ES2201506T3 - Revestimiento elastrostatico de polvo de sustratos electricamente no conductores. - Google Patents
Revestimiento elastrostatico de polvo de sustratos electricamente no conductores.Info
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Abstract
UN PROCEDIMIENTO PARA REVESTIMIENTO CON POLVO QUE INCLUYE APLICAR UN MATERIAL ANTIESTATICO A LA SUPERFICIE DE UN SUBSTRATO ELECTRICAMENTE NO CONDUCTOR. EL MATERIAL ANTIESTATICO ES PREFERIBLEMENTE UNA SAL AMINA GRASA Y SE APLICA MEDIANTE PULVERIZACION. UN FLUJO DE PARTICULAS DE POLVO, CARGADAS ELECTROSTATICAMENTE, SE DIRIGE HACIA EL SUBSTRATO PARA FORMAR UN REVESTIMIENTO DE POLVOS SOBRE UN SUBSTRATO Y POSTERIORMENTE SE PROCEDE A SECAR EL REVESTIMIENTO DE POLVO.
Description
Recubrimiento electrostático de polvo de
substratos eléctricamente no conductores.
Esta invención se llevó a cabo con el apoyo del
Gobierno con el contrato número
MDA972-93-c-0020
otorgado por el Departamento de Defensa. El Gobierno posee ciertos
derechos sobre esta invención.
Esta invención se refiere al recubrimiento de
polvo de sustratos no conductores de electricidad.
El recubrimiento de polvo es una técnica usada
para proporcionar un recubrimiento duradero a una superficie. Las
partículas de polvo de un compuesto orgánico curable de
recubrimiento de polvo se cargan con electricidad estática y se
dirigen hacia la superficie de un sustrato. Si el sustrato cuenta
con una toma a tierra o está conectado a un metal con la carga
opuesta, las partículas son atraídas a la superficie, donde se
adhieren temporalmente. Posteriormente se calienta la superficie a
una temperatura elevada para curar el compuesto orgánico curable y
formar así el recubrimiento definitivo.
El recubrimiento de polvo es la alternativa
preferida a la pintura, o al recubrimiento de pintura
electroforético. En estos procesos se usan disolventes como
vehículos de los pigmentos de la pintura y otros constituyentes del
recubrimiento de pintura. Los disolventes usados en recubrimientos
de pintura de gran calidad incluyen compuestos orgánicos volátiles
(COV), que son contaminantes atmosféricos potenciales. El
recubrimiento de polvo no utiliza disolventes ni COV, por lo que es
sustancialmente más respetuoso con el medio ambiente.
Aplicar un recubrimiento de polvo es más difícil
cuando el sustrato es un material no conductor de electricidad como
un plástico o un material cerámico. Se han desarrollado varias
técnicas para impartir la suficiente conductividad eléctrica al
sustrato, que puede tener un recubrimiento electrostático de
polvo. Se puede añadir al sustrato un material conductor tal como
grafito para mejorar su conductividad, aunque esta técnica cuenta
con la desventaja de que requiere la modificación del carácter del
sustrato. El sustrato puede calentarse previamente de modo que las
partículas de polvo se curen y se peguen parcialmente cuando entren
inicialmente en contacto con la superficie caliente, aunque este
enfoque requiere calentar el sustrato a temperaturas no toleradas
por algunos tipos de sustratos como materiales compuestos de matriz
orgánica. En otro enfoque se recubre la superficie del sustrato con
un cebador eléctricamente conductor capa conductiva, que
normalmente contiene partículas metálicas o de grafito. A pesar de
que este enfoque es factible, deja la parte acabada con un
recubrimiento eléctricamente conductor entre el sustrato y el
recubrimiento de polvo curado. Este recubrimiento eléctricamente
conductor puede interferir en algunos usos de la parte acabada, que
de otro modo no presentaría conductividad eléctrica.
El documento FR 2.429.620 describe un
procedimiento para recubrir electrostáticamente piezas de trabajo
compuestas completa o parcialmente por un material aislante. El
recubrimiento electrostático se aplica a la pieza en forma de polvo
utilizando las fuerzas de un campo eléctrico, después de lo cual el
recubrimiento electrostático se seca o funde en una posterior etapa
de tratamiento térmico. La pieza de trabajo se recubre con un
compuesto de amonio cuaternario o bien se insertan compuestos de
amonio cuaternario en el sustrato, de modo que se produce una
superficie con propiedades electrostáticas y semiconductoras con
una resistencia de 10^{9} a 10^{12} ohms.
