aufgeladen. Das aufgeladene Pulver wird dann auf ein Substrat gesprüht, welches geerdet ist. Die elektrostatische Ladung auf den Partikeln des Pulverlacks erlaubt die Ablagerung einer glatten Pulverschicht auf das Substrat und sie führt auch zu einer vorübergehenden Haftung des Pulvers an der Substratoberfläche. Diese Haftung ist ziemlich fest und sie erlaubt den Transport der beschichteten Stücke aus dem Bereich für die Pulverablagerung hin in den Aushärtungsofen, wo das Pulver geschmolzen wird und wo es einen kontinuierlichen Film auf dem Substrat bildet. Die Leitfähigkeit des Metallsubstrats ist wichtig für den Erfolg der Pulverlacke.
Die Verwendung von Pulverlacken, um nicht metallische Substrate zu beschichten, ist für die Umwelt vorteilhaft, wenn es darum geht die VOC-Emissionen (flüchtige organische Verbindungen = volatile organic compounds = VOC) und den Lackabfall zu verringern. Die Ablagerung auf im Wesentlichen nicht leitfähige Substrate ist jedoch weit aus schwieriger durchzuführen als die Ablagerung auf metallische Substrate. Die Oberflächenleitfähigkeit der meisten nicht metallischen Materialien, etwa von Verbundmaterialien aus Holz oder von Kunststoffen ist nicht ausreichend, um eine wirksame Erdung des Substrats zu ermöglichen. Eine Pulverablagerung auf diese Substrate wird daher nicht von der elektrostatischen Anziehung unterstützt, was oft zu einer ungleichmäßigen Pulverablagerung und, vor dem Aushärten des abgelagerten Pulverlacks, zu einer schlechten Haftung des Pulvers an dem Substrat führt.
Verschiedene Wege sind in der Vergangenheit erkundet worden, um dieses Problem zu überwinden.
Der Artikel "Powder Coatings of Wood based Substrates" (H. Bauch, JOT 1998, Vol. 10, p. 40ff) beschreibt eine Vorbehandlung mit einem flüssigen leitfähigen Primer vor der Ablagerung des Pulvers. Dieser Primer erhöht die Oberflächenleitfähigkeit in einem ausreichenden Maß, um eine elektrostatische Ablagerung einer Pulverdeckbeschichtung zu ermöglichen. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen zusätzlichen Beschichtungsschritt, möglicherweise mit einem zwischengeschalteten Schleifen zwischen der Auftragung des Primers und dem Verfahren der Pulverlackbeschichtung, was deutliche Kosten zu dem gesamten Lackverfahren hinzufügt.
In demselben Artikel werden andere Vorschläge für eine Vorbehandlung nicht leitfähiger Substrate vorgeschlagen, wie etwa ein Erhöhen der Oberflächenleitfähigkeit durch ein Trocknen der Oberfläche über eine Hochfrequenzwechselspannung oder durch die Verwendung von Pulverlacken, welche durch UV(Ultraviolett)-licht gehärtet werden, ohne eine Vorbehandlung der Oberfläche zu verlangen. Die Probleme bestehen darin, gleichförmige Beschichtungen insbesondere für strukturelle Substrate zu erhalten und Beschichtungen mit der gewünschten Deckkraft oder den gewünschten Mattierungseigenschaften zu erzielen.
DE-A 19533858 beschreibt die Vorerwärmung von MDF-Platten mit Mikrowellen vor der Ablagerung eines Pulverlacks. Man glaubt, dass die Mikrowellenerhitzung zu einem vorübergehenden Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts auf der Oberfläche der MDF führt, was den Oberflächenwiderstand vermindert. Das Erwärmen großer Objekte wie MDF-Platten mit Mikrowellen ist jedoch teuer und es ist schwierig, eine gleichmäßige Erwärmung solch großer Objekte mit Mikrowellen zu erzielen.
