ES2251812T3 - Procedimiento y dispositivo para la obtencion de capas de esmalte endurecidas. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la obtencion de capas de esmalte endurecidas.

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Abstract

Pintado con spray, boquilla de irradiación con UV a través de fibras ópticas promueve la reacción de los procesos cinéticos que están controlados por temperatura, polimerización catiónica y formulación nanostructurada. Una reacción de reticulación es iniciada en una formulación de pintura reactiva. Este revestimiento sobre una superficie al menos localmente, antes de la reacción está finalizado. Las reivindicaciones independientes se incluyen para el equipo que realiza el procedimiento, y para el revestimiento así producido. El equipo emplea un rociador y/o un aplicado electrostático con un alojamiento en campana. Características preferidas: inicio de la reacción preferiblemente emplea iluminación UV (1), en conjunto con al menos un fotoiniciador en la formulación. La cinética de la reacción está controlada por la variación de la temperatura, y/o el uso de una reacción lo suficientemente lenta, especial mente una polimerización catiónica, y/o por un separador espacial de fotoiniciador(es) desde los componentes de la formulación y/o por minimización de reactividad de los fotoiniciador(es). La separación espacial mencionada, es por nanoestructuración de la formulación de la pintura. Etapas adicionales incluyen el mezclado de un agente de protección UV y/o pigmento en la formulación antes del revestimiento. Una pistola manual de rociado (6) aplica la pintura. En el equipo, las fibras ópticas (3, 4) transmiten la luz UV a la formulación de pintura.

Description

Procedimiento y dispositivo para la obtención de capas de esmalte endurecidas.
La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la obtención de capas de esmalte endurecidas, en especial endurecidas por radiación, sobre una superficie substrato.
Actualmente se obtienen capas de esmalte, con ayuda, entre otros, del método de endurecimiento por radiación. En el caso de endurecimiento por radiación se transforma una mezcla fácilmente elaborable de substancias de empleo reactivas y aditivos en un retículo polímero tridimensional, estable mecánicamente, mediante exposición. En este caso se aplica la formulación de esmalte reactiva en primer lugar sobre el substrato correspondiente, y en un segundo paso se reticula mediante exposición óptica, preferentemente con una lámpara UV, o por medio de endurecimiento por haz de electrones. Son ejemplos a tal efecto las polimerizaciones de formulaciones de esmalte de baja viscosidad, iniciadas ópticamente a través de fotoiniciadores, de monómeros reactivos, oligómeros y prepolímeros, a modo de ejemplo la polimerización de acrilato a través de radicales o la polimerización de viniléter o epóxido catiónica, o el reticulado óptico de polímeros líneales con cadenas laterales reactivas. Además encuentran empleo polímeros a base de (met)acrilatos, (met)acrilamidas, éteres vinílicos de maleinimida, sistemas de abstracción de hidrógeno, poliésteres insaturados, así como resinas endurecibles por ácido. Las aplicaciones típicas son revestimientos de papel, esquíes, muebles, suelos, metales, materiales sintéticos, o bien pegamentos.
En el caso de un esmaltado endurecible por radiación, como por ejemplo el esmaltado en UV o el endurecimiento por haz de electrones de superficies tridimensionales de estructura compleja, como por ejemplo las de vehículos automóviles, la exposición se debe efectuar uniformemente para evitar que en puntos críticos, como por ejemplo en bordes o en áreas internas, permanezcan zonas no endurecidas. Las zonas no endurecidas remanentes pueden conducir a adhesiones, a emisión de compuestos de bajo peso molecular, unidad parcialmente a una carga por olor y/o un peligro para la salud, así como a brillo deficiente y acción protectora deficiente del esmalte. Esto hace necesario frecuentemente una elaboración subsiguiente costosa, o incluso la eliminación de substratos valiosos, vinculada a costes elevados. Para poder garantizar una exposición uniforme de substratos de gran superficie, hasta el momento se emplearon lámparas de gran superficie, en especial lámparas UV en combinación con robótica 3D. Esto requiere inversiones elevadas en instalaciones de exposición a medida con correspondientes costes de operación elevados y tiempos de paso lentos, y tratamiento subsiguiente térmico, eventualmente costoso, como por ejemplo en el caso de formulaciones Dualcure. Otro problema de procedimientos de esmaltado convencionales se presenta en el caso de empleo de formulaciones de esmalte pigmentadas o provistas de aditivos antisolares. Estos últimos se emplean principalmente en aplicaciones externas. En ambos casos se puede llegar a interacciones con la luz irradiada para exposición, por ejemplo para la absorción o para la dispersión de luz UV. Esto tiene como consecuencia a su vez que, debido al "efecto de sombreado" de la luz necesaria para el activado, eventualmente se efectúa un activado apenas insuficiente de la reacción de reticulado mediante el sistema fotoiniciador. Por consiguiente, es muy difícil llegar a un endurecimiento homogéneo, en especial en capas de esmalte más profundas.