Existe la necesidad de contar con un enfoque
mejorado para el recubrimiento electrostático de polvo de objetos
no conductores de la electricidad. Tal enfoque encontraría un
amplio abanico de aplicaciones en el recubrimiento de materiales
compuestos, cerámicos, plásticos y similares. La presente invención
satisface esta necesidad y proporciona, además, ventajas
relacionadas.
La presente invención proporciona un método para
recubrir de polvo un sustrato eléctricamente no conductor. El
método se pone en práctica sin calentar el sustrato durante la
operación de recubrimiento. No hay ninguna limitación en cuanto al
tipo de recubrimiento de polvo utilizado o el aparato o método para
cargar y depositar electrostáticamente el polvo en el sustrato. El
sustrato recubierto continúa siendo eléctricamente no conductor con
una elevada resistencia eléctrica superficial, aspecto de
importancia en algunas aplicaciones tales como piezas de misiles que
deben resultar transparentes a determinadas señales de
radiofrecuencia.
Según la invención, un método de recubrimiento de
polvo comprende a etapas de proporcionar un sustrato eléctricamente
no conductor, aplicar un material de sal de disebo- dialquilamonio
a la superficie del sustrato, dirigir un flujo de partículas de
polvo cargadas electrostáticamente hacia el sustrato para formar un
recubrimiento de polvo, superponiendo el recubrimiento del material
de sal de amina grasa y curando el recubrimiento de polvo.
El sustrato puede ser un material eléctricamente
no conductor como, por ejemplo, un material plástico, cerámico, un
vidrio o un material compuesto no metálico. Una amina grasa
preferida es la sal de disebo-dimetilamonio. El
material de sal de amina grasa se aplicará mediante cualquiera de
las técnicas conocidas tal como pulverización, impregnación y
cepillado, aunque se prefiere la pulverización.
Para aplicar los artículos en polvo, se forma y
carga electrostáticamente un flujo del material en polvo (en
ocasiones denominado un "material precursor del polvo"). La
aplicación y la carga electrostática pueden realizarse mediante
cualquiera de las técnicas conocidas, como por ejemplo haciendo
pasar el flujo de polvo a través de un campo cargado, o induciendo
una carga en las partículas contrayendo por fricción el flujo de
partículas con una superficie. No existe ninguna limitación conocida
sobre el tipo de partículas de polvo que pueden utilizarse. Una vez
se han aplicado las partículas de polvo a la superficie del
sustrato, el polvo se cura calentando el recubrimiento de polvo y
el sustrato a una temperatura elevada según el plan de curado
recomendado para el recubrimiento de polvo que se está usando. Esta
etapa de curado va acompañada de un aumento en la resistividad del
recubrimiento de sal de amina grasa subyacente, un resultado
deseable en tanto en cuanto el artículo completamente recubierto se
convierte en eléctricamente no conductor.
Una característica clave del presente enfoque es
la aplicación de un material de sal de amina grasa al sustrato
antes del recubrimiento de polvo. El recubrimiento de sal de amina
grasa, que normalmente tiene unos pocos micrómetros de grosor o
menos, proporciona la suficiente conductividad eléctrica a la
superficie para permitir el recubrimiento electrostático en polvo.
La conductividad superficial del sustrato recubierto con sal de
amina grasa es de alrededor de 10^{12} ohms por metro cuadrado o
más, y puede ajustarse mediante tratamientos térmicos. En la mayoría
de aplicaciones, la elevada resistividad no resulta en una
atenuación inaceptable de las ondas electromagnéticas.
Otras características y ventajas de la presente
invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción
detallada de la realización preferida, en unión con los dibujos que
se acompañan, que ilustran a modo de ejemplo los principios de la
invención.
La figura 1 es un diagrama de flujo de bloques de
un método de recubrimiento de polvo según la invención;
la figura 2 es una vista en alzado esquemática de
la aplicación de un recubrimiento electrostático al sustrato;
la figura 3 es una vista en alzado esquemática
del recubrimiento electrostático de polvo del sustrato; y la figura
4 es una vista en alzado esquemática de un sustrato recubierto.
