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WO2013139851A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von gehärteten lackschichten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von gehärteten lackschichten Download PDF

Info

Publication number
WO2013139851A1
WO2013139851A1 PCT/EP2013/055808 EP2013055808W WO2013139851A1 WO 2013139851 A1 WO2013139851 A1 WO 2013139851A1 EP 2013055808 W EP2013055808 W EP 2013055808W WO 2013139851 A1 WO2013139851 A1 WO 2013139851A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coating composition
radiation
needle
electromagnetic radiation
spray gun
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/055808
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Schrof
Thomas Meier
Christian Michael Jung
Antoine Carroy
Werner-Alfons Jung
Peter Hoffmann
Tobias Hintermann
Caroline Lordelot
Olof Wallquist
Original Assignee
Basf Se
Basf Schweiz Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Basf Se, Basf Schweiz Ag filed Critical Basf Se
Priority to JP2015500908A priority Critical patent/JP2015512331A/ja
Priority to CN201380015763.7A priority patent/CN104203425A/zh
Priority to EP13710436.0A priority patent/EP2828001A1/de
Publication of WO2013139851A1 publication Critical patent/WO2013139851A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/30—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages
    • B05B1/3033—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head
    • B05B1/304—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a lift valve
    • B05B1/3046—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to control volume of flow, e.g. with adjustable passages the control being effected by relative coaxial longitudinal movement of the controlling element and the spray head the controlling element being a lift valve the valve element, e.g. a needle, co-operating with a valve seat located downstream of the valve element and its actuating means, generally in the proximity of the outlet orifice
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    • B05B7/2402—Apparatus to be carried on or by a person, e.g. by hand; Apparatus comprising containers fixed to the discharge device
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    • B05B7/2435—Apparatus to be carried on or by a person, e.g. by hand; Apparatus comprising containers fixed to the discharge device using an atomising fluid as carrying fluid for feeding, e.g. by suction or pressure, a carried liquid from the container to the nozzle the carried liquid and the main stream of atomising fluid being brought together by parallel conduits placed one inside the other
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05D1/02—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
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    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/06—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation
    • B05D3/061—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by exposure to radiation using U.V.
    • B05D3/065—After-treatment
    • B05D3/067—Curing or cross-linking the coating

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for producing hardened lacquer layers on a substrate surface.
  • Conventional spray guns are generally constructed so that from a reservoir, the paint is conveyed into the spray gun, passed through the latter in an annular gap-shaped channel along a needle and at the nozzle formed by the needle tip and mantle by a
  • Spray air Gas, inert gas or compressed air stream
  • gas, inert gas or compressed air stream is distributed. It is possible to further shape the spray cone by means of a gas metering in addition to the nozzle, for example with the aid of so-called horn air.
  • Airless atomizing spraying methods are also known in which the coating composition, in contrast to air atomization, is atomized by the material pressure alone, for this purpose the coating composition is pressed under pressure through a nozzle bore which divides the material into a spray jet.
  • a paint is merely applied to a substrate with a spray gun, the curing then takes place after application in a separate step, for example by baking the paint or radiation curing.
  • US 3133828 describes a method for applying a coating to large substrates, for example car bodies, in which the coating composition is activated before application to the substrate.
  • the disadvantage is that the device is stationary and can not be easily downsized.
  • JP 61-098740, JP 07-227567, EP 393407 and JP 2007-083166A describe the general possibility of exposing paint before passing through a spray gun, without disclosing details on the type and location of the exposure.
  • DE 19961990 describes a method for forming a component in which a mass to be hardened is pressed into a mold and the curing is previously initiated.
  • DE 3702999 describes the curing of UV reaction resin compositions by the mass is passed through a channel which is exposed either from the outside (there Figure 1) or from behind (there Figure 2) through a light guide.
  • the resin compounds are used for bonding.
  • the UV reaction resins described here are only curable under the specified conditions, because the residence time in the exposure system is relatively long. Due to the low exposure intensity of commercial systems, only low volume flows are possible.
  • a disadvantage of the last variant is that UV radiation can also penetrate outward along the channel. This can cause additional expense for UV protection measures or lead to unwanted hardened deposits at the end of the channel. Furthermore, in the examples explicitly disclosed, exposure times of 5 or 10 seconds are disclosed, which is the case there disclosed systems of exposure device and coating composition for spray guns unsuitable. In addition, a distribution of the adhesive resin compositions by spraying is not provided and due to the high viscosity of such resin compositions also not possible. From EP 1002587 A it is known to expose radiation-curable lacquers in a spray gun and thus to harden the applied lacquer during application to the substrate or to initiate the curing.
  • the disadvantage is that must be protected from the UV radiation by the external exposure of the painter. Furthermore, the spray gun becomes unwieldy due to the irradiation unit attached to the mouth. In addition, the large-area UV exposure of a droplet mist is costly and results in an inhomogeneous irradiation of the substrate.
  • the object of the present invention was therefore to develop a mobile spray gun with which radiation curing can be initiated without the surgeon having to be protected from radiation.
  • Commercially available spray guns should be slightly modified in a simple form.
  • the optional at least one supply channel 3 for a gas and the at least one supply channel 2 are arranged such that the at least one radiation-curable coating mass led from the at least one feed channel 2 through the mouth 13 is atomized by the gas from the optional at least one feed channel 3 or the at least one radiation-curable coating composition is nebulized by physical forces in the absence of the optional supply channel 3,
  • the needle 1 is designed such that it is permeable to electromagnetic radiation. is sig, with the curing of the at least one radiation-curable coating composition can be initiated and / or
  • the supply line 12 is designed to be transparent to electromagnetic radiation and a lighting unit 10 is attached to the supply line 12.
  • the electromagnetic radiation transmissive needle 1 is preferably made to have the same diameter and the same tip geometry as the original conventional needle. If desired, the tip geometry can be easily modified, for example, the cone angle changed or incorporated in the tip of one or more shoulders or throats. Otherwise, the dimensions of the needle 1 and the needle tip are based on those of the original needle.
  • the diameter of the needle (referred to as e in FIG. 1) may preferably be from about 0.5 to 10, more preferably 2 to 5 mm. In individual cases, smaller diameters are possible. It is essential to the invention that the needle 1 is made of a material which is permeable to electromagnetic radiation in the wavelength range which is required in order to initiate hardening in the at least one radiation-curable coating composition.
  • Such materials may be, for example, quartz, polymethyl methacrylate (Plexiglas®) or other transparent plastics, for example polycarbonate (PC), polyethylene (PE), polypropylene (PP), sapphire glass, calcite, glass, as well as hollow bodies with transparent input and output surfaces, preferred material is quartz.
  • PC polycarbonate
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • sapphire glass sapphire glass
  • calcite glass
  • glass as well as hollow bodies with transparent input and output surfaces
  • preferred material is quartz.
  • UV light there should be significant transparency for the wavelength range below 450 nm. It is usually and preferably sufficient if only the surface of the needle 1 at the tip, referred to as 6 in FIG. 1, is made permeable to electromagnetic radiation.
  • the distance f in FIG. 1 is exposed and is available for activation of the photoinitiator I in the at least one coating mass.
  • the length of the distance f is preferably between 1 and 30 mm, more preferably between 2 and 20 and most preferably between 4 and 15 mm. It represents a preferred embodiment of the present invention, when the surface 7 opposite the surface 6 in the feed channel 2 is reflective along the exposure distance f for the applied radiation. This causes an improved utilization of the electromagnetic radiation.
  • the body of the needle that is transparent to the applied radiation acts as a radiation conductor. It therefore brings no additional advantage, although the lateral surface of the cylindrical portion of the needle 1, referred to in Figure 1 as 5, is permeable to electromagnetic radiation. This usually has disadvantages as regions with very low material flow are exposed and harden within the gun.
  • the needle 1 is connected at the back to a lighting unit (not shown in FIG. 1) which emits electromagnetic radiation, at least in the desired wavelength range, effectively into the radiation conductor of the needle.
  • the illumination unit can be attached directly to the needle 1 or preferably connected to it, particularly preferably by a light guide.
  • Suitable lighting units are e.g. Mercury low pressure lamps,
  • the radiation curing is effected by the action of high-energy radiation, ie IR, NIR, UV radiation or daylight, preferably UV radiation.