Por lo tanto, una tarea de la presente invención es poner a disposición un procedimiento con cuya ayuda se pueda obtener fácilmente, y de manera relativamente rápida, una capa de esmalte uniforme sin la aparición de los problemas expuestos anteriormente.
Este problema se soluciona mediante el procedimiento según la invención conforme a la reivindicación 1. En las subreivindicaciones se indican perfeccionamientos convenientes.
El procedimiento según la invención constituye un procedimiento para la obtención de una capa de esmalte, preferentemente una capa de esmalte endurecida en al menos un punto de una superficie substrato, presentando el procedimiento al menos los siguientes pasos en el siguiente orden:
a)
iniciación óptica de al menos una reacción de reticulado en al menos una formulación de esmalte reactiva, que contiene fotoiniciadores y componentes de formulación de esmalte reactivos a reticular,
b)
aplicación, preferentemente aplicación homogénea de al menos una formulación de esmalte reactiva, aún de viscosidad reducida, antes de la producción de una capa de esmalte altamente viscosa en al menos un punto de la superficie substrato.
En este caso se entiende por "iniciación al menos de una reacción de reticulado" que la reacción de reticulado no transcurre aún en este momento, en el que, no obstante, al menos una formulación de esmalte reactiva ha creado aun estado debido al cual se desarrolla la reacción de reticulado tras un cierto intervalo de tiempo.
Según la invención, al menos una reacción de reticulado se inicia ya antes de la aplicación de la formulación de esmalte sobre la superficie substrato correspondiente. Esto permite una iniciación homogénea de la reacción de reticulado, y evita de este modo un reticulado poco uniforme, por ejemplo de substratos tridimensionales de forma compleja, en los que frecuentemente se debe realizar un gasto considerable en procedimientos de esmaltado convencionales para tratar verdaderamente del mismo modo cada punto de superficie a esmaltar, y para obtener de este modo una capa de esmalte uniforme.
Según la invención, en el paso a), la reacción de reticulado se inicia ópticamente en al menos una formulación de esmalte reactiva. Preferentemente, esto se efectúa mediante exposición UV o radiación de electrones de al menos una formulación de esmalte reactiva. En una formulación de esmalte reactiva, empleable en este caso, una reacción de reticulado debe ser activable ópticamente, de modo que se puede producir una capa de esmalte altamente viscosa, estable mecánicamente, a partir de una formulación de esmalte de baja viscosidad.
