СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ ЛАКОВ Российский патент 2003 года по МПК C09D5/03 

Изобретение относится к отверждению порошкообразных лаков на металлических и неметаллических субстратах облучением под действием излучения в ближней инфракрасной области (БИК-излучение).

При покрытии металлов декоративные или функциональные покрытия поверхности порошкообразными лаками приобрели широкую область применения вследствие высокой эффективности этого способа и благоприятной его оценки с точки зрения охраны окружающей среды. Для различных областей применения были разработаны многочисленные рецептуры порошкообразных лаков. В имеющихся в настоящее время способах отверждения порошкообразных лаков требуется сначала расплавить порошок, осаждаемый на субстрат, путем нагревания до температуры выше температуры перехода в стеклообразное состояние и/или точки плавления рецептуры порошкообразного лака. В качестве источников тепла используются, например, конвекционные печи, ИК-излучатели или их сочетания. Для термически отверждаемых систем порошкообразное покрытие обычно отверждают путем нагревания всего покрываемого объекта до температуры между 140 и 200^oС в течение периода времени, приблизительно равного от 10 до 30 мин.

Для рецептур порошкообразных лаков, отверждаемых под действием ультрафиолетового (УФ) излучения, порошкообразное покрытие, расплавленное обычным образом, отверждается в течение нескольких секунд посредством полимеризации двойных связей или простых циклических эфиров в соответствии с радикальным или катионным механизмом реакции.

Оба способа имеют существенные недостатки. Для термически отверждаемых порошкообразных лаков требуются высокие температуры в течение периода приблизительно от 20 до 30 мин. С одной стороны, эти высокие температуры не позволяют получить покрытие на термически чувствительной поверхности, такой как древесина или пластмасса, с другой стороны, в этих способах расходуется значительное количество энергии на нагревание металлических компонентов. При использовании порошкообразных лаков, отверждаемых под действием УФ-излучения, требуются две технологические стадии, так как прежде всего порошок необходимо расплавить посредством нагревания и затем отвердить действием УФ-излучения на второй стадии. Более того, возникают затруднения при отверждении пигментированных порошкообразных лаков с получением более толстого покрытия, так как УФ-излучение поглощается компонентами, которые обеспечивают цветность, и это делает более трудным полное отверждение покрытия.

Разработанная недавно технология генерирования интенсивного излучения в ближней инфракрасной области (БИК), в интервале длин волн от 750 до 1200 нм, обеспечивает дополнительную возможность отверждения лаковых композиций. Однако интенсивность излучения в БИК-области, которая используется в области аналитической химии или технологического контроля, является недостаточной для нагревания субстрата или инициирования химической реакции, такой как сшивка лака.

В статье Kai "Быстрое отверждение порошкообразных лаков за секунды" (JOT 2/98) описано, что порошкообразные лаки могут быть отверждены с помощью БИК-воздействия излучения высокой интенсивности без существенного нагревания субстрата. Технология воздействия БИК-излучения обеспечивает плавление порошкообразных лаков и их отверждение на одной технологической стадии без недостатков, присущих традиционным способам термического отверждения и/или отверждения под действием УФ-излучения, описанным выше. Достигается равномерный нагрев всего лакового покрытия и отражение излучения на металлическую поверхность. Не описаны порошкообразные лаки, которые особенно подходят для этой технологии отверждения, и в особенности способ, в котором могут быть разработаны порошкообразные лаки специального назначения для отверждения с помощью БИК-излучения.

В заявке на патент Германии 19806445.4 описаны порошкообразные связующие лака, которые особенно пригодны для отверждения порошкообразных лаков под действием БИК-излучения. В нем не упомянуты характеристики поглощения порошкообразных лаков, которые получаются с этими связующими, и влияние этих характеристик на характеристики отверждения и свойства покрытия.