  • the desired wavelength range ⁇ which the illumination unit emits, must include the wavelength range with which the radiation curing is to be carried out. This wavelength range should preferably include the absorption spectrum and particularly preferably the activation spectrum of the at least one photoinitiator I (see below) used in the coating composition.
  • the desired wavelength range may comprise 200 to 2500 nm, preferably 200 to 2000, more preferably 200 to 1500, most preferably 200 to 1000, especially 200 to 780 nm, especially 340 to 500 nm.
  • the introduced radiation dose should preferably be in the range of 80 to 30,000 mJ / cm 2 in the case of UV curing.
  • the illumination unit is one or more LEDs emitting in the UV region, particularly preferably LEDs or LED systems which emit UV light in the wavelength range from 365 to 450 nm.
  • a plurality of illumination units preferably LEDs used, for example, 2 to 100, preferably 2 to 50, more preferably 3 to 25 and most preferably 3 to 16, it may be necessary the irradiated diameter of the illumination unit to the Adjust diameter of the needle 1, this is preferably done by adaptation unit or converging lens.
  • LEDs It is a particular advantage of LEDs that they can be attached directly to the needle or the body of the spray gun due to their small size and need not be connected via a light guide to the needle 1.
  • the needle 1 is designed to be movable longitudinally, so that they close the at least one feed channel 2 for the at least one coating mass by movement against the mouth 13 with the diameter d and so regulate and prevent the spraying of the coating composition. It is understood that for closing the mouth 13, the diameter e must be greater than d, in particular in the region of the mouth 13th
  • the feed channel 2 is arranged around the needle 1 in the form of an annular gap, but the exact arrangement of the feed channel 2 is not essential to the invention; other arrangements of the feed channel 2 are conceivable, which can have the same effect.
  • the width of the feed channel 2 between needle 1 and wall 4 is designated by a in FIG. 1 and may be from 0.05 to 5 mm, preferably from 0.1 to 1.5 mm and more preferably from 0.1 to 1 mm.
  • At least one spray gas is supplied to at least one further feed channel 3 on the side of the mouth 13 facing away from the needle 1, under the influence of which the at least one coating composition is atomized.
  • the at least one feed channel 3 is present and is guided by this spray gas.
  • the supply channel 3 is arranged in the form of an annular gap around the jet of the at least one coating mass emerging from the orifice 13, but the exact arrangement of the feed channel 3 is not essential to the invention; other arrangements of the feed channel 3 are conceivable which can have the same effect.
  • the width of the feed channel 3 is designated b in FIG. 1 and may be from 0.1 to 5 mm, preferably from 0.2 to 4 mm and particularly preferably from 0.3 to 3 mm.
  • the at least one gas which is conducted through the feed channel 3 is preferably air, but it is also conceivable to use another gas, for example an inert gas such as nitrogen or carbon dioxide.
  • the at least one gas which is passed through the feed channel 3 is usually fed via a line from a supply outside the spray gun, preferably in a compressed form, into the feed channel 3.
  • the at least one gas is conveyed with an overpressure against the atmosphere of up to 5 bar, preferably up to 3 bar, particularly preferably 2 bar, into the spray gun.
  • the two supply channels 2 and 3 are separated by a wall 4 from each other.
  • the design of the nozzle 14 with the width c is not critical to the invention, the effect is crucial for the atomization of the at least one coating composition in such a way that the coating composition can be applied in the desired manner to the substrate.
  • the at least one radiation-curable coating composition which is guided through the feed channel 2, can optionally be conducted via a line from a supply outside the spray gun into the feed channel 2 or else via a reservoir 11 directly connected to the spray gun. In both cases, it is possible to design the supply line 12 from the external supply or from the reservoir 11 to the supply channel 2 over a distance h transparent to electromagnetic radiation, so that 10 more electromagnetic radiation can be introduced into the at least one coating composition via a lighting unit.
  • the lighting unit 10 with one-sided, two-sided or arranged around the feed line 12 exposure can be mounted or plugged eg as a flat intermediate piece between storage tank and actual spray gun.
  • This intermediate piece can be injection-molded or cast, for example, from transparent polymer and can be made interchangeable because of possible caking or degradation of the transparent material.
  • Such an intermediate piece may have different diameters i in order to allow a sufficient penetration depth of the electromagnetic radiation into the irradiation chamber for starting the hardening. hardenable coating composition depending on different photoinitiators and different concentration of photoinitiators or to allow different volume flows.
  • the illuminated surface of the lighting unit can be different in size, so that different numbers of light sources such as LEDs can be mounted.
  • a further embodiment comprises as a supply line 12 a hose with interchangeable, preferably plane-parallel transparent windows, preferably made of a transparent injection-molded plastic, to which the LEDs are plugged. This allows the easy replacement of the windows during gluing with reuse of the LEDs.
  • the supply line 12 may thus be a few millimeters to several meters long and the illuminated route h therein may include part of this route up to the entire route 12.
  • static mixers mounted in the illuminated section can homogenize the residence time of the coating compositions near the edge zones with higher exposure intensities and avoid that unexposed volume elements are splashed and later cause uncoated coating areas.
  • the illumination unit 10 can preferably emit in the same wavelength range as the electromagnetic radiation guided through the needle 1. However, it is also conceivable to irradiate in a different wavelength range, provided that the at least one coating composition contains a photoinitiator I which can be activated in this other wavelength range.
  • the two embodiments of the present invention exposure by the needle 1 and / or exposure between the reservoir 11 and the spray gun
  • the exposure between reservoir 11 and spray gun optionally supplemented by an exposure by the needle. 1
  • At least one further illumination unit 8 may be mounted so that it irradiates the supply channel 2 from outside to inside.
  • the wall 4 is provided in the region of the illumination unit 8 with a transparent window 9 of length g, which is permeable in the wavelength range relevant to the photoinitiator for the electromagnetic radiation emitted by the illumination unit 8.
  • the channel form for the coating mass can be made large and thin.
  • the feed channel 12 can be divided into thin individual channels, which are each irradiated.
  • the channel 2 can be made thin-layered.
  • the illumination unit 8 can preferably emit in the same wavelength range as the electromagnetic radiation guided through the needle 1. However, it is also conceivable to irradiate in a different wavelength range, provided that the at least one coating composition contains a photoinitiator I which can be activated in this other wavelength range.
  • the at least one coating composition for example one to three, preferably one to two and particularly preferably exactly one coating composition, are those coating compositions whose curing can be carried out or at least initiated by electromagnetic radiation.
  • curing is meant a polymerization of low molecular weight components contained in the coating composition to form high molecular weight compounds. This may preferably be a free-radical polymerization or a polycondensation.
  • the coating composition may be those coating compositions which comprise activated ethylenically unsaturated double bonds and at least one photoinitiator I which can be activated by the irradiated electromagnetic radiation, so that free-radical radicals are formed Start polymerization.
  • the activated ethylenically unsaturated double bonds are preferably selected from the group consisting of acrylate groups, methacrylate groups and vinyl ether groups, more preferably selected from the group consisting of acrylate groups and methacrylate groups.
  • the coating compositions may advantageously be those described in WO 2005/1 19208 A1, page 5, line 7 to page 7, line 21 (corresponding to US 2008/0032037 A1, paragraphs [0033] to [0046 ]), which is hereby expressly incorporated herein by reference.
  • the photoinitiators I contained therein for activating the coating composition can be activatable, for example, by UV, IR and / or NIR radiation and / or daylight, preferably by UV and / or IR radiation and / or daylight, particularly preferably by
  • UV radiation Such photoinitiators which can be activated by UV radiation are known, for example, from WO 2005/1 19208 A1, page 7, line 23 to page 9, line 10 (corresponds to US 2008/0032037 A1, paragraphs [0047] to [0059]), which hereby is expressly incorporated herein by reference.
  • NIR or IR radiation photoinitiators are known for example from WO 2005/085372 A1, page 3, line 24 to page 5, line 18 (corresponds
  • a UV and an NIR-activatable photoinitiator can be used in combination or else two UV-activatable photoinitiators, if they can be activated by sufficiently different wavelength ranges.
  • the coating composition is two-component polyurethane coating compositions whose polycondensation is triggered by a Lewis acid which is released by irradiation of electromagnetic radiation.
  • the two-component polyurethane coating compositions are preferably coating compositions which contain at least one polyisocyanate and at least one binder.