Al menos una formulación de esmalte comprende al menos un fotoiniciador. Este fotoiniciador, al menos 1, puede interaccionar con luz irradiada correspondientemente de manera que, de este modo, se pone en disposición de inducir la reacción de reticulado en al menos una formulación de esmalte. Son ejemplos a tal efecto las polimerizaciones de formulaciones de esmalte de baja viscosidad, iniciadas ópticamente a través de fotoiniciadores, de monómeros reactivos, oligómeros y prepolímeros, y el reticulado óptico de polímeros lineales con cadenas laterales reactivas. En este caso se pueden citar, entre otras, la polimerización de acrilato a través de radicales y la polimerización de éter vinílico o epóxido catiónica. La formulación de esmalte, aún de viscosidad reducida, se irradia ahora con luz, preferentemente con luz UV, antes de aplicación sobre la superficie substrato en cuestión. En este caso es relativamente sencillo conseguir una exposición UV homogénea. Por ejemplo en la tobera de inyección para la formulación de esmalte reactiva, o en el correspondiente conducto, se puede efectuar un flujo homogéneo con luz UV, de modo que se expone desde diversos lados, o el conducto de alimentación está diseñado como conductor de luz UV. En este caso, también es ventajoso que, con estas dimensiones, o bien geometrías reducidas, se pueda trabajar no solo con lámparas UV convencionales, sino también con láseres UV. Estos últimos se emplean preferentemente debido a su control de haz sencillo, y a la posibilidad de adaptación óptima de longitud de onda de láser a la absorción del sistema fotoiniciador contenido en la formulación de esmalte reactiva, como se describe, a modo de ejemplo, en J.-P. Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, München,
1995.
En el procedimiento según la invención se adoptan medidas que permiten controlar cinéticamente la reacción de reticulado en la formulación de esmalte reactiva, que se debe iniciar, inducir, y finalmente se debe desarrollar; a tal efecto es decisivo el período de inducción, como se describe en J.P.- Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, München, 1995, página 165, figura 5.1. Mediante el correspondiente ajuste cinético de la reacción de reticulado se impide que la formulación de esmalte reactiva expuesta no se transforme en la correspondiente superficie substrato ya antes de la incidencia, y se reticule, preferentemente de manera homogénea, antes de su distribución en la misma, y con ello se transforme en un estado que dificultaría considerablemente una distribución uniforme de la formulación de esmalte sobre la superficie substrato. El intervalo de tiempo entre la iniciación de la reacción de reticulado y su verdadero empleo debe ser al menos tal elevado que la formulación de esmalte reactiva, aún de baja viscosidad, llegue a la superficie substrato, y se pueda desarrollar en la misma para dar una película de homogeneidad deseada. Solo a continuación se establece la reacción de reticulado, mediante lo cual se obtiene en último término una capa de esmalte endurecida. Esta presenta todas las propiedades mecánicas, como por ejemplo resistencia al rayado y elasticidad, así como una buena estabilidad química, como son conocidas en las capas de esmalte endurecidas por radiación obtenidas según los procedimientos precedentes. Además del control de cinética de reacción de reticulado, también se procura preferentemente que la iniciación, a modo de ejemplo la radiación UV de la formulación de esmalte, se efectúa inmediatamente, es decir, aproximadamente fracciones de segundo antes de la aplicación de la formulación de esmalte sobre el substrato. Por lo tanto, la formulación de esmalte se expone poco antes o después de abandonar la unidad de aplicación, y por lo demás se procura una distancia corta de la unidad de aplicación a la superficie substrato.
Preferentemente se ajusta la temperatura de la formulación de esmalte reactiva de modo que la reacción de reticulado no se establezca inmediatamente después de su iniciación, sino de manera retardada. En este caso, la formulación de esmalte reactiva se prepara de modo que se mantenga la viscosidad de aplicación necesaria, a modo de ejemplo mediante fracciones elevadas de diluyentes reactivos. Estos último garantizan la distribución homogénea de la formulación de esmalte sobre la superficie substrato correspondiente, también a temperaturas elevadas.
Preferentemente, tras la aplicación de la formulación de esmalte fría sobre el substrato se efectúa un temperado del substrato hasta 140ºC, preferentemente a una temperatura por debajo de 100ºC. De este modo se acelera el inicio y el desarrollo de la reacción de reticulado.
Según la invención se emplea una reacción de reticulado suficientemente lenta. Esto significa que la formulación de esmalte reactiva se selecciona, o bien se sintetiza de modo que la reacción de reticulado a desencadenar en la misma se desarrolle con suficiente lentitud, de modo que, tras su iniciación, para la formulación de esmalte, aún de baja viscosidad, quede suficiente tiempo para llegar a la correspondiente superficie substrato, y para desarrollar una película homogénea. Un ejemplo de tal tipo de reacción constituye la polimerización catiónica. Según J.-P. Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, München, 1995, página 214, con el empleo de diglicidiléter de bisfenol-A se muestra tal sistema.