В частности, пигментированные порошкообразные лаки с аналогичной системой связующего, но другим составом остальных компонентов, могут обладать существенно отличающимися характеристиками поглощения при отверждении под действием излучения в БИК-области. В идентичных условиях по интенсивности и времени облучения наблюдаются различные значения скорости нагревания пленки лака и различные скорости отверждения. Например, традиционный промышленный белый порошкообразный лак (Durotherm AL93-9010 фирмы Herberts Pulverlack GmbH), соответствующий уровню техники, полностью отверждается за 30 с при облучении традиционным промышленным источником БИК-излучения (поставляется фирмой Messrs Industrie SerVis), в то время как традиционный промышленный черный порошкообразный лак, с той же самой связующей основой (Durotherm AL93-9017 фирмы Herberts Pulverlack GmbH), соответствующий уровню техники, отверждается за 5 с при аналогичных условиях облучения.

Поэтому целью настоящего изобретения является разработка способа отверждения порошкообразных лаков, который обеспечивает возможность отверждения порошкообразных лаков с помощью БИК-излучения, независимо от цвета или типа используемой системы связующего и компонентов лака с фактически одинаковым временем отверждения и температурой поверхности субстрата. Кроме того, должна существовать возможность регулирования характеристик поглощения порошкообразных лаков в БИК-области, с тем чтобы можно было приспособить характеристики поглощения для оптимальных условий применения, например, таких как толщина пленки или тип наносимого субстрата.

В контексте настоящего изобретения было продемонстрировано, что характеристики поглощения порошкообразной лаковой композиции могут быть изменены или приспособлены, для того чтобы получить оптимальные условия, посредством варьирования содержания сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи.

Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает применение сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи для регулирования характеристик поглощения порошкообразных лаков при отверждении путем облучения излучением в ближней инфракрасной области (БИК-излучение), в частности регулирования времени отверждения и/или температуры поверхности субстратов, покрываемых порошкообразными лаками.

Настоящее изобретение дополнительно обеспечивает способ отверждения порошкообразных лаков путем покрытия субстратов порошкообразными лаками и облучения излучением в ближней инфракрасной области (БИК-излучение), который отличается тем, что значения времени отверждения и/или температуры поверхности (получаемые с помощью облучения в течение определенного времени отверждения) субстратов, покрытых порошкообразными лаками, регулируются тем, что устанавливается содержание сульфата бария и/или оксида алюминия в порошкообразных лаках от 1 до 50 вес.% и/или устанавливается содержание углеродной сажи в порошкообразных лаках от 0,1 до 5 вес.%, причем эти весовые проценты в каждом случае относятся ко всей лаковой композиции.

Способ согласно изобретению заключается в том, что суммарное содержание сульфата бария и оксида алюминия в порошкообразных лаках не превышает 50 вес.%, если дополнительно присутствует углеродная сажа, то суммарное содержание сульфата бария и/или оксида алюминия вместе с углеродной сажей не превышает 55 вес.%.

Содержание сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи оказывает решающее влияние на характеристики поглощения всей композиции порошкообразного лака и обеспечивает установление характеристик отверждения БИК-излучением для специального назначения. Например, с помощью повышенного содержания сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи можно сильно увеличить поглотительную способность композиции порошкообразного лака при облучении излучением в БИК-области длин волн, и при постоянных условиях облучения могут быть достигнуты повышенные значения температуры поверхности и более короткое время отверждения.

Более того, характеристики поглощения композиций порошкообразного лака можно адаптировать для конкретного применения порошкообразного лака. В зависимости от типа субстрата, например, может быть желательным увеличение поглощения излучения в пленке лака, для того чтобы минимизировать нагревание субстрата. В этих случаях предпочтительными являются, например, рецептуры, в которых содержание сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи увеличивается до верхнего предела указанного выше интервала (вес.%).