  • the binders may be, for example, polyacrylate polyols, polyester polyols, polyether polyols, polyurethane polyols; polyurea; Polyesterpolyacrylatpolyole; Polyester polyurethane polyols; Polyurethane polyacrylate polyols, polyurethane modified alkyd resins; Fatty acid-modified polyester polyurethane polyols, copolymers with allyl ethers, graft polymers of the substance groups mentioned with, for example, different glass transition temperatures, as well as mixtures of said binders. Preference is given to polyacrylate polyols, polyester polyols and polyurethane polyols.
  • binders may have an acid number according to DIN EN ISO 3682 (potentiometric) to 200 mg KOH / g, preferably up to 150 and particularly preferably up to 100 mg KOH / g.
  • Particularly preferred binders are polyacrylate polyols and polyesterols.
  • Such coating compositions are described, for example, in WO 2009/0501 15 A1, page 30, line 22 to page 33, line 20, which is hereby expressly incorporated by reference into the present disclosure.
  • Lewis acids released by electromagnetic radiation are known.
  • optically induced long dark reaction polymerizations e.g. 2K or cationic reactions for pigmented coatings.
  • Long means that the time to a sudden increase in the viscosity of the coating composition, as a result of which the coating composition in the spray gun is no longer processable, is preferably ten times longer than the residence time of the coating composition within the spray gun, calculated from the time of exposure to Leaving the nozzle 14.
  • the layer thickness of the coating compositions at the locations of the illumination units 6, 8 and / or 10 during the exposure preferably less than 1 mm, particularly preferably less than 100 ⁇ m or very particularly preferably less than 10 ⁇ m. It is possible to use a single Lewis acid as photoinitiator I in the coating composition or a combination of several Lewis acid as photoinitiators. The latter is particularly preferred when in the device according to the invention the irradiation of the electromagnetic radiation takes place via the needle 1 and via the optional illumination units 8 and / or 10 in different wavelength ranges.
  • a UV and an NIR-activatable photoinitiator can be used in combination or else two UV-activatable photoinitiators, if they can be activated by sufficiently different wavelength ranges.
  • typical additives in the coating compositions for example, antioxidants, oxidation inhibitors, stabilizers, activators (accelerators), dyes, degassing agents, brighteners, antistatic agents, flame retardants, thickeners, thixotropic agents, flow control agents, binders, antifoams, fragrances, surface-active agents, viscosity modifiers, plasticizers Plasticizer, tackifier, chelating agent or compatibilizer.
  • Pigmented coating compositions can also be used. This is particularly conceivable if the pigment is at least partially transparent to the incident and the photoinitiator I activating electromagnetic wavelength range. This is often the case for IR or NIR activatable photoinitiators. But also in this wavelength range absorbing, pigmented coating compositions can be activated in the spray gun according to the invention, when the quantum yield of the photoinitiators within the spray gun is sufficiently high. This can be further assisted by the attachment of static mixers, which circulates the coating composition in the exposed sections, thereby increasing the imageable layer thickness.
  • the coating composition to be applied has a viscosity that allows applicability by means of a spray gun.
  • This application viscosity can be achieved by adding solvent to the desired viscosity.
  • the viscosity of the radiation-curable coating composition should be from 10 to 10 000 mPas, preferably 10 to 1000 mPas at 25 ° C.
  • the illumination within the spray gun electromagnetic radiation does not penetrate or at least only slightly outward, but is almost completely absorbed within the gun, it can be waived labor protection of the painter against UV radiation.
  • the introduced dose of the electromagnetic radiation within the coating compound can be increased by providing the surfaces opposite the illumination units in a reflective manner.
  • the lighting units 8 and 10 are preferably also provided with housings 15, so that electromagnetic radiation can not escape to the outside.
  • the present invention represents a further development compared to the prior art in that it is now possible to initiate a polycondensation in two-component polyurethane coating compositions with the last-mentioned Lewis acids, Although the exposure in the spray gun according to the invention takes place only on the short distance f, or g or h, in which the coating composition of the electromagnetic radiation is exposed to significantly less than 1 second.
  • the residence time can be in the range of seconds. This is surprising in that in the prior art
  • Another object of the present invention is a method for applying a coating composition to a substrate by means of a spray gun, wherein the spray gun is a spray gun according to the invention and the coating composition is those coating compositions whose curing is carried out by electromagnetic radiation or can be initiated at least, preferably to two-component polyurethane coating compositions whose polycondensation is triggered by a Lewis acid, which is released by irradiation of electromagnetic radiation.
  • Another object of the present invention is the use of the spray gun according to the invention for applying such coating compositions to a substrate whose curing can be performed by electromagnetic radiation or at least initiated, preferably two-component polyurethane coating compositions whose polycondensation is triggered by a Lewis acid, by irradiation electromagnetic radiation is released.
  • the inventive method is suitable for coating substrates such as wood, wood veneer, paper, cardboard, textile, film, leather, nonwoven, plastic surfaces, glass, ceramics, mineral building materials, such as cement blocks and fiber cement boards or metals, each optionally optionally precoated or pretreated, preferably of wood, plastics and metals and more preferably of plastics and metals.
  • substrates such as wood, wood veneer, paper, cardboard, textile, film, leather, nonwoven, plastic surfaces, glass, ceramics, mineral building materials, such as cement blocks and fiber cement boards or metals, each optionally optionally precoated or pretreated, preferably of wood, plastics and metals and more preferably of plastics and metals.
  • the process according to the invention is particularly suitable for coating automobiles, (large) vehicles, aircraft, industrial applications, commercial vehicles in the agricultural and construction sectors, paint finishes, bridges, buildings, electricity pylons, tanks, containers, pipelines, power plants, chemical plants, ships , Cranes, piles, sheet piling, fittings, pipes, fittings, flanges, couplings, halls, roofs and structural steel, furniture, Windows, doors, parquet, particularly preferred is the coating of automobiles, (large) vehicles, aircraft and commercial vehicles, very particularly preferably of automobiles and in particular in refinish application.
  • Reference symbol in FIG. 1 Reference symbol in FIG. 1

Landscapes

  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Nozzles (AREA)
  • Coating Apparatus (AREA)
  • Paints Or Removers (AREA)

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mobile Sprühpistole, mit der eine Strahlungshärtung eingeleitet werden kann, ohne dass der Operateur vor Strahlung geschützt werden muss. Dies wird erreich durch eine mobile Sprühpistole, umfassend einen Zufuhrkanal 2 für eine strahlungshärtbare Beschichtungsmasse, eine in Längsrichtung bewegliche Nadel 1, mit der der Zufuhrkanal 2, der einen Ringspalt um die Nadel 1 bildet, gegen die Mündung 13 des Zufuhrkanals 2 abgedichtet werden kann, wobei die Nadel 1 so ausgestaltet ist, dass sie für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, mit der eine Härtung der strahlungshärtbaren Beschichtungsmasse eingeleitet werden kann und/oder die Zuleitung 12 transparent für elektromagnetische Strahlung ausgestaltet ist und eine Beleuchtungseinheit 10 an derZuleitung 12 angebracht ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von gehärteten Lackschichten Beschreibung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von gehärteten Lackschichten auf einer Substratoberfläche.
Konventionelle Sprühpistolen sind im allgemeinen so aufgebaut, daß aus einem Reservoir der Lack in die Sprühpistole gefördert wird, in dieser durch einen ringspaltförmigen Kanal entlang einer Nadel geleitet und an der durch Nadelspitze und Mantel gebildeten Düse durch einen
Gas-, Inertgas- oder Druckluftstrom (Sprühluft genannt) verteilt wird. Es ist möglich, den Sprühkegel weiter durch eine zusätzlich zur Düse vorhandene Gasdosierung weiter zu formen, beispielsweise mit Hilfe von sog. Hornluft. Bekannt sind auch luftlos zerstäubende Farbspritzver- fahren, in denen die Beschichtungsmasse im Gegensatz zur Luftzerstäubung allein über den Materialdruck zerstäubt wird, dazu wird die Beschichtungsmasse unter Druck durch eine Düsenbohrung gepreßt, die das Material in einen Sprühstrahl zerteilt. Üblicherweise wird mit einer Sprühpistole ein Lack auf ein Substrat lediglich aufgebracht, die Härtung erfolgt dann nach der Auftragung in einem gesonderten Schritt, beispielsweise durch Einbrennen des Lacks oder Strahlungshärtung.