Según la invención, la reacción de reticulado se retarda mediante una separación espacial de fotoiniciadores y los componentes de formulación de esmalte reactivos a reticular, como por ejemplo monómeros y prepolímeros reactivos. En este caso, esto se efectúa a través de un nanoestructurado de la formulación de esmalte. A modo de ejemplo, los fotoiniciadores contenidos en la formulación de esmalte se alojan preferentemente en partículas. En este caso, estas partículas presentan preferentemente un diámetro en el intervalo de nm a \mum, de modo especialmente preferente en el intervalo de 10 nm a 100 \mum. Por consiguiente, también se puede retrasar la reacción de reticulado en el tiempo que los fotoiniciadores, o bien sus productos de disociación, requieren para la difusión a partir de las partículas. En otra forma de ejecución preferente, los fotoiniciadores no solo se alojan en partículas, sino que se fijan en látices o dendrímeros. El tiempo de retraso de la reacción de reticulado, que se consigue de este modo, corresponde ahora al tiempo que requieren los componentes reactivos de la formulación de esmalte, como por ejemplo monómeros u oligómeros reactivos, para la penetración por difusión en los látices.
En otra forma de ejecución del procedimiento según la invención, mediante el control cinético de la reacción de reticulado, es decir, mediante control de reacción selectivo, se ajusta dinámicamente las propiedades reológicas durante la fase de aplicación de la formulación de esmalte sobre la superficie substrato. De este modo se pueden substituir modificadores de viscosidad (aditivos de reología), lo que elimina de nuevo problemas de esmaltado típicos, como por ejemplo la tendencia al goteo en superficies verticales.
En otra forma preferente de ejecución del procedimiento según la invención, entre el paso a), es decir, la iniciación de la reacción de reticulado en al menos una formulación de esmalte reactiva, y el paso b), esto es, la aplicación homogénea de al menos una formulación de esmalte reactiva antes del inicio de la reacción de reticulado en al menos un punto de la superficie substrato, se introduce un paso adicional a'), es decir, un mezclado de al menos un agente protector UV a al menos una formulación de esmalte reactiva. En este caso se disuelven los agentes protectores UV preferentemente en diluyentes reactivos, y poco después de la radiación UV se añaden con mezclado de manera homogénea a la formulación de esmalte reactiva que contiene fotoiniciadores, y poco después de su aplicación sobre la superficie substrato en circulación preferentemente turbulenta. Mediante este tipo de mezclado de agentes protectores UV no se producen mermas de homogeneidad de radiación UV, es decir, el endurecimiento por radiación UV de la formulación de esmalte no se reduce, mientras que, simultáneamente, mediante adición de agentes protectores UV se garantiza un estabilizado en UV de larga
\hbox{duración.}
Preferentemente, en otra forma de ejecución del procedimiento según la invención, entre el paso a) y el paso b) está previsto un paso adicional a''), en el que se añade con mezclado al menos un pigmento a al menos una formulación de esmalte reactiva. En este caso, el pigmento, a modo de ejemplo para revestimientos base, se añade con mezclado en circulación turbulenta, preferentemente poco después de la iniciación de la reacción de reticulado en al menos una formulación de esmalte, a modo de ejemplo mediante irradiación UV de una formulación de esmalte que contiene fotoiniciador, y poco antes de la aplicación de la misma. En este caso, el pigmento está dispersado preferentemente en diluyentes reactivos. A modo de ejemplo, como pigmentos se pueden emplear los descritos en J.-P. Fouassier, Photoinitiation, Photopolymerization and Photocuring, Hanser Publishers, München, 1995, páginas 285 a 297; No obstante, mediante la adición con mezclado subsiguiente son concebibles también todos los pigmentos convencionales, incompatibles con el endurecimiento por radiación por absorbentes, y con ellos no endurecibles, como se emplean, por ejemplo, en el sector automovilístico. Mediante este tipo de adición con mezclado de un pigmento, en especial en el caso de endurecimiento por radiación, es decir la iniciación de reacción de reticulado mediante exposición, en especial mediante exposición UV, este no se reduce en su homogeneidad.