Для очень толстых покрытий порошкообразного лака может быть необходимым снижение поглощения БИК-излучения, для того чтобы обеспечить плавление и отверждение порошкообразного покрытия, лежащего в более глубоком слое. Если поглощение БИК-излучения является слишком сильным, то все излучение будет поглощаться на поверхности лаковой пленки, что приведет к плохой текучести и неполному отверждению покрытия на поверхности субстрата.

Для таких областей применения подходят, например, порошкообразные лаковые композиции, в которых содержание сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи снижено до нижнего предела значений, которые указаны выше (вес.%).

Для тонких покрытий может быть желательной порошкообразная лаковая композиция с высокой степенью поглощения БИК-излучения, для того чтобы можно было добиться максимально высокой скорости нагревания и отверждения, с тем чтобы использовать повышенное содержание сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи.

Согласно изобретению использование содержания сульфата бария и/или оксида алюминия от 1 до 50 вес.%, особенно от 5 до 35 вес.%, и/или углеродной сажи в количестве от 0,1 до 5 вес.%, в каждом случае относительно всей порошкообразной лаковой композиции, является приемлемым для затвердевания порошкообразной лаковой композиции согласно изобретению.

Было показано, что сульфат бария, и/или оксид алюминия, и/или углеродную сажу можно использовать независимо от их модификации, размера частиц и, кроме того, от различий структуры и состава, которые могут иметь место.

Остальные компоненты порошкообразного лака, такие как, например, смолы, пигменты и добавки, также вносят вклад в характеристики поглощения БИК-излучения всей композиции, хотя этот вклад определенно меньше, чем от содержания сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи согласно изобретению.

Если отправным пунктом являются порошкообразные лаки, которые уже содержат сульфат бария, оксид алюминия и/или углеродную сажу, то изменение содержания сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи в порошкообразной лаковой композиции также можно компенсировать другими пигментами и/или наполнителями. Например, для увеличения продолжительности отверждения можно частично заменить сульфат бария и/или оксид алюминия другими наполнителями, которые обладают очень низкой степенью поглощения БИК-излучения. Такими пигментами и/или наполнителями могут быть, например, карбонат кальция, диоксид титана, гидроксид алюминия, доломит и тальк.

Если изменяется содержание сульфата бария и/или оксида алюминия, то при необходимости может быть отрегулировано пигментирование, для того чтобы компенсировать небольшое изменение цветности. Изменение содержания углеродной сажи может привести к весьма значительным изменениям цветности.

Дополнительные компоненты, которые могут содержаться в порошкообразных лаках согласно изобретению, представляют собой традиционные системы связующего/отвердителя, например, такие как полиэфирные смолы с низкомолекулярным эпоксидным или гидроксиалкиламидным отвердителями, гибридные системы эпоксид/полиэфирное соединение, эпоксидные смолы с дицианодиамидными, фенольными отвердителями или отвердителями - карбоновыми кислотами, или также эпоксидно-функционализированные акрилатные смолы с отвердителями - карбоновыми кислотами или ангидридами карбоновых кислот, а также традиционные пигменты и/или наполнители и традиционные добавки, например, такие как агенты, регулирующие текучесть, и вспомогательные обезгаживающие агенты и текстурирующие агенты. В качестве пигментов порошкообразной лаковой композиции согласно изобретению можно использовать традиционные органические или неорганические пигменты.

Порошкообразные лаки, применяемые согласно изобретению, могут быть получены традиционным образом; добавки сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи можно смешивать с остальными порошкообразными компонентами традиционным образом или вводить в порошкообразные компоненты, например, такие как связующие и/или отвердители.

Порошок может быть нанесен на покрываемый субстрат с использованием известных методов электростатического распыления, например, с помощью распыляющих пистолетов "Corona" или "Tribo" или другими способами, подходящими для нанесения порошка.