US 3133828 beschreibt ein Verfahren zum Auftragen eines Lackes auf große Substrate, beispielsweise Autokarosserien, in dem die Beschichtungsmasse vor Aufbringen auf das Substrat aktiviert wird. Nachteilig ist, daß die Vorrichtung stationär ist und sich nicht ohne weiteres verkleinern läßt.
JP 61 -098740, JP 07-227567, EP 393407 und JP 2007-083166A beschreiben die allgemeine Möglichkeit Lack vor Durchlaufen einer Sprühpistole zu belichten, ohne Details über Art und Ort der Belichtung zu offenbaren.
DE 19961990 beschreibt ein Verfahren zur Formung eines Bauteils, in dem eine zu härtende Masse in eine Form gepreßt und zuvor die Härtung eingeleitet wird.
DE 3702999 beschreibt die Härtung von UV-Reaktionsharzmassen, indem die Masse durch einen Kanal geführt wird, der entweder von außen (dort Figur 1 ) oder von hinten (dort Figur 2) durch einen Lichtleiter belichtet wird. Die Harzmassen werden zur Verklebung eingesetzt. Die hier beschriebenen UV Reaktionsharze sind unter den angegebenen Bedingungen nur deswegen härtbar, weil die Verweilzeit in der Belichtungsanlage relativ lang bemessen ist. Durch die geringe Belichtungsintensität kommerzieller Anlagen sind nur geringe Volumenströme möglich.
Nachteilig bei letzter Variante ist, daß UV-Strahlung auch entlang des Kanals nach außen dringen kann. Dies kann zusätzlichen Aufwand für UV-Schutzmaßnahmen verursachen bzw. zu unerwünschten ausgehärteten Ablagerungen am Kanalende führen. Ferner werden in den explizit offenbarten Beispielen Belichtungszeiten von 5 bzw. 10 Sekunden offenbart, was die dort offenbarten Systeme aus Belichtungsvorrichtung und Beschichtungsmasse für Sprühpistolen ungeeignet macht. Zudem ist eine Verteilung der Klebharzmassen durch Sprühen nicht vorgesehen und aufgrund der hohen Viskosität solcher Harzmassen auch gar nicht möglich. Aus EP 1002587 A ist bekannt, strahlungshärtbare Lacke in einer Sprühpistole zu belichten und so den aufgetragenen Lack während des Auftragens auf das Substrat zu härten bzw. die Härtung einzuleiten.
Nachteilig an der dort vorgestellten Lösung ist, daß die Sprühpistole aufwendig durch Anbringen der Lichtleiter an die Ausgangsöffnung der Düse umgebaut werden muß.
Aus EP 1592522 ist bekannt, handelsübliche Sprühpistolen so zu modifizieren, daß sie mit einem Aufsatz versehen werden, der auf das Substrat, also in die gleiche Richtung ausgerichtet ist wie der Sprühstrahl. So kann eine externe Belichtung des Sprühstrahls bzw. des beschichte- ten Substrats erfolgen um so zu härten bzw. die Härtung einzuleiten.
Nachteilig ist, daß durch die externe Belichtung der Lackierer vor der UV-Strahlung geschützt werden muß. Ferner wird die Sprühpistole durch die an der Mündung angebrachte Bestrahlungseinheit unhandlich. Zudem ist die großflächige UV-Belichtung eines Tröpfchennebels auf- wendig und es ergibt sich eine inhomogene Bestrahlung des Substrats.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es also, eine mobile Sprühpistole zu entwickeln, mit der eine Strahlungshärtung eingeleitet werden kann, ohne daß der Operateur vor Strahlung geschützt werden muß. Dabei sollen handelsübliche Sprühpistolen in einfacher Form leicht mo- difiziert werden.
Die Aufgabe wurde gelöst durch eine mobile Sprühpistole, umfassend
mindestens einen, bevorzugt genau einen Zufuhrkanal 2 für mindestens eine, bevorzugt genau eine strahlungshärtbare Beschichtungsmasse,
- optional mindestens einen, bevorzugt genau einen Zufuhrkanal 3 für ein Gas,
eine in Längsrichtung bewegliche Nadel 1 , mit der der mindestens eine Zufuhrkanal 2, der einen Ringspalt um die Nadel 1 bildet, gegen die Mündung 13 des Zufuhrkanals 2 abgedichtet werden kann,
wobei der optionale mindestens eine Zufuhrkanal 3 für ein Gas und der mindestens eine Zufuhrkanal 2 so angeordnet sind, daß die aus dem mindestens einen Zufuhrkanal 2 durch die Mündung 13 geleitete mindestens eine strahlungshärtbare Beschichtungsmasse durch das Gas aus dem optionalen mindestens einen Zufuhrkanal 3 vernebelt wird oder die mindestens eine strahlungshärtbare Beschichtungsmasse in Abwesenheit des optionalen Zufuhrkanals 3 durch physikalische Kräfte vernebelt wird,
ferner ein Reservoir 11 für die mindestens eine Beschichtungsmasse mit einer Zuleitung
12 des Reservoirs 11 zum Zufuhrkanal 2,
in der die Nadel 1 so ausgestaltet ist, daß sie für elektromagnetische Strahlung durchläs- sig ist, mit der eine Härtung der mindestens einen strahlungshärtbaren Beschichtungs- masse eingeleitet werden kann und/oder
die Zuleitung 12 transparent für elektromagnetische Strahlung ausgestaltet ist und eine Beleuchtungseinheit 10 an der Zuleitung 12 angebracht ist.
Es stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die elektromagnetische Strahlung durch die erfindungsgemäße Nadel 1 in die Sprühpistole einzubringen.
Es stellt einen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar, daß handelsübliche Sprühpistolen einge- setzt und leicht modifiziert werden können, indem die vorhandene Nadel der handelsüblichen Sprühpistole, die zumeist Metall besteht, durch die erfindungsgemäße, für elektromagnetische Strahlung durchlässige Nadel 1 ersetzt wird.
Die erfindungsgemäße, für elektromagnetische Strahlung durchlässige Nadel 1 wird bevorzugt so angefertigt, daß sie den gleichen Durchmesser und die gleiche Spitzengeometrie wie die ursprüngliche herkömmliche Nadel aufweist. Falls gewünscht kann die Spitzengeometrie leicht modifiziert werden, beispielsweise der Konuswinkel geändert oder in der Spitze eine oder mehrere Schultern oder Kehlen eingebaut werden. Ansonsten orientieren sich die Ausmaße der Nadel 1 und der Nadelspitze an denen der ursprünglichen Nadel. Der Durchmesser der Nadel (in Figur 1 als e bezeichnet) kann bevorzugt von ca. 0,5 bis 10, besonders bevorzugt 2 bis 5 mm betragen. Im Einzelfall sind auch geringere Durchmesser möglich. Erfindungswesentlich ist, daß die Nadel 1 aus einem für elektromagnetische Strahlung in dem Wellenlängenbereich, der erforderlich ist um in der mindestens einen strahlungshärtbaren Be- schichtungsmasse eine Härtung einzuleiten, durchlässigen Material gefertigt ist.
Derartige Materialien können beispielsweise sein Quarz, Polymethylmethacrylat (Plexiglas®) oder andere transparente Kunststoffe, beispielsweise Polycarbonat (PC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Saphirglas, Kalkspat, Glas, sowie Hohlkörper mit transparenten Eingangs- und Ausgangsflächen, bevorzugtes Material ist Quarz. Bei Anwendung von UV-Licht sollte eine signifikante Transparenz für den Wellenlängenbereich von unter 450 nm vorliegen. Es ist in der Regel und bevorzugt ausreichend, wenn lediglich die Oberfläche der Nadel 1 an der Spitze, in Figur 1 als 6 bezeichnet, durchlässig für elektromagnetische Strahlung gestaltet ist. Somit wird in der erfindungsgemäßen Sprühpistole bevorzugt die Strecke f in Figur 1 belichtet und steht für eine Aktivierung des Photoinitiators I in der mindestens einen Beschichtungs- masse zur Verfügung.