Preferentemente, el procedimiento según la invención se emplea también para la mejora, o bien para la reparación de capas de esmalte en su superficie substrato. En este caso, para la aplicación de al menos una formulación de esmalte reactiva antes del empleo de al menos una reacción de reticulado en al menos un punto de la superficie substrato se emplea una pistola pulverizadora manual. En este caso se garantiza la aplicación local necesaria de la formulación de esmaltes sobre la superficie substrato, es decir, exactamente en el punto defectuoso, o bien a mejorar. Además, el empleo de una pistola pulverizadora manual es muy práctico, y posible directamente in situ en cualquier sentido.
Un dispositivo apropiado para la obtención de una capa de esmalte endurecida en al menos un punto de una superficie substrato, conforme
al procedimiento según la invención, presenta los siguientes elementos:
a)
al menos un depósito de reserva para al menos una formulación de esmalte reactiva,
b)
al menos una unidad de exposición, preferentemente una unidad de exposición UV, además preferentemente un láser UV, y
c)
al menos una unidad de aplicación con una tobera, en especial una cabeza de pulverizado, y/o
d)
una campana para una aplicación electrostática (campana ESTA), estando configurada la unidad de exposición, al menos una, de modo que en la unidad de exposición, al menos una, la radiación generada en la unidad de aplicación, al menos una, entre en contacto con la formulación de esmalte reactivo.
En una forma preferente de ejecución del dispositivo está previsto al menos un conductor lumínico, con cuya ayuda la luz generada en la unidad de exposición, al menos una, se pone en contacto con la formulación de esmalte reactiva en la unidad de aplicación, al menos una. Este conductor lumínico, al menos uno, preferentemente varios, preferentemente conductores de luz UV, se introducen en la unidad de aplicación poco antes de la tobera. En el caso de la unidad de aplicación se trata preferentemente de una cabeza de pulverizado o una campana ESTA. Por medio del conductor lumínico se consigue sin gran esfuerzo una exposición homogénea, en especial una exposición UV de la formulación de esmalte reactiva poco antes de abandonar la unidad de aplicación. En este caso se pueden emplear instalaciones de aplicación convencionales, a modo de ejemplo robots de esmaltado, y dotar los mismos de modo subsiguiente con una exposición acoplada con fibras, preferentemente una exposición UV acoplada con fibras. De este modo se ahorran considerables costes de inversión y operación, ya que se suprimen hornos de cochura y lámparas de superficie costosas. También desde el punto de vista ecológico, este gasto de energía mínimo se debe considerar una ventaja considerable frente al estado de la técnica. Todas las propiedades positivas adicionales del esmaltado por radiación, como por ejemplo ausencia de disolventes y ausencia de emisión de monómeros, se mantienen. Por lo demás, también aumenta el rendimiento, ya que el paso que determina la velocidad bajo empleo del dispositivo según la invención es la aplicación de la formulación de esmalte reactiva, como por ejemplo la pulverización de la formulación de esmalte reactiva sobre la superficie substrato, y ya no adicionalmente, como hasta la fecha, la exposición, en parte compleja. Además, la demanda de espacio de un dispositivo según la invención asciende a una fracción de la demanda de espacio de una instalación empleada hasta el momento. Por lo tanto, en cualquier proceso de esmaltado se es sensiblemente más flexible en el manejo. A modo de ejemplo, en la industria automovilística es muy ventajoso poder llevar a cabo el proceso de esmaltado también en espacio más reducido.
Otras ventajas, características y posibilidades de aplicación de la invención resultan de la siguiente descripción de un dispositivo según la invención en combinación con la correspondiente figura. Muestra:
La figura 1 la estructura esquemática de un dispositivo apropiado para la obtención de al menos una capa de esmalte endurecida en al menos un punto de una superficie substrato.