La figura 1 ilustra un enfoque para un
recubrimiento de polvo de un sustrato y las figuras
2-4 ilustran lo que sucede en cada un de las etapas
que componen el método y el producto final. Se proporciona un
sustrato 30 eléctricamente no conductor, número 20. El sustrato
puede ser un sólido no conductor de la electricidad y se desconoce
la existencia de límites en cuanto a su composición y forma. Dichos
sólidos no conductores de la electricidad pueden comprender, por
ejemplo, un material plástico, cerámico, un vidrio o un material
compuesto no metálico. Los autores de la invención han utilizado el
procedimiento de la invención para recubrir de polvo varios
sustratos no conductores de la electricidad, incluyendo material
compuesto con matriz de fibra de cuarzo/policianato, material
compuesto con matriz de fibra de grafito/poliimida, epoxi, una bolsa
arrugada de polietileno de baja densidad, poliimidas, poliamidas,
de material termoplástico polieterimida, material termoplástico de
poliéteretercetona, plástico policarbonato, plástico polipropileno
y vidrio. Las aplicaciones preferidas de estructuras como sustrato
no conductor de la electricidad son las que deben ser transparentes
a la energía de radiofrecuencia durante su utilización, como por
ejemplo la estructura exterior de misiles y aeronaves y
radomos.
Se consigue un material de recubrimiento de sal
de amina de ácido graso (en adelante, "material antiestático"
"recubrimiento antiestático") y se aplica al sustrato 30 como
un recubrimiento 32, número 22, véase también la figura 2. Es
conocida la utilización de materiales antiestáticos en otras
aplicaciones, y se describe, por ejemplo, en la patente
estadounidense 5.219.493. Una sal de amina grasa preferida es la sal
de
bi(alquil-sebo-hidrogenado)-dimetil-amonio,
cuya estructura química se representa por
en donde R_{1} es un grupo alquilo que contiene
COOH con 16-18 átomos de carbono, R_{2} es
CH_{3} y X^{-} es un ion de haluro, de nitrato o de un alquil
inferior-
sulfato.
El material antiestático puede aplicarse mediante
cualquier técnica factible tal como pulverización, inmersión o
cepillado. Es preferible la pulverización, como se ilustra en la
figura 2. Se proporciona un flujo del recubrimiento antiestático (en
un disolvente vehículo adecuado, de ser necesario) a un aerosol u
otro tipo de cabezal de pulverización 34, de modo que pueda
aplicarse fácilmente un fino recubrimiento 32. Se dirige el flujo
del cabezal de pulverización hacia el sustrato 30 y se deposita como
recubrimiento 32. Si se utiliza un disolvente, éste se evaporará
poco después de que el material de recubrimiento antiestático se
haya depositado sobre la superficie del sustrato. Es preferible que
el grosor del recubrimiento antiestático 32 sea de unos pocos
micrómetros, aunque esta dimensión no es crítica.
El recubrimiento antiestático 32 disipa la carga
eléctrica aplicada a la superficie del sustrato 30 durante la
posterior aplicación del recubrimiento de polvo. Al repartir la
carga por un amplio área de la superficie del sustrato, los efectos
de la carga espacial se reducen hasta unos niveles aceptablemente
bajos. El uso de un recubrimiento antiestático proporciona
importantes ventajas respecto al uso de un cebador eléctricamente
conductor, ya que no deja partículas conductoras en la superficie
del sustrato 30, y porque puede tratarse térmicamente hasta
conseguir la resistividad eléctrica deseada. En consecuencia, la
conductividad superficial del artículo recubierto con polvo acabado
se mantiene bastante baja, una cuestión importante a tener en
cuenta en los sustratos que han de estar expuestos a
radiofrecuencias durante su utilización.