Die Länge der Strecke f beträgt bevorzugt zwischen 1 und 30 mm, besonders bevorzugt zwischen 2 und 20 und ganz besonders bevorzugt zwischen 4 und 15 mm. Es stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wenn die der Oberfläche 6 im Zuführkanal 2 gegenüberliegende Oberfläche 7 entlang der Belichtungsstrecke f für die angewendete Strahlung reflektierend ist. Dies bewirkt eine verbesserte Ausnutzung der elektromagnetischen Strahlung.
Der für die angewendete Strahlung transparente Körper der Nadel wirkt als Strahlungsleiter. Es bringt daher keinen zusätzlichen Vorteil, wenn auch die Mantelfläche des zylinderförmigen Teils der Nadel 1 , in Figur 1 als 5 bezeichnet, durchlässig für elektromagnetische Strahlung ist. Dies bringt in der Regel Nachteile, da Regionen mit sehr geringem Materialfluss belichtet und inner- halb der Pistole aushärten würden.
Die Nadel 1 ist rückseitig mit einer Beleuchtungseinheit (in Figur 1 nicht dargestellt) verbunden, die elektromagnetische Strahlung zumindest in dem gewünschten Wellenlängenbereich effektiv in den Strahlungsleiter der Nadel emittiert.
Die Beleuchtungseinheit kann direkt an die Nadel 1 angesetzt sein oder bevorzugt mit dieser verbunden sein, besonders bevorzugt durch einen Lichtleiter.
Als Beleuchtungseinheiten geeignet sind z.B. Quecksilber-Niederdruckstrahler,
-Mitteldruckstrahler oder -Hochdruckstrahler sowie Leuchtstoffröhren, Impulsstrahler, Metallha- logenidstrahler, Excimerstrahler, sowie Leuchtdioden (LED), Laserdioden und sonstige Lasersysteme. Die Strahlungshärtung erfolgt durch Einwirkung energiereicher Strahlung, also IR-, NIR-, UV-Strahlung oder Tageslicht, bevorzugt UV-Strahlung. Der gewünschte Wellenlängenbereich λ, den die Beleuchtungseinheit emittiert, muß den Wellenlängenbereich umfassen, mit dem die Strahlungshärtung durchgeführt werden soll. Bevorzugt sollte dieser Wellenlängenbereich das Absorptionsspektrum und besonders bevorzugt das Aktivierungsspektrum des in der Beschichtungsmasse verwendeten mindestens einen Photoinitiators I (siehe unten) umfassen. Beispielsweise kann der gewünschte Wellenlängenbereich 200 bis 2500 nm umfassen, bevorzugt 200 bis 2000, besonders bevorzugt 200 bis 1500, ganz besonders bevorzugt 200 bis 1000, insbesondere 200 bis 780 nm, speziell 340 bis 500 nm.
Die eingebrachte Strahlungsdosis sollte bei UV-Härtung bevorzugt im Bereich von 80 bis 30000 mJ/cm2 liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Beleuchtungseinheit um eine oder mehrere im UV-Bereich emittierende LEDs, besonders bevorzugt um LEDs oder LED-Systeme, die UV-Licht im Wellenlängenbereich von 365 - 450 nm emittieren.
Werden mehrere Beleuchtungseinheiten, bevorzugt LEDs eingesetzt, beispielsweise 2 bis 100, bevorzugt 2 bis 50, besonders bevorzugt 3 bis 25 und ganz besonders bevorzugt 3 bis 16, so kann es erforderlich sein den durchstrahlten Durchmesser der Beleuchtungseinheit an den Durchmesser der Nadel 1 anzupassen, bevorzugt erfolgt dies durch Adaptionseinheit oder Sammellinse.
Es stellt einen besonderen Vorteil von LEDs dar, daß sie aufgrund ihrer geringen Baugröße direkt an die Nadel oder den Körper der Sprühpistole angesetzt werden können und nicht über einen Lichtleiter mit der Nadel 1 verbunden werden brauchen.
Die Nadel 1 ist der Länge nach beweglich ausgestaltet, so daß sie den mindestens einen Zufuhrkanal 2 für die mindestens eine Beschichtungsmasse durch Bewegung gegen die Mündung 13 mit dem Durchmesser d verschließen und so das Versprühen der Beschichtungsmasse regulieren und unterbinden kann. Es versteht sich, daß zum Verschließen der Mündung 13 der Durchmesser e größer als d sein muß, insbesondere im Bereich der Mündung 13.
Üblicherweise ist der Zufuhrkanal 2 ringspaltförmig um die Nadel 1 herum angeordnet, die exakte Anordnung des Zufuhrkanals 2 ist jedoch nicht erfindungswesentlich, es sind auch andere Anordnungen des Zufuhrkanals 2 denkbar, die gleichwirkend sein können.
Die Weite des Zufuhrkanals 2 zwischen Nadel 1 und Wandung 4 ist in Figur 1 mit a bezeichnet und kann von 0,05 bis 5 mm betragen, bevorzugt von 0,1 bis 1 ,5 mm und besonders bevorzugt von 0,1 bis 1 mm.
Optional wird auf der von der Nadel 1 abgewandten Seite der Mündung 13 durch mindestens einen weiteren Zufuhrkanal 3 mindestens ein Sprühgas zugeführt, unter dessen Einfluß die mindestens eine Beschichtungsmasse vernebelt wird.
Es ist optional möglich, an der erfindungsgemäßen Sprühpistole einen zusätzlichen Auslaß in Sprührichtung für sogenannte Hornluft vorzusehen, mit dem der erzeugte Sprühkegel nach Verlassen der Düse 14 zur Erzeugung eines bestimmten Sprühbildes geformt werden kann. Ferner ist es optional möglich die Sprühpistole airless auszuführen, d.h. es kann auf den Zufuhrkanal 3 für das Sprühgas verzichtet werden und die Beschichtungsmasse ohne Dosierung eines Gases, sondern die flüssige Beschichtungsmasse innerhalb des Zufuhrkanals 2 in eine starke Rotation zu versetzen, so daß die Beschichtungsmasse bei Verlassen der Mündung 13 vernebelt wird.
Bevorzugt ist jedoch die Ausführungsform, in der der mindestens eine Zufuhrkanal 3 anwesend ist und durch diesen Sprühgas geführt wird.
Üblicherweise ist der Zufuhrkanal 3 ringspaltförmig um den aus der Mündung 13 austretenden Strahl der mindestens einen Beschichtungsmasse angeordnet, die exakte Anordnung des Zufuhrkanals 3 ist jedoch nicht erfindungswesentlich, es sind auch andere Anordnungen des Zufuhrkanals 3 denkbar, die gleichwirkend sein können. Die Weite des Zufuhrkanals 3 ist in Figur 1 mit b bezeichnet und kann von 0,1 bis 5 mm betragen, bevorzugt von 0,2 bis 4 mm und besonders bevorzugt von 0,3 bis 3 mm.
Bei dem mindestens einen Gas, das durch den Zufuhrkanal 3 geführt wird, handelt es sich be- vorzugt um Luft, es ist aber auch denkbar, ein anderes Gas, beispielsweise ein inertes Gas, wie Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid, zu verwenden.
Das mindestens eine Gas, das durch den Zufuhrkanal 3 geführt wird, wird üblicherweise über eine Leitung aus einem Vorrat außerhalb der Sprühpistole, bevorzugt in einer komprimierten Form, in den Zufuhrkanal 3 geführt. Üblicherweise wird das mindestens eine Gas mit einem Überdruck gegen der Atmosphäre von bis zu 5 bar, bevorzugt bis zu 3 bar, besonders bevorzugt mit 2 bar in die Sprühpistole gefördert.
Die beiden Zufuhrkanäle 2 und 3 werden durch eine Wandung 4 voneinander getrennt.
Die Gestaltung der Düse 14 mit der Weite c ist nicht erfindungswesentlich, entscheidend ist die Wirkung für die Vernebelung der mindestens einen Beschichtungsmasse in einer Art und Weise, daß die Beschichtungsmasse in der gewünschten Weise auf das Substrat aufgetragen werden kann.