En la figura 1 se muestra esquemáticamente la estructura de un dispositivo apropiado. A través de una alimentación 5 se conduce al menos una formulación de esmalte reactiva a partir de un depósito de reserva a la unidad de aplicación provista de una tobera 6. Inmediatamente antes de la salida de la tobera se aplican dos conductores lumínicos 3 y 4, preferentemente conductores de luz UV. Desde la unidad de exposición 1, en cuyo caso se trata preferentemente de una lámpara UV, de modo especialmente preferente de un láser UV, se conduce la luz a través de un cierre 2 dispuesto en la unidad de exposición, en el que están aplicados los conductores lumínicos 3 y 4, a la unidad de aplicación a través de ambos conductores lumínicos 3 y 4, y justo inmediatamente antes de la tobera 6 de la unidad de aplicación. Mediante esta disposición de conductores lumínicos 3, 4 según la invención, representada en este caso, se consigue una irradiación UV homogénea de la formulación de esmalte reactiva poco antes de abandonar la unidad de aplicación inmediatamente en el orificio de salida de la tobera 6. Por consiguiente, en este punto se inicia la reacción de reticulado en la formulación de esmalte reactiva. En este caso, la reacción de reticulado se selecciona, o se controla cinéticamente con ayuda de otros métodos, de modo que se inicia, pero no se induce aún o se desarrolla en este punto, es decir, inmediatamente antes del orificio de salida de la tobera 6. La unidad de aplicación se dispone a una distancia corta respecto a la superficie substrato a esmaltar en cuestión. Por consiguiente, si se debe asegurar que el intervalo de tiempo entre irradiación UV de la formulación de esmalte reactiva poco antes del orificio de salida de la tobera 6 y la incidencia de la formulación de esmalte reactiva sobre la superficie substrato, sea suficientemente elevado para que la formulación de esmalte, aún no reticulada, tenga aún suficiente tiempo para desarrollar una capa homogénea sobre la superficie substrato. Solo a continuación, mediante la reacción de reticulado iniciada, se obtiene una capa de esmalte endurecida, que posee todas las propiedades, como por ejemplo resistencia al rayado y elasticidad, así como una buena estabilidad química, como son conocidas en las capas de esmalte endurecidas por radiación.

Claims (6)

1. Procedimiento para la obtención de al menos una capa de esmalte, en al menos un punto de una superficie substrato, que presenta al menos los siguientes pasos en el siguiente orden:
a)
iniciación óptica de al menos una reacción de reticulado en al menos una formulación de esmalte reactiva, que contiene fotoiniciadores y componentes de formulación de esmalte reactivos a reticular,
b)
aplicación, preferentemente aplicación homogénea de al menos una formulación de esmalte reactiva, aún de viscosidad reducida, antes de la producción de una capa de esmalte altamente viscosa en al menos un punto de la superficie substrato,
caracterizado porque la reacción de reticulado se retrasa mediante una separación espacial de fotoiniciadores y los componentes de formulación de esmalte reactivos a reticular, consiguiéndose la separación espacial mediante nanoestructuración de la formulación de esmalte.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en el paso a) se inicia la reacción de reticulado de al menos una formulación de esmalte reactiva mediante irradiación UV.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la nanoestructuración de la formulación de esmalte se ocasiona mediante alojamiento de los fotoiniciadores en partículas con un diámetro de 10 nm a 100 \mum.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, tras el paso a) y antes del paso b), el procedimiento presenta al menos en siguiente paso adicional:
a')
adición con mezclado de al menos un agente protector UV a al menos una formulación de esmalte reactiva.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, tras el paso a), y antes del paso b), el procedimiento presenta al menos el siguiente paso adicional:
a'')
adición con mezclado de al menos un pigmento a al menos una formulación de esmalte reactiva.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, en el paso b), la aplicación de al menos una formulación de esmalte reactiva se efectúa antes de la iniciación de al menos una reacción de reticulado en al menos un punto de la superficie substrato con ayuda de una pistola pulverizadora manual.
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