Se dirige un flujo de partículas de polvo
cargadas electrostáticamente al sustrato, número 24. El material de
recubrimiento de polvo utilizado en la etapa 24 puede ser cualquier
material de recubrimiento de polvo curable factible. Se conocen
muchos materiales de este tipo y no hay limitación alguna en cuanto
a los tipos de recubrimientos de polvo que pueden usarse en la
presente invención. Las composiciones de recubrimiento de polvo se
describen, por ejemplo, en las patentes estadounidenses 3.708.321;
4.000.333; 4.091.048; y 5.344.672, cuyas descripciones se incluyen
aquí como referencia. En el caso que nos ocupa, la composición de
recubrimiento de polvo preferida es un epoxi, aunque también se
pueden utilizar otras formulaciones en polvo tales como compuestos
acrílicos y poliésteres.
Se dirige un flujo de las partículas de
recubrimiento de polvo desde un tubo 36, normalmente mediante
arrastre en un flujo de un gas tal como aire o nitrógeno, hacia el
sustrato 30 que ya ha sido recubierto con el recubrimiento
antiestático 32.
Las partículas de recubrimiento de polvo se
cargan electrostáticamente mediante cualquier técnica factible. En
un enfoque, ilustrado en la figura 3, las partículas se cargan
electrostáticamente al pasar a través de una descarga creada entre
dos electrodos 38. En otro enfoque, la fricción en el interior del
aparato pulverizador crea la suficiente carga electrostática en las
partículas de polvo. El grosor del recubrimiento de polvo
pulverizado es normalmente el suficiente como para producir un
recubrimiento final después del curado y una consolidación asociada
de alrededor de 0,0254 mm a alrededor de 0,127 mm, más
preferiblemente de alrededor de 0,0254 a alrededor de 0,0762 mm,
aunque el grosor puede ser mayor o menor según sea necesario.
Las partículas de polvo son normalmente de una
composición orgánica que se adhiere a la superficie del sustrato
30/recubrimiento antiestático 32, mediante una combinación de la
adherencia física y de la atracción de cargas electrostáticas. Sin
más tratamiento, las partículas de polvo pueden separarse fácilmente
de la superficie.
Para conseguir un recubrimiento de polvo 40
permanente y fuertemente adhesivo del sustrato 30 con el fino
recubrimiento antiestático 32 interpuesto entre ellos, como se
muestra en la figura 4, se cura el recubrimiento de polvo
pulverizado, número 26. Durante la operación de curado, el sustrato
30 y los sustratos sin curar 32 y 40 se someten a un ciclo de
curado específico para cada tipo de material de recubrimiento de
polvo, normalmente facilitado por el fabricante del material de
recubrimiento de polvo. El ciclo de curado supone normalmente
calentar el sustrato 30 y los sustratos 32 y 40 a una temperatura
elevada durante un periodo de tiempo para curar el recubrimiento 40.
En una operación de curado típica, el sustrato 30 y los
recubrimientos 32 y 40 se calientan a una temperatura de alrededor
de 121ºC a alrededor de 171ºC, durante un tiempo de 30 minutos
aproximadamente. Los componentes poliméricos del recubrimiento
curan, como por reticulación y posiblemente con algún grado de flujo
por consolidar, homogeneizan y uniformizan el recubrimiento de
polvo antes de la reticulación. Después del curado, el
recubrimiento de polvo 40 tiene normalmente un grosor de alrededor
de 0,0254 a alrededor de 0,127 mm.
Calentar para curar el recubrimiento de polvo 40
tiene también el deseable efecto de aumentar la resistividad
eléctrica del recubrimiento antiestático 32. La resistividad
eléctrica superficial del sustrato no conductor 30 y del
recubrimiento 32 aplicado es normalmente de alrededor de 10^{12}
ohms por metro cuadrado. Tras un ciclo de curado típico para el
recubrimiento de polvo 40 descrito anteriormente, la resistividad
eléctrica del recubrimiento antiestático 32 aumenta normalmente
hasta un nivel en el que deja de poder medirse independientemente,
y la medición de la resistividad superficial refleja las
propiedades del sustrato 30, en lugar de las de los recubrimientos
32 y 40. Es decir, el recubrimiento 32 es suficientemente conductor
durante la etapa de recubrimiento de polvo 24 para permitir la
disipación de la carga. Después de ello, se reduce la conductividad
del recubrimiento 32 (es decir, aumenta su resistividad) de modo que
el artículo recubierto completo (sustrato 30, recubrimiento 32 y
recubrimiento 40) tiene una elevada y no a la de los
recubrimientos.