Es stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die Beschichtungsmasse auf der Strecke zwischen Reservoir 11 und Auslass der Sprühpistole zu belichten. Dies kann zusätzlich zu der Ausführungsform, elektromagnetische Strahlung durch die erfindungsgemäße Nadel 1 in die Sprühpistole einzubringen, erfolgen oder stattdessen. Bevorzugt ist es, die Be- schichtungsmasse auf der Strecke zwischen Reservoir 11 und Auslass der Sprühpistole zu belichten
Die mindestens eine strahlungshärtbare Beschichtungsmasse, die durch den Zufuhrkanal 2 geführt wird, kann wahlweise über eine Leitung aus einem Vorrat außerhalb der Sprühpistole in den Zufuhrkanal 2 geführt werden oder auch über ein mit der Sprühpistole unmittelbar verbundenes Reservoir 11 . In beiden Fällen ist es möglich, die Zuleitung 12 vom externen Vorrat bzw. vom Reservoir 11 zum Zufuhrkanal 2 über eine Strecke h transparent für elektromagnetische Strahlung auszugestalten, so daß über eine Beleuchtungseinheit 10 weitere elektromagnetische Strahlung in die mindestens eine Beschichtungsmasse eingebracht werden kann.
Die Beleuchtungseinheit 10 mit einseitiger, beidseitiger oder rings um die Zuleitung 12 angeordneter Belichtung kann z.B. als flaches Zwischenstück zwischen Vorratstank und eigentlicher Sprühpistole montiert bzw. gesteckt werden. Dieses Zwischenstück kann beispielsweise aus transparentem Polymer gespritzt oder gegossen sein und auswechselbar ausgestaltet sein we- gen evtl. entstehender Anbackungen oder Degradation des transparenten Materials. Ein solches Zwischenstück kann unterschiedliche Durchmesser i aufweisen um eine für ein Starten der Härtung ausreichende Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in die strahlungs- härtbare Beschichtungsmasse in Abhängigkeit von unterschiedlichen Photoinitiatoren und unterschiedliche Konzentration von Photoinitiatoren bzw. unterschiedliche Volumenströme zu ermöglichen. Die durchleuchtete Fläche der Beleuchtungseinheit kann unterschiedlich groß sein, damit unterschiedlich viele Lichtquellen wie z.B. LEDs montiert werden können. Dabei kann es sich um einen Ring von Beleuchtungseinheiten um die Zuleitung 12 handeln, es kann sich aber auch um eine beleuchtete schlauchförmige Zuleitung handeln, wenn das Reservoir 11 nicht direkt auf die Sprühpistole aufgesetzt ist, sondern die Beschichtungsmasse von einer entfernteren Bevorra- tung zugeführt wird. Eine weitere Ausführungsform umfaßt als Zuleitung 12 einen Schlauch mit auswechselbarem, bevorzugt planparallelen transparenten Fenstern, vorzugsweise aus einem transparenten spritzgegossenen Kunststoff, auf die die LEDs aufgesteckt sind. Dies erlaubt den einfachen Austausch der Fenster bei Verklebungen unter Wiederverwendung der LEDs. Die Zuleitung 12 kann also wenige Millimeter bis mehrere Meter lang sein und die beleuchtete Strecke h darin kann einen Teil dieser Strecke bis zu der gesamten Strecke 12 umfassen.
Dies ermöglicht unterschiedliche Verweilzeiten bei trotzdem praxisrelevanten Volumenströmen. Ferner können in der beleuchteten Strecke angebrachte statische Mischer die Verweilzeit der Beschichtungsmassen nahe der Randzonen mit höheren Belichtungsintensitäten homogenisieren und vermeiden, dass unbelichtete Volumenelemente verspritzt werden und später unver- netzte Lackbereiche verursachen.
Die Beleuchtungseinheit 10 kann bevorzugt im gleichen Wellenlängenbereich emittieren wie die durch die Nadel 1 geführte elektromagnetische Strahlung. Denkbar ist es jedoch auch, in einem anderen Wellenlängenbereich einzustrahlen, vorausgesetzt, daß die mindestens eine Beschichtungsmasse einen Photoinitiator I enthält, der in diesem anderen Wellenlängenbereich aktivierbar ist. Die beiden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (Belichtung durch die Nadel 1 und/oder Belichtung zwischen dem Reservoir 11 und der Sprühpistole) können beider gemeinsam oder unabhängig voneinander in der erfindungsgemäßen Sprühpistole eingesetzt werden. Bevorzugt ist die Belichtung zwischen Reservoir 11 und Sprühpistole, optional ergänzt um eine Belichtung durch die Nadel 1 .
Um die eingestrahlte Dosis der elektromagnetischen Strahlung zu erhöhen kann optional mindestens eine weitere Beleuchtungseinheit 8 so angebracht sein, daß sie von außen nach innen den Zufuhrkanal 2 bestrahlt. Dazu ist es erforderlich, daß die Wandung 4 im Bereich der Beleuchtungseinheit 8 mit einem transparenten Fenster 9 der Länge g versehen wird, das in dem für den Photoinitiator relevanten Wellenlängenbereich durchlässig für die durch die Beleuchtungseinheit 8 emittierte elektromagnetische Strahlung ist. Bei geringer Eindringtiefe der härtenden Strahlung kann die Kanalform für die Beschichtungs- masse großflächig und dünn ausgeführt werden. Dazu kann der Zuführkanal 12 in dünne einzelne Kanäle aufgeteilt werden, die jeweils bestrahlt werden.
Ferner kann der Kanal 2 dünnschichtig ausgeführt werden.
Die Beleuchtungseinheit 8 kann bevorzugt im gleichen Wellenlängenbereich emittieren wie die durch die Nadel 1 geführte elektromagnetische Strahlung. Denkbar ist es jedoch auch, in einem anderen Wellenlängenbereich einzustrahlen, vorausgesetzt, daß die mindestens eine Beschich- tungsmasse einen Photoinitiator I enthält, der in diesem anderen Wellenlängenbereich aktivier- bar ist.
Bei der mindestens einen Beschichtungsmasse, beispielsweise ein bis drei, bevorzugt ein bis zwei und besonders bevorzugt genau einen Beschichtungsmasse handelt es sich um solche Beschichtungsmassen, deren Härtung durch elektromagnetische Strahlung durchgeführt oder zumindest eingeleitet werden kann.
Unter "Härtung" wird dabei eine Polymerisierung von in der Beschichtungsmasse enthaltenen niedermolekularen Bestandteilen unter Aufbau hochmolekularer Verbindungen verstanden. Dabei kann es sich bevorzugt um eine radikalische Polymerisierung oder eine Polykondensation handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es sich bei der Beschichtungsmasse um solche Beschichtungsmassen handeln, die aktivierte ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen sowie mindestens einen Photoinitiator I enthalten, der durch die ein- gestrahlte elektromagnetische Strahlung aktiviert werden kann, so daß Radikale entstehen, die ein radikalische Polymerisierung starten.
Die aktivierten ethylenisch ungesättigten Doppelbindungen sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylatgruppen, Methacrylatgruppen und Vinylethergruppen, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylatgruppen und Methacrylatgruppen.
Mit Vorteil kann es sich bei den Beschichtungsmassen um solche handeln, wie sie beschrieben sind in WO 2005/1 19208 A1 , Seite 5, Zeile 7 bis Seite 7, Zeile 21 (entspricht US 2008/0032037 A1 , Absätze [0033] bis [0046]) handeln, was hiermit per Bezugnahme ausdrücklich Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sei.
Die darin zur Aktivierung der Beschichtungsmasse enthaltenen Photoinitiatoren I können beispielsweise durch UV-, IR- und/oder NIR-Strahlung und/oder Tageslicht aktivierbar sein, bevorzugt durch UV- und/oder IR-Strahlung und/oder Tageslicht, besonders bevorzugt durch
UV-Strahlung. Derartige durch UV-Strahlung aktivierbare Photoinitiatoren sind beispielsweise bekannt aus WO 2005/1 19208 A1 , Seite 7, Zeile 23 bis Seite 9, Zeile 10 (entspricht US 2008/0032037 A1 , Absätze [0047] bis [0059]) handeln, was hiermit per Bezugnahme ausdrücklich Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sei.
Derartige durch NIR- bzw. IR-Strahlung aktivierbare Photoinitiatoren sind beispielsweise bekannt aus WO 2005/085372 A1 , Seite 3, Zeile 24 bis Seite 5, Zeile 18 (entspricht
US 2007/277700 A1 , Absätze [0013] bis [0023]) handeln, was hiermit per Bezugnahme ausdrücklich Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sei.