Ein anderes Verfahren, welches eingesetzt worden ist, besteht darin, die Oberfläche von nicht metallischen Substraten vor dem Beschichten mit Wasser zu besprühen, um die Oberflächenleitfähigkeit zu erhöhen. Das Problem bei diesem Ansatz liegt in der Bildung von Wasserdampf unter dem Pulverfilm während des Schmelz-/Aushärtungsverfahrens, was eine Porosität und eine schlechte Pulverhaftung verursacht.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur Vorbehandlung besteht darin, die nicht metallischen Substrate wie Holzverbundstoffe oder natürliches Holz einer trockenen Hitze auszusetzen und dann das Pulver auf die heiße Oberfläche aufzutragen. EP-A-933140 zum Beispiel beschreibt die Verwendung einer Infrarotstrahlung zum Vorwärmen der Platte. Das Pulver wird dann auf die Platte aufgetragen, welche eine besondere Oberflächentemperatur (z. B. 55°C) aufweist. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Kanten der Platten auf Grund des Wärmeverlustes oft nicht ausreichend bedeckt werden.
Das neuartige Verfahren gemäß dieser Erfindung überwindet die vorerwähnten Mängel der bisherigen Verfahren nach dem Stand der Technik.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist ausgerichtet auf ein Verfahren zur Ablagerung von Pulverlacken auf ein nicht leitfähiges Substrat, indem man zuerst das Substrat mit Dampf und Hitze behandelt vor der elektrostatischen Ablagerung eines Pulverlacks. Dieses einfache und zuverlässige Verfahren der Vorbehandlung ermöglicht die wirkungsvolle Ablagerung von Pulverlacken auf nicht leitfähige Substrate mit einer gleichmäßigen Beschichtung über die gesamte Oberfläche, einschließlich der Kanten, und mit keinen nachteiligen Auswirkungen auf die nachfolgende Aushärtung des Pulverfilms.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem Verfahren gemäß dieser Erfindung wird die Oberfläche eines nicht leitfähigen Substrats einer Kombination aus Dampf und Hitze ausgesetzt bei Temperaturen zwischen 70°C und 140°C während einer Zeitdauer zwischen 5 Sekunden und bis zu 10 Minuten, gefolgt von einem elektrostatischen Ablagern eines Pulverlackmaterials auf das Substrat, welches geerdet ist.
Vorzugsweise werden Temperaturen für die Vorbehandlung zwischen 80°C und 130°C und eine Zeitdauer der Vorbehandlung zwischen 5 Sekunden und 5 Minuten eingesetzt.
Die enge und genaue Steuerung der Temperatur- und Zeitparameter für die Dampfvorbehandlung und die Hitze, welche von dem zu behandelnden Substrat abhängt, ist notwendig, um die Möglichkeit einer Wasserentwicklung durch den Pulverfilm während des Schmelz-/Härtungsverfahrens zu vermeiden, was zu Filmfehlern führen würde, etwa zu Lunkern oder Blasen.
Es ist wesentlich bei dem Verfahren dieser Erfindung, die Kombination von Dampf und Hitze so anzuwenden, dass die behandelte Oberfläche nicht gesättigt wird oder dass eine Kondensation auf der Oberfläche nicht auftritt.
Das durch das Verfahren gemäß der Erfindung zu beschichtende Substrat wird in eine mit Dampf gesättigte Atmosphäre bei den oben erwähnten Temperaturen eingebracht, dies während der oben erwähnten Zeitdauer.
Die Dampfkammer kann von außen geheizt werden, um ihre Innentemperatur aufrechtzuerhalten.
Es ist auch möglich, einen hohen Dampfdruck bei einer geeigneten Temperatur anzuwenden, um die Temperatur auf den gewünschten Wert anzupassen. Die Dampfbehandlung kann auch durchgeführt werden, indem man die zu beschichtenden Stücke vorne an den Dampfdüsen vorbeischiebt, welche so ausgelegt sind, dass sie die gesamte Oberfläche der Stücke gleichmäßig bedecken.
Nach der Dampf- und Wärmevorbehandlung wird ein Pulverlack auf das Substrat abgelagert, welches geerdet ist. Die Temperatur der Oberfläche des Substrats während der Pulverablagerung kann zwischen der Raumtemperatur und 40°C liegen. Man bevorzugt, das Pulver bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur des Pulverlackmaterials abzulagern. Typische Glasübergangstemperaturen des Pulverlacks liegen zwischen 45 und 70°C.