La consecuencia importante en aplicaciones como
el recubrimiento de polvo de estructuras exteriores de aeronaves,
misiles y radomos es que estos sustratos, tras curar los
recubrimientos, resultan inesperada y sorprendentemente
transparentes a la radiación de radiofrecuencias. Esta
transparencia es importante para conseguir requisitos técnicos de
invisibilidad. Tal aumento de la resistividad no puede conseguirse
si se utiliza un recubrimiento conductor convencional en el proceso
de recubrimiento de polvo previo la etapa de recubrimiento de
polvo. Dichos recubrimientos conductores convencionales depositan
partículas conductoras sobre la superficie del sustrato, las cuales
permanecen en él una vez finalizada la etapa de curado y resultan en
una resistividad superficial inferior del artículo recubierto. En
el presente enfoque, la resistividad del material recubierto vuelve
a ser la del sustrato una vez finalizado el curado.
La presente invención se ha reducido en la
práctica a un cierto número de combinaciones de, sustratos y
recubrimientos de polvo. Los sustratos usados incluyen material
compuesto de matriz de fibra de cuarzo/policianato, material
compuesto de matriz de fibra de grafito/poliimida, epoxi, una bolsa
arrugada de polietileno de baja densidad, poliimidas, poliamidas,
material termoplástico de polieterimida, material termoplástico de
polieteretercetona, plástico policarbonato, plástico polipropileno y
vidrio. El material antiestático era la sal de
disebo-dimetilamonio descrita anteriormente,
disponible comercialmente en un vehículo que permite su aplicación
mediante pulverizador, y el recubrimiento de polvo era polvo
epoxi.
A pesar de que se ha descrito una realización
particular de la invención en detalle para fines de ilustración,
pueden realizarse diversas modificaciones y mejoras sin apartarse
del espíritu y alcance de ésta. En consecuencia, la invención no ha
de limitarse, excepto por las reivindicaciones anejas.
Claims (9)
1. Un método de recubrimiento de polvo, que
comprende las etapas de:
proporcionar un sustrato no conductor de la
electricidad;
aplicar un recubrimiento de
disebo-dialquil-amonio a la
superficie del sustrato;
dirigir un flujo de partículas de polvo con carga
electrostática hacia el sustrato para formar un recubrimiento de
polvo sobre dicho sustrato, revistiendo el recubrimiento de material
de sal de amina grasa; y
curar el recubrimiento de polvo.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la
etapa de proporcionar un sustrato no conductor de la electricidad
incluye la etapa de:
proporcionar un sustrato seleccionado del grupo
formado por un material plástico, cerámico, vidrio y un material
compuesto.
3. El método de la reivindicación 1 o de la
reivindicación 2, en el que la etapa de aplicar el material de sal
de disebo-dialquilamonio incluye la etapa de:
aplicar sal de
disebo-dimetilamonio.
4. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de aplicar la sal
de disebo-dialquilamonio incluye la etapa de:
aplicar la sal de
disebo-dialquilamonio al sustrato mediante un método
seleccionado del grupo formado por pulverización, inmersión y
cepillado.
5. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de dirigir un flujo
incluye las etapas de:
formar un flujo de las partículas de polvo, y
cargar electrostáticamente el flujo de partículas
de polvo.
6. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de dirigir un
flujo incluye la etapa de:
proporcionar partículas de polvo seleccionadas
del grupo formado por un epoxi, un compuesto acrílico o un
poliéster.
7. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de curado incluye
la etapa de:
calentar el recubrimiento de polvo y el sustrato
a una temperatura elevada.
8. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que la etapa de curado incluye la
etapa de:
calentar el sustrato, recubrimiento de material
de sal de disebodialquilamonio y el recubrimiento de polvo, a una
temperatura suficiente para curar el recubrimiento de polvo y elevar
la resistividad eléctrica del recubrimiento de material de sal
disebo-dialquilamonio, de modo que el sustrato
recubierto sea transparente a las radiaciones de
radiofrecuencia.
9. El método de una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de proporcionar un
sustrato no conductor de la electricidad incluye la etapa de:
proporcionar un sustrato con una forma
seleccionada del grupo formado por una estructura superficial de una
aeronave, la estructura superficial de un misil, el radomo de una
aeronave, o el radomo de un misil.
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