Es ist möglich einen einzelnen Photoinitiator I in die Beschichtungsmasse einzusetzen oder auch eine Kombination von mehreren Photoinitiatoren. Letzteres ist insbesondere dann bevorzugt, wenn in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung über die Nadel 1 sowie über die optionalen Beleuchtungseinheiten 8 und/oder 10 in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfolgt.
Beispielsweise können ein UV- und ein NIR-aktivierbarer Photoinitiator im Kombination eingesetzt werden oder aber auch zwei UV-aktivierbare Photoinitiatoren, wenn diese durch ausreichend unterschiedliche Wellenlängenbereiche aktivierbar sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Beschichtungsmasse um Zweikomponenten Polyurethanbeschichtungsmassen, deren Polykondensation durch eine Lewis Säure ausgelöst wird, die durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung freigesetzt wird.
Bei den Zweikomponenten Polyurethanbeschichtungsmassen handelt es sich bevorzugt um Beschichtungsmassen, die mindestens ein Polyisocyanat und mindestens ein Bindemittel enthalten. Bei dem Polyisocyanat handelt es sich bevorzugt um aliphatische oder cycloaliphatische Poly- isocyanate mit einer Funktionalität an NCO-Gruppen von mindestens zwei, die in der Regel einen NCO-Gehalt, berechnet als NCO = 42 g/mol, von 5 bis 25 Gew% aufweisen.
Bei den Bindemitteln kann es sich beispielsweise um Polyacrylatpolyole, Polyesterpolyole, Po- lyetherpolyole, Polyurethanpolyole; Polyharnstoffpolyole; Polyesterpolyacrylatpolyole; Polyes- terpolyurethanpolyole; Polyurethanpolyacrylatpolyole, Polyurethanmodifizierte Alkydharze; Fettsäuremodifizierte Polyesterpolyurethanpolyole, Kopolymerisate mit Allylethern, Propfpolymeri- sate aus den genannten Stoffgruppen mit z.B. unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen, sowie Mischungen der genannten Bindemittel handeln. Bevorzugt sind Polyacrylatpolyole, Po- lyesterpolyole und Polyurethanpolyole. Bevorzugte OH-Zahlen, gemessen gemäß DIN 53240-2 (potentiometrisch), sind 40-350 mg KOH/g Festharz für Polyester, bevorzugt 80-180 mg KOH/g Festharz, und 15-250 mg KOH/g Festharz für Polyacrylatole, bevorzugt 80-160 mg KOH/g. Zusätzlich können die Bindemittel eine Säurezahl gemäß DIN EN ISO 3682 (potentiometrisch) bis 200 mg KOH/g, bevorzugt bis 150 und besonders bevorzugt bis 100 mg KOH/g aufweisen.
Besonders bevorzugte Bindemittel sind Polyacrylatpolyole und Polyesterole. Derartige Beschichtungsmassen sind beispielsweise beschrieben in WO 2009/0501 15 A1 , Seite 30, Zeile 22 bis Seite 33, Zeile 20, was hiermit per Bezugnahme ausdrücklich Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sei.
Lewis-Säuren, die durch elektromagnetische Strahlung freigesetzt werden, sind beispielsweise bekannt aus
WO 2009/0501 15 A1 , Seite 2, Zeile 4 bis Seite 28, Zeile 34,
WO 201 1/032837 A1 , Seite 1 , Zeile 35 bis Seite 18, Zeile 9,
WO 201 1/032875 A1 , Seite 1 , Zeile 42 bis Seite 14, Zeile 4,
was jeweils hiermit per Bezugnahme ausdrücklich Bestandteil der vorliegenden Offenbarung sei.
Erfindungsgemäß eignen sich optisch induzierte Polymerisationen mit langer Dunkelreaktion wie z.B. 2K- oder kationische Reaktionen für pigmentierte Beschichtungsmassen. "Lang" bedeutet dabei, daß der Zeitraum bis zu einem sprunghaften Anstieg der Viskosität der Beschichtungsmasse, infolgedessen die Beschichtungsmasse in der Sprühpistole nicht mehr verarbeitbar ist, bevorzugt zehnmal länger ist als die Verweilzeit der Beschichtungsmasse innerhalb der Sprühpistole, berechnet vom Zeitpunkt der Belichtung bis zum Verlassen der Düse 14.
In diesem Fall ist es bevorzugt, die Schichtdicke der Beschichtungsmassen an den Stellen der Beleuchtungseinheiten 6, 8 und/oder 10 während der Belichtung bevorzugt kleiner als 1 mm, besonders bevorzugt kleiner 100 μηη oder ganz besonders bevorzugt kleiner 10 μηη zu wählen. Es ist möglich eine einzelne Lewis-Säure als Photoinitiator I in die Beschichtungsmasse einzusetzen oder auch eine Kombination von mehreren Lewis-Säure als Photoinitiatoren. Letzteres ist insbesondere dann bevorzugt, wenn in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Einstrahlung der elektromagnetischen Strahlung über die Nadel 1 sowie über die optionalen Beleuchtungseinheiten 8 und/oder 10 in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen erfolgt. Beispielsweise können ein UV- und ein NIR-aktivierbarer Photoinitiator im Kombination eingesetzt werden oder aber auch zwei UV-aktivierbare Photoinitiatoren, wenn diese durch ausreichend unterschiedliche Wellenlängenbereiche aktivierbar sind. Als weitere lacktypische Additive in den Beschichtungsmassen können beispielsweise Antioxidantien, Oxidationsinhibitoren, Stabilisatoren, Aktivatoren (Beschleuniger), Farbstoffe, Entgasungsmittel, Glanzmittel, antistatische Agentien, Flammschutzmittel, Verdicker, thixotrope Agentien, Verlaufshilfsmittel, Bindemittel, Antischaummittel, Duftstoffe, oberflächenaktive Agentien, Viskositätsmodifikatoren, Weichmacher, Plastifizierer, klebrigmachende Harze (Tackifier), Chelatbildner oder Verträglichkeitsmittel (compatibilizer) zugesetzt werden.
Pigmentierte Beschichtungsmassen können ebenso eingesetzt werden. Dies ist besonders dann denkbar, wenn das Pigment für den eingestrahlten und den Photoinitiator I aktivierenden elektromagnetischen Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent ist. Dies ist häufig der Fall für im IR- oder NIR-Bereich aktivierbare Photoinitiatoren. Aber auch in diesem Wellenlängenbereich absorbierende, pigmentierte Beschichtungsmassen können in der erfindungsgemäßen Sprühpistole aktiviert werden, wenn die Quantenausbeute der Photoinitiatoren innerhalb der Sprühpistole ausreichend hoch ist. Dies kann ferner durch das Anbringen von statischen Mischern unterstützt werden, wodurch in den belichteten Abschnitten die Beschich- tungsmasse umgewälzt wird, so daß die belichtbare Schichtdicke vergrößert wird.
Es ist darauf zu achten, daß die zu applizierende Beschichtungsmasse eine Viskosität aufweist, die eine Applizierbarkeit mittels einer Sprühpistole zulässt. Diese Applikationsviskosität kann durch Zumischung von Lösungsmittel bis zur gewünschten Viskosität erreicht werden.
In der Regel sollte die Viskosität der strahlungshärtbaren Beschichtungsmasse von 10 bis 10000 mPas, bevorzugt 10-1000 mPas bei 25 °C betragen.
Es stellt einen Vorteil der vorliegenden Erfindung dar, daß durch die Belichtung innerhalb der Sprühpistole elektromagnetische Strahlung nicht oder zumindest nur wenig nach außen dringt, sondern nahezu vollständig innerhalb der Pistole absorbiert wird, dadurch kann auf Arbeitsschutz des Lackierers gegen UV-Strahlung verzichtet werden.
Die eingebrachte Dosis der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Beschichtungsmasse kann erhöht werden, indem die den Beleuchtungseinheiten gegenüberliegenden Flächen reflektierend ausgestattet werden.
Die Beleuchtungseinheiten 8 und 10 sind bevorzugt ebenfalls mit Gehäusen 15 versehen, so daß elektromagnetische Strahlung nicht nach außen dringen kann.