Nach der Dampf- und Wärmevorbehandlung und vor der Pulverablagerung auf die Oberfläche des Substrats bevorzugt man eine Stabilisierungsperiode zwischen 5 Sekunden und bis zu 5 Minuten, zum Beispiel eine Periode zwischen 30 Sekunden und 1 Minute.
Das für das Verfahren gemäß der Erfindung verwendete Pulverlackmaterial kann irgendein thermisch härtendes oder durch Strahlung härtendes Pulver sein, welches für das in Frage kommende Substrat geeignet ist, welches die bekannten Pulverbindemittel, Vernetzungsmittel, Pigmente und/oder Zusatzstoffe enthält. Der resultierende Lack kann zum Beispiel eine weiche Oberflächenbeschaffenheit, eine texturierte Oberflächenbeschaffenheit oder eine metallische Wirkung aufweisen.
Beispiele von Pulverlackzusammensetzungen, welche mit UV-Strahlung gehärtet werden können, sind in EP-A 739922, EP-A 702067 oder EP-A 636660 beschrieben.
Pulverlackzusammensetzungen, welche dazu geeignet sind, mittels einer Strahlung im nahen Infrarot (NIR) gehärtet zu werden, sind in WO 99/41323 beschrieben.
Nach dem Schritt der Pulverlackablagerung wird das Pulverlackmaterial geschmolzen und durch geeignete Mittel ausgehärtet. Für den Schmelzschritt können Konvektionswärme, Strahlungswärme [z.B. Infrarot, gaskatalytisches Infrarot, nahe Infrarot (NIR) Strahlung] oder Kombinationen verschiedener Wärmequellen verwendet werden. Wenn thermisch aushärtende Pulverlacke verwendet werden, dann kann dieselbe Wärmequelle verwendet werden, um den Härtungsschritt zu vollziehen. Wenn mittels UV- oder Elektronenstrahlung aushärtende Pulverlacke verwendet werden, dann kann das Härten durch Bestrahlung der geschmolzenen Schicht mit UV-Strahlung oder durch eine Elektronenstrahlbehandlung durchgeführt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auf verschiedene, nicht leitfähige Substrate angewendet werden, wie z. Bsp. auf Spanplatten, MDF, HDF (high density fibre), Papier, Pappe oder auf andere von der Zellulose herrührende Materialien, natürliches Holz, Kunststoffe, auf Gips oder Zement basierte Materialien und auf Verbundmaterialien.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist insbesondere für die Lackierung von dünnen MDF-Platten mit einer Dicke unter 15 mm nützlich, welche Profile aufweisen können, die mit scharfen Kanten herausgeschnitten worden sind. Solche Platten sind schwierig zu beschichten, wenn man die bekannten Verfahren zur Vorbehandlung einsetzt, wie etwa die trockene Wärme.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht eine wirksame Ablagerung von Pulverlacken auf nicht leitfähige Substrate mit einer sehr reproduzierbaren und gleichmäßigen Beschichtung des Pulvers auf dem Substrat und mit optimalen Fließ- und Deckkraftqualitäten.
Die Dampf- plus Wärmevorbehandlung erlaubt eine gleichmäßige Ablagerung von Pulvern auf allen Teilen der Substrate, einschließlich auf Formleisten, scharfen Kanten oder Rändern von Löchern. Die Vorbehandlung beeinträchtigt das anschließende Schmelzen der Pulverschicht und das Härtungsverfahren in keiner Weise. Es werden im Wesentlichen fehlerfreie Lackierungen mit einer guten Qualität erzielt.
Die folgenden Beispiele zeigen das Verfahren gemäß dieser Erfindung in weiterreichenden Einzelheiten. In einem jeden der folgenden Beispiele wurde ein Pulverlack aus Epoxidpolyester verwendet und durch Coronaablagerung unter Verwendung herkömmlicher Auftragungsbedingungen aufgetragen und das Substrat, auf welches das Pulver aufgetragen wurde, war geerdet.