Для отверждения порошкообразной лаковой композиции ее можно облучить, например, используя традиционный высокоэнергетический БИК-излучатель, например, с температурой теплового излучения излучающей поверхности спирали между 2000 и 3000 К; подходящими являются, например, излучатели, спектр испускания которых имеет максимум между 750 и 1200 нм; излучаемая мощность превышает 1 Вт/см², например, предпочтительно больше чем 10 Вт/см²; время облучения составляет, например, от 1 до 300 с. При облучении порошок сначала плавится и затем отверждается, например, за время от 1 до 300 с.

Для отверждения также можно использовать сочетание БИК-излучателей и традиционных источников тепла, таких как конвекционные печи или инфракрасные излучатели. В случае необходимости также возможна реализация равномерного облучения трехмерных объектов с помощью отражателей БИК-излучения.

Способ согласно изобретению является особенно подходящим для покрытия термически чувствительных субстратов для покрытия больших объемных конструкционных изделий или для нанесения покрытий, когда требуется высокая скорость отверждения. Примерами термически чувствительных субстратов являются натуральная древесина и поверхность материалов на основе древесины, поверхность пластиков или металлических деталей, которые также содержат термически чувствительные компоненты, такие как жидкости или смазочные материалы. Также могут быть покрыты традиционные металлические субстраты.

В частности, также могут иметь место функциональные покрытия на трубах, металлических элементах, усиливающих бетон, или на конструкционных элементах, а также покрытия на изделиях, имеющих большую площадь поверхности, которые невозможно нагревать в печи, такие как стальные конструкции, мосты, корабли.

Способ согласно изобретению также можно использовать для процесса покрытия спиралей со скоростью покрытия более 100 м/мин.

Способ согласно изобретению обеспечивает возможность регулировать характеристики поглощения порошкообразных лаков и поэтому, в частности, сделать регулируемыми характеристики отверждения порошкообразных лаков и регулировать температуру поверхности покрываемых субстратов. Порошкообразные лаки различного цвета или с различными системами связующих агентов могут быть отверждены при облучении БИК-излучением в идентичных условиях, что означает получение значительных преимуществ для технологической установки с порошкообразными лаками, при использовании различных порошкообразных лаков в устройстве для покрытия. Так, например, возможно быстрое изменение цвета в процессе обработки порошка без необходимости в сложном подборе параметров установки, таких как время отверждения или интенсивность источника излучения, для того чтобы удовлетворить требования цветности.

Порошкообразные лаки, модифицированные сульфатом бария, оксидом алюминия и/или углеродной сажей, которые применяются в способе согласно изобретению, могут быть выгодно использованы в процессе отверждения при облучении с помощью БИК-излучения с получением покрытий прекрасного качества.

Это изобретение иллюстрируется следующими ниже примерами.

Порошкообразные лаковые композиции, перечисленные в таблицах, превращали в покрывающие порошки традиционными способами производства порошкообразных лаков: посредством интенсивного перемешивания компонентов, экструзии и измельчения. Порошки электростатически наносили на опытные алюминиевые листы до одинаковой толщины пленки, используя пистолет "Corona" для распыления порошка. Отверждение осуществляли на спиральной линии, которая была оборудована излучателем БИК с максимальной излучаемой мощностью 400 кВт/м², поставляемым фирмой Messrs Industrie SerVis. Интенсивность облучения и расстояние между излучателем и поверхностью субстрата поддерживали постоянными. Время облучения варьировали путем изменения скорости спирали. В табл.1-3 приведено время облучения, которое соответствует скорости спирали, при которой покрытие полностью отверждается (время отверждения). В качестве критерия отверждения измерялись механические свойства и стойкость к растворителю, которые сопоставлялись со свойствами образцов той же самой композиции, которые обрабатывали традиционным образом в печи при высокой температуре с циркулирующим воздухом. Приведенные в таблицах величины времени облучения, соответствуют скорости спирали, при которой получаются свойства, аналогичные свойствам стандартного образца.