Die vorliegende Erfindung stellt gegenüber dem Stand der Technik eine Weiterentwicklung schon allein insofern dar, daß es nunmehr möglich ist mit den zuletzt genannten Lewis-Säuren eine Polykondensation in Zweikomponenten-Polyurethanbeschichtungsmassen einzuleiten, obwohl die Belichtung in der erfindungsgemäßen Sprühpistole lediglich auf der kurzen Strecke f, bzw. g oder h erfolgt, in der die Beschichtungsmasse der elektromagnetischen Strahlung deutlich unter 1 Sekunde ausgesetzt ist. Bei Einsatz eines langen Zwischenstücks 10 zwischen Reservoir 11 und Sprühpistole mit vielen Lichtquellen, wie z.B. LEDs, kann die Verweilzeit im Sekundenbereich liegen. Dies ist insofern überraschend, als daß im Stand der Technik
DE 3702999 Belichtungszeiten von 5 bzw. 10 Sekunden zur Einleitung der Polymerisierung explizit offenbart sind. Vor dem Hintergrund derart langer, aus dem Stand der Technik bekannter Belichtungszeiten ist es überraschend, daß in einer so kurzen Belichtungszeiten wie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausreichend Strahlung in der Beschichtungsmasse deponiert werden und somit eine Härtung der Beschichtungsmasse eingeleitet werden kann.
Es stellt daher eine erfindungsgemäß bevorzugte Kombination dar, mit der oben beschriebenen mobilen Sprühpistole Zweikomponenten Polyurethanbeschichtungsmassen auf ein Substrat aufzutragen, deren Polykondensation durch eine Lewis Säure ausgelöst wird, die durch Ein- Strahlung elektromagnetischer Strahlung freigesetzt wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Applikation einer Beschichtungsmasse auf ein Substrat mittels einer Sprühpistole, bei dem es sich bei der Sprühpistole um eine erfindungsgemäße Sprühpistole handelt und es sich bei der Beschichtungsmasse um solche Beschichtungsmassen handelt, deren Härtung durch elektromagnetische Strahlung durchgeführt oder zumindest eingeleitet werden kann, bevorzugt um Zweikomponenten Polyurethanbeschichtungsmassen, deren Polykondensation durch eine Lewis Säure ausgelöst wird, die durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung freigesetzt wird. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von den erfindungsgemäßen Sprühpistole zur Applikation solcher Beschichtungsmassen auf ein Substrat, deren Härtung durch elektromagnetische Strahlung durchgeführt oder zumindest eingeleitet werden kann, bevorzugt um Zweikomponenten Polyurethanbeschichtungsmassen, deren Polykondensation durch eine Lewis Säure ausgelöst wird, die durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung freigesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Beschichten von Substraten wie Holz, Holzfurnier, Papier, Pappe, Karton, Textil, Folie, Leder, Vlies, Kunststoffoberflächen, Glas, Keramik, mineralischen Baustoffen, wie Zement-Formsteine und Faserzementplatten oder Metallen, die jeweils optional vorbeschichtet bzw. vorbehandelt sein können, bevorzugt von Holz, Kunststoffen und Metallen und besonders bevorzugt von Kunststoffen und Metallen.
Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung von Automobilen, (Groß-)Fahrzeugen, Flugzeugen, industriellen Anwendungen, Nutzfahrzeuge im landwirtschaft- liehen und Baubereich, Dekolackierungen, Brücken, Gebäuden, Strommasten, Tanks, Containern, Pipelines, Kraftwerken, chemischen Anlagen, Schiffen, Kränen, Pfählen, Spundwänden, Armaturen, Rohren, Fittings, Flanschen, Kupplungen, Hallen, Dächern und Baustahl, Möbeln, Fenstern, Türen, Parkett, besonders bevorzugt ist die Beschichtung von Automobilen, (Groß- )Fahrzeugen, Flugzeugen und Nutzfahrzeugen, ganz besonders bevorzugt von Automobilen und insbesondere in refinish-Anwendung. Bezugszeichen in Figur 1
1 Nadel
2 Zufuhrkanal für mindestens eine Beschichtungsmasse
3 Zufuhrkanal für mindestens ein Gas (optional)
4 Wandung
5 Mantelfläche der Nadel 1
6 Oberfläche der Nadel 1 an der Spitze
7 Fläche der Wandung 4 gegenüber der Oberfläche 6
8 weitere Beleuchtungseinheit (optional)
9 Fenster in Wandung 4 (optional)
10 weitere Beleuchtungseinheit
11 Reservoir
12 Zuleitung
13 Mündung
14 Düse
15 Gehäuse über Beleuchtungseinheiten
a Weite des Zufuhrkanals 2
b Weite des Zufuhrkanals 3
c Weite der Düse 14
d Weite der Mündung 13
e Durchmesser der Nadel 1
f Länge der Belichtungsstrecke 6
g Länge der Belichtungsstrecke 9
h Länge der Belichtungsstrecke 12
i Durchmesser der Zuleitung 12

Claims

Patentansprüche Mobile Sprühpistole, umfassend - mindestens einen, bevorzugt genau einen Zufuhrkanal 2 für mindestens eine, bevorzugt genau eine strahlungshärtbare Beschichtungsmasse, - optional mindestens einen, bevorzugt genau einen Zufuhrkanal 3 für ein Gas, - eine in Längsrichtung bewegliche Nadel 1 , mit der der mindestens eine Zufuhrkanal 2, der einen Ringspalt um die Nadel 1 bildet, gegen die Mündung 13 des Zufuhrkanals 2 abgedichtet werden kann, wobei der optionale mindestens eine Zufuhrkanal 3 für ein Gas und der mindestens eine Zufuhrkanal 2 so angeordnet sind, daß die aus dem mindestens einen Zufuhrkanal 2 durch die Mündung 13 geleitete mindestens eine strahlungshärtbare Beschichtungsmasse durch das Gas aus dem optionalen mindestens einen Zufuhrkanal 3 vernebelt wird oder die mindestens eine strahlungshärtbare Beschichtungsmasse in Abwesenheit des optionalen Zufuhrkanals 3 durch physikalische Kräfte vernebelt wird, ferner ein Reservoir 11 für die mindestens eine Beschichtungsmasse mit einer Zuleitung 12 des Reservoirs 11 zum Zufuhrkanal 2, in der die Nadel 1 so ausgestaltet ist, daß sie für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist, mit der eine Härtung der mindestens einen strahlungshärtbaren Beschichtungsmasse eingeleitet werden kann und/oder die Zuleitung 12 transparent für elektromagnetische Strahlung ausgestaltet ist und eine Beleuchtungseinheit 10 an der Zuleitung 12 angebracht ist. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel 1 gefertigt ist aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Quarz, Polymethylme- thacrylat, Saphirglas und Kalkspat. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Oberfläche 6 der Nadel 1 gegenüberliegende Oberfläche 7 reflektierend ist. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine UV-Licht emittierende LED oder mindestens ein LED-System direkt an der Nadel 1 angebracht ist. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens eine weitere Beleuchtungseinheit 8 so angebracht ist, daß sie von außen nach innen in den Zufuhrkanal 2 elektromagnetische Strahlung durch ein im Bereich der Beleuchtungseinheit 8 befindliches Fenster 9 einstrahlt, das für den fraglichen Wellenlängenbereich durchlässig ist. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung 12 einen Durchmesser i aufweist, der eine für ein Starten der Härtung ausFigur 1 reichende Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in die strahlungshärtbare Be- schichtungsmasse ermöglicht. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung 12 auswechselbar und zumindest teilweise aus transparentem Kunststoff gestaltet ist. Verfahren zur Applikation einer Beschichtungsmasse auf ein Substrat mittels einer Sprühpistole, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Sprühpistole um eine Sprühpistole gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 handelt und es sich bei der Beschichtungsmasse um solche Beschichtungsmassen handelt, deren Härtung durch elektromagnetische Strahlung durchgeführt oder zumindest eingeleitet werden kann. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungsmasse aktivierte ethylenisch ungesättigte Doppelbindungen sowie mindestens einen Photoinitiator I enthält, der durch die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung so aktiviert werden kann, daß Radikale entstehen, die ein radikalische Polymerisierung starten. 0. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Beschichtungsmasse um eine Zweikomponenten Polyurethanbeschichtungsmasse handelt, deren Polykondensation durch eine Lewis Säure ausgelöst wird, die durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung freigesetzt wird.
1 . Verwendung von Sprühpistolen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Applikation von Beschichtungsmassen auf ein Substrat, deren Härtung durch elektromagnetische Strahlung durchgeführt oder zumindest eingeleitet werden kann.
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