BEISPIELE
BEISPIEL 1
Eine MDF-Platte von 6 mm Dicke wurde dadurch konditioniert, dass sie durch eine Kammer geschleust wurde, in welcher sie dem Dampf und der zirkulierenden Luft ausgesetzt war, und zwar bis 80°C, während einer Zeitdauer von 1 Minute. Nach dem Verlassen der Kammer ließ man die Platte stehen, damit sie sich während einer Zeitdauer von 1 Minute stabilisieren konnte, bevor die Pulverlackbeschichtung unter Verwendung einer herkömmlichen, elektrostatischen Hochspannungsspritzkanone erfolgte. Die Pulverablagerung war ausgezeichnet, einschließlich einer vollständigen Überdeckung der Plattenkanten und eine Umhüllung der Hülle um die Rückseite der Platte herum.
BEISPIEL 2
Ein anderes Stück derselben Platte wurde auf die gleiche Art und Weise beschichtet, aber ohne die Konditionierungsphase der Dampf-Wärmebehandlung. Die Pulverablagerung war schlecht, insbesondere war es nicht möglich, eine Überdeckung auf den Plattenkanten zu erzielen und die Umhüllung war nur begrenzt.
BEISPIEL 3
Ein anderes Stück derselben Platte wurde durch Infrarotstrahlung auf eine Oberflächentemperatur von 80°C vorgewärmt, dann wie oben innerhalb einer Zeitdauer von 1 Minute einer Pulverbeschichtung unterworfen. Das Pulver haftete nicht an den Plattenkanten.
BEISPIEL 4
Ein vormontierter 3-dimensionaler Kasten mit den Ausmaßen 300 × 150 mm aus 15 mm MDF-Platten wurde mit Pulver beschichtet ohne irgendeine Konditionierung des Kastens und auch ein anderer Kasten, wie oben beschrieben, wurde mit Pulver beschichtet nach einer Vorerwärmung des Kastens in einem Konvektionsofen während einer Zeitdauer von 5 Minuten bei 130°C. In beiden Fällen war die Eindringung des Pulverlacks in die Ecken der Kästen schlecht mit deutlichen unbeschichtet gebliebenen Flächen.
BEISPIEL 5
Ein Kasten, so wie er oben in dem Beispiel 4 beschrieben ist, wurde durch eine Kammer geschleust, wo er einem Dampf und einer Wärme bei 85°C während einer Zeitdauer von 1 Minute ausgesetzt wurde. Nach dem Entfernen aus der Kammer und nach einer Stabilisierung während einer Zeitdauer von 1 Minute wurde der Kasten wie oben mit Pulver beschichtet; dieses Mal war die Pulverablagerung ausgezeichnet mit einer vollständigen internen und externen Überdeckung.

Claims

Verfahren zur Ablagerung eines Pulverlacks auf ein Substrat einer Faserplatte mittlerer Dichte, welches ein Behandeln der Oberfläche des besagten Substrats mit Dampf und Hitze bei Temperaturen zwischen 70°C und 140°C während einer Zeitdauer zwischen 5 Sekunden und bis zu 10 Minuten und eine anschließende Ablagerung eines Pulverlacks durch ein elektrostatisches Sprühverfahren umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die Temperaturen des Dampfes und der Hitze zwischen 80°C und 130°C liegen und bei welchem die Zeitdauer zwischen 5 Sekunden und 5 Minuten beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem eine Stabilisierungsperiode zwischen der Dampf- und der Wärmebehandlung und der anschließenden Pulverbeschichtung der Substratoberfläche stattfindet.
Verfahren gemäß Anspruch 3, bei welchem die Stabilisierungsperiode zwischen 5 Sekunden und bis zu 5 Minuten beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, bei welchem die Stabilisierungsperiode zwischen 30 Sekunden und bis zu 1 Minute beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem das zu behandelnde Substrat hinein gebracht ist in eine mit Dampf gesättigte Atmosphäre gefolgt von zirkulierender heißer Luft.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die Temperatur der Substratoberfläche während der Pulverablagerung zwischen der Raumtemperatur und 90°C aufrechterhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem die Temperatur der Substratoberfläche während der Auftragung des Pulverlacks zwischen 45 und 70°C und unterhalb der Glasübergangstemperatur des Pulverlacks liegt.