В пределах систем индивидуальных связующих компоненты рецептур в значительной степени сохранялись постоянными. Изменения содержания сульфата бария, оксида алюминия и углеродной сажи осуществляли путем замены диоксида титана в рецептуре таким образом, чтобы можно было сохранить постоянной концентрацию остальных основных компонентов. Все указанные количества даны в весовых процентах.

Рецептуры, не соответствующие настоящему изобретению, помечены звездочкой *. Эксперименты, в которых не было достигнуто отверждение, помечены как "н/о" - не отверждается. В этом случае имели место проблемы текучести или образование пузырей при избыточно длительном времени облучения без отверждения пленки.

ПРИМЕР 1. Наружные стойкие к атмосферным воздействиям порошкообразные лаки на основе сложного полиэфира с агентом Araldit PT 910 (фирма Ciba Chemicals).

Все рецептуры содержат 57% полиэфирных смол, 5,2% отвердителя Araldit PT 910 и 4,5% обезгаживающего агента и агента, регулирующего текучесть. Красные порошкообразные лаки окрашены 1% неорганического красного пигмента, желтые порошкообразные лаки окрашены 2% неорганического желтого пигмента. Результаты приведены в табл.1.

ПРИМЕР 2. Порошкообразные лаки на основе эпоксидной смолы.

Все рецептуры содержат 60% эпоксидной смолы, 3,3% дицианодиамидного отвердителя и 1,4% обезгаживающего агента и агента, регулирующего текучесть. Результаты приведены в табл.2.

ПРИМЕР 3. Порошкообразные лаки на основе гибридного полиэфир/эпоксидного связующего агента.

Все рецептуры содержат 40,4% полиэфирной смолы, 18% эпоксидной смолы, 1,6% обезгаживающего агента и агента, регулирующего текучесть, и 3% органического синего пигмента. Результаты приведены в табл.3.

Способ отверждения порошкообразных лаков путем покрытия субстратов порошкообразными лаками и облучения излучением в ближней инфракрасной области (БИК-излучение), который отличается тем, что значения времени отверждения и/или температуры поверхности, достигаемые при облучении в течение определенного времени отверждения покрытых порошкообразными лаками субстратов, регулируются тем, что устанавливается содержание сульфата бария и/или оксида алюминия в порошкообразных лаках от 1 до 50 вес.% и/или устанавливается содержание углеродной сажи в порошкообразных лаках от 0,1 до 5 вес.%., причем эти весовые проценты в каждом случае относятся ко всей лаковой композиции. 3 с. и 3 з.п.ф-лы, 3 табл.

1. Способ отверждения порошкообразных лаков путем покрытия субстратов порошкообразными лаками и облучения в ближней инфракрасной области (БИК-излучение), отличающийся тем, что значения времени отверждения и/или температуры поверхности, достигаемые при облучении в течение определенного времени облучения, покрытых порошкообразными лаками субстратов, регулируются тем, что устанавливается содержание сульфата бария и/или оксида алюминия в порошкообразных лаках от 1 до 50 вес. % и/или устанавливается содержание углеродной сажи в порошкообразных лаках от 0,1 до 5 вес. %, причем весовые проценты в каждом случае относятся ко всей лаковой композиции. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют от 5 до 35 вес. % сульфата бария и/или оксида алюминия. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что используют излучение в ближней инфракрасной области, с максимумом распределения интенсивности в интервале длин волн от 750 до 1200 нм. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что облучение и отверждение в каждом случае протекают в течение времени от 1 до 300 с. 5. Применение сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи для регулирования характеристики поглощения порошкообразного лака при отверждении путем облучения в ближней инфракрасной области (БИК-излучение). 6. Применение сульфата бария, и/или оксида алюминия, и/или углеродной сажи для регулирования величин времени отверждения и/или температуры поверхности субстрата, покрытого порошкообразными лаками, при отверждении путем облучения в ближней инфракрасной области (БИК-